DOI: 10.12357/cjea.20220428
孟轶, 廖萍, 魏海燕, 高辉, 戴其根, 张洪程. 施石膏对水稻产量和甲烷排放影响的荟萃分析[J]. 中国生态农业学报 (中英
文), 2023, 31(2): 280?289
MENG Y, LIAO P, WEI H Y, GAO H, DAI Q G, ZHANG H C. Effects of gypsum application on grain yield and methane emissions
in rice paddies: a global meta-analysis[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2023, 31(2): 280?289
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)
摘 要: 石膏是一种常见的稻田土壤改良剂, 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鲜见报道。
本研究采用Meta分析方法, 探究施石膏对水稻产量和稻田温室气体排放的影响。以不施石膏为对照, 施石膏为处
理, 在全球尺度上筛选出了74篇文献, 建立了包含382对水稻产量、39对甲烷(CH4)排放、10对氧化亚氮(N2O)
排放、10对综合温室效应(GWP)和10对温室气体排放强度(GHGI)观测值的数据库。针对不同的石膏施用措施
(类型和施用量)、基础土壤性状(pH值、有机碳含量和质地)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), 探究施石膏对水稻产量和稻田CH4排放的影响。从总效应来看, 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%)、GWP(?22%)和GHGI(?31%), 而对N2O排放影响不显著。
脱硫石膏对水稻增产和稻田CH4减排的效应显著高于普通石膏和磷石膏。当施用量<2 t·hm?2时, 石膏对水稻产量
影响不显著; 当施用量≥2 t·hm?2时, 石膏对水稻的增产效应随石膏施用量的增加而增加。随着土壤pH增加, 施石
膏对水稻产量的增幅显著增加。石膏施用量和土壤pH对水稻产量存在显著的互作效应。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。稻田CH4减排效
应随石膏施用量的增加而显著增加。综上, 施石膏显著提高了水稻产量, 同时降低了稻田温室气体排放, 本研究结
果可为评估施石膏对全球水稻丰产和缓解气候变暖提供数据支撑。
关键词: 石膏; 稻田; 产量; 甲烷; 荟萃分析
中图分类号: S318开放科学码(资源服务)标识码(OSID):
Effects of gypsum application on grain yield and methane emissions in rice
paddies: a global meta-analysis
MENG Yi, LIAO Ping, WEI Haiyan, GAO Hui, DAI Qigen, ZHANG Hongcheng
(Key Laboratory of Saline-Alkali Soil Reclamation and Utilization in Coastal Areas, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, P.R. China/
Jiangsu Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology/Jiangsu Key Laboratory of Crop Cultivation and Physiology/Jiangsu Co-Innova-
tion Center for Modern Production Technology of Grain Crops/Research Institute of Rice Industrial Engineering Technology/Yangzhou
University, Yangzhou 225009, China)
江苏省碳达峰碳中和科技创新专项资金(BE2022304)、江苏省农业科技自主创新项目(CX[20]1012)和江苏高校优势学科建设工程资助
通信作者: 廖萍, 主要从事稻田温室气体减排工作, E-mail: p.liao@yzu.edu.cn; 张洪程, 主要研究作物优质高产栽培理论及其应用, E-mail:
hczhang@yzu.edu.cn
孟轶, 主要从事稻田温室气体减排与土壤改良研究。E-mail: 1813662383@qq.com
收稿日期: 2022-06-04 接受日期: 2022-08-24
This study was supported by the Carbon Peak, Neutrality Special Funding for Science and Technology Innovation Project of Jiangsu Province
(BE2022304), the Jiangsu Agricultural Science and Technology Innovation Fund (CX[20]1012) and the Priority Academic Program Development of
Jiangsu Higher Education Institutions.
