長江流域中稻施肥增產(chǎn)效應(yīng)及其影響因素

王姣琳，黃曉萌，王博博，徐新朋，丁文成，楊蘭芳，仇少君，趙士誠，何萍

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，北京 100081；2.湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，武漢 430062；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430064

水稻是我國主要糧食作物之一［1］，截至2020 年，我國的年水稻種植面積達(dá)3 000 萬hm2，占糧食總種植面積的25.9%［2］。長江流域由于其得天獨(dú)厚的自然條件，是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，其水稻播種面積達(dá)到了1 204.1 萬hm2［3］。施肥是保證作物產(chǎn)量和提高質(zhì)量的有效方式之一［4］，其對糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率超過50%［5］。然而，在生產(chǎn)中農(nóng)民為了追求高產(chǎn)普遍存在著過量施肥的現(xiàn)象，不僅浪費(fèi)肥料，降低肥料利用率，還造成環(huán)境污染，從而進(jìn)一步影響糧食產(chǎn)量的提高［6］。施肥量過高是我國肥料利用率低的主要原因之一。有研究表明，2002―2015 年我國水稻的過量施肥程度達(dá)43.5%，而長江中下游地區(qū)已成為我國僅次于華南地區(qū)的第二大水稻過量施肥程度地區(qū)［7-8］。因此，研究長江流域中稻的施肥增產(chǎn)效應(yīng)及其影響因素對保持水稻高產(chǎn)和提高水稻品質(zhì)至關(guān)重要，可對減少肥料損失和提高肥料利用率等提供科學(xué)依據(jù)。

土壤基礎(chǔ)肥力水平是影響肥料利用率高低的基本因子［9］，通?；A(chǔ)地力水平較高的土壤其作物產(chǎn)量也較高［10-11］。然而，隨著施肥量的不斷增加，養(yǎng)分在土壤中不斷累積到一定程度后施肥增產(chǎn)效應(yīng)便不再增加且不斷降低。梁濤等［12］研究表明，在相同的氮、磷和鉀肥施用水平下，隨著基礎(chǔ)地力水平的提高，水稻的肥料利用率分別下降了6.9%、4.5%和3.1%。以往的研究多基于某個(gè)地區(qū)，且多關(guān)注施肥對水稻產(chǎn)量和肥料利用率的影響，而不同地區(qū)的施肥增產(chǎn)效應(yīng)存在較大差異，缺乏大尺度上的系統(tǒng)分析。因此，需根據(jù)已有的大量田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)對肥料的增產(chǎn)效應(yīng)及其影響因素進(jìn)行定量的綜合分析。Meta分析作為一種定量綜合分析方法，可以對獨(dú)立的同一研究主題的多個(gè)研究結(jié)果的綜合效應(yīng)及影響因素等進(jìn)行系統(tǒng)地定量分析［13-14］。因此，本研究通過Meta 分析方法定量研究長江流域中稻產(chǎn)量的增產(chǎn)效應(yīng)及其影響因素，以期為優(yōu)化長江流域水稻的施肥量、提高水稻產(chǎn)量、提高肥料利用率從而減輕環(huán)境污染提供數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源于我國長江流域水稻主產(chǎn)區(qū)在2000―2017 年間水稻田間試驗(yàn)，包括國際植物營養(yǎng)研究所開展的水稻田間試驗(yàn)，以及在此時(shí)間段內(nèi)發(fā)表在中國知網(wǎng)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫以“水稻”“水稻+產(chǎn)量”及“水稻+肥料利用率”等為主要關(guān)鍵詞檢索所得到的文獻(xiàn)。根據(jù)研究目的，基于以下標(biāo)準(zhǔn)對檢索文獻(xiàn)進(jìn)行篩選：（1）研究區(qū)域?yàn)殚L江流域中稻種植區(qū)；（2）同一研究中需具有不同施肥處理包括優(yōu)化施肥、減素處理以及不施肥處理等；（3）具有各處理產(chǎn)量數(shù)據(jù)的平均值及其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差；（4）試驗(yàn)具有土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分指標(biāo)。通過篩選共獲得2 637 組數(shù)據(jù)（樣本量）。

