我國不同區(qū)域糧食作物產(chǎn)量對有機肥施用的響應(yīng)差異

任科宇，徐明崗，張露，2，段英華*，王伯仁，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.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長春 130118；3.祁陽農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外試驗站，湖南 祁陽 426182）

保證糧食安全是我國經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。近幾十年，我國的糧食生產(chǎn)取得了舉世矚目的成就，以世界9%的耕地養(yǎng)育了世界22%的人口[1]。2018 年，我國小麥、玉米和水稻的產(chǎn)量分別為5 416、6 104 kg·hm-2和7 027 kg·hm-2，較1961 年增產(chǎn)近5 倍，與此同時，我國農(nóng)田的肥料投入量也在持續(xù)增加，尤其是化學(xué)氮肥，達到2 065萬t[2]。大量的化肥投入雖然提高了我國作物的產(chǎn)量，但同時也造成了土壤退化、大氣污染、水體富營養(yǎng)化等一系列環(huán)境問題[3-4]。施用有機肥是一項常見的培肥措施，通常來說，化肥配施有機肥不僅可以改善土壤的理化性質(zhì)，而且能夠提高作物的產(chǎn)量[5-7]。但是，Dawe等[8]對亞洲25 個稻田長期定位試驗研究發(fā)現(xiàn)，相對于單施化肥，配施有機肥并沒有顯著提高水稻的產(chǎn)量?？梢?，有機肥的增產(chǎn)作用在不同區(qū)域和不同田塊上均有差異，會受到土壤和氣候因素的影響。因此，明確化肥配施有機肥的增產(chǎn)效果及其適宜的區(qū)域，對于我國糧食的進一步增產(chǎn)和有機肥的合理施用具有重要意義。

在我國湖南紅壤地區(qū)18 年的長期定位試驗研究表明，相對于單施化肥，化肥配施有機肥后玉米的籽粒產(chǎn)量、秸稈生物量和植株生物量分別顯著增加了61.5%、76.1%和68.2%[9]。在我國西南紫色土地區(qū)8年定位試驗結(jié)果也同樣表明，玉米的產(chǎn)量在有機肥50%替代化肥處理下比100%有機替代和單施化肥處理分別顯著增加13.5%和12.5%[10]。孟琳等[11]對我國江蘇省的水稻研究表明，在施氮量240 kg·hm-2條件下，相對于單施化肥，有機肥部分替代化肥可顯著提高作物產(chǎn)量。然而，Liu 等[12]對我國祁陽、鄭州、烏魯木齊、昌平和楊凌5 個長期定位試驗的研究表明，除祁陽外，其他4 個試驗點在配施有機肥處理下小麥和玉米的產(chǎn)量相對于單施化肥均沒有顯著增加。劉紅江等[13]通過不同有機替代比例對水稻產(chǎn)量影響的研究發(fā)現(xiàn)，各有機肥替代比例下水稻的產(chǎn)量并沒有顯著提高，甚至低于單施化肥處理。此外，Duan 等[14]還發(fā)現(xiàn)有機肥對玉米的增產(chǎn)效果優(yōu)于小麥?？梢?，施用有機肥對作物產(chǎn)量的影響在不同土壤、氣候和作物上差異較大[15-17]。但是，不同區(qū)域上有機肥增產(chǎn)效果的差異原因，以及氣候因素和土壤性質(zhì)對增產(chǎn)效果的貢獻尚不清楚，有待整合全國的數(shù)據(jù)進行綜合分析。

