郝勝磊,蔡廷瑤,馮小杰,油倫成,楊 雪,黃成東,陳永亮,崔振嶺
(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)系/植物-土壤相互作用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193)
我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),同時(shí)也是全球肥料用量最大的國(guó)家,我國(guó)單位面積施肥量是全球平均水平的3倍[1-2]。2015年我國(guó)化肥用量為6023萬(wàn)t (實(shí)物量),糧食產(chǎn)量為62144萬(wàn)t[3]。與1984年相比,2015年化肥用量增加了4283萬(wàn)t,增加了246%,而糧食只增產(chǎn)21413萬(wàn)t,增加了52.6%。長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一直處于高肥料投入、高作物產(chǎn)量、高環(huán)境代價(jià)的生產(chǎn)模式[4],肥料的施用對(duì)我國(guó)糧食生產(chǎn)的持續(xù)增長(zhǎng)起到了重要作用[5],但是大幅度增加化肥施用量并沒(méi)有帶來(lái)相應(yīng)比例的糧食增產(chǎn),出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是我國(guó)化肥利用率較低。2010年北美和歐洲三大作物的氮肥利用效率分別為52%和61%[6],而中國(guó)的水稻、小麥和玉米的氮肥利用率分別為31%、32%和30%,平均僅為31%[7]。
隨著世界人口的快速增長(zhǎng),人類對(duì)糧食需求量逐漸加大。據(jù)預(yù)測(cè),到2050年要增加50%~70%的糧食產(chǎn)量才能滿足未來(lái)人類對(duì)糧食的需求[8]。在農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展背景下,如何提高肥料利用率已成為人們考慮的重要問(wèn)題,其中,加快對(duì)新型肥料的研發(fā),可以保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)沿著高產(chǎn)高效的方向發(fā)展[9-10]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)田間試驗(yàn)和Meta分析對(duì)新型肥料的產(chǎn)量[11]以及環(huán)境效應(yīng)[12]等方面進(jìn)行了研究,涉及的糧食作物主要包括小麥[13-14]、玉米[15-16]和水稻[17]等。這些研究結(jié)果表明,新型肥料能夠提高作物產(chǎn)量和氮肥利用效率[18],提高作物品質(zhì),減少經(jīng)濟(jì)投入[19],同時(shí)降低氮素?fù)p失[12]。
施用新型肥料是否能培育健康土壤,這在很大程度上與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤生物學(xué)活性的改善有關(guān)。土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組分,土壤微生物量能從整體上反映土壤微生物群落參與地球物質(zhì)循環(huán)和轉(zhuǎn)化過(guò)程的狀況,而土壤酶是土壤微生物分泌的產(chǎn)物,兩者是反映土壤健康的重要生物學(xué)指標(biāo)[20-21]。有田間試驗(yàn)研究表明,施用新型肥料能提高土壤酶活性,但是不同新型肥料類型對(duì)土壤酶活性的影響不同[22]。同時(shí),施用新型肥料對(duì)土壤微生物量碳氮的影響也不同[23]。然而,基于整合分析研究新型肥料對(duì)三大糧食作物土壤微生物量和土壤酶活性影響的研究目前鮮有報(bào)道。
