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本研究量化了投喂方式和投喂器类型对小型浅水鱼塘中二氧化碳和甲烷空间异质性的影响。通过在养殖和非养殖期对七个中国中部鱼塘的近岸、投喂区和开阔水域进行测量，发现投喂区CO?和CH?通量显著更高，总氨氮是CO?的主要驱动因素，而C/P比值抑制CH?生成。广播投喂器导致总碳排放量被低估20%，强调需考虑空间异质性以提高监测准确性，优化管理以支持低碳水产养殖。
张一文|徐俊勇|张一飞|王洋|姜萍|李思月
中国湖北省武汉市武汉工业大学环境生态与生物工程学院绿色高效磷资源开发国家重点实验室，长江中游生物元素微生物转化与调控湖北省重点实验室，邮编430205
摘要
水产养殖池塘越来越被认为是大气中温室气体排放的重要来源；然而，土塘养殖中喂养方式的影响仍知之甚少。本研究旨在量化喂养方式及饲料类型如何影响小型浅水土塘中二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）排放的空间异质性。我们在中国中部七个小型（<3公顷）、浅水（平均深度<1米）的水产养殖池塘中，分别在不同养殖期和非养殖期，通过定点喂养和撒播喂养方式，监测了溶解态CO2和CH4浓度以及空气-水之间的通量。分析水样中的关键物理化学参数，包括温度、pH值、总氨氮和溶解有机碳。利用极端梯度提升（Extreme Gradient Boosting）和斯皮尔曼相关分析（Spearman correlation analysis）评估了潜在的影响因素。结果表明，喂养区域的CO2和CH4通量明显高于其他区域（分别是其他区域的2.2-2.9倍），这主要是由于在受限的水动力混合条件下饲料引起的有机物局部积累所致。总氨氮是CO2排放的主要正向预测因子，而C/P比值则是CH4排放的负向预测因子。撒播喂养方式显著扩大了高排放区域的空间范围，当忽略空间变异性时，会导致总碳排放量被低估20%。这些发现表明，与喂养相关的热点区域和混合条件会严重偏倚池塘尺度的排放估算，强调了进行空间明确的监测以及改进喂养和水循环管理的必要性，以支持低碳水产养殖。
引言
水产养殖对全球粮食安全和蛋白质供应起到了至关重要的作用（Béné等人，2016；Boyd等人，2022），从1990年到2020年产量增长了609%，预计到2030年还将进一步增长15%（FAO，2022；OECD和FAO，2021）。然而，其快速扩张引发了人们对环境影响的担忧，包括水污染、富营养化和温室气体（GHG）排放（Bera等人，2025；Chen等人，2023；Dong等人，2023；Edwards，2015）。集约化喂养是现代水产养殖的主要方式，但只有大约三分之一的饲料得到了有效利用（Edwards，2015），未被食用的饲料和排泄物会以有机物质和营养物质的形式积累（Chen等人，2016；Edwards，2015；Zhang等人，2015）。这种积累促进了微生物矿化作用，增加了二氧化碳（CO2）的释放，并为甲烷菌（CH4）的生产提供了丰富的底物（Deng等人，2024；Tian等人，2026；Zhang等人，2025a）。池塘养殖在全球内陆淡水养殖中占主导地位（Edwards等人，2019；Zhang等人，2022a）。这些通常较浅且半封闭的系统——面积较小且养殖密度较高——可能是大气中CO2和CH4的重要来源（Holgerson和Raymond，2016；Richardson等人，2022；Zhang等人，2025b）。随着水产养殖的持续扩张，准确量化池塘碳排放量对于评估其对全球温室气体预算的贡献以及指导碳核算和减排工作至关重要（Zhang等人，2024a）。
然而，准确的量化仍然具有挑战性，因为集约化管理措施（如喂养、充氧和水交换）会导致池塘生物地球化学的显著时空异质性（Kosten等人，2020；Mari等人，2025；Zhang等人，2022b）。这些干预措施在池塘内部创造了营养物质、氧化还原条件和微生物过程的显著梯度，使得代表性采样变得复杂，并可能偏倚尺度放大（Kosten等人，2020）。来自水产养殖池塘的证据表明，喂养和充氧等管理措施会重塑池塘内有机物质和溶解氧的分布，从而改变温室气体排放的空间模式，如果忽略微观尺度上的变异性，可能会偏倚池塘尺度的估算（Fang等人，2022a；Waldemer等人，2024；Waldemer和Koschorreck，2023；Zhao等人，2021）。然而，大多数研究仍然依赖于整个池塘的平均值或稀疏的空间采样（例如Chen等人，2016；Ma等人，2018；Weerathunga等人，2024；Zhang等人，2020；Zhao等人，2021），导致喂养方式和饲料部署对空间模式及池塘尺度偏差的影响未能得到充分研究，尤其是在小型内陆池塘中。
