不同稻田生态种养模式对双季稻产量和CH4排放规律的影响

陈慧娜， 王 忍， 黄 璜， 陈 灿， 马微微， 陈 璐， 吕广动

(湖南农业大学农学院/湖南省稻田生态种养工程技术研究中心，湖南长沙 410128)

温室效应是全球共同面临的环境问题，CH4是作为重要的温室气体之一，其温室效应是CO2的28倍[1]，对大气温室效应的贡献占19%[2]。稻田是CH4排放的重要来源之一，排放量占比达6%[3]。围绕我国提出的“碳达峰”和“碳中和”目标，如何采取措施减少稻田CH4排放，达到固碳减排，成为热点研究课题。大量研究表明，稻田生态种养能减少稻田CH4排放高峰期的排放通量和稻季CH4排放总量[4-6]。稻田生态种养作为一种传统农业文化与现代农业技术相结合的水稻绿色生产方式，因其模式多样，适应性广，效益可观，在我国迅速推广和发展，2020年全国稻渔综合种养面积达到253万hm2，平均水稻产量为7.5 t/hm2，湖南稻田生态种养面积超过33万 hm2[7]。湖南作为双季稻区和稻田生态种养活跃区，研究稻田生态种养模式下双季稻的CH4排放规律意义重大。本研究选取稻鸭、稻鱼、稻鳅这3种主流稻田生态种养模式，研究其对双季稻稻田CH4排放的影响，为稻田生态种养在固碳减排方面的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

于2019年3—11月，在湖南省长沙县路口镇明月村进行双季稻大田试验。试验前土壤的基础理化性质：全氮含量为1.64 g/kg，全磷含量为 0.50 g/kg，全钾含量为22.71 g/kg，速效磷含量为21.87 mg/kg，碱解氮含量为112.35 mg/kg，有机质含量为13.57 g/kg，pH值5.95。

1.2 供试材料

供试水稻品种：早稻为中早35；晚稻为中早39(翻秋栽培)。放养试验品种：鸭子为绿头野鸭，鱼为鲫鱼，泥鳅为本地泥鳅。

1.3 试验设计与田间管理

设置单一种稻(CK)、稻田养鱼(RF)、稻田养泥鳅(RL)、稻田养鸭(RD)进行大区试验，每个大区面积设为667 m2，共4个大区。采取双季稻种植制度，早稻季于2019年4月20日整田，4月22日插秧，移栽株距为20 cm，移栽行距为25 cm，每穴3～4株秧苗。开始整田时施入基肥，基肥施用量为氮肥总量的70%、钾肥总量的90%和全量的磷肥，分蘖期追施氮肥总量的30%和剩余的10%的钾肥，后期不再追肥。3种化肥的总量分别为：氮肥纯N为 150 kg/hm2，N ∶P2O5∶K2O为1.0 ∶0.5 ∶1.0。早稻于7月20日收割，晚稻季于7月21日整田，7月23日移栽，插秧规格与施肥方式同早稻试验。晚稻化肥的施用总量分别为：氮肥纯N为150 kg/hm2，N ∶P2O5∶K2O 为1.0 ∶0.5 ∶0.8。晚稻灌浆后期收获鸭子，10月12日收获晚稻。

稻鸭共生试验田在水稻移栽返青后(7～15 d)放养2周龄的雏鸭，放养密度为150羽/hm2，于水稻齐穗期收鸭，养鸭区域围网，可用尼龙网，田周搭建鸭棚，养鸭前期于每日傍晚补给少量饲料，既保证每羽鸭每天所需食物又不使饲料残余，后期不再投食。稻鱼共生试验田每小区放1 000尾左右本地小鲫鱼，全长7～10 cm，平均体质量20 g/尾，放鱼区除围沟外还进行“十”字形挖沟，沟宽40 cm，沟深 50 cm。稻鳅共生试验田四周开围沟，沟宽 40 cm，沟深 30 cm，在田埂四周插入不易腐烂的厚塑料薄膜，插入泥土深度为30 cm，防止泥鳅钻洞逃逸。投入5 cm 长的鳅苗 20万尾/hm2，鳅苗放养前需用浓度为3%的食盐水消毒处理，待消毒水中大部分泥鳅浮头时，将泥鳅迅速捞起放入田中。养鱼区和养鳅区均不投饵。水稻单作模式试验田水肥以传统水稻单作模式管理。

