孟 軼, 廖 萍, 魏海燕, 高 輝, 戴其根, 張洪程

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部鹽堿土改良與利用(濱海鹽堿地)重點實驗室/江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/江蘇省作物栽培生理重點實驗室/江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術協(xié)同創(chuàng)新中心/水稻產(chǎn)業(yè)工程技術研究院/揚州大學 揚州 225009)

人類活動所產(chǎn)生的溫室氣體是導致全球氣候變暖的主要原因之一[1]。甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)的增溫潛勢分別是二氧化碳(CO2)的34倍和298倍,對全球氣候變暖的貢獻次于CO2[1]。稻田是重要的溫室氣體排放源, 其CH4和N2O排放分別占農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中CH4和N2O排放總量的30%和11%[2]。水稻(Oryza sativaL.)作為世界上最主要的糧食作物, 至2050年稻谷產(chǎn)量需要增長28%才能滿足人口增長對糧食的需求[3]。據(jù)報道, 全球鹽堿地(pH≥8.5)面積共1.1×109hm2, 約占陸地面積的10%[4], 改良鹽堿地種植水稻可作為緩解耕地資源緊張和保障全球糧食安全的可行性策略[5-6]。石膏的主要成分為二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O), 多作為鹽堿地稻田土壤改良劑,其含豐富的Ca2+可以置換出鹽堿土中的有害Na+, 緩解單鹽毒害和滲透脅迫對水稻造成的危害[7]。然而,在全球尺度上, 施石膏對水稻產(chǎn)量和稻田溫室氣體排放影響的薈萃分析尚未報道。因此, 闡明施石膏對水稻產(chǎn)量和稻田溫室氣體排放的影響對保障全球糧食安全和緩解氣候變暖具有重要意義。

目前, 全球?qū)W者針對施石膏對水稻產(chǎn)量的影響已開展了大量研究[8]。Lindau等[9]通過大田試驗發(fā)現(xiàn), 不同施用量的磷石膏均顯著降低了水稻產(chǎn)量。李佳等[10]在我國華東濱海鹽土區(qū)開展大田試驗結果表明, 施用磷石膏對水稻產(chǎn)量影響不顯著。Theint等[11]通過盆栽試驗也發(fā)現(xiàn), 施石膏對水稻產(chǎn)量無顯著影響。但是, Basak等[12]在印度北部開展大田試驗發(fā)現(xiàn), 施石膏增加了鹽堿土中的有機碳含量, 從而顯著提高了水稻產(chǎn)量。在稻田溫室氣體排放方面, Sun等[13]通過大田試驗研究發(fā)現(xiàn), 在不施氮肥條件下, 施石膏對沿海灘涂稻田CH4排放影響不顯著; 而在氮肥施用量為300 kg·hm-2時, 施石膏顯著降低了稻田CH4排放, 對N2O排放無明顯差異。Wang等[14]研究表明, 施石膏顯著降低了稻田CH4排放, 而對N2O存在凈吸收效應。

由此可見, 石膏對水稻產(chǎn)量和稻田溫室氣體排放的影響受氮肥施用量、土壤性狀、石膏類型等多個因素影響, 研究結果呈不同趨勢。因此, 需要對獨立的試驗結果進行整合分析, 以明確施石膏對水稻產(chǎn)量和稻田溫室氣體排放的影響。在全球尺度上,檢索經(jīng)同行評議的文獻, 利用Meta分析方法, 以不施石膏為對照, 定量分析不同的石膏施用措施(類型和施用量)、基礎土壤性狀(pH、有機碳含量和土壤質(zhì)地)以及稻田管理方式(氮肥施用量、灌溉制度、水稻品種類型和試驗類型)對水稻產(chǎn)量和稻田溫室氣體排放的影響。本研究旨在明確施石膏對水稻產(chǎn)量和稻田溫室氣體排放的影響, 以期為保障全球糧食安全和緩解氣候變暖提供數(shù)據(jù)支撐和技術指導。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

