浮床水稻种植在减少集约化水产养殖池塘甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）排放方面的效果及途径

《Journal of Environmental Management》：Mitigation efficiency and pathways of floating-bed rice cultivation for the CH 4 and N 2O emissions from intensive aquaculture ponds

本研究通过两年期田间实验发现，浮稻与鱼类共培养可显著减少养殖池塘甲烷（CH?）和一氧化二氮（N?O）排放，分别降低42.7%和42.2%。机制包括抑制甲烷逸出、增加水体甲烷氧化菌（pmoA）丰度，以及减少无机氮和溶解氧消耗导致的反硝化作用。该成果为降低水产养殖温室气体排放提供了新策略。

　　

李凤波|王梦洁|杨志|徐春春|冯金飞|方福平

中国国家水稻研究所，杭州，310006，中国

摘要

水产养殖池塘被广泛认为是人为温室气体（GHG）排放的关键热点。然而，关于减少池塘温室气体排放的缓解措施的研究仍然很少。为了解决温室气体缓解策略方面的知识空白，我们开展了一项为期两年的田间实验，研究浮床水稻种植在调节水产养殖池塘温室气体排放中的作用。我们的研究发现，与鱼类单一养殖池塘相比，浮床水稻与水产养殖池塘共养显著降低了温室气体排放：甲烷（CH₄）排放减少了42.7%，一氧化二氮（N₂O）排放减少了42.2%。浮床水稻种植显著抑制了甲烷的释放，并增加了水中的甲烷氧化菌功能基因pmoA的丰度，从而增强了池塘内的甲烷原位氧化作用。一氧化二氮排放的减少主要是由于水中溶解无机氮浓度的降低以及生物和化学氧气消耗的增加，这减少了氮底物并抑制了反硝化作用。这些发现表明，浮床水稻是一种有效的减少水产养殖池塘温室气体排放的方法。

引言

随着捕捞渔业达到停滞极限，水产养殖已从全球鱼类供应的补充来源转变为主要来源。预计到2050年，全球水产养殖产量将从2022年的9400万吨增加到14000万吨，这一趋势与对水生蛋白需求的增长相符（FAO，2024年）。为了实现最大的鱼类产量，过去二十年里养殖方式逐渐从粗放型向集约型转变（Naylor等人，2021年）。然而，集约化水产养殖已成为全球温室气体排放的主要人为来源之一（Yuan等人，2019年），因为这些系统中积累了大量的残留碳（C）和氮（N），它们是微生物转化为甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）的前体（MacLeod等人，2020年；Deng等人，2024年）。预计全球水产养殖系统每年将排放14.0 Tg的甲烷（CH₄）和36.7 Gg的一氧化二氮（N₂O）（Yuan等人，2019年；Rosentreter等人，2021年）。如何减少温室气体排放对现代水产养殖行业来说是一个巨大的挑战。

作为淡水鱼类生产的主要养殖基础设施，土塘由于饲料或粪肥的大量施用，被认为是水产养殖甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）排放的关键热点（FAO，2024年）。在过去的几十年中，许多研究调查了池塘甲烷和一氧化二氮排放的季节性动态特征及其主要驱动因素；并明确指出，不同水产养殖池塘的甲烷和一氧化二氮排放通量存在很大差异，受多种因素影响，包括养殖物种、喂养方式、水资源管理、水质和沉积物参数以及气象条件（Yang等人，2020年；Fang等人，2022年；Zhang等人，2022b年；Dong等人，2023年；Li等人，2025b年；Mari等人，2025年）。此外，一些研究还基于近期田间实验探索了缓解措施。例如，Zhang等人（2022a年）指出，使用沉积物改良剂（主要成分：过氧单硫酸盐和螯合剂）可以通过改善沉积物的氧化还原电位和碱度（pH值）来减少蟹虾混养池塘的甲烷排放。一些研究还表明，机械曝气或与挺水植物共养可以增加水或沉积物中的氧气供应，从而减少水产养殖池塘的甲烷排放（Yang等人，2019年；Fang等人，2022年；Li等人，2023年）。然而，关于基于池塘的水产养殖系统甲烷和一氧化二氮排放的缓解策略的研究仍然不足。由于温室气体排放的变异性和复杂性，相关的缓解途径和机制尚未得到充分记录，无法为制定缓解策略提供足够的参考。

