稻麦轮作体系下有机肥施用对作物产量和土壤性质影响的整合分析
发布时间：2021-06-29
摘要为明确稻麦轮作系统有机肥施用对作物产量和土壤性质的影响，搜集已公开发表的文献数据，利用meta分析法定量分析了有机肥类型(普通有机肥、生物质炭、秸秆)、施用策略(单施有机肥、有机肥配施部分化肥、有机肥配施全量化肥)、施用年限(短期、中期、长期)对稻麦产量和土壤性质的影响及其对不同土壤条件(酸性、中性、碱性)的响应。结果表明：与单施化肥相比，有机肥施用对水稻和小麦的增产效应相近，分别为3.1%和3.0%。有机肥施用对土壤性质的提升效果更明显，显著降低了土壤容重(5.7%)，显著提高了土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷、速效钾、微生物生物量碳和氮量，增幅达11.7%~38.4%。不同类型有机肥中，生物质炭和普通有机肥对土壤性质的改良效果优于秸秆;与单施有机肥相比，有机肥配施化肥的作物增产效果更好，而土壤性质改良效果较差;随着有机肥施用年限增加，作物增产和土壤肥力提升效应逐渐增强;在酸性土壤条件下有机肥施用对作物的增产效果最显著。土壤容重与稻麦周年产量呈显著负相关关系，而土壤全氮、速效磷、速效钾和微生物生物量氮与稻麦周年产量呈显著正相关关系。
关键词稻麦轮作系统;有机肥;作物产量;土壤性质;整合分析
稻麦轮作是我国农业生产中重要的种植方式之一，主要分布在长江中下游地区，面积约1300万hm2，产量占全国粮食总产量的25%以上[1]。水稻、小麦的稳产增产对保障国家粮食安全起着至关重要的作用[2-3]。在过去的农田管理中，农户过分追求作物产量的行为导致化肥的大量施用，化肥利用效率处于较低水平[4]，引起了一系列生态环境问题。为降低化肥使用量，缓解化肥对环境的污染，有机肥替代部分化肥的施用措施成为关键技术之一[5]，并且在2018年我国农业农村部发布的《农业绿色发展导则(2018—2030年)》[6]中也指出要重点推广有机养分替代化肥技术。
已有研究表明，配施有机肥可使我国粮食作物产量显著提高4.7%[7]。蔡岸冬等[8]通过整合分析发现，有机肥施用比单施化肥能显著提高土壤总有机碳和矿质结合有机碳的含量。也有研究表明，有机肥和化肥的施用均能提高土壤微生物总量，但提升幅度有机肥高于化肥[9]。但石正平等[10]的研究指出，上海地区水稻秸秆全量还田使下一季小麦产量下降。此外，其他相关研究也指出，生物质炭和污泥堆肥的施用对作物产量有负效应[11-12]。可见，不同研究报道的有机物料施用效果不尽相同。
整合(meta)分析是对若干独立研究的统计结果进行综合分析的定量统计方法[13]。本文通过对已发表文献进行数据搜集，采用meta分析方法，定量分析不同有机肥类型、有机肥施用策略、有机肥施用年限对稻麦轮作系统作物产量和土壤性质的影响，为稻麦轮作区有机肥施用管理提供参考。
1材料与方法
1.1文献来源与筛选
本研究自2020年4月开展。所搜集的文献来源于“中国知网”和“WebofScience”核心数据库，以“有机肥(Organicfertilizer)”、“畜禽粪便(Manure)”、“堆肥(Compost)”、“秸秆(Straw)”、“生物质炭(Biochar)”和“稻麦(Rice-wheat)”为主要关键词进行检索，再根据以下条件进行筛选获取数据：1)中国大陆的大田试验，排除盆栽等培养试验和调查类文献;2)严格的处理(单施有机肥或有机肥配施化肥)和对照(单施化肥);3)至少包含一种目标变量，即作物产量或土壤特性;4)数据要有平均值、样本数量和标准差/误(为了使分析结果更为全面，将缺少标准差/误的试验也纳入);5)排除稻-稻-麦轮作模式。最终共筛选到符合条件的文献162篇，其中中文文献109篇，英文文献53篇。
