施石膏对水稻产量和甲烷排放影响的荟萃分析*

孟 轶, 廖 萍, 魏海燕, 高 辉, 戴其根, 张洪程

(农业农村部盐碱土改良与利用(滨海盐碱地)重点实验室/江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省作物栽培生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心/水稻产业工程技术研究院/扬州大学 扬州 225009)

人类活动所产生的温室气体是导致全球气候变暖的主要原因之一[1]。甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)的增温潜势分别是二氧化碳(CO2)的34倍和298倍,对全球气候变暖的贡献次于CO2[1]。稻田是重要的温室气体排放源, 其CH4和N2O排放分别占农业生产中CH4和N2O排放总量的30%和11%[2]。水稻(Oryza sativaL.)作为世界上最主要的粮食作物, 至2050年稻谷产量需要增长28%才能满足人口增长对粮食的需求[3]。据报道, 全球盐碱地(pH≥8.5)面积共1.1×109hm2, 约占陆地面积的10%[4], 改良盐碱地种植水稻可作为缓解耕地资源紧张和保障全球粮食安全的可行性策略[5-6]。石膏的主要成分为二水硫酸钙(CaSO4·2H2O), 多作为盐碱地稻田土壤改良剂,其含丰富的Ca2+可以置换出盐碱土中的有害Na+, 缓解单盐毒害和渗透胁迫对水稻造成的危害[7]。然而,在全球尺度上, 施石膏对水稻产量和稻田温室气体排放影响的荟萃分析尚未报道。因此, 阐明施石膏对水稻产量和稻田温室气体排放的影响对保障全球粮食安全和缓解气候变暖具有重要意义。

目前, 全球学者针对施石膏对水稻产量的影响已开展了大量研究[8]。Lindau等[9]通过大田试验发现, 不同施用量的磷石膏均显著降低了水稻产量。李佳等[10]在我国华东滨海盐土区开展大田试验结果表明, 施用磷石膏对水稻产量影响不显著。Theint等[11]通过盆栽试验也发现, 施石膏对水稻产量无显著影响。但是, Basak等[12]在印度北部开展大田试验发现, 施石膏增加了盐碱土中的有机碳含量, 从而显著提高了水稻产量。在稻田温室气体排放方面, Sun等[13]通过大田试验研究发现, 在不施氮肥条件下, 施石膏对沿海滩涂稻田CH4排放影响不显著; 而在氮肥施用量为300 kg·hm-2时, 施石膏显著降低了稻田CH4排放, 对N2O排放无明显差异。Wang等[14]研究表明, 施石膏显著降低了稻田CH4排放, 而对N2O存在净吸收效应。

由此可见, 石膏对水稻产量和稻田温室气体排放的影响受氮肥施用量、土壤性状、石膏类型等多个因素影响, 研究结果呈不同趋势。因此, 需要对独立的试验结果进行整合分析, 以明确施石膏对水稻产量和稻田温室气体排放的影响。在全球尺度上,检索经同行评议的文献, 利用Meta分析方法, 以不施石膏为对照, 定量分析不同的石膏施用措施(类型和施用量)、基础土壤性状(pH、有机碳含量和土壤质地)以及稻田管理方式(氮肥施用量、灌溉制度、水稻品种类型和试验类型)对水稻产量和稻田温室气体排放的影响。本研究旨在明确施石膏对水稻产量和稻田温室气体排放的影响, 以期为保障全球粮食安全和缓解气候变暖提供数据支撑和技术指导。