于2022年2月在“中國知網(wǎng)”和“Web of Science”上進行文獻檢索。檢索關鍵詞為“石膏(gypsum)”“水稻(rice)”“甲烷(CH4、methane)” “氧化亞氮(N2O、nitrous oxide)”和“溫室氣體(GHG、greenhouse gas)”。文獻篩選的條件為: 1)試驗必須包含以不施石膏為對照和施用石膏為處理, 其他措施保持一致; 2)試驗重復次數(shù)至少設置3次; 3)大田試驗和盆栽試驗必須種植水稻, 刪去室內(nèi)培養(yǎng)試驗; 4)試驗必須報道水稻產(chǎn)量、CH4排放或N2O排放; 5)必須監(jiān)測水稻全生育期內(nèi)稻田溫室氣體排放, 溫室氣體測定方法為靜態(tài)箱-氣相色譜法。利用WebPlotDigitizer software軟件(version 4.5, https://apps.automeris.io/wpd/)獲取文獻中的圖形數(shù)據(jù)。經(jīng)篩選, 在全球尺度上共有74篇文獻包含398對觀測值符合上述條件。數(shù)據(jù)庫中文文獻20篇, 英文文獻54篇, 試驗地點涵蓋了集中分布于亞洲和零星分布于澳洲、非洲、北美洲、南美洲的總共15個國家。在收集水稻產(chǎn)量、CH4排放和N2O排放數(shù)據(jù)時, 還收集了綜合溫室效應和溫室氣體排放強度數(shù)據(jù)。為豐富數(shù)據(jù)庫, 運用了以下公式進行推導[15]:

1.2 數(shù)據(jù)分類和預處理

水稻產(chǎn)量和稻田溫室氣體排放對石膏的響應受氮肥施用量、土壤性狀、田間管理等多個因素的影響[16]。為此, 在數(shù)據(jù)收集過程中對以下信息進行記錄并區(qū)組分類: 石膏類型(普通石膏、磷石膏、脫硫石膏)、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)、土壤有機碳含量(＜4.0 g·kg-1、4.0～8.0 g·kg-1、≥8.0 g·kg-1)、土 壤 質(zhì)地(重壤土、輕壤土)、氮肥施用量(＜130 kg·hm-2、≥130 kg·hm-2)、灌溉制度(節(jié)水灌溉、持續(xù)淹水灌溉)、水稻品種類型(常規(guī)稻、雜交稻)、試驗類型(大田試驗、盆栽試驗)。在數(shù)據(jù)收集過程中發(fā)現(xiàn), 存在對照組中產(chǎn)量為0 kg·hm-2[11,17-19]和N2O排放為負數(shù)[14]的情況, 而無法計算效應值, 為此從數(shù)據(jù)庫中將其剔除。另外, 數(shù)據(jù)庫中的土壤pH采用了不同的浸提劑進行測定, 具體包括采用蒸餾水作為浸提劑的研究27項, 采用CaCl2溶液作為浸提劑的研究2項,未明確標注浸提劑的研究45項。對于未注明浸提劑的研究, 假設土壤pH由蒸餾水作為浸提劑進行測定; 對于采用CaCl2溶液作為浸提劑的研究, 為了標準化分析, 使用以下公式進行換算[20]。

當探究環(huán)境因子對水稻產(chǎn)量的影響時, 對于石膏類型和試驗類型, 按照不同類別分組, 不做主觀分類。對于石膏施用量、基礎土壤pH、土壤有機碳含量和氮肥施用量, 盡量保證觀察值均勻分配于各個亞組內(nèi)[21]。土壤質(zhì)地分為重壤土和輕壤土[22]。將稻田中期排水、間歇灌溉、干濕交替灌溉等灌溉制度歸納為節(jié)水灌溉[23]。水稻品種類型在國家水稻數(shù)據(jù)中心查詢獲得(https://www.ricedata.cn/variety/)。為提升統(tǒng)計學意義, 在探究石膏施用量和基礎土壤pH對水稻產(chǎn)量是否存在互作效應時, 將區(qū)組進行合并[24]。在探究環(huán)境因子對稻田CH4排放的影響時, 將石膏施用量、土壤pH和有機碳含量也做了區(qū)組合并處理。在數(shù)據(jù)庫中, 稻田N2O排放、全球增溫潛勢和溫室氣體排放強度的觀測值數(shù)均僅有10個, 因此未探究環(huán)境因子對稻田N2O排放、全球增溫潛勢和溫室氣體排放強度的影響(圖1)[25]。

1.3 Meta分析

采用自然對數(shù)響應比(lnR)表示水稻產(chǎn)量、CH4排放、N2O排放、綜合溫室效應和溫室氣體排放強度的效應值[26]。計算公式如下:

式中:X表示各變量的算數(shù)平均數(shù), g表示施石膏, c表示不施石膏。對于數(shù)據(jù)庫中各變量所缺失的標準差, 使用已知變量的平均變異系數(shù)乘以缺失變量的算數(shù)平均數(shù)來計算缺失變量的標準差[27]。變異系數(shù)(V)的計算公式如下:

式中: SDg表示施石膏處理的標準差, SDc表示不施石膏處理的標準差,Ng表示施石膏處理的重復次數(shù),Nc表示不施石膏處理的重復次數(shù)。

利用R語言中的“meta-for”安裝包, 運行rma.mv程序進行混合效應模型分析, 采用Wald-type檢驗不同亞組間的差異。由于大多數(shù)文章能夠提取多對觀察值數(shù), 本研究將試驗地點作為隨機因子(random factors)納入薈萃分析。為了便于比較, 利用(elnR-1)×100計算各個變量的效應值和置信區(qū)間。若變量中的95%置信區(qū)間與“0”線相交, 則表示差異不顯著(P＞0.05)。

2 結果與分析

2.1 總效應

與不施石膏相比, 施石膏顯著增加了水稻產(chǎn)量(+58%), 降低了稻田CH4排放(-47%)、綜合溫室效應(-22%)和溫室氣體排放強度(-31%), 而對N2O排放影響不顯著(圖1)。

圖 1 施石膏對水稻產(chǎn)量、CH4排放、N2O排放、綜合溫室效應和溫室氣體排放強度的總效應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 施石膏對水稻產(chǎn)量的影響

從分類變量來看, 與不施石膏相比, 普通石膏、磷石膏和脫硫石膏均顯著增加了水稻產(chǎn)量; 同時, 脫硫石膏對水稻的增產(chǎn)效應顯著大于普通石膏和磷石膏(圖2)。與不施石膏相比, 當石膏施用量＜2 t·hm-2時, 施石膏對水稻產(chǎn)量影響不顯著; 當石膏施用量≥2 t·hm-2時, 隨著石膏施用量的增加, 石膏對水稻的增產(chǎn)效應顯著增加。隨著土壤pH逐漸升高, 石膏對水稻的增產(chǎn)效應顯著增加。石膏施用量和土壤pH對水稻產(chǎn)量存在顯著互作效應(圖3)。在土壤pH＜8.5條件下, 石膏施用量對水稻產(chǎn)量影響不顯著; 在土壤pH≥8.5條件下, 水稻產(chǎn)量隨著石膏施用量的增加而增加。水稻產(chǎn)量對石膏的響應不受土壤有機碳、土壤質(zhì)地、氮肥施用量、灌溉制度、水稻品種類型和試驗類型的影響。

2.3 施石膏對稻田CH4排放的影響

與不施石膏相比, 普通石膏、磷石膏和脫硫石膏均顯著降低了稻田CH4排放(圖4)。脫硫石膏對稻田CH4減排的效應顯著大于普通石膏和磷石膏。隨著石膏施用量的增加, 施石膏降低稻田CH4排放的幅度顯著增加。稻田CH4排放對石膏的響應不受土壤性狀(pH、有機碳含量和質(zhì)地)和稻田管理方式(氮肥施用量、灌溉制度、水稻品種類型和試驗類型)的影響。

2.4 相關性分析

對施用石膏后水稻的產(chǎn)量效應值和CH4排放效應值進行相關性分析(圖5), 結果表明施石膏條件下水稻的產(chǎn)量效應和稻田CH4的排放效應存在顯著性正相關(P＜0.05)。

圖 2 不同條件下施石膏對水稻產(chǎn)量的影響Fig.2 Response of rice yield to gypsum application as affected by categorical variables

圖 3 石膏施用量和土壤pH對水稻產(chǎn)量的互作效應Fig.3 Interactive effect of gypsum rate and soil pH on rice yield

圖 4 不同條件下施石膏對稻田CH4排放的影響Fig.4 Response of CH4 emissions to gypsum application as affected by categorical variables

圖 5 施石膏對水稻產(chǎn)量(lnR)和施石膏對稻田CH4排放(lnR)影響的相關性(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 討論

3.1 施石膏對水稻產(chǎn)量的影響

本研究表明, 施石膏顯著提高了水稻產(chǎn)量。石膏的主要成分為CaSO4·2H2O[28]。一方面, 石膏中的Ca2+可以調(diào)節(jié)植株細胞膜的透性并提高細胞壁的強度, 為礦質(zhì)養(yǎng)分運輸創(chuàng)造有利條件[29]。石膏中的Ca2+能夠置換土壤膠體表面的Na+, 緩解鹽堿地稻田鈉鹽脅迫, 促進水稻根系生長發(fā)育[30]。另一方面, 石膏中的S可以提高葉片中脯氨酸和葉綠素的含量, 促進水稻光合速率, 有利于增加水稻對光合產(chǎn)物的積累[31]。