Corresponding authors: LIAO Ping, E-mail: p.liao@yzu.edu.cn; ZHANG Hongcheng, E-mail: hczhang@yzu.edu.cn
Received Jun. 4, 2022; accepted Aug. 24, 2022
中国生态农业学报 (中英文) ?2023年2月 ?第?31?卷 ?第?2?期
Chinese?Journal?of?Eco-Agriculture,?Feb.?2023,?31(2):?280?289
http://www.ecoagri.ac.cn
Abstract: Gypsum is a widely recommended soil amendment for rice paddies, but a meta-analysis of the responses of rice yield and
greenhouse gas emissions to gypsum application has less been reported. In this study, a global meta-analysis was conducted to quanti-
fy the effects of gypsum application on rice yield and greenhouse gas emissions. The dataset was collected from 74 studies involving
382 pairs of rice yield observations, 39 pairs of methane emission observations, 10 pairs of nitrous oxide emission observations, 10
pairs of area-scaled global warming potential (GWP) observations, and 10 pairs of yield-scaled global warming potential (GHGI) ob-
servations, where the absence of gypsum acted as the control and the application of gypsum acted as the treatment. Based on a meta-
analysis, the effects of gypsum application on rice yield and paddy CH4 emissions were examined under different gypsum application
measures (type and application rate), soil properties (pH, organic carbon content, and texture), and field management methods (N rate,
irrigation regime, rice type, and experiment type). Overall, gypsum application significantly increased rice yield (+58%) and reduced
CH4 emissions (?47%), GWP (?22%), and GHGI (?31%), but did not affect N2O emissions relative to those without gypsum applica-
tion. The magnitude of the increase in rice yield and reduction in CH4 emissions of desulfurization gypsum was significantly higher
than that of gypsum and phosphogypsum. Applying gypsum increased rice yield at gypsum rates ≥ 2 t·hm?2, while no significant ef-
fects were observed at gypsum rates < 2 t·hm?2. The magnitude of the increase in gypsum application-induced rice yield increased
with increasing soil pH. The gypsum rate and soil pH showed a positive interactive effect, whereby the increase in rice yield in-
creased with the gypsum rate in the initial soils with pH ≥ 8.5 but remained stable at soil pH < 8.5. Gypsum application induced a re-
duction in CH4 emissions with increasing gypsum application rate. Our results indicate that gypsum application could increase rice
yield and reduce greenhouse gas emissions, providing a theoretical basis for evaluating the effects of gypsum application on high rice
yield and mitigating global warming.
Keywords: Gypsum; Paddy field; Yield; Methane; Meta-analysis
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 sativa L.)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1.1×109 hm2, 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)”
第 2 期 孟 轶等 : 施石膏对水稻产量和甲烷排放影响的荟萃分析 281
http://www.ecoagri.ac.cn
“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]:
综合温室效应(Area-scaled GWP; kg hm 2)=34
CH4排放(kg hm 2)+298 N2O排放(kg hm 2) (1)
温室气体排放强度(Yield-scaled GWP; kg kg 1)=
综合温室效应(kg hm 2)=产量(kg hm 2) (2)
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]。
pHH2O =0:8 pHCaCl2 +1:65 (3)
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:
lnR=ln
(X
g
Xc
)
=lnXg lnXc (4)
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:
V = SD
2
g
Ng X2g +
SD2c
NcX2c (5)
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)。
282 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
http://www.ecoagri.ac.cn
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)。
产量
Grain yield
甲烷排放
CH4 emission
氧化亚氮排放
N2O emission
综合温室效应
Area-scaled GWP
温室气体
排放强度
Yield-scaled
GWP
?80 ?40 0
施石膏效应 Effect of gypsum (%)
40 80 120
(10)
(10)
(10)
(39)
(382)
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
括号内的数字表示观测值数, 误差线表示95%的置信区间, GWP
表示全球增温潜势。Number in the parenthese is the number of observa-
tions of each category. Error bars indicate 95% confidence intervals. GWP is
global warming potential.
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)。
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?2
3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。
第 2 期 孟 轶等 : 施石膏对水稻产量和甲烷排放影响的荟萃分析 283
http://www.ecoagri.ac.cn
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
石膏施用量Gypsum rate
(t?hm
?2
)
石膏类型Gypsum type
普通石膏 Gypsum
磷石膏 Phosphogypsum
脱硫石膏 Desulfurization gypsum
重壤土 Heavy soil
土壤
pH
Soil pH
土壤有机碳
Soil or
ganic carbon (g?kg
?1
)
土壤质地Soil texture
氮肥施用量
N rate (kg?hm
?2
)
灌溉制度
Irrigation regime
水稻品种类型
Rice type
试验类型
Experimental type
节水Water-saving irrigation
持续淹水 Continuous flooding
常规稻 Inbred rice
杂交稻 Hybrid rice
大田 Field
盆栽 Pot
产量变化 Change in grain yield (%)
<0.5
(55)
?100 0 100 200 300 400
P=0.976
P=0.993
P=0.060
P=0.199
P=0.627
P=0.195
P<0.001
P<0.001
P<0.050
(327)
(117)
(158)
(144)
(94)
(118)
(128)
(186)
(116)
(73)
(72)
(78)
(49)
(99)
(68)
(78)
(51)
(49)
(53)
(50)
(80)
(23)
(50)
(309)
0.5~2.0
2.0~5.0
5.0~10.0
≥10.0
<7.5
<4
4~8
<130
7.5~8.5
8.5~9.5
≥9.5
≥8
≥130
轻壤土 Light soil
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
括号内的数字表示观测值数, 误差线表示95%的置信区间。Number in the parenthese is the number of observations of each category. Error bars in-
dicate 95% confidence intervals.
