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中华绒螯蟹的生物扰动减轻了盐碱性土壤中稻蟹综合养殖系统的全球变暖潜能值

发布时间：2026-02-03

文章信息

原名：Bioturbation by Chinese mitten crabs (Eriocheir sinensis H. Milne Edwards) mitigates the global warming potential of integrated rice-crab farming systems in saline-alkaline soils

译名：中华绒螯蟹的生物扰动减轻了盐碱性土壤中稻蟹综合养殖系统的全球变暖潜能值

期刊：Journal of Hazardous Materials Advances

2024年影响因子：7.7

5年影响因子：7.6

在线发表时间：2025.10.10

通讯作者：王芳

第一单位：中国海洋大学海水养殖教育部重点实验室

亮点

1.Eriocheir sinensis 生物扰动减少了 CH₄ 排放，但增强了 N2O 盐碱性稻田的排放量。

2.温室气体排放在不同生物扰动强度下表现出显著的动态变化。

3.稻蟹共养系统在盐碱性土壤改良和温室气体减排方面实现了协同效益。

研究背景

随着全球对农业可持续发展的需求不断增长，盐碱地水稻养殖共作系统因其生态效益和经济双重效益而受到广泛关注。然而，水生动物对盐碱地水稻水产共作系统温室气体排放的影响尚不明确，限制了对该模式生态环境效益的综合评估。在这项研究中，我们建立了三种实验处理：中国手套蟹（Eriocheir sinensis）的无蟹对照（CK）、低密度组（D1,75 kg/ha）和高密度组（D2,112.5 kg/ha）。通过田间实验，系统研究了生物扰动对盐碱稻蟹共养体系中甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）排放的影响。结果表明，中华桉的生物扰动效应显著抑制了CH₄排放量，高密度（D2）组的总排放量较不养螃蟹的对照组（CK）减少了15.7%。这种减少归因于沉积物氧化还原电位增强（Eh 增加 13.4%）和甲烷氧化功能基因 pmoA 表达升高（D2 组增加 84.0%）。相比之下，中华桉树的生物扰动效应显著促进了N₂O的排放，与CK组相比，低密度（D1）和高密度（D2）组的总排放量增加了73.2%—119.6%。这种增加与土壤盐度降低以及硝化作用（amoA-B，54.3%–78.7%）和反硝化作用（nirS，50%–82.2%;nirK，17.1%–32.2%）基因。值得注意的是，沟渠分别占 N₂O 排放量的 43.1% 和 46.8%。在两种生物扰动强度下，稻蟹共养系统的全球变暖潜能值均下降了6.1%—15.7%，CH₄降低占净气候效应的99%。研究结果表明，稻蟹共养为盐碱性土地提供了一种有前景的低碳和可持续农业策略。

研究方案

本研究在河北省唐山市典型沿海盐碱农业生态系统中开展，建立了结构一体化的稻沟共作体系。该地区属暖温带半湿润大陆性季风气候，具有鲜明的沿海特征，年平均气温为12°C，平均降水量为600毫米。季节性降雨分布与稻蟹共养系统的生长周期密切相关。

本研究包括1个对照组（CK，无螃蟹）和2个扰动处理组：低密度扰动组（D1,75 kg/ha）和高密度扰动组（D2,112.5 kg/ha）。两个干扰组的放养密度均基于稻蟹养殖的常规放养密度75 kg/ha设定。一些农民可能会选择增加放养密度以提高产量，因此D2组的密度设置为D1的1.5倍（112.5公斤/公顷）。实验中华手套蟹（Eriocheir sinensis）为幼蟹，大小均匀（10-15 g/个体），附肢完整，活力高。每个实验单元的稻田总面积为0.45公顷（75 m×60 m）。在扰动处理组中，每块稻田都配备了沟渠系统。通常情况下，淡水稻蟹养殖系统中的沟渠面积约占稻田面积的10%，但由于盐碱土的特定排水要求，本研究的沟渠面积设定为稻田总面积的16%。具体布局见补充资料。为了防止螃蟹逃跑，在沟渠和稻田周围都安装了防逃网。温室气体、沉积物和其他样本的采样于 2024 年 5 月下旬在水稻移植后开始，随后每月上午 9：00 至 11：00 进行一次。实验一直持续到 10 月，当时水稻和螃蟹同时收获。水稻物候涵盖了幼苗、分蘖、孕穗、抽穗和灌浆阶段。与此相对应的是，螃蟹在水稻早期经历了初始适应和蜕皮，在孕穗期进入快速生长，通过抽穗接近市场规模，在灌浆期达到收获成熟期。该抽样设计全面覆盖了水稻的所有物候阶段和螃蟹的关键生长阶段，从而确保了对不同生物和管理背景下的温室气体排放动态进行系统监测。

