中国稻田CH4排放对施氮的响应及影响因素: Meta分析开题报告

1. 研究目的与意义

本课题的意义

甲烷 (ch₄) 是一种重要的温室气体，其增温潜势是co₂的28倍，占全球温室气体排放约15%^[1]。稻田是最大的人为ch₄排放源，其ch₄排放量占大气中总排放量的5%-19%^[1]。中国是水稻生产大国，其稻田ch₄排放量约占世界稻田ch₄排放量的19.6%，已引起国内外广泛关注^[2-3]。但是，水稻生产需要大量n素投入 ^[4]。研究发现，n素添加会显著影响甲烷菌及甲烷氧化菌等土壤微生物活性，进而可能影响ch₄排放^[5-6]。然而，ipcc对ch₄排放清单的估算并未考虑氮肥对稻田ch₄排放的影响^[7]。因此，研究稻田ch₄排放对n素施用的响应对预测稻田甲烷排放、制定减排政策、赢得国际气候谈判具有重要意义。

2. 研究内容和预期目标

研究目标：分析施氮对稻田ch₄排放的影响，明确氮素投入如何影响稻田ch₄排放。

研究内容：针对稻田ch₄ 排放响应n素施用相互矛盾的试验结果，搜集整理我国各主要稻区近20年的历史资料数据 (1995-2016)，拟采用meta分析方法，从全国尺度上整合各主要稻区的研究资料进行定量分析

拟解决的关键问题：

3. 研究的方法与步骤

研究目标：分析施氮对稻田CH₄排放的影响，明确氮素投入如何影响稻田CH₄排放。

研究内容：针对稻田CH₄ 排放响应N素施用相互矛盾的试验结果，搜集整理我国各主要稻区近20年的历史资料数据 (1995-2016)，拟采用Meta分析方法，从全国尺度上整合各主要稻区的研究资料进行定量分析

拟解决的关键问题：

(1) 肥水管理措施如何影响稻田CH₄ 排放对N素施用响应？

(2) 栽培耕作措施如何影响稻田CH₄ 排放对N素施用响应？

(3) 种植模式及区域资源因子如何影响稻田CH₄ 排放对N素施用的响应？

研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析

研究方法：

分别提取对照和施肥处理下CH₄排放通量的平均值、标准差 (误) 和样本量 (重复数)，以及第一作者、发表杂志、发表年份、研究地点、磷钾肥用量等随机变量。一般情况，文献报道的实验数据以表格和柱状图两种形式呈现。对于以表格数据，直接进行提取；对于以柱状图数据，用GetData软件 (http://getdata-graph- digitizer.com/) 进行数字化转换。对于仅提供标准误的数据，将其转换为标准差 (SD=SE*sqrt (N))。对于标准差 (误) 缺失的数据，依照以下方法进行估计：首先，计算出整个数据集的变异系数 (variation coefficient, CV)；其次，以平均值乘以CV来估计缺失的标准差。

分别从水肥管理、耕作栽培、种植模式及气候资源四个方面对数据进行分类。水分管理方面包括基肥N素类型、施肥方式、N素用量及水分管理四个因子，其中，N素类型分为铵肥、铵肥 有机肥、复合肥和复合肥 有机肥；施肥方式分为基施和基施 追施；N素用量分为 100 kgha^-1, 100-200 kgha^-1, 200-300 kgha^-1 和 300 kgha^-1；水分管理分为连续淹灌和干湿交替。耕作栽培方面包括耕作方式、秸秆处理、栽培方式和水稻类型，其中，耕作方式分为免耕、翻耕和旋耕；秸秆处理分为秸秆移除与秸秆还田；栽培方式分为直播和移栽；水稻类型分为籼稻与粳稻。在种植模式方面，分为单季稻、稻-油轮作、稻-麦轮作、双季稻、稻-稻-冬闲轮作和稻-稻-绿肥轮作；在气候资源方面分为东北、华北、西南、长江中下游、华南。

Meta分析的一个基本前提假设是各样本之间要相互独立。然而，在meta分析研究中经常会遇到多对数据来源于同一篇文献或不同文献来源于同一课题组，这种假重复导致样本之间缺乏独立性，从而可能会影响最终研究结论。同时，磷钾肥用量也可能对研究结论造成一定影响。因此，为了消除样本之间的假重复和磷钾肥用量对稻田CH₄响应氮素投入的影响，我们构建了混合效应模型，将文献编号、第一作者、发表杂志、发表年份、研究地点、磷钾肥用量等作为随机因子加入模型进行运算。该混合效应meta分析是在R 3.1.3软件环境下用metafor 程序包里的rma.mv 命令完成。研究因子之间的差异显著性 (P0.05) 通过各自95%CIs是否重叠来判断。

技术路线：请见附件

实验方案：

研究区域涉及我国主要稻区，包括华南双季稻稻作区 (广西)、华中双季稻稻作区 (上海、江苏、安徽、湖南、湖北、重庆、四川)、华北单季稻稻作区 (北京)、东北早熟单季稻稻作区 (黑龙江、辽宁)。气候包括亚热带季风性气候和温带季风性气候。种植制度包括一熟制、两熟制和三熟制。

首先，以稻田、甲烷和施肥为关键词，对中国知网 (www.cnki.net) 进行检索，年份不限，共检索到发表于中文期刊的研究论文128篇。其次，以(methane OR CH4) AND (rice OR paddy) AND (fertiliz* OR nitrogen OR N) AND China为关键词，对Web of Science 数据库 (http://apps.webofknowledge.com/) 进行检索，年份不限，。最后，对所检索到的文献进行筛选。

分别提取对照和施肥处理下CH₄排放通量的平均值、标准差 (误) 和样本量 (重复数)，以及第一作者、发表杂志、发表年份、研究地点、磷钾肥用量等随机变量。一般情况，文献报道的实验数据以表格和柱状图两种形式呈现。对于以表格数据，直接进行提取；对于以柱状图数据，用GetData软件 (http://getdata-graph- digitizer.com/) 进行数字化转换。分别从水肥管理、耕作栽培、种植模式及气候资源四个方面对数据进行分类并进行分析处理。

可行性分析：

清晰科学的研究思路。本课题拟搜集整理我国各主要稻区近20年的历史资料数据 (1995-2016)，采用Meta分析方法，从全国尺度上整合各主要稻区的研究资料进行定量分析

对稻田CH₄ 排放响应N素施用的试验结果进行综合整理。

4. 参考文献

特色或创新之处；

本研究为了消除样本之间的假重复和磷钾肥用量对稻田CH₄响应氮素投入的影响，我们构建了混合效应模型，将文献编号、第一作者、发表杂志、发表年份、研究地点、磷钾肥用量等作为随机因子加入模型进行运算。该混合效应meta分析是在R 3.1.3软件环境下用metafor 程序包里的rma.mv 命令完成。

5. 计划与进度安排

2022年7-11月，查阅相关文献，整理筛选符合条件的文献。

2022年11-12月，从文献中提取数据。

2022年2-3月，分析数据。