水生植物對蟹塘NH3揮發和N2O排放的影響

劉永茂， 付衛國， 沈明星， 朱衛峰， 徐君， 施林林,*

(1.蘇州市農業科學院, 江蘇 蘇州 215155； 2.江蘇大學, 江蘇 鎮江 212000；3.國家土壤質量相城觀測實驗站, 江蘇 蘇州 215155； 4.江蘇沙家浜漁業科技有限公司, 江蘇 常熟 215500)

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于蘇州市相城區太平鎮河蟹養殖基地(31°26′37.84″N，120°42′43.92″E)，屬亞熱帶南部季風氣候，2019年河蟹養殖期間日均氣溫范圍為9.0～38.0 ℃。試驗塘長20 m，寬5 m，面積約為100 m2，試驗塘之間用寬0.4 m，高1.5 m的水泥墻進行隔斷，塘底為自然土，養殖用水為陽澄湖自然水體。試驗開始前，試驗塘已連續順利運行8 a，每年冬季清理塘底淤泥約5 cm。

1.2 試驗設計

挑選9個均勻一致養殖塘，采用隨機區組設計，每個處理重復3次。處理包括伊樂藻(Elodeanuttdlii)處理(EL)、蕹菜(Ipomoeaaquatica)處理(IP)、伊樂藻與蕹菜1∶1混合種養處理(E-L)。其中伊樂藻屬水鱉科，水蘊藻屬，為多年生沉水草本植物；蕹菜，俗稱空心菜，屬旋花科，番署屬，為水陸兩棲性一年生草本植物，蔓生或漂浮于水面。

1.3 水生植物與河蟹放養

在水生植物種養前，先用次氯酸鈉對塘底進行消毒1周，之后放入清水保持水面高度約10 cm，按45 kg·hm-2投入45%復合肥(N 15%、P2O515%、K2O 15%)，并在3～5 d后進行伊樂藻的移栽(3月初)。伊樂藻密度按0.5 m×0.5 m種植1穴(每穴約40芽)，伊樂藻處理中伊樂藻種植面積為試驗塘面積的60%，伊樂藻和蕹菜混合種養處理伊樂藻種植面積為試驗塘面積的30%，并用圍網進行固定。伊樂藻活顆7～10 d后將水深加至50 cm，按每1 m2水面投入蕹菜嫩枝0.5 kg計，將蕹菜嫩枝直接拋入水面。其中，蕹菜處理中蕹菜覆蓋面積占試驗塘面積的60%，伊樂藻和蕹菜混合種養處理中蕹菜和伊樂藻種植面積分別占試驗塘面積的30%，并用圍網進行面積固定。在5月10日左右，按50 kg·hm-2施用三元復合肥促進植物生長。養殖品種為中華絨螫蟹(Eriocheirsinensis，以下簡稱河蟹)，蟹苗規格每只80～100 kg，投放量為15 000只·hm-2，養殖方法參考本地農戶養殖。

1.4 氨揮發采集與分析

NH3采集試驗于2019年3—11月進行，其間NH3揮發量用通氣法測定,此法操作方便且測定結果精準，回收率高達99.5%。通氣法裝置以PVC塑料管制作而成，內徑15 cm，高10 cm，底座用20 cm×20 cm×5 cm的泡沫板制成，測定過程中將兩塊厚度均為2 cm、直徑為16 cm的海綿均勻浸以15 mL磷酸甘油溶液(50 mL磷酸+40 mL丙三醇，定容1 000 mL)，將其置于PVC管中，下層海綿距水面約5 cm，而上層海綿則與管頂部相平。在各處理的蟹塘水面隨機放置3個捕獲裝置，次日早晨9:00取樣，將通氣法裝置中下層的海綿取出，裝入500 mL的振蕩瓶中，分別加入300 mL的1 mol·L-1的KCl溶液，使海綿完全浸于其中，振蕩1 h后，浸提液中的NH3-N用連續流動分析儀(Skalar SAN++)測定。

1.5 N2O采集與分析

氣體采集試驗開始于2019年3月，至當年11月結束，每10 d對蟹塘N2O通量進行觀測。方法為靜態密閉箱法，采氣時間為當日8:30—11:30[6]。氣體采樣裝置為有機玻璃制成的無底正方體箱，箱體外層包裹錫箔，底座用泡沫板制成，箱底邊長37 cm，箱高60 cm。采樣前先將底座放置于蟹塘水面中心位置處并固定，為了盡可能的減少采樣干擾，在蟹塘中心位置處搭建木橋以便采樣。采樣時，先在底座凹槽內填加適量的水，再將頂箱扣在底座凹槽內，同時接通電源打開風扇混勻箱內氣體。按0、5、10和15 min時間間隔，用50 mL注射器抽取約100 mL氣體打入真空狀態下的鋁箔采樣袋內，并記錄箱內溫度。每次采完氣后，將頂箱移走，保留底座不動。

