通过在双季稻系统中定期施用石灰，持续减少甲烷排放和全球变暖潜力：一项为期4年的田间试验

石灰施用降低双季稻系统甲烷排放并提高产量，但增加氧化亚氮排放。

　　

廖萍|刘雷|刘金松|朱向成|刘杰|陈进|孙燕妮|姜宇|黄珊|曾永军|Kees Jan van Groenigen

江苏省作物栽培与生理学重点实验室/扬州大学水稻工业工程技术研究所，中国扬州225009

摘要

研究表明，施用石灰可以减少甲烷（CH₄）的排放，从而降低酸性稻田的全球变暖潜能（GWP）。然而，大多数现有证据来自短期实验，这种效果的持久性仍不清楚。在这项研究中，我们在双季稻系统中进行了为期4年的田间实验，以确定施用石灰（包括第二次施用石灰时是否返还残渣）对甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）排放、土壤有机碳（C）的固定以及粮食产量的影响。我们还进行了残渣分解实验和功能基因分析，以确定石灰作用的机制。与未施用石灰的处理相比，整个石灰施用周期内甲烷排放量平均减少了20.6％；在返还残渣的情况下，减少幅度更大（-23.3％），而在移除残渣的情况下减少幅度为-14.9％。2019年甲烷排放量减少了32.1％，2020年为19.9％，2021年为21.1％，2022年没有显著变化。相比之下，施用石灰使氧化亚氮排放量增加了20.6％。施用石灰提高了粮食产量（+5.2％），但对土壤有机碳储量没有显著影响。因此，施用石灰降低了整个种植系统的净全球变暖潜能（-24.8％）和温室气体强度（-28.5％）。从机制上看，石灰促进了残渣分解，减少了与甲烷生成相关的mcrA基因的丰度，并增强了与甲烷氧化相关的pmoA基因的丰度。石灰通过增加amoA-AOB和nirS基因的丰度，促进了硝化作用和反硝化作用。总体而言，我们的研究结果表明，施用石灰可以在双季稻系统中持续提高粮食产量并减少甲烷排放和净全球变暖潜能，尽管氧化亚氮排放量有所增加。此外，我们的数据表明，需要定期施用石灰以维持这种土壤改良措施的效果。

引言

水稻占全球耕地的11％，是全球近一半人口的主要食物来源（FAOSTAT，2023年）。然而，稻田也是强效温室气体的主要来源，分别占全球农业氧化亚氮（N₂O）和甲烷（CH₄）排放量的11％和30％（IPCC，2021年）。大多数稻田位于热带和亚热带地区，由于土壤pH值较低，土壤酸化威胁到了水稻生产的韧性和可持续性（Liao等人，2021a）。此外，过去三十年中，过度施用合成氮（N）肥料和局部酸雨加剧了土壤酸化（Haefele等人，2014年；Zhang等人，2025年）。施用石灰可以有效缓解土壤酸化对水稻产量的影响，但酸性稻田土壤对石灰处理的温室气体排放（CH₄和N₂O）反应尚不确定（Wang等人，2021年；Zhang等人，2022年）。 石灰可能通过多种机制影响甲烷排放。通过提高土壤pH值，石灰可以减轻土壤中铝（Al³⁺）的毒性，并促进酸性土壤中根系的生长和发育（Fageria和Baligar，2008年）。此外，施用富含Ca²⁺的物质通常可以增强土壤团聚作用，从而促进根系的发展（Fageria和Baligar，2008年）。根系特性的改善（即根面积、体积和活性）可以提高根际氧气（O₂）浓度，从而促进甲烷氧化菌的活动，最终减少稻田中的甲烷排放（Qian等人，2023年）。另一方面，通过减轻土壤酸化压力和提高植物生产力，石灰可以通过根系沉积和秸秆残渣返还增加碳（C）的输入（Liao等人，2024年）。这种碳输入的增加为甲烷生成提供了更多底物，从而促进了甲烷排放（Qian等人，2020年；Du等人，2023年；Tang等人，2024年）。此外，石灰引起的土壤pH值升高可能会直接影响甲烷生成菌和甲烷氧化菌的代谢差异和生态位分化（Zhao等人，2020年；Li等人，2021年；Zheng等人，2024年）。总体而言，石灰对酸性稻田中的甲烷生成和氧化过程同时产生促进和抑制作用（Qian等人，2023年）。 许多元分析表明，施用石灰可以显著降低酸性稻田中的甲烷排放（例如，Wang等人，2021年；Zhang等人，2022年）。然而，这些分析中的大多数结果来自单次施用石灰后的短期实验（少于2年（Ali等人，2013年；Jiang等人，2018年）。在实际情况中，由于石灰对土壤pH值的影响会随时间减弱，因此通常需要定期重新施用石灰（Liao等人，2020年；Liao等人，2024年）。目前尚不清楚通过多次施用石灰是否可以持续减轻稻田中的甲烷排放。 土壤中的氧化亚氮（N₂O）是微生物硝化作用和反硝化作用过程中的中间产物（Bouwman，1998年）。施用石灰可以减少陆地生态系统中的氧化亚氮排放，因为石灰可以促进氨氧化细菌（amoA-AOB）的基因转录（Zhang等人，2017年）并改善氧化亚氮还原酶基因（nosZ）的表达（Vázquez等人，2020年）。相比之下，石灰对稻田中氧化亚氮排放的影响尚不清楚，先前的研究报道了排放量的增加（Zaman等人，2008年）、减少（Shaaban等人，2023年）或没有显著变化（Jiang等人，2018年）。氧化亚氮排放对石灰的反应变化可能与水稻生长季节由于淹水条件导致的相对较低的N₂O产量有关（Wang等人，2018年），这使得准确确定处理效果更加困难。此外，由于土壤中氧化亚氮排放具有强烈的空间和时间变异性（Sihi等人，2020年），因此需要长期进行高频率通量测量的田间实验来可靠地评估石灰对氧化亚氮排放的影响。 施用石灰还可能通过改变陆地生态系统中的土壤有机碳（SOC）固定来影响净全球变暖潜能（GWP）（Wang等人，2021年）。一方面，石灰通常可以提高植物生产力，从而增加有机碳的输入（Liao等人，2024年）。从长期来看，石灰还可以改善土壤团聚作用，从而增强SOC对微生物分解的物理保护（Carmeis Filho等人，2018年）。另一方面，石灰可以促进微生物生物量和活性的增加，从而促进有机残渣和天然SOC的矿化（Paradelo等人，2015年；Holland等人，2018年）。此外，石灰引起的土壤pH值升高可能通过增强微生物活性来放大新添加的碳对天然SOC的促进作用（Xiao等人，2018年）。因此，根据哪种过程占主导地位，石灰可能会减少（Aye等人，2016年）、增加（Fornara等人，2011年）或对SOC储量没有显著影响（Heyburn等人，2017年）。一项先前的元分析显示，石灰对陆地生态系统中的SOC储量的总体影响在统计上不显著（Wang等人，2021年），但由于观察样本数量较少，该分析没有考虑稻田土壤的数据。因此，迫切需要评估酸性稻田中SOC对石灰处理的响应。 根据20世纪80年代初进行的第二次全国土壤调查，中国约有32％的稻田土壤pH值低于5.5（Jiang等人，2018年）。此外，中国亚热带地区的稻田土壤平均pH值从1988年到2013年下降了0.59个单位，2013年后逐渐恢复（Zhang等人，2025年）。双季稻系统在中国亚热带地区普遍存在，占中国水稻种植面积的近33.5％和产量的28.2％（NBS，2022年）。酸性母质和过量化学氮肥引起的土壤酸化的共同作用常常导致这些系统的粮食产量损失（Guo等人，2010年；Liao等人，2018年；Liao等人，2021a），双季稻的GWP在所有谷物种植系统中最大（Huan和Liu，2025年）。为了确定施用石灰是否可以提高产量并减少GWP，我们在双季稻系统中建立了田间实验，每四年施用一次石灰（Liao等人，2020年；Liao等人，2024年）。我们之前的研究表明，施用石灰在施用后的前两年内减少了甲烷排放和GWP（Jiang等人，2018年）。然而，这些效果是否能够持续存在，以及当重新施用石灰材料时是否仍能保持这种效果尚不清楚，因为在第一个实验周期（2015-2018年；Liao等人，2020年；Liao等人，2024年）中，升高的土壤pH值恢复到了初始水平。 在这项研究中，我们确定了第二次施用石灰（2019-2022年）对甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）排放以及SOC固定的影响。我们的目标是：1）确定整个石灰施用周期内石灰对甲烷（CH₄和氧化亚氮（N₂O）排放及其相关功能微生物群落的长期影响；2）评估重新施用石灰对水稻产量、净GWP和温室气体强度（GHGI）的影响。据我们所知，这是首次全面研究石灰引起的年度土壤pH值变化如何影响稻田中的粮食产量、SOC固定、温室气体排放、净GWP和GHGI的研究。