284 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
http://www.ecoagri.ac.cn
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
<2
石膏施用量
Gypsum rate (t?hm
?2
)
产量变化 Changes in grain yield (%)
2~5
5~10
≥10
?100 0 100 200 300
(42)
(56) Soil pH<8.5
Soil pH≥8.5(18)
(21)
(26)
(11)
(34)
(9)
Rate soil pH: P<0.05
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
括 号 内 的 数 字 表 示 观 测 值 数, 误 差 线 表 示95%的 置 信 区 间 。
Number in the parenthese is the number of observations of each category.
Error bars indicate 95% confidence intervals.
第 2 期 孟 轶等 : 施石膏对水稻产量和甲烷排放影响的荟萃分析 285
http://www.ecoagri.ac.cn
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。
石膏施用量Gypsum rate
(t?hm
?2
)
石膏类型Gypsum type
普通石膏 Gypsum
磷石膏 Phosphogypsum
脱硫石膏 Desulfurization gypsum
重壤土 Heavy soil
土壤
pH
Soil pH
土壤有机碳
Soil organic carbon
(g?kg
?1
)
土壤质地Soil texture
氮肥施用量
N rate (kg?hm
?2
)
灌溉制度
Irrigation regime
水稻品种类型
Rice type
试验类型
Experimental type
节水Water-saving irrigation
持续淹水 Continuous flooding
常规稻 Inbred rice
杂交稻 Hybrid rice
大田 Field
盆栽 Pot
甲烷排放变化 Change in CH4 emission (%)
<2
(15)
?100 ?50 0 50 100
P=0.155
P=0.970
P=0.659
P=0.414
P=0.893
P=0.838
P=0.134
P<0.001
P<0.01
(24)
(18)
(21)
(25)
(14)
(13)
(23)
(22)
(12)
(24)
(6)
(5)
(34)
(15)
(10)
(14)
(4)
(14)
(21)
2~5
≥5
<8.5
<8
<130
≥8.5
≥8
≥130
轻壤土 Light soil
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
括号内的数字表示观测值数, 误差线表示95%的置信区间。Number in the parenthese is the number of observations of each category. Error bars in-
dicate 95% confidence intervals.
286 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
http://www.ecoagri.ac.cn
参考文献 References
IPCC. Climate Change 2021: The Physical Science Basis.
Contribution of Working GroupⅠ to the Sixth Assessment
Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M].
Cambridge: Cambridge University Press, 2021: 423–552
[1]
LINQUIST B, GROENIGEN K J, ADVIENTO-BORBE M A,
et al. An agronomic assessment of greenhouse gas emissions
from major cereal crops[J]. Global Change Biology, 2012,
18(1): 194?209
[2]
ALEXANDRATOS N, BRUINSMA J. World Agriculture
Towards 2030/2050: the 2012 Revision[M]. Rome: Food and
Agriculture Organization of the United Nations, 2012: 65–71
[3]
ZHANG P, BING X, JIAO L, et al. Amelioration effects of
coastal saline-alkali soil by ball-milled red phosphorus-loaded
biochar[J]. Chemical Engineering Journal, 2022, 431: 133904
[4]
REICHENAUER T G, PANAMULLA S, SUBASINGHE S, et
al. Soil amendments and cultivar selection can improve rice
yield in salt-influenced (tsunami-affected) paddy fields in Sri
Lanka[J]. Environmental Geochemistry and Health, 2009,
31(5): 573?579
[5]
MEL V C, BADO V B, NDIAYE S, et al. Suitable management
options to improve the productivity of rice cultivars under
salinity stress[J]. Archives of Agronomy and Soil Science,
2019, 65(8): 1093?1106
[6]
WANG S J, CHEN Q, LI Y, et al. Research on saline-alkali soil
amelioration with FGD gypsum[J]. Resources, Conservation
and Recycling, 2017, 121: 82?92
[7]
WANG Y G, WANG Z F, LIANG F, et al. Application of flue
gas desulfurization gypsum improves multiple functions of
saline-sodic soils across China[J]. Chemosphere, 2021, 277:
130345
[8]
LINDAU C W, WICKERSHAM P, DELAUNE R D, et al.
