我國麥田有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥的產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)環(huán)境效應(yīng)

李永華，武雪萍，何剛，王朝輝

我國麥田有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥的產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)環(huán)境效應(yīng)

李永華1，武雪萍2，何剛1，王朝輝1

（1西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2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，北京 100081）

【】有機(jī)肥替代是在維持作物產(chǎn)量的同時(shí)減少化學(xué)氮肥用量的關(guān)鍵措施之一。然而，有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥的小麥產(chǎn)量效應(yīng)、環(huán)境代價(jià)和經(jīng)濟(jì)效益的復(fù)雜聯(lián)系尚不清楚。本研究通過系統(tǒng)分析，量化了有機(jī)肥替代的農(nóng)學(xué)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，旨在為有機(jī)肥替代技術(shù)在我國小麥生產(chǎn)中的應(yīng)用提供參考。本研究利用文獻(xiàn)調(diào)研方法，對2019年12月前經(jīng)同行評議發(fā)表的涉及有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥在小麥生產(chǎn)上應(yīng)用的文獻(xiàn)通過Meta分析，從農(nóng)學(xué)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)角度評估有機(jī)肥替代的綜合效益。有機(jī)肥替代處理在化學(xué)氮肥用量平均減少43%的條件下，未降低小麥產(chǎn)量。有機(jī)肥替代比例對小麥產(chǎn)量有巨大影響。在替代化肥比例＜15%和15%—30%時(shí)，有機(jī)肥替代處理分別增產(chǎn)8%和5%，而在替代化肥比例＞30%時(shí)，未顯著增產(chǎn)。小麥生產(chǎn)的凈經(jīng)濟(jì)效益受替代比例和替代有機(jī)肥類型影響。當(dāng)有機(jī)肥替代比例＜30%時(shí)，凈經(jīng)濟(jì)效益無顯著性差異；而當(dāng)替代比例＞45%時(shí)，牛糞和商品有機(jī)肥作為替代有機(jī)肥時(shí)，凈經(jīng)濟(jì)效益減少18%和68%。有機(jī)肥替代使小麥生長季的NH3揮發(fā)減少24%、小麥?zhǔn)斋@期的土壤硝酸鹽殘留量減少16%，但使小麥生長季的N2O排放量增加了32%。進(jìn)一步分析可知，土壤性質(zhì)、有機(jī)肥類型、氣候條件、試驗(yàn)持續(xù)年限、產(chǎn)量和施肥水平均可調(diào)控有機(jī)肥替代的小麥產(chǎn)量效應(yīng)。與單施化肥相比，有機(jī)肥替代處理在SOM＞15 g·kg-1時(shí)顯著增產(chǎn)4%，而在SOM≤15 g·kg-1時(shí)無增產(chǎn)效應(yīng)，在土壤pH＜7時(shí)增產(chǎn)8%、而在土壤pH＞7時(shí)無增產(chǎn)效應(yīng)。當(dāng)雞糞、豬糞和商品有機(jī)肥作為替代有機(jī)肥時(shí)，有機(jī)肥替代處理分別增產(chǎn)6%、6%和4%，而牛糞作為替代有機(jī)肥時(shí)無增產(chǎn)效應(yīng)。有機(jī)肥替代處理在年降雨量＞600 mm區(qū)域顯著增產(chǎn)4%，而在≤600 mm區(qū)域無增產(chǎn)效應(yīng)。在年平均氣溫＞15℃區(qū)域增產(chǎn)5%，而在年平均氣溫＜15℃區(qū)域無增產(chǎn)效應(yīng)。有機(jī)肥持續(xù)應(yīng)用＞10年增產(chǎn)6%，而在＜10年無增產(chǎn)效應(yīng)；在高施氮量條件下有機(jī)肥替代使小麥產(chǎn)量顯著增加4%，而在中、低施氮量條件下無增產(chǎn)效應(yīng)。在低產(chǎn)水平下有機(jī)肥替代使小麥產(chǎn)量顯著增加9%，而在中、高產(chǎn)下有機(jī)肥替代無增產(chǎn)效應(yīng)。有機(jī)肥替代處理在化學(xué)氮肥用量平均減少43%的條件下，未降低小麥產(chǎn)量，在維持小麥產(chǎn)量的同時(shí)有大幅減少化學(xué)氮肥用量和氮損失的潛力，但未增加凈經(jīng)濟(jì)效益。應(yīng)用合理的化學(xué)氮肥替代量、有機(jī)肥類型在降水充足和高溫區(qū)域更易發(fā)揮有機(jī)肥替代的增產(chǎn)效應(yīng)。