水动力条件通过调节氧气可用性和营养物质分布进一步调节了空间异质性。尽管风驱动的湍流可以增强混合（Zhang等人，2024b；Zhao等人，2023），但小型池塘往往垂直和水平混合有限，导致底部水体长期分层和水平传输延迟（Henderson等人，2024；Holgerson等人，2022）。在风力较小且水交换受限的小型池塘中，停滞会促进有机物局部积累和低氧区的形成。集中的饲料输入可能会增加沉积物的氧气需求，促进厌氧碳转化，从而在喂养区域产生更多的CO2和CH4。喂养定位与混合限制之间的这种耦合意味着饲料类型（如定点喂养与撒播喂养）不仅会影响排放强度，还会改变热点区域的空间分布，这对采样设计和池塘尺度放大具有直接影响。然而，对于通常循环较弱的小型内陆池塘，CO2和CH4的池塘内部异质性仍缺乏充分研究。随着水产养殖被纳入IPCC的全球碳清单（IPCC，2019），改进其机制理解对于完善碳核算和制定有针对性的减排策略至关重要。
在这里，我们研究了位于中国亚热带地区的七个小型（<3公顷）内陆养鱼池塘，这些池塘的特点是风速较低且水流管理有限。我们在不同养殖期和非养殖期，测量了池塘的CO2和CH4浓度以及空气-水之间的通量。利用极端梯度提升（XGBoost）和斯皮尔曼相关分析（Spearman correlation analysis）确定了空间温室气体变异性的关键驱动因素。我们还比较了两种常见的饲料类型——定点喂养和撒播喂养——以测试喂养方式是否扩大或限制了热点区域的范围，从而偏倚了池塘尺度的排放估算。本研究旨在：（1）描述CO2和CH4浓度及通量的空间变化；（2）确定造成这种变化的关键因素；（3）评估饲料类型对温室气体排放的影响，以及忽略空间变异性时池塘尺度排放的潜在低估情况。这些发现为水产养殖池塘中的温室气体排放机制提供了新的见解，并为改进量化方法、管理实践和减排策略提供了科学依据。
研究地点
研究地点
本研究在中国中部湖北省武汉市的土塘养殖鱼塘进行（29°58′-31°22′N，113°41′-115°05′E）（图1）。这些池塘位于两个大型湿地范围内，即陈湖湿地和张杜湖湿地。研究区域的气候属于亚热带季风气候，年平均温度为15.8-17.5°C，年平均降水量为1,150-1,450毫米（Zhang等人，2023b）。在研究期间，风速
环境条件
研究池塘的环境条件各不相同。池塘水的平均温度从2023年9月的28.53°C变化到2024年1月的15.67°C、2024年5月的29.07°C以及2024年8月的31.26°C。在研究期间，塞奇盘（Secchi disk）的平均深度为30.96厘米（±9.91厘米），pH值为7.95（±0.58），电导率为413.34毫西门子/厘米（μS cm-1）。溶解氧水平在F区（6.29 ± 4.29毫克/升）显著低于L区（8.34 ± 4.97毫克/升）和P区
小型水产养殖池塘内环境参数的大空间异质性
水生系统中的水混合受大小、深度、风切变和温度等因素的影响（Holgerson等人，2022）。传统上认为小型浅水体由于风驱动的湍流而混合良好，这种湍流会破坏温度分层并促进垂直混合（Wetzel，2001）。然而，我们的研究结果显示，小型水产养殖池塘内的物理化学条件存在显著的空间异质性。TAN、DOC和DO等参数在池塘内部存在显著差异
结论
本研究揭示了中国亚热带地区七个小型水产养殖池塘中CO2和CH4排放的空间异质性。喂养区域的CO2和CH4通量明显高于沿岸和远洋区域，平均而言高出2.2–2.9倍，这与在受限水动力混合条件下有机物和营养物质的集中输入一致。总氨氮是CO2
CRediT作者贡献声明
张一文：撰写——原始草稿、方法论、调查。徐俊勇：撰写——审稿与编辑。张一飞：调查。王洋：调查。姜萍：调查。李思月：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、概念构思
未引用参考文献
《中国渔业执法》，《国家渔业技术推广中心》，《中国渔业协会》，2023年；《中华人民共和国农业部》，1990年。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42577079）、武汉工业大学的科学研究基金（24QD26、21QD02）以及武汉工业大学的研究生创新基金（CX2024389）的财政支持。