Methane and nitrous oxide evolution and 15N and 226Ra uptake as
affected by application of gypsum and phosphogypsum to
[9]
Louisiana rice[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment,
1998, 68(1): 165?173
李佳, 张宇, 孙丽英, 等. 不同改良剂对滨海盐土区稻田综
合 温 室 效 应 的 影 响[J]. 中 国 农 业 科 技 导 报, 2021, 23(11):
164?171
LI J, ZHANG Y, SUN L Y, et al. Effects of different ameliorant
on global warming potentials of coastal saline paddy field[J].
Journal of Agricultural Science and Technology, 2021, 23(11):
164?171
[10]
THEINT E E, BELLINGRATH-KIMURA S D, OO A Z, et al.
Influence of gypsum amendment on methane emission from
paddy soil affected by saline irrigation water[J]. Frontiers in
Environmental Science, 2016, 3: 79
[11]
BASAK N, SHEORAN P, SHARMA R, et al. Gypsum and
pressmud amelioration improve soil organic carbon storage and
stability in sodic agroecosystems[J]. Land Degradation &
Development, 2021, 32(15): 4430?4444
[12]
SUN L Y, MA Y C, LIU Y L, et al. The combined effects of
nitrogen fertilizer, humic acid, and gypsum on yield-scaled
greenhouse gas emissions from a coastal saline rice field[J].
Environmental Science and Pollution Research International,
2019, 26(19): 19502?19511
[13]
WANG W Q, ZENG C S, SARDANS J, et al. Industrial and
agricultural wastes decreased greenhouse-gas emissions and
increased rice grain yield in a subtropical paddy field[J].
Experimental Agriculture, 2018, 54(4): 623?640
[14]
JIANG Y, LIAO P, VAN GESTEL N, et al. Lime application
lowers the global warming potential of a double rice cropping
system[J]. Geoderma, 2018, 325: 1?8
[15]
王强盛. 稻田种养结合循环农业温室气体排放的调控与机
制[J]. 中国生态农业学报, 2018, 26(5): 633?642
WANG Q S. Regulation and mechanism of greenhouse gas
emissions of circular agriculture ecosystem of planting and
breeding in paddy[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018,
26(5): 633?642
[16]
ZHAO D D, WANG Z C, YANG F, et al. Amendments to saline-
sodic soils showed long-term effects on improving growth and
yield of rice (Oryza sativa L.)[J]. PeerJ, 2020, 8: e8726
[17]
GHAFOOR A, MURTAZA G, AHMAD B, et al. Evaluation of
amelioration treatments and economic aspects of using saline-
sodic water for rice and wheat production on salt-affected soils
under arid land conditions[J]. Irrigation and Drainage: The
Journal of the International Commission on Irrigation and
Drainage, 2008, 57(4): 424?434
[18]
MURTAZA G, GHAFOOR A, OWENS G, et al. Environmental
and economic benefits of saline-sodic soil reclamation using low-
quality water and soil amendments in conjunction with a rice-
wheat cropping system[J]. Journal of Agronomy and Crop
Science, 2009, 195(2): 124?136
[19]
AUGUSTO L, BAKKER M R, MEREDIEU C. Wood ash
applications to temperate forest ecosystems — potential benefits
and drawbacks[J]. Plant and Soil, 2008, 306(1): 181?198
[20]
LIAO P, SUN Y N, ZHU X C, et al. Identifying agronomic
practices with higher yield and lower global warming potential
[21]
0.5
y=0.949x?0.508
0
?0.5
?1.0
?1.5
?2.0
?0.6 ?0.4 ?0.2 0 0.2 0.4
甲烷排放
CH
4 emission (ln
R)
产量 Grain yield (lnR)
r2 =0.171; P<0.05
图 5 施石膏对水稻产量(ln R)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 emis-
sions to gypsum application (lnR) in rice paddies
(n=28)
第 2 期 孟 轶等 : 施石膏对水稻产量和甲烷排放影响的荟萃分析 287
http://www.ecoagri.ac.cn
in rice paddies: a global meta-analysis[J]. Agriculture,
Ecosystems & Environment, 2021, 322: 107663
JIANG Y, CARRIJO D, HUANG S, et al. Water management to
mitigate the global warming potential of rice systems: a global
meta-analysis[J]. Field Crops Research, 2019, 234: 47?54
[22]
刘宇锋, 李伏生. 灌溉方式与施肥水平对超级稻光合生理的
影响[J]. 中国生态农业学报, 2013, 21(4): 416?425
LIU Y F, LI F S. Effect of irrigation method and fertilization
dose on photosynthetic physiology of super rice[J]. Chinese
Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(4): 416?425
[23]
LIAO P, HUANG S, ZENG Y J, et al. Liming increases yield
and reduces grain cadmium concentration in rice paddies: a meta-
analysis[J]. Plant and Soil, 2021, 465(1): 157?169
[24]
DE GRAAFF M A, VAN GROENIGEN K J, SIX J, et al.
