基于Meta分析中國水稻產(chǎn)量對施肥的響應(yīng)特征

韓天富，馬常寶，黃晶,3，柳開樓,4，薛彥東，李冬初,3，劉立生,3，張璐,3，劉淑軍,3，張會民,3

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基于Meta分析中國水稻產(chǎn)量對施肥的響應(yīng)特征

韓天富1，馬常寶2，黃晶1,3，柳開樓1,4，薛彥東2，李冬初1,3，劉立生1,3，張璐1,3，劉淑軍1,3，張會民1,3

（1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國家工程實驗室，北京 100081；2農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測保護中心，北京 100125；3中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院衡陽紅壤實驗站/祁陽農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外試驗站，湖南祁陽 426182；4江西省紅壤研究所/國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，南昌 330046）

【】定量分析近30年施肥對中國水稻產(chǎn)量的綜合效應(yīng)和影響機制，為水稻種植區(qū)域肥料的科學(xué)施用提供依據(jù)。以全國水稻土長期監(jiān)測點為平臺，將相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)按照種植區(qū)域、試驗時間、種植制度、作物類型、施肥類型、土壤質(zhì)地、土壤pH、土壤有機質(zhì)含量、土壤全氮含量、土壤有效磷含量、土壤速效鉀含量、土壤緩效鉀含量進行分組，以不施肥處理作為對照，利用Meta-analysis方法探究施肥對水稻產(chǎn)量的綜合效應(yīng)及其影響因素。近10年（2008—2017）以來，無論施肥與否，水稻產(chǎn)量均顯著高于1988—1997和1998—2007年對應(yīng)的水稻產(chǎn)量。與不施肥相比，施肥顯著提高水稻產(chǎn)量，其提高幅度平均為80.8%。在西南地區(qū)施肥對水稻產(chǎn)量的提高幅度最高（98.5%），顯著高于華北地區(qū)（70.3%）。不同試驗時間下，施肥比不施肥處理在1988—1997年對水稻產(chǎn)量提高的幅度（99.1%）高于1998—2007年（84.2%）和 2008-2017年（78.1%）。不同種植制度下，施肥較不施肥處理能顯著提高一年三熟水稻產(chǎn)量（92.0%），且提高幅度均高于一年一熟（76.2%）和一年兩熟（81.9%）。與不施肥相比，雙季稻施肥對水稻產(chǎn)量的提高幅度（85.9%）高于單季稻區(qū)（75.9%）和水稻-其他作物（79.5%）。與不施肥相比，有機肥與無機肥配合施用對水稻產(chǎn)量提高幅度（88.3%）高于化肥單施處理（76.6%）。施肥較不施肥處理能顯著提高黏質(zhì)土壤水稻產(chǎn)量（92.0%），提高幅度顯著高于砂質(zhì)土壤（58.0%）和壤質(zhì)土壤（77.5%）。隨著土壤有機質(zhì)和有效磷含量的增加，施肥較不施肥處理水稻產(chǎn)量提高的幅度呈降低趨勢。在較高的土壤pH（＞7.5）、較低土壤全氮（＜1.5 g·kg-1）和緩效鉀（＜150 mg·kg-1）情況下，施肥較不施肥處理水稻產(chǎn)量提高的幅度較高。隨機森林分析結(jié)果表明：施肥對水稻產(chǎn)量提高幅度主要受水稻種植區(qū)域、土壤全氮和種植制度的影響。此外，肥料的農(nóng)學(xué)效率與施肥對水稻產(chǎn)量增產(chǎn)幅度呈極顯著正相關(guān)。雖然當(dāng)前施肥對水稻產(chǎn)量增加的趨勢在降低，但是適量的肥料投入（尤其是西南地區(qū)）是提高和維持水稻高產(chǎn)的重要措施，尤其是有機肥與無機肥配合施用增產(chǎn)效果更加顯著。同時，在種植制度的基礎(chǔ)上，各水稻種植區(qū)域應(yīng)結(jié)合土壤質(zhì)地、土壤氮素和鉀素等方面作為肥料投入的主要依據(jù)。