1 材料与方法

1.1 数据收集

于2022年2月在“中国知网”和“Web of Science”上进行文献检索。检索关键词为“石膏(gypsum)”“水稻(rice)”“甲烷(CH4、methane)” “氧化亚氮(N2O、nitrous oxide)”和“温室气体(GHG、greenhouse gas)”。文献筛选的条件为: 1)试验必须包含以不施石膏为对照和施用石膏为处理, 其他措施保持一致; 2)试验重复次数至少设置3次; 3)大田试验和盆栽试验必须种植水稻, 删去室内培养试验; 4)试验必须报道水稻产量、CH4排放或N2O排放; 5)必须监测水稻全生育期内稻田温室气体排放, 温室气体测定方法为静态箱-气相色谱法。利用WebPlotDigitizer software软件(version 4.5, https://apps.automeris.io/wpd/)获取文献中的图形数据。经筛选, 在全球尺度上共有74篇文献包含398对观测值符合上述条件。数据库中文文献20篇, 英文文献54篇, 试验地点涵盖了集中分布于亚洲和零星分布于澳洲、非洲、北美洲、南美洲的总共15个国家。在收集水稻产量、CH4排放和N2O排放数据时, 还收集了综合温室效应和温室气体排放强度数据。为丰富数据库, 运用了以下公式进行推导[15]:

1.2 数据分类和预处理

水稻产量和稻田温室气体排放对石膏的响应受氮肥施用量、土壤性状、田间管理等多个因素的影响[16]。为此, 在数据收集过程中对以下信息进行记录并区组分类: 石膏类型(普通石膏、磷石膏、脱硫石膏)、石膏施用量(＜0.5 t·hm-2、0.5～2.0 t·hm-2、2.0～5.0 t·hm-2、5.0～10 t·hm-2、≥10 t·hm-2)、土壤pH(＜7.5、7.5～8.5、8.5～9.5、≥9.5)、土壤有机碳含量(＜4.0 g·kg-1、4.0～8.0 g·kg-1、≥8.0 g·kg-1)、土 壤 质地(重壤土、轻壤土)、氮肥施用量(＜130 kg·hm-2、≥130 kg·hm-2)、灌溉制度(节水灌溉、持续淹水灌溉)、水稻品种类型(常规稻、杂交稻)、试验类型(大田试验、盆栽试验)。在数据收集过程中发现, 存在对照组中产量为0 kg·hm-2[11,17-19]和N2O排放为负数[14]的情况, 而无法计算效应值, 为此从数据库中将其剔除。另外, 数据库中的土壤pH采用了不同的浸提剂进行测定, 具体包括采用蒸馏水作为浸提剂的研究27项, 采用CaCl2溶液作为浸提剂的研究2项,未明确标注浸提剂的研究45项。对于未注明浸提剂的研究, 假设土壤pH由蒸馏水作为浸提剂进行测定; 对于采用CaCl2溶液作为浸提剂的研究, 为了标准化分析, 使用以下公式进行换算[20]。

当探究环境因子对水稻产量的影响时, 对于石膏类型和试验类型, 按照不同类别分组, 不做主观分类。对于石膏施用量、基础土壤pH、土壤有机碳含量和氮肥施用量, 尽量保证观察值均匀分配于各个亚组内[21]。土壤质地分为重壤土和轻壤土[22]。将稻田中期排水、间歇灌溉、干湿交替灌溉等灌溉制度归纳为节水灌溉[23]。水稻品种类型在国家水稻数据中心查询获得(https://www.ricedata.cn/variety/)。为提升统计学意义, 在探究石膏施用量和基础土壤pH对水稻产量是否存在互作效应时, 将区组进行合并[24]。在探究环境因子对稻田CH4排放的影响时, 将石膏施用量、土壤pH和有机碳含量也做了区组合并处理。在数据库中, 稻田N2O排放、全球增温潜势和温室气体排放强度的观测值数均仅有10个, 因此未探究环境因子对稻田N2O排放、全球增温潜势和温室气体排放强度的影响(图1)[25]。

1.3 Meta分析

采用自然对数响应比(lnR)表示水稻产量、CH4排放、N2O排放、综合温室效应和温室气体排放强度的效应值[26]。计算公式如下:

式中:X表示各变量的算数平均数, g表示施石膏, c表示不施石膏。对于数据库中各变量所缺失的标准差, 使用已知变量的平均变异系数乘以缺失变量的算数平均数来计算缺失变量的标准差[27]。变异系数(V)的计算公式如下:

