任科宇，段英華，徐明崗，張旭博

施用有機(jī)肥對(duì)我國作物氮肥利用率影響的整合分析

任科宇1，段英華1，徐明崗1，張旭博2

（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(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所/生態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

【】化肥配施有機(jī)肥是提高作物氮肥利用率（NUE）的重要措施之一。但由于作物的氮肥利用率受到施氮量、土壤性質(zhì)和氣候條件等因素的影響，且多數(shù)研究只在某一特定區(qū)域或條件下進(jìn)行，對(duì)于全國不同區(qū)域施用有機(jī)肥對(duì)氮肥利用率影響的研究缺乏系統(tǒng)分析和比較。因此，探明化肥配施有機(jī)肥對(duì)氮肥利用率的影響，量化不同土壤和氣候條件下氮肥利用率對(duì)有機(jī)肥施用的響應(yīng)，可指導(dǎo)區(qū)域性的有機(jī)肥施用，為化肥減施增效提供重要的理論依據(jù)。本研究收集了公開發(fā)表的文獻(xiàn)110篇，建立了412組包含化肥配施有機(jī)肥（NPKM）和單施化肥（NPK）處理的氮肥利用率的數(shù)據(jù)庫。采用整合分析（Meta-analysis）和隨機(jī)森林（Random Forest）方法分析了全國不同區(qū)域的氮肥利用率在NPK和NPKM處理下的差異，定量化了施氮量、土壤性質(zhì)和氣候條件等因素對(duì)有機(jī)肥正效應(yīng)的貢獻(xiàn)率。全國來說，相比NPK，NPKM處理下氮肥利用率提高了3.6個(gè)百分點(diǎn)。除東北地區(qū)外，在其他地區(qū)NPKM均顯著提高了氮肥利用率，提高幅度依次為西北＞華北＞南方＞華東。土壤性狀中影響有機(jī)肥“增效”作用的主要因素是有機(jī)質(zhì)、pH、速效鉀和全氮含量，其中土壤有機(jī)質(zhì)含量越低，配施有機(jī)肥后氮肥利用率的提高幅度越大；在堿性土壤上配施有機(jī)肥對(duì)氮肥利用率的提高幅度分別是中性土壤和酸性土壤的1.3和1.8倍。另外，不同氣候類型下配施有機(jī)肥對(duì)氮肥利用率的提高幅度存在差異，表現(xiàn)為溫帶大陸性氣候區(qū)＞溫帶季風(fēng)性氣候區(qū)＞亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)。施用有機(jī)肥可顯著提高作物的氮肥利用率，且在有機(jī)質(zhì)含量較低、降雨量較少的西北地區(qū)配施有機(jī)肥后氮肥利用率的提高幅度最大。