脫硫石膏對水稻產(chǎn)量的增幅顯著大于普通石膏和磷石膏。脫硫石膏是火電廠生產(chǎn)的副產(chǎn)品, 生產(chǎn)過程中帶有MgO、K2O和Fe2O3雜質(zhì)的粉塵易混入脫硫系統(tǒng)[32]。所以相較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元素是水稻生長發(fā)育的重要礦質(zhì)養(yǎng)分, 能夠促進葉片中光能代謝酶活性, 提升葉片光合速率和同化物的積累, 最終提高了水稻產(chǎn)量[34]。

當石膏施用量＜2.0 t·hm-2時, 施石膏對水稻產(chǎn)量影響不顯著; 當石膏施用量≥2.0 t·hm-2時, 石膏對水稻的增產(chǎn)效應隨著施用量的增加顯著增加。這與前人的研究結果相似, 肖國舉等[35]研究表明, 當石膏施用量為1.12 t·hm-2時, 水稻產(chǎn)量無顯著變化; 當石膏施用量為3.36 t·hm-2時, 水稻產(chǎn)量顯著增加。此外,Singh等[36]分別施用4.6 t·hm-2、7.7 t·hm-2和15.4 t·hm-23個梯度石膏發(fā)現(xiàn), 水稻產(chǎn)量隨石膏施用量的增加呈遞增趨勢。其原因主要是施用較低水平的石膏只能釋放少量的Ca2+以及S元素, 而較高水平的石膏施用量釋放更多的Ca2+以及S元素, 從而進一步發(fā)揮其增產(chǎn)作用。

石膏施用量和土壤pH對水稻產(chǎn)量具有顯著的協(xié)同促進效應, 當土壤pH＜8.5時, 石膏施用量對水稻產(chǎn)量無顯著影響; 當pH≥8.5時, 水稻產(chǎn)量隨著石膏施用量的增加而增加。這與前人研究結果相符, Liu等[37]在pH為10的田間分別施用15 t·hm-2、30 t·hm-2和45 t·hm-2石膏, 發(fā)現(xiàn)水稻產(chǎn)量隨施用量的增加而顯著增加。pH≥8.5的土壤為堿性土, 鹽堿土中含有大量交換性Na+, 不僅會抑制水稻吸收N、P和K等營養(yǎng)元素[38], 而且使土壤溶液滲透壓高于水稻根部細胞滲透壓, 導致水稻失水, 最終降低水稻產(chǎn)量[17]。有研究表明, 石膏對鹽堿地作物產(chǎn)量的提升主要得益于降低了土壤pH和鹽度[8], 石膏溶解后釋放出大量Ca2+, 用于置換鹽堿土壤膠體顆粒表面的Na+, 促使Na+形成中性鹽, 隨土壤溶液下滲, 顯著降低了土壤含鹽量和pH, 緩解了鹽脅迫對水稻的危害[39]。此外, 施石膏有利于增加鹽堿地土壤孔隙度, 改善土壤團粒結構, 提高土壤通透性, 為水稻根系生長創(chuàng)造了良好的條件[40]。因此, pH≥8.5條件下石膏施用量的增加有助于置換更多有害Na+, 幫助水稻恢復正常生理代謝, 促進水稻增產(chǎn)。然而, pH＜8.5條件下土壤中可溶性鹽含量較低, 石膏對鹽堿土的改良效果有限, 可能導致石膏施用量對水稻產(chǎn)量影響不顯著。

3.2 施石膏對稻田CH4排放的影響

施石膏顯著降低了稻田CH4排放。其原因主要是: 一方面, 石膏在土壤中溶解后釋放出大量的硫酸根(SO42-), 顯著提高了土壤硫酸鹽還原菌豐度及其活性[41]。而硫酸鹽還原菌在與產(chǎn)甲烷菌競爭底物過程中對乙酸鹽和氫氣有更高的親和力, 為此SO42-作為優(yōu)先電子受體能夠抑制稻田CH4的產(chǎn)生[42]。此外,有研究表明, 硫酸鹽對土壤產(chǎn)甲烷菌的活性有毒害作用, 能夠進一步抑制了稻田CH4產(chǎn)生[9]。另一方面, 施石膏改善了土壤團粒結構, 增加了土壤通氣性,提高了甲烷氧化菌的活性[43]。確實, 胡翔宇等[41]分析稻田CH4排放相關微生物功能基因豐度時發(fā)現(xiàn),施石膏顯著降低了稻田產(chǎn)甲烷菌mcrA基因豐度, 同時增加了甲烷氧化菌pmoA基因豐度。