式中: SDg表示施石膏处理的标准差, SDc表示不施石膏处理的标准差,Ng表示施石膏处理的重复次数,Nc表示不施石膏处理的重复次数。

利用R语言中的“meta-for”安装包, 运行rma.mv程序进行混合效应模型分析, 采用Wald-type检验不同亚组间的差异。由于大多数文章能够提取多对观察值数, 本研究将试验地点作为随机因子(random factors)纳入荟萃分析。为了便于比较, 利用(elnR-1)×100计算各个变量的效应值和置信区间。若变量中的95%置信区间与“0”线相交, 则表示差异不显著(P＞0.05)。

2 结果与分析

2.1 总效应

与不施石膏相比, 施石膏显著增加了水稻产量(+58%), 降低了稻田CH4排放(-47%)、综合温室效应(-22%)和温室气体排放强度(-31%), 而对N2O排放影响不显著(图1)。

图 1 施石膏对水稻产量、CH4排放、N2O排放、综合温室效应和温室气体排放强度的总效应Fig.1 Overall effects of gypsum application on grain yield,CH4 emissions, N2O emissions, area-scaled global warming potential (GWP), and yield-scaled GWP in rice paddies

2.2 施石膏对水稻产量的影响

从分类变量来看, 与不施石膏相比, 普通石膏、磷石膏和脱硫石膏均显著增加了水稻产量; 同时, 脱硫石膏对水稻的增产效应显著大于普通石膏和磷石膏(图2)。与不施石膏相比, 当石膏施用量＜2 t·hm-2时, 施石膏对水稻产量影响不显著; 当石膏施用量≥2 t·hm-2时, 随着石膏施用量的增加, 石膏对水稻的增产效应显著增加。随着土壤pH逐渐升高, 石膏对水稻的增产效应显著增加。石膏施用量和土壤pH对水稻产量存在显著互作效应(图3)。在土壤pH＜8.5条件下, 石膏施用量对水稻产量影响不显著; 在土壤pH≥8.5条件下, 水稻产量随着石膏施用量的增加而增加。水稻产量对石膏的响应不受土壤有机碳、土壤质地、氮肥施用量、灌溉制度、水稻品种类型和试验类型的影响。

2.3 施石膏对稻田CH4排放的影响

与不施石膏相比, 普通石膏、磷石膏和脱硫石膏均显著降低了稻田CH4排放(图4)。脱硫石膏对稻田CH4减排的效应显著大于普通石膏和磷石膏。随着石膏施用量的增加, 施石膏降低稻田CH4排放的幅度显著增加。稻田CH4排放对石膏的响应不受土壤性状(pH、有机碳含量和质地)和稻田管理方式(氮肥施用量、灌溉制度、水稻品种类型和试验类型)的影响。

2.4 相关性分析

对施用石膏后水稻的产量效应值和CH4排放效应值进行相关性分析(图5), 结果表明施石膏条件下水稻的产量效应和稻田CH4的排放效应存在显著性正相关(P＜0.05)。

图 2 不同条件下施石膏对水稻产量的影响Fig.2 Response of rice yield to gypsum application as affected by categorical variables

图 3 石膏施用量和土壤pH对水稻产量的互作效应Fig.3 Interactive effect of gypsum rate and soil pH on rice yield

图 4 不同条件下施石膏对稻田CH4排放的影响Fig.4 Response of CH4 emissions to gypsum application as affected by categorical variables

图 5 施石膏对水稻产量(lnR)和施石膏对稻田CH4排放(lnR)影响的相关性(n=28)Fig.5 Relationships between the response of grain yield to gypsum application (lnR) and response of CH4 emissions to gypsum application (lnR) in rice paddies(n=28)

3 讨论

3.1 施石膏对水稻产量的影响

本研究表明, 施石膏显著提高了水稻产量。石膏的主要成分为CaSO4·2H2O[28]。一方面, 石膏中的Ca2+可以调节植株细胞膜的透性并提高细胞壁的强度, 为矿质养分运输创造有利条件[29]。石膏中的Ca2+能够置换土壤胶体表面的Na+, 缓解盐碱地稻田钠盐胁迫, 促进水稻根系生长发育[30]。另一方面, 石膏中的S可以提高叶片中脯氨酸和叶绿素的含量, 促进水稻光合速率, 有利于增加水稻对光合产物的积累[31]。