1.2 數(shù)據(jù)處理

以優(yōu)化施肥即獲得最高產(chǎn)量時(shí)的施肥量為基準(zhǔn)對各試驗(yàn)的施肥量進(jìn)行劃分，氮、磷和鉀肥分別分成5 個(gè)水平，即在優(yōu)化施肥量基礎(chǔ)上各增減100%、減50%、增50%和增100%，本研究中氮、磷和鉀肥的平均施肥量分別為（191.2±53.3）、（82.4±30.8）和（114.8±47.7）kg/hm2。氮肥、磷肥和鉀肥水平從低到高分別用N0、N1、N2、N3、N4，P0、P1、P2、P3、P4和K0、K1、K2、K3、K4表示。

在分析土壤地力水平下不同施肥水平增產(chǎn)效應(yīng)時(shí)，采用空白處理即不施肥處理的水稻產(chǎn)量表征，其平均產(chǎn)量為5.7 t/hm2，且分布范圍在2.7～9.8 t/hm2，總體變異系數(shù)為21.1%。依據(jù)產(chǎn)量數(shù)據(jù)分布情況，將土壤基礎(chǔ)地力產(chǎn)量劃分為4 個(gè)等級，分別為＜5.0 t/hm2，5.1～6.0 t/hm2，6.1～7.0 t/hm2和＞7.0 t/hm2。4 個(gè)基礎(chǔ)地力水平的樣本量分別占總樣本量的32.9%（n=548）、29.2%（n=486）、30.5%（n=355）和23.6%（n=275）。

1.3 效應(yīng)值計(jì)算

分別建立水稻施肥量、產(chǎn)量、土壤理化性質(zhì)等指標(biāo)的數(shù)據(jù)庫，根據(jù)研究目的，選取反應(yīng)比［15-16］（response ratio，R）作為效應(yīng)值，反應(yīng)比計(jì)算公式：

其中，數(shù)字1 和2 分別表示施用和不施用某種養(yǎng)分處理，Sd為標(biāo)準(zhǔn)偏差，n為樣本數(shù)量。采用open-MEE 軟件分析各組數(shù)據(jù)的效應(yīng)值，并將效應(yīng)值轉(zhuǎn)化為增長率以加深對結(jié)果的理解：

1.4 模型選擇

由于不同試驗(yàn)研究間管理措施、土壤狀況、氣候條件、肥料品種等存在差異，選取隨機(jī)效應(yīng)模型計(jì)算綜合效應(yīng)值。其樣本綜合效應(yīng)值描述性統(tǒng)計(jì)分析如表1所示。

1.5 數(shù)據(jù)分析

依據(jù)總體效應(yīng)值的95%置信區(qū)間判別不同條件下施肥產(chǎn)量效應(yīng)是否顯著，95%置信區(qū)間均大于0為顯著正效應(yīng)，包括0 為無顯著影響，小于0 為顯著負(fù)效應(yīng)。

Meta 分析的發(fā)表偏倚檢驗(yàn)采用Rosenthal’s 失安全系數(shù)（fail-safe number，Nfs）檢驗(yàn)整個(gè)數(shù)據(jù)的發(fā)表性偏倚，若Nfs＞5n+10（n為樣本量），則認(rèn)為結(jié)果可信［17］，其檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 樣本量描述性統(tǒng)計(jì)Table 1 Descriptive statistics of sample size

本研究綜合考慮了長江流域的施肥水平、基礎(chǔ)地力水平、土壤理化性質(zhì)和種植區(qū)域的差異。氮肥施肥水平按照N1、N2、N3 和N4 處理與N0 處理進(jìn)行對比和分析，磷肥和鉀肥的分析同氮。根據(jù)試驗(yàn)地的數(shù)據(jù)情況，將土壤pH 劃分為≤6.0、6.0～7.0 和＞7.0，土壤有機(jī)質(zhì)劃分為≤20.0、20.0～30.0 和＞30.0 g/kg，全氮?jiǎng)澐譃椤?.0、1.0～2.0 和＞2.0 g/kg，全磷劃分為≤0.3、0.3～0.9 和＞0.9 g/kg，全鉀劃分為≤13.0、13.0～20.0 和＞20.0 g/kg，堿解氮?jiǎng)澐譃椤?00.0、100.0～150.0 和＞150.0 mg/kg，速效磷劃分為≤9.0、9.0～20.0 和＞20.0 mg/kg，速效鉀劃分為≤70.0、70.0～120.0 和＞120.0 mg/kg 等水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥量水平下水稻施肥的增產(chǎn)效應(yīng)