氮肥利用率；有機(jī)肥；施氮量；土壤性質(zhì)；氣候；區(qū)域差異；整合分析

0 引言

【研究意義】氮肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，其對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的形成起著關(guān)鍵作用[1]。我國的氮肥施用量至2011年已達(dá)到4 347萬噸，占全球的40.5%[2]，但一般認(rèn)為我國的氮肥利用率僅為30%左右，大量氮肥的損失造成了水體富營養(yǎng)化、土壤酸化、大氣污染、溫室效應(yīng)等一系列環(huán)境問題[3-5]。有研究表明，化肥配施有機(jī)肥可減少氮肥的損失，提高氮肥利用率[6-9]；但是，劉占軍[10]等研究表明，用有機(jī)肥替代化肥后氮肥利用率有所下降，其認(rèn)為大多數(shù)研究是在推薦施肥基礎(chǔ)上配合施用有機(jī)肥，從而過高地估計(jì)了有機(jī)肥的作用和有機(jī)無機(jī)交互作用。有機(jī)肥對(duì)氮肥利用率的“增效”作用受施氮量、作物類型、土壤屬性和氣候條件等因素的影響[11-12]。因此，明確有機(jī)肥對(duì)氮肥利用率影響的區(qū)域差異對(duì)于我國農(nóng)田有機(jī)肥的合理施用、氮肥的高效利用具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近年來，大量研究證實(shí)化肥配施有機(jī)肥可將氮肥利用率提高2—5個(gè)百分點(diǎn)，如在西南黃壤性水稻土上采用有機(jī)肥替代50%的化肥，水稻[7]的氮肥利用率提高了4.2個(gè)百分點(diǎn)，玉米[8]提高了2.5個(gè)百分點(diǎn)。對(duì)寧夏引黃灌區(qū)稻田的研究也發(fā)現(xiàn)在常規(guī)施氮和優(yōu)化施氮水平下配施有機(jī)肥，水稻的氮肥利用率可以分別提高5.2個(gè)百分點(diǎn)和1.9個(gè)百分點(diǎn)[9]。然而，也有研究表明施用有機(jī)肥并未顯著提高作物的氮肥利用率，如Dawe等[13]通過對(duì)亞洲25個(gè)稻田長期定位試驗(yàn)產(chǎn)量總結(jié)發(fā)現(xiàn)，水稻產(chǎn)量在有機(jī)無機(jī)肥配施條件下與推薦量化肥施用條件下無顯著差異，有機(jī)肥的施用并未顯著提高水稻的氮肥利用率。對(duì)浙江地區(qū)早稻、晚稻及單季稻的研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥替代20%和40%的化肥后，其吸氮量沒有顯著變化，但有機(jī)肥替代70%的化肥會(huì)降低水稻吸氮量[14]。對(duì)于東北玉米，氮肥利用率在化肥、化肥配施有機(jī)肥處理下分別為32.7%和21.4%[10]?；谖覈?、鄭州、楊凌、祁陽的4個(gè)長期定位試驗(yàn)，DUAN等[15]發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥配施在祁陽紅壤氮肥利用率提高了14%，但在其他試驗(yàn)點(diǎn)則與單施化肥相近。可見，施用有機(jī)肥對(duì)氮肥利用率的影響在不同土壤條件和氣候條件下差異較大[16-18]。【本研究切入點(diǎn)】目前，我國關(guān)于施用有機(jī)肥對(duì)氮肥利用率影響的研究多是基于某一個(gè)或幾個(gè)特定試驗(yàn)點(diǎn)展開的，其結(jié)果會(huì)受該區(qū)域特定的土壤和氣候條件的影響。為了全面認(rèn)識(shí)不同條件下施用有機(jī)肥對(duì)氮肥利用率的影響，需收集全國范圍內(nèi)獨(dú)立試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，系統(tǒng)量化施用有機(jī)肥對(duì)我國主要糧食作物氮肥利用率的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過國內(nèi)外已發(fā)表的有關(guān)施肥對(duì)我國氮肥利用影響的文章進(jìn)行數(shù)據(jù)搜集，采用整合分析（Meta-analysis）的方法，系統(tǒng)分析施用有機(jī)肥對(duì)我國主要糧食作物氮肥利用率的影響及其區(qū)域差異，并利用隨機(jī)森林（Random Forest）方法定量不同地區(qū)施氮量、土壤性質(zhì)和氣候等因素對(duì)造成兩施肥處理（NPKM、NPK）氮肥利用率差異的貢獻(xiàn)率，進(jìn)而為有機(jī)肥的合理施用、氮肥的高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究是基于已發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行的，從Web of science、中國知網(wǎng)、萬方和百度學(xué)術(shù)等文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫，通過設(shè)置“有機(jī)肥”“施氮量”“氮肥利用率”和“產(chǎn)量”4個(gè)關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，并根據(jù)以下條件進(jìn)行文獻(xiàn)篩選：（1）施肥試驗(yàn)是在中國農(nóng)田進(jìn)行的（不包括盆栽和室內(nèi)試驗(yàn)），且研究對(duì)象為三大糧食作物（小麥、玉米和水稻）；（2）同一試驗(yàn)必須同時(shí)包含不施氮處理、施用化學(xué)氮磷鉀肥（NPK）和有機(jī)肥配施化肥（NPKM）處理，且有相應(yīng)的氮肥利用率[19]（NUE）或產(chǎn)量數(shù)據(jù)。

式中，Nt為施氮處理下作物的吸氮量，N0為不施氮處理下作物的吸氮量，F(xiàn)t為氮肥的總施用量。

（3）每個(gè)處理至少3次重復(fù)；（4）有試驗(yàn)前0—20 cm土層的基本理化指標(biāo)。對(duì)于每個(gè)獨(dú)立試驗(yàn)還要能夠獲得以下相關(guān)信息：試驗(yàn)點(diǎn)的地理位置（經(jīng)度和緯度）、試驗(yàn)點(diǎn)所處的氣候條件（氣候類型、年降雨量、年均溫、年日照時(shí)長）等。經(jīng)篩選后，符合條件的文獻(xiàn)110篇，有效數(shù)據(jù)412組。根據(jù)我國七大地理區(qū)劃及種植制度等，本文中全國分為五大區(qū)域：東北、華北、華東、西北和南方地區(qū)。表1為具體的文獻(xiàn)數(shù)量及試驗(yàn)點(diǎn)位分布。圖1為配施有機(jī)肥與單施化肥響應(yīng)比的頻數(shù)分布，符合高斯分布（正態(tài)分布），滿足Meta分析的必需要求。

