有機肥料施用對華北平原玉米產量的影響

應多， 陳曉龍， 呂桂華， 王桂躍

(浙江省農業(yè)科學院 東陽玉米研究所，浙江 東陽 322100)

為應對有限的耕地和人口的急劇增長帶來的糧食需求壓力，我國不斷加強農田集約化管理來推進農業(yè)生產[1]。作為最為普遍的農業(yè)管理措施之一，化肥的施用對促進作物生長，保證作物高產、穩(wěn)產具有重要作用[2]。如今中國已成為世界上最大的化肥生產和消費國，超過世界上化肥消耗總量的三分之一[3-4]，其中氮肥年消耗量占全球的近30%，然而肥料利用率遠低于發(fā)達國家，僅為27%[5]。隨著單位土地面積化肥投入量的不斷增加，化肥投入對糧食增產的貢獻率逐漸下降。雖然化肥中的有效養(yǎng)分易被作物吸收利用，但超量施用化肥會導致肥料利用率降低，造成土壤質量退化以及農業(yè)面源污染等一系列農業(yè)問題，嚴重制約了我國農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[6]。因此，合理的施肥策略對于減少氮損失、保障糧食安全和保護環(huán)境至關重要[7]。

近年來國家對綠色農業(yè)發(fā)展愈加重視，控制化肥用量，實現(xiàn)“化肥零增長”成為關鍵任務之一，為此秸稈和畜禽糞便等農業(yè)廢棄物資源化利用替代部分化肥被廣泛用于農業(yè)生產。研究[8-10]表明，有機肥分解能夠為作物提供生長所需的養(yǎng)分，同時也能夠改善土壤結構，提高土壤微生物和酶活性。循環(huán)利用農業(yè)廢棄物能維持作物產量和培肥地力，同時減少有機資源利用不足帶來的環(huán)境污染，對糧食綠色高產高效具有十分重要的意義。大量研究[11-14]表明，施用生物質炭、秸稈和沼液等有機肥料能夠提高作物產量。然而，也有部分研究[15-17]發(fā)現(xiàn)，施用有機肥料會導致作物產量下降。因此，明確施用有機肥對作物產量的影響規(guī)律，對制定合理的肥料施用策略有重要意義[18]。

華北平原是我國主要糧食產區(qū)之一，糧食產量約占全國總量的32%[19]，對于我國糧食安全與保障具有重要意義。麥玉輪作作為我國典型的輪作制度是華北平原主要的糧食種植模式，其中玉米產量占我國玉米總產量的1/3[20]。然而華北平原化肥施用量逐年上升[21-22]，作物種植模式年氮素吸收量(90～250 kg·hm-2)，遠低于年投入量(550～600 kg·hm-2)[23]，在保證作物產量的同時，也產生了大量秸稈等農業(yè)廢棄物。

Meta分析是一種對同類單個研究結果進行統(tǒng)計分析的方法[24]，可以定量化綜合現(xiàn)有試驗數(shù)據，系統(tǒng)分析某種措施的綜合效應[25]。本研究收集了華北地區(qū)麥玉輪作制度下1980—2019年共39篇公開發(fā)表文章的124組田間試驗數(shù)據，運用Meta分析方法定量評估有機肥料施用類型以及有機無機肥料配施比例對于玉米產量的影響，揭示土壤屬性和其他試驗條件對玉米產量的影響規(guī)律，以期為華北地區(qū)作物高產和資源高效利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據來源

基于中國知網(CNKI)和Web of science數(shù)據庫，通過對關鍵詞“玉米”“作物產量”和“有機肥”(有機肥、秸稈、農家肥、畜禽糞便、生物質炭、綠肥)進行檢索，搜集截至2019年11月國內外公開發(fā)表的文獻。根據本研究的目的以及Meta分析對數(shù)據的要求，對數(shù)據進行如下篩選：(1)試驗區(qū)域位于中國華北平原農業(yè)區(qū)(河北、河南、山東、安徽北部、北京、天津)，大田試驗；(2)施用有機肥為處理組，單施化肥為對照組，其他試驗條件一致；(3)試驗數(shù)據包括玉米產量平均值及標準差(或標準誤、變異系數(shù))，或各重復產量數(shù)據；(4)處理重復數(shù)≥3；(5)如果文獻中含有多年試驗數(shù)據，僅選取最新數(shù)據。通過以上篩選條件，最終得到文獻共計39篇，共124組玉米產量數(shù)據。同時提取試驗地點、有機肥施用方式、試驗周期、氣候/土壤因子和氮施用量等數(shù)據信息。