施肥；水稻產(chǎn)量；Meta-analysis；響應(yīng)比；農(nóng)學(xué)效率

0 引言

【研究意義】全球超過60%的人口以水稻 (L.) 為主食[1]，預(yù)計到2035年大米需求量將從2010年的6.76億噸增加到8.52億噸[2]。中國的水稻種植面積和單位產(chǎn)量均位居世界各國之首，對世界的糧食安全做出了重要貢獻[3]。肥料的投入是保證作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要手段之一[4]，不合理的肥料投入不僅抑制作物正常的生長發(fā)育[5]，同時還可能造成土壤板結(jié)、土壤酸化、肥料利用率下降、土壤酶活性降低等一系列負面效應(yīng)，最終影響作物產(chǎn)量的提高[6]。因此，研究施肥對水稻產(chǎn)量的影響及其關(guān)鍵作用因子對于水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、土壤培肥等具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】盡管國內(nèi)外在稻田培肥方面進行了大量的研究，但大部分主要集中在施肥對水稻產(chǎn)量或肥料利用率等方面的影響[7-9]。比如，苑俊麗等[10]運用整合分析方法研究了高效氮肥較常規(guī)化肥施用對中國水稻產(chǎn)量和氮素吸收量的影響，很少從不同種植區(qū)域、管理措施、土壤理化性質(zhì)等方面探討水稻產(chǎn)量對施肥響應(yīng)的差異特征及影響因素。首先，土壤基礎(chǔ)肥力水平是決定作物能否高效利用肥料的關(guān)鍵因子[11]。其次，在品種和其他管理措施相對穩(wěn)定的情況下，施肥處理的產(chǎn)量高低主要決定于施肥處理本身與環(huán)境互作效應(yīng)[12]。然而，由于我國水稻種植區(qū)域遼闊，土壤肥力差異較大，導(dǎo)致水稻產(chǎn)量對施肥的響應(yīng)特征各不相同[13-14]。方暢宇等[15]研究表明，基礎(chǔ)地力較低的土壤上優(yōu)先施用化肥，輔助施用有機肥；肥力較高的土壤上輕施化肥，多施有機肥以達到水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的目的。因此，探明不同稻田土壤肥力水平下長期施肥對水稻產(chǎn)量的影響，進而為各水稻種植區(qū)域不同水稻種植制度下合理施肥提供依據(jù)顯得尤為重要?！颈狙芯壳腥朦c】首先，獨立田間試驗研究難以準(zhǔn)確回答較大區(qū)域上施肥對產(chǎn)量的影響，且在全國尺度上探究施肥對水稻產(chǎn)量的影響及其關(guān)鍵因素的研究到目前為止還鮮見報道。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在1988—2017年期間先后設(shè)置了一批田間施肥試驗（常規(guī)施肥和不施肥處理），涵蓋了中國水稻主要的種植區(qū)域，主要記錄水稻產(chǎn)量、土壤肥力、管理措施等數(shù)據(jù)，結(jié)合Meta分析方法——對同一主題下多個研究結(jié)果進行綜合定量分析的方法[16]，可從全國尺度回答近30年不同水稻種植區(qū)域、管理措施、土壤理化性質(zhì)等條件下施肥對水稻產(chǎn)量的影響。其次，基于隨機森林算法——一種高效的組合分類方法，根據(jù)變量重要性程度進而提取特征變量[17]，進而探究施肥對水稻產(chǎn)量影響的關(guān)鍵因素?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究運用Meta分析方法，以農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)置的不施肥處理為對照，從全國尺度上分析近30年水稻主產(chǎn)區(qū)的水稻產(chǎn)量對施肥的響應(yīng)特征及其關(guān)鍵的影響因素，旨在為肥料的合理施用并實現(xiàn)水稻的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所用的數(shù)據(jù)均來源于1988—2017年“農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地土壤質(zhì)量監(jiān)測”工作開展期間所收集的水稻田間試驗數(shù)據(jù)。水稻土監(jiān)測點的布局主要分為以下幾個部分：東北地區(qū)（黑龍江、吉林和遼寧）、華北地區(qū)（河南、山東和陜西）、西南地區(qū)（云南、四川、重慶和貴州）、長江中游（湖北、湖南和江西）、長江下游（安徽、江蘇、上海和浙江）、華南地區(qū)（福建、廣東、廣西和海南）。監(jiān)測地塊的地理位置、耕作制度、土壤類型、作物類型、分布面積、管理水平等在各區(qū)域均有較好的代表性。各監(jiān)測點試驗設(shè)置不施肥區(qū)（空白區(qū)）和常規(guī)施肥區(qū)（農(nóng)民習(xí)慣施肥管理）兩個處理，進而探究與不施肥相比，常規(guī)施肥處理對水稻產(chǎn)量差異的影響。不施肥處理中，小區(qū)面積為32—67 m2，用水泥板或者其他材料做擋板，防止水肥橫向的轉(zhuǎn)移；施肥處理按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)田常年肥料用量均勻撒施，小區(qū)面積不低于334 m2，鑒于小區(qū)面積較大能夠基本反映施肥和不施肥的差異，再加上經(jīng)費等方面的限制，因此，所有處理均為1次重復(fù)。不施肥處理和施肥處理除了施肥用量不一致以外，其他措施均相同。監(jiān)測內(nèi)容主要包括：作物產(chǎn)量、施肥用量和土壤理化性狀等。作物產(chǎn)量包括每一季作物的實際產(chǎn)量，采用去邊行后實打、實收的方法測定；施肥情況主要包括每一季作物有機肥和化肥的施用日期、肥料品種、施肥次數(shù)和施肥用量等，秸稈還田按照實際用量以有機肥形式記錄；土壤理化性狀主要包括土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀和緩效鉀、pH、質(zhì)地等，在每年最后一季作物收獲以后，按照“隨機”“等量”“多點混合”的原則，立即采集耕層土壤樣品進行上述指標(biāo)的測定，按照《土壤分析技術(shù)規(guī)范》[18]進行樣品的測定。但是由于部分點位管理不是特別完善，導(dǎo)致某些年份水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺失，為了彌補某些年份產(chǎn)量數(shù)據(jù)的缺失和各點位試驗設(shè)置缺少重復(fù)，且綜合考慮監(jiān)測時間的跨度后將所有數(shù)據(jù)分為：1988—1997、1998—2007和2008—2017年3個時間段，將各時間段內(nèi)的產(chǎn)量數(shù)據(jù)作為重復(fù)進行下一步的數(shù)據(jù)分析。通過對所有數(shù)據(jù)的篩選計算，最終得到462組數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