對(duì)于氮肥利用率的影響因素，我們根據(jù)文獻(xiàn)及數(shù)據(jù)情況進(jìn)行了分組。其中，施氮量的劃分主要是參考于飛[20]對(duì)施氮量的分析，并結(jié)合本文的研究內(nèi)容和收集的數(shù)據(jù)情況進(jìn)行分組；土壤養(yǎng)分指標(biāo)的分組主要是依據(jù)我國第二次土壤普查時(shí)土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[21]劃分，例如土壤有機(jī)質(zhì)含量，一級(jí)、二級(jí)為一個(gè)級(jí)別（＞30 g·kg-2），三級(jí)為一個(gè)級(jí)別（20—30 g·kg-2），四級(jí)、五級(jí)和六級(jí)為一個(gè)級(jí)別（≤20 g·kg-2）；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，年均降雨量、年均溫、年日照時(shí)數(shù)和無霜期各氣候因子的分組分別參考尚宗波[22]、方曉[23]、李慧群[24]、寧曉菊[25]等對(duì)各氣候因子分布規(guī)律的研究進(jìn)行劃分（例如年均降雨量，統(tǒng)分為三組：≤600 mm、600— 1 200 mm和＞1 200 mm）。

M和SE分別為平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤；曲線為數(shù)據(jù)的高斯分布，P 為顯著性檢驗(yàn)

表1 研究獲取的文獻(xiàn)數(shù)、試驗(yàn)點(diǎn)位分布

1.2 研究方法

在進(jìn)行文獻(xiàn)數(shù)據(jù)搜集時(shí)，如果文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)是以圖的形式表示，則用GetData Graph Digitizer 2.24[26]軟件來提取。若文獻(xiàn)中提供的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)誤（SE），則標(biāo)準(zhǔn)差（SD）可通過公式（1）進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

式中，n 是重復(fù)次數(shù)。統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)采用響應(yīng)比（response ratios，RR）表示，并計(jì)算其95%的置信區(qū)間（95% CI）。其計(jì)算公式為：

RR=(NUEt/NUEc) （2）

式中，NUEt和NUEc分別是處理組（NPKM）和對(duì)照組（NPK）變量NUE的平均值。在分析過程中，需要將RR對(duì)數(shù)化，采用自然對(duì)數(shù)響應(yīng)比（lnRR）來反映施用有機(jī)肥對(duì)NUE的影響程度并由以下計(jì)算可得[27]：

lnRR=ln(NUEt)-ln(NUEc) （3）

整合分析通過對(duì)每個(gè)獨(dú)立研究的響應(yīng)比進(jìn)行加權(quán)，得出加權(quán)平均響應(yīng)（RR++）。另外平均值變異系數(shù)（V）、權(quán)重系數(shù)wij、R++、RR++的標(biāo)準(zhǔn)差（S）和95%的置信區(qū)間（CI）可通過以下計(jì)算獲得[28]：

95%CI=R++±1.96S(RR++) （8）

1.3 數(shù)據(jù)分析

Meta分析合并計(jì)數(shù)資料的響應(yīng)比得出加權(quán)平均響應(yīng)前，需明確試驗(yàn)處理之間及各試驗(yàn)結(jié)果是否存在異質(zhì)性（處理間或不同研究結(jié)果間的變異是否由隨機(jī)誤差引起）。因此，采用卡方檢驗(yàn)（Chi-square test）進(jìn)行異質(zhì)性檢驗(yàn)，如檢驗(yàn)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[31]。

采用MetaWin 2.1軟件進(jìn)行Meta分析[32]。在Meta分析中，針對(duì)不同土壤因素和氣候條件，比較NPKM相比NPK處理對(duì)NUE的影響程度。對(duì)于每篇文獻(xiàn)中的觀測(cè)值，可以使用響應(yīng)值來評(píng)估NPKM較NPK處理NUE的增加量（響應(yīng)值大小可以反映處理組相比對(duì)照組的影響效果[33]）。在數(shù)據(jù)分析過程中，還分別考慮了我國不同地區(qū)NPKM與NPK處理間NUE的差異，運(yùn)用SPSS 軟件11.0（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和顯著性檢驗(yàn)，如＜0.05，則認(rèn)為NPKM與NPK處理的NUE存在顯著差異。

