應(yīng)多， 陳曉龍， 呂桂華， 王桂躍

(浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 東陽(yáng)玉米研究所，浙江 東陽(yáng) 322100)

為應(yīng)對(duì)有限的耕地和人口的急劇增長(zhǎng)帶來(lái)的糧食需求壓力，我國(guó)不斷加強(qiáng)農(nóng)田集約化管理來(lái)推進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1]。作為最為普遍的農(nóng)業(yè)管理措施之一，化肥的施用對(duì)促進(jìn)作物生長(zhǎng)，保證作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要作用[2]。如今中國(guó)已成為世界上最大的化肥生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，超過(guò)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(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)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(duì)糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)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(huì)導(dǎo)致肥料利用率降低，造成土壤質(zhì)量退化以及農(nóng)業(yè)面源污染等一系列農(nóng)業(yè)問(wèn)題，嚴(yán)重制約了我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[6]。因此，合理的施肥策略對(duì)于減少氮損失、保障糧食安全和保護(hù)環(huán)境至關(guān)重要[7]。

近年來(lái)國(guó)家對(duì)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展愈加重視，控制化肥用量，實(shí)現(xiàn)“化肥零增長(zhǎng)”成為關(guān)鍵任務(wù)之一，為此秸稈和畜禽糞便等農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用替代部分化肥被廣泛用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。研究[8-10]表明，有機(jī)肥分解能夠?yàn)樽魑锾峁┥L(zhǎng)所需的養(yǎng)分，同時(shí)也能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤微生物和酶活性。循環(huán)利用農(nóng)業(yè)廢棄物能維持作物產(chǎn)量和培肥地力，同時(shí)減少有機(jī)資源利用不足帶來(lái)的環(huán)境污染，對(duì)糧食綠色高產(chǎn)高效具有十分重要的意義。大量研究[11-14]表明，施用生物質(zhì)炭、秸稈和沼液等有機(jī)肥料能夠提高作物產(chǎn)量。然而，也有部分研究[15-17]發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)肥料會(huì)導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降。因此，明確施用有機(jī)肥對(duì)作物產(chǎn)量的影響規(guī)律，對(duì)制定合理的肥料施用策略有重要意義[18]。

華北平原是我國(guó)主要糧食產(chǎn)區(qū)之一，糧食產(chǎn)量約占全國(guó)總量的32%[19]，對(duì)于我國(guó)糧食安全與保障具有重要意義。麥玉輪作作為我國(guó)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(chǎn)量占我國(guó)玉米總產(chǎn)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(yuǎn)低于年投入量(550～600 kg·hm-2)[23]，在保證作物產(chǎn)量的同時(shí)，也產(chǎn)生了大量秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物。

Meta分析是一種對(duì)同類(lèi)單個(gè)研究結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法[24]，可以定量化綜合現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析某種措施的綜合效應(yīng)[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(kāi)發(fā)表文章的124組田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用Meta分析方法定量評(píng)估有機(jī)肥料施用類(lèi)型以及有機(jī)無(wú)機(jī)肥料配施比例對(duì)于玉米產(chǎn)量的影響，揭示土壤屬性和其他試驗(yàn)條件對(duì)玉米產(chǎn)量的影響規(guī)律，以期為華北地區(qū)作物高產(chǎn)和資源高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

基于中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)和Web of science數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵詞“玉米”“作物產(chǎn)量”和“有機(jī)肥”(有機(jī)肥、秸稈、農(nóng)家肥、畜禽糞便、生物質(zhì)炭、綠肥)進(jìn)行檢索，搜集截至2019年11月國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)。根據(jù)本研究的目的以及Meta分析對(duì)數(shù)據(jù)的要求，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行如下篩選：(1)試驗(yàn)區(qū)域位于中國(guó)華北平原農(nóng)業(yè)區(qū)(河北、河南、山東、安徽北部、北京、天津)，大田試驗(yàn)；(2)施用有機(jī)肥為處理組，單施化肥為對(duì)照組，其他試驗(yàn)條件一致；(3)試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括玉米產(chǎn)量平均值及標(biāo)準(zhǔn)差(或標(biāo)準(zhǔn)誤、變異系數(shù))，或各重復(fù)產(chǎn)量數(shù)據(jù)；(4)處理重復(fù)數(shù)≥3；(5)如果文獻(xiàn)中含有多年試驗(yàn)數(shù)據(jù)，僅選取最新數(shù)據(jù)。通過(guò)以上篩選條件，最終得到文獻(xiàn)共計(jì)39篇，共124組玉米產(chǎn)量數(shù)據(jù)。同時(shí)提取試驗(yàn)地點(diǎn)、有機(jī)肥施用方式、試驗(yàn)周期、氣候/土壤因子和氮施用量等數(shù)據(jù)信息。

1.2 數(shù)據(jù)分類(lèi)