本文搜集了國內(nèi)外已發(fā)表的有關(guān)施肥對作物產(chǎn)量影響的文章，整合分析了化肥配施有機肥對我國主要糧食作物產(chǎn)量的影響及其區(qū)域差異，明確了不同氣候條件和土壤性質(zhì)對有機肥增產(chǎn)效果的貢獻，旨在為因地制宜地合理施用有機肥，進而促進作物高產(chǎn)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究以“氮肥”“有機替代”和“產(chǎn)量”為關(guān)鍵詞，利用Web of Science、SpringerLink 和中國知網(wǎng)等數(shù)據(jù)庫進行文獻檢索，篩選條件為：①作物為小麥、玉米和水稻的大田試驗（中國）；②試驗處理包含不施肥（CK）、單施化肥（NPK）以及有機無機配施（NPKM）處理（NPK和NPKM 的總氮施用量相等），研究結(jié)果有產(chǎn)量的數(shù)據(jù)；③每個處理的重復(fù)數(shù)不少于3 次；④有0～20 cm 土層試驗前的基本理化指標(biāo)。此外，還要能夠獲得每個試驗相關(guān)的地理信息（經(jīng)度和緯度）、氣候信息（氣候類型、年降雨量、年均溫、年日照時長）等。本研究中有機肥的類型主要包括腐熟的畜禽（豬、牛、雞等）糞便和商品有機肥，均在播種前作為基肥一次性施用。共獲得109篇文獻，402組有效數(shù)據(jù)，對有機無機配施與單施化肥處理產(chǎn)量的響應(yīng)比進行了正態(tài)分布檢驗，符合整合分析的要求，圖1 為響應(yīng)比的頻數(shù)分布。依據(jù)氣候特點和地理區(qū)劃，研究區(qū)域分為東北、西北、華北、華東和南方地區(qū)，各個區(qū)域的數(shù)據(jù)量及分布省份見表1。其中，12 個糧食主產(chǎn)區(qū)（缺少遼寧省數(shù)據(jù)）的數(shù)據(jù)量為301 組，占總數(shù)據(jù)量的75%，占比與我國糧食產(chǎn)出基本一致（2017 年全國13 個糧食主產(chǎn)區(qū)糧食產(chǎn)量占全國的76.2%[2]）。為了闡明不同氣候因子對有機肥增產(chǎn)的貢獻，將氣候類型分為溫帶季風(fēng)氣候、溫帶大陸氣候和亞熱帶季風(fēng)氣候；年均溫（MAT）、年均降雨量（AAR）、無霜期（FFP）和年日照時數(shù)（ASD）等也均分為高、中、低3 個水平[18-21]。根據(jù)第二次土壤普查時土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)[22]，土壤養(yǎng)分指標(biāo)分為3 個水平，例如土壤全氮含量，將原1～2 級合為＞1.5 g·kg-1，原3 級為1～1.5 g·kg-1，原4～6 級合為≤1 g·kg-1。

圖1 NPKM與NPK產(chǎn)量響應(yīng)比的分布Figure 1 Distribution of yield response ratio of NPKM to NPK

表1 各個地區(qū)的數(shù)據(jù)量分布Table 1 Data volume distribution in regions

1.2 數(shù)據(jù)計算

在進行文獻數(shù)據(jù)搜集時，文獻中圖的數(shù)據(jù)用Get-Data Graph Digitizer 2.24[23]提取。同組數(shù)據(jù)包含NPK（對照組）和NPKM（處理組）的產(chǎn)量、重復(fù)數(shù)（n）以及標(biāo)準(zhǔn)差（SD）。文獻中只提供標(biāo)準(zhǔn)誤（SE）的通過公式（1）轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)差（SD）：

整合分析采用MetaWin 2.1 軟件進行[24]。本研究中相對于NPK，NPKM 處理下產(chǎn)量增加的百分?jǐn)?shù)（產(chǎn)量增幅）用計算，其中R++為加權(quán)響應(yīng)比，是對每個獨立試驗響應(yīng)比（Response ratios，R）的加權(quán)，由公式（2）計算[25]：

式（2）中：m是分組數(shù)（例如，不同的氣候類型或土壤養(yǎng)分水平）；ki是第i分組的總比較對數(shù)；j表示第i分組的總比較對數(shù)（ki）中的第j對；wij表示權(quán)重系數(shù)，用平均值的變異系數(shù)（V）的倒數(shù)表示：

式（4）中：Yt、SDt和nt分別代表NPKM 處理產(chǎn)量的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和樣本數(shù)；Yc、SDc和nc分別代表NPK 處理產(chǎn)量的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和樣本數(shù)。響應(yīng)比（R）用公式（5）進行計算，并對其進行對數(shù)化（lnR）處理以反映配施有機肥對產(chǎn)量的影響程度[26]：