本研究中的數(shù)據(jù)均來自農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)置的定位監(jiān)測數(shù)據(jù)。統(tǒng)計學(xué)指標(biāo)采用權(quán)重響應(yīng)比（response ratios，）表示，并計算其95%的置信區(qū)間（95%）。其計算公式為：

1.3 數(shù)據(jù)分析

首先，通過卡方檢驗（Chi-square test）明確試驗處理之間及各試驗結(jié)果是否存在異質(zhì)性（處理間或不同研究結(jié)果間的變異是否由隨機誤差引起）。若納入的各研究結(jié)果無異質(zhì)性（＞0.05），采用固定效應(yīng)模型進行分析（fixed effect model，F(xiàn)EM），相反，則采用隨機效應(yīng)模型（random effect model，REM）[23]。表1為本研究數(shù)據(jù)的異質(zhì)性檢驗結(jié)果，故采用REM進行數(shù)據(jù)分析。其次，采用Meta Win 2.1軟件進行分析合并計數(shù)資料的響應(yīng)比得出加權(quán)平均響應(yīng)。

表1 樣本量描述性統(tǒng)計

Q 為異質(zhì)性檢驗的統(tǒng)計量；Q 為Q統(tǒng)計量顯著性

Q is the statistic of heterogeneity;Q is the significant value of Q

本研究綜合考慮了水稻種植區(qū)域（東北地區(qū)、華北地區(qū)、西南地區(qū)、長江中游、長江下游、華南地區(qū)）、試驗時間（1988—1997、1998—2007、2008—2017年）、種植制度（一年一熟、一年兩熟、一年三熟）、作物類型（單季稻、雙季稻、水稻-其他作物）、施肥類型（化肥單施、化肥+有機肥）、土壤質(zhì)地（黏土、壤土、砂土）、土壤pH（＜6.5、6.5—7.5、＞7.5）、土壤有機質(zhì)含量（＜20、20—30、＞30 g·kg-1）、土壤全氮含量（＜1.5、1.5—2、＞2 g·kg-1）、土壤有效磷含量（＜10、10—20、＞20 mg·kg-1）、土壤速效鉀含量（＜50、50—100、＞100 mg·kg-1）、土壤緩效鉀含量（＜150、150—300、＞300 mg·kg-1）對水稻產(chǎn)量響應(yīng)施肥的影響，其中，種植區(qū)域、種植制度、作物類型、施肥類型沒有時間上的差異，而土壤理化性質(zhì)是指3個時間階段相對應(yīng)的初始年份土壤理化性質(zhì)，根據(jù)已發(fā)表的文獻[24]和全國第二次土壤普查得到的土壤養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合本研究數(shù)據(jù)整體分布范圍進行相應(yīng)的等級劃分。采用單因素方差分析和最小顯著性差（LSD）評價不同區(qū)域、土地利用類型和土壤理化性質(zhì)下水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)異質(zhì)性和差異性[25]。

