團頭魴池塘養殖生態系統曬塘階段溫室氣體排放通量分析

朱　林，車　軒，劉　晃，劉興國，時　旭，楊家朋，王小冬，顧兆俊，程果鋒，朱　浩（中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，農業部漁業裝備與工程技術重點試驗室，上海 200092）

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團頭魴池塘養殖生態系統曬塘階段溫室氣體排放通量分析

朱林，車軒※，劉晃，劉興國，時旭，楊家朋，王小冬，顧兆俊，程果鋒，朱浩
（中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，農業部漁業裝備與工程技術重點試驗室，上海 200092）

摘要：為探討團頭魴池塘養殖生態系統曬塘階段溫室氣體的排放規律及綜合增溫潛勢，采用靜態暗箱——氣相色譜法對團頭魴池塘養殖生態系統曬塘階段溫室氣體（CO2，CH4，N2O）的排放進行原位測定。結果顯示，團頭魴池塘養殖生態系統曬塘階段均表現為CO2，CH4和N2O的排放源，其中CO2排放通量達(86.72±12.46) g/m2，CH4排放量達(2.01±0.34) g/m2，N2O排放量達(7.44±0.98) mg/m2；在100 a的時間尺度上，團頭魴池塘養殖生態系統在曬塘階段綜合增溫潛勢為(157.28±24.31) g/m2，團頭魴池塘養殖生態系統溫室氣體減排空間較大。

關鍵詞：溫室氣體；排放控制；池塘；水產；溫室效應；團頭魴；曬塘

朱林，車軒，劉晃，劉興國，時旭，楊家朋，王小冬，顧兆俊，程果鋒，朱浩. 團頭魴池塘養殖生態系統曬塘階段溫室氣體排放通量分析[J]. 農業工程學報，2016，32（3）：210－215.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.030 http://www.tcsae.org

Zhu Lin, Che Xuan, Liu Huang, Liu Xingguo, Shi Xu, Yang Jiapeng, Wang Xiaodong , Gu Zhaojun, Cheng Guofeng, Zhu Hao. Greenhouse gas emissions of Megalobrama amblycephala culture pond ecosystems during sun drying of pond[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 210－215. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.030http://www.tcsae.org

0　引　言

目前，臭氧層破壞和全球變暖等環境問題是由溫室氣體過量排放引起的。其中，CO2、CH4和N2O是最主要的溫室氣體，它們對溫室效應的貢獻分別為55%，22% 和5%[1-2]。大氣中CO2，CH4和N2O的體積分數正分別以每年0.14%，0.16%和0.125%的速度增長。

一般來說，魚或蝦養殖的飼料吸收利用率不足30%[3-4]。在飼料系數1～2的情況下，約80%的被攝食飼料以液態、固態或氣態形式排入環境[5-6]。中國的水產養殖產量長期以來穩居世界第一，占世界水產養殖產量的70%，是全球水產養殖的主體[7]。淡水池塘養殖是中國現階段的主要生產模式，其產量占中國水產養殖總量的41.5%[7-8]。2012年中國團頭魴（Megalobrama amblycephala）產量70.58萬t，占全國淡水養殖總產量的2.7%[9]，如果按飼料系數2，飼料有機碳質量分數34%，氮質量分數6%，飼料C損失率80%，N損失率76%計算，中國團頭魴養殖池塘每年有機碳累積量達41.16萬t，氮累積量達6.9萬t[10]。

全球生態系統溫室氣體研究始于20世紀70年代，目前有大量科學家圍繞該問題開展研究，這些研究主要集中在濕地、農業和水庫等方面[11-14]。水產養殖生產是典型的農業生產活動，減少農業源溫室氣體排放對控制全球氣候變化有重要作用[15]。本試驗選擇大宗淡水魚池塘生態系統，在團頭魴池塘養殖生態系統曬塘階段對3種溫室氣體排放通量進行監測和分析，以期為估算淡水養殖生態系統溫室效應，尋求相應減排措施提供數據支撐。

1　材料與方法

1.1試驗設計

2014年12月－2015年2月，試驗于中國水產科學研究院池塘生態工程研究中心大宗淡水魚養殖試驗池塘進行，該池塘面積50 m×100 m，水深1.5 m，塘齡8 a，底泥厚度60 cm，采取普遍使用的“主養團頭魴、套養鰱、鳙”的養殖模式，放養規格團頭魴魚種1593尾/667m2；套養鰱、鳙魚種分別為80尾/667m2和20尾/667m2。養殖全程投喂淡水魚人工配合飼料，根據氣溫及魚吃食情況按魚質量的3%～5%投喂，待12月底團頭魴全部收獲之后開始曬塘。本試驗從2014年12月28日至2015年1月13日，每隔15 d采一次樣，計45 d。