1.2数据提取
从选取的文献中提取了试验地点、试验年限、试验地初始土壤性质、施用有机肥种类、稻麦产量和土壤性质指标。其中，土壤性质包括物理性质：容重;化学性质：pH值、全氮、全磷、有机质、碱解氮、速效磷和速效钾;生物学性质：微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)。对于部分文献中以柱状图或折线图呈现数据的，利用Getdata2.26软件进行数据提取。
1.3数据分组
数据分组情况详见表1。初始土壤中全氮和有机质含量按照全国第二次土壤普查养分分级标准分为低、中、高3个等级;土壤pH值则分为酸性、中性和碱性;根据施肥年限的长短分为短期、中期和长期施肥;有机肥类型分为普通有机肥(畜禽粪便、堆肥、沼液和商品有机肥等)、秸秆和生物质炭。
2结果与分析
2.1有机肥施用对作物产量和土壤性质影响的异质性检验
利用Q检验(Q值代表效应值的标准化平方和，Q值越大，异质性越大)和I2检验(I2值代表各部分效应值异质性在总效应值异质性中所占的比重，I2值越大，异质性越大)对有机肥施用下作物产量和土壤性质进行异质性分析(表2)，结果表明，稻麦作物产量和各土壤性质指标异质性检验均达到显著水平，且I2值分布在41.4%~69.9%范围内，异质性在中等水平(异质性高、中、低划分临界值分别为75%、50%和25%[17])。根据异质性检验结果，本研究采用随机效应模型进行meta分析[18]。
2.2有机肥施用对作物产量的影响
总体来看，施用有机肥可显著促进水稻和小麦增产，增幅分别为3.1%和3.0%(图1)。不同类型有机肥中，生物质炭对稻麦的增产效应最好，增幅分别为5.5%和8.1%;秸秆还田的水稻和小麦产量增幅分别为4.5%和4.2%;普通有机肥则对稻麦产量无显著影响。不同有机无机配施方式中，有机肥配施全量化肥显著提高了水稻和小麦产量，增幅分别为5.8%和8.1%;有机肥替代部分化肥对水稻和小麦产量无显著影响;而单施有机肥显著降低了小麦产量(降幅7.7%)，水稻产量虽有降低，但未达显著水平。随着有机肥施用年限的增加，稻麦增产效应也逐渐增加，长期施肥(≥10年)对稻麦增产效应显著高于短期施肥(≤3年)。不同土壤条件下，有机肥施用对稻麦产量的作用效果也存在差异。在酸性土壤条件下，有机肥施用显著提高了水稻和小麦产量，但在中性和碱性条件下无显著影响。土壤全氮和有机质含量水平在“中”等以上时，有机肥施用显著促进水稻产量增长;但对小麦而言，在全氮含量较低以及有机质含量水平“中”等时，有机肥施用有增产效果。
2.3有机肥施用对土壤性质的影响
2.3.1土壤容重
有机肥施用能显著降低土壤容重(5.7%)(图2)。施用生物质炭对土壤容重的降低效果与普通有机肥类似，分别为6.9%和6.4%，秸秆还田效果略差，降幅为4.3%。有机肥配施全量化肥与单施有机肥对土壤容重的改良作用相当，容重分别降低了5.8%和56%。中性(降幅6.7%)和酸性土壤(降幅6.1%)条件下施用有机肥对土壤容重的改良效果优于碱性土壤(降幅4.0%)。
2.3.2土壤化学性质
有机肥施用显著提高了土壤有机质(19.1%)、全氮(11.7%)、全磷(24.9%)、碱解氮(23.9%)、速效磷(38.4%)和速效钾(19.1%)的含量，但对土壤pH值的影响效果不显著(图3)。
