中期排水对水稻温室气体排放与产量影响的Meta分析

《Field Crops Research》：A meta-analysis on the impact of mid-season drainage on rice greenhouse gas emissions and yields

　　

一项关于中期排水（mid-season drainage, MSD）对水稻温室气体排放和产量影响的Meta分析。研究人员对水稻系统中MSD的影响进行了Meta分析，结果表明，无论排水强度如何，MSD对水稻产量均无影响；严重的MSD可使季节性CH₄排放减少50%，并使MSD后排放减少73%。因此，MSD是实现环境目标且产量损失风险较小的良好选择。

水稻是全球重要的口粮作物，种植面积近2亿公顷，但同时也贡献了全球农业甲烷（CH₄）排放的22%和氧化亚氮（N₂O）排放的11%，且耗水量极大。为缓解这些问题，多种非连续淹水实践（NCFP）被推荐使用，如干湿交替（AWD）、间歇淹水和中期排水（MSD）。其中，MSD是生长季中期的单次排水事件，历史上主要用于增产，如今也被用于减少温室气体排放和降低有害元素吸收。然而，与其他NCFP相比，MSD研究相对不足，且缺乏专门针对MSD的定量综述。为此，研究人员开展了一项Meta分析，旨在明确MSD相对于持续淹水（CF）对水稻温室气体排放和产量的影响，并评估不同条件下MSD的表现。

研究人员从Jiang等（2019）的数据库及Web of Science中检索了截至2025年7月的已发表田间试验数据，纳入标准为包含MSD与CF处理、且仅水分管理不同并报告CH₄排放的研究。最终数据库包含21项研究、71对观测，来自中国、美国、韩国、日本、越南、泰国、印度和巴西。分析采用自然对数响应比（lnRR）作为效应量，使用R软件metafor包进行多层混合效应Meta分析，以研究身份和观测嵌套为随机效应，并采用限制最大似然法（REML）拟合。调节变量包括土壤有机碳、质地、pH、种植方式、氮肥投入、有机物料添加、排水天数、排水强度（轻度/重度）和排水时间（早/晚）。此外，研究人员使用WebPlotDigitizer从图中提取CH₄排放数据，以量化MSD后排放和季末CH₄峰值，并采用Egger回归检验发表偏倚。

### 3.1 总体影响
在CF处理中，平均58%（范围20%–98%）的季节性CH₄排放发生在MSD后。相对于CF，MSD使季节性CH₄排放显著减少45%（95%置信区间?51%至?37%），MSD后CH₄排放减少69%（?76%至?59%），季末CH₄峰值减少62%（?78%至?33%）。同时，N₂O排放相对增加345%（59%–1144%），但绝对增加量仅为0.28 kg N₂O ha^?1，对GWP影响有限。全球增温潜势（GWP）减少46%（?54%至?36%），产量仅略降0.5%（?2.4%至+1.4%，不显著），因此产量尺度GWP降低46%。

### 3.2 温室气体排放调节变量
#### 3.2.1 CH₄排放调节变量
对季节性CH₄排放，土壤碳、土壤pH和排水强度具有显著影响。高碳土壤中CH₄减排幅度（?52%）大于低碳土壤（?40%）；低pH土壤减排（?55%）大于高pH土壤（?40%）；严重MSD减排50%，轻度仅28%。对于MSD后CH₄排放，土壤碳、非淹水天数和排水强度显著：高碳土壤减排76%，低碳61%；长非淹水天数（≥11天）减排75%，短天数（≤6天）55%；严重排水减排73%，轻度48%。季末峰值分析样本较少（21个观测），仅非淹水天数显著，长天数减排74%，短天数35%。

#### 3.2.2 N₂O调节变量
播种方式是唯一显著影响N₂O排放的调节变量，直接播种（DS）系统中MSD使N₂O增加1521%，而移栽（TP）系统仅增加362%。另有趋势表明高有机碳土壤中N₂O增加更多（P=0.08）。

### 3.3 对产量的影响
所有调节变量对水稻产量均无显著影响，仅存在后期MSD可能略微提高产量的趋势（P=0.066）。这表明MSD在不同土壤性质、农艺管理和水分管理条件下均具有较好的安全性，产量损失风险低。

讨论部分指出，严重MSD可大幅减少CH₄排放，且比多次排水NCFP更易实施，产量损失风险更小。N₂O排放的相对增加虽大，但绝对量小，不会抵消CH₄减排带来的GWP降低。MSD对产量的无显著影响在排水强度上同样成立，这与多次排水NCFP不同，因后者严重排水会显著降低产量。但需注意，MSD的水分节约量可能小于多次排水实践，且排水可能增加镉（Cd）和镍（Ni）等元素的吸收风险。未来研究应量化排水期末的土壤水分状况，并区分不同区域和排水形式。

结论：水稻系统中使用MSD已有数百年历史，主要用于增产。本研究发现，严重MSD可减少约50%的CH₄排放且不影响产量。相对于其他NCFP，MSD的产量损失风险更小且更易管理。数据表明MSD具有广泛适用性。在推荐该实践时，农民需要理解相关风险，主要是排水可能导致干旱胁迫进而减产的风险。确定排水期间土壤干燥程度而不对作物造成胁迫，对于制定可被农民采纳的可靠管理措施至关重要。MSD可用于多种目的，本研究聚焦于温室气体减排，但也可能用于增产、减少用水或限制有害元素吸收。由于MSD的广泛适用性，未来全球和区域评估应区分MSD与其他NCFP在温室气体排放和产量上的差异。