培养期间，各处理组施用复合肥用量相同，总施用量分别为374.6 kg N/ha、84.0 kg P₂O₅/ha、107.3 kg K₂O/ha。基施、分蘖、穗施肥期施氮、钾肥，基期、穗施肥期主要施磷肥。详细的施肥时间表见补充表 S1。中华桉的饲喂主要在沟渠系统中进行，前期提供玉米，后期提供混合鱼饲料。这种标准化的施肥和饲喂方案确保了所有实验组的一致养分管理，最大限度地减少了对稻蟹共养系统温室气体排放的混杂影响。

研究结果

栽培期内综合耕作系统水气界面的CH₄和N₂O排放通量及累计排放量如图1所示。如图1a所示，水田和沟渠均呈钟形CH₄排放通量随时间推移，在栽培中期达到峰值。与对照组（CK）相比，D1组和D2组稻田CH₄排放通量分别降低了16.3%和23.4%。此外，与D1组相比，D2组沟渠的CH₄排放通量降低了22.7%。虽然D1组和CK之间的CH₄总排放量没有显著差异，但D2组的累计CH₄排放量相对于CK减少了15.7%。  

培养期N₂O排放通量呈增加趋势。与对照组（CK）相比，D1组和D2组稻田的N₂O排放通量分别增加了35.8%和65.6%，而D1组和D2组的沟渠N₂O排放通量没有显著差异。相对于CK而言，D1组和D2组整个系统的N₂O排放总量分别增加了73.2%和119.6%。沟渠分别贡献了这些增长的 43.1% 和 46.8%。

综合养殖系统沉积物孔隙水和上覆水在栽培期内CH₄和N₂O浓度的变化如图2所示。从图2可以看出，孔隙水中CH₄浓度随着中华桉放养密度的增加而降低。在水田孔隙水中，D1组和D2组较对照（CK）分别减少11.0%和16.3%，而沟渠孔隙水中D2组较D1组减少27.6%。然而，在研究期间的大部分时间里，上覆水 CH₄ 浓度没有发现显著差异。

孔隙水中CH₄浓度显著高于上覆水。在水田中，孔隙水中的平均CH₄浓度（54.8 μmol L⁻¹）是上覆水（1.6 μmol L⁻¹）的35倍，而在沟渠中，孔隙水的平均CH₄浓度（43.1 μmol L⁻¹）是上覆水（1.5 μmol L⁻¹）的29倍（图2a、c）。在N₂O浓度方面，沉积物孔隙水随华大肠杆菌放养密度呈增加趋势。与CK相比，D1组和D2组分别增加了24.5%和41.7%，而两种放养密度之间的上覆水N₂O浓度没有检测到显著差异。在放养组中，孔隙水和上覆水的N₂O浓度相似。在水田中，孔隙水N₂O的平均浓度（17.0 nmol L⁻¹）与上覆水的平均浓度（17.3 nmol L⁻¹）相当，在沟渠中，孔隙水的平均N₂O浓度（20.6 nmol L⁻¹）也接近上覆水的平均浓度（18.5 nmol L⁻¹）（图2d）。

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Fig. 1. Under different disturbance conditions, variations in CH4 and N2O emissions from paddy fields and ditch systems. (a) CH4 emission fluxes; (b) N2O emission fluxes; (c) cumulative CH4 emissions; (d) cumulative N2O emissions. In panels (c) and (d), D1 and D2 represent integrated systems encompassing both paddy fields and ditches. Lowercase letters and asterisks (*) indicate statistically significant differences (P < 0.05) in CH4/N2O fluxes or cumulative emissions between paddy fields and ditches.