圖1顯示在長江流域施用氮、磷和鉀肥對中稻生產(chǎn)具有顯著增產(chǎn)效應(yīng)，尤其是氮肥和鉀肥，其各施肥水平下均具有顯著的增產(chǎn)效應(yīng)。氮肥在水稻的增產(chǎn)中占主導(dǎo)作用（Qt=86 833.43，df=1 106，P＜0.001），綜合效應(yīng)值lnR為0.301，增產(chǎn)率為35.1%；其次為鉀肥的增產(chǎn)效應(yīng)（Qt=24 611.83，df=784，P＜0.001），其lnR為0.112，增產(chǎn)率為11.9%；磷肥的增產(chǎn)效應(yīng)最?。≦t=21 035.44，df=744，P＜0.001），綜合效應(yīng)值lnR為0.103，增產(chǎn)率為10.9%。對其氮、磷和鉀肥增產(chǎn)效應(yīng)進(jìn)行發(fā)表性偏倚檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，其失安全系數(shù)（Nfs）分別為68 247 007、3 219 682 和5055 579，5n+10 分別為5 545、3 735 和3 935，均遠(yuǎn)大于5n+10（n取值見表1），說明具有可靠的綜合效應(yīng)值。

然而，各施肥水平下的增產(chǎn)效應(yīng)存在一定差異（圖1）。（1）施氮增產(chǎn)效應(yīng)。隨著氮肥用量的增加，其增產(chǎn)效應(yīng)呈先增加后降低的趨勢，其中在N2 施肥水平下顯示出最高增產(chǎn)效應(yīng)，其綜合效應(yīng)值為0.322，相應(yīng)的增產(chǎn)率為38.0%。N1、N3 和N4 施肥水平的綜合效應(yīng)值分別為0.230、0.318和0.284，對應(yīng)的增產(chǎn)率分別為25.9%、37.4%和32.8%。（2）施磷增產(chǎn)效應(yīng)。隨著施磷量的增加，施肥增產(chǎn)效應(yīng)呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，在P2水平表現(xiàn)出最大的增產(chǎn)效應(yīng)，其綜合效應(yīng)值為0.126，對應(yīng)的增產(chǎn)率為13.4%；而較低的增產(chǎn)效應(yīng)在P1 和P4 水平，其綜合效應(yīng)值分別為0.082 和0.062，增產(chǎn)率分別為8.6%和6.4%，表明施磷量過低或過高均不利于產(chǎn)量的增加。（3）施鉀增產(chǎn)效應(yīng)。其增產(chǎn)趨勢與磷肥一致，最高的增產(chǎn)效應(yīng)在K2 水平，其綜合效應(yīng)值和增產(chǎn)率分別為0.124 和13.2%；其次為K3水平，其綜合效應(yīng)值和增產(chǎn)率分別為0.112 和11.9%，K2 和K3 水平的增產(chǎn)效應(yīng)無顯著差異；K4 水平的綜合效應(yīng)值最低，為0.073，增產(chǎn)率僅為7.6%；K1 水平的綜合效應(yīng)值為0.086，增產(chǎn)率為9.0%。施用氮、磷和鉀肥的增產(chǎn)效應(yīng)結(jié)果表明氮肥仍然在長江流域中稻增產(chǎn)中發(fā)揮主導(dǎo)作用。

圖1 不同施肥處理下水稻施用氮（A）、磷（B）和鉀（C）肥的增產(chǎn)效應(yīng)Fig.1 Effects of rice yield increase to nitrogen（A），phosphorus（B）and potassium（C）fertilizer application under different treatments

2.2 不同基礎(chǔ)地力水平下水稻氮、磷和鉀肥的增產(chǎn)效應(yīng)