不同的石膏類型均能顯著降低CH4排放, 但脫硫石膏對CH4減排效果顯著大于普通石膏和磷石膏。發(fā)電廠使用石灰石漿液去除煙氣中的SO2, 而石灰石和電廠燃煤產(chǎn)生的飛灰中均含有少量Fe2O3雜質(zhì), 在反應進行到最后隨脫硫石膏一同排出, 這使脫硫石膏相較于普通石膏和磷石膏含有更多的Fe元素[32]。在厭氧條件下, 鐵還原菌可與產(chǎn)甲烷菌競爭CH4產(chǎn)生所需的底物, 促進Fe3+的還原, 抑制稻田CH4的產(chǎn)生[44]。其次, 脫硫石膏對水稻的增產(chǎn)效應大于普通石膏和磷石膏, 加之施用脫硫石膏的試驗地土壤有機碳含量大于12 g·kg-1。地上部更大的生物量可能會提升水稻根際泌氧能力, 促進土壤甲烷氧化菌的活性, 進而降低稻田CH4排放[45-46]。但本研究中相關性分析卻表明, 施石膏對水稻的產(chǎn)量效應與施石膏對稻田CH4排放效應存在顯著正相關。由此可見, 相較于普通石膏和磷石膏, 脫硫石膏更有利于降低CH4排放的原因主要是由于其Fe3+的還原作用。稻田CH4減排幅度隨著石膏施用量的增加而顯著增加。Denier van der Gon等[47]研究表明, 在硫酸鹽還原菌與產(chǎn)甲烷菌競爭底物的過程中, 1 mol SO42-能夠抑制1 mol CH4的產(chǎn)生。因此, 石膏施用量與CH4減排量呈正相關。

3.3 本研究的不足與展望

其一, 由于數(shù)據(jù)分布不均勻?qū)е乱恍┉h(huán)境因子未納入本研究中。例如, 外源添加有機物(秸稈或有機肥)可提高水稻產(chǎn)量和稻田CH4排放[48-49]。尤其是針對鹽堿地稻田, 通常需要進行有機物料還田以提升稻田地力。有研究表明, 與不添加有機物相比, 在有機物添加的條件下, 施石膏對稻田CH4減排的幅度更大[50]。其二, 在水稻產(chǎn)量和稻田CH4排放的數(shù)據(jù)庫中, 分別有70%和91%的文獻中試驗年限僅為1年, 而施石膏對水稻產(chǎn)量和稻田CH4排放影響的長期效應未能定量。有研究表明, 在水稻-小麥(Triticum aestivum)輪作系統(tǒng), 石膏施用6年后對水稻仍存在增產(chǎn)效應[51]。為此, 后續(xù)應監(jiān)測石膏對水稻產(chǎn)量和稻田CH4排放影響的長期效應。其三, 在本研究中, 隨著石膏施用量的增加, 水稻增產(chǎn)和稻田CH4減排的效應均顯著增加。但Ali等[52]研究發(fā)現(xiàn), 當石膏施用量增加至20 t·hm-2時, 水稻產(chǎn)量顯著下降。大量施用石膏可能導致土壤板結, 并降低水稻產(chǎn)量[41]。因此, 施用石膏需要因地制宜,過量施用石膏導致水稻減產(chǎn)的相關作用機制還有待深入探究。其四, 在全球尺度上, 施石膏對稻田溫室氣體排放的報道較少, 導致統(tǒng)計結果可能存在偏差[53]。本研究中施石膏顯著降低了稻田CH4排放, 而有關土壤-植株相互間如何影響稻田CH4減排對石膏響應的機制仍不甚清楚, 后續(xù)應加強施石膏對稻田CH4減排機理的系統(tǒng)性研究。

4 結論

Meta分析表明, 與不施石膏相比, 施石膏顯著提高了水稻產(chǎn)量并降低了稻田CH4排放。脫硫石膏對水稻增產(chǎn)和稻田CH4減排的效應顯著大于普通石膏和磷石膏。石膏施用量和土壤pH對水稻產(chǎn)量存在顯著互作效應。在土壤pH＜8.5條件下, 施石膏對水稻產(chǎn)量影響不顯著; 在土壤pH≥8.5條件下, 水稻產(chǎn)量隨著石膏施用量的增加而增加。隨著石膏施用量的增加, 稻田CH4排放顯著下降。因此, 在鹽堿地稻田施用石膏對保障全球糧食安全和緩解氣候變暖具有重要意義。