小型水产养殖鱼塘的饲料投放区域中，二氧化碳（CO?）和甲烷（CH?）的排放量较高

水产养殖池塘喂食实践和投喂器类型显著影响二氧化碳与甲烷排放的空间异质性，喂食区排放强度是其他区域的2.2-2.9倍，总氨氮正向调控二氧化碳排放，C/P比值负向调控甲烷排放，广播式投喂器导致总碳排放量高估20%。

　　

张一文|徐俊宇|张一飞|王洋|姜平|李思月

中国湖北省武汉市武汉理工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，430205

摘要

水产养殖池塘日益被认为是向大气中排放温室气体的重要来源；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，研究了养殖期和非养殖期的溶解CO₂和CH₄浓度以及空气-水通量，这些池塘分别使用定点喂食器和撒播喂食器进行喂养。水样分析了关键物理化学参数，包括温度、pH值、总氨氮和溶解有机碳。通过极端梯度提升（Extreme Gradient Boosting）和斯皮尔曼相关性分析（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（分别为其他区域的2.2-2.9倍），这主要是由于受限的水动力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比则是CH₄排放的负向预测因子。撒播喂食器大大扩展了高排放区域的空间范围，导致在未考虑空间变异性的情况下，总碳排放量被低估了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计，强调了需要进行空间明确的监测，并改进喂养和水循环管理，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发挥了重要作用（Béné等人，2016；Boyd等人，2022），其产量从1990年到2020年增长了609%，预计到2030年将进一步增长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）。集约化喂养支撑了现代水产养殖的大部分，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，并为甲烷生成菌提供了丰富的底物（Deng等人，2024；Tian等人，2026；Zhang等人，2025a）。池塘养殖主导了全球内陆淡水生产（Edwards等人，2019；Zhang等人，2022a）。这些通常较浅、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、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，并可能偏倚放大结果（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，未能捕捉到细微的空间变异可能会偏倚池塘尺度的估计（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倚的影响未能得到充分解析，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），但小型池塘往往表现出有限的垂直和水平混合，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）。在风力小且水交换有限的小池塘中，停滞会促进有机物局部积累和低氧区域的形成。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，提高喂养区域的CO₂和CH₄生成。喂养定位与混合限制之间的这种耦合意味着饲料类型（如定点喂食与撒播喂食）不仅可能改变排放强度，还可能改变热点区域的空间模式，这对采样设计和池塘尺度的放大有直接影响。然而，对于通常循环较弱的小型内陆池塘，CO₂和CH₄的池塘内部异质性尚未得到充分研究。随着水产养殖被纳入IPCC的全球碳清单（IPCC，2019），改进的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低且水流管理有限。在养殖期和非养殖期，测量了池塘的CO₂和CH₄浓度以及空气-水通量。使用极端梯度提升（XGBoost）和斯皮尔曼相关性分析（Spearman correlation analysis）确定了空间温室气体变异性的关键驱动因素。我们进一步比较了两种常见的饲料类型——定点喂食器和撒播喂食器——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计。本研究旨在：（1）描述CO₂和CH₄浓度和通量的空间变化；（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时池塘尺度排放的潜在低估。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、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水产养殖池塘进行（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，即陈湖湿地和张渡湖湿地。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和2024年8月的31.26°C。在研究期间，Secchi盘深度平均为30.96（± 9.91厘米），pH值为7.95（± 0.58），电导率为413.34（± 99.36 μS cm^-1）。溶解氧水平在F区（6.29 ± 4.29 mg L^-1）显著低于L区（8.34 ± 4.97 mg L^-1）和P区

小型水产养殖池塘内环境参数的大空间异质性

水生系统的混合受到大小、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的CO₂和CH₄排放在沿岸区、喂养区和水域区的显著空间异质性。喂养区的CO₂和CH₄通量明显高于沿岸区和水域区，平均高出2.2–2.9倍，这与受限水动力条件下的有机物和营养物集中输入一致。总氨氮是CO₂

作者贡献声明

张一文：撰写——原始草案、方法论、调查。徐俊宇：撰写——审阅与编辑。张一飞：调查。王洋：调查。姜平：调查。李思月：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、概念化

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。

利益声明

作者声明没有已知的竞争利益。

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本文工作的已知竞争财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42577079）、武汉理工大学的科学研究基金（24QD26、21QD02）以及武汉理工大学的研究生创新基金（CX2024389）的财政支持。