1.2溫室氣體樣本采集及測試方法

采用常用的靜態箱法采集氣樣，箱體由玻璃鋼材料制成，規格50 cm×50 cm×50 cm，頂部運行小風扇混合箱內氣體。一個采樣點重復采樣3次，于采樣箱關閉的0、10、20、30 min開始采樣，每次采樣100 mL。氣體儲存于0.2 L鋁箔氣袋中，24 h內用美國安捷倫公司生產的Agilent 6890氣相色譜儀同時分析 CO2、CH4、N2O的排放通量。

1.3指標測定

底泥采樣點與氣樣采集點為同一位置，其采樣位置如圖1所示，圖中長方形為試驗池塘，我們在圓點所示位置采集樣品，其相對位置如圖中標尺所示，對每個采樣點用帶刻度的空心PVC管（外徑5 cm、內徑4.8 cm）進行取樣，在土層深度10 cm處取樣，經計算共計72個土樣；氣溫用水銀溫度計測定；泥溫、氫離子濃度指數及氧化還原電位ORP（oxidation-reduction potential）用手持YSI進行在線測定；底泥含水率采用經典烘干法（105～110℃，10 h）測定；總有機碳TOC（total organic carbon）采用德國耶拿分析儀器公司的multi.N/C2100型總有機碳分析儀測定。

圖1　試驗池塘采樣點分布示意圖Fig.1　Schematic diagram of sampling point in experimental pond

1.4總溫室氣體排放量的計算

全球增溫潛勢（global warming potential，GWP）作為一種簡單的基于輻射特性的相對指標，其常被用來估計不同溫室氣體對氣候系統的潛在效應。在綜合增溫潛勢估算中，CO2看作參考氣體，CH4和N2O排放量的增減通過GWP系數轉換成CO2等效量。以100 a影響尺度為計，CH4的GWP系數是34，N2O的GWP系數是298[16]。本文池塘養殖生態系統總溫室氣體排放量為T（g/m2，以CO2計），計算如下

式中fCO2為試驗期間CO2的排放量，g/m2；fCH4為試驗期間CH4的排放量，g/m2；fN2 O為試驗期間N2O排放量，mg/m2。

1.5數據分析

采用Microsoft Excel2013軟件對試驗數據進行處理和制圖，SPSS19.0軟件進行統計分析，以測試數據的平均值±標準差（mean±SD）表示。

2　試驗結果

2.1團頭魴池塘養殖生態系統曬塘階段底泥理化性狀

試驗期間團頭魴池塘養殖生態系統曬塘階段底泥理化數據如圖2所示，1月13號的氫離子濃度指數最高，達到(8.26±0.35)，12月28號、1月28號及2月13號的氫離子濃度指數分別為(7.73±0.26)、(7.75±0.37)及(7.68±0.48)；TOC（底泥總有機碳）總體表現出隨曬塘的進行而逐漸減少的趨勢，其中12月28號最高，達(3.61±0.43) mg/L，其他3 d TOC分別為(3.32±0.17)、(3.16±0.31)、(3.23±0.27) mg/L；1月13號ORP（氧化還原電位）最高，達(216.8±27.6) mV，余下3次監測數據為(206.7±34.9)、(56.8±9.3) 及(124.8±16.5) mV；由于曬塘階段時有雨天，池塘底泥含水率并沒有一直降低，試驗4 d底泥含水率分別為(55.25%±2.54%)、(54.53%±5.61%)、(46.62%±4.38%)、(48.35%±3.14%)；曬塘階段的氣溫較低，分別為(8.9±0.2)、(7.2±0.1)、(5.8 ±0.1)及(6.0±0.1)℃；底泥溫度稍高，4 d的數據分別為(11.6±0.4)、(10.5±0.3)、(9.8±0.2)及(9.9±0.4) ℃。

圖2　團頭魴池塘養殖生態系統曬塘階段底泥理化性狀Fig.2　Physical and chemical properties of bottom sediment of Megalobrama amblycephala culture pond ecosystems during sun drying of pond