1.2 數(shù)據分類

根據文獻中有機肥種類，將有機肥分為農家肥、堆肥、商品有機肥、秸稈、生物炭和腐解生物炭；有機肥施用方式分為單施有機肥、有機肥替代部分化肥和有機肥加全量化肥；氮施用量分為低(0～150 kg·hm-2)、中(>150～250 kg·hm-2)、高(>250 kg·hm-2)3個等級；將土壤質地條件分為黏質、壤質、砂質；pH分為<6.5、6.5～7.5、>7.5；土壤有機質分為<10 g·kg-1、10～20 g·kg-1、>20 g·kg-1；土壤全氮分為<1 g·kg-1、1～1.5 g·kg-1、>1.5 g·kg-1；年均降水量分為<600 mm、≥600 mm；年均氣溫分為10～15 ℃、>15 ℃；試驗周期分為<2 a、2～10 a、>10 a。

1.3 數(shù)據分析

在搜集文獻時，若數(shù)據變異是以標準誤或變異系數(shù)形式給出，則通過公式轉化為標準差,本研究通過軟件MetaWin 2.1分析。如果95%置信區(qū)間不包含0，則表示有機肥施用與單施化肥之間作物產量的總體效應具有統(tǒng)計顯著性；反之說明無顯著影響[27]。

1.4 數(shù)據處理

若數(shù)據在文獻中以圖形呈現(xiàn)，則通過軟件GetData 2.26提取數(shù)據。森林圖通過Excel 2016制作。

2 結果與分析

2.1 施用不同類型的有機肥對玉米產量的影響

圖1顯示了不同種類的有機肥施用對玉米產量的影響。結果表明，有機肥料施用顯著提升了玉米產量。而不同類型有機肥對玉米產量的影響各不相同，其中，生物炭、秸稈和腐解秸稈作為有機肥施用對玉米產量均有顯著增產效果，其增產效應為腐解秸稈>秸稈>生物炭。其中腐解秸稈作為有機肥的試驗數(shù)據偏少。施用農家肥對玉米產量也有一定的增產效果，但并無顯著影響。施用商品有機肥對玉米產量的影響呈現(xiàn)負效應但不顯著；而堆肥對玉米產量無顯著影響。

圖1 施用有機肥種類對玉米產量的影響

2.2 有機肥與化肥聯(lián)合施用對玉米產量的影響

與施用化肥相比，有機肥與化肥聯(lián)合施用對玉米產量有顯著差異(圖2)。其中有機肥加全量化肥對玉米的增產作用比有機肥加部分化肥的效果更好。然而，單施有機肥顯著降低了玉米產量。

圖2 有機肥與化肥聯(lián)合施用對玉米產量的影響

2.3 不同土壤條件下有機肥施用對玉米產量的影響

在不同土壤條件下施用有機肥對玉米產量的影響存在一定的差異(圖3)。不同的土壤質地、pH值以及有機質含量的土壤施用有機肥對玉米產量均有顯著影響。在不同土壤質地中，砂土和壤土玉米的增產幅度分別為4.15%和3.47%。pH值偏酸(<6.5)或偏堿(>7.5)時，施用有機肥對玉米產量的增產效果相對較低。當pH值在6.5～7.5之間時，施用有機肥對玉米的增產效果更優(yōu)。有機質含量越高，施用有機肥對玉米產量的增產效果越好，增幅由高到低依次為>20 g·kg-1、10～20 g·kg-1、<10 g·kg-1。從圖3中可知，土壤全氮含量對有機肥施用的增產作用具有顯著差異且以含量在1～1.5 g·kg-1時效果最好，增幅達6.75%。