有機(jī)肥替代比例；土壤性質(zhì)；氣候條件；N2O排放；NH3揮發(fā)；硝酸鹽淋溶；產(chǎn)量；經(jīng)濟(jì)效益

0 引言

【研究意義】氮素是作物生長的必需營養(yǎng)元素，對農(nóng)作物產(chǎn)量提高、品質(zhì)改善起決定性作用[1]。我國2010—2015年期間每年平均氮肥消耗量達(dá)3 000萬噸、高居世界第一。然而，我國糧食作物的當(dāng)季氮肥利用效率通常低于35%[2]，未被利用的氮肥在帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，也造成了環(huán)境污染和生物多樣性減少。因此，優(yōu)化氮肥管理技術(shù)、減少氮肥損失有利于降低經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境代價(jià)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥技術(shù)是減少氮肥損失的一個(gè)關(guān)鍵措施。小麥?zhǔn)俏覈嗣袢罕姷闹饕诩Z，盡管目前在小麥生產(chǎn)上已開展關(guān)于有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥的田間試驗(yàn)[3-5]，但由于生態(tài)環(huán)境、管理、土壤等差異，有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥的小麥產(chǎn)量效應(yīng)存在巨大變異。在黃淮海平原研究發(fā)現(xiàn)牛糞替代50%的化肥時(shí)，增加小麥產(chǎn)量5%[6]，在西北黃土高原地區(qū)發(fā)現(xiàn)當(dāng)牛糞替代30%的化肥，未能顯著增加小麥產(chǎn)量[7]，在華北潮土地區(qū)甚至發(fā)現(xiàn)餅肥替代50%的化肥，減少小麥產(chǎn)量3%[8]。由此可見，有機(jī)肥替代的小麥產(chǎn)量效應(yīng)存在較大變異，理解變異的原因?qū)τ袡C(jī)肥替代技術(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要。長期以來，鑒于糧食生產(chǎn)的巨大壓力，大多數(shù)研究關(guān)注有機(jī)肥替代的產(chǎn)量效應(yīng)，而對其帶來的環(huán)境效應(yīng)研究很少。施用在麥田的氮肥是氮損失的底物，因此化學(xué)氮肥用量、施用方式對氮損失有顯著影響[9]。有機(jī)肥替代能減少化學(xué)氮肥用量，應(yīng)有減少氮損失的潛力。例如，在華北地區(qū)利用豬糞替代50%的化學(xué)氮肥使氮損失減少45%[10]。然而，施用有機(jī)肥添加了新的氮肥類型、改變了施肥方式（單施化肥變?yōu)橛袡C(jī)無機(jī)配施），有可能激發(fā)額外的氧化亞氮（N2O）排放。例如，與單施化肥相比，在西南地區(qū)用豬糞替代40%的化學(xué)氮肥，增加N2O排放43%[11]。此外，有機(jī)肥替代對氨（NH3）揮發(fā)也有重要影響。在黃淮海平原發(fā)現(xiàn)牛糞替代50%的化學(xué)氮肥，氨揮發(fā)降低37%[12]。然而，在華北平原用牛糞替代50%的化學(xué)氮肥，氨揮發(fā)增加49%[13]。由此可見，施用有機(jī)肥對N2O的排放和NH3揮發(fā)有重要影響。此外，有機(jī)肥來源豐富，施入到麥田的有機(jī)肥可能帶入重金屬，從而提高土壤重金屬含量，進(jìn)而增加小麥籽粒重金屬含量、危害人體健康。因此，評估有機(jī)肥替代化肥的環(huán)境效應(yīng)是必要的。通常來講，小農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)抵抗能力較低，經(jīng)濟(jì)效益是決定他們是否采用技術(shù)措施的核心指標(biāo)。單位質(zhì)量的有機(jī)肥費(fèi)用低，但有機(jī)肥養(yǎng)分含量低、替代相同數(shù)量的氮肥，用量更大、勞動(dòng)力成本增加，因此有機(jī)肥替代的凈經(jīng)濟(jì)效益有待評估。這些信息的缺乏突顯了針對有機(jī)肥替代進(jìn)行農(nóng)學(xué)效應(yīng)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)效益評估的重要性?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，關(guān)于有機(jī)肥在小麥生產(chǎn)的研究主要集中在增施有機(jī)肥以及有機(jī)肥替代的產(chǎn)量效應(yīng)，而對有機(jī)肥替代的環(huán)境效應(yīng)、經(jīng)濟(jì)效益研究較少。盡管有零散案例，但缺乏國家尺度上有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥對小麥生產(chǎn)的農(nóng)學(xué)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益的綜合評估。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究綜合分析了來自78篇文獻(xiàn)資料的569對觀察值，通過建立有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥的小麥產(chǎn)量、氮損失數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建有機(jī)肥替代的經(jīng)濟(jì)效益評估方法，期望量化國家尺度上有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥對小麥生產(chǎn)的農(nóng)學(xué)效應(yīng)、環(huán)境代價(jià)和經(jīng)濟(jì)效益，以期為有機(jī)肥在小麥生產(chǎn)上的合理應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

我們收集了2019年12月前經(jīng)同行評議發(fā)表的涉及有機(jī)肥替代化肥調(diào)控小麥生產(chǎn)的文獻(xiàn)。獲得的文獻(xiàn)用以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選：（1）試驗(yàn)必須為田間試驗(yàn)，且含有機(jī)肥替代（SNM）和單施化肥（CF）兩個(gè)處理；（2）各處理的氮肥折純量相同；（3）試驗(yàn)至少包含一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)（產(chǎn)量、氮損失、重金屬含量）。基于該篩選標(biāo)準(zhǔn)，最終獲得78篇符合要求的研究文獻(xiàn)。從文獻(xiàn)中提取試驗(yàn)點(diǎn)位置（表1），年平均氣溫，年降雨量，土壤pH，土壤有機(jī)質(zhì)（SOM），有機(jī)肥類型，有機(jī)肥用量及有機(jī)肥的氮、磷、鉀含量，有機(jī)肥應(yīng)用年限等信息構(gòu)建有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥的小麥產(chǎn)量、氮損失數(shù)據(jù)庫。對于單個(gè)試驗(yàn)，除有機(jī)肥和化肥用量不同外，其他小麥生長和管理?xiàng)l件（如種子、耕作、播種、雜草和害蟲防治措施）相同。