Interactions between plant growth and soil nutrient cycling
under elevated CO2: a meta-analysis[J]. Global Change Biology,
2006, 12(11): 2077?2091
[25]
HEDGES L V, GUREVITCH J, CURTIS P S. The meta-
analysis of response ratios in experimental ecology[J]. Ecology,
1999, 80(4): 1150?1156
[26]
廖萍, 孟轶, 翁文安, 等. 杂交稻对产量和氮素利用率影响
的荟萃分析[J]. 中国农业科学, 2022, 55(8): 1546?1556
LIAO P, MENG Y, WENG W A, et al. Effects of hybrid rice on
grain yield and nitrogen use efficiency: a meta-analysis[J].
Scientia Agricultura Sinica, 2022, 55(8): 1546?1556
[27]
SANTOS P D D, CAVALCANTE L F, GHEYI H R, et al.
Saline-sodic soil treated with gypsum, organic sources and
leaching for successive cultivation of sunflower and rice[J].
Revista Brasileira De Engenharia Agrícola e Ambiental, 2019,
23(12): 891?898
[28]
WU G Q, WANG S M. Calcium regulates K+/Na+ homeostasis
in rice (Oryza sativa L.) under saline conditions[J]. Plant, Soil
and Environment, 2012, 58(3): 121?127
[29]
SAQIB A I, AHMED K, QADIR G, et al. Enhancing the
solubility and reclamation efficiency of gypsum with H2SO4[J].
Cercetari Agronomice in Moldova, 2019, 52(2): 128?140
[30]
HELMY A M, SHABAN K A, EL-GALAD M A. Effect of
gypsum and sulphur application in amelioration of saline soil
and enhancing rice productivity[J]. Journal of Soil Sciences and
Agricultural Engineering, 2013, 4(10): 1037?1051
[31]
王增蓁. 火电厂脱硫石膏资源化研究[D]. 保定: 华北电力大
学, 2013: 15–22
WANG Z Z. Study on resourse utilization of FGD gypsum in
power plant[D]. Baoding: North China Electric Power
University, 2013: 15–22
[32]
KORALEGEDARA N H, PINTO P X, DIONYSIOU D D, et al.
Recent advances in flue gas desulfurization gypsum processes
and applications — A review[J]. Journal of Environmental
Management, 2019, 251: 109572
[33]
SHAH A L, ISLAM M R, HAQUE M M, et al. Efficacy of
major nutrients in rice production[J]. Bangladesh Journal of
Agricultural Research, 2008, 33(4): 639?645
[34]
肖国举, 罗成科, 白海波, 等. 脱硫石膏改良碱化土壤种植[35]
水稻施用量研究[J]. 生态环境学报, 2009, 18(6): 2376?2380
XIAO G J, LUO C K, BAI H B, et al. Research on the amount
of desulfurized gypsum from the coal-burning power plant
applied to improve the alkalized soil for paddy rice[J]. Ecology
and Environmental Sciences, 2009, 18(6): 2376?2380
SINGH Y, SINGH R, SHARMA D. Determination of time
frame for substitution of salt-tolerant varieties of rice (Oryza
sativa) and wheat (Triticum aestivum) through crop
diversification in sodic soils[J]. Indian Journal of Agricultural
Sciences, 2010, 80(10): 6?11
[36]
LIU M, LIANG Z W, MA H Y, et al. Responses of rice (Oryza
sativa L.) growth and yield to phosphogypsum amendment in
saline-sodic soils of North-East China[J]. Journal of Food,
Agriculture & Environment, 2010, 8(2): 827?833
[37]
YAN F Y, WEI H M, DING Y F, et al. Melatonin enhances
Na+/K+ homeostasis in rice seedlings under salt stress through
increasing the root H+-pump activity and Na+/K+ transporters
sensitivity to ROS/RNS[J]. Environmental and Experimental
Botany, 2021, 182: 104328
[38]
QADIR A A, MURTAZA G, ZIA-UR-REHMAN M, et al.