不同基礎(chǔ)地力水平下中稻施用氮（QM=151.563，df=3，P＜0.001）、磷（QM=50.967，df=3，P＜0.001）和鉀肥（QM=83.516，df=3，P＜0.001）具有顯著的增產(chǎn)效應(yīng)。然而不同基礎(chǔ)地力水平之間的增產(chǎn)效應(yīng)存在差異（圖2）。（1）施氮增產(chǎn)效應(yīng)。隨著地力水平升高，水稻施氮的增產(chǎn)效應(yīng)降低，其4 個(gè)基礎(chǔ)地力水平由低到高的綜合效應(yīng)值分別為0.378、0.295、0.241 和0.193，對應(yīng)的增產(chǎn)率分別為45.9%、34.3%、27.3%和21.3%。（2）施磷增產(chǎn)效應(yīng)。增產(chǎn)趨勢與施用氮肥一致，基礎(chǔ)地力水平由低到高的綜合效應(yīng)值分別為0.141、0.104、0.08 和0.077，對應(yīng)的增產(chǎn)率分別為15.1%、11.0%、8.3%和8.0%。（3）施鉀增產(chǎn)效應(yīng)。4 個(gè)基礎(chǔ)地力水平由低到高的綜合效應(yīng)值分別為0.157、0.108、0.069 和0.073，對應(yīng)的增產(chǎn)率為17.0%、11.4%、7.1%和7.6%。分析2000―2006、2007―2011 和2012―2017 年3 個(gè)時(shí)間段的氮磷鉀肥增產(chǎn)效應(yīng)得出，施用氮肥增產(chǎn)效應(yīng)分別為34.9%、35.1%和35.1%，施用磷肥增產(chǎn)效應(yīng)分別為11.1%、11.1%和10.6%，施用鉀肥增產(chǎn)效應(yīng)分別為14.5%、10.7%和12.2%，其中氮肥增產(chǎn)效應(yīng)無顯著差異，但磷肥和鉀肥增產(chǎn)效應(yīng)呈降低趨勢。

圖2 不同基礎(chǔ)地力水平下水稻施用氮（A）、磷（B）和鉀（C）肥的增產(chǎn)效應(yīng)Fig.2 Effects of rice yield increase to nitrogen（A），phosphorus（B）and potassium（C）fertilizer application under different soil fertility level

2.3 不同種植區(qū)域水稻氮、磷和鉀肥的增產(chǎn)效應(yīng)

流域內(nèi)的9 個(gè)省市中稻施用氮（QM=213.605，df=8，P＜0.001）、磷（QM=67.202，df=8，P＜0.001，上海市除外）和鉀肥（QM=68.180，df=8，P＜0.001）均具有顯著增產(chǎn)效應(yīng)。但不同省市之間增產(chǎn)效應(yīng)具有較大差異（圖3）。（1）施氮增產(chǎn)效應(yīng)。9個(gè)省市中上海市的綜合效應(yīng)值最高，為0.364，其增產(chǎn)率為43.9%；重慶市的綜合效應(yīng)值最低，為0.184，其增產(chǎn)率為20.2%；其余各省的效應(yīng)值和增產(chǎn)率范圍分別為0.209～0.363 和23.2%～43.8%。長江流域不同省市之間上海市的施氮增產(chǎn)變異系數(shù)最大，為87%；江蘇省最小，為35%；其余省市施用氮肥增產(chǎn)的變異系數(shù)在40%～50%。（2）施磷增產(chǎn)效應(yīng)。9 個(gè)省市中上海市的施磷增產(chǎn)效應(yīng)不顯著，其增產(chǎn)率僅為0.6%。其余各省施磷具有顯著增產(chǎn)效應(yīng)，其中重慶市增產(chǎn)效應(yīng)最高，其綜合效應(yīng)值為0.152，增產(chǎn)率為16.4%；增產(chǎn)效應(yīng)第二高的為湖北省，綜合效應(yīng)值和增產(chǎn)率為0.131 和14.0%，另外安徽省和貴州省的增產(chǎn)效應(yīng)值分別0.122 和0.117，增產(chǎn)率分別為13.0% 和12.4%；其余各省的施磷增產(chǎn)效應(yīng)為0.064～0.089，增產(chǎn)率為6.6%～9.3%。長江流域不同省市之間施磷的增產(chǎn)變異系數(shù)以云南省最大，為120%；以上海市的增產(chǎn)變異系數(shù)最小，為65%；其余省市的增產(chǎn)變異系數(shù)在69%～82%。（3）施鉀增產(chǎn)效應(yīng)。9 個(gè)省市中重慶市的增產(chǎn)效應(yīng)最高，其綜合效應(yīng)值為0.149，增產(chǎn)率為16.1%；其次為貴州省和安徽省，分別為0.135和0.136，對應(yīng)的增產(chǎn)率分別為14.5%和14.6%；湖北省和江蘇省的施鉀增產(chǎn)率保持在10%以上；其余省份的施鉀增產(chǎn)率范圍為6.4%～8.0%。長江流域不同省市之間施鉀的增產(chǎn)變異系數(shù)以云南省最大，為91%；其余省市變異系數(shù)在61%～84%。