隨機(jī)森林方法則是運(yùn)用R語言中的軟件包“randomForest”來計(jì)算各因素對(duì)有機(jī)肥“增效”作用的貢獻(xiàn)率[34]。

2 結(jié)果

2.1 化肥配施有機(jī)肥對(duì)NUE的影響

如圖2所示，總體來說， NPK和NPKM處理下我國的平均氮肥利用率分別為31.2%和34.8%， NPKM較NPK處理下高3.6個(gè)百分點(diǎn)。從各區(qū)域來看，東北地區(qū)的氮肥利用率較高，NPK和NPKM處理的氮肥利用率分別為45.0%和47.3%，但兩者間無顯著差異。在華北、華東、南方和西北地區(qū)，氮肥利用率在NPKM處理均較NPK處理下顯著增加，其中NPK處理下分別為31.1%、32.3%、30.0%和24.9%，NPKM處理下分別為35.6%、35.0%、32.8%和33.6%，提高了2.7—8.9個(gè)百分點(diǎn)。

圖中不同的小寫字母表示差異顯著（P＜0.05）；中間實(shí)線代表中位數(shù)，虛線代表平均數(shù)，箱圖的上下兩邊分別代表75%和25%的百分位數(shù)，誤差線分別代表樣本的最大值和最小值；n代表樣本數(shù)

2.2 “增效”作用隨施氮量的變化差異

總體來看，氮肥利用率隨施氮量的增加呈下降趨勢(shì)（圖3-a）。在合理施氮量范圍（120—360 kg·hm-2）內(nèi)，隨著施氮量的增加，NPK和NPKM處理的氮肥利用率差異逐漸減小。通過整合分析（圖3-b）發(fā)現(xiàn)，與NPK相比，在低施氮量（≤120 kg·hm-2）時(shí)，NPKM處理的氮肥利用率顯著提高了17.2%；在中等施氮量（120— 240 kg·hm-2和240—360 kg·hm-2）時(shí)，NPKM處理氮肥利用率分別顯著提高了12.6%和12.9%；在高量施氮（＞360 kg·hm-2）時(shí)，NPKM的氮肥利用率顯著提高了19.0%，但有機(jī)肥的“增效”作用在各施氮量間未達(dá)到顯著差異。在東北地區(qū)（圖3-c），NPKM的“增效”作用在施氮量非常低（≤100 kg·hm-2）的情況下不明顯，在施氮量稍高（≥200 kg·hm-2）的情況下較強(qiáng)；在華東和南方地區(qū)，NPKM的“增效”作用在不同施氮量下均不明顯；而在華北和西北地區(qū)，NPKM處理顯著提高了作物的氮肥利用率，但隨著施氮量的增加“增效”作用會(huì)逐漸減弱。

2.3 土壤性狀對(duì)有機(jī)肥“增效”作用的影響

整合分析結(jié)果表明（圖4），與NPK相比，在不同土壤養(yǎng)分條件下NPKM均能顯著提高作物的氮肥利用率，但不同養(yǎng)分水平上對(duì)氮肥利用率的提高幅度存在差異。有機(jī)肥配施的“增效”作用隨有機(jī)質(zhì)含量的增加而降低，但差異不顯著。土壤有效磷水平對(duì)有機(jī)肥“增效”作用沒有顯著影響。土壤全氮含量是影響有機(jī)肥“增效”作用的關(guān)鍵因素，在土壤全氮含量≤1 g·kg-1時(shí)，配施有機(jī)肥后NUE的增幅可達(dá)26.3%，分別是土壤全氮含量1—1.5 g·kg-1和＞1.5 g·kg-1時(shí)增幅的2.7倍和2.3倍?；逝涫┯袡C(jī)肥后，在土壤有效氮含量≤60 mg·kg-1的土壤上NUE增幅18.7%，而在有效氮含量＞60 mg·kg-1的土壤上NUE增幅12.6%左右。在速效鉀含量＞150 mg·kg-1時(shí)，有機(jī)肥的“增效”幅度為28.6%，顯著高于50—150 mg·kg-1時(shí)的“增效”幅度（8.0%）。土壤的酸堿性也是限制有機(jī)肥“增效”作用的一個(gè)重要因素，隨著土壤pH的升高有機(jī)肥的“增效”幅度增大，在堿性（pH＞7.5）土壤上有機(jī)肥的“增效”幅度是酸性（pH≤6.5）土壤上的1.8倍。