圖3 土壤質地、pH值、有機質含量以及全氮含量與有機肥施用對玉米產量的影響

2.4 其他因素對玉米產量的影響

不同溫度和降雨條件下施用有機肥對玉米產量的影響也存在差異(圖4)。當溫度處于10～15 ℃之間時，施用有機肥使玉米產量增加；而溫度高于10 ℃時，增產幅度達5.84%。在年降雨量<600和≥600 mm的條件下，施用有機肥可使玉米產量分別增加4.52%和0.88%。

圖4 溫度和降水量對玉米產量的影響

不同總氮投入量有機肥對玉米產量的影響存在差異(圖5)。過低或過高的總氮施用量下均會造成玉米產量損失，在總氮施用量過低時(0～150 kg·hm-2)，玉米產量下降了4.99%；總氮施用量過高時(>250 kg·hm-2)，玉米產量下降了1.54%。而在適宜的總氮施用量條件下(150～250 kg·hm-2)，施用有機肥能使玉米增產1.75%。

圖5 總氮施用量對玉米產量的影響

有機肥試驗周期對玉米產量的增產作用存在差異(圖6)。試驗初期，隨著試驗周期增長，玉米的增產效應也隨之增強。當試驗周期低于2 a時，玉米產量增加了3.99%；當試驗周期持續(xù)在2～10 a時，增產效果有所上升，達到了6.08%。然而隨著試驗周期持續(xù)增長，玉米產量沒有呈現(xiàn)逐步上升的趨勢。當試驗周期高于10 a時，增產效果相對減弱，為5.1%。

圖6 試驗周期對玉米產量的影響

3 小結與結論

本研究表明，與單施化肥相比，不同有機肥施用顯著提升了玉米產量。施用有機肥料使玉米增產可能是由于有機肥可以改善土壤結構、持水能力和微生物活性，從而提高作物根系對養(yǎng)分的吸收能力[28]，較好地保證了作物在生長旺盛期的水分和養(yǎng)分供應；其次，畜禽糞便、秸稈和腐解秸稈等有機肥料中含有的礦質養(yǎng)分及微量元素也是有機肥料替代化肥后作物產量增加的原因之一[29]。而施用商品有機肥對玉米產量的影響呈現(xiàn)負效應，可能是由于搜集的部分文獻中研究處理為單施有機肥，與施用全量化肥相比，有機肥肥效緩慢，不能及時滿足作物關鍵生育時期對養(yǎng)分的需求，同時這也是秸稈和生物炭等有機肥料無法作為追肥使用的原因，這一結果與李銀坤等[30]研究一致。

分析結果表明，在不同化肥與有機肥配施比例下，作物產量變化趨勢不同。有機肥料與全量化肥的聯(lián)合施用增產效果最為顯著，這一結果在小麥試驗中也被發(fā)現(xiàn)[31]，研究[32]指出，通過長達20 a的冬小麥/夏玉米輪作觀測試驗顯示，秸稈還田及混合施用化肥的增產效果呈現(xiàn)逐年顯著增加的趨勢，并且相比于單施化肥增產效果更為顯著。而單施有機肥料出現(xiàn)減產效果可能是由于有機肥料中含有部分有機氮，導致有效氮的釋放速率緩慢，往往不能滿足作物生長高峰期對氮的高需求[33]。同時也有研究[34]發(fā)現(xiàn)，當有機肥與化肥的配施比例大于4∶3時，作物產量將下降。

