稻蛙共作系统蛙行为对甲烷排放的影响及其机理研究

Rice paddy is one of the largest emissions sources for CH4. Rice-Frog coculturing pattern, involving cultivation and fostering, is a novel ecosystem. However, it is unclear whether frog behavior would negatively or positively affect CH4 emissions. The hypothesis of this program is that: there exists both positive and positive behavior for the influence of CH4; the two opposite functions closely relate to frog population, jumping height, swimming range, feeding condition and frog manure nutrients; though proper field management, more negative behavior could be motivated and then mitigating methane emissions. By infrared photographing, microbial sequencing and 13C tracing, CH4 emissions and frog behavior could be both studied. Afterwards, the influential factors, such as soil density, dissolved oxygen, organic carbon, methanogens and methanotrophs, could explain the inner affected mechanism of CH4 emissions. Moreover, by the specific experimental design, the major component factors for frog moving and excreting behavior could be discussed. Consequently, a suitable protocol for rice- frog coculture ecosystem in field, which mitigate CH4 emissions at the same time, could be exploited. This should be largely publicly promoted, which could technically and scientifically support the development of sustainable ecological agricultural system with low methane emissions.

稻田是甲烷重要排放源之一，稻蛙共作系统是一种新型稻田种养模式，蛙在田间的跳跃、捕食等运动行为和排泄行为可能会影响甲烷排放，目前，尚不清楚蛙的行为对甲烷排放是促进作用还是抑制作用？假设这两种作用分别与稻田蛙的种群密度、跳跃高度、捕食活动、以及排泄量等行为因素有关；则可通过调节稻田蛙的放养量、饵料投入量等相关田间管理措施，使抑制作用大于促进作用，从而直接减少稻田共作系统的甲烷排放。本项目通过红外摄像、微生物测序和13C示踪等技术，研究蛙行为影响甲烷排放的内在因子(如土壤孔隙度、溶解氧、有机碳和甲烷微生物等)，分析稻蛙共作系统中甲烷排放特征；同时，主要针对蛙的运动和排泄行为，设计辅助试验，探索蛙的主要行为构成因素与甲烷排放的相关关系，从而揭示稻蛙共作系统蛙行为对甲烷排放的影响机理，进而优化基于甲烷减排的稻蛙共作田间管理措施，为我国新型稻田生态种养模式推广和农田污染综合治理提供科学依据和数据支撑。

甲烷(CH4)是气候变暖贡献率仅次于二氧化碳的第二大温室气体。中国水稻种植面积大，其CH4总排放量每年约为5.4 Tg，占全球稻田总排放量的21.5%左右。因此，稻田CH4减排刻不容缓，这对缓解气候变暖和实现碳减排目标都具有重要意义。稻蛙共作是将传统的水稻单作方式转化为种养相结合的水稻种植方式，其利用青蛙在田间的生物学扰动，具有提高水体溶解氧（DO）改善田间氧化环境，实现CH4减排和低碳生产的潜力。本项目采用大田小区、蛙粪培养和箱栽试验，利用红外摄像监测、功能基因（产甲烷菌和甲烷氧化菌）测序等技术，结合关键环境因子和CH4速率的动态分析，旨在揭示蛙行为影响稻田CH4排放的机理，为稻田CH4减排和低碳农业实践提供科学依据。主要研究结果如下：.（1）稻蛙共作的CH4排放速率和季节排放总量均显著低于水稻单作。2018和2019年，稻蛙共作与水稻单作相比，稻田CH4排放速率分别平均降低30.72%和47.10%；稻田CH4排放量分别平均降低31.00%和39.59%。（2）稻蛙共作显著提高了稻田水溶解氧（DO）、土壤有机碳（SOC）、铵态氮（NH4+-N）、全氮（TN）等含量，改变土壤产甲烷菌和甲烷氧化菌的群落组成及相对丰度，最终降低CH4排放速率。（3）稻蛙共作主要通过增加稻田DO含量，提高甲烷氧化菌的丰度，并促使菌群之间建立相互协作关系，以此降低CH4排放速率。（4）稻田土壤中添加蛙粪能同时提高土壤中mcrA和pmoA基因拷贝数，且培养试验后期增长幅度小于前期。（5）蛙的运动中，主要以跳作为活动动作的频次最高。蛙平均每天的运动频率为124次，平均累计运动距离约为18 m。综上，稻蛙共作较水稻单作，提高了水体DO、土壤SOC等。其中DO的增加，利于提高甲烷氧化菌丰度，并促使菌群之间建立相互协作的关系，从而降低稻田CH4排放速率。此外，稻蛙共作的净生态经济效益（NEEB）表明，适宜采用的蛙投放密度为15000只/hm2。总之，通过本项目的研究，建立了稻蛙共作系统中甲烷减排的最佳田间管理措施，为我国新型稻田生态种养模式推广和农田甲烷减排提供了科学依据和数据支撑。