Application of gypsum or sulfuric acid improves physiological
traits and nutritional status of rice in calcareous saline-sodic
soils[J]. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 2022,
22(2): 1846?1858
[39]
WANG J M, YANG P L. Potential flue gas desulfurization
gypsum utilization in agriculture: a comprehensive review[J].
Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018, 82:
1969?1978
[40]
胡翔宇, 向秋洁, 木志坚. 脱硫石膏对稻田CH4释放及其功
能微生物种群的影响[J]. 环境科学, 2018, 39(8): 3894?3900
HU X Y, XIANG Q J, MU Z J. Effects of gypsum on CH4
emission and functional microbial communities in paddy soil[J].
Environmental Science, 2018, 39(8): 3894?3900
[41]
GAUCI V, MATTHEWS E, DISE N, et al. Sulfur pollution
suppression of the wetland methane source in the 20th and 21st
centuries[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences,
2004, 101(34): 12583?12587
[42]
SANGKERDSUB S, RICKE S C. Ecology and characteristics
of methanogenic Archaea in animals and humans[J]. Critical
Reviews in Microbiology, 2014, 40(2): 97?116
[43]
江家彬, 祝贞科, 林森, 等. 针铁矿吸附态和包裹态有机碳
在 稻 田 土 壤 中 的 矿 化 及 其 激 发 效 应[J]. 土 壤 学 报, 2021,
58(6): 1530?1539
JIANG J B, ZHU Z K, LIN S, et al. Mineralization of goethite-
adsorbed and -encapsulated organic carbon and its priming
effect in paddy soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 2021, 58(6):
1530?1539
[44]
LIAO P, SUN Y N, JIANG Y, et al. Hybrid rice produces a
higher yield and emits less methane[J]. Plant, Soil and
Environment, 2019, 65(11): 549?555
[45]
JIANG Y, TIAN Y L, SUN Y N, et al. Effect of rice panicle size
on paddy field CH4 emissions[J]. Biology and Fertility of Soils,
2016, 52(3): 389?399
[46]
288 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
http://www.ecoagri.ac.cn
DENIER VAN DER GON H A, BODEGOM P M,
WASSMANN R, et al. Sulfate-containing amendments to
reduce methane emissions from rice fields: mechanisms,
effectiveness and costs[J]. Mitigation and Adaptation Strategies
for Global Change, 2001, 6(1): 71?89
[47]
LIU G, YU H Y, MA J, et al. Effects of straw incorporation
along with microbial inoculant on methane and nitrous oxide
emissions from rice fields[J]. Science of the Total Environment,
2015, 518: 209?216
[48]
王飞, 李清华, 何春梅, 等. 稻秸-有机肥联合还田对黄泥
田水稻产能与化肥替代的影响[J]. 中国生态农业学报(中英
文), 2021, 29(12): 2024?2033
WANG F, LI Q H, HE C M, et al. Combined return of rice straw
and organic fertilizer to yellow-mud paddy soil to improve the
rice productivity and substitute chemical fertilizers[J]. Chinese
Journal of Eco-Agriculture, 2021, 29(12): 2024?2033
[49]
VAN DER GON H A C D, NEUE H U. Impact of gypsum
application on the methane emission from a wetland rice
field[J]. Global Biogeochemical Cycles, 1994, 8(2): 127?134
[50]
CHOUDHARY O P, GHUMAN B S, BIJAY-SINGH, et al.
Effects of long-term use of sodic water irrigation, amendments
and crop residues on soil properties and crop yields in rice-
wheat cropping system in a calcareous soil[J]. Field Crops
Research, 2011, 121(3): 363?372
[51]
ALI M A, LEE C H, KIM P J. Effect of Phospho-gypsum on
reduction of methane emission from rice paddy soil[J]. Korean
Journal of Environmental Agriculture, 2007, 26(2): 131?140
[52]
MORALES C L, TRAVESET A. A meta-analysis of impacts of
alien vs. native plants on pollinator visitation and reproductive
success of co-flowering native plants[J]. Ecology Letters, 2009,
12(7): 716?728
[53]
第 2 期 孟 轶等 : 施石膏对水稻产量和甲烷排放影响的荟萃分析 289
http://www.ecoagri.ac.cn
|
|