本研究搜集整理了國(guó)內(nèi)外學(xué)者發(fā)表的文獻(xiàn)資料,運(yùn)用整合分析的方法,分析了全球尺度上施用新型肥料對(duì)三大作物 (小麥、玉米和水稻) 產(chǎn)量和土壤生物學(xué)活性的影響,進(jìn)一步明確了氮肥施用量、土壤pH、作物類型和新型肥料類型等因素的影響,旨在為加快新型肥料的研發(fā)和推廣提供依據(jù)。
本研究在“中國(guó)知網(wǎng)”及“Web of Science”數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行文獻(xiàn)搜集,以“小麥”、“玉米”、“水稻”、“產(chǎn)量”、“微生物量”、“酶活性”為主要關(guān)鍵詞檢索2019年12月31日之前發(fā)表的田間試驗(yàn)文獻(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)本研究的目的及Meta分析對(duì)數(shù)據(jù)的要求,基于以下7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)檢索文獻(xiàn)進(jìn)行篩選:1)研究區(qū)域?yàn)槿蚍秶鷥?nèi);2) 同一文獻(xiàn)中有不同的獨(dú)立試驗(yàn),則把每個(gè)試驗(yàn)都作為一個(gè)獨(dú)立研究;3) 同一文獻(xiàn)中必須同時(shí)包括新型肥料處理和傳統(tǒng)化學(xué)肥料處理;4) 文獻(xiàn)中有明確的試驗(yàn)處理重復(fù)數(shù)以及試驗(yàn)處理的產(chǎn)量、土壤微生物量和土壤酶活性;5) 一篇文獻(xiàn)中包含不同采樣日期或者不同土壤深度的結(jié)果,使用最新采樣時(shí)間點(diǎn)或者土壤表層的數(shù)據(jù);6)為便于滿足數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,將作物種類確定為小麥、玉米和水稻;7) 數(shù)據(jù)搜集過(guò)程中,如果數(shù)據(jù)以柱狀圖和折線圖的形式展示,則采用圖形數(shù)字化軟件GetData Graph Digitizer進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換后再提取?;谝陨蠘?biāo)準(zhǔn)篩選,共篩選出29篇文獻(xiàn),32個(gè)獨(dú)立試驗(yàn),獲得545組數(shù)據(jù)。
經(jīng)篩選獲得的數(shù)據(jù),主要涉及中國(guó)、印度、日本等國(guó)家,考慮到施用新型肥料對(duì)三大作物產(chǎn)量和土壤生物學(xué)活性的影響可能受其他相關(guān)因素的調(diào)控,根據(jù)文獻(xiàn)中的相關(guān)試驗(yàn)信息進(jìn)行歸納分組,整理得到以下影響因素:作物類型、氮肥施用量、新型肥料類型、土壤酸堿度(表1)。本研究中提到的新型肥料包括緩/控釋肥、脲酶抑制劑、硝化抑制劑和雙抑制劑4種;氮肥施用量以投入純氮量計(jì)算。
表1 試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)分類Table 1 Classification of experiment data
在整合分析中,使用響應(yīng)比 (RR) 作為一種度量標(biāo)準(zhǔn),來(lái)比較不同響應(yīng)變量 (作物產(chǎn)量、地上部吸氮量、氮肥利用效率、土壤微生物量和土壤酶活性) 在傳統(tǒng)化學(xué)肥料和新型肥料處理間的效應(yīng)大小[24]。RR以新型肥料 (Xt) 與傳統(tǒng)化學(xué)肥料 (Xc) 處理的相關(guān)指標(biāo)平均值比值的自然對(duì)數(shù)計(jì)算:
式中:RR是響應(yīng)比;Xt為施用新型肥料處理的相關(guān)指標(biāo)的平均值;Xc是施用傳統(tǒng)化學(xué)肥料處理的相關(guān)指標(biāo)的平均值。
本研究在提取和分析數(shù)據(jù)的過(guò)程中,對(duì)酶活性單位進(jìn)行了統(tǒng)一,使用酶活性的響應(yīng)比作為響應(yīng)變量,由此可以消除不同酶分析方法的差異。同時(shí),用平均土壤胞外酶活性 (EEAs) 表示碳代謝 (C-acq)、氮代謝 (N-acq)、磷代謝 (P-acq) 和氧化分解 (OX) 相關(guān)酶活性[25],土壤胞外酶活性 (EEAs) 計(jì)算公式如下:
其中,AG、BG、CBH、BX、XY、INV分別代表α-1,4-葡萄糖苷酶、β-1,4-葡萄糖苷酶、β-D-纖維二糖苷酶、β-1,4-木糖苷酶、木聚糖酶和轉(zhuǎn)化酶的活性;NAG、LAP、UREA和BAA分別代表β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、脲酶和蛋白酶的活性;DEs、ALP和ACP分別代表二酯酶、堿性磷酸酶和酸性磷酸酶的活性;PEO、DHH、CAT和PhOx分別代表過(guò)氧化物酶、脫氫酶、過(guò)氧化氫酶和酚氧化酶的活性。
本研究使用 Microsoft Excel 2013記錄文獻(xiàn)數(shù)據(jù),并通過(guò)SPSS 26軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,使用Sigmaplot 14軟件進(jìn)行作圖。
總體上,相比于傳統(tǒng)化學(xué)肥料,施用新型肥料增加了8.4%的作物產(chǎn)量 (圖1)。不同施氮量對(duì)作物產(chǎn)量有顯著影響,當(dāng)施氮量 < 150 kg/hm2時(shí),增產(chǎn)幅度最高 (11.5%);當(dāng)施氮量 ≥ 200 kg/hm2和在150~200 kg/hm2時(shí),增產(chǎn)幅度分別為9.7%和5.6%。在所有土壤酸堿度范圍內(nèi),新型肥料對(duì)作物產(chǎn)量均有顯著正效應(yīng),當(dāng)pH ≥ 8時(shí)增產(chǎn)幅度最高 (12%)。在所有的作物類型中,玉米的增產(chǎn)幅度最高 (11.3%),其次是小麥 (7.3%) 和水稻 (7.0%)。4種新型肥料類型均能顯著增加作物產(chǎn)量,其中脲酶抑制劑對(duì)產(chǎn)量的增幅影響最大 (11.1%),其次是硝化抑制劑(10.2%)、雙抑制劑 (9.0%) 和緩/控釋肥 (7.7%)。
圖1 新型肥料和傳統(tǒng)化學(xué)肥料對(duì)作物產(chǎn)量響應(yīng)比的影響Fig. 1 The effects of new fertilizers and traditional chemical fertilizers on crop yields response ratio (RR)
總體上,施用新型肥料的作物地上部吸氮量比施用傳統(tǒng)化學(xué)肥料高9.9%。氮肥施用量、土壤酸堿度、作物類型和新型肥料類型對(duì)作物地上部吸氮量均呈現(xiàn)顯著正效應(yīng)。從氮肥施用量來(lái)看,施用氮肥越多地上部吸氮量對(duì)新型肥料添加的響應(yīng)越低 (圖2)。地上部吸氮量對(duì)新型肥料添加的響應(yīng)程度隨著pH的增加逐漸降低。不同作物類型對(duì)新型肥料的響應(yīng)中,水稻的增幅最高 (10.5%),其次是玉米 (10.2%)和小麥 (8.2%)。相比于傳統(tǒng)化學(xué)肥料,緩/控釋肥、硝化抑制劑和脲酶抑制劑對(duì)作物地上部吸氮量的增幅分別為8.8%、12.2%和12.3%,而雙抑制劑對(duì)地上部吸氮量沒(méi)有顯著影響 (圖2)。
圖2 新型肥料和傳統(tǒng)化學(xué)肥料對(duì)地上部吸氮量響應(yīng)比的影響Fig. 2 The effects of new fertilizers and traditional chemical fertilizers on crop nitrogen uptake response ratio (RR)