698196f3c280a.png

Fig. 2. Under different disturbance conditions, dynamics of dissolved (a) CH4 and (c) N2O concentrations in overlying water, and (b) CH4 and (d) N2O concentrations in sediment pore water from paddy fields and ditches. Lowercase letters and asterisks (*) denote significant differences (P < 0.05) in CH4 and N2O concentrations between paddy fields and ditches for both overlying water and pore water.

研究结论

本研究阐明了中华桉生物扰动在氯化物型盐碱性稻蟹一体化养殖系统中的多方面生态调控作用。结果表明，桉树活性显著抑制CH4在促进氮的同时排放2O 生产，但该系统总体上表现出净正气候效益——CH4减少对气候产生了 99% 的积极影响，最终将全球变暖潜能值 （GWP） 降低了 6.1 %–15.7 %。这一现象主要归因于通过华夏桉引起的沉积物氧化还原条件的改善和土壤盐碱化的调节，重组了温室气体排放模式。此外，温室气体排放量在不同放养密度下差异很大，高密度组在保持产量的同时表现出优异的减排效果。未来的管理策略应侧重于优化华夏桉放养密度，结合生物炭改良或间歇灌溉等措施，以实现盐碱性土壤改良和温室气体减排的协同效益。

这项研究有几个局限性。实验期仅涵盖一个水稻生长季节，因此很难准确评估生物扰动对温室气体排放的长期累积影响。尽管螃蟹行为已被确定为温室气体排放的关键驱动因素，但该研究无法直接量化这种行为的强度（例如，螃蟹洞穴的数量）。此外，虽然每月人工采样提供了数据，但它无法捕获所有短期脉冲。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.hazadv.2025.100909


黑龙江林口稻蟹科技小院

培养单位：东北农业大学

联合培养单位：黑龙江省林口县农业农村局
所属地区：黑龙江省牡丹江市
详情地址：
联系电话：045155191618

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中华绒螯蟹的生物扰动减轻了盐碱性土壤中稻蟹综合养殖系统的全球变暖潜能值

发布时间：2026-02-03

文章信息

原名：Bioturbation by Chinese mitten crabs (Eriocheir sinensis H. Milne Edwards) mitigates the global warming potential of integrated rice-crab farming systems in saline-alkaline soils

译名：中华绒螯蟹的生物扰动减轻了盐碱性土壤中稻蟹综合养殖系统的全球变暖潜能值

期刊：Journal of Hazardous Materials Advances

2024年影响因子：7.7

5年影响因子：7.6

在线发表时间：2025.10.10

通讯作者：王芳

第一单位：中国海洋大学海水养殖教育部重点实验室

亮点

1.Eriocheir sinensis 生物扰动减少了 CH₄ 排放，但增强了 N2O 盐碱性稻田的排放量。

2.温室气体排放在不同生物扰动强度下表现出显著的动态变化。

3.稻蟹共养系统在盐碱性土壤改良和温室气体减排方面实现了协同效益。

研究背景

随着全球对农业可持续发展的需求不断增长，盐碱地水稻养殖共作系统因其生态效益和经济双重效益而受到广泛关注。然而，水生动物对盐碱地水稻水产共作系统温室气体排放的影响尚不明确，限制了对该模式生态环境效益的综合评估。在这项研究中，我们建立了三种实验处理：中国手套蟹（Eriocheir sinensis）的无蟹对照（CK）、低密度组（D1,75 kg/ha）和高密度组（D2,112.5 kg/ha）。通过田间实验，系统研究了生物扰动对盐碱稻蟹共养体系中甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）排放的影响。结果表明，中华桉的生物扰动效应显著抑制了CH₄排放量，高密度（D2）组的总排放量较不养螃蟹的对照组（CK）减少了15.7%。这种减少归因于沉积物氧化还原电位增强（Eh 增加 13.4%）和甲烷氧化功能基因 pmoA 表达升高（D2 组增加 84.0%）。相比之下，中华桉树的生物扰动效应显著促进了N₂O的排放，与CK组相比，低密度（D1）和高密度（D2）组的总排放量增加了73.2%—119.6%。这种增加与土壤盐度降低以及硝化作用（amoA-B，54.3%–78.7%）和反硝化作用（nirS，50%–82.2%;nirK，17.1%–32.2%）基因。值得注意的是，沟渠分别占 N₂O 排放量的 43.1% 和 46.8%。在两种生物扰动强度下，稻蟹共养系统的全球变暖潜能值均下降了6.1%—15.7%，CH₄降低占净气候效应的99%。研究结果表明，稻蟹共养为盐碱性土地提供了一种有前景的低碳和可持续农业策略。