表1 研究獲取的試驗(yàn)點(diǎn)位分布

1.2 產(chǎn)量效應(yīng)評價(jià)

為確定有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥的用量對小麥產(chǎn)量的影響，將有機(jī)肥替代化肥用量劃分為：＜15%、15%—30%、30%—45%、＞45%。為理解氣候條件、土壤性質(zhì)和試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間對有機(jī)肥替代的影響，基于年降水量、年平均氣溫、SOM和土壤pH等對有機(jī)肥替代的小麥產(chǎn)量效應(yīng)進(jìn)行分組。濕潤地區(qū)、半濕潤地區(qū)和半干旱地區(qū)的年降水量分別為＞600 mm、400—600 mm和＜400 mm[14]，年平均氣溫分為≤15℃和＞15℃，如文獻(xiàn)中無年降水量和年平均氣溫，缺失的數(shù)據(jù)從中國氣象資料共享服務(wù)網(wǎng)獲取。SOM分為≤15 g·kg-1和＞15 g·kg-1，pH分為pH＜7和pH≥7。試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間劃分為≤3年、3—10年和≥10年。

為了確定產(chǎn)量水平和施肥水平對有機(jī)肥替代的影響，將產(chǎn)量等級劃分為低產(chǎn)、中產(chǎn)和高產(chǎn)，氮肥等級劃分為低氮、適中和高氮。產(chǎn)量等級劃分具體方法為：單施化肥處理的小麥籽粒產(chǎn)量介于381—10 302 kg·hm-2，90%的產(chǎn)量集中在3 004—8 739 kg·hm-2。以小麥產(chǎn)量的第5%分位數(shù)（3 004 kg·hm-2）和95%分位數(shù)（8 739 kg·hm-2）為最低和最高極限差（5 735 kg·hm-2），然后以等產(chǎn)量間距（1 912 kg·hm-2）分成3個(gè)范圍。小麥產(chǎn)量等級從低到高依次分為＜4 916 kg·hm-2（低產(chǎn)），4 916—6 827 kg·hm-2（中產(chǎn)），＞6 827 kg·hm-2（高產(chǎn)）[15]。

氮肥等級劃分具體方法為：依據(jù)單施化肥處理實(shí)際產(chǎn)量計(jì)算的推薦施肥量為合理施氮量（Rec），以推薦施肥的40%為變幅，分為3級進(jìn)行評價(jià)，0—0.8 Rec（低氮），0.8—1.2 Rec（適中），＞1.2 Rec（高氮）[15]。

合理施氮量（Rec）=養(yǎng)分?jǐn)y出量=產(chǎn)量×氮素養(yǎng)分需求量×調(diào)整系數(shù) （1）

式中，產(chǎn)量為收集的數(shù)據(jù)單施化肥處理的實(shí)際產(chǎn)量；氮素養(yǎng)分需求量指小麥百公斤籽粒需氮量（N）2.28 kg[16]。調(diào)整系數(shù)指根據(jù)土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力確定的調(diào)整施肥數(shù)量高低的參數(shù)，氮的調(diào)整系數(shù)為1[15]。

1.3 環(huán)境效應(yīng)評價(jià)

本研究通過建立有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥的氮損失數(shù)據(jù)庫（包括23篇文獻(xiàn)的69對數(shù)據(jù)，其中N2O排放26對、NH3揮發(fā)27對、硝酸鹽殘留16對），從N2O排放、NH3揮發(fā)、硝酸鹽殘留等方面評估了有機(jī)肥替代化肥的氮損失。

1.4 經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)

本研究從小麥生產(chǎn)的成本投入與產(chǎn)出評估有機(jī)肥替代化肥的凈經(jīng)濟(jì)效益（小麥生產(chǎn)的總產(chǎn)出與總投入的差值）。小麥生產(chǎn)的產(chǎn)出主要來源于籽粒產(chǎn)量，成本投入主要包括小麥種子、肥料（有機(jī)肥）、機(jī)械和人工等費(fèi)用[17]。本研究在評估成本投入時(shí)，考慮了小麥生產(chǎn)所需要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，如肥料、農(nóng)藥、種子、機(jī)械等。鑒于替代比例、有機(jī)肥類型對小麥生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益影響較大，本研究分析了不同替代比例條件下不同有機(jī)肥類型對小麥生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益的影響。通過對有機(jī)肥生產(chǎn)企業(yè)、肥料銷售站、農(nóng)戶和文獻(xiàn)等調(diào)研，獲得的牛糞平均價(jià)格為380元/t，雞糞平均價(jià)格為380元/t，豬糞平均價(jià)格為310元/t，商品有機(jī)肥平均價(jià)格為1 150元/t。文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果顯示，雞糞的有機(jī)氮平均含量為19.3 g·kg-1，豬糞的有機(jī)氮平均含量為19.6 g·kg-1，牛糞的有機(jī)氮平均含量為17.2 g·kg-1，商品有機(jī)肥有機(jī)氮平均含量為20 g·kg-1。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