不同类型有机肥对土壤化学性质的影响不同。普通有机肥显著促进了土壤全氮(123.0%)、全磷(34.8%)、速效磷(68.1%)、速效钾(23.3%)和碱解氮(34.5%)含量的增加，提升效果优于施加生物质炭和秸秆还田;而生物质炭对土壤有机质的提升效果(26.9%)优于普通有机肥(18.9%)和秸秆还田(16.5%)。相对而言，秸秆对土壤化学性质的改良效果较差;单施有机肥较单施化肥可大幅提高土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮和速效钾含量，增幅16%~96%。有机肥配施全量化肥对土壤速效磷的作用效果最好，而有机肥配施部分化肥对土壤化学性质的影响效果较差。长期施用有机肥条件下，土壤全氮和速效磷含量增幅显著高于短期施肥，而有机质的提升效应略高于短期施肥，短期施肥则对碱解氮和速效钾的提升效应较强。
酸性土壤条件下，有机肥施用对土壤pH值、有机质、速效磷和速效钾含量的提升效应较强，增幅分别达31.2%、22.9%、80.4%和46.4%;而中性条件下则对全氮和全磷的提升效应较强;碱性条件下，对碱解氮的提升效应较强。随着土壤pH值的升高，有机肥施用对速效磷和速效钾的促进效应越来越弱，而对碱解氮的促进效应则越来越强。
2.3.3土壤生物学性质
由图4可知，有机肥施用显著提高了土壤MBC(37.4%)和MBN(25.9%)。不同类型有机肥中，秸秆还田和施用普通有机肥的土壤MBC的提升效果显著大于施用生物质炭。在不同有机无机配施方式中，有机肥配施全量化肥对MBC和MBN的促进效应较强。短期或长期施用有机肥均显著增加了MBC和MBN。不同土壤pH值条件下有机肥施用对MBC有显著影响，中性土壤条件下，有机肥施用对土壤MBC和MBN的促进效应最高。
2.4稻麦周年作物产量与各土壤性质间的相关性
有机肥施用对土壤物理、化学和生物学性质的加权效应值(LnR)与稻麦周年产量的相关性分析结果表明(图5)，土壤容重与稻麦周年产量呈显著负相关关系，而全氮、速效磷、速效钾和微生物生物量氮与稻麦周年产量的LnR呈显著或极显著正相关关系。
3讨论
3.1有机肥施用对稻麦产量和土壤性质的影响
本研究显示，有机肥施用显著提升了水稻和小麦产量。但有学者研究认为，粪肥施用显著增加小麦产量，而降低水稻产量[19]。这可能是由轮作制度的差异导致的，长期淹水的稻田土壤氧化还原电位低，土壤次生潜育化程度高，从而影响了水稻根系的生长。而本研究中水旱轮作制度使氧化还原过程交替进行，能够增加土壤微生物多样性，有利于有机物的矿化和养分有效性的增加，从而促进水稻产量增长[20]。
有机肥施用显著降低了土壤容重，主要是有机肥能够改善土壤孔隙状况，为土壤团粒结构的形成提供胶结剂，同时可促进植物根系生长，根系分泌物与矿物胶体的结合可改善土壤物理性能[21]。有机肥施用还可增加土壤养分库，提高土壤氮、磷总量的同时，加快腐殖酸对土壤养分的活化速度，从而保持了土壤速效养分的供应平衡[22]。与单施化肥相比，有机肥施用显著提升了MBC和MBN，主要原因可能是有机肥为微生物提供营养物质，增加了微生物数量，提高了微生物活性，同时改善了土壤结构，为微生物生长繁殖提供了良好的条件[23]。
稻麦周年作物产量与土壤容重、全氮、速效磷、速效钾和微生物生物量氮之间存在显著或极显著相关关系。说明有机肥施用可以增加土壤养分含量，改善土壤物理和生物学性质，从而增加作物产量。Du等[19]研究表明，粪肥施用对土壤容重、水稳性团聚体、酶活性、有机质、全氮、速效氮、磷、钾和微生物群落的改良效果与作物生长间具有显著相关性。Dai等[24]的研究表明，施加生物质炭通过提高土壤有机质和全氮含量来增加植物生产力。总之，施用有机肥可以改善土壤物理结构，丰富土壤养分库，提高土壤速效养分含量，从而提高作物产量[25]。
3.2有机肥类型、施用策略和年限对稻麦产量和土壤性质的影响
