我國不同區域糧食作物產量對有機肥施用的響應差異

任科宇，徐明崗，張露，2，段英華*，王伯仁，3*

（1.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室，北京 100081；2.吉林農業大學資源與環境學院，長春 130118；3.祁陽農田生態系統國家野外試驗站，湖南 祁陽 426182）

保證糧食安全是我國經濟和社會可持續發展的重要基礎。近幾十年，我國的糧食生產取得了舉世矚目的成就，以世界9%的耕地養育了世界22%的人口[1]。2018 年，我國小麥、玉米和水稻的產量分別為5 416、6 104 kg·hm-2和7 027 kg·hm-2，較1961 年增產近5 倍，與此同時，我國農田的肥料投入量也在持續增加，尤其是化學氮肥，達到2 065萬t[2]。大量的化肥投入雖然提高了我國作物的產量，但同時也造成了土壤退化、大氣污染、水體富營養化等一系列環境問題[3-4]。施用有機肥是一項常見的培肥措施，通常來說，化肥配施有機肥不僅可以改善土壤的理化性質，而且能夠提高作物的產量[5-7]。但是，Dawe等[8]對亞洲25 個稻田長期定位試驗研究發現，相對于單施化肥，配施有機肥并沒有顯著提高水稻的產量?？梢?，有機肥的增產作用在不同區域和不同田塊上均有差異，會受到土壤和氣候因素的影響。因此，明確化肥配施有機肥的增產效果及其適宜的區域，對于我國糧食的進一步增產和有機肥的合理施用具有重要意義。

在我國湖南紅壤地區18 年的長期定位試驗研究表明，相對于單施化肥，化肥配施有機肥后玉米的籽粒產量、秸稈生物量和植株生物量分別顯著增加了61.5%、76.1%和68.2%[9]。在我國西南紫色土地區8年定位試驗結果也同樣表明，玉米的產量在有機肥50%替代化肥處理下比100%有機替代和單施化肥處理分別顯著增加13.5%和12.5%[10]。孟琳等[11]對我國江蘇省的水稻研究表明，在施氮量240 kg·hm-2條件下，相對于單施化肥，有機肥部分替代化肥可顯著提高作物產量。然而，Liu 等[12]對我國祁陽、鄭州、烏魯木齊、昌平和楊凌5 個長期定位試驗的研究表明，除祁陽外，其他4 個試驗點在配施有機肥處理下小麥和玉米的產量相對于單施化肥均沒有顯著增加。劉紅江等[13]通過不同有機替代比例對水稻產量影響的研究發現，各有機肥替代比例下水稻的產量并沒有顯著提高，甚至低于單施化肥處理。此外，Duan 等[14]還發現有機肥對玉米的增產效果優于小麥?？梢?，施用有機肥對作物產量的影響在不同土壤、氣候和作物上差異較大[15-17]。但是，不同區域上有機肥增產效果的差異原因，以及氣候因素和土壤性質對增產效果的貢獻尚不清楚，有待整合全國的數據進行綜合分析。

本文搜集了國內外已發表的有關施肥對作物產量影響的文章，整合分析了化肥配施有機肥對我國主要糧食作物產量的影響及其區域差異，明確了不同氣候條件和土壤性質對有機肥增產效果的貢獻，旨在為因地制宜地合理施用有機肥，進而促進作物高產提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究以“氮肥”“有機替代”和“產量”為關鍵詞，利用Web of Science、SpringerLink 和中國知網等數據庫進行文獻檢索，篩選條件為：①作物為小麥、玉米和水稻的大田試驗（中國）；②試驗處理包含不施肥（CK）、單施化肥（NPK）以及有機無機配施（NPKM）處理（NPK和NPKM 的總氮施用量相等），研究結果有產量的數據；③每個處理的重復數不少于3 次；④有0～20 cm 土層試驗前的基本理化指標。此外，還要能夠獲得每個試驗相關的地理信息（經度和緯度）、氣候信息（氣候類型、年降雨量、年均溫、年日照時長）等。本研究中有機肥的類型主要包括腐熟的畜禽（豬、牛、雞等）糞便和商品有機肥，均在播種前作為基肥一次性施用。共獲得109篇文獻，402組有效數據，對有機無機配施與單施化肥處理產量的響應比進行了正態分布檢驗，符合整合分析的要求，圖1 為響應比的頻數分布。依據氣候特點和地理區劃，研究區域分為東北、西北、華北、華東和南方地區，各個區域的數據量及分布省份見表1。其中，12 個糧食主產區（缺少遼寧省數據）的數據量為301 組，占總數據量的75%，占比與我國糧食產出基本一致（2017 年全國13 個糧食主產區糧食產量占全國的76.2%[2]）。為了闡明不同氣候因子對有機肥增產的貢獻，將氣候類型分為溫帶季風氣候、溫帶大陸氣候和亞熱帶季風氣候；年均溫（MAT）、年均降雨量（AAR）、無霜期（FFP）和年日照時數（ASD）等也均分為高、中、低3 個水平[18-21]。根據第二次土壤普查時土壤養分分級標準[22]，土壤養分指標分為3 個水平，例如土壤全氮含量，將原1～2 級合為＞1.5 g·kg-1，原3 級為1～1.5 g·kg-1，原4～6 級合為≤1 g·kg-1。