將采集的100 mL氣樣帶回實驗室采用島津GC-2014C氣相色譜儀測定N2O含量。N2O通量是指單位時間內單位面積上N2O變化量，正值表示氣體從水體向大氣排放，負值表示水體吸收消耗大氣中的該氣體，蟹塘N2O通量計算公式如下[7]:

(1)

蟹塘N2O累積排放量計算公式[8]:

(2)

式中：Y為氣體累積排放量(kg·hm-2)；F為氣體排放通量(mg·m-2·h-1)；i為第i次，(Ti+1-Ti)為兩次采樣間隔天數；n為采樣次數；100為單位轉換系數。

蟹塘NH3揮發速率計算公式[5]：

NH3揮發速率(N，kg·hm-2·d-1)=[M/(A×D)]×10-2。

(3)

式中：M為單個裝置平均每次測得的氨量(N，mg)；A為捕獲裝置橫截面積(m2)；D為每次連續測定的時間(d)。NH3累計排放量(N，kg·hm-2)=NH3揮發速率(N，kg·hm-2·d-1)×D。

1.6 水樣采集與測定

1.7 統計方法

2 結果與分析

2.1 不同水生植物處理下蟹塘NH3揮發速率及N2O通量

由圖1可知，蟹塘不同水生植物處理NH3揮發速率隨時間變化趨勢一致，各處理多數時間點差異顯著。試驗開始初期，各處理NH3揮發速率急劇升高，5月19日達到峰值，其峰值大小順序依次為EL處理(1.17 kg·hm-2·d-1)>E-I處理(1.05 kg·hm-2·d-1)>IP處理(0.95 kg·hm-2·d-1)，此后逐漸降低，10月20日后各處理NH3揮發速率降低至無顯著差異。整個河蟹養殖期間，IP和E-I處理NH3平均揮發速率分別為0.26、0.32 kg·hm-2·d-1，較EL處理減少了0.10、0.05 kg·hm-2·d-1。

蟹塘不同水生植物處理N2O排放通量變化趨勢基本相同。各處理N2O排放通量隨時間和氣溫逐漸升高，試驗期間，IP和E-I處理下N2O平均通量分別為0.51、0.46 mg·m-2·h-1，較EL處理減少了0.15、0.20 mg·m-2·h-1，差異顯著(P<0.05)。

圖1 養殖周期內不同水生植物處理NH3和N2O排放特征

2.2 不同水生植物處理下蟹塘NH3揮發量及N2O排放量

由圖2可知，IP、E-I和EL處理蟹塘NH3累計揮發量分別為74.94、89.09和109.98 kg·hm-2，IP和E-I處理NH3累計揮發量較EL處理分別降低了32.49%、18.99%，差異顯著(P<0.05)。不同水生植物處理蟹塘N2O累計排放量及NH3累計揮發量存在差異。IP、E-I和EL處理蟹塘N2O累計排放量分別為26.62、23.52 和33.37 kg·hm-2，IP和E-I處理N2O累計排放量較EL處理分別降低了20.23%、29.51%，差異顯著(P<0.05)。

柱上無相同小寫字母者表示組間差異顯著(P<0.05)。圖3同圖2 養殖周期內不同水生植物處理N2O和NH3累計排放特征

2.3 不同水生植物處理下蟹塘和含量動態

圖3 養殖周期內不同水生植物處理和含量動態

圖4 養殖水體和含量與氨揮發和N2O排放速率的關系

3 討論

4 小結

相較于傳統蟹塘植物配置方案(伊樂藻處理)，采用蕹菜和蕹菜+伊樂藻混合種養處理蟹塘NH3揮發和N2O排放損失顯著降低，河蟹養殖過程中添加蕹菜可提高氮利用率，同時也降低溫室氣體排放，為養殖塘“碳中和”提供技術支撐。此外，蕹菜作為水生蔬菜，具有一定的經濟價值，因此，河蟹養殖過程中建議添加一定比例蕹菜替代伊樂藻。