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小型水產養殖魚塘的飼料投放區域中，二氧化碳（CO?）和甲烷（CH?）的排放量較高

《Environmental Research》：Elevated CO 2 and CH 4 emission rates in feeding areas of small aquaculture fish ponds

【字體：大中小】 時間：2026年02月28日 來源：Environmental Research 7.7

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　　水產養殖池塘喂食實踐和投喂器類型顯著影響二氧化碳與甲烷排放的空間異質性，喂食區排放強度是其他區域的2.2-2.9倍，總氨氮正向調控二氧化碳排放，C/P比值負向調控甲烷排放，廣播式投喂器導致總碳排放量高估20%。

張一文|徐俊宇|張一飛|王洋|姜平|李思月

中國湖北省武漢市武漢理工大學環境生態與生物工程學院綠色高效磷資源開發國家重點實驗室，長江中游生物元素微生物轉化與調控湖北省重點實驗室，430205

摘要

水產養殖池塘日益被認為是向大氣中排放溫室氣體的重要來源；然而，土塘養殖中喂養方式的影響仍知之甚少。本研究旨在量化喂養方式及飼料類型如何影響小型淺水土塘中二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）排放的空間異質性。我們在中國中部七個小型（< 3公頃）、淺水（平均深度< 1米）的水產養殖池塘中，研究了養殖期和非養殖期的溶解CO₂和CH₄濃度以及空氣-水通量，這些池塘分別使用定點喂食器和撒播喂食器進行喂養。水樣分析了關鍵物理化學參數，包括溫度、pH值、總氨氮和溶解有機碳。通過極端梯度提升（Extreme Gradient Boosting）和斯皮爾曼相關性分析（Spearman correlation analysis）評估了潛在的影響因素。結果表明，喂養區域的CO₂和CH₄通量明顯高于其他區域（分別為其他區域的2.2-2.9倍），這主要是由于受限的水動力條件下飼料引起的有機物局部積累所致。總氨氮是CO₂排放的主要正向預測因子，而C/P比則是CH₄排放的負向預測因子。撒播喂食器大大擴展了高排放區域的空間范圍，導致在未考慮空間變異性的情況下，總碳排放量被低估了20%。這些發現表明，與喂養相關的熱點區域和混合條件會嚴重偏倚池塘尺度的排放估計，強調了需要進行空間明確的監測，并改進喂養和水循環管理，以支持低碳水產養殖。

引言

水產養殖對全球糧食安全和蛋白質供應發揮了重要作用（Béné等人，2016；Boyd等人，2022），其產量從1990年到2020年增長了609%，預計到2030年將進一步增長15%（FAO，2022；OECD和FAO，2021）。然而，其快速擴張引發了人們對環境影響的擔憂，包括水污染、富營養化和溫室氣體（GHG）排放（Bera等人，2025；Chen等人，2023；Dong等人，2023；Edwards，2015）。集約化喂養支撐了現代水產養殖的大部分，但只有大約三分之一的飼料得到了有效利用（Edwards，2015），未被食用的飼料和排泄物會以有機物質和營養物的形式積累（Chen等人，2016；Edwards，2015；Zhang等人，2015）。這種積累促進了微生物礦化作用，增加了二氧化碳（CO₂）的釋放，并為甲烷生成菌提供了豐富的底物（Deng等人，2024；Tian等人，2026；Zhang等人，2025a）。池塘養殖主導了全球內陸淡水生產（Edwards等人，2019；Zhang等人，2022a）。這些通常較淺、半封閉的系統——面積較小且養殖密度較高——可能是大氣中CO₂和CH₄的重要來源（Holgerson和Raymond，2016；Richardson等人，2022；Zhang等人，2025b）。隨著水產養殖的持續擴張，準確量化池塘碳排放量對于評估其對全球溫室氣體預算的貢獻以及指導碳核算和減排工作至關重要（Zhang等人，2024a）。