肥料農(nóng)學(xué)效率[26]的計算公式如下：

肥料農(nóng)學(xué)效率=（施肥處理水稻產(chǎn)量-不施肥處理水稻產(chǎn)量）/肥料總施用量 （7）

數(shù)據(jù)處理和部分圖形制作采用Excel 2003；利用R語言（3.4.4）進行數(shù)據(jù)的隨機森林重要性分析；采用SPSS軟件11.0（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和顯著性檢驗；利用Sigmaplot 10.0軟件進行圖形的制作。

2 結(jié)果

2.1 不同施肥處理下水稻產(chǎn)量的差異及其響應(yīng)比的分布

近30年以來，施肥處理較不施肥處理能顯著增加水稻產(chǎn)量（圖1-A），兩者的平均產(chǎn)量分別為9.7和5.2 t·hm-2。近10年（2008—2017）以來，無論施肥與否，水稻產(chǎn)量（9.9、5.4 t·hm-2）均顯著高于1988—1997和1998—2007年對應(yīng)的水稻產(chǎn)量（8.5、4.5 t·hm-2和9.5、5.1 t·hm-2）。利用Meta軟件分析了462組水稻產(chǎn)量對施肥的響應(yīng)比（本研究水稻的響應(yīng)比是指施肥對產(chǎn)量增加的幅度），且分布檢驗表明全部響應(yīng)比符合正態(tài)分布（＜0.001），平均值為0.60±0.31（圖1-B），因此不用進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化而直接進行因素分析。

2.2 水稻產(chǎn)量對施肥的響應(yīng)及因素分析

Meta分析結(jié)果表明，與不施肥相比，施肥能顯著提高水稻產(chǎn)量，其提高幅度為80.8%（置信區(qū)間為76.4%—83.4%）（圖2）。不同種植區(qū)域下，施肥較不施肥處理對水稻產(chǎn)量的提高幅度各不相同，各區(qū)域增加幅度分別為：西南區(qū)為98.5%（置信區(qū)間為85.7%—112.1%）、華南區(qū)為80.0%（置信區(qū)間為69.6%—90.9%）、長江下游為78.1%（置信區(qū)間為69.4%—87.3%）、東北區(qū)為78.0%（置信區(qū)間為59.1%—99.1%）、長江中游為77.8%（置信區(qū)間為70.6%—85.3%）、華北區(qū)為70.3%（置信區(qū)間為45.0%—100.1%）。不同試驗時間下，施肥較不施肥處理對水稻產(chǎn)量的提高幅度具體表現(xiàn)為：1988—1997年為99.1%（置信區(qū)間為79.4%—121.0%）、1998—2007年為84.2%（置信區(qū)間為75.4%—93.6%）和 2008—2017年為78.1%（置信區(qū)間為72.9%—83.5%）。不同種植制度下，施肥較不施肥能顯著提高一年三熟水稻產(chǎn)量（92.0%，置信區(qū)間為74.2%—111.7%），且提高幅度高于一年一熟（76.2%，置信區(qū)間為68.5%—84.2%）和一年兩熟（81.9%，置信區(qū)間為76.5%—87.4%）。

CK：無肥處理，F(xiàn)：常規(guī)施肥處理。不同的小寫字母表示差異顯著（P＜0.05）；箱形框中間的實線代表中位數(shù)，虛線代表平均值。箱形框上下邊緣分別代表全部數(shù)據(jù)的75%和25%。箱形框上下兩條線的邊緣分別代表全部數(shù)據(jù)的95%和5%，上下兩個實心點為異常值。括號里的數(shù)字表示該處理有水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)的個數(shù)

點和誤差線分別代表響應(yīng)比及其95%的置信區(qū)間，如果誤差線沒有跨越零線表示處理與對照存在顯著差異；括號內(nèi)的數(shù)值代表樣本數(shù)。下同