在不同土壤條件下有機肥料對玉米產量增加幅度的影響有一定的差異。本文數(shù)據結果表明，在砂土中有機肥替代化肥施用有更明顯的效果，這可能是由于在砂土中施用有機肥改變了土壤結構，提高了其保水蓄墑能力，使其增產效果更為顯著。例如生物質炭作為有機肥料在砂土中增產效果高于壤土[35]，一方面有利于土壤團粒結構的形成[36]，另一方面可顯著提高土壤對養(yǎng)分的固持能力，并且提高了土壤的保水保肥性，降低養(yǎng)分損失[37]，在干旱地區(qū)具有良好的增產效果。但由于采集數(shù)據為單個研究，受區(qū)域氣候條件、時間、施肥種類、施肥量、田間管理措施等因素的影響較大[38]，存在一定的局限性，也會產生不一樣的結果。Yu等[39]發(fā)現(xiàn)，在黏壤土中秸稈覆蓋對玉米產量的增產效果更好。在不同土壤pH值下有機肥料均顯著提高作物產量，且以中性條件效果最好，這主要因為pH值在6.5～7.5時土壤養(yǎng)分及微生物活性最佳，最利于作物生長[40-41]。有機質和總氮含量的差異對施用有機肥料后玉米增產效果不同。土壤有機質和全氮含量是反映土壤綜合肥力的重要指標[42]，往往與作物產量呈現(xiàn)正相關關系。結果顯示，隨著有機質含量的增加，施肥增產效應逐漸提高。隨著土壤全氮含量的增加，對玉米產量提高的幅度呈先降低后增加趨勢。一方面可能因為氮素對作物生長的影響較大，增施氮肥能夠顯著地提高作物產量[43]，且在土壤低氮水平下，增施氮肥的增產效果較明顯[44]；另一方面隨著土壤全氮含量的增加，土壤能夠供給較多的氮素，進而弱化施肥增產的效應，為氮肥減施提供依據[45]。

溫度和降雨量對施加有機肥料后玉米產量的增產效果影響不同。當溫度>15 ℃時，施用有機肥料對玉米增產效果更為顯著；當年降水量低于600 mm時，施用有機肥料對玉米有顯著的增產效果?？赡苁且驗槠骄鶞囟仍礁?，土壤溫度相應升高，有利于有機物分解[46]。此外，有機肥中的氮素主要以有機態(tài)存在，通過土壤微生物的礦化作用才能轉化為無機氮形態(tài)，被植物吸收利用[47]，而低溫與高降水量可能會抑制土壤微生物的活性和土壤有機質的分解速率，無法滿足作物生長對養(yǎng)分的需求，從而在一定程度上減弱了增產效應。

不同總氮投入條件下施加有機肥料對玉米產量的影響存在差異。在不同的總氮投入條件下施加有機肥料，作物產量呈現(xiàn)“低-高-低”的趨勢。相關研究[48-49]發(fā)現(xiàn)，在較低施氮水平下，隨著氮水平的提高，施用有機肥料處理玉米產量增加，而超過閾值后，施氮量過高，產量不僅不再增加，反而下降，這與我們的數(shù)據分析結果一致。這可能與施氮量過高會影響作物光合能力相關[18]，且作物產量的提高也受到了碳氮配施等條件的限制[30]。隨著試驗時間的增長，施加有機肥料對玉米的增產效果會呈現(xiàn)升高后小幅度降低的現(xiàn)象，其原因可能是試驗初期的肥料處理中次生養(yǎng)分和微量元素隨著時間的推移而增加，同時改善了土壤團聚體結構和土壤水氮礦化能力，增加了微生物多樣性[50]，從而使產量增加。然而，進入長期實驗后(>10 a)的增產效果相對減弱，可能是由于試驗期間連續(xù)施加有機肥料使該地區(qū)整體土壤肥力升高，相對弱化了施肥增產的效應，研究[45]顯示，連續(xù)施肥較不施肥處理對單季水稻產量提高的幅度較低也印證這一類似結果。

有機肥料施用顯著提高了華北平原的玉米產量，平均增產幅度為5.02%。其中，生物炭、秸稈、農家肥和腐解秸稈作為有機肥料施用對玉米產量均有顯著增產效果，而施用商品有機肥則呈現(xiàn)負效應。有機肥料與全量化肥聯(lián)合施用是提高玉米產量的最好措施。不同土壤條件下有機肥施用對玉米產量的影響存在一定的差異，且以砂質且中性條件下肥力較好的土壤施用有機肥料對玉米的增產效果最佳，同時總氮施用量的不同對玉米增產效果也有顯著差異。施肥對玉米產量的提高效應與種植區(qū)域氣候、土壤全氮含量、農藝管理措施等密切相關，因此，應適時適地采用合適的施肥策略。