我国不同区域粮食作物产量对有机肥施用的响应差异

任科宇，徐明岗，张露，2，段英华*，王伯仁，3*

（1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081；2.吉林农业大学资源与环境学院，长春 130118；3.祁阳农田生态系统国家野外试验站，湖南 祁阳 426182）

保证粮食安全是我国经济和社会可持续发展的重要基础。近几十年，我国的粮食生产取得了举世瞩目的成就，以世界9%的耕地养育了世界22%的人口[1]。2018 年，我国小麦、玉米和水稻的产量分别为5 416、6 104 kg·hm-2和7 027 kg·hm-2，较1961 年增产近5 倍，与此同时，我国农田的肥料投入量也在持续增加，尤其是化学氮肥，达到2 065万t[2]。大量的化肥投入虽然提高了我国作物的产量，但同时也造成了土壤退化、大气污染、水体富营养化等一系列环境问题[3-4]。施用有机肥是一项常见的培肥措施，通常来说，化肥配施有机肥不仅可以改善土壤的理化性质，而且能够提高作物的产量[5-7]。但是，Dawe等[8]对亚洲25 个稻田长期定位试验研究发现，相对于单施化肥，配施有机肥并没有显著提高水稻的产量。可见，有机肥的增产作用在不同区域和不同田块上均有差异，会受到土壤和气候因素的影响。因此，明确化肥配施有机肥的增产效果及其适宜的区域，对于我国粮食的进一步增产和有机肥的合理施用具有重要意义。

在我国湖南红壤地区18 年的长期定位试验研究表明，相对于单施化肥，化肥配施有机肥后玉米的籽粒产量、秸秆生物量和植株生物量分别显著增加了61.5%、76.1%和68.2%[9]。在我国西南紫色土地区8年定位试验结果也同样表明，玉米的产量在有机肥50%替代化肥处理下比100%有机替代和单施化肥处理分别显著增加13.5%和12.5%[10]。孟琳等[11]对我国江苏省的水稻研究表明，在施氮量240 kg·hm-2条件下，相对于单施化肥，有机肥部分替代化肥可显著提高作物产量。然而，Liu 等[12]对我国祁阳、郑州、乌鲁木齐、昌平和杨凌5 个长期定位试验的研究表明，除祁阳外，其他4 个试验点在配施有机肥处理下小麦和玉米的产量相对于单施化肥均没有显著增加。刘红江等[13]通过不同有机替代比例对水稻产量影响的研究发现，各有机肥替代比例下水稻的产量并没有显著提高，甚至低于单施化肥处理。此外，Duan 等[14]还发现有机肥对玉米的增产效果优于小麦。可见，施用有机肥对作物产量的影响在不同土壤、气候和作物上差异较大[15-17]。但是，不同区域上有机肥增产效果的差异原因，以及气候因素和土壤性质对增产效果的贡献尚不清楚，有待整合全国的数据进行综合分析。

本文搜集了国内外已发表的有关施肥对作物产量影响的文章，整合分析了化肥配施有机肥对我国主要粮食作物产量的影响及其区域差异，明确了不同气候条件和土壤性质对有机肥增产效果的贡献，旨在为因地制宜地合理施用有机肥，进而促进作物高产提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究以“氮肥”“有机替代”和“产量”为关键词，利用Web of Science、SpringerLink 和中国知网等数据库进行文献检索，筛选条件为：①作物为小麦、玉米和水稻的大田试验（中国）；②试验处理包含不施肥（CK）、单施化肥（NPK）以及有机无机配施（NPKM）处理（NPK和NPKM 的总氮施用量相等），研究结果有产量的数据；③每个处理的重复数不少于3 次；④有0～20 cm 土层试验前的基本理化指标。此外，还要能够获得每个试验相关的地理信息（经度和纬度）、气候信息（气候类型、年降雨量、年均温、年日照时长）等。本研究中有机肥的类型主要包括腐熟的畜禽（猪、牛、鸡等）粪便和商品有机肥，均在播种前作为基肥一次性施用。共获得109篇文献，402组有效数据，对有机无机配施与单施化肥处理产量的响应比进行了正态分布检验，符合整合分析的要求，图1 为响应比的频数分布。依据气候特点和地理区划，研究区域分为东北、西北、华北、华东和南方地区，各个区域的数据量及分布省份见表1。其中，12 个粮食主产区（缺少辽宁省数据）的数据量为301 组，占总数据量的75%，占比与我国粮食产出基本一致（2017 年全国13 个粮食主产区粮食产量占全国的76.2%[2]）。为了阐明不同气候因子对有机肥增产的贡献，将气候类型分为温带季风气候、温带大陆气候和亚热带季风气候；年均温（MAT）、年均降雨量（AAR）、无霜期（FFP）和年日照时数（ASD）等也均分为高、中、低3 个水平[18-21]。根据第二次土壤普查时土壤养分分级标准[22]，土壤养分指标分为3 个水平，例如土壤全氮含量，将原1～2 级合为＞1.5 g·kg-1，原3 级为1～1.5 g·kg-1，原4～6 级合为≤1 g·kg-1。

