基于Meta分析中国水稻产量对施肥的响应特征

韩天富，马常宝，黄晶,3，柳开楼,4，薛彦东，李冬初,3，刘立生,3，张璐,3，刘淑军,3，张会民,3



基于Meta分析中国水稻产量对施肥的响应特征

韩天富1，马常宝2，黄晶1,3，柳开楼1,4，薛彦东2，李冬初1,3，刘立生1,3，张璐1,3，刘淑军1,3，张会民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，北京 100081；2农业农村部耕地质量监测保护中心，北京 100125；3中国农业科学院衡阳红壤实验站/祁阳农田生态系统国家野外试验站，湖南祁阳 426182；4江西省红壤研究所/国家红壤改良工程技术研究中心，南昌 330046）

【】定量分析近30年施肥对中国水稻产量的综合效应和影响机制，为水稻种植区域肥料的科学施用提供依据。以全国水稻土长期监测点为平台，将相应的监测数据按照种植区域、试验时间、种植制度、作物类型、施肥类型、土壤质地、土壤pH、土壤有机质含量、土壤全氮含量、土壤有效磷含量、土壤速效钾含量、土壤缓效钾含量进行分组，以不施肥处理作为对照，利用Meta-analysis方法探究施肥对水稻产量的综合效应及其影响因素。近10年（2008—2017）以来，无论施肥与否，水稻产量均显著高于1988—1997和1998—2007年对应的水稻产量。与不施肥相比，施肥显著提高水稻产量，其提高幅度平均为80.8%。在西南地区施肥对水稻产量的提高幅度最高（98.5%），显著高于华北地区（70.3%）。不同试验时间下，施肥比不施肥处理在1988—1997年对水稻产量提高的幅度（99.1%）高于1998—2007年（84.2%）和 2008-2017年（78.1%）。不同种植制度下，施肥较不施肥处理能显著提高一年三熟水稻产量（92.0%），且提高幅度均高于一年一熟（76.2%）和一年两熟（81.9%）。与不施肥相比，双季稻施肥对水稻产量的提高幅度（85.9%）高于单季稻区（75.9%）和水稻-其他作物（79.5%）。与不施肥相比，有机肥与无机肥配合施用对水稻产量提高幅度（88.3%）高于化肥单施处理（76.6%）。施肥较不施肥处理能显著提高黏质土壤水稻产量（92.0%），提高幅度显著高于砂质土壤（58.0%）和壤质土壤（77.5%）。随着土壤有机质和有效磷含量的增加，施肥较不施肥处理水稻产量提高的幅度呈降低趋势。在较高的土壤pH（＞7.5）、较低土壤全氮（＜1.5 g·kg-1）和缓效钾（＜150 mg·kg-1）情况下，施肥较不施肥处理水稻产量提高的幅度较高。随机森林分析结果表明：施肥对水稻产量提高幅度主要受水稻种植区域、土壤全氮和种植制度的影响。此外，肥料的农学效率与施肥对水稻产量增产幅度呈极显著正相关。虽然当前施肥对水稻产量增加的趋势在降低，但是适量的肥料投入（尤其是西南地区）是提高和维持水稻高产的重要措施，尤其是有机肥与无机肥配合施用增产效果更加显著。同时，在种植制度的基础上，各水稻种植区域应结合土壤质地、土壤氮素和钾素等方面作为肥料投入的主要依据。