研究方案

本研究在河北省唐山市典型沿海盐碱农业生态系统中开展，建立了结构一体化的稻沟共作体系。该地区属暖温带半湿润大陆性季风气候，具有鲜明的沿海特征，年平均气温为12°C，平均降水量为600毫米。季节性降雨分布与稻蟹共养系统的生长周期密切相关。

本研究包括1个对照组（CK，无螃蟹）和2个扰动处理组：低密度扰动组（D1,75 kg/ha）和高密度扰动组（D2,112.5 kg/ha）。两个干扰组的放养密度均基于稻蟹养殖的常规放养密度75 kg/ha设定。一些农民可能会选择增加放养密度以提高产量，因此D2组的密度设置为D1的1.5倍（112.5公斤/公顷）。实验中华手套蟹（Eriocheir sinensis）为幼蟹，大小均匀（10-15 g/个体），附肢完整，活力高。每个实验单元的稻田总面积为0.45公顷（75 m×60 m）。在扰动处理组中，每块稻田都配备了沟渠系统。通常情况下，淡水稻蟹养殖系统中的沟渠面积约占稻田面积的10%，但由于盐碱土的特定排水要求，本研究的沟渠面积设定为稻田总面积的16%。具体布局见补充资料。为了防止螃蟹逃跑，在沟渠和稻田周围都安装了防逃网。温室气体、沉积物和其他样本的采样于 2024 年 5 月下旬在水稻移植后开始，随后每月上午 9：00 至 11：00 进行一次。实验一直持续到 10 月，当时水稻和螃蟹同时收获。水稻物候涵盖了幼苗、分蘖、孕穗、抽穗和灌浆阶段。与此相对应的是，螃蟹在水稻早期经历了初始适应和蜕皮，在孕穗期进入快速生长，通过抽穗接近市场规模，在灌浆期达到收获成熟期。该抽样设计全面覆盖了水稻的所有物候阶段和螃蟹的关键生长阶段，从而确保了对不同生物和管理背景下的温室气体排放动态进行系统监测。

培养期间，各处理组施用复合肥用量相同，总施用量分别为374.6 kg N/ha、84.0 kg P₂O₅/ha、107.3 kg K₂O/ha。基施、分蘖、穗施肥期施氮、钾肥，基期、穗施肥期主要施磷肥。详细的施肥时间表见补充表 S1。中华桉的饲喂主要在沟渠系统中进行，前期提供玉米，后期提供混合鱼饲料。这种标准化的施肥和饲喂方案确保了所有实验组的一致养分管理，最大限度地减少了对稻蟹共养系统温室气体排放的混杂影响。

研究结果

栽培期内综合耕作系统水气界面的CH₄和N₂O排放通量及累计排放量如图1所示。如图1a所示，水田和沟渠均呈钟形CH₄排放通量随时间推移，在栽培中期达到峰值。与对照组（CK）相比，D1组和D2组稻田CH₄排放通量分别降低了16.3%和23.4%。此外，与D1组相比，D2组沟渠的CH₄排放通量降低了22.7%。虽然D1组和CK之间的CH₄总排放量没有显著差异，但D2组的累计CH₄排放量相对于CK减少了15.7%。  