總體上,施用新型肥料的氮肥利用效率比施用傳統(tǒng)化學(xué)肥料高36.8%;氮肥施用量、土壤酸堿度、作物類型和新型肥料類型對(duì)作物氮肥利用率的影響均呈現(xiàn)顯著正效應(yīng) (圖3)。作物氮肥利用率隨著新型肥料添加量的增加而增加。當(dāng)土壤在7 ≤ pH <8時(shí),氮肥利用率對(duì)施用新型肥料的響應(yīng)最大,達(dá)到45.2%;而當(dāng)土壤pH < 6時(shí)響應(yīng)最小,為17.5%。施用緩/控釋肥對(duì)作物氮肥利用率的影響最大 (44.1%),其次是雙抑制劑 (23.8%)、硝化抑制劑 (19.4%) 和脲酶抑制劑 (17.2%)。
圖3 新型肥料和傳統(tǒng)化學(xué)肥料對(duì)氮肥利用效率響應(yīng)比的影響Fig. 3 The effects of new fertilizers and traditional chemical fertilizers on nitrogen use efficiency response ratio (RR)
總體上,施用新型肥料對(duì)土壤微生物量碳的影響不顯著,但顯著增加了土壤微生物量氮 (14.6%)。氮肥施用量、土壤酸堿度、作物類型和新型肥料種類對(duì)土壤微生物量碳均沒(méi)有顯著影響 (圖4)。當(dāng)?shù)适┯昧?< 200 kg/hm2時(shí),施用新型肥料顯著增加了土壤微生物量氮,而在 ≥ 200 kg/hm2時(shí)對(duì)土壤微生物量氮無(wú)顯著影響 (圖4)。當(dāng)土壤pH在6~7時(shí),施用新型肥料顯著增加土壤微生物量氮 (27.1%),而在其他pH范圍內(nèi)對(duì)微生物量氮的影響不顯著。施用新型肥料顯著增加了水稻土壤微生物量氮 (8.2%),但對(duì)小麥和玉米土壤微生物量氮無(wú)顯著影響 (圖4)。此外,施用緩/控釋肥顯著增加了土壤微生物量氮 (22.5%),而其他新型肥料類型對(duì)微生物量氮無(wú)顯著影響 (圖4)。
圖4 新型肥料和傳統(tǒng)化學(xué)肥料對(duì)土壤微生物量碳和微生物量氮響應(yīng)比的影響Fig. 4 The effects of new fertilizers and traditional chemical fertilizers on soil microbial biomass carbon and microbial biomass nitrogen response ratio (RR)
總體上,施用新型肥料對(duì)土壤碳氮代謝酶活性無(wú)顯著影響。當(dāng)施氮量 < 150 kg/hm2時(shí),施用新型肥料顯著提高土壤碳代謝酶活性 (21.4%),而在其他施氮量范圍內(nèi)對(duì)土壤碳代謝酶活性無(wú)顯著影響。當(dāng)施氮量在150~200 kg/hm2時(shí),施用新型肥料顯著提高土壤氮代謝酶活性 (14.1%),在其他施氮量范圍內(nèi)對(duì)土壤氮代謝酶活性無(wú)顯著影響 (圖5)。當(dāng)土壤pH在6~7時(shí),施用新型肥料分別顯著提高土壤碳、氮代謝酶活性24.2%和13.7% (圖5)。施用新型肥料顯著提高水稻土壤碳代謝酶活性 (15.9%) 和氮代謝酶活性(7.2%),但對(duì)玉米和小麥土壤碳氮代謝酶活性無(wú)顯著影響 (圖5)。施用緩/控釋肥顯著提高土壤碳氮代謝酶活性 (8.0%和12.7%);脲酶抑制劑顯著降低了氮代謝相關(guān)酶活性 (3.1%),而在其他情況下效果均不顯著。相比之下,施用新型肥料顯著增加了土壤磷代謝酶活性 (8.6%) 和氧化相關(guān)酶活性 (5.7%)。當(dāng)?shù)适┯昧吭?50~200 kg/hm2時(shí),施用新型肥料顯著提高土壤磷代謝酶活性 (11.9%)。土壤pH在7~8時(shí),施用新型肥料顯著提高土壤磷代謝酶活性(24.1%) 和氧化相關(guān)酶活性 (16.4%)。同時(shí),施用新型肥料顯著提高小麥土壤磷代謝酶活性和氧化相關(guān)酶活性 (29.9%和15.9%),但對(duì)玉米和水稻土壤磷代謝活性和氧化相關(guān)酶活性無(wú)顯著影響 (圖5)。