然而，準確的量化仍然具有挑戰性，因為集約化管理措施（如喂養、充氧和水交換）會導致池塘生物地球化學的顯著時空異質性（Kosten等人，2020；Mari等人，2025；Zhang等人，2022b）。這些干預措施在池塘內部創造了營養物、氧化還原條件和微生物過程的顯著梯度，使得代表性采樣變得復雜，并可能偏倚放大結果（Kosten等人，2020）。來自水產養殖池塘的證據表明，喂養和充氧等管理措施會重塑池塘內有機物質和溶解氧的分布，從而改變溫室氣體排放的空間模式，未能捕捉到細微的空間變異可能會偏倚池塘尺度的估計（Fang等人，2022a；Waldemer等人，2024；Waldemer和Koschorreck，2023；Zhao等人，2021）。然而，大多數研究仍然依賴于整個池塘的平均值或稀疏的空間采樣（例如，Chen等人，2016；Ma等人，2018；Weerathunga等人，2024；Zhang等人，2020；Zhao等人，2021），導致喂養方式和飼料部署對空間模式及池塘尺度偏倚的影響未能得到充分解析，尤其是在小型內陸池塘中。

水動力條件通過調節氧氣可用性和營養物分布進一步調節了空間異質性。盡管風驅動的湍流可以增強混合（Zhang等人，2024b；Zhao等人，2023），但小型池塘往往表現出有限的垂直和水平混合，導致底部水體長期分層和水平傳輸延遲（Henderson等人，2024；Holgerson等人，2022）。在風力小且水交換有限的小池塘中，停滯會促進有機物局部積累和低氧區域的形成。集中的飼料輸入可能會增加沉積物的氧氣需求，促進厭氧碳轉化，提高喂養區域的CO₂和CH₄生成。喂養定位與混合限制之間的這種耦合意味著飼料類型（如定點喂食與撒播喂食）不僅可能改變排放強度，還可能改變熱點區域的空間模式，這對采樣設計和池塘尺度的放大有直接影響。然而，對于通常循環較弱的小型內陸池塘，CO₂和CH₄的池塘內部異質性尚未得到充分研究。隨著水產養殖被納入IPCC的全球碳清單（IPCC，2019），改進的機制理解對于完善碳核算和制定有針對性的減排策略至關重要。

在這里，我們研究了位于中國亞熱帶地區的七個小型（< 3公頃）內陸養魚池塘，這些池塘的特點是風速低且水流管理有限。在養殖期和非養殖期，測量了池塘的CO₂和CH₄濃度以及空氣-水通量。使用極端梯度提升（XGBoost）和斯皮爾曼相關性分析（Spearman correlation analysis）確定了空間溫室氣體變異性的關鍵驅動因素。我們進一步比較了兩種常見的飼料類型——定點喂食器和撒播喂食器——以測試喂養方式是否擴大或限制了熱點區域的范圍，從而偏倚了池塘尺度的排放估計。本研究旨在：（1）描述CO₂和CH₄濃度和通量的空間變化；（2）確定造成這種變化的關鍵因素；（3）評估飼料類型對溫室氣體排放的影響以及忽略空間變異時池塘尺度排放的潛在低估。這些發現為水產養殖池塘中的溫室氣體排放機制提供了新的見解，并為改進量化、管理實踐和減排策略提供了科學依據。

研究地點

本研究在中國中部湖北省武漢市的水產養殖池塘進行（29°58′-31°22′N，113°41′-115°05′E）（圖1）。這些池塘位于兩個大型濕地范圍內，即陳湖濕地和張渡湖濕地。研究區域的氣候屬于亞熱帶季風氣候，年平均溫度為15.8-17.5°C，年平均降水量為1,150-1,450毫米（Zhang等人，2023b）。在研究期間，風速

環境條件

研究池塘的環境條件各不相同。池塘水的平均溫度從2023年9月的28.53°C變化到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。在研究期間，Secchi盤深度平均為30.96（± 9.91厘米），pH值為7.95（± 0.58），電導率為413.34（± 99.36 μS cm^-1）。溶解氧水平在F區（6.29 ± 4.29 mg L^-1）顯著低于L區（8.34 ± 4.97 mg L^-1）和P區

小型水產養殖池塘內環境參數的大空間異質性

水生系統的混合受到大小、深度、風切變和溫度等因素的影響（Holgerson等人，2022）。傳統上認為小型淺水體由于風驅動的湍流而混合良好，這種湍流會破壞溫度分層并促進垂直混合（Wetzel，2001）。然而，我們的研究結果顯示，小型水產養殖池塘內的物理化學條件存在顯著的空間異質性。TAN、DOC和DO等參數在池塘內部存在顯著差異