施肥；水稻产量；Meta-analysis；响应比；农学效率

0 引言

【研究意义】全球超过60%的人口以水稻 (L.) 为主食[1]，预计到2035年大米需求量将从2010年的6.76亿吨增加到8.52亿吨[2]。中国的水稻种植面积和单位产量均位居世界各国之首，对世界的粮食安全做出了重要贡献[3]。肥料的投入是保证作物高产稳产的重要手段之一[4]，不合理的肥料投入不仅抑制作物正常的生长发育[5]，同时还可能造成土壤板结、土壤酸化、肥料利用率下降、土壤酶活性降低等一系列负面效应，最终影响作物产量的提高[6]。因此，研究施肥对水稻产量的影响及其关键作用因子对于水稻高产稳产、土壤培肥等具有重要意义。【前人研究进展】尽管国内外在稻田培肥方面进行了大量的研究，但大部分主要集中在施肥对水稻产量或肥料利用率等方面的影响[7-9]。比如，苑俊丽等[10]运用整合分析方法研究了高效氮肥较常规化肥施用对中国水稻产量和氮素吸收量的影响，很少从不同种植区域、管理措施、土壤理化性质等方面探讨水稻产量对施肥响应的差异特征及影响因素。首先，土壤基础肥力水平是决定作物能否高效利用肥料的关键因子[11]。其次，在品种和其他管理措施相对稳定的情况下，施肥处理的产量高低主要决定于施肥处理本身与环境互作效应[12]。然而，由于我国水稻种植区域辽阔，土壤肥力差异较大，导致水稻产量对施肥的响应特征各不相同[13-14]。方畅宇等[15]研究表明，基础地力较低的土壤上优先施用化肥，辅助施用有机肥；肥力较高的土壤上轻施化肥，多施有机肥以达到水稻高产稳产的目的。因此，探明不同稻田土壤肥力水平下长期施肥对水稻产量的影响，进而为各水稻种植区域不同水稻种植制度下合理施肥提供依据显得尤为重要。【本研究切入点】首先，独立田间试验研究难以准确回答较大区域上施肥对产量的影响，且在全国尺度上探究施肥对水稻产量的影响及其关键因素的研究到目前为止还鲜见报道。农业农村部在1988—2017年期间先后设置了一批田间施肥试验（常规施肥和不施肥处理），涵盖了中国水稻主要的种植区域，主要记录水稻产量、土壤肥力、管理措施等数据，结合Meta分析方法——对同一主题下多个研究结果进行综合定量分析的方法[16]，可从全国尺度回答近30年不同水稻种植区域、管理措施、土壤理化性质等条件下施肥对水稻产量的影响。其次，基于随机森林算法——一种高效的组合分类方法，根据变量重要性程度进而提取特征变量[17]，进而探究施肥对水稻产量影响的关键因素。【拟解决的关键问题】本研究运用Meta分析方法，以农业农村部设置的不施肥处理为对照，从全国尺度上分析近30年水稻主产区的水稻产量对施肥的响应特征及其关键的影响因素，旨在为肥料的合理施用并实现水稻的高产稳产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究所用的数据均来源于1988—2017年“农业农村部耕地土壤质量监测”工作开展期间所收集的水稻田间试验数据。水稻土监测点的布局主要分为以下几个部分：东北地区（黑龙江、吉林和辽宁）、华北地区（河南、山东和陕西）、西南地区（云南、四川、重庆和贵州）、长江中游（湖北、湖南和江西）、长江下游（安徽、江苏、上海和浙江）、华南地区（福建、广东、广西和海南）。监测地块的地理位置、耕作制度、土壤类型、作物类型、分布面积、管理水平等在各区域均有较好的代表性。各监测点试验设置不施肥区（空白区）和常规施肥区（农民习惯施肥管理）两个处理，进而探究与不施肥相比，常规施肥处理对水稻产量差异的影响。不施肥处理中，小区面积为32—67 m2，用水泥板或者其他材料做挡板，防止水肥横向的转移；施肥处理按照当地农田常年肥料用量均匀撒施，小区面积不低于334 m2，鉴于小区面积较大能够基本反映施肥和不施肥的差异，再加上经费等方面的限制，因此，所有处理均为1次重复。不施肥处理和施肥处理除了施肥用量不一致以外，其他措施均相同。监测内容主要包括：作物产量、施肥用量和土壤理化性状等。作物产量包括每一季作物的实际产量，采用去边行后实打、实收的方法测定；施肥情况主要包括每一季作物有机肥和化肥的施用日期、肥料品种、施肥次数和施肥用量等，秸秆还田按照实际用量以有机肥形式记录；土壤理化性状主要包括土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾和缓效钾、pH、质地等，在每年最后一季作物收获以后，按照“随机”“等量”“多点混合”的原则，立即采集耕层土壤样品进行上述指标的测定，按照《土壤分析技术规范》[18]进行样品的测定。但是由于部分点位管理不是特别完善，导致某些年份水稻产量数据出现缺失，为了弥补某些年份产量数据的缺失和各点位试验设置缺少重复，且综合考虑监测时间的跨度后将所有数据分为：1988—1997、1998—2007和2008—2017年3个时间段，将各时间段内的产量数据作为重复进行下一步的数据分析。通过对所有数据的筛选计算，最终得到462组数据。