由圖3可知，施肥對水稻產(chǎn)量的提高與作物類型、施肥措施和土壤質(zhì)地密切相關(guān)。與不施肥相比，施肥在雙季稻對水稻產(chǎn)量的提高幅度（85.9%，置信區(qū)間為78.5%—93.5%）高于單季稻區(qū)（75.9%，置信區(qū)間為67.9%—84.2%）和水稻—其他作物（79.5%，置信區(qū)間為71.9%—87.5%）與不施肥相比，化肥與有機肥配施對水稻產(chǎn)量提高的幅度（88.3%，置信區(qū)間為81.1%—95.8%）略高于化肥單施（76.6%，置信區(qū)間為71.6%—81.7%）。不同土壤質(zhì)地條件下，施肥較不施肥處理在黏土上對水稻產(chǎn)量的提高幅度（96.6%，置信區(qū)間為86.1%—107.7%）顯著高于砂土（57.9%，置信區(qū)間為25.8%—98.5%），但是與在壤土上的增幅（77.5%，置信區(qū)間為72.7%—82.4%）相比無顯著差異。

施肥對產(chǎn)量的提高程度與土壤的理化性質(zhì)也密切相關(guān)（圖4和5）。就土壤pH而言，在偏中性（pH為6.5—7.5）的土壤上，施肥較不施肥處理對水稻產(chǎn)量的提高幅度為77.2%（置信區(qū)間為67.7%—88.4%），在pH＞7.5和pH＜6.5的土壤上提高幅度較高，分別為87.1%（置信區(qū)間為72.3%—103.0%）和80.7%（置信區(qū)間為75.8%—85.8%）。隨著土壤有機質(zhì)（SOM）含量的增加，施肥較不施肥處理對水稻產(chǎn)量提高的幅度呈降低趨勢，具體為：SOM＜20 g·kg-1時提高的幅度為83.1%（置信區(qū)間為70.8%—96.3%）、20 g·kg-1＜SOM＜30 g·kg-1時提高的幅度為81.6%（置信區(qū)間為74.4%—89.1%）、SOM＞30 g·kg-1時提高的幅度為79.7%（置信區(qū)間為73.7%%—85.8%）。就土壤有效磷（AP）含量而言，在AP較低（＜10 mg·kg-1）情況下，施肥較不施肥處理對水稻產(chǎn)量提高幅度（87.4%，置信區(qū)間為79.7%—95.4%）顯著高于AP較高（＞20 mg·kg-1）情況下的提高幅度（74.1%，置信區(qū)間為67.1%—81.5%）。隨著土壤全氮含量（STN）的增加，施肥較不施肥處理對水稻產(chǎn)量提高的幅度呈先降低后增加趨勢，具體表現(xiàn)為：當(dāng)STN＜1.5 g·kg-1時提高的幅度為86.8%（置信區(qū)間為78.4%95.5%）、1.5 g·kg-1＜STN＜2 g·kg-1時提高的幅度為76.2%（置信區(qū)間為69.4%—83.3%）、STN＞2 g·kg-1時提高的幅度為81.2%（置信區(qū)間為73.4%—89.4%）。施肥對水稻產(chǎn)量提高的幅度隨土壤速效鉀含量的增加呈先升高后降低趨勢。就土壤緩效鉀（SAK）含量而言，在SAK ＜150 mg·kg-1情況下，施肥較不施肥處理對水稻產(chǎn)量提高幅度（87.5%，置信區(qū)間為77.5%—98.1%）高于SAK≥150 mg·kg-1（79.0%，置信區(qū)間為71.1%—86.1%）水平下的提高幅度。

圖3 不同作物、肥料類型和土壤質(zhì)地下水稻產(chǎn)量對施肥的權(quán)重響應(yīng)比

SOM：土壤有機質(zhì)；STN：土壤全氮。下同

AP：土壤有效磷；AK：土壤速效鉀，SAK：土壤緩效鉀。下同

2.3 不同因素對水稻產(chǎn)量響應(yīng)比的重要性

利用隨機森林對水稻產(chǎn)量的影響因素進行重要性分析，結(jié)果如圖6所示。Mean decrease accuracy是指預(yù)測誤差準(zhǔn)確性降低的程度，該值越大表示該變量的重要性越大[27]。各指標(biāo)對水稻產(chǎn)量響應(yīng)比均有一定的影響，通過比較各變量因素的重要性可知，其中種植區(qū)域（Region）、土壤全氮（STN）、種植制度（Cropping system）、土壤質(zhì)地（Soil texture）和緩效鉀（SAK）5個因素的重要程度較大，速效鉀（AK）、土壤有機質(zhì)（SOM）、pH、施肥類型（Fertilization type）、時間（Time）和土壤有效磷（AP）影響較小。