图1 NPKM与NPK产量响应比的分布Figure 1 Distribution of yield response ratio of NPKM to NPK

表1 各个地区的数据量分布Table 1 Data volume distribution in regions

1.2 数据计算

在进行文献数据搜集时，文献中图的数据用Get-Data Graph Digitizer 2.24[23]提取。同组数据包含NPK（对照组）和NPKM（处理组）的产量、重复数（n）以及标准差（SD）。文献中只提供标准误（SE）的通过公式（1）转化为标准差（SD）：

整合分析采用MetaWin 2.1 软件进行[24]。本研究中相对于NPK，NPKM 处理下产量增加的百分数（产量增幅）用计算，其中R++为加权响应比，是对每个独立试验响应比（Response ratios，R）的加权，由公式（2）计算[25]：

式（2）中：m是分组数（例如，不同的气候类型或土壤养分水平）；ki是第i分组的总比较对数；j表示第i分组的总比较对数（ki）中的第j对；wij表示权重系数，用平均值的变异系数（V）的倒数表示：

式（4）中：Yt、SDt和nt分别代表NPKM 处理产量的平均值、标准差和样本数；Yc、SDc和nc分别代表NPK 处理产量的均值、标准差和样本数。响应比（R）用公式（5）进行计算，并对其进行对数化（lnR）处理以反映配施有机肥对产量的影响程度[26]：

R++的95%置信区间（95% CI）若未包含零点，则表示相比NPK，NPKM 处理对产量影响显著，反之则表示没有显著影响[27]，通过式（7）计算：

S（R++）表示R++的标准差：

此外，在合并响应比计算加权平均响应比前，需采用卡方检验（Chi-square test）对各试验处理及结果进行异质性检验，若检验结果P＞0.05，则表示无异质性，选择固定效应模型，否则选择随机效应模型[28]。

在本研究中增产率计算方法与产量增幅（产量增加的百分数）不同，计算增产率时，首先利用（YNPKMYNPK）/YNPK×100%公式计算每组数据的增产率值，然后再求增产率的均值，用于比较各个地区施用有机肥后作物产量的提升情况。

各因素影响有机肥增产效果的重要度用R 语言中的软件包Random Forest进行计算[29]。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理作物的产量

如图2所示，总体来说，在不施肥（CK）处理下，我国粮食作物的平均产量为4 719 kg·hm-2，施用化肥（NPK）和配施有机肥（NPKM）后作物的产量分别显著增加2 403、2 744 kg·hm-2（P＜0.05）。在CK、NPK 和NPKM 处理下，我国小麦的产量分别为3 263、5 337 kg·hm-2和5 564 kg·hm-2，玉米的产量分别为5 853、8 660 kg·hm-2和9 226 kg·hm-2，水稻的产量分别为4 844、7 215 kg·hm-2和7 511 kg·hm-2。对于小麦、玉米和水稻，在NPKM 处理下作物的产量较NPK 处理分别显著增加了227、566 kg·hm-2和296 kg·hm-2。