圖3 不同種植區(qū)域水稻施用氮（A）、磷（B）和鉀（C）肥的增產(chǎn)效應(yīng)Fig.3 Effects of rice yield increase to nitrogen（A），phosphorus（B）and potassium（C）fertilizer application under different planting areas

2.4 不同土壤pH 和有機(jī)質(zhì)含量條件下水稻氮、磷和鉀肥的增產(chǎn)效應(yīng)

不同土壤pH 條件下，水稻施用氮（QM=31.485，df=2，P＜0.001）、磷（QM=17.479，df=2，P＜0.001）和鉀肥（QM=19.165，df=2，P＜0.001）均具有顯著正效應(yīng)（圖4），但不同土壤pH 條件下的增產(chǎn)效應(yīng)具有顯著差異。就施氮而言，水稻在pH＞7 的條件下施氮增產(chǎn)效應(yīng)最好，其綜合效應(yīng)值和增產(chǎn)率分別為0.329和39.0%，且增產(chǎn)率隨著pH升高而升高。施磷和施鉀的增產(chǎn)效應(yīng)趨勢均表現(xiàn)為先升高而后降低，在弱酸性（pH 6.0～7.0）條件下施磷和施鉀增產(chǎn)效應(yīng)最好，其綜合效應(yīng)值分別為0.132 和0.149，增產(chǎn)率分別為14.1%和15.7%，施磷和施鉀的增產(chǎn)效應(yīng)均在堿性條件下最差，其綜合效應(yīng)值分別為0.071 和0.079。增產(chǎn)率分別為7.4%和8.2%。

不同土壤有機(jī)質(zhì)含量條件下，施用氮（QM=58.614，df=2，P＜0.001）和鉀肥（QM=10.165，df=2，P=0.006）對水稻增產(chǎn)效應(yīng)具有顯著差異，而施用磷肥（QM=3.443，df=2，P=0.179）無顯著影響（圖4）。就施氮而言，有機(jī)質(zhì)含量在≤20.0、20.0～30.0 和＞30.0 g/kg 時(shí)，其綜合效應(yīng)值分別為0.360、0.313 和0.258，對應(yīng)的增產(chǎn)率分別為44.3%、36.8% 和29.4%；其增產(chǎn)效應(yīng)隨著土壤有機(jī)質(zhì)的增加呈降低趨勢。就施磷而言，有機(jī)質(zhì)含量在≤20.0、20.0～30.0和＞30.0 g/kg 時(shí)，其綜合效應(yīng)值分別為0.088、0.101和0.109，對應(yīng)的增產(chǎn)率分別為9.2%、10.6% 和11.5%；其增產(chǎn)效應(yīng)隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加。就施鉀而言，其增產(chǎn)效應(yīng)呈先增加后降低趨勢，土壤有機(jī)質(zhì)含量在20.0～30.0 g/kg 時(shí)，綜合效應(yīng)值最高，為0.131，增產(chǎn)率為14.0%。

圖4 不同土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量下水稻氮、磷和鉀肥的增產(chǎn)效應(yīng)Fig.4 Effects of rice yield increase to nitrogen（A），phosphorus（B）and potassium（C）fertilizer application under different pH and soil organic matter

2.5 不同土壤理化性質(zhì)條件下水稻氮、磷和鉀肥的增產(chǎn)效應(yīng)

不同土壤理化性質(zhì)下水稻施用氮、磷和鉀肥的增產(chǎn)效應(yīng)如圖5 所示。土壤全氮不同水平下水稻的增產(chǎn)呈顯著正效應(yīng)（QM=22.329，df=2，P＜0.001），其中以在土壤全氮≤1.0 g/kg 水平下水稻的施氮增產(chǎn)效應(yīng)最大，其綜合效應(yīng)值為0.328，增產(chǎn)率為38.8%。其施氮增產(chǎn)效應(yīng)隨著全氮含量的增加而降低。土壤全磷（QM=5.332，df=2，P=0.070）和全鉀（QM=5.324，df=2，P=0.070）各水平間水稻施氮增產(chǎn)效應(yīng)均不顯著，但全磷含量在0.3～0.9 g/kg、全鉀在13.0～20.0 g/kg 獲得的施氮增產(chǎn)效應(yīng)最大，其綜合效應(yīng)值分別為0.282 和0.276，對應(yīng)的增產(chǎn)率分別為32.6%和31.8%。水稻施氮增產(chǎn)效應(yīng)與土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但各土壤堿解氮（QM=4.962，df=2，P=0.084）水平間水稻施氮增產(chǎn)效應(yīng)不顯著，而土壤速效磷（QM=10.635，df=2，P=0.005）和速效鉀（QM=7.820，df=2，P=0.020）各含量水平間水稻的增產(chǎn)效應(yīng)具有顯著差異，其中堿解氮含量≤100.0 mg/kg，速效磷含量≤9.0 mg/kg 和速效鉀含量≤70.0 mg/kg 下施氮的增產(chǎn)效應(yīng)最高，其效應(yīng)值分別為0.302、0.332 和0.330，對應(yīng)的增產(chǎn)率分別為35.3%、39.4%和39.1%。