不同有机肥中，生物质炭和秸秆还田均能促进作物产量的增加，但普通有机肥对作物产量的影响却不显著，原因可能是本研究普通有机肥类别中约有40%的处理为单施有机肥处理，短时间内对产量的影响不明显。生物质炭和普通有机肥的施用显著改善了土壤容重、增加了土壤有机质、全氮和全磷含量，且改良效果均优于秸秆还田，这与前人研究报道一致[26]。生物质炭本身含有丰富的氮、磷、钾元素，且吸附能力强，可以降低养分损失，增加碳的固存[27];普通有机肥中氮、磷养分含量高于秸秆，施入土壤后对土壤全氮、全磷、速效磷和速效钾含量都有显著提升作用[28]，因此两者效果均优于秸秆还田。
本研究肥料施用策略中，有机肥配施全量化肥可以显著促进稻麦产量的增加，一方面，该模式既投入了全量化学养分，又加入了有机养分，可以满足作物生长对养分的需求;另一方面，有机肥的施用为作物生长提供长效养分，满足作物不同生长期的养分需求。已有研究表明，有机无机肥配施可以提高作物产量[29-30];而单独施用有机肥条件下，由于其养分释放较缓慢[31]，无法满足作物生长旺盛期对养分的大量需求。化肥减施20%~30%条件下配施有机肥不会造成作物减产[32];有机肥替代较低比例化肥(<40%)能够显著提高作物产量[33]。但本研究中有机肥配施部分化肥对作物增产的效果不显著，与一些研究的结论不同;虽然单施有机肥会导致作物减产，但对土壤性质的改良效果非常明显，对土壤有机质、全氮、全磷、速效钾和碱解氮的增长效应均高于有机肥配施化肥。总体来讲，有机肥配施化肥既能稳产增产，同时又对土壤性质有一定改良作用。
随着有机肥施用年限的增长，有机肥对作物增产和土壤性质的提升效果也逐渐增强，这与之前的研究结果一致[34]。有研究表明，长期施用有机肥可使土壤有机质含量增加34%~47%[35]。本研究中，长期施用有机肥与中期施用有机肥对土壤有机质的增长效应相差不大，对微生物生物量碳的增长效应甚至小于短期施肥，这可能是由于长年的有机物料投入使土壤中有机质和活性碳库达到一个动态平衡并保持相对稳定，即使继续增加有机物料，土壤有机质含量也不会大幅提升[36]。
3.3不同土壤条件下有机肥施用对稻麦产量和土壤性质的影响
有机肥施用仅在酸性土壤条件下对稻麦产量有正效应，这一方面是由于有机肥的施用抑制了酸性土壤中铝的毒害作用[19];另一方面，提高了土壤pH值，增加了土壤阳离子交换量和其他营养元素(如P、K、Mg等)的生物有效性[37]。同时在酸性土壤条件下，土壤有机质、速效磷和速效钾对施用有机肥的响应最强，主要是因为有机肥施用提升了酸性土壤的pH值，加速了土壤有机质的矿化，促进了土壤养分向有效态转化[38]。在中性土壤条件下，土壤全氮、全磷、MBC和MBN对施用有机肥的响应最强，说明中性条件下有机肥施用有利于全量养分的累积，同时中性环境适合微生物生长，提高了土壤微生物量和活性[39]。在碱性土壤条件下，施用有机肥对碱解氮的提升效应较强，随着土壤pH值的升高，有机肥施用对速效磷和速效钾的促进效应越来越弱，而对碱解氮的促进效应则越来越强。
4结论
本研究主要分析了有机肥施用对稻麦轮作系统作物产量和土壤性质的综合效应。整合分析结果表明，有机肥施用显著增加了稻麦作物产量，改善了土壤性质。有机肥对土壤容重、全氮、速效磷、速效钾和微生物生物量氮的效应值与对稻麦周年产量的效应值呈显著或极显著的相关关系。在实际生产中，农户应在酸性条件或低肥力的稻麦轮作区施用有机肥，同时实行有机无机肥配施，以达到培肥土壤和作物稳产的综合效果，促进区域农业可持续发展。——论文作者：李圆宾李鹏王舒华徐璐瑶邓建军焦加国
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