1.2 研究方法

本研究中的数据均来自农业农村部设置的定位监测数据。统计学指标采用权重响应比（response ratios，）表示，并计算其95%的置信区间（95%）。其计算公式为：

1.3 数据分析

首先，通过卡方检验（Chi-square test）明确试验处理之间及各试验结果是否存在异质性（处理间或不同研究结果间的变异是否由随机误差引起）。若纳入的各研究结果无异质性（＞0.05），采用固定效应模型进行分析（fixed effect model，FEM），相反，则采用随机效应模型（random effect model，REM）[23]。表1为本研究数据的异质性检验结果，故采用REM进行数据分析。其次，采用Meta Win 2.1软件进行分析合并计数资料的响应比得出加权平均响应。

表1 样本量描述性统计

Q 为异质性检验的统计量；Q 为Q统计量显著性

Q is the statistic of heterogeneity;Q is the significant value of Q

本研究综合考虑了水稻种植区域（东北地区、华北地区、西南地区、长江中游、长江下游、华南地区）、试验时间（1988—1997、1998—2007、2008—2017年）、种植制度（一年一熟、一年两熟、一年三熟）、作物类型（单季稻、双季稻、水稻-其他作物）、施肥类型（化肥单施、化肥+有机肥）、土壤质地（黏土、壤土、砂土）、土壤pH（＜6.5、6.5—7.5、＞7.5）、土壤有机质含量（＜20、20—30、＞30 g·kg-1）、土壤全氮含量（＜1.5、1.5—2、＞2 g·kg-1）、土壤有效磷含量（＜10、10—20、＞20 mg·kg-1）、土壤速效钾含量（＜50、50—100、＞100 mg·kg-1）、土壤缓效钾含量（＜150、150—300、＞300 mg·kg-1）对水稻产量响应施肥的影响，其中，种植区域、种植制度、作物类型、施肥类型没有时间上的差异，而土壤理化性质是指3个时间阶段相对应的初始年份土壤理化性质，根据已发表的文献[24]和全国第二次土壤普查得到的土壤养分含量分级标准，并结合本研究数据整体分布范围进行相应的等级划分。采用单因素方差分析和最小显著性差（LSD）评价不同区域、土地利用类型和土壤理化性质下水稻产量数据异质性和差异性[25]。

肥料农学效率[26]的计算公式如下：

肥料农学效率=（施肥处理水稻产量-不施肥处理水稻产量）/肥料总施用量 （7）

数据处理和部分图形制作采用Excel 2003；利用R语言（3.4.4）进行数据的随机森林重要性分析；采用SPSS软件11.0（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）进行数据统计分析和显著性检验；利用Sigmaplot 10.0软件进行图形的制作。

2 结果

2.1 不同施肥处理下水稻产量的差异及其响应比的分布

近30年以来，施肥处理较不施肥处理能显著增加水稻产量（图1-A），两者的平均产量分别为9.7和5.2 t·hm-2。近10年（2008—2017）以来，无论施肥与否，水稻产量（9.9、5.4 t·hm-2）均显著高于1988—1997和1998—2007年对应的水稻产量（8.5、4.5 t·hm-2和9.5、5.1 t·hm-2）。利用Meta软件分析了462组水稻产量对施肥的响应比（本研究水稻的响应比是指施肥对产量增加的幅度），且分布检验表明全部响应比符合正态分布（＜0.001），平均值为0.60±0.31（图1-B），因此不用进行数据转化而直接进行因素分析。