圖5 不同土壤理化性質(zhì)條件下水稻氮（A、B）、磷（C、D）和鉀（E、F）肥的增產(chǎn)效應(yīng)Fig.5 Effects of rice yield increase to nitrogen（A，B），phosphorus（C，D）and potassium（E，F(xiàn)）fertilizer application under different soil physical and chemical properties

就施磷增產(chǎn)效應(yīng)而言，不同土壤全氮（QM=1.550，df=2，P=0.461）含量對水稻施磷增產(chǎn)效應(yīng)影響不顯著，且土壤全氮含量在超過1.0 g/kg后增產(chǎn)效應(yīng)趨于平緩。不同土壤全磷（QM=0.946，df=2，P=0.623）含量對水稻施磷增產(chǎn)效應(yīng)無顯著差異，但其增產(chǎn)趨勢隨著土壤全磷含量的增加而下降。而土壤全鉀（QM=4.808，df=2，P=0.009）含量對水稻施磷增產(chǎn)效應(yīng)具有顯著影響，增產(chǎn)效應(yīng)隨著土壤全鉀含量的增加而增加，在＞20.0 g/kg 時(shí)施磷增產(chǎn)效應(yīng)最高，為0.176，對應(yīng)增產(chǎn)率為19.2%；土壤堿解氮（QM=5.503，df=2，P=0.064）含量對水稻施磷增產(chǎn)無顯著影響，但其增產(chǎn)效應(yīng)隨著堿解氮含量的增加而增加，在堿解氮含量＞150.0 mg/kg 時(shí)獲得最大的增產(chǎn)效應(yīng)，其綜合效應(yīng)值為0.135，增產(chǎn)率為14.5%。土壤速效磷（QM=18.127，df=2，P＜0.001）含量對水稻施磷增產(chǎn)具有顯著影響，速效磷含量在＜9.0 mg/kg時(shí)增產(chǎn)效應(yīng)最高，其綜合效應(yīng)值為0.129，增產(chǎn)率為13.8%。土壤速效鉀（QM=0.707，df=2，P=0.701 2）含量對水稻施磷增產(chǎn)無顯著影響。

就施鉀的增產(chǎn)效應(yīng)而言，土壤全氮（QM=1.990，df=2，P=0.370）、全磷（QM=0.646，df=2，P=0.724）和全鉀（QM=0.384，df=2，P=0.825）含量對水稻施鉀增產(chǎn)效應(yīng)無顯著影響。但水稻施鉀在不同土壤全氮含量水平下均為正效應(yīng)，全氮含量在1.0～2.0 g/kg 時(shí)的增產(chǎn)效應(yīng)最高，綜合效應(yīng)值和增產(chǎn)率分別為0.117 和12.4%。另外在全磷＞0.3 g/kg 和全鉀＞13 g/kg 含量水平下，水稻施鉀增產(chǎn)效應(yīng)不顯著。不同土壤堿解氮（QM=4.848，df=2，P=0.089）、速效磷（QM=1.710，df=2，P=0.425）和速效鉀（QM=1.099，df=2，P=0.577）含量對水稻施鉀增產(chǎn)無顯著影響，但均具有正效應(yīng)，土壤堿解氮在＞150.0 mg/kg 時(shí)施鉀的增產(chǎn)效應(yīng)最高，其效應(yīng)值和增產(chǎn)率分別為0.133 和14.2%，其增產(chǎn)趨勢隨著土壤堿解氮含量的增加而增加。土壤速效磷在含量≤9.0 mg/kg時(shí)增產(chǎn)效應(yīng)最好，其綜合效應(yīng)值和增產(chǎn)率分別為0.11 和11.6%。水稻施鉀效應(yīng)與土壤速效鉀含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在土壤速效鉀含量≤70 mg/kg 時(shí)，獲得最大的增產(chǎn)效應(yīng)，其綜合效應(yīng)值和增產(chǎn)率分別為0.112和11.9%。