根據(jù)文獻(xiàn)中有機(jī)肥種類(lèi)，將有機(jī)肥分為農(nóng)家肥、堆肥、商品有機(jī)肥、秸稈、生物炭和腐解生物炭；有機(jī)肥施用方式分為單施有機(jī)肥、有機(jī)肥替代部分化肥和有機(jī)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(gè)等級(jí)；將土壤質(zhì)地條件分為黏質(zhì)、壤質(zhì)、砂質(zhì)；pH分為<6.5、6.5～7.5、>7.5；土壤有機(jī)質(zhì)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(yàn)周期分為<2 a、2～10 a、>10 a。

1.3 數(shù)據(jù)分析

在搜集文獻(xiàn)時(shí)，若數(shù)據(jù)變異是以標(biāo)準(zhǔn)誤或變異系數(shù)形式給出，則通過(guò)公式轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)差,本研究通過(guò)軟件MetaWin 2.1分析。如果95%置信區(qū)間不包含0，則表示有機(jī)肥施用與單施化肥之間作物產(chǎn)量的總體效應(yīng)具有統(tǒng)計(jì)顯著性；反之說(shuō)明無(wú)顯著影響[27]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

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

2 結(jié)果與分析

2.1 施用不同類(lèi)型的有機(jī)肥對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

圖1顯示了不同種類(lèi)的有機(jī)肥施用對(duì)玉米產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，有機(jī)肥料施用顯著提升了玉米產(chǎn)量。而不同類(lèi)型有機(jī)肥對(duì)玉米產(chǎn)量的影響各不相同，其中，生物炭、秸稈和腐解秸稈作為有機(jī)肥施用對(duì)玉米產(chǎn)量均有顯著增產(chǎn)效果，其增產(chǎn)效應(yīng)為腐解秸稈>秸稈>生物炭。其中腐解秸稈作為有機(jī)肥的試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏少。施用農(nóng)家肥對(duì)玉米產(chǎn)量也有一定的增產(chǎn)效果，但并無(wú)顯著影響。施用商品有機(jī)肥對(duì)玉米產(chǎn)量的影響呈現(xiàn)負(fù)效應(yīng)但不顯著；而堆肥對(duì)玉米產(chǎn)量無(wú)顯著影響。

圖1 施用有機(jī)肥種類(lèi)對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

2.2 有機(jī)肥與化肥聯(lián)合施用對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

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

圖2 有機(jī)肥與化肥聯(lián)合施用對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

2.3 不同土壤條件下有機(jī)肥施用對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

在不同土壤條件下施用有機(jī)肥對(duì)玉米產(chǎn)量的影響存在一定的差異(圖3)。不同的土壤質(zhì)地、pH值以及有機(jī)質(zhì)含量的土壤施用有機(jī)肥對(duì)玉米產(chǎn)量均有顯著影響。在不同土壤質(zhì)地中，砂土和壤土玉米的增產(chǎn)幅度分別為4.15%和3.47%。pH值偏酸(<6.5)或偏堿(>7.5)時(shí)，施用有機(jī)肥對(duì)玉米產(chǎn)量的增產(chǎn)效果相對(duì)較低。當(dāng)pH值在6.5～7.5之間時(shí)，施用有機(jī)肥對(duì)玉米的增產(chǎn)效果更優(yōu)。有機(jī)質(zhì)含量越高，施用有機(jī)肥對(duì)玉米產(chǎn)量的增產(chǎn)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(duì)有機(jī)肥施用的增產(chǎn)作用具有顯著差異且以含量在1～1.5 g·kg-1時(shí)效果最好，增幅達(dá)6.75%。

圖3 土壤質(zhì)地、pH值、有機(jī)質(zhì)含量以及全氮含量與有機(jī)肥施用對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

2.4 其他因素對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

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

圖4 溫度和降水量對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

不同總氮投入量有機(jī)肥對(duì)玉米產(chǎn)量的影響存在差異(圖5)。過(guò)低或過(guò)高的總氮施用量下均會(huì)造成玉米產(chǎn)量損失，在總氮施用量過(guò)低時(shí)(0～150 kg·hm-2)，玉米產(chǎn)量下降了4.99%；總氮施用量過(guò)高時(shí)(>250 kg·hm-2)，玉米產(chǎn)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(jī)肥能使玉米增產(chǎn)1.75%。

圖5 總氮施用量對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

有機(jī)肥試驗(yàn)周期對(duì)玉米產(chǎn)量的增產(chǎn)作用存在差異(圖6)。試驗(yàn)初期，隨著試驗(yàn)周期增長(zhǎng)，玉米的增產(chǎn)效應(yīng)也隨之增強(qiáng)。當(dāng)試驗(yàn)周期低于2 a時(shí)，玉米產(chǎn)量增加了3.99%；當(dāng)試驗(yàn)周期持續(xù)在2～10 a時(shí)，增產(chǎn)效果有所上升，達(dá)到了6.08%。然而隨著試驗(yàn)周期持續(xù)增長(zhǎng)，玉米產(chǎn)量沒(méi)有呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)。當(dāng)試驗(yàn)周期高于10 a時(shí)，增產(chǎn)效果相對(duì)減弱，為5.1%。