2.2 水稻产量对施肥的响应及因素分析

Meta分析结果表明，与不施肥相比，施肥能显著提高水稻产量，其提高幅度为80.8%（置信区间为76.4%—83.4%）（图2）。不同种植区域下，施肥较不施肥处理对水稻产量的提高幅度各不相同，各区域增加幅度分别为：西南区为98.5%（置信区间为85.7%—112.1%）、华南区为80.0%（置信区间为69.6%—90.9%）、长江下游为78.1%（置信区间为69.4%—87.3%）、东北区为78.0%（置信区间为59.1%—99.1%）、长江中游为77.8%（置信区间为70.6%—85.3%）、华北区为70.3%（置信区间为45.0%—100.1%）。不同试验时间下，施肥较不施肥处理对水稻产量的提高幅度具体表现为：1988—1997年为99.1%（置信区间为79.4%—121.0%）、1998—2007年为84.2%（置信区间为75.4%—93.6%）和 2008—2017年为78.1%（置信区间为72.9%—83.5%）。不同种植制度下，施肥较不施肥能显著提高一年三熟水稻产量（92.0%，置信区间为74.2%—111.7%），且提高幅度高于一年一熟（76.2%，置信区间为68.5%—84.2%）和一年两熟（81.9%，置信区间为76.5%—87.4%）。

CK：无肥处理，F：常规施肥处理。不同的小写字母表示差异显著（P＜0.05）；箱形框中间的实线代表中位数，虚线代表平均值。箱形框上下边缘分别代表全部数据的75%和25%。箱形框上下两条线的边缘分别代表全部数据的95%和5%，上下两个实心点为异常值。括号里的数字表示该处理有水稻产量数据的个数

点和误差线分别代表响应比及其95%的置信区间，如果误差线没有跨越零线表示处理与对照存在显著差异；括号内的数值代表样本数。下同

由图3可知，施肥对水稻产量的提高与作物类型、施肥措施和土壤质地密切相关。与不施肥相比，施肥在双季稻对水稻产量的提高幅度（85.9%，置信区间为78.5%—93.5%）高于单季稻区（75.9%，置信区间为67.9%—84.2%）和水稻—其他作物（79.5%，置信区间为71.9%—87.5%）与不施肥相比，化肥与有机肥配施对水稻产量提高的幅度（88.3%，置信区间为81.1%—95.8%）略高于化肥单施（76.6%，置信区间为71.6%—81.7%）。不同土壤质地条件下，施肥较不施肥处理在黏土上对水稻产量的提高幅度（96.6%，置信区间为86.1%—107.7%）显著高于砂土（57.9%，置信区间为25.8%—98.5%），但是与在壤土上的增幅（77.5%，置信区间为72.7%—82.4%）相比无显著差异。

施肥对产量的提高程度与土壤的理化性质也密切相关（图4和5）。就土壤pH而言，在偏中性（pH为6.5—7.5）的土壤上，施肥较不施肥处理对水稻产量的提高幅度为77.2%（置信区间为67.7%—88.4%），在pH＞7.5和pH＜6.5的土壤上提高幅度较高，分别为87.1%（置信区间为72.3%—103.0%）和80.7%（置信区间为75.8%—85.8%）。随着土壤有机质（SOM）含量的增加，施肥较不施肥处理对水稻产量提高的幅度呈降低趋势，具体为：SOM＜20 g·kg-1时提高的幅度为83.1%（置信区间为70.8%—96.3%）、20 g·kg-1＜SOM＜30 g·kg-1时提高的幅度为81.6%（置信区间为74.4%—89.1%）、SOM＞30 g·kg-1时提高的幅度为79.7%（置信区间为73.7%%—85.8%）。就土壤有效磷（AP）含量而言，在AP较低（＜10 mg·kg-1）情况下，施肥较不施肥处理对水稻产量提高幅度（87.4%，置信区间为79.7%—95.4%）显著高于AP较高（＞20 mg·kg-1）情况下的提高幅度（74.1%，置信区间为67.1%—81.5%）。随着土壤全氮含量（STN）的增加，施肥较不施肥处理对水稻产量提高的幅度呈先降低后增加趋势，具体表现为：当STN＜1.5 g·kg-1时提高的幅度为86.8%（置信区间为78.4%95.5%）、1.5 g·kg-1＜STN＜2 g·kg-1时提高的幅度为76.2%（置信区间为69.4%—83.3%）、STN＞2 g·kg-1时提高的幅度为81.2%（置信区间为73.4%—89.4%）。施肥对水稻产量提高的幅度随土壤速效钾含量的增加呈先升高后降低趋势。就土壤缓效钾（SAK）含量而言，在SAK ＜150 mg·kg-1情况下，施肥较不施肥处理对水稻产量提高幅度（87.5%，置信区间为77.5%—98.1%）高于SAK≥150 mg·kg-1（79.0%，置信区间为71.1%—86.1%）水平下的提高幅度。