2.2團頭魴池塘養殖生態系統曬塘階段3種溫室氣體排放通量

團頭魴池塘養殖生態系統曬塘階段3種溫室氣體排放通量如圖3所示，從圖3a中可以看出，CO2排放通量呈現隨曬塘日期增加而逐步遞減的趨勢，峰值在曬塘第1 天2014年12月28號，達到(2652.46±325.36) mg/(m2·d)，排放通量最低為曬塘結束日2015年2月13號，(1373.27±167.39) mg/(m2·d)。CH4是甲烷菌通過有機碳源轉化而來，影響底泥CH4排放的主要因素有土壤溫度和氧化還原電位（ORP）。從圖3b中可以看出，CH4排放通量表現出于CO2排放通量相類似的變化趨勢，CH4排放通量的峰值依然出現在曬塘首日，達到(82.42±6.32)mg/(m2·d)，2月13號排放通量最低，為(7.06±2.93) mg/(m2·d)。團頭魴池塘養殖生態系統N2O產生和排放主要來源于微生物的硝化和反硝化過程，從圖3c中可以看出，曬塘階段N2O排放規律沒有CO2及CH4明顯，1月13號，團頭魴池塘養殖生態系統N2O排放通量最高，達到(204.57±16.84) μg/(m2·d)，排放通量最低為2月13號，(90.39±10.67) μg/(m2·d)。

圖3　團頭魴池塘養殖生態系統曬塘階段3種溫室氣體排放通量Fig.3　Greenhouse gas emissions of Megalobrama amblycephala culture pond ecosystems during sun drying of pond

2.3團頭魴池塘養殖生態系統曬塘階段溫室氣體總排放量

團頭魴池塘養殖生態系統曬塘階段溫室氣體總排放量如表1所示，其中CO2排放量達(86.72±12.46) g/m2，CH4排放量達(2.01±0.34) g/m2，N2O排放量達(7.44±0.98) mg/m2，在100 a的時間尺度上，團頭魴池塘養殖生態系統在曬塘階段表現出增加溫室氣體綜合作用為(157.28±24.31) g/m2。本研究中團頭魴池塘生態系統曬塘階段溫室氣體排放通量可觀，減排空間較大。

表1　團頭魴池塘養殖生態系統曬塘階段溫室氣體總排放量Table 1　Emissions of greenhouse gas combined action of Megalobrama amblycephala culture pond ecosystems during sun drying of pond

3　討　論

好氧細菌在有氧環境下分解有機物產生二氧化碳[17]。水分、肥料效應、土壤有機碳水平和土壤溫度是影響CO2排放的主要因素。土壤有機質與土壤呼吸速率之間存在極顯著的相關關系，兩者的相關系數為0.927[17]。土壤有機碳總量、活性有機碳與土壤呼吸都呈極顯著正相關[18]。單施氮肥對土壤呼吸影響不大，而氮磷配施，尤其是高氮高磷配施能顯著增加土壤呼吸量[16]。土壤呼吸與氣溫、土壤溫度之間存在顯著的相關關系，而土壤呼吸與土壤含水量之間相關性較差或無相關關系[18]。本試驗中，整個曬塘階段池塘生態系統表現為CO2排放源，曬塘第1 天2014年12月28號，氣溫、底泥溫度、底泥含水率及底泥總有機碳水平在4次監測數據中均為最高，為好氧細菌及浮游生物提供了相對其他3組更加良好的呼吸環境，CO2排放通量達到曬塘試驗階段峰值(2652.46±325.36) mg/(m2·d)；而隨著曬塘的進行，氣溫及底泥溫度降低，池塘水分逐漸減少，底泥含水率降低，底泥總有機碳水平也隨之降低，CO2排放通量呈現出降低的趨勢，至曬塘結束日2015年2月13號CO2排放通量最低為(1373.27±167.39) mg/(m2·d)，整個曬塘階段日均排放通量為(1948.99±632.99) mg/(m2·d)。目前，中國國內冬季農田CO2排放通量的研究主要集中在華北平原[19-23]，分布范圍在1 800～5 760 mg/(m2·d)，略高于團頭魴養殖生態系統曬塘階段CO2排放通量；中國濕地CO2排放通量的研究結果很多，汪青等[24]等對同屬于上海的崇明東灘濕地溫室氣體的研究得出冬季CO2平均排放通量為3 465.84 mg/(m2·d)，王蒙等[25]對冬季杭州灣濱海濕地的CO2排放通量監測結果為5 880 mg/(m2·d)，對比可知，團頭魴養殖生態系統曬塘階段CO2排放通量顯著低于冬季上海附近濕地。