2.4 氣候因素對(duì)有機(jī)肥“增效”作用的影響

在不同氣候類型下，化肥配施有機(jī)肥均能顯著提高作物的氮肥利用率，其中在溫帶大陸性氣候增幅最大（39.3%），分別是溫帶季風(fēng)性氣候區(qū)和亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)的2.2倍和4.1倍（圖5）。有機(jī)肥的“增效”作用隨著年均降雨量（AAR）、年均溫（MAT）和無霜期（FFD）的增加而降低，在AAR≤600 mm、MAT≤12℃和FFD≤175 d的地區(qū)均可達(dá)到20%以上，而在AAR＞1 200 mm、MAT＞16℃和FFD＞250 d的地區(qū)均只有9%左右。有機(jī)肥的“增效”幅度在年日照時(shí)數(shù)（ASD）＞2 200 h的地區(qū)稍高，達(dá)到17%以上，而在≤2 200 h的地區(qū)為11.3%。

圖a和c中黑色圓點(diǎn)和實(shí)線代表化肥對(duì)照組（NPK），空心三角和虛線代表有機(jī)肥處理組（NPKM）。圖b中點(diǎn)和誤差線分別代表響應(yīng)比及其95%的置信區(qū)間，如果誤差線沒有跨越零線表示處理和對(duì)照存在顯著差異；括號(hào)內(nèi)的數(shù)值和百分?jǐn)?shù)分別代表樣本數(shù)和施肥響應(yīng)百分?jǐn)?shù)

2.5 各因素對(duì)有機(jī)肥“增效”作用的貢獻(xiàn)率

如圖6所示，從全國尺度來看，土壤因素對(duì)有機(jī)肥“增效”作用的總貢獻(xiàn)率達(dá)到55%，比氣候因素的總貢獻(xiàn)率（32.2%）高22.8個(gè)百分點(diǎn)，其中土壤因素中AK和SOM的貢獻(xiàn)率相對(duì)較高，分別達(dá)到12.7%和10.4%，氣候因素中AAR的貢獻(xiàn)率較高，達(dá)到8.7%，而施氮量（N rate）和作物類型（Crop）的貢獻(xiàn)率分別為8.3%和4.6%。從我國不同地區(qū)來看，東北地區(qū)土壤因素中SOM的貢獻(xiàn)率最高，達(dá)到19.0%，比其他因素高4.8—13.8個(gè)百分點(diǎn)；華北地區(qū)土壤因素中TN和SOM的貢獻(xiàn)率相對(duì)較高，分別達(dá)到14.3%和13.0%，氣候因素中除FFP的貢獻(xiàn)率達(dá)到12.8%外，AAR、MAT、ASD的貢獻(xiàn)率均相對(duì)較低；華東地區(qū)ASD、土壤pH和施氮量三者的貢獻(xiàn)率相對(duì)較高，均在10%以上，土壤因素中TN的貢獻(xiàn)率最低，僅為3.5%；南方地區(qū)氣候因素中AAR的貢獻(xiàn)率最高，達(dá)到14.4%，是土壤因素中AK貢獻(xiàn)率（9.6%）的1.5倍，是作物類型貢獻(xiàn)率（3.8%）的3.8倍；西北地區(qū)作物類型和氣候因素是影響有機(jī)肥“增效”作用的主要因素，Crop、AAR和FFP的貢獻(xiàn)率分別為27.2%、18.6%和15.5%，土壤因素中除AP的貢獻(xiàn)率達(dá)到了13.5%外，其他土壤因素的貢獻(xiàn)率均近似于0。

點(diǎn)和誤差線分別代表響應(yīng)比及其95%的置信區(qū)間，如果誤差線沒有跨越零線表示處理和對(duì)照存在顯著差異；括號(hào)內(nèi)的數(shù)值、百分?jǐn)?shù)及字符分別代表樣本數(shù)、施肥響應(yīng)百分?jǐn)?shù)和單位。SOM：土壤有機(jī)質(zhì)含量，pH：土壤酸堿度，AP：土壤速效磷含量，TN：土壤全氮含量，AN：土壤有效氮含量，AK：土壤速效鉀含量