圖6 變量的重要性

2.4 水稻產(chǎn)量響應(yīng)比與肥料農(nóng)學(xué)效率的關(guān)系

進一步分析了水稻產(chǎn)量響應(yīng)比與肥料農(nóng)學(xué)效率之間的關(guān)系（圖7），發(fā)現(xiàn)兩者呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.001），通過線性擬合可得，每增加1個單位的肥料農(nóng)學(xué)效率，水稻產(chǎn)量的響應(yīng)比相應(yīng)地提高0.05個單位。就目前較為普遍的兩種施肥類型而言（化肥單施、化肥與有機肥配施），在增加相同單位的肥料農(nóng)學(xué)效率情況下，化肥與有機肥配施處理對水稻產(chǎn)量響應(yīng)比的增加速率高于化肥單施處理。

CF：化肥單施；CMF：化肥+有機肥

3 討論

通過施肥為作物提供足夠的養(yǎng)分是維持作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、保障世界糧食安全的重要途徑之一[28-29]。本研究通過整合農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測的水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，與不施肥相比，近30年以來常規(guī)施肥條件下水稻產(chǎn)量平均提高80.8%（置信區(qū)間為76.4%—83.4%）。這與CHIANU等[30]研究得到施肥能夠增加作物產(chǎn)量50%—100%的結(jié)果相符。作物生長過程中需要大量的營養(yǎng)物質(zhì)，而化肥中含有高濃度的養(yǎng)分物質(zhì)，施用以后不僅能夠供給植物吸收，還能補充因作物吸收而帶走或隨水分流失的養(yǎng)分[31]。不施肥處理由于土壤養(yǎng)分常年被消耗且供應(yīng)不足導(dǎo)致作物產(chǎn)量顯著低于常規(guī)施肥處理（圖1），也間接反映施肥的重要性。研究表明，通過合理的水肥養(yǎng)分管理，不僅能消除由于營養(yǎng)過剩造成的負面環(huán)境效應(yīng)，同時可實現(xiàn)近30%的增產(chǎn)潛力[32]。近10年（2008—2017年）水稻產(chǎn)量顯著高于其他年間施肥處理，與張福鎖等[11]研究結(jié)果類似，這主要與近年來高產(chǎn)品種的大力推廣[33]和土壤肥力總體普遍提高[34]密切相關(guān)。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，化肥的增產(chǎn)作用占到農(nóng)作物產(chǎn)量的50%[35]，這主要是因為本研究是在除了施肥，其他因素均保持一致的情況下開展的田間試驗，相對提高了施肥的作用，弱化了品種、管理措施等因素對產(chǎn)量的影響。

不同區(qū)域因氣候特征、自然環(huán)境和耕作習(xí)慣等因素不同導(dǎo)致施肥對產(chǎn)量的影響差異較大。本研究發(fā)現(xiàn)相比其他水稻種植區(qū)域，施肥在西南地區(qū)增產(chǎn)效果較好。研究表明，在四川省施用氮肥最高可增產(chǎn)90%，且相對貧瘠的山區(qū)施肥增產(chǎn)效果更加顯著[36]。本研究的西南區(qū)域包括云南、四川、重慶和貴州，屬于云貴高原區(qū)域，土壤肥力相對較低[37]，因此施肥增產(chǎn)效果高于其他地區(qū)。近30年間，施肥對產(chǎn)量的增加趨勢在下降，這主要與土壤質(zhì)量的改善和土壤肥力普遍提高有關(guān)[11]；其次是長期連續(xù)種植同一作物容易產(chǎn)生“連作障礙”，如土壤養(yǎng)分異常累積，微生物種群結(jié)構(gòu)失衡等，最終影響作物產(chǎn)量的提高[38]。一年一熟（單季稻）水稻種植區(qū)域主要分布在東北地區(qū)，受氣候條件的影響，導(dǎo)致該地區(qū)水稻產(chǎn)量均較低[39]，另外就是該地區(qū)土壤肥力較高，相對弱化了施肥增產(chǎn)的效應(yīng)，施肥較不施肥處理對單季稻產(chǎn)量提高的幅度較低也印證這一結(jié)果。一年三熟地區(qū)主要分布在南方高溫多雨的紅壤地區(qū)，土壤養(yǎng)分貧瘠，酸化嚴重[40]，施肥能夠快速供應(yīng)大量的氮磷鉀養(yǎng)分，滿足作物的生長需求，相比不施肥能顯著增加作物產(chǎn)量。本研究結(jié)果表明：有機無機肥配施在水稻上的增產(chǎn)效果高于單施化肥，這與國內(nèi)外大部分長期定位試驗結(jié)果相似[41-42]。有機無機肥配施有利于水稻中后期干物質(zhì)累積和養(yǎng)分吸收，提高了單位面積總穗數(shù)和穗粒數(shù)[43]。隨機森林結(jié)果表明：水稻種植區(qū)域和種植制度對水稻產(chǎn)量響應(yīng)比的影響較大，因此，針對不同的種植區(qū)域和種植制度，需要指定相應(yīng)的施肥方案，與前人提出的“大配方、小調(diào)整”區(qū)域施肥方案相符[14]。