地点详情

地点详情

我们的团队于2015年4月在江西省的双季稻种植区上高实验基地（115.15°E，28.52°N）开始了田间实验。该系统包括第一季水稻（4月至7月）、第二季水稻（7月至11月）和冬季休耕（次年的11月至4月）。详细的气象条件和初始土壤性质（0-15厘米深度）可以在Jiang等人（2018年）和Liao等人（2024年）的研究中找到。简而言之，该地点

甲烷（CH₄）排放

我们观察到所有实验地块的甲烷（CH₄）通量具有持续的模式（图S2）。甲烷通量在第一季和第二季的分蘖期达到峰值，然后在季中排水期迅速降至零水平。总体而言，第二季的甲烷通量峰值高于第一季。

平均而言，无论残渣处理、年份或作物如何，施用石灰的处理组的季节性甲烷排放量为181千克/公顷，比未施用石灰的处理组减少了20.6％

石灰对甲烷（CH₄）排放的影响

在双季稻系统的第二次施用石灰周期中，石灰显著减少了20.6％的甲烷排放，这与第一个实验周期观察到的结果一致（Jiang等人，2018年）。这可能是由四种机制共同作用的结果。首先，虽然施用石灰增加了残渣中的碳含量（表1），但它同时也加速了残渣的分解（图6）。这一发现与先前的研究结果一致，表明残渣

结论

在双季稻系统的第二次施用石灰周期中，石灰持续提高了粮食产量并减少了甲烷排放，但并未影响SOC的碳储量（SOCSR）。因此，石灰减轻了净GWP和温室气体强度（GHGI），尽管由于amoA-AOB和nirS基因的丰度增加，氧化亚氮排放量有所增加。石灰减少甲烷排放、净GWP和GHGI的效果是由于甲烷氧化的增强和甲烷生成的减少共同作用的结果

CRediT作者贡献声明

刘金松：软件、数据管理。朱向成：可视化、调查。刘杰：软件、调查。陈进：可视化、正式分析。孙燕妮：软件、正式分析。姜宇：验证、方法学。黄珊：写作——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。曾永军：验证、监督。Kees Jan van Groenigen：写作——审稿与编辑、监督、方法学。廖萍：写作——初稿、软件

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

中国的国家重点研发计划（2022YFD2300400）、国家自然科学基金（32260547）以及江西省作物育种与高效生产重点实验室（2024SSY04101）资助了这项工作。