脱硫石膏对水稻产量的增幅显著大于普通石膏和磷石膏。脱硫石膏是火电厂生产的副产品, 生产过程中带有MgO、K2O和Fe2O3杂质的粉尘易混入脱硫系统[32]。所以相较于普通石膏和磷石膏, 其含有更多的Mg、K和Fe等元素[33]。Mg、K和Fe元素是水稻生长发育的重要矿质养分, 能够促进叶片中光能代谢酶活性, 提升叶片光合速率和同化物的积累, 最终提高了水稻产量[34]。

当石膏施用量＜2.0 t·hm-2时, 施石膏对水稻产量影响不显著; 当石膏施用量≥2.0 t·hm-2时, 石膏对水稻的增产效应随着施用量的增加显著增加。这与前人的研究结果相似, 肖国举等[35]研究表明, 当石膏施用量为1.12 t·hm-2时, 水稻产量无显著变化; 当石膏施用量为3.36 t·hm-2时, 水稻产量显著增加。此外,Singh等[36]分别施用4.6 t·hm-2、7.7 t·hm-2和15.4 t·hm-23个梯度石膏发现, 水稻产量随石膏施用量的增加呈递增趋势。其原因主要是施用较低水平的石膏只能释放少量的Ca2+以及S元素, 而较高水平的石膏施用量释放更多的Ca2+以及S元素, 从而进一步发挥其增产作用。

石膏施用量和土壤pH对水稻产量具有显著的协同促进效应, 当土壤pH＜8.5时, 石膏施用量对水稻产量无显著影响; 当pH≥8.5时, 水稻产量随着石膏施用量的增加而增加。这与前人研究结果相符, Liu等[37]在pH为10的田间分别施用15 t·hm-2、30 t·hm-2和45 t·hm-2石膏, 发现水稻产量随施用量的增加而显著增加。pH≥8.5的土壤为碱性土, 盐碱土中含有大量交换性Na+, 不仅会抑制水稻吸收N、P和K等营养元素[38], 而且使土壤溶液渗透压高于水稻根部细胞渗透压, 导致水稻失水, 最终降低水稻产量[17]。有研究表明, 石膏对盐碱地作物产量的提升主要得益于降低了土壤pH和盐度[8], 石膏溶解后释放出大量Ca2+, 用于置换盐碱土壤胶体颗粒表面的Na+, 促使Na+形成中性盐, 随土壤溶液下渗, 显著降低了土壤含盐量和pH, 缓解了盐胁迫对水稻的危害[39]。此外, 施石膏有利于增加盐碱地土壤孔隙度, 改善土壤团粒结构, 提高土壤通透性, 为水稻根系生长创造了良好的条件[40]。因此, pH≥8.5条件下石膏施用量的增加有助于置换更多有害Na+, 帮助水稻恢复正常生理代谢, 促进水稻增产。然而, pH＜8.5条件下土壤中可溶性盐含量较低, 石膏对盐碱土的改良效果有限, 可能导致石膏施用量对水稻产量影响不显著。

3.2 施石膏对稻田CH4排放的影响

施石膏显著降低了稻田CH4排放。其原因主要是: 一方面, 石膏在土壤中溶解后释放出大量的硫酸根(SO42-), 显著提高了土壤硫酸盐还原菌丰度及其活性[41]。而硫酸盐还原菌在与产甲烷菌竞争底物过程中对乙酸盐和氢气有更高的亲和力, 为此SO42-作为优先电子受体能够抑制稻田CH4的产生[42]。此外,有研究表明, 硫酸盐对土壤产甲烷菌的活性有毒害作用, 能够进一步抑制了稻田CH4产生[9]。另一方面, 施石膏改善了土壤团粒结构, 增加了土壤通气性,提高了甲烷氧化菌的活性[43]。确实, 胡翔宇等[41]分析稻田CH4排放相关微生物功能基因丰度时发现,施石膏显著降低了稻田产甲烷菌mcrA基因丰度, 同时增加了甲烷氧化菌pmoA基因丰度。