3 討論

3.1 施用有機(jī)肥對(duì)我國不同地區(qū)氮肥利用率的影響

總的來看，與NPK相比，NPKM顯著提高了我國糧食作物上的氮肥利用效率（圖2），其原因一方面可能是有機(jī)肥的施用直接增加了磷鉀及微量元素的投入。據(jù)朱兆良[35]等估算我國有機(jī)肥資源每年可提供氮、磷、鉀養(yǎng)分約7 400萬噸?；袅值萚36]的研究也發(fā)現(xiàn)施入有機(jī)肥后土壤磷鉀含量明顯提高，且隨著有機(jī)肥用量的提高而提高。另外，有機(jī)肥還可以作為提供作物鋅、錳等微量元素的良好肥源，提高土壤鋅、錳等元素的有效性[37]。有機(jī)肥中的有機(jī)碳可提高作物根系生物量及根系分泌物含量，進(jìn)而提高土壤微生物生物量碳氮及土壤養(yǎng)分含量[38-40]；另一方面，有機(jī)肥的施用能夠改善土壤的理化性狀，例如降低土壤的容重和緊實(shí)度，提高土壤總孔隙度，使土壤變的疏松多孔，有利于養(yǎng)分的運(yùn)輸和吸收[36]。劉汝亮等[9]的研究也表明有機(jī)肥的施用能夠提高土壤的保水保肥性，減少養(yǎng)分的損失，進(jìn)而提高氮素的利用效率。圖4和圖5也表明，配施有機(jī)肥在不同土壤養(yǎng)分或氣候條件下均有顯著的“增效”作用。

點(diǎn)和誤差線分別代表響應(yīng)比及其95%的置信區(qū)間，如果誤差線沒有跨越零線表示處理和對(duì)照存在顯著差異；括號(hào)內(nèi)的數(shù)值、百分?jǐn)?shù)及字符分別代表樣本數(shù)、施肥響應(yīng)百分?jǐn)?shù)和單位

長柱后的數(shù)字代表土壤和氣候因素對(duì)有機(jī)肥“增效”作用的貢獻(xiàn)率。AK：土壤速效鉀含量，SOM：土壤有機(jī)質(zhì)含量，pH：土壤酸堿度，AAR：年均降雨量，TN：土壤全氮含量，F(xiàn)FP：無霜期，N Rate：施氮量，AP：土壤速效磷含量，MAT：年均溫，ASD：年日照時(shí)長，AN：土壤有效氮含量，Crop：作物類型

但從區(qū)域上來看，東北地區(qū)施用有機(jī)肥未顯著提高作物的氮肥利用率，其原因可能是東北地區(qū)土壤肥沃，有機(jī)質(zhì)含量高，外源有機(jī)物料的補(bǔ)充在當(dāng)季沒有顯著的增產(chǎn)增效作用[41-43]。在針對(duì)全國的土壤和氣候條件進(jìn)行整合分析時(shí)，東北地區(qū)的數(shù)據(jù)量相對(duì)較少，且東北三省間的土壤屬性和氣候條件也存在一定的差異，因此整合分析的過程中有可能沒有將東北地區(qū)的特殊性表現(xiàn)出來。在華東、華北、南方及西北地區(qū)，施用有機(jī)肥后氮肥利用率顯著提高了2.7—8.9個(gè)百分點(diǎn)。各區(qū)域間“增效”作用差異的原因是土壤狀況和氣候條件等環(huán)境因素影響了有機(jī)肥的施用效果，例如在肥力較高的土壤上，其本身的碳氮庫已經(jīng)達(dá)到平衡，有機(jī)肥的過多施用反而會(huì)引起土壤中“爭氮效應(yīng)”的發(fā)生[44-45]；氣候條件能夠影響土壤氮的釋放、轉(zhuǎn)化和有效性，從而影響到作物對(duì)氮肥的吸收利用[18]。