通過卡方檢驗(yàn)（Chi-square test）進(jìn)行異質(zhì)性檢驗(yàn)，如果檢查結(jié)果＞0.05，說明不同處理間或不同研究結(jié)果間具有同質(zhì)性，可選用固定相應(yīng)模型計(jì)算合并統(tǒng)計(jì)量，否則采用隨機(jī)效應(yīng)模型[18]。對于每對觀察值，可以使用響應(yīng)比來評估有機(jī)肥替代對變量的影響（響應(yīng)值大小可以反映處理組相比對照組的影響效果），有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥的效應(yīng)值通過以下公式計(jì)算[19]：

ln RR = ln (Xo/Xc) （2）

式中，ln RR表示效應(yīng)量，結(jié)果以（（RR-1）×100）的百分比形式表示。Xo和Xc表示有機(jī)肥替代和單施化肥處理的變量平均值。

觀察值的權(quán)重用以下公式計(jì)算：

Weight = (No×Nc)/ (No+Nc) （3）

式中，Weight表示觀察值的權(quán)重，No和Nc分別表示有機(jī)肥替代和單施化肥處理的重復(fù)數(shù)。有機(jī)肥替代的效應(yīng)通過觀察值加權(quán)效應(yīng)的平均值獲得。應(yīng)用R（Version 3.6.1）的“boot”軟件包的bootstrapping程序計(jì)算95%的置信區(qū)間。當(dāng)置信區(qū)間與0值線重疊時(shí)，認(rèn)為有機(jī)肥替代的效應(yīng)不顯著，反之亦然。應(yīng)用SPSS 19.0軟件的單因素方差分析進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，以確定產(chǎn)量及其產(chǎn)量三要素（圖1），NH3揮發(fā)、N2O排放，NO3-殘留（圖3）和經(jīng)濟(jì)效益（表2）的差異顯著性。當(dāng)方差分析結(jié)果顯著時(shí)，采用最小顯著差異法（LSD）確定處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果

2.1 有機(jī)肥替代的小麥產(chǎn)量效應(yīng)

本研究通過Meta分析量化了我國有機(jī)肥替代化肥的小麥產(chǎn)量效益。結(jié)果顯示，單施化學(xué)氮肥的平均氮肥用量為199 kg N·hm-2、小麥平均產(chǎn)量為5 986 kg·hm-2，有機(jī)肥替代處理的化學(xué)氮肥用量為113 kg·hm-2、小麥平均產(chǎn)量為6 144 kg·hm-2。有機(jī)肥替代減少43%的化學(xué)氮肥，未降低小麥產(chǎn)量（圖1-A）。分析產(chǎn)量構(gòu)成要素可知，有機(jī)肥替代化肥較單施化肥處理公頃穗數(shù)顯著增加3%，而對穗粒數(shù)和千粒重穗粒數(shù)無顯著影響（圖1-B、1-C、1-D）。

CF：單施化肥，SNM：有機(jī)肥替代。n是觀測值的個(gè)數(shù)。圖中的實(shí)線和虛線分別表示中值和平均值。盒狀邊界表示75%和25%的四分位數(shù)，帽表示第95和第5百分位數(shù)。處理間的星號代表差異顯著。下同

2.2 有機(jī)肥替代產(chǎn)量變異的影響因素

有機(jī)肥替代量和土壤性質(zhì)影響有機(jī)肥替代的小麥產(chǎn)量效應(yīng)。由圖2-A可知，有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥處理的小麥增產(chǎn)效果不同。與單施化肥處理相比，當(dāng)有機(jī)肥替代化肥比例＜15%時(shí)，有機(jī)肥替代化肥處理的小麥產(chǎn)量增加8%；當(dāng)有機(jī)肥替代化肥比例為15%—30%時(shí)，有機(jī)肥替代化肥處理的小麥產(chǎn)量顯著增加5%；當(dāng)有機(jī)肥替代化學(xué)比例＞30%時(shí)，無增產(chǎn)效應(yīng)。土壤化學(xué)性質(zhì)也影響有機(jī)肥替代的小麥產(chǎn)量效應(yīng)。當(dāng)SOM＞15 g·kg-1時(shí)，有機(jī)肥替代顯著增加小麥產(chǎn)量4%，而SOM≤15 g·kg-1時(shí)，無增產(chǎn)效應(yīng)（圖2-B）。在pH＜7時(shí)，有機(jī)肥替代使小麥產(chǎn)量增加8%，而當(dāng)pH≥7條件下、無增產(chǎn)效應(yīng)（圖2-C）。

有機(jī)肥類型和氣候條件對有機(jī)肥替代的小麥產(chǎn)量效應(yīng)有較大影響。與單施化肥相比，當(dāng)替代有機(jī)肥是雞糞、豬糞和商品有機(jī)肥時(shí)，有機(jī)肥替代處理分別增產(chǎn)6%、6%和4%（圖2-D）。與單施化肥相比，在年降雨量＞600 mm區(qū)域，有機(jī)肥替代使小麥產(chǎn)量顯著增加4%；而在年降雨量＜600 mm區(qū)域，無增產(chǎn)效應(yīng)（圖2-E）。在年平均氣溫＞15℃區(qū)域，小麥顯著增產(chǎn)5%；而在年平均氣溫≤15℃時(shí)未顯著增產(chǎn)（圖2-F）。