圖1 NPKM與NPK產量響應比的分布Figure 1 Distribution of yield response ratio of NPKM to NPK

表1 各個地區的數據量分布Table 1 Data volume distribution in regions

1.2 數據計算

在進行文獻數據搜集時，文獻中圖的數據用Get-Data Graph Digitizer 2.24[23]提取。同組數據包含NPK（對照組）和NPKM（處理組）的產量、重復數（n）以及標準差（SD）。文獻中只提供標準誤（SE）的通過公式（1）轉化為標準差（SD）：

整合分析采用MetaWin 2.1 軟件進行[24]。本研究中相對于NPK，NPKM 處理下產量增加的百分數（產量增幅）用計算，其中R++為加權響應比，是對每個獨立試驗響應比（Response ratios，R）的加權，由公式（2）計算[25]：

式（2）中：m是分組數（例如，不同的氣候類型或土壤養分水平）；ki是第i分組的總比較對數；j表示第i分組的總比較對數（ki）中的第j對；wij表示權重系數，用平均值的變異系數（V）的倒數表示：

式（4）中：Yt、SDt和nt分別代表NPKM 處理產量的平均值、標準差和樣本數；Yc、SDc和nc分別代表NPK 處理產量的均值、標準差和樣本數。響應比（R）用公式（5）進行計算，并對其進行對數化（lnR）處理以反映配施有機肥對產量的影響程度[26]：

R++的95%置信區間（95% CI）若未包含零點，則表示相比NPK，NPKM 處理對產量影響顯著，反之則表示沒有顯著影響[27]，通過式（7）計算：

S（R++）表示R++的標準差：

此外，在合并響應比計算加權平均響應比前，需采用卡方檢驗（Chi-square test）對各試驗處理及結果進行異質性檢驗，若檢驗結果P＞0.05，則表示無異質性，選擇固定效應模型，否則選擇隨機效應模型[28]。

在本研究中增產率計算方法與產量增幅（產量增加的百分數）不同，計算增產率時，首先利用（YNPKMYNPK）/YNPK×100%公式計算每組數據的增產率值，然后再求增產率的均值，用于比較各個地區施用有機肥后作物產量的提升情況。

各因素影響有機肥增產效果的重要度用R 語言中的軟件包Random Forest進行計算[29]。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理作物的產量

如圖2所示，總體來說，在不施肥（CK）處理下，我國糧食作物的平均產量為4 719 kg·hm-2，施用化肥（NPK）和配施有機肥（NPKM）后作物的產量分別顯著增加2 403、2 744 kg·hm-2（P＜0.05）。在CK、NPK 和NPKM 處理下，我國小麥的產量分別為3 263、5 337 kg·hm-2和5 564 kg·hm-2，玉米的產量分別為5 853、8 660 kg·hm-2和9 226 kg·hm-2，水稻的產量分別為4 844、7 215 kg·hm-2和7 511 kg·hm-2。對于小麥、玉米和水稻，在NPKM 處理下作物的產量較NPK 處理分別顯著增加了227、566 kg·hm-2和296 kg·hm-2。