图3 不同作物、肥料类型和土壤质地下水稻产量对施肥的权重响应比

SOM：土壤有机质；STN：土壤全氮。下同

AP：土壤有效磷；AK：土壤速效钾，SAK：土壤缓效钾。下同

2.3 不同因素对水稻产量响应比的重要性

利用随机森林对水稻产量的影响因素进行重要性分析，结果如图6所示。Mean decrease accuracy是指预测误差准确性降低的程度，该值越大表示该变量的重要性越大[27]。各指标对水稻产量响应比均有一定的影响，通过比较各变量因素的重要性可知，其中种植区域（Region）、土壤全氮（STN）、种植制度（Cropping system）、土壤质地（Soil texture）和缓效钾（SAK）5个因素的重要程度较大，速效钾（AK）、土壤有机质（SOM）、pH、施肥类型（Fertilization type）、时间（Time）和土壤有效磷（AP）影响较小。

图6 变量的重要性

2.4 水稻产量响应比与肥料农学效率的关系

进一步分析了水稻产量响应比与肥料农学效率之间的关系（图7），发现两者呈极显著正相关关系（＜0.001），通过线性拟合可得，每增加1个单位的肥料农学效率，水稻产量的响应比相应地提高0.05个单位。就目前较为普遍的两种施肥类型而言（化肥单施、化肥与有机肥配施），在增加相同单位的肥料农学效率情况下，化肥与有机肥配施处理对水稻产量响应比的增加速率高于化肥单施处理。

CF：化肥单施；CMF：化肥+有机肥

3 讨论

通过施肥为作物提供足够的养分是维持作物高产稳产、保障世界粮食安全的重要途径之一[28-29]。本研究通过整合农业农村部耕地质量监测的水稻产量数据发现，与不施肥相比，近30年以来常规施肥条件下水稻产量平均提高80.8%（置信区间为76.4%—83.4%）。这与CHIANU等[30]研究得到施肥能够增加作物产量50%—100%的结果相符。作物生长过程中需要大量的营养物质，而化肥中含有高浓度的养分物质，施用以后不仅能够供给植物吸收，还能补充因作物吸收而带走或随水分流失的养分[31]。不施肥处理由于土壤养分常年被消耗且供应不足导致作物产量显著低于常规施肥处理（图1），也间接反映施肥的重要性。研究表明，通过合理的水肥养分管理，不仅能消除由于营养过剩造成的负面环境效应，同时可实现近30%的增产潜力[32]。近10年（2008—2017年）水稻产量显著高于其他年间施肥处理，与张福锁等[11]研究结果类似，这主要与近年来高产品种的大力推广[33]和土壤肥力总体普遍提高[34]密切相关。据联合国粮农组织（FAO）的数据统计，化肥的增产作用占到农作物产量的50%[35]，这主要是因为本研究是在除了施肥，其他因素均保持一致的情况下开展的田间试验，相对提高了施肥的作用，弱化了品种、管理措施等因素对产量的影响。