試驗(yàn)持續(xù)年限、產(chǎn)量和施肥水平對有機(jī)肥替代小麥產(chǎn)量效應(yīng)也有影響。與單施化肥相比，持續(xù)10年以上應(yīng)用有機(jī)肥使小麥產(chǎn)量增加6%（圖2-G）。有機(jī)肥替代處理在高施氮量條件下增產(chǎn)4%、而在中低施氮量條件下無增產(chǎn)效應(yīng)（圖2-H），在低產(chǎn)水平增產(chǎn)9%，而在中高產(chǎn)無增產(chǎn)效應(yīng)（圖2-I）。

2.3 有機(jī)肥替代改變活性氮損失

單施化肥和有機(jī)肥替代處理的NH3揮發(fā)量分別為13.2 和10.1 kg N·hm-2，N2O排放量分別為0.98 和1.29 kg N·hm-2，0—200 cm土層硝酸鹽殘留量分別為304和255 kg N·hm-2（圖3）。較單施化肥處理相比，有機(jī)肥替代化肥的比例在45%—55%時(shí)，有機(jī)肥替代處理減少NH3揮發(fā)24%、增加N2O排放32%、減少硝酸鹽殘留16%。

2.4 有機(jī)肥替代影響經(jīng)濟(jì)收入

在不同比例條件下，不同類型的有機(jī)肥替代對經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生不同的影響。當(dāng)替代比例＜15%、15%—30%、30%—45%和＞45%時(shí)，與單施化肥相比，有機(jī)肥替代減少了化學(xué)氮肥用量，減少化肥投入成本304—762元/hm2（17%—40%），然而有機(jī)肥投入成本增加341—6 038 元/hm2?？傮w來看，有機(jī)肥替代處理增加了投入成本37—5 276 元/hm2（2%—86%）。小麥籽粒產(chǎn)量是最主要的產(chǎn)出，有機(jī)肥替代能增加籽粒產(chǎn)量，從而使有機(jī)肥處理的經(jīng)濟(jì)收入增加2%—7%（表2）。

綜合考慮投入與產(chǎn)出，在有機(jī)肥替代比例＜30%時(shí)，不同的有機(jī)肥類型替代，凈經(jīng)濟(jì)效益無顯著差異。然而，當(dāng)替代比例為30%—45%時(shí)，商品有機(jī)肥作為替代有機(jī)肥時(shí)，凈經(jīng)濟(jì)效益較單施化肥處理降低34%；當(dāng)替代比例＞45%時(shí)，牛糞和商品有機(jī)肥作為替代有機(jī)肥時(shí)，凈經(jīng)濟(jì)效益分別降低18%和68%（表2）。

點(diǎn)和誤差線分別代表增加的百分比和95%置信區(qū)間。如果95%置信區(qū)間不跨越零線，則處理與對照組有顯著差異。括號內(nèi)的數(shù)字表示樣本的數(shù)目

圖3 有機(jī)肥替代對氮損失的影響

表2 小麥生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益分析

CF：單施化肥，SNPM：豬糞有機(jī)肥替代，SNCHM：雞糞有機(jī)肥替代，SNCM：牛糞有機(jī)肥替代，SNCOM：商品有機(jī)肥替代

CF: Chemical fertilizer, SNPM: Substituting fertilizer by Pig manure, SNCHM: Substituting fertilizer by chicken manure, SNCM: Substituting fertilizer by cattle manure, SNCOM: Substituting fertilizer by commercial manure

3 討論

3.1 有機(jī)肥替代的產(chǎn)量效應(yīng)

氮肥是直接決定氮損失的底物，減少氮肥用量是減少氮損失的有效途徑之一，用有機(jī)肥的氮素養(yǎng)分替代化學(xué)氮肥是減少化肥氮肥用量的一個(gè)關(guān)鍵途徑。然而，由于有機(jī)肥的養(yǎng)分釋放慢、肥效遲緩，有機(jī)肥完全替代化學(xué)氮肥通常導(dǎo)致當(dāng)季作物利用的有效氮缺乏，從而減少作物產(chǎn)量[20]。在華北地區(qū)發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥全替代使小麥產(chǎn)量降低了24%[21]。因此，有機(jī)肥替代部分化學(xué)氮肥是在作物穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)減肥的一個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)。本研究通過系統(tǒng)整理我國小麥生產(chǎn)的有機(jī)肥替代信息，證實(shí)有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥的量低于43%，無產(chǎn)量損失。這主要?dú)w因于以下3個(gè)方面：（1）有機(jī)肥不僅含有氮素養(yǎng)分，還有其他養(yǎng)分，如磷、鉀及其他中微量元素養(yǎng)分；有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥的試驗(yàn)通常未考慮這些養(yǎng)分，而它們對促進(jìn)作物生長，養(yǎng)分吸收非常重要。（2）有機(jī)肥投入能刺激并滿足土壤中更多微生物生長繁殖需求，提高土壤微生物群落，豐富細(xì)菌的多樣性，提高土壤生產(chǎn)力[22]。（3）施用有機(jī)肥能提高土壤供水供肥能力，減少土壤水分、養(yǎng)分損失，提高作物根系吸收能力和作物生長[23]。