圖5 新型肥料和傳統(tǒng)化學(xué)肥料對(duì)土壤碳代謝、氮代謝、磷代謝酶活性和氧化相關(guān)酶活性響應(yīng)比的影響Fig. 5 The effects of new fertilizers and traditional chemical fertilizers on the soil enzymes including C-acq, N-acq, P-acq and OX response ratio (RR)
施用新型肥料可以提高作物產(chǎn)量和肥料利用率,達(dá)到增產(chǎn)增效的目的[25]。本研究結(jié)果表明,與施用傳統(tǒng)化學(xué)肥料相比,施用新型肥料能夠提高三大作物產(chǎn)量 (8.4%),同時(shí)提高了地上部吸氮量 (9.9%)和氮肥利用率 (36.8%)。陳琨等[26]研究表明,在等量氮素的投入下,新型肥料處理比普通尿素處理的產(chǎn)量增加3.61%~11.36%,同時(shí)提高氮素利用率10個(gè)百分點(diǎn)以上。周雯雯等[27]研究表明,新型肥料能夠提高雙季稻產(chǎn)量6.20% ~26.05%。原因可能是傳統(tǒng)化學(xué)肥料無(wú)法滿足作物整個(gè)生育期生長(zhǎng)的需要,而新型肥料在作物生育期內(nèi)氮素?fù)p失較少,而且能滿足作物后期的氮素供應(yīng),從而提高作物產(chǎn)量、氮素吸收和氮肥利用率[28-31]。然而在不同的施氮水平下,新型肥料對(duì)作物的增產(chǎn)效應(yīng)有所差異。在本研究中,當(dāng)施氮量 < 150 kg/hm2時(shí)三大作物增產(chǎn)幅度最高(11.5%),其次是在施氮量 ≥ 200 kg/hm2(9.7%) 和150~200 kg/hm2(5.6%) 水平,這與苑俊麗等[32]整合分析的結(jié)果一致。就作物類型而言,玉米的增產(chǎn)效應(yīng)最好 (11.3%),其次是小麥 (7.3%) 和水稻 (7.0%)。這可能是由于玉米對(duì)氮的吸收可以與新型肥料養(yǎng)分的緩慢釋放同步:新型肥料一般在2~3個(gè)月內(nèi)釋放氮素,這與玉米在整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)對(duì)氮素的需求相匹配[33-34]。此外,當(dāng)玉米生長(zhǎng)早期對(duì)氮需求低時(shí),新型肥料可以最大限度地降低土壤氮的有效性,減少土壤氮損失,從而實(shí)現(xiàn)作物的增產(chǎn)[35]。本研究發(fā)現(xiàn)不同土壤pH對(duì)作物增產(chǎn)效果無(wú)顯著差異,與Feng等[36]的結(jié)果不一致,F(xiàn)eng等[36]研究表明,在堿性土壤上施用新型肥料的增產(chǎn)效果最好。原因可能是兩個(gè)研究中作物類型不同,本研究關(guān)注的作物包括水稻、玉米和小麥3種作物,而Feng等[36]關(guān)注的是旱地作物 (玉米、小麥和大麥)。本研究中不同類型新型肥料均能顯著提高作物產(chǎn)量,這與很多整合分析的研究[11,37-38]結(jié)果一致,研究表明新型肥料 (緩釋肥、脲酶抑制劑、硝化抑制劑) 對(duì)水稻均有著顯著的增產(chǎn)效應(yīng)[11,37],Abalos等[38]研究發(fā)現(xiàn)脲酶抑制劑和硝化抑制劑不僅能顯著提高谷類作物產(chǎn)量,還能提高牧草作物的產(chǎn)量??傊?,相比于傳統(tǒng)化學(xué)肥料,施用新型肥料能夠顯著提高作物產(chǎn)量。