3.2 不同土壤條件及氣候因素下配施有機(jī)肥對(duì)氮肥利用率的影響

土壤和氣候條件是影響氮肥利用率的重要因素[7-8,46]。由于我國土壤類型豐富，養(yǎng)分含量差異較大，因此盡管有機(jī)肥的“增效”作用均有隨著土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和有效氮含量的增加而降低的趨勢(shì)，但是統(tǒng)計(jì)差異不顯著（圖4）。有機(jī)肥的輸入可以提高土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量，提升土壤的肥力[47-48]，而土壤肥力越高，作物的氮肥利用率通常也較高[49-50]，因此，對(duì)于低肥力土壤，尤其應(yīng)考慮通過有機(jī)肥的施用來提高其綜合生產(chǎn)能力，進(jìn)而提高其作物氮肥利用率。但有機(jī)肥的“增效”作用在有效鉀含量較高時(shí)反而更佳，其原因可能是作物吸收養(yǎng)分時(shí)K+和NH4+存在競爭作用，有機(jī)肥的施用能夠緩解其競爭作用[51]，提高作物對(duì)氮素的吸收。另外，本文收集到的AK≤50 mg·kg-1數(shù)據(jù)較少，且分布于我國的華北、華東和南方3個(gè)地區(qū)，由于這3個(gè)地區(qū)的土壤類型和氣候條件存在差異，因而有機(jī)肥在AK≤50 mg·kg-1時(shí)的“增效”作用誤差較大，還有待進(jìn)一步研究。

本研究還表明，有機(jī)肥的“增效”在pH較高的土壤上優(yōu)于低pH土壤，這可能是堿性條件下，氨揮發(fā)作用強(qiáng)[52-53]，而有機(jī)肥的施用可以促進(jìn)氨的轉(zhuǎn)化[54]，減少損失，促進(jìn)其長效利用。但有機(jī)肥的“增效”在中性和酸性土壤上無顯著差異，其原因可能是本文所收集到的酸性土壤多為弱酸性土壤（5.5≤pH＜6.5），有機(jī)肥在酸性土上的“增效”作用未能充分顯現(xiàn)。有研究表明緩控釋肥在堿性土壤上增加產(chǎn)量和氮素吸收量的效果優(yōu)于酸性和中性土壤[46,55]。但是，也有研究表明，化肥配施有機(jī)肥可改良土壤酸化，提高土壤氮有效性[56]，促進(jìn)氮素吸收利用。因此，有關(guān)不同pH土壤上有機(jī)肥的施用效果及機(jī)制尚有待進(jìn)一步研究。

化肥配施有機(jī)肥對(duì)氮肥利用率的提升效果在我國溫帶大陸性氣候區(qū)顯著優(yōu)于溫帶季風(fēng)區(qū)和亞熱帶季風(fēng)區(qū)（圖5），而我國氣候區(qū)間的主要差異在于降雨量和溫度，有研究表明，在干旱年份有機(jī)肥的減氮增產(chǎn)作用更加明顯，且對(duì)氮肥利用率的提升效果顯著[57]；高溫、多雨的氣候條件下不僅會(huì)加速有機(jī)肥分解同時(shí)也會(huì)增加養(yǎng)分的損失，因此低溫、少雨的地區(qū)有機(jī)肥可以更好的發(fā)揮其保溫保水性，更利于激發(fā)土壤中微生物的活性，促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收[58-59]。本文對(duì)各氣候要素下有機(jī)肥施用效果的分析發(fā)現(xiàn)，降雨量、年均溫、無霜期水平越低，日照時(shí)長越長，其“增效”作用越強(qiáng)。前人關(guān)于水稻的研究也表明，在我國北方地區(qū)施用緩控釋肥可取得較南方更好的效果[46]。

3.3 影響有機(jī)肥“增效”作用的主控因素

總體來看，土壤因素是影響有機(jī)肥“增效”作用的主要因素（圖6），因?yàn)橥寥朗亲魑锷L的直接載體，土壤性狀的變化會(huì)直接影響作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用[43,60]。但是，在不同區(qū)域影響有機(jī)肥施用效果的因素不同。影響有機(jī)肥“增效”作用的因素在東北區(qū)，首先是土壤有機(jī)質(zhì)含量，其次是年均降雨量和無霜期，在華北區(qū)是全氮、有機(jī)質(zhì)和無霜期，在西北區(qū)是作物類型、年均降雨量和無霜期?？梢?，在我國北方地區(qū)，年均降雨量和無霜期是影響有機(jī)肥施用效果的主要?dú)夂蛞蛩兀@些都是難以通過人為活動(dòng)來調(diào)控的，而對(duì)于可調(diào)控的土壤性質(zhì)來說，影響有機(jī)肥施用效果的是有機(jī)質(zhì)含量，我們就可以通過對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的調(diào)節(jié)來提高作物的氮肥利用率；在華東區(qū)，氮肥施用量和土壤pH是影響有機(jī)肥“增效”作用的主要因素，應(yīng)關(guān)注該地區(qū)是否存在氮肥施用過量以及土壤酸堿度問題。在西北地區(qū)，作物類型是影響有機(jī)肥“增效”作用的主要因素，其原因可能是西北地區(qū)糧食作物以小麥-玉米輪作體系為主，施有機(jī)肥在玉米生長季節(jié)處于水熱同步，能夠大量礦化提供充足養(yǎng)分，充分發(fā)揮有機(jī)肥的“增效”作用，而在小麥季，有機(jī)肥雖能起到一定的保溫作用，但養(yǎng)分的釋放較慢，有機(jī)肥的“增效”作用會(huì)受到一定的影響[61]。在南方地區(qū)，土壤速效鉀含量是影響有機(jī)肥“增效”作用的主要因素，這可能是由于我國南方土壤鉀含量普遍較低，而有機(jī)肥中的速效鉀并不足以滿足作物生長需要[62-63]，因此在施用有機(jī)肥時(shí)應(yīng)同時(shí)施用鉀肥來提高作物對(duì)氮的吸收。