2.2 我国不同区域有机肥的增产率

图2 不同施肥处理下作物的产量Figure 2 The yield of crops under different fertilization treatments

图3 为不同区域的主要粮食作物NPKM 较NPK相比的增产率。就全国来说，NPKM 处理下我国玉米的增产率最高，为7.6%，其次为小麦（5.6%），最低为水稻（4.5%）。区域上，玉米的增产率在华北最高，为10.9%，较其他区域高1.2～8.0 个百分点，在南方地区最低，为2.9%。小麦的增产率高低依次为西北（11.0%）、华北（5.2%）、南方（3.0%）和华东（1.4%）。水稻的增产率在华东和南方区域分别为3.9%和5.0%。可见，有机肥的增产效果在区域上存在差异，我国华北和华东地区在玉米季配施有机肥后产量提升效果更佳，西北地区在小麦季配施有机肥效果优于玉米和水稻季，在南方地区，有机肥对产量的提升效果在水稻季优于小麦和玉米季。

2.3 气候因素对有机肥增产效果的影响

总体来说，相对于NPK，NPKM 处理在不同气候类型下均能显著提高作物的产量，其中在温带大陆性气候和温带季风性气候下的产量增幅较大，分别比亚热带季风性气候条件下（3.7%）高4.9、2.9 个百分点（图4）。从各气候因素来看，年均降雨量（AAR）、年均温（MAT）和无霜期（FFD）越少（或越低、越短），有机肥配施处理的产量增幅越高，在AAR≤600 mm、MAT≤12 ℃和FFD≤175 d 的地区均超过7.3%，是其他水平的2 倍左右。有机肥处理的产量增幅在ASD＞2 600 h的地区为6.7%，在ASD≤2 600 h的地区不超过4.4%。

2.4 土壤性状对有机肥增产效果的影响

图4 配施有机肥在不同气候条件下对产量的影响Figure 4 Effect of NPKM on yield under different climatic conditions

综合不同养分的土壤来说，作物产量在NPKM 处理下较NPK 增加了4.7%（图5）。有机肥配施处理的产量增幅在土壤有机质含量≤20 g·kg-1时为6.0%，有机质含量＞20 g·kg-1为4.3%～4.8%，但差异不显著。NPKM 处理作物的产量在全氮含量≤1 g·kg-1地区的增幅（7.7%）分别是全氮含量1～1.5 g·kg-1和＞1.5 g·kg-1地区的2.2 倍和1.6 倍。不同土壤碱解氮、有效磷和速效钾水平下，有机肥处理的产量增幅无显著差异。土壤的酸碱度也是影响有机肥增产的主要因素，碱性（pH＞7.5）土壤产量增幅为6.3%，分别比pH≤6.5和6.5＜pH≤7.5 土壤高1.4、2.4 个百分点。总体来看，在土壤肥力较低的地区，配施有机肥后作物产量的增幅较高。

2.5 各因素影响有机肥增产效果的重要度

从图6 可知，土壤因素影响有机肥对粮食作物增产效果的总重要度为61.0%，气候因素的总重要度为39.0%。其中，土壤因素中SOM、AK、pH 和TN 的重要度相对较高，均超过10.4%，气候因素中降雨量和无霜期的重要度较高，分别达到11.1%和10.2%。对于三大粮食作物，影响有机肥增产效果的主控因素存在差异。对于小麦和水稻，降雨量是影响有机肥增产作用的首要因素；对于玉米，无霜期和年均温是影响有机肥增产作用的首要因素。土壤养分含量水平对有机肥增产率的影响较低，对小麦、玉米和水稻来说，AK、AP 和pH 分别是影响有机肥施用效果的因素之一。

3 讨论

总体而言，配施有机肥能显著提高我国粮食作物的产量（图2），其原因一是有机肥含有丰富的养分，不仅带入氮磷钾等营养物质，还为土壤微生物提供了碳源，提高了微生物活性，加速了养分的循环转化[30-32]；其二，有机肥的配施可以降低土壤容重，增加孔隙度、团聚体含量等，促进养分的运输和作物的吸收。有机肥的保水保肥性还可降低化肥养分的流失，保证作物生长所需的养分[7]。但是，配施有机肥对作物的增产效果在作物类型和区域上存在一定的差异。