R++的95%置信區(qū)間（95% CI）若未包含零點，則表示相比NPK，NPKM 處理對產(chǎn)量影響顯著，反之則表示沒有顯著影響[27]，通過式（7）計算：

S（R++）表示R++的標(biāo)準(zhǔn)差：

此外，在合并響應(yīng)比計算加權(quán)平均響應(yīng)比前，需采用卡方檢驗（Chi-square test）對各試驗處理及結(jié)果進行異質(zhì)性檢驗，若檢驗結(jié)果P＞0.05，則表示無異質(zhì)性，選擇固定效應(yīng)模型，否則選擇隨機效應(yīng)模型[28]。

在本研究中增產(chǎn)率計算方法與產(chǎn)量增幅（產(chǎn)量增加的百分?jǐn)?shù)）不同，計算增產(chǎn)率時，首先利用（YNPKMYNPK）/YNPK×100%公式計算每組數(shù)據(jù)的增產(chǎn)率值，然后再求增產(chǎn)率的均值，用于比較各個地區(qū)施用有機肥后作物產(chǎn)量的提升情況。

各因素影響有機肥增產(chǎn)效果的重要度用R 語言中的軟件包Random Forest進行計算[29]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理作物的產(chǎn)量

如圖2所示，總體來說，在不施肥（CK）處理下，我國糧食作物的平均產(chǎn)量為4 719 kg·hm-2，施用化肥（NPK）和配施有機肥（NPKM）后作物的產(chǎn)量分別顯著增加2 403、2 744 kg·hm-2（P＜0.05）。在CK、NPK 和NPKM 處理下，我國小麥的產(chǎn)量分別為3 263、5 337 kg·hm-2和5 564 kg·hm-2，玉米的產(chǎn)量分別為5 853、8 660 kg·hm-2和9 226 kg·hm-2，水稻的產(chǎn)量分別為4 844、7 215 kg·hm-2和7 511 kg·hm-2。對于小麥、玉米和水稻，在NPKM 處理下作物的產(chǎn)量較NPK 處理分別顯著增加了227、566 kg·hm-2和296 kg·hm-2。

2.2 我國不同區(qū)域有機肥的增產(chǎn)率

圖2 不同施肥處理下作物的產(chǎn)量Figure 2 The yield of crops under different fertilization treatments

圖3 為不同區(qū)域的主要糧食作物NPKM 較NPK相比的增產(chǎn)率。就全國來說，NPKM 處理下我國玉米的增產(chǎn)率最高，為7.6%，其次為小麥（5.6%），最低為水稻（4.5%）。區(qū)域上，玉米的增產(chǎn)率在華北最高，為10.9%，較其他區(qū)域高1.2～8.0 個百分點，在南方地區(qū)最低，為2.9%。小麥的增產(chǎn)率高低依次為西北（11.0%）、華北（5.2%）、南方（3.0%）和華東（1.4%）。水稻的增產(chǎn)率在華東和南方區(qū)域分別為3.9%和5.0%?？梢?，有機肥的增產(chǎn)效果在區(qū)域上存在差異，我國華北和華東地區(qū)在玉米季配施有機肥后產(chǎn)量提升效果更佳，西北地區(qū)在小麥季配施有機肥效果優(yōu)于玉米和水稻季，在南方地區(qū)，有機肥對產(chǎn)量的提升效果在水稻季優(yōu)于小麥和玉米季。

2.3 氣候因素對有機肥增產(chǎn)效果的影響

總體來說，相對于NPK，NPKM 處理在不同氣候類型下均能顯著提高作物的產(chǎn)量，其中在溫帶大陸性氣候和溫帶季風(fēng)性氣候下的產(chǎn)量增幅較大，分別比亞熱帶季風(fēng)性氣候條件下（3.7%）高4.9、2.9 個百分點（圖4）。從各氣候因素來看，年均降雨量（AAR）、年均溫（MAT）和無霜期（FFD）越少（或越低、越短），有機肥配施處理的產(chǎn)量增幅越高，在AAR≤600 mm、MAT≤12 ℃和FFD≤175 d 的地區(qū)均超過7.3%，是其他水平的2 倍左右。有機肥處理的產(chǎn)量增幅在ASD＞2 600 h的地區(qū)為6.7%，在ASD≤2 600 h的地區(qū)不超過4.4%。