4 結(jié)論

總體來說，在我國農(nóng)田化肥配施有機(jī)肥可提高氮肥利用率，提高幅度約為3.6個(gè)百分點(diǎn)。但區(qū)域間提高幅度存在差異，在溫帶大陸性氣候區(qū)的提高幅度分別是溫帶季風(fēng)性氣候區(qū)和亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)的2.2倍和4.1倍，具體表現(xiàn)為西北＞華北＞南方＞華東和東北。在土壤全氮含量≤1 g·kg-1的地區(qū)、低溫干旱的地區(qū)，尤其應(yīng)考慮通過有機(jī)肥的施用來提高其綜合生產(chǎn)能力?？傮w來說土壤因素是影響有機(jī)肥“增效”作用的主控因素，但地區(qū)間的主控因素存在差異，在北方地區(qū)應(yīng)注意土壤有機(jī)質(zhì)的培育，在南方應(yīng)注意土壤pH變化及鉀肥的適量施用，以更有效地發(fā)揮有機(jī)肥的效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增效的目的。

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Effect of Manure Application on Nitrogen Use Efficiency of Crops in China: A Meta-Analysis

REN KeYu1, DUAN YingHua1, XU MingGang1, ZHANG XuBo2

(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081;2Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences/Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling, Beijing 100101)

【】Combined chemical fertilizers with manure is one of the important approaches to improve the nitrogen use efficiency (NUE) of crops. Nowadays, rare studies focused on systematic comparison and analysis of combine chemical fertilizers with manure on nitrogen use efficiency in different regions of China. In addition, NUE is affected by many factors, such as nitrogen application amount, soil properties and the climatic conditions and even most of them are in the specific regions. Therefore, this study was carried out to explore the effects of chemical fertilizers combined with manure on NUE, and quantify the response of NUE to manure application in different soils and climatic regions, so as to give the guidance on sustaining regional agricultural development and provide an important theoretical basis for reducing fertilizer application. 【】This study was conducted based on a database of NUE including 412 sets on NPKMNPK, which were collected from 110 published articles with wheat, maize and rice. We analyzed the differences of NUE between the treatment of NPK and NPKM in five regions in China by Meta-analysis, and quantified the contribution of main controlling factors on positive manure affects by random Forest analysis. 【】Compared with NPK, NPKM treatment increased the NUE by 3.6%. NPKM treatment significantly increased the NUE of crops in all regions except the Northeast China. The highest enhancement was found at Northwestern China, followed by Northern China, Southern Region and Eastern China. Soil organic matter, pH, available potassium and total nitrogen were the main factors affecting the “positive effect” of manure on NUE. The increment of NUE by manure application was higher in the soils with lower organic matter content than that in the soils with high organic matter content. The increase of NUE in alkaline soils with manure applied was 1.3 and 1.8 times higher than those on neutral and acidic soils, respectively. The improvement of NUE by manure application varied among climate regions: temperate continental climate zone＞temperate monsoon climate zone＞subtropical monsoon climate zone. 【】The application of manure could significantly increase the NUE of crops, especially in northwestern areas with low organic matter content and less rainfall.

nitrogen use efficiency; manure; nitrogen application rate; soil properties; climate; regional differences; Meta- analysis

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.17.007

2019-03-18；

2019-05-07

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0200301）、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41471247）、北京市自然科學(xué)基金（6142018）、土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（Y412201405）

任科宇，E-mail：1173557108@qq.com。通信作者段英華，E-mail：daunyinghua@caas.cn。通信作者張旭博，E-mail：zhangxb@igsnrr.ac.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）