土壤是作物生長的主要載體, 也是我們當(dāng)前培肥管理的主要對象。土壤理化性質(zhì)的優(yōu)劣不僅決定作物根系生長是否良好，同時與施入土壤中的養(yǎng)分能否高效利用密切相關(guān)。本研究結(jié)果表明，在砂質(zhì)土壤上，施肥對水稻增產(chǎn)的效果較差，主要是因為砂土顆粒較大，養(yǎng)分的固定位點較少，導(dǎo)致施入的養(yǎng)分易隨水分淋失[44]，其次是砂質(zhì)土壤中養(yǎng)分含量少，且保水保肥能力較差[45]。土壤有機質(zhì)含量是衡量土壤綜合肥力的一個重要指標(biāo)[46]，在低有機質(zhì)含量下土壤肥力較低，施肥增產(chǎn)的效應(yīng)較高（圖4），這與曾明祥等[3]研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果表明：隨著土壤全氮含量的增加，施肥較不施肥處理對水稻產(chǎn)量提高的幅度呈先降低后增加趨勢。原因主要為：（1）氮素對水稻生產(chǎn)的影響僅次于水分，增施氮肥能夠顯著的提高水稻產(chǎn)量[47]，且在土壤低氮水平下，增施氮肥的增產(chǎn)效果較明顯[48]；（2）隨著土壤全氮含量的增加，土壤能夠供給水稻較多的氮素，進而弱化施肥增產(chǎn)的效應(yīng)，為氮肥減施提供依據(jù)；（3）本研究在高氮情況下，施肥處理水稻產(chǎn)量均較高（平均為10.6 t·hm-2，未在結(jié)果部分展示），此時土壤中的氮素并不能充分滿足水稻對氮素的吸收，進而能夠凸顯肥料的增產(chǎn)效應(yīng)，也說明高產(chǎn)稻田同樣需要培肥。其他各化學(xué)指標(biāo)不同水平下施肥對產(chǎn)量的影響結(jié)果各不相同，通過隨機森林分析結(jié)果可知：土壤質(zhì)地、全氮、緩效鉀和速效鉀對水稻產(chǎn)量響應(yīng)比影響相對較大。這也表明土壤一致的情況下，要注重氮肥的合理施用；其次是鉀素，因為鉀素以無機形態(tài)存在土壤中，易隨水遷移，因此也要注重鉀肥的投入，尤其是南方缺鉀地區(qū)，結(jié)果顯示緩效鉀含量較低情況下的增產(chǎn)效果較高也印證這一結(jié)果。

水稻產(chǎn)量響應(yīng)比與肥料農(nóng)學(xué)效率之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，這說明施肥在增產(chǎn)的同時也能增加肥效。在增加相同單位的肥料農(nóng)學(xué)效率情況下，化肥與有機肥配施處理對水稻產(chǎn)量的響應(yīng)比提高幅度高于單施化肥處理。這說明在等養(yǎng)分投入條件下，合理配施養(yǎng)分對產(chǎn)量的提高至關(guān)重要，該結(jié)果不僅與前人的研究結(jié)果一致[49]，同時也為我們當(dāng)前提倡的化肥減施的情況下保持增效提供理論依據(jù)[50]。另外，還應(yīng)當(dāng)結(jié)合施肥對產(chǎn)量響應(yīng)比的影響因素，綜合考慮水稻種植區(qū)域、種植制度和土壤理化性質(zhì)后進行合理施肥，最終提高肥料的農(nóng)學(xué)效率，達到增產(chǎn)增效的目的。

4 結(jié)論

4.1 1988—2017年間，施肥能夠顯著提高水稻的產(chǎn)量，相比不施肥能增產(chǎn)80.8%，但是增產(chǎn)的效應(yīng)呈逐漸減弱趨勢。與化肥單施相比，化肥與有機肥配施是提高和維持水稻高產(chǎn)的重要措施。