土壤性質(zhì)對有機(jī)肥替代的小麥產(chǎn)量效應(yīng)有重要影響，特別是土壤pH和SOM。有機(jī)肥替代處理在酸性土壤上有增加小麥產(chǎn)量的潛力，主要?dú)w因于酸性土壤的Ca2+、Mg2+及其他微量元素的含量偏低，施入有機(jī)肥在提供氮素養(yǎng)分的同時(shí)也供給這些作物必須而土壤含量偏低的營養(yǎng)元素，從而提高小麥產(chǎn)量[24]。此外，施入有機(jī)肥能提高酸性土壤的pH，進(jìn)而改善小麥生長環(huán)境、促進(jìn)小麥生長[25]。有機(jī)肥替代處理在SOM＞15 g·kg-1時(shí)表現(xiàn)增產(chǎn)，主要?dú)w因于高有機(jī)質(zhì)含量土壤自身養(yǎng)分含量高，能提供更多氮素養(yǎng)分供小麥生長，更好彌補(bǔ)由于有機(jī)肥氮素養(yǎng)分釋放緩慢引起的氮素養(yǎng)分缺乏[26-27]。

不同的有機(jī)肥種類對有機(jī)肥替代的小麥產(chǎn)量效應(yīng)有較大影響，當(dāng)使用雞糞、豬糞和商品有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥時(shí)、小麥產(chǎn)量顯著增加4%—6%，而使用牛糞替代化學(xué)氮肥時(shí)未能增加小麥產(chǎn)量。有研究表明，在等氮量條件下，有機(jī)氮替代25%化學(xué)氮，雞糞替代增產(chǎn)7%，豬糞替代增產(chǎn)4%，牛糞替代減產(chǎn)3%[28]。相似的研究表明，雞糞與化肥配施的增產(chǎn)作用高于豬糞、牛糞的配施[29]。這主要是因?yàn)椴煌袡C(jī)肥在礦化過程中釋放養(yǎng)分?jǐn)?shù)量以及釋放速率不同。有研究指出，雞糞的礦化作用較快，但整個(gè)礦化過程相對短暫，豬糞的礦化過程則呈緩慢增加的趨勢，牛糞的礦化氮累積總量最低，雞糞和豬糞的有機(jī)氮礦化率可達(dá)到55%，而牛糞僅為30%[30]。

氣候條件也影響有機(jī)肥替代的產(chǎn)量效應(yīng)。有機(jī)肥替代在年平均氣溫＞15℃時(shí)顯著增產(chǎn)5%。有研究采用室內(nèi)好氣非淋洗實(shí)驗(yàn)表明，在10—24℃溫度范圍內(nèi)，牛糞、豬糞、雞糞的氮素礦化量隨溫度升高而增加[31]。這主要是高溫利于提高土壤嗜溫微生物活性，導(dǎo)致微生物群落的改變，加快有機(jī)肥的緩效養(yǎng)分釋放，提高氮庫容，提高土壤有效氮含量[32]。此外，有機(jī)肥替代隨降水量增加、增產(chǎn)效應(yīng)逐漸增加，這主要是因?yàn)槌渥愕乃疅釛l件利于微生物繁衍、利于提高微生物活性，這能促進(jìn)有機(jī)氮的礦化，滿足小麥生育后期的養(yǎng)分需求[33-34]。

施肥年限和施肥水平也影響有機(jī)肥替代的小麥產(chǎn)量效應(yīng)。有機(jī)肥持續(xù)應(yīng)用超過10年能顯著增加小麥產(chǎn)量，這主要是因?yàn)殚L期施用糞肥能改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)、增加土壤蓄水能力、提高土壤供氮能力[35-36]。另外，在高施氮量條件下，有機(jī)肥替代使小麥產(chǎn)量顯著增加4%。這主要是因?yàn)樵诟叩浇档土藢τ袡C(jī)氮的需求，提高了小麥生殖生長期的養(yǎng)分供應(yīng)能力、改善了后期養(yǎng)分不足的現(xiàn)象[28]。

3.2 有機(jī)肥替代的環(huán)境效應(yīng)

有機(jī)肥替代能減少化學(xué)氮肥用量，從而有潛力減少活性氮損失。尿素是小麥生長最主要的氮肥來源，NH3揮發(fā)是尿素氮損失最主要的途徑之一。本研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥在小麥生長季顯著減少NH3揮發(fā)8%—67%。這主要?dú)w因于以下3個(gè)方面：（1）有機(jī)肥通常在經(jīng)歷過減氨揮發(fā)技術(shù)處理并保存一段時(shí)間才施用到麥田。（2）有機(jī)肥在小麥種植前與化肥一次性混施土壤中，有機(jī)肥釋放較慢，短期的NH3揮發(fā)不易檢測[37]。（3）有機(jī)肥的有機(jī)質(zhì)在分解過程中釋放的有機(jī)酸及形成的腐殖質(zhì)能抑制尿素水解過程中土壤酸堿度的升高，從而顯著減少氨揮發(fā)。