2.4 土壤性狀對有機肥增產(chǎn)效果的影響

圖4 配施有機肥在不同氣候條件下對產(chǎn)量的影響Figure 4 Effect of NPKM on yield under different climatic conditions

綜合不同養(yǎng)分的土壤來說，作物產(chǎn)量在NPKM 處理下較NPK 增加了4.7%（圖5）。有機肥配施處理的產(chǎn)量增幅在土壤有機質(zhì)含量≤20 g·kg-1時為6.0%，有機質(zhì)含量＞20 g·kg-1為4.3%～4.8%，但差異不顯著。NPKM 處理作物的產(chǎn)量在全氮含量≤1 g·kg-1地區(qū)的增幅（7.7%）分別是全氮含量1～1.5 g·kg-1和＞1.5 g·kg-1地區(qū)的2.2 倍和1.6 倍。不同土壤堿解氮、有效磷和速效鉀水平下，有機肥處理的產(chǎn)量增幅無顯著差異。土壤的酸堿度也是影響有機肥增產(chǎn)的主要因素，堿性（pH＞7.5）土壤產(chǎn)量增幅為6.3%，分別比pH≤6.5和6.5＜pH≤7.5 土壤高1.4、2.4 個百分點?？傮w來看，在土壤肥力較低的地區(qū)，配施有機肥后作物產(chǎn)量的增幅較高。

2.5 各因素影響有機肥增產(chǎn)效果的重要度

從圖6 可知，土壤因素影響有機肥對糧食作物增產(chǎn)效果的總重要度為61.0%，氣候因素的總重要度為39.0%。其中，土壤因素中SOM、AK、pH 和TN 的重要度相對較高，均超過10.4%，氣候因素中降雨量和無霜期的重要度較高，分別達到11.1%和10.2%。對于三大糧食作物，影響有機肥增產(chǎn)效果的主控因素存在差異。對于小麥和水稻，降雨量是影響有機肥增產(chǎn)作用的首要因素；對于玉米，無霜期和年均溫是影響有機肥增產(chǎn)作用的首要因素。土壤養(yǎng)分含量水平對有機肥增產(chǎn)率的影響較低，對小麥、玉米和水稻來說，AK、AP 和pH 分別是影響有機肥施用效果的因素之一。

3 討論

總體而言，配施有機肥能顯著提高我國糧食作物的產(chǎn)量（圖2），其原因一是有機肥含有豐富的養(yǎng)分，不僅帶入氮磷鉀等營養(yǎng)物質(zhì)，還為土壤微生物提供了碳源，提高了微生物活性，加速了養(yǎng)分的循環(huán)轉(zhuǎn)化[30-32]；其二，有機肥的配施可以降低土壤容重，增加孔隙度、團聚體含量等，促進養(yǎng)分的運輸和作物的吸收。有機肥的保水保肥性還可降低化肥養(yǎng)分的流失，保證作物生長所需的養(yǎng)分[7]。但是，配施有機肥對作物的增產(chǎn)效果在作物類型和區(qū)域上存在一定的差異。