4.2 施肥對水稻產(chǎn)量的提高效應(yīng)與水稻種植區(qū)域、土壤全氮、種植制度和土壤鉀素含量等密切相關(guān)。建議在指導(dǎo)農(nóng)民施肥時應(yīng)結(jié)合上述指標(biāo)進行合理推薦。

4.3 水稻產(chǎn)量響應(yīng)比與肥料農(nóng)學(xué)效率之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，增加相同單位的肥料農(nóng)學(xué)效率情況下，化肥與有機肥配施處理對水稻產(chǎn)量的響應(yīng)比提高量高于單施化肥處理，為我國當(dāng)前提倡化肥減施情況下如何實現(xiàn)水稻增產(chǎn)增效提供理論依據(jù)。

致謝：Muhammad Qaswar對本文英文摘要的修改給予了指導(dǎo)，在此致以誠摯的感謝！

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Variation in Rice Yield Response to Fertilization in China: Meta-analysis

HAN TianFu1, MA ChangBao2, HUANG Jing1, 3, LIU KaiLou1, 4, XUE YanDong2, LI DongChu1, 3, LIU LiSheng1, 3, ZHANG Lu1, 3, LIU ShuJun1, 3, ZHANG HuiMin1, 3

(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081;2Center of Arable Land Quality Monitoring and Protection, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100125;3Red Soil Experimental Station of CAAS in Hengyang/National Observation and Research Station of Farmland Ecosystem in Qiyang, Qiyang 426182, Hunan;4Jiangxi Institute of Red Soil/ National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement, Nanchang 330046)

【】A meta study was conducted to investigate the comprehensive effect of fertilization on rice yield in Chinese paddy soils during the past 30 years, and to provide a theoretical basis for the scientific correct application of fertilizers in rice cultivation areas.【】Based on the long-term paddy soil monitoring sites from Ministry of Agriculture and Rural Affairs, we conducted meta-analysis to investigate the rice yield response to no fertilization versus fertilization in different agro-climatic regions.】Rice yield in the past 10 years (2008-2017) was significantly higher than the corresponding rice yield in 1988-1997 and 1998-2007, regardless of fertilization. The increase of rice yield with fertilization in southwest of China was by 98.5%, which was significantly higher than that of in north of China (70.3%). Fertilization increased rice yield by 99.1%, 84.2% and 78.1% during 1988-1997, 1998-2007 and 2008-2017, respectively. For the cropping system, the increase of rice yield under triple cropping system (92.0%) was significantly higher than that under single cropping system (76.2%) and double cropping system (81.9%). Fertilization increased rice yield by 85.9% under double rice cropping system, by 75.9% under single cropping system, and by 79.5% under other cropping system. Compared with no fertilizer, chemical plus organic fertilizer application increased rice yield by 88.3%, which was higher than that of single chemical fertilizer application (76.6%). Fertilization significantly increased rice yield in clay soil by 92.0%, compared with no fertilization, which significantly higher than that in sandy soil (58.0%) and loam soil (77.5%). With the increase of soil organic matter and available phosphorus, the increasing trend of fertilization on rice yield was decreased compared with no fertilization. Under higher soil pH (＞7.5) and lower soil total nitrogen (＜1.5 g·kg-1) and slow available potassium (＜150 mg·kg-1), the rice yield increasing was more than that of corresponding the rest of level. Random forest analysis showed that the region, soil total nitrogen and cropping system had greater impact on the response ratio () of rice yield. In addition, the agronomic efficiency of fertilizer was positively correlated with rice yield. 【】Although the trend of increasing rice yield by fertilization was decreasing at present, but combined appropriate chemical plus organic fertilizer, especially in southwest of China, were important measures to improve and maintain high rice yield. Base on the cropping system, combining soil texture, soil nitrogen and potassium content should be the main basis for fertilizer input in different rice cultivation areas.

fertilization; rice yield; meta-analysis; response ratio; agronomic efficiency

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.11.007

2018-12-04；

2019-01-18

國家重點研發(fā)計劃“糧食豐產(chǎn)增效科技創(chuàng)新”重點專項（2016YFD0300901）、國家自然科學(xué)基金（41671301，41371293）

韓天富，E-mail：hantianfu123@126.com。通信作者張會民，E-mail：zhanghuimin@caas.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）