對水庫的研究表明，缺氧環境下，甲烷菌的活動占優勢，分解庫底大量沉積的有機物，主要產生甲烷，及少量二氧化碳。此外，還會形成生物惰性殘余，腐殖酸和黃酸[26-27]。產甲烷細菌通過2種方式制造甲烷：一種是將CO2轉化成甲烷；另一種是以甲基分子(主要是乙酸)為底物進行反應[28-29]。Mirzoyan等[30]對水產養殖的底泥性質進行了研究，結果發現溶氧＜1 mg/L，存在與水庫沉積物相似的厭氧條件，是產生CH4的有利環境。影響CH4排放的主要因素有土壤溫度和氧化還原電位和水深。從定性的角度說，一天之內土壤溫度和ORP變化對稻田CH4排放通量日變化具有極顯著的影響[31]。本試驗中，整個曬塘階段池塘生態系統表現為CH4排放源，曬塘開始時，氣溫、底泥溫度雖低于產甲烷微生物的最適溫度，但氣溫及底泥溫度呈下降趨勢成為了影響試驗階段CH4排放變化規律的關鍵因素；此時產甲烷微生物在4組當中活性最強，因此CH4排放通量達到曬塘試驗階段峰值(82.42±6.32) mg/(m2·d)；而曬塘階段CH4排放通量后兩組呈現出降幅較大的現象可能是氣溫、底泥溫度變化及ORP不穩定變化共同作用的結果，整個曬塘階段日均排放通量為(44.54±22.96) mg/(m2·d)。中國國內冬季農田CH4排放通量分布范圍在3.84～128.8 mg/(m2·d)[22,31]，與團頭魴養殖生態系統曬塘階段CH4排放通量相當；上海附近濕地冬季CH4平均排放通量為10.33 mg/(m2·d)[24]，顯著低于團頭魴養殖生態系統曬塘階段CH4排放通量。

生態系統中N2O產生的主要過程是硝化和反硝化過程。硝化菌反硝化作用、硝酸鹽同化還原成銨及硝酸鹽異化還原成銨過程中也產生N2O[32]，但產生量較小。影響N2O排放的主要因素有土壤含水量、土壤溫度及C/N（碳氮比）。研究表明，在土壤濕度為90%～100%的田間持水量時，N2O排放量最大[33]。在適宜的土壤水分條件下和一定溫度范圍內，N2O排放隨土壤溫度的上升而增加[34]。在?2～5℃范圍內反硝化量的平方根與溫度呈直線關系[35]。N2O排放隨C/N的上升而增加，C/N=20條件下的N2O排放量是C/N=5或10條件下N2O排放量的10倍[36]。根據科研人員對水產養殖的底泥性質的研究結果，養殖底泥的C/N=29.3～42.4，底泥的這種特性將極大的促進N2O排放[21]，整個曬塘階段N2O日均排放通量為(156.89±48.17) μg/(m2·d)。中國長江中下游冬季農田N2O排放通量分布范圍在2.1～7.08 mg/(m2·d)[21,37-38]，顯著高于團頭魴養殖生態系統曬塘階段N2O排放通量；中國科研人員對上海附近濕地冬季N2O排放通量的監測結果為0.24 mg/(m2·d)[24]，顯著高于團頭魴養殖生態系統曬塘階段N2O排放通量。本試驗中，淡水池塘N2O排放規律沒有CO2及CH4明顯，其作用機理及影響因素有待進一步研究。

4　結　論

團頭魴池塘養殖生態系統曬塘階段均表現為CO2，CH4和N2O排放源，其中CO2排放通量達(86.72±12.46) g/m2，CH4排放量達(2.01±0.34) g/m2，N2O排放量達(7.44±0.98) mg/m2；在100 a時間尺度上，團頭魴養殖池塘系統在曬塘階段綜合增溫潛勢為(157.28±24.31) g/m2，池塘養殖團頭魴生態系統溫室氣體減排空間較大。

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Greenhouse gas emissions of Megalobrama amblycephala culture pond ecosystems during sun drying of pond

Zhu Lin, Che Xuan※, Liu Huang, Liu Xingguo, Shi Xu, Yang Jiapeng, Wang Xiaodong, Gu Zhaojun, Cheng Guofeng, Zhu Hao
(Key Laboratory of Fisher Equipment and Engineering, Ministry of Agriculture, Fisher Machinery and Instrument Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shanghai 200092, China)