N2O排放是活性氮損失的重要途徑之一，減少N2O排放是減少氮損失、保護(hù)環(huán)境的一個(gè)關(guān)鍵途徑。有機(jī)肥的氮素養(yǎng)分釋放緩慢，故通常認(rèn)為有機(jī)肥替代處理能減少N2O排放量[28]。有研究在西北黃土高原地區(qū)發(fā)現(xiàn)施用牛糞作為有機(jī)肥使小麥生長季的N2O排放量減少11%—33%[38]。然而本研究發(fā)現(xiàn)等氮用量情況下，有機(jī)肥替代增加了小麥生長季的N2O排放量，在西南地區(qū)也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象[39]。這主要是因?yàn)橛袡C(jī)肥投入可為大多數(shù)土壤微生物提供足夠的碳氮源，而單施化肥通常不能提供足夠的碳源，從而限制了微生物活動(dòng)。另外，本研究的有機(jī)肥肥源主要是豬糞，它含有較多的水溶性碳和揮發(fā)性脂肪酸[40]，更易增強(qiáng)土壤微生物活性，促進(jìn)硝化和反硝化過程，提高N2O排放量。此外，未經(jīng)厭氧發(fā)酵的有機(jī)肥比分離后的固體有機(jī)肥有更高的N2O排放潛力[41]。本研究使用的豬糞大多是未經(jīng)過厭氧發(fā)酵，這也是高N2O排放的一個(gè)重要原因。

作物收獲期殘留在土壤的硝酸鹽是其淋溶最主要的來源，減少硝酸鹽殘留是減少淋溶、減少地下水污染的關(guān)鍵途徑[42]。本研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥替代顯著減少小麥?zhǔn)斋@期0—200 cm土層硝態(tài)氮累積量8%—38%。相似的，在南方地區(qū)發(fā)現(xiàn)豬糞替代50%的化學(xué)氮肥，硝態(tài)氮?dú)埩魷p少13%[43]。化學(xué)氮肥是小麥?zhǔn)斋@期土壤硝態(tài)氮?dú)埩糇钪饕膩碓?，有機(jī)肥替代大幅減少化學(xué)氮肥用量、減少了殘留來源，從而減少小麥?zhǔn)斋@期的土壤硝態(tài)氮?dú)埩?。另外，等氮條件下，有機(jī)氮占據(jù)一定比例，這部分氮轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮需要時(shí)間，又因小麥吸氮能力增強(qiáng)，可以有效降低土壤硝態(tài)氮的殘留[44]。相對于化學(xué)氮肥來講，有機(jī)肥來源廣，各種有機(jī)廢棄物均可成為有機(jī)肥，這造成有機(jī)肥成分復(fù)雜，其中可能含有對人體有害的重金屬。有研究表明，施用有機(jī)肥顯著增加了表層土壤重金屬含量。然而，由于數(shù)據(jù)缺乏，目前還不能進(jìn)行有機(jī)肥替代調(diào)控小麥籽粒重金屬含量的效應(yīng)評估。此外，施用有機(jī)肥有增加土壤中抗生素、有機(jī)污染物等風(fēng)險(xiǎn)，也造成了環(huán)境危害。因此，在以后的研究中開展更多關(guān)于有機(jī)肥替代的環(huán)境效應(yīng)評估是必要的。

3.3 有機(jī)肥替代的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)

由于小農(nóng)戶的抗風(fēng)險(xiǎn)能力通常較低，因此經(jīng)濟(jì)效益是評價(jià)有機(jī)肥替代化肥的重要指標(biāo)之一。本研究結(jié)果顯示有機(jī)肥替代比例＜30%條件下，凈經(jīng)濟(jì)效益無顯著性差異；當(dāng)有機(jī)肥替代比例＞45%時(shí)，使用牛糞和商品有機(jī)肥作為替代有機(jī)肥時(shí)使凈經(jīng)濟(jì)效益減少18%和68%，而使用豬糞、雞糞作為替代有機(jī)肥時(shí)，對凈經(jīng)濟(jì)效益無顯著影響。有機(jī)肥類型對有機(jī)肥替代的經(jīng)濟(jì)效益影響極大。商品有機(jī)肥由于價(jià)格高，目前主要應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)作物以及科研試驗(yàn)中，小麥生產(chǎn)上應(yīng)用很少。

我國約有200—300萬個(gè)家庭是土地經(jīng)營的主要力量，是小麥生產(chǎn)主體[45]。為保障應(yīng)用有機(jī)肥替代技術(shù)的農(nóng)民在小麥生產(chǎn)的收入，優(yōu)化相應(yīng)政策措施是必要的。如根據(jù)應(yīng)用有機(jī)肥替代的小麥種植面積提供補(bǔ)貼，這將有助于提高農(nóng)民應(yīng)用有機(jī)肥替代技術(shù)生產(chǎn)小麥的積極性，促進(jìn)有機(jī)肥替代在小麥生產(chǎn)上的應(yīng)用。

4 結(jié)論

本研究從農(nóng)學(xué)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)角度系統(tǒng)分析了我國麥田有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥的產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)環(huán)境效應(yīng)?？傮w來看，小麥的產(chǎn)量效應(yīng)受有機(jī)肥替代比例、土壤性質(zhì)、有機(jī)肥類型、氣候條件、試驗(yàn)持續(xù)年限和施肥水平的影響。具體表現(xiàn)為，與單施化肥相比，有機(jī)肥替代比例＜15%和15%—30%時(shí)小麥增產(chǎn)8%和5%，在酸性土壤上增產(chǎn)8%，在雞糞、豬糞和商品有機(jī)肥作為替代有機(jī)肥時(shí)分別增產(chǎn)6%、6%和4%，在高溫多雨地區(qū)、高氮用量水平均表現(xiàn)較好的增產(chǎn)效應(yīng)。有機(jī)肥替代使小麥生長季的NH3揮發(fā)減少24%、小麥?zhǔn)斋@期的硝酸鹽殘留量減少16%，但使小麥生長季的N2O排放量增加了32%。小麥生產(chǎn)的凈經(jīng)濟(jì)效益受替代比例和替代有機(jī)肥類型影響。有機(jī)肥替代比例＜30%條件下，凈經(jīng)濟(jì)效益無顯著性差異；當(dāng)有機(jī)肥替代比例為30%—45%和＞45%時(shí)，利用商品有機(jī)肥作為替代有機(jī)肥使凈經(jīng)濟(jì)效益分別降低了34%和68%?？偟膩砜?，有機(jī)肥替代在維持小麥產(chǎn)量的同時(shí)有大幅減少化學(xué)氮肥用量和氮損失的潛力，但未增加凈經(jīng)濟(jì)效益、使用商品有機(jī)肥作為替代有機(jī)肥時(shí)甚至有減少經(jīng)濟(jì)效益的風(fēng)險(xiǎn)。