土壤質(zhì)量和肥力很大程度上依賴于土壤中微生物量[39],其中,微生物量碳和微生物量氮是參與土壤碳氮循環(huán)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[40]。土壤微生物量、酶活性與施肥管理有關(guān),有研究發(fā)現(xiàn)施用氮肥降低了微生物量碳[41]和氮循環(huán)酶的活性[42]。本研究中施用脲酶抑制劑對(duì)微生物量碳氮的影響不顯著 (圖4),這與張文學(xué)等[43]的研究結(jié)果一致,原因可能是脲酶抑制劑占據(jù)了脲酶水解尿素的活性位置,降低脲酶活性,但是這種作用對(duì)土壤微生物量影響較小。施用雙抑制劑和緩/控釋肥能顯著提高微生物量氮 (圖4),這與李東坡等[44]和王靜等[45]的研究結(jié)果一致,李東坡等[44]的研究表明,施用緩/控釋氮肥能增加土壤微生物量氮;王靜等[45]研究表明,尿素配施硝化抑制劑、配施雙抑制劑會(huì)顯著提升微生物量氮。這可能是因?yàn)樾滦头柿鲜┯煤髸?huì)減少土壤中氮的損失,提高土壤可利用性氮的含量,大量氮素被土壤微生物固持到體內(nèi),因此增加了土壤微生物量氮。
土壤酶能夠推動(dòng)土壤中生物化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行,與土壤質(zhì)量和土壤肥力有密切的關(guān)系,是反映生態(tài)系統(tǒng)功能的重要指標(biāo)[46]。本研究中,施用脲酶抑制劑顯著降低了氮代謝相關(guān)酶活性 (圖5),這與盧維宏等[47]、姚云柯等[48]的結(jié)果一致。盧維宏等[47]的研究表明,施用脲酶抑制劑能夠降低土壤中脲酶活性;姚云柯等[48]的研究表明,與普通復(fù)合肥處理相比,施用脲酶抑制劑能降低脲酶活性 (66.19%)。本研究中施用緩/控釋肥顯著提高土壤碳氮代謝酶活性,這與金容等[49]的研究結(jié)果一致;金容等[49]研究結(jié)果表明,與施用普通尿素相比,施用控釋肥能夠顯著提高土壤氮代謝酶活性,原因可能是控釋肥能夠改善土壤理化性狀,為土壤微生物營(yíng)造良好的生存環(huán)境,使得微生物同化更多的氮,從而增加微生物量氮,進(jìn)而增加脲酶活性[50]。另外,施用新型肥料總體上提高了土壤磷代謝酶活性和氧化相關(guān)酶活性 (圖5),與劉飛等[51]、井大煒等[52]的研究結(jié)果類似。劉飛等[51]和井大煒等[52]的研究表明,與普通肥料相比,施用緩/控釋肥能提高土壤中磷酸酶活性。這可能是因?yàn)榱姿崦富钚耘c土壤中有效磷含量呈正相關(guān)關(guān)系,土壤有效磷含量的增加提高了磷酸酶活性[53-54]。
1) 與施用傳統(tǒng)化學(xué)肥料相比,施用新型肥料后顯著提高三大作物 (小麥、玉米、水稻) 的產(chǎn)量 (8.4%),脲酶抑制劑對(duì)產(chǎn)量增幅影響最大 (11.1%),其次為硝化抑制劑 (10.2%)、雙抑制劑 (9.0%) 和緩/控釋肥(7.7%)。
2) 與施用傳統(tǒng)化學(xué)肥料相比,施用新型肥料顯著提高了作物地上部吸氮量 (9.9%),緩/控釋肥、硝化抑制劑和脲酶抑制劑對(duì)作物地上部吸氮量的增幅分別為8.8%、12.2%和12.3%。
3) 與施用傳統(tǒng)化學(xué)肥料相比,施用新型肥料能夠顯著提高三大作物對(duì)氮肥的利用效率,增幅達(dá)到36.8%。施用緩/控釋肥對(duì)作物氮肥利用率的影響最大(44.1%),雙抑制劑、硝化抑制劑和脲酶抑制劑的增產(chǎn)效果分別為23.8%、19.4% 和17.2%。
4) 與施用傳統(tǒng)化學(xué)肥料相比,施用新型肥料能夠顯著提高土壤微生物量氮 (14.6%)、土壤磷代謝活性 (8.6%) 和氧化相關(guān)酶活性 (5.7%)。其中施用緩控釋肥能顯著提高土壤微生物氮含量 (22.5%)、碳代謝酶活性 (8%) 和氮代謝酶活性 (12.7%),而施用脲酶抑制劑顯著降低了土壤氮代謝相關(guān)酶活性 (3.1%)。