不同区域因气候特征、自然环境和耕作习惯等因素不同导致施肥对产量的影响差异较大。本研究发现相比其他水稻种植区域，施肥在西南地区增产效果较好。研究表明，在四川省施用氮肥最高可增产90%，且相对贫瘠的山区施肥增产效果更加显著[36]。本研究的西南区域包括云南、四川、重庆和贵州，属于云贵高原区域，土壤肥力相对较低[37]，因此施肥增产效果高于其他地区。近30年间，施肥对产量的增加趋势在下降，这主要与土壤质量的改善和土壤肥力普遍提高有关[11]；其次是长期连续种植同一作物容易产生“连作障碍”，如土壤养分异常累积，微生物种群结构失衡等，最终影响作物产量的提高[38]。一年一熟（单季稻）水稻种植区域主要分布在东北地区，受气候条件的影响，导致该地区水稻产量均较低[39]，另外就是该地区土壤肥力较高，相对弱化了施肥增产的效应，施肥较不施肥处理对单季稻产量提高的幅度较低也印证这一结果。一年三熟地区主要分布在南方高温多雨的红壤地区，土壤养分贫瘠，酸化严重[40]，施肥能够快速供应大量的氮磷钾养分，满足作物的生长需求，相比不施肥能显著增加作物产量。本研究结果表明：有机无机肥配施在水稻上的增产效果高于单施化肥，这与国内外大部分长期定位试验结果相似[41-42]。有机无机肥配施有利于水稻中后期干物质累积和养分吸收，提高了单位面积总穗数和穗粒数[43]。随机森林结果表明：水稻种植区域和种植制度对水稻产量响应比的影响较大，因此，针对不同的种植区域和种植制度，需要指定相应的施肥方案，与前人提出的“大配方、小调整”区域施肥方案相符[14]。

土壤是作物生长的主要载体, 也是我们当前培肥管理的主要对象。土壤理化性质的优劣不仅决定作物根系生长是否良好，同时与施入土壤中的养分能否高效利用密切相关。本研究结果表明，在砂质土壤上，施肥对水稻增产的效果较差，主要是因为砂土颗粒较大，养分的固定位点较少，导致施入的养分易随水分淋失[44]，其次是砂质土壤中养分含量少，且保水保肥能力较差[45]。土壤有机质含量是衡量土壤综合肥力的一个重要指标[46]，在低有机质含量下土壤肥力较低，施肥增产的效应较高（图4），这与曾明祥等[3]研究结果一致。本研究结果表明：随着土壤全氮含量的增加，施肥较不施肥处理对水稻产量提高的幅度呈先降低后增加趋势。原因主要为：（1）氮素对水稻生产的影响仅次于水分，增施氮肥能够显著的提高水稻产量[47]，且在土壤低氮水平下，增施氮肥的增产效果较明显[48]；（2）随着土壤全氮含量的增加，土壤能够供给水稻较多的氮素，进而弱化施肥增产的效应，为氮肥减施提供依据；（3）本研究在高氮情况下，施肥处理水稻产量均较高（平均为10.6 t·hm-2，未在结果部分展示），此时土壤中的氮素并不能充分满足水稻对氮素的吸收，进而能够凸显肥料的增产效应，也说明高产稻田同样需要培肥。其他各化学指标不同水平下施肥对产量的影响结果各不相同，通过随机森林分析结果可知：土壤质地、全氮、缓效钾和速效钾对水稻产量响应比影响相对较大。这也表明土壤一致的情况下，要注重氮肥的合理施用；其次是钾素，因为钾素以无机形态存在土壤中，易随水迁移，因此也要注重钾肥的投入，尤其是南方缺钾地区，结果显示缓效钾含量较低情况下的增产效果较高也印证这一结果。

水稻产量响应比与肥料农学效率之间呈极显著正相关关系，这说明施肥在增产的同时也能增加肥效。在增加相同单位的肥料农学效率情况下，化肥与有机肥配施处理对水稻产量的响应比提高幅度高于单施化肥处理。这说明在等养分投入条件下，合理配施养分对产量的提高至关重要，该结果不仅与前人的研究结果一致[49]，同时也为我们当前提倡的化肥减施的情况下保持增效提供理论依据[50]。另外，还应当结合施肥对产量响应比的影响因素，综合考虑水稻种植区域、种植制度和土壤理化性质后进行合理施肥，最终提高肥料的农学效率，达到增产增效的目的。

4 结论

4.1 1988—2017年间，施肥能够显著提高水稻的产量，相比不施肥能增产80.8%，但是增产的效应呈逐渐减弱趋势。与化肥单施相比，化肥与有机肥配施是提高和维持水稻高产的重要措施。