2.2 我國不同區域有機肥的增產率

圖2 不同施肥處理下作物的產量Figure 2 The yield of crops under different fertilization treatments

圖3 為不同區域的主要糧食作物NPKM 較NPK相比的增產率。就全國來說，NPKM 處理下我國玉米的增產率最高，為7.6%，其次為小麥（5.6%），最低為水稻（4.5%）。區域上，玉米的增產率在華北最高，為10.9%，較其他區域高1.2～8.0 個百分點，在南方地區最低，為2.9%。小麥的增產率高低依次為西北（11.0%）、華北（5.2%）、南方（3.0%）和華東（1.4%）。水稻的增產率在華東和南方區域分別為3.9%和5.0%?？梢?，有機肥的增產效果在區域上存在差異，我國華北和華東地區在玉米季配施有機肥后產量提升效果更佳，西北地區在小麥季配施有機肥效果優于玉米和水稻季，在南方地區，有機肥對產量的提升效果在水稻季優于小麥和玉米季。

2.3 氣候因素對有機肥增產效果的影響

總體來說，相對于NPK，NPKM 處理在不同氣候類型下均能顯著提高作物的產量，其中在溫帶大陸性氣候和溫帶季風性氣候下的產量增幅較大，分別比亞熱帶季風性氣候條件下（3.7%）高4.9、2.9 個百分點（圖4）。從各氣候因素來看，年均降雨量（AAR）、年均溫（MAT）和無霜期（FFD）越少（或越低、越短），有機肥配施處理的產量增幅越高，在AAR≤600 mm、MAT≤12 ℃和FFD≤175 d 的地區均超過7.3%，是其他水平的2 倍左右。有機肥處理的產量增幅在ASD＞2 600 h的地區為6.7%，在ASD≤2 600 h的地區不超過4.4%。

2.4 土壤性狀對有機肥增產效果的影響

圖4 配施有機肥在不同氣候條件下對產量的影響Figure 4 Effect of NPKM on yield under different climatic conditions

綜合不同養分的土壤來說，作物產量在NPKM 處理下較NPK 增加了4.7%（圖5）。有機肥配施處理的產量增幅在土壤有機質含量≤20 g·kg-1時為6.0%，有機質含量＞20 g·kg-1為4.3%～4.8%，但差異不顯著。NPKM 處理作物的產量在全氮含量≤1 g·kg-1地區的增幅（7.7%）分別是全氮含量1～1.5 g·kg-1和＞1.5 g·kg-1地區的2.2 倍和1.6 倍。不同土壤堿解氮、有效磷和速效鉀水平下，有機肥處理的產量增幅無顯著差異。土壤的酸堿度也是影響有機肥增產的主要因素，堿性（pH＞7.5）土壤產量增幅為6.3%，分別比pH≤6.5和6.5＜pH≤7.5 土壤高1.4、2.4 個百分點?？傮w來看，在土壤肥力較低的地區，配施有機肥后作物產量的增幅較高。

2.5 各因素影響有機肥增產效果的重要度

從圖6 可知，土壤因素影響有機肥對糧食作物增產效果的總重要度為61.0%，氣候因素的總重要度為39.0%。其中，土壤因素中SOM、AK、pH 和TN 的重要度相對較高，均超過10.4%，氣候因素中降雨量和無霜期的重要度較高，分別達到11.1%和10.2%。對于三大糧食作物，影響有機肥增產效果的主控因素存在差異。對于小麥和水稻，降雨量是影響有機肥增產作用的首要因素；對于玉米，無霜期和年均溫是影響有機肥增產作用的首要因素。土壤養分含量水平對有機肥增產率的影響較低，對小麥、玉米和水稻來說，AK、AP 和pH 分別是影響有機肥施用效果的因素之一。

3 討論

總體而言，配施有機肥能顯著提高我國糧食作物的產量（圖2），其原因一是有機肥含有豐富的養分，不僅帶入氮磷鉀等營養物質，還為土壤微生物提供了碳源，提高了微生物活性，加速了養分的循環轉化[30-32]；其二，有機肥的配施可以降低土壤容重，增加孔隙度、團聚體含量等，促進養分的運輸和作物的吸收。有機肥的保水保肥性還可降低化肥養分的流失，保證作物生長所需的養分[7]。但是，配施有機肥對作物的增產效果在作物類型和區域上存在一定的差異。