圖6 試驗(yàn)周期對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

3 小結(jié)與結(jié)論

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

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

在不同土壤條件下有機(jī)肥料對(duì)玉米產(chǎn)量增加幅度的影響有一定的差異。本文數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在砂土中有機(jī)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(jī)肥改變了土壤結(jié)構(gòu)，提高了其保水蓄墑能力，使其增產(chǎn)效果更為顯著。例如生物質(zhì)炭作為有機(jī)肥料在砂土中增產(chǎn)效果高于壤土[35]，一方面有利于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成[36]，另一方面可顯著提高土壤對(duì)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(chǎn)效果。但由于采集數(shù)據(jù)為單個(gè)研究，受區(qū)域氣候條件、時(shí)間、施肥種類(lèi)、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(huì)產(chǎn)生不一樣的結(jié)果。Yu等[39]發(fā)現(xiàn)，在黏壤土中秸稈覆蓋對(duì)玉米產(chǎn)量的增產(chǎn)效果更好。在不同土壤pH值下有機(jī)肥料均顯著提高作物產(chǎn)量，且以中性條件效果最好，這主要因?yàn)閜H值在6.5～7.5時(shí)土壤養(yǎng)分及微生物活性最佳，最利于作物生長(zhǎng)[40-41]。有機(jī)質(zhì)和總氮含量的差異對(duì)施用有機(jī)肥料后玉米增產(chǎn)效果不同。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量是反映土壤綜合肥力的重要指標(biāo)[42]，往往與作物產(chǎn)量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。結(jié)果顯示，隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加，施肥增產(chǎn)效應(yīng)逐漸提高。隨著土壤全氮含量的增加，對(duì)玉米產(chǎn)量提高的幅度呈先降低后增加趨勢(shì)。一方面可能因?yàn)榈貙?duì)作物生長(zhǎng)的影響較大，增施氮肥能夠顯著地提高作物產(chǎn)量[43]，且在土壤低氮水平下，增施氮肥的增產(chǎn)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(jìn)而弱化施肥增產(chǎn)的效應(yīng)，為氮肥減施提供依據(jù)[45]。

溫度和降雨量對(duì)施加有機(jī)肥料后玉米產(chǎn)量的增產(chǎn)效果影響不同。當(dāng)溫度>15 ℃時(shí)，施用有機(jī)肥料對(duì)玉米增產(chǎn)效果更為顯著；當(dāng)年降水量低于600 mm時(shí)，施用有機(jī)肥料對(duì)玉米有顯著的增產(chǎn)效果。可能是因?yàn)槠骄鶞囟仍礁?，土壤溫度相?yīng)升高，有利于有機(jī)物分解[46]。此外，有機(jī)肥中的氮素主要以有機(jī)態(tài)存在，通過(guò)土壤微生物的礦化作用才能轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)氮形態(tài)，被植物吸收利用[47]，而低溫與高降水量可能會(huì)抑制土壤微生物的活性和土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率，無(wú)法滿(mǎn)足作物生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分的需求，從而在一定程度上減弱了增產(chǎn)效應(yīng)。

不同總氮投入條件下施加有機(jī)肥料對(duì)玉米產(chǎn)量的影響存在差異。在不同的總氮投入條件下施加有機(jī)肥料，作物產(chǎn)量呈現(xiàn)“低-高-低”的趨勢(shì)。相關(guān)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(jī)肥料處理玉米產(chǎn)量增加，而超過(guò)閾值后，施氮量過(guò)高，產(chǎn)量不僅不再增加，反而下降，這與我們的數(shù)據(jù)分析結(jié)果一致。這可能與施氮量過(guò)高會(huì)影響作物光合能力相關(guān)[18]，且作物產(chǎn)量的提高也受到了碳氮配施等條件的限制[30]。隨著試驗(yàn)時(shí)間的增長(zhǎng)，施加有機(jī)肥料對(duì)玉米的增產(chǎn)效果會(huì)呈現(xiàn)升高后小幅度降低的現(xiàn)象，其原因可能是試驗(yàn)初期的肥料處理中次生養(yǎng)分和微量元素隨著時(shí)間的推移而增加，同時(shí)改善了土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和土壤水氮礦化能力，增加了微生物多樣性[50]，從而使產(chǎn)量增加。然而，進(jìn)入長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)后(>10 a)的增產(chǎn)效果相對(duì)減弱，可能是由于試驗(yàn)期間連續(xù)施加有機(jī)肥料使該地區(qū)整體土壤肥力升高，相對(duì)弱化了施肥增產(chǎn)的效應(yīng)，研究[45]顯示，連續(xù)施肥較不施肥處理對(duì)單季水稻產(chǎn)量提高的幅度較低也印證這一類(lèi)似結(jié)果。

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