3 討 論

通過施肥為作物提供充足養(yǎng)分，是保持糧食增產(chǎn)和保障糧食安全的重要措施之一［18-19］，截至2020年，我國化肥消費(fèi)量達(dá)5 251.0 萬t，較2019 年減施了2.8%［3］。本研究結(jié)果顯示，在長江流域中稻種植區(qū)施用氮、磷和鉀肥均可顯著提高其產(chǎn)量，其增產(chǎn)率分別達(dá)到了35.1%、10.9%和11.9%。施用氮肥的增產(chǎn)率遠(yuǎn)高于磷肥和鉀肥，可見，氮素仍是水稻增產(chǎn)的主要養(yǎng)分限制因子。閆湘等［20］研究結(jié)果顯示，南方水稻施用氮、磷和鉀肥的增產(chǎn)率分別為23.3%、8.8%和11.8%，本研究得到的增產(chǎn)率要高些。本研究中長江流域水稻平均氮、磷和鉀肥的優(yōu)化用量分別為191.2、82.4和114.8 kg/hm2；而閆湘等［20］在南方稻區(qū)的研究結(jié)果為192、86 和140 kg/hm2；與之對比，本研究中氮肥和磷肥用量相當(dāng)，鉀肥有所降低。說明隨著管理措施的不斷加強(qiáng)，優(yōu)化施肥措施可提高水稻的增產(chǎn)效應(yīng)。王偉妮等［21-23］的研究表明，施用氮、磷和鉀肥中稻產(chǎn)量可顯著提高27.5%、11.3%和9.6%，相比而言，本研究中施氮的增產(chǎn)效應(yīng)較高，施磷和鉀肥的增產(chǎn)效應(yīng)較為接近。廖育林等［24］的研究表明施用鉀肥可顯著提高水稻產(chǎn)量9.1%～17.2%，這與本研究中11.9%的鉀肥增產(chǎn)效應(yīng)接近。

雖然施肥能夠顯著提高作物產(chǎn)量［21-24］，但長期高施肥量下會(huì)出現(xiàn)土壤養(yǎng)分累積，進(jìn)而導(dǎo)致施肥增產(chǎn)效應(yīng)降低。本研究發(fā)現(xiàn)，在所有樣本中，氮、磷和鉀肥的增產(chǎn)效應(yīng)分別有1.1%、29.3%和28.3%，施肥增產(chǎn)效應(yīng)低于5%。與此同時(shí)，施肥增產(chǎn)效應(yīng)受諸多因素影響，如土壤基礎(chǔ)地力影響著作物對肥料養(yǎng)分的吸收［25-26］，進(jìn)而影響產(chǎn)量。在一定條件下，基礎(chǔ)地力水平越高，施肥后的產(chǎn)量也越高，且其產(chǎn)量穩(wěn)定性越強(qiáng)［10］，而此時(shí)在土壤養(yǎng)分含量較低的情況下，其施肥增產(chǎn)效應(yīng)就越高。隨著秸稈還田、有機(jī)替代和測土配方施肥等農(nóng)業(yè)措施的不斷實(shí)施，土壤肥力得到提升，使得磷肥和鉀肥的增產(chǎn)效應(yīng)呈降低趨勢。在本研究中，長江流域中稻在不同土壤基礎(chǔ)地力水平下施用氮、磷和鉀肥均具有顯著差異。施肥增產(chǎn)效應(yīng)與基礎(chǔ)地力水平呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與曾祥明等［27］的研究結(jié)果基本一致，高地力稻田土壤施肥增產(chǎn)潛力小，反之亦然。而即使在同一地力水平下，由于土壤養(yǎng)分含量的差異也會(huì)導(dǎo)致不同養(yǎng)分的增產(chǎn)效應(yīng)存在差異，因此，應(yīng)通過土壤基礎(chǔ)地力的合理培育和提升來提高作物的產(chǎn)量。