配施有机肥处理下，小麦和玉米的增产效果优于水稻（图3），其原因可能是作物对于不同形态氮源的吸收具有偏向选择性，一般而言，玉米和小麦等旱作植物偏好于硝态氮，水稻则偏好于铵态氮[33]，而有机肥的施用会促进铵态氮向硝态氮的转化。这是因为相对于单施化肥，有机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，一方面促进微生物同化更多的铵态氮进入土壤活性有机氮库，另一方面还能够提高氮素转化过程中异养硝化的无机过程[34]，因此，配施有机肥能为玉米和小麦提供更多的氮素养分。此外，小麦和玉米的产量对配施有机肥的响应也存在差异，主要是由于小麦早期生长阶段温度较低，不利于有机肥的矿化和土壤本身各种养分的释放，限制小麦对养分的吸收，而玉米则相反，早期生长阶段温度较高，有机肥的矿化能为玉米提供更加充足的养分[14]；而且小麦在苗期对磷素的缺乏较为敏感[35]，玉米对缺磷的敏感期在生长后期[36]，在小麦苗期有机肥矿化缓慢，难以提供充足的磷，导致小麦和玉米对有机肥响应具有差异。区域上有机肥的增产差异与作物类型也存在一定的内在联系，我国东北地区主要以种植玉米和水稻为主，西北和华北地区以种植小麦和玉米为主，而南方和华东则以种植水稻为主[37]，导致我国西北、东北和华北地区有机肥的增产效果优于南方和华东地区。从气候因素来看，配施有机肥后作物产量的增幅在降雨量较少、年均温较低的温带大陆性气候区和温带季风气候区大于高温多雨的亚热带季风气候区（图4），这是由于有机肥的配施能够很好地防止土壤中水分的损失，提高土壤地表温度，促进作物的生长[38-39]。气候因素中年均降雨量是影响小麦和水稻有机肥增产作用的主控因素，主要是由于小麦和水稻在各个生育时期对水分的需求量较大，有机肥的施用起到很好的保水作用[39-40]；年均温和无霜期是影响玉米有机肥增产作用的主控因素，因为玉米是喜温性作物，低温会抑制玉米的发芽和发育，霜冻前不能正常成熟，籽粒质量下降[41]，配施有机肥可以起到很好的保温作用。

土壤中有机质和全氮含量越低，有机肥的增产效果越显著（图5），因为在高肥力土壤上，作物本身的产量较高，有机肥的配施虽然能够提高土壤中有机质和速效养分的含量，维持土壤肥力，但对于产量的进一步提升空间较小。总体来看，在土壤肥力较低的地区，配施有机肥后作物产量的增幅较高，可能是因为有机肥提供的碳源和养分对低肥力土壤来说更及时有效地起到了培肥地力和供给作物养分吸收的作用。有机肥对产量的提升作用在不同pH土壤上没有显著差异，而陈志科等[42]发现有机肥的施用可改良土壤酸化，使作物增产11%～39%。这主要是由于本研究收集的土壤pH 多介于5.5～6.5 之间，土壤未达到严重酸化，有机肥的增产作用并不明显。因此，配施有机肥在不同pH 土壤上的增产作用及机制还需进一步探讨。

4 结论

（1）总体来说，相对于单施化肥，配施有机肥后我国粮食作物产量平均增幅约4.7%，但作物和区域间存在一定的差异。增产率在作物间表现为：玉米＞小麦＞水稻；在区域间表现为：西北＞东北、华北＞南方＞华东。

（2）对于小麦和水稻，降雨量是影响有机肥增产效果的主要因素；对于玉米，无霜期和年均温是影响有机肥增产效果的主要因素。

（3）在土壤有机质含量低于20 g·kg-1、全氮含量低于1 g·kg-1的地区，应考虑通过施用有机肥来提高土壤综合生产能力。