Abstract:Global warming and ozone depletion caused by greenhouse gases are currently two major global environmental issues. While China's freshwater aquaculture production has long been ranked first in the world, greenhouse gas emissions from freshwater ponds becomes an important source of China's greenhouse gas emissions. But the research on greenhouse gas emission in freshwater aquaculture ecosystem is limited. In order to investigate greenhouse gas emissions and comprehensive global warming potential of Megalobrama amblycephala culture pond ecosystems during pond basked, we used the static opaque chamber-GC techniques to conduct an in situ determination of greenhouse gas emissions (CO2, CH4, N2O) of Megalobrama amblycephala culture pond ecosystems. The results showed that the CO2fluxes measured in every 15 days were (2652.46±325.36), (2313.82±245.14), (1456.42±124.67) and (1373.27±167.39) mg/(m2·d) respectively for the air temperature of 8.9, 7.2, 5.8 and 6℃, at the ponds during sampling. The potential of hydrogen at the ponds during the sampling at each temperature was (7.73±0.26), (8.26±0.35), (7.75±0.37) and (7.68±0.48), respectively. The total organic carbon at the ponds for each sampling was (3.61±0.43), (3.32±0.17), (3.16±0.31) and (3.23±0.27), respectively. The redox potential for each sampling was (206.7±34.9), (216.8±27.6), (56.8±9.3) and (124.8±16.5) mV, respectively. The moisture content of sediment for samples taken at 11.2, 10.3, 9.6 and 9.8℃ was (55.25%±2.54%), (54.53%±5.61%), (46.62%±4.38%), and (48.35%±3.14%), respectively. Among December 28, January 13, January 28, February 13, 2014, when the pond temperature was the highest on December 28, the CO2emission flux peaked (2652.46±325.36) mg/(m2·d)). In comparison, on February 13 2015, the smallest CO2emission flux (1373.27±167.39) mg/(m2·d)) corresponded with the lowest pond temperature, CH4is transformed from methane bacteria via an organic carbon source. As culturing activity increased with rising temperatures, phytoplankton dies and the organic artificial diets left over by fish increases, providing a rich carbon source for methane bacteria. In this study, CH4emission flux paralleled that of CO2, and in general, CH4emission flux was positively correlated with temperature. On December 28, 2014, there was a peak of CH4emission flux (82.42 ± 6.32) mg/(m2·d)) in the freshwater ponds. From December 28, 2014 to February 13 2015, the measured CH4emission fluxes were (82.42±6.32), (81.08±7.43), (7.63±1.84) and (7.06±2.93) mg/(m2·d), respectively. On February 13 2015, the lowest water temperature was accompanied by the smallest CH4emission flux (7.06±2.93) mg/(m2·d). From December 28, 2014 to February 13 2015, the N2O emission fluxes were (172.34±10.56), (204.57±16.84), (160.36±12.87), and (90.39±10.67) μg/(m2·d), respectively. Megalobrama amblycephala culture ponds during pond basked were the source of CO2, CH4and N2O, of which CO2emission during pond basked amounted to (86.72.10±12.46) g/m2, CH4emission of (2.01±0.34) g/m2, and N2O emission of (7.44±0.98) mg/m2. For 20-years Megalobrama amblycephala culture pond ecosystems during pond basked, greenhouse gas warming potential had an increase trend. Comprehensive global warming potential was (157.28±24.31) g/m2. Therefore, there was a great potential in greenhouse gas emission reduction in Megalobrama amblycephala culture pond ecosystems.

Keywords:greenhouse gases; emission control; ponding; aquaculture; greenhouse effect; Megalobrama amblycephala; sun drying of pond

通信作者：※車軒，男，碩士，助理研究員，從事養殖水環境控制研究。上海中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所農業部漁業裝備與工程技術重點試驗室，200092。Email：chexuan@fmiri.ac.cn

作者簡介：朱林，男，碩士，助理研究員，從事養殖水環境控制研究。上海中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所農業部漁業裝備與工程技術重點試驗室，200092。Email：zhulin@fmiri.ac.cn。

基金項目：農業部漁業裝備與工程技術重點實驗室開放課題項目（2013006）；農業財政項目“漁業節能減排宣傳與政策研究”；國家蝦現代農業產業技術體系建設專項資金（CARS-47）。

收稿日期：2015-07-15

修訂日期：2015-12-16

中圖分類號：X171.1；S965.119

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6819(2016)-03-0210-06

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.030