長江流域各省市水稻施肥均具有顯著的增產(chǎn)效應(yīng)（上海市磷肥增產(chǎn)效應(yīng)除外），但存在一定差異。施氮的增產(chǎn)效應(yīng)以上海市最高，重慶市施磷和施鉀的增產(chǎn)效應(yīng)均為最高。整個(gè)長江流域的水稻種植范圍大，而流域內(nèi)的各省市間氣候條件、水文狀況、土壤類型及其性質(zhì)不同以及各地農(nóng)民種植習(xí)慣的差異等因素均會(huì)導(dǎo)致施肥增產(chǎn)效應(yīng)差異較大。如云貴高原地區(qū)的云南省、貴州省、四川省以及重慶市部分地區(qū)，其水土流失和土壤侵蝕相對嚴(yán)重，土壤肥力相對較低［28］。但需要注意的是施用某種養(yǎng)分的增產(chǎn)效應(yīng)高并不代表整個(gè)地區(qū)的地力水平低，因?yàn)橛绊懽魑镌霎a(chǎn)的因素有很多，如氣候水文、土壤類型及其性質(zhì)以及當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣等。本研究中的上海市水稻施氮增產(chǎn)效應(yīng)較高，重慶市施磷和施鉀的增產(chǎn)效應(yīng)高，則是因?yàn)槠洳皇┯媚撤N養(yǎng)分的產(chǎn)量最低且土壤養(yǎng)分含量較低，如本研究所分析數(shù)據(jù)中重慶市的土壤速效磷和速效鉀含量要低于其他省市，分別為（15.6±6.1）和（74.8±32.2）mg/kg。因此，應(yīng)結(jié)合不同種植區(qū)域和種植制度，合理制定施肥方案，如前人研究提出的“大配方、小調(diào)整”的區(qū)域施肥方案［29］。

然而，在養(yǎng)分管理過程中，需要考慮土壤的理化性質(zhì)以達(dá)到肥料的最大化利用，因?yàn)椴煌寥览砘再|(zhì)對水稻的肥料增產(chǎn)效應(yīng)具有顯著影響。如不同土壤pH 范圍間長江流域水稻施用氮、磷和鉀肥的增產(chǎn)效應(yīng)均具有顯著差異（P＜0.001）。土壤pH 是調(diào)節(jié)土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)和物質(zhì)間化學(xué)轉(zhuǎn)化過程的重要因素，能改變硝化作用反應(yīng)基質(zhì)（氨）的平衡濃度，直接影響硝化作用的效率、作物對養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量［30-32］。本研究中水稻施用氮肥在堿性（pH 7.0～8.3）土壤條件下增產(chǎn)效應(yīng)最好，施用磷和鉀肥在弱酸性（pH 6.0～7.0）土壤條件下獲得最大增產(chǎn)效應(yīng)。除施肥以外，土壤養(yǎng)分來源的另一重要途徑來自土壤有機(jī)質(zhì)［33-35］。本研究中，不同土壤有機(jī)質(zhì)含量對水稻施氮的增產(chǎn)效應(yīng)具有顯著影響，且增產(chǎn)效應(yīng)與有機(jī)質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明土壤肥力越高，施肥的增產(chǎn)效應(yīng)相對越低。而不同有機(jī)質(zhì)含量對水稻施磷的增產(chǎn)效應(yīng)無顯著影響。不同土壤有機(jī)質(zhì)含量對水稻施鉀的增產(chǎn)具有顯著影響，其增產(chǎn)效應(yīng)隨著有機(jī)質(zhì)含量增加呈先升高后降低趨勢，這與土壤速效鉀含量有關(guān)，速效鉀含量越低其施鉀增產(chǎn)效應(yīng)越高，如有機(jī)質(zhì)水平從低到高的土壤速效鉀含量分別為（99.6±48.6）、（93.3±31.6）和（115.7±57.89）mg/kg，而有機(jī)質(zhì)含量20.0～30.0 g/kg 時(shí)施用鉀肥的增產(chǎn)效應(yīng)最高。此外，本研究中水稻施氮增產(chǎn)效應(yīng)與土壤全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀等的含量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明這些土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量越高，其施氮增產(chǎn)效應(yīng)越低［36］。而本研究中土壤全鉀含量對水稻施磷增產(chǎn)效應(yīng)具有顯著影響，則是由于數(shù)據(jù)量偏少且個(gè)別數(shù)值變異較大，應(yīng)加大次方面數(shù)據(jù)的收集。在等量養(yǎng)分投入下，合理調(diào)控肥料用量對產(chǎn)量提高至關(guān)重要。長江流域中稻種植需要結(jié)合施肥對產(chǎn)量的影響因素，綜合考慮其種植區(qū)域土壤理化性狀進(jìn)行優(yōu)化施肥，減少肥料損失，從而有效提高水稻產(chǎn)量。