配施有機肥處理下，小麥和玉米的增產效果優于水稻（圖3），其原因可能是作物對于不同形態氮源的吸收具有偏向選擇性，一般而言，玉米和小麥等旱作植物偏好于硝態氮，水稻則偏好于銨態氮[33]，而有機肥的施用會促進銨態氮向硝態氮的轉化。這是因為相對于單施化肥，有機肥的配施增加了大量的有效碳源，提高了微生物的生物量和活性，一方面促進微生物同化更多的銨態氮進入土壤活性有機氮庫，另一方面還能夠提高氮素轉化過程中異養硝化的無機過程[34]，因此，配施有機肥能為玉米和小麥提供更多的氮素養分。此外，小麥和玉米的產量對配施有機肥的響應也存在差異，主要是由于小麥早期生長階段溫度較低，不利于有機肥的礦化和土壤本身各種養分的釋放，限制小麥對養分的吸收，而玉米則相反，早期生長階段溫度較高，有機肥的礦化能為玉米提供更加充足的養分[14]；而且小麥在苗期對磷素的缺乏較為敏感[35]，玉米對缺磷的敏感期在生長后期[36]，在小麥苗期有機肥礦化緩慢，難以提供充足的磷，導致小麥和玉米對有機肥響應具有差異。區域上有機肥的增產差異與作物類型也存在一定的內在聯系，我國東北地區主要以種植玉米和水稻為主，西北和華北地區以種植小麥和玉米為主，而南方和華東則以種植水稻為主[37]，導致我國西北、東北和華北地區有機肥的增產效果優于南方和華東地區。從氣候因素來看，配施有機肥后作物產量的增幅在降雨量較少、年均溫較低的溫帶大陸性氣候區和溫帶季風氣候區大于高溫多雨的亞熱帶季風氣候區（圖4），這是由于有機肥的配施能夠很好地防止土壤中水分的損失，提高土壤地表溫度，促進作物的生長[38-39]。氣候因素中年均降雨量是影響小麥和水稻有機肥增產作用的主控因素，主要是由于小麥和水稻在各個生育時期對水分的需求量較大，有機肥的施用起到很好的保水作用[39-40]；年均溫和無霜期是影響玉米有機肥增產作用的主控因素，因為玉米是喜溫性作物，低溫會抑制玉米的發芽和發育，霜凍前不能正常成熟，籽粒質量下降[41]，配施有機肥可以起到很好的保溫作用。

土壤中有機質和全氮含量越低，有機肥的增產效果越顯著（圖5），因為在高肥力土壤上，作物本身的產量較高，有機肥的配施雖然能夠提高土壤中有機質和速效養分的含量，維持土壤肥力，但對于產量的進一步提升空間較小?？傮w來看，在土壤肥力較低的地區，配施有機肥后作物產量的增幅較高，可能是因為有機肥提供的碳源和養分對低肥力土壤來說更及時有效地起到了培肥地力和供給作物養分吸收的作用。有機肥對產量的提升作用在不同pH土壤上沒有顯著差異，而陳志科等[42]發現有機肥的施用可改良土壤酸化，使作物增產11%～39%。這主要是由于本研究收集的土壤pH 多介于5.5～6.5 之間，土壤未達到嚴重酸化，有機肥的增產作用并不明顯。因此，配施有機肥在不同pH 土壤上的增產作用及機制還需進一步探討。

4 結論

（1）總體來說，相對于單施化肥，配施有機肥后我國糧食作物產量平均增幅約4.7%，但作物和區域間存在一定的差異。增產率在作物間表現為：玉米＞小麥＞水稻；在區域間表現為：西北＞東北、華北＞南方＞華東。

（2）對于小麥和水稻，降雨量是影響有機肥增產效果的主要因素；對于玉米，無霜期和年均溫是影響有機肥增產效果的主要因素。

（3）在土壤有機質含量低于20 g·kg-1、全氮含量低于1 g·kg-1的地區，應考慮通過施用有機肥來提高土壤綜合生產能力。