培养期N₂O排放通量呈增加趋势。与对照组（CK）相比，D1组和D2组稻田的N₂O排放通量分别增加了35.8%和65.6%，而D1组和D2组的沟渠N₂O排放通量没有显著差异。相对于CK而言，D1组和D2组整个系统的N₂O排放总量分别增加了73.2%和119.6%。沟渠分别贡献了这些增长的 43.1% 和 46.8%。

综合养殖系统沉积物孔隙水和上覆水在栽培期内CH₄和N₂O浓度的变化如图2所示。从图2可以看出，孔隙水中CH₄浓度随着中华桉放养密度的增加而降低。在水田孔隙水中，D1组和D2组较对照（CK）分别减少11.0%和16.3%，而沟渠孔隙水中D2组较D1组减少27.6%。然而，在研究期间的大部分时间里，上覆水 CH₄ 浓度没有发现显著差异。

孔隙水中CH₄浓度显著高于上覆水。在水田中，孔隙水中的平均CH₄浓度（54.8 μmol L⁻¹）是上覆水（1.6 μmol L⁻¹）的35倍，而在沟渠中，孔隙水的平均CH₄浓度（43.1 μmol L⁻¹）是上覆水（1.5 μmol L⁻¹）的29倍（图2a、c）。在N₂O浓度方面，沉积物孔隙水随华大肠杆菌放养密度呈增加趋势。与CK相比，D1组和D2组分别增加了24.5%和41.7%，而两种放养密度之间的上覆水N₂O浓度没有检测到显著差异。在放养组中，孔隙水和上覆水的N₂O浓度相似。在水田中，孔隙水N₂O的平均浓度（17.0 nmol L⁻¹）与上覆水的平均浓度（17.3 nmol L⁻¹）相当，在沟渠中，孔隙水的平均N₂O浓度（20.6 nmol L⁻¹）也接近上覆水的平均浓度（18.5 nmol L⁻¹）（图2d）。

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Fig. 1. Under different disturbance conditions, variations in CH4 and N2O emissions from paddy fields and ditch systems. (a) CH4 emission fluxes; (b) N2O emission fluxes; (c) cumulative CH4 emissions; (d) cumulative N2O emissions. In panels (c) and (d), D1 and D2 represent integrated systems encompassing both paddy fields and ditches. Lowercase letters and asterisks (*) indicate statistically significant differences (P < 0.05) in CH4/N2O fluxes or cumulative emissions between paddy fields and ditches.


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Fig. 2. Under different disturbance conditions, dynamics of dissolved (a) CH4 and (c) N2O concentrations in overlying water, and (b) CH4 and (d) N2O concentrations in sediment pore water from paddy fields and ditches. Lowercase letters and asterisks (*) denote significant differences (P < 0.05) in CH4 and N2O concentrations between paddy fields and ditches for both overlying water and pore water.

研究结论

本研究阐明了中华桉生物扰动在氯化物型盐碱性稻蟹一体化养殖系统中的多方面生态调控作用。结果表明，桉树活性显著抑制CH4在促进氮的同时排放2O 生产，但该系统总体上表现出净正气候效益——CH4减少对气候产生了 99% 的积极影响，最终将全球变暖潜能值 （GWP） 降低了 6.1 %–15.7 %。这一现象主要归因于通过华夏桉引起的沉积物氧化还原条件的改善和土壤盐碱化的调节，重组了温室气体排放模式。此外，温室气体排放量在不同放养密度下差异很大，高密度组在保持产量的同时表现出优异的减排效果。未来的管理策略应侧重于优化华夏桉放养密度，结合生物炭改良或间歇灌溉等措施，以实现盐碱性土壤改良和温室气体减排的协同效益。

这项研究有几个局限性。实验期仅涵盖一个水稻生长季节，因此很难准确评估生物扰动对温室气体排放的长期累积影响。尽管螃蟹行为已被确定为温室气体排放的关键驱动因素，但该研究无法直接量化这种行为的强度（例如，螃蟹洞穴的数量）。此外，虽然每月人工采样提供了数据，但它无法捕获所有短期脉冲。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.hazadv.2025.100909


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