4.2 施肥对水稻产量的提高效应与水稻种植区域、土壤全氮、种植制度和土壤钾素含量等密切相关。建议在指导农民施肥时应结合上述指标进行合理推荐。

4.3 水稻产量响应比与肥料农学效率之间呈极显著正相关关系，增加相同单位的肥料农学效率情况下，化肥与有机肥配施处理对水稻产量的响应比提高量高于单施化肥处理，为我国当前提倡化肥减施情况下如何实现水稻增产增效提供理论依据。

致谢：Muhammad Qaswar对本文英文摘要的修改给予了指导，在此致以诚挚的感谢！

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Variation in Rice Yield Response to Fertilization in China: Meta-analysis

HAN TianFu1, MA ChangBao2, HUANG Jing1, 3, LIU KaiLou1, 4, XUE YanDong2, LI DongChu1, 3, LIU LiSheng1, 3, ZHANG Lu1, 3, LIU ShuJun1, 3, ZHANG HuiMin1, 3

(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081;2Center of Arable Land Quality Monitoring and Protection, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100125;3Red Soil Experimental Station of CAAS in Hengyang/National Observation and Research Station of Farmland Ecosystem in Qiyang, Qiyang 426182, Hunan;4Jiangxi Institute of Red Soil/ National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement, Nanchang 330046)

【】A meta study was conducted to investigate the comprehensive effect of fertilization on rice yield in Chinese paddy soils during the past 30 years, and to provide a theoretical basis for the scientific correct application of fertilizers in rice cultivation areas.【】Based on the long-term paddy soil monitoring sites from Ministry of Agriculture and Rural Affairs, we conducted meta-analysis to investigate the rice yield response to no fertilization versus fertilization in different agro-climatic regions.】Rice yield in the past 10 years (2008-2017) was significantly higher than the corresponding rice yield in 1988-1997 and 1998-2007, regardless of fertilization. The increase of rice yield with fertilization in southwest of China was by 98.5%, which was significantly higher than that of in north of China (70.3%). Fertilization increased rice yield by 99.1%, 84.2% and 78.1% during 1988-1997, 1998-2007 and 2008-2017, respectively. For the cropping system, the increase of rice yield under triple cropping system (92.0%) was significantly higher than that under single cropping system (76.2%) and double cropping system (81.9%). Fertilization increased rice yield by 85.9% under double rice cropping system, by 75.9% under single cropping system, and by 79.5% under other cropping system. Compared with no fertilizer, chemical plus organic fertilizer application increased rice yield by 88.3%, which was higher than that of single chemical fertilizer application (76.6%). Fertilization significantly increased rice yield in clay soil by 92.0%, compared with no fertilization, which significantly higher than that in sandy soil (58.0%) and loam soil (77.5%). With the increase of soil organic matter and available phosphorus, the increasing trend of fertilization on rice yield was decreased compared with no fertilization. Under higher soil pH (＞7.5) and lower soil total nitrogen (＜1.5 g·kg-1) and slow available potassium (＜150 mg·kg-1), the rice yield increasing was more than that of corresponding the rest of level. Random forest analysis showed that the region, soil total nitrogen and cropping system had greater impact on the response ratio () of rice yield. In addition, the agronomic efficiency of fertilizer was positively correlated with rice yield. 【】Although the trend of increasing rice yield by fertilization was decreasing at present, but combined appropriate chemical plus organic fertilizer, especially in southwest of China, were important measures to improve and maintain high rice yield. Base on the cropping system, combining soil texture, soil nitrogen and potassium content should be the main basis for fertilizer input in different rice cultivation areas.

fertilization; rice yield; meta-analysis; response ratio; agronomic efficiency

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.11.007

2018-12-04；

2019-01-18

国家重点研发计划“粮食丰产增效科技创新”重点专项（2016YFD0300901）、国家自然科学基金（41671301，41371293）

韩天富，E-mail：hantianfu123@126.com。通信作者张会民，E-mail：zhanghuimin@caas.cn

（责任编辑 李云霞）