闽江口滨海陆基水产养殖塘碳通量关键过程及机制研究

Terrestrial aquatic ecosystems are important contributors to greenhouse gases (GHGs) fluxes into the atmosphere. Terrestrial aquaculture pond in coastal zone is a type of special artificial aquatic ecosystem. In China’s entire coastal zone, aquaculture ponds cover an extremely large area, and are one of the dominant landscape features. However, knowledge of greenhouse gases dynamics in aquaculture ponds with high feeding rate is very limited, the measuring GHG fluxes from aquaculture ponds is fundamental for estimating their impact on global warming. We will investigate the magnitude and temporal variations of carbon dioxide (CO2), and methane (CH4) fluxes at water-air interface (during breeding period) and sediment-air (during no-breeding drainage period) in coastal land aquaculture ponds in the Min River estuary, southeast China, and determine the key physical, biological and anthropogenic factors regulating CO2 and CH4 fluxes at seasonal and diurnal scales in the aquaculture ponds. Using field enclosure experiment, different kinds of floating chambers, lab anoxic incubation experiment and molecular biology techniques, we will also determine (1) changes of sources and sink function of atmospheric CO2 for aquaculture ponds in subtropical coastal zone; (2) methane production rate in anoxic sediment and its microbiology mechanism, methane production and oxidation rates in oxic water column; (3) vertical profiles and stock of the concentrations of dissolved CO2 and CH4 in water of aquaculture ponds; (4) diffusive and bubble (ebullition) paths of CO2 and CH4 fluxes, and their contribution to total CO2 flux and total CH4 flux at water-air interface. The result will provide scientific data and support for preparation of greenhouse gas emission inventory in coastal zone and carbon reduction in aquaculture ponds.

陆域水生生态系统是大气温室气体重要的排放源。我国滨海陆基水产养殖塘面积居世界首位，是我国沿海地区一个重要的景观类型，但是目前关于这类高投饵率（有机物）影响的人工水体碳通量的研究几乎还是空白，该方向的研究具有必要性和紧迫性。本项目以福建闽江口滨海陆基养虾塘为研究对象，结合各种悬浮箱、原位围隔实验、室内厌氧培养实验，以期揭示滨海陆基养虾塘养殖期水-气界面及排干期土-气界面CH4和CO2通量特征及CO2源汇功能的转化，明晰养殖期CH4产生的不同途径（厌氧沉积物途径和有氧水柱途径）及其微生物机制，量化硫酸盐还原作用对CH4产生的抑制效应；阐明养殖塘水-气界面CH4和CO2气泡排放途径和扩散排放途径在总排放通量中的比例及人工管理措施对碳排放的影响，成果可填补国际在上述研究领域的不足，为我国滨海地区温室气体排放清单的编制及陆基水产养殖塘碳减排提供基础数据和科学支撑, 具有重要的理论价值和现实意义。

我国滨海围垦水产养殖业发展迅速，面积居世界首位。然而目前国际上对于滨海/河口陆基水产养殖塘温室气体排放和产生机制的研究十分薄弱。本项目主要以福建闽江口陆基养虾塘为研究对象，开展了养虾塘含碳温室气体通量及机制的研究，主要取得了以下研究结果：（1）揭示了养虾塘养殖期和排干期CH4和CO2通量时间动态特征，量化了养虾塘养殖期CH4气泡途径和扩散途径排放通量及相对贡献率，发现气泡排放途径是养虾塘养殖期CH4进入大气的主要途径；（2）养虾塘养殖期表层（0-5cm）沉积物CH4产生速率显著高于底层，CH4和CO2的δ13C表明养虾塘沉积物CH4产生的主要途径为乙酸营养型CH4产生途径，养虾塘有氧水柱存在CH4产生过程，但是CH4产生速率很低，且无深度变化，养殖末期养殖水CH4氧化速率显著高于养殖初期和中期；养殖期沉积物和水柱中的优势产甲烷菌群落组成差异显著，表层沉积物中产甲烷菌绝对数量显著高于底层，养殖水水柱中产甲烷菌和甲烷氧化菌的群落组成随着养殖阶段的推进发生明显的变化，DOC和SO42–浓度是调控水柱中产甲烷菌的主要环境因子；（3）养虾塘碳输入的主要途径是浮游植物初级生产和饲料投放，占总输入碳的93.7~94.7%，浮游植物呼吸是养虾塘碳输出的最主要方式，占总输出碳的47.3~53. 4%，其次是放水和对虾收获输出，通过水-大气界面CH4和CO2排放和底泥呼吸输出碳量较少；（4）从盐度较低的闽江口养虾塘到盐度较高的九龙江口养虾塘，养殖中期沉积物有机碳矿化途径由铁异化还原途径和产甲烷途径为主转变为以硫酸盐还原途径为主；（5）养虾塘内部精细尺度水-气界面CH4扩散通量具有明显的空间异质性，饵料投放区和曝气区分别为养虾塘CH4扩散通量释放的“热点”区域和“冷点”区域；（6）台风过境显著增加了闽江口养虾塘水-气界面3种温室气体排放通量。成果填补了国际在关于滨海陆基养殖塘沉积物和水柱CH4代谢特征及其微生物学机制方面研究的不足，为滨海陆基养殖塘温室气体排放清单的编制提供了基础数据, 具有重要的理论和现实意义。