1.5 观测指标与方法

1.5.1 CH4气体测定 使用静态暗箱法采取稻田气体样品，取样箱规格50 cm×50 cm×120 cm，水稻返青后开始取样，在无雨天09：00—11：00取样，每隔7 d取1次气样，直至水稻成熟。每个取样点每次连续取样4次，每隔10 min取1次，取样后立即将气体转移至18 mL真空的玻璃管中，在湖南省农业科学院环境研究所采用 Agilent 7890A 气相色谱仪检测分析气体样品。根据样品甲烷浓度与时间的关系曲线计算取样时稻田的甲烷的排放通量，计算公式参考陈璐等的研究[8]。

1.5.2 生物量的测定 于水稻分蘖期、孕穗期、齐穗期、灌浆期、成熟期，根据各时期的平均茎蘖数每个小区随机采取水稻植株样品5蔸，用水洗净泥土，分根、茎、叶、穗包装。105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒质量，称质量。试验中水稻“生物量”指的是单株生物量。

1.5.3 水稻产量的测定 于水稻收获前1 d，每个小区采取有代表性的水稻植株5蔸，进行考种，计算理论产量。于水稻收获当天，每个小区随机割取3个1 m2的样方，脱粒后晒干，风选称质量并计算实际产量。

1.5.4 土壤有机质含量的测定 采用重铬酸钾容量法测定土壤有机质含量。

1.7 统计分析

采用Excel 2010和SPSS 25.0软件进行图表制作与数据的统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同稻田生态种养模式稻田甲烷排放通量

由图1和图2可以看出，各处理在投放养殖动物前(5月3日，8月3日)的甲烷排放通量无明显差异，投放养殖动物后，各生态种养处理不同程度降低田间的甲烷排放通量。早晚稻稻田甲烷排放通量各有2个峰，早稻最高峰出现在灌浆期，第二峰出现在分蘖盛期，晚稻相反，最高峰在分蘖盛期产生，第二峰产生在灌浆期至成熟期。早稻各生态种养处理延迟并降低甲烷排放最高峰，晚稻RF、RL处理的甲烷排放曲线在高峰过后趋于平缓。相较于CK，早稻RF、RL、RD甲烷排放最高峰分别较CK降低9.81、6.38、7.12 mg/(m2·h)，晚稻RF、 RL、RD甲烷排放最高峰分别较CK降低6.28、9.72、8.85 mg/(m2·h)。

2.2 不同稻田生态种养模式甲烷周年排放量及其增温潜势

由表1可知，CK早稻和晚稻的甲烷排放总量最高，增温潜势最大，各生态种养处理早、晚稻甲烷排放总量和增温潜势均显著低于CK。CK全年甲烷排放总量为478.28 kg/hm2，RF、RL、RD全年甲烷排放量分别较CK降低213.43、187.73、141.58 kg/hm2，降低率达44.62%、39.25%、29.60%，均达到显著差异。各生态种养处理中RF、RL全年甲烷排放量显著低于RD，降低率分别为21.34%和16.68%。CK处理的周年增温潜势为11 957.12 kg/hm2(CO2当量)，RF、RL、RD周年增温潜势分别较CK降低了44.62%、41.34%、29.60%。各处理中，RF全年甲烷排放量和周年增温潜势最低，显著低于CK和RD。

表1 不同稻田生态种养模式甲烷周年排放量及其增温潜势

从表2可知，各处理的早、晚稻产量均表现为CK

表2 不同稻田生态种养模式的甲烷排放强度

2.3 不同稻田生态种养模式的水稻生物量

由图3、图4可知，各生态种养处理早、晚稻的水稻生物量在齐穗期至成熟期均高于CK，且早稻季的灌浆期、晚稻季齐穗期和灌浆期达到显著性差异，成熟期均以RD处理的水稻生物量最高，且在晚稻季与对照达到显著性差异。早稻灌浆期各处理的水稻生物量表现为RF>RD >RL>CK，其中RF、RD、RL的生物量均显著高于CK的48.31 g，分别高出 26.95%、20.12%、22.83%。晚稻齐穗期、灌浆期、成熟期各处理的生物量均表现为RD>RL>RF>CK，RD、RL、RF处理的水稻生物量分别较CK高出27.82%～28.92%、20.48%～23.94%、9.27%～12.89%，且均存在显著差异。