基于植物的浮床，配置了水培可种植的物种（包括蔬菜、水稻和本地水生大型植物），通过部署结构化的浮床框架，成为修复营养残留物和改善水质的有效生态方法（Zhang等人，2014年；Fan等人，2021年；Goda等人，2024年；Li等人，2025a年）。池塘中排放的一氧化二氮主要是通过水中或沉积物中可利用氮的微生物介导的硝化和反硝化作用产生的（Zhang等人，2025年）。一些研究表明，浮床系统中的植物吸收了池塘水中的残留溶解氮，从而减少了一氧化二氮的排放（Groenveld等人，2020年；Zheng等人，2025年）。然而，先前的研究也显示，浮床蔬菜并未显著减少一氧化二氮的排放（Wongkiew等人，2018年）。浮床系统对一氧化二氮的减排效果可能受植物种类和环境参数的影响。池塘中排放的甲烷主要是由沉积物中有机物的厌氧分解产生的，甲烷的通量也受到池塘中氧化和传输过程的影响（Zhang等人，2022b年）。据我们所知，尚未进行过控制性的田间实验来研究浮床水稻种植系统对水产养殖池塘甲烷排放的影响。

植物种类是影响浮床系统重新利用残留营养物质效率以及调节与水产养殖系统产生的甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）排放相关转化过程的重要因素（Wongkiew等人，2018年；Li等人，2025a年）。水稻（Oryza sativa）是唯一生理上适应水生种植的谷物作物，适合在池塘系统的浮床上生长。先前的研究已经考察了浮床水稻种植对水体富营养化、微生物群落动态和鱼类生长的影响（Zhu等人，2023年；Goda等人，2024年；Jiang等人，2024年，2025年）。然而，关于其对水产养殖池塘甲烷和一氧化二氮排放影响的研究较少。我们假设浮床水稻可以通过抑制这两种气体的产生过程或增强其消耗过程来减少它们的排放。

为了验证这一假设，本研究进行了一项为期两年的田间实验，研究了浮床水稻对三个方面的影响：（1）甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂）的通量；（2）水和沉积物中的碳（C）和氮（N）动态；（3）与甲烷和一氧化二氮排放相关的功能基因。我们进一步旨在阐明浮床水稻调节这些排放的潜在途径。

实验设计和管理

本研究在杭州的一个实验农场进行（30°05′N，119°95′E），该地点具有代表性的亚热带季风气候，年平均温度为17.2°C，年平均降水量为1740毫米。设置了两种处理方式（浮床水稻（FBR）+鱼类共养和鱼类单一养殖），每种处理方式重复三次，分布在六个池塘中。每个池塘面积为667平方米。浮床由聚苯乙烯树脂板制成，每块板的尺寸为

甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）排放及全球变暖潜力（GWP）

在水稻种植的早期和中期阶段（6月底至8月底），FBR + 鱼类共养池塘的甲烷通量率相对低于鱼类单一养殖池塘（图-2a）。浮床水稻显著抑制了池塘中的甲烷释放。2022年和2023年，共养池塘中水稻种植区的甲烷平均通量率分别比单一养殖池塘降低了81.4%和80.6%（图-3a）。共养池塘中非水稻种植区仅显示出较低的甲烷

浮床水稻种植对甲烷排放的影响

以往的研究主要探讨了浮床植物对水产养殖池塘中营养物质去除的影响。其对甲烷排放的影响尚不清楚。本研究表明，浮床水稻种植是减少水产养殖池塘甲烷排放的有效途径（图-3）。这扩展了人们对浮床植物系统生态效应的认识。浮床水稻种植使甲烷排放减少了28.1%（2022年）和57.2%

结论

本研究结果表明，将浮床水稻整合到水产养殖系统中可以有效减少甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂）的排放。浮床水稻抑制了池塘中种植水稻区域的甲烷和一氧化二氮的释放。浮床水稻 + 鱼类共养池塘中水柱中的pmoA丰度和pmoA/mcrA比值高于鱼类单一养殖池塘，表明浮床水稻与水产养殖池塘的共养促进了甲烷的氧化

CRediT作者贡献声明

李凤波：撰写——初稿，方法论，资金获取，数据管理。王梦洁：撰写——初稿，方法论，数据管理。杨志：方法论，数据管理。徐春春：正式分析，数据管理。冯金飞：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，资金获取，数据管理。方福平：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，项目管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们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

本研究得到了中国自然科学基金[编号42177455，2022年]、中央公益性科研机构基础研究基金（CPSIBRF-CNRRI-202408）以及农业科学技术创新计划（ASTIP）和中国农业系统长期观测网络（CALTON-FY）的支持。