配施有機肥處理下，小麥和玉米的增產(chǎn)效果優(yōu)于水稻（圖3），其原因可能是作物對于不同形態(tài)氮源的吸收具有偏向選擇性，一般而言，玉米和小麥等旱作植物偏好于硝態(tài)氮，水稻則偏好于銨態(tài)氮[33]，而有機肥的施用會促進銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化。這是因為相對于單施化肥，有機肥的配施增加了大量的有效碳源，提高了微生物的生物量和活性，一方面促進微生物同化更多的銨態(tài)氮進入土壤活性有機氮庫，另一方面還能夠提高氮素轉(zhuǎn)化過程中異養(yǎng)硝化的無機過程[34]，因此，配施有機肥能為玉米和小麥提供更多的氮素養(yǎng)分。此外，小麥和玉米的產(chǎn)量對配施有機肥的響應(yīng)也存在差異，主要是由于小麥早期生長階段溫度較低，不利于有機肥的礦化和土壤本身各種養(yǎng)分的釋放，限制小麥對養(yǎng)分的吸收，而玉米則相反，早期生長階段溫度較高，有機肥的礦化能為玉米提供更加充足的養(yǎng)分[14]；而且小麥在苗期對磷素的缺乏較為敏感[35]，玉米對缺磷的敏感期在生長后期[36]，在小麥苗期有機肥礦化緩慢，難以提供充足的磷，導(dǎo)致小麥和玉米對有機肥響應(yīng)具有差異。區(qū)域上有機肥的增產(chǎn)差異與作物類型也存在一定的內(nèi)在聯(lián)系，我國東北地區(qū)主要以種植玉米和水稻為主，西北和華北地區(qū)以種植小麥和玉米為主，而南方和華東則以種植水稻為主[37]，導(dǎo)致我國西北、東北和華北地區(qū)有機肥的增產(chǎn)效果優(yōu)于南方和華東地區(qū)。從氣候因素來看，配施有機肥后作物產(chǎn)量的增幅在降雨量較少、年均溫較低的溫帶大陸性氣候區(qū)和溫帶季風(fēng)氣候區(qū)大于高溫多雨的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)（圖4），這是由于有機肥的配施能夠很好地防止土壤中水分的損失，提高土壤地表溫度，促進作物的生長[38-39]。氣候因素中年均降雨量是影響小麥和水稻有機肥增產(chǎn)作用的主控因素，主要是由于小麥和水稻在各個生育時期對水分的需求量較大，有機肥的施用起到很好的保水作用[39-40]；年均溫和無霜期是影響玉米有機肥增產(chǎn)作用的主控因素，因為玉米是喜溫性作物，低溫會抑制玉米的發(fā)芽和發(fā)育，霜凍前不能正常成熟，籽粒質(zhì)量下降[41]，配施有機肥可以起到很好的保溫作用。

土壤中有機質(zhì)和全氮含量越低，有機肥的增產(chǎn)效果越顯著（圖5），因為在高肥力土壤上，作物本身的產(chǎn)量較高，有機肥的配施雖然能夠提高土壤中有機質(zhì)和速效養(yǎng)分的含量，維持土壤肥力，但對于產(chǎn)量的進一步提升空間較小?？傮w來看，在土壤肥力較低的地區(qū)，配施有機肥后作物產(chǎn)量的增幅較高，可能是因為有機肥提供的碳源和養(yǎng)分對低肥力土壤來說更及時有效地起到了培肥地力和供給作物養(yǎng)分吸收的作用。有機肥對產(chǎn)量的提升作用在不同pH土壤上沒有顯著差異，而陳志科等[42]發(fā)現(xiàn)有機肥的施用可改良土壤酸化，使作物增產(chǎn)11%～39%。這主要是由于本研究收集的土壤pH 多介于5.5～6.5 之間，土壤未達到嚴(yán)重酸化，有機肥的增產(chǎn)作用并不明顯。因此，配施有機肥在不同pH 土壤上的增產(chǎn)作用及機制還需進一步探討。

4 結(jié)論

（1）總體來說，相對于單施化肥，配施有機肥后我國糧食作物產(chǎn)量平均增幅約4.7%，但作物和區(qū)域間存在一定的差異。增產(chǎn)率在作物間表現(xiàn)為：玉米＞小麥＞水稻；在區(qū)域間表現(xiàn)為：西北＞東北、華北＞南方＞華東。

（2）對于小麥和水稻，降雨量是影響有機肥增產(chǎn)效果的主要因素；對于玉米，無霜期和年均溫是影響有機肥增產(chǎn)效果的主要因素。

（3）在土壤有機質(zhì)含量低于20 g·kg-1、全氮含量低于1 g·kg-1的地區(qū)，應(yīng)考慮通過施用有機肥來提高土壤綜合生產(chǎn)能力。