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Benefits of Yield, Environment and Economy from Substituting Fertilizer by Manure for Wheat Production of China

LI YongHua1, WU XuePing2, HE Gang1, WANG ZhaoHui1

(1College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University/Key Laboratory of Plant Nutrition and Agro-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Yangling 712100, Shaanxi;2Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081)

【】Substituting fertilizer by manure is a key measure to reduce the amount of chemical nitrogen (N) fertilizer while maintaining yield. However, the complex relationships among grain yield, environmental costs, and economic benefits of substituting fertilizer by manure were still not clear for wheat production. This study quantified the agronomic, environmental and economic benefits of substituting fertilizer by manure, aiming to provide a reference for the application of substituting fertilizer by manure for wheat production of China.【】In this study, the effects of substituting fertilizer by manure on the agronomic, environmental and economic benefits of wheat production in China were assessed through Meta-analysis.【】Substituting fertilizer by manure did not reduce wheat yield under the condition that the use of chemical nitrogen fertilizer was reduced by an average of 43%. The replacement ratio of manure was less than 15% and 15%-30%, and the yield significantly increased by 8% and 5%, respectively; while the replacement ratio of manure was higher than 30%, the yield did not significantly increase. Net economic benefit of wheat production was influenced by the replacement ratio of manure and the type of substituted manure. The replacement ratio of manure was less than 30%, and the net economic benefit showed no significant diffidence; while the replacement ratio of manure was higher than 45%, net economic benefits decrease by 18%, 68% when using cow manure and commercial manure as substituting fertilizer. Substituting fertilizer by manure reduced NH3volatilization by 24% in whole wheat growing season, and decreased nitrate residue by 16% at wheat harvest stage, but increased N2O emission by 32% in whole wheat growing season.Further analysis indicated that soil properties, manure types, climatic conditions, test duration, yield and fertilization level could regulate wheat yield of substituted manure. Compared with application of chemical fertilizer treatment, the grain yield in substituting fertilizer by manure increased by 4% when soil organic matter＞15 g·kg-1, while there was no difference when soil organic matter＜15 g·kg-1.Yield in substituting fertilizer by manure increased by 8% when soil pH＜7, while there was no difference when soil pH＞7. When chicken manure, pig manure and commercial organic manure was used as substituted manure, grain yield increased by 6%, 6% and 4%, respectively, while there was no difference when cow manure was considered as substituted manure. Substituting fertilizer by manure treatment significantly increased yield by 4% in the areas with annual precipitation ＞600 mm, but there was no difference in the areas with annual precipitation ≤600 mm. Substituting fertilizer by manure increased yield by 5% in areas with average annual air temperature＞15℃, but there was no difference in the areas with average annual air temperature ＜15℃. The duration of the experiment, the different yield and fertilization levels could affect wheat yield of substituted manure. Compared with the application of chemical fertilizer treatment, the grain yield in substituting fertilizer by manure increased by 6% when duration of the experiment more than a decade, while there was no difference when duration of the experiment less than a decade.Yield in substituting fertilizer by manure increased by 4% when under the condition of high nitrogen application rate, while there was no difference when low nitrogen application rate. The substitution of manure at low yields significantly increased wheat yield by 9%, while the substitution of manure at medium and high yields no difference. 【】Substituting fertilizer by manure did not reduce wheat yield under the condition that the use of chemical nitrogen fertilizer was reduced by an average of 43%. Substituting fertilizer by manure had the potential to substantially reduce the amount of chemical N fertilizer and N loss while maintaining wheat yield, but did not increase economic income. It was very important for increasing wheat yield, protecting ecological environment and increasing economic income to adopt suitable manure types and ratio of substituting fertilizer by manure. The use of reasonable amount of chemical N fertilizer substitution and manure types had the potential to increase the yield of substituting fertilizer by manure in the areas of sufficient precipitation and high air temperature.

replacement ratio of manure; soil properties; climatic conditions; N2O emissions; NH3volatilization; nitrate leaching; yield; economic benefits

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.23.013

2020-06-05；

2020-11-02

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFD0200408）、國家自然科學(xué)基金（31902120）、西北農(nóng)林科技大學(xué)科研啟動(dòng)項(xiàng)目（2452018110）

李永華，E-mail：liyonghua221@163.com。通信作者何剛，E-mail：hegang029@nwafu.edu.cn。通信作者王朝輝，E-mail：w-zhaohui@263.net

（責(zé)任編輯 李云霞）