2.4 不同稻田生态种养模式对土壤有机质的影响

由图5、图6可知，除早稻齐穗期外，各生态种养处理的早、晚稻各时期土壤有机质均高于CK，RD、RL处理分蘖期和成熟期的土壤有机质含量均显著高于CK，且分蘖期较CK分别高出20.88%～22.77%和20.88%～31.68%，成熟期较CK分别高出19.47%～58.11%和6.15%～56.21%。

3.6 甲烷排放的相关性分析

由相关性分析可知，早、晚稻高峰甲烷排放通量与pH值呈正相关，与水稻生物量、有机质呈负相关，其中早稻高峰甲烷排放通量与有机质的相关系数为-0.806(P<0.05)，晚稻高峰甲烷排放通量与有机质的相关系数为-0.995(P<0.05)。早、晚稻甲烷排放总量、周年甲烷排放总量与水稻生物量、产量均呈负相关，均未达到显著差异水平(表3)。

表3 甲烷排放的相关性分析

4 讨论与结论

稻田生态种养通过田间养殖动物的活动改变了土壤物理、化学和生物学特征，从而对土壤温室气体排放产生影响。多数研究认为，稻田生态种养模式能够减少土壤CH4的排放[9-10]，稻鸭模式整个放鸭期间的甲烷排放通量明显低于对照，稻鸭模式土壤CH4排放减少了12.8%～19.4%[11]。本研究结果显示，RF、RL、RD在早、晚稻甲烷排放高峰期的CH4排放通量均明显低于对照，且3种模式的全年甲烷排放量分别较CK降低44.62%、39.25%、29.60%(P<0.05)，周年增温潜势分别较CK降低了44.62%、41.34%、29.60%。原因可能是养殖动物在田间游动、踩踏和觅食等活动减少了杂草对氧气的消耗，改善了田间通气状况，使水体和土壤溶解氧增加，改善了土壤的氧化还原状况，抑制甲烷菌的生长活性，提高甲烷氧化菌的活性，减少了CH4的产生量，加快了 CH4的再氧化，从而减少 CH4的排放[12-13]。有研究显示稻鱼模式减排甲烷 6.4%～15%[14-15]，也有研究显示同样淹水的稻蟹模式增加了25.4%～36.8%的CH4排放[16]。本研究结果显示RF全年甲烷排放量和周年增温潜势最低，显著低于CK和RD，这与陈璐等的研究结果[8]相似。

王忍等研究发现稻田养鸭能提有效高水稻生物量和产量，产量增幅为11.8%～15.67%[17]。本研究亦有相似结果，RF、RL、RD的双季稻总产量较CK增加了5.82%～11.94%(P<0.05)，水稻成熟期RD的水稻生物量显著高于CK。多数研究显示稻田生态种养能提高土壤有机质含量[17-19]，本研究表明，3种生态种养模式早、晚稻成熟期土壤有机质较CK分别高出19.47%～58.11%和6.15%～56.21%，且相关性分析显示早、晚稻甲烷排放高峰的甲烷排放通量均与土壤有机质含量显著负相关，相关系数分别为-0.806和-0.955。其原因可能是稻田生态种养模式下，田间引入养殖动物后，围绕养殖动物排泄物、分泌物的微生物群落增加，与产甲烷菌竞争资源，加速掉落物分解的同时又抑制了产甲烷菌的数量和活性，从而增加了土壤有机质含量，又减少了甲烷的排放，说明稻田生态种养兼具固碳和减排的双重作用，因此稻鱼、稻鳅、稻鸭3种生态种养模式均可作为水稻绿色生产模式进行推广。