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1，徐明岗1，张 露1,2，段英华1*，王伯仁1,3*
（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；2.吉林农业大学资源与环境学院；3.祁阳农田生态系统国家野外试验站）
摘 要：施用有机肥是改良土壤，培肥地力的重要措施之一，但由于有机肥的分解和矿化会受到气候条件和土壤性质等多因素的影响，导致其对作物产量的提升效果存在差异。对于全国不同区域及条件下施用有机肥对作物产量影响的研究缺乏系统的比较和分析。因此，探明全国不同气候、土壤和作物类型条件下，化肥配施有机肥对产量的影响及其增产效果的主控因素，可为粮食增产和有机肥的合理施用提供重要的理论依据。本研究通过收集109篇已公开发表的文献，建立了包含不施肥（CK）、单施化肥（NPK）和化肥配施有机肥（NPKM）处理的402组作物产量的数据库。采用整合分析（Meta-analysis）方法分析了不同施肥处理对小麦、玉米和水稻产量的影响，及不同土壤性质和气候条件下有机肥的增产差异；采用随机森林（Random Forest）方法定量化了土壤和气候因素对有机肥增产效果影响的重要度。全国来看，与NPK相比，NPKM处理下作物的产量平均提高了4.7%，其中小麦、玉米和水稻的增产率分别为5.6%、7.6%和4.5%；作物的平均增产率在西北区域最高，东北和华北地区次之，南方和华东地区较低。配施有机肥对产量的提高幅度在我国温带大陆性气候和温带季风性气候区显著高于亚热带季风性气候区，其中年降雨量是影响小麦和水稻产量对有机肥响应的主要因素，年均温和无霜期是影响玉米产量对有机肥响应的主要因素。有机质和全氮含量是土壤性状中影响有机肥增产效果的主要因素，其中土壤有机质和全氮含量越低，配施有机肥后产量的提高幅度越高。总的来说，化肥配施有机肥可显著提高作物的产量，且在低温少雨、土壤养分含量较低的地区，应通过化肥配施有机肥来进行增产促产。
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。但是，不同区域上有机肥增产效果的差异原因是什么？气候因素和土壤性质对增产效果的贡献如何？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，旨在为因地制宜的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 数据收集
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）以及有机无机肥配施（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粪便（猪、牛、鸡等）和商品有机肥，均是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。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。
表1 各个地区的数据量及分布
2 结果与分析
2.1 不同施肥处理下作物的产量
如图1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4719 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2403、2744 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。
箱图的上误差线代表最大值，下误差线代表最小值，中间实线和白色方格分别表示中位数和平均数；不同小写字母表示处理间的产量差异显著 (P<0.05)，n表示样本量
图1 不同施肥处理下作物的产量
2.2 我国不同区域上有机肥的增产率
图2为不同区域的主要粮食作物NPKM较NPK相比的增产率。全国来说，NPKM处理下我国玉米的增长率最高，为7.6%。区域上，玉米的增产率在华北最高，在南方地区最低。小麦的增产率依次为西北>华北>南方>华东。水稻的增产率在华东和南方区域分别为3.9%和5.0%。可见，我国华北和华东地区在玉米季配施有机肥增产效果更佳，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，有机肥增产效果在水稻季优于小麦和玉米季。
图误差线代表平均值的标准误差，括号内的数值代表数据量
图2 不同作物及区域有机肥的增产率
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的增产幅度较大（图3）。从各气候因素上来看，年均降雨量（AAR）、年均温（MAT）和无霜期（FFD）越少（或越低、越短），有机肥配施的增产幅度越高。
括号内的数字表示样本数，百分数表示配施有机肥的响应百分数；NTM：温带季风气候，NTC：温带大陆气候，STM：亚热带季风气候，下同
图3 配施有机肥在气候条件下对产量的影响
2.4 土壤性状对有机肥增产效果的影响
综合不同养分的土壤上来说，作物产量在NPKM处理下较NPK增加了4.7%（图4）。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提升幅度越高。
图4 配施有机肥在不同土壤养分水平下对产量的影响
2.5 各因素影响有机肥增产效果的重要度
全国尺度来看，土壤因素影响有机肥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，均达到10.4%以上，气候因素中FFP和AAR的重要度较高（图5）。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，AAR均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，其中AK、AP和pH分别对小麦、玉米和水稻来说是影响有机肥施用效果的因素之一。
柱后的数字代表气候和土壤因素影响有机肥增产效果的重要度
图5 影响有机肥增产的主要因素
3 结论
（1）总体来说，相对于单施化肥，配施有机肥可使我国粮食作物的产量显著提高约4.7%，但作物和区域间存在一定的差异。增长率在作物间为：玉米>小麦>水稻；在区域间为：西北>东北、华北>南方>华东。
（2）对于小麦和水稻，水分是影响有机肥增产效果主要因素；对于玉米，温度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，尤其应考虑通过有机肥的施用来提高其综合生产能力。
引用本文
网络首发网址：
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