不同的石膏类型均能显著降低CH4排放, 但脱硫石膏对CH4减排效果显著大于普通石膏和磷石膏。发电厂使用石灰石浆液去除烟气中的SO2, 而石灰石和电厂燃煤产生的飞灰中均含有少量Fe2O3杂质, 在反应进行到最后随脱硫石膏一同排出, 这使脱硫石膏相较于普通石膏和磷石膏含有更多的Fe元素[32]。在厌氧条件下, 铁还原菌可与产甲烷菌竞争CH4产生所需的底物, 促进Fe3+的还原, 抑制稻田CH4的产生[44]。其次, 脱硫石膏对水稻的增产效应大于普通石膏和磷石膏, 加之施用脱硫石膏的试验地土壤有机碳含量大于12 g·kg-1。地上部更大的生物量可能会提升水稻根际泌氧能力, 促进土壤甲烷氧化菌的活性, 进而降低稻田CH4排放[45-46]。但本研究中相关性分析却表明, 施石膏对水稻的产量效应与施石膏对稻田CH4排放效应存在显著正相关。由此可见, 相较于普通石膏和磷石膏, 脱硫石膏更有利于降低CH4排放的原因主要是由于其Fe3+的还原作用。稻田CH4减排幅度随着石膏施用量的增加而显著增加。Denier van der Gon等[47]研究表明, 在硫酸盐还原菌与产甲烷菌竞争底物的过程中, 1 mol SO42-能够抑制1 mol CH4的产生。因此, 石膏施用量与CH4减排量呈正相关。

3.3 本研究的不足与展望

其一, 由于数据分布不均匀导致一些环境因子未纳入本研究中。例如, 外源添加有机物(秸秆或有机肥)可提高水稻产量和稻田CH4排放[48-49]。尤其是针对盐碱地稻田, 通常需要进行有机物料还田以提升稻田地力。有研究表明, 与不添加有机物相比, 在有机物添加的条件下, 施石膏对稻田CH4减排的幅度更大[50]。其二, 在水稻产量和稻田CH4排放的数据库中, 分别有70%和91%的文献中试验年限仅为1年, 而施石膏对水稻产量和稻田CH4排放影响的长期效应未能定量。有研究表明, 在水稻-小麦(Triticum aestivum)轮作系统, 石膏施用6年后对水稻仍存在增产效应[51]。为此, 后续应监测石膏对水稻产量和稻田CH4排放影响的长期效应。其三, 在本研究中, 随着石膏施用量的增加, 水稻增产和稻田CH4减排的效应均显著增加。但Ali等[52]研究发现, 当石膏施用量增加至20 t·hm-2时, 水稻产量显著下降。大量施用石膏可能导致土壤板结, 并降低水稻产量[41]。因此, 施用石膏需要因地制宜,过量施用石膏导致水稻减产的相关作用机制还有待深入探究。其四, 在全球尺度上, 施石膏对稻田温室气体排放的报道较少, 导致统计结果可能存在偏差[53]。本研究中施石膏显著降低了稻田CH4排放, 而有关土壤-植株相互间如何影响稻田CH4减排对石膏响应的机制仍不甚清楚, 后续应加强施石膏对稻田CH4减排机理的系统性研究。

4 结论

Meta分析表明, 与不施石膏相比, 施石膏显著提高了水稻产量并降低了稻田CH4排放。脱硫石膏对水稻增产和稻田CH4减排的效应显著大于普通石膏和磷石膏。石膏施用量和土壤pH对水稻产量存在显著互作效应。在土壤pH＜8.5条件下, 施石膏对水稻产量影响不显著; 在土壤pH≥8.5条件下, 水稻产量随着石膏施用量的增加而增加。随着石膏施用量的增加, 稻田CH4排放显著下降。因此, 在盐碱地稻田施用石膏对保障全球粮食安全和缓解气候变暖具有重要意义。