有机肥料施用对华北平原玉米产量的影响

应多， 陈晓龙， 吕桂华， 王桂跃

(浙江省农业科学院 东阳玉米研究所，浙江 东阳 322100)

为应对有限的耕地和人口的急剧增长带来的粮食需求压力，我国不断加强农田集约化管理来推进农业生产[1]。作为最为普遍的农业管理措施之一，化肥的施用对促进作物生长，保证作物高产、稳产具有重要作用[2]。如今中国已成为世界上最大的化肥生产和消费国，超过世界上化肥消耗总量的三分之一[3-4]，其中氮肥年消耗量占全球的近30%，然而肥料利用率远低于发达国家，仅为27%[5]。随着单位土地面积化肥投入量的不断增加，化肥投入对粮食增产的贡献率逐渐下降。虽然化肥中的有效养分易被作物吸收利用，但超量施用化肥会导致肥料利用率降低，造成土壤质量退化以及农业面源污染等一系列农业问题，严重制约了我国农业的可持续发展[6]。因此，合理的施肥策略对于减少氮损失、保障粮食安全和保护环境至关重要[7]。

近年来国家对绿色农业发展愈加重视，控制化肥用量，实现“化肥零增长”成为关键任务之一，为此秸秆和畜禽粪便等农业废弃物资源化利用替代部分化肥被广泛用于农业生产。研究[8-10]表明，有机肥分解能够为作物提供生长所需的养分，同时也能够改善土壤结构，提高土壤微生物和酶活性。循环利用农业废弃物能维持作物产量和培肥地力，同时减少有机资源利用不足带来的环境污染，对粮食绿色高产高效具有十分重要的意义。大量研究[11-14]表明，施用生物质炭、秸秆和沼液等有机肥料能够提高作物产量。然而，也有部分研究[15-17]发现，施用有机肥料会导致作物产量下降。因此，明确施用有机肥对作物产量的影响规律，对制定合理的肥料施用策略有重要意义[18]。

华北平原是我国主要粮食产区之一，粮食产量约占全国总量的32%[19]，对于我国粮食安全与保障具有重要意义。麦玉轮作作为我国典型的轮作制度是华北平原主要的粮食种植模式，其中玉米产量占我国玉米总产量的1/3[20]。然而华北平原化肥施用量逐年上升[21-22]，作物种植模式年氮素吸收量(90～250 kg·hm-2)，远低于年投入量(550～600 kg·hm-2)[23]，在保证作物产量的同时，也产生了大量秸秆等农业废弃物。

Meta分析是一种对同类单个研究结果进行统计分析的方法[24]，可以定量化综合现有试验数据，系统分析某种措施的综合效应[25]。本研究收集了华北地区麦玉轮作制度下1980—2019年共39篇公开发表文章的124组田间试验数据，运用Meta分析方法定量评估有机肥料施用类型以及有机无机肥料配施比例对于玉米产量的影响，揭示土壤属性和其他试验条件对玉米产量的影响规律，以期为华北地区作物高产和资源高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

基于中国知网(CNKI)和Web of science数据库，通过对关键词“玉米”“作物产量”和“有机肥”(有机肥、秸秆、农家肥、畜禽粪便、生物质炭、绿肥)进行检索，搜集截至2019年11月国内外公开发表的文献。根据本研究的目的以及Meta分析对数据的要求，对数据进行如下筛选：(1)试验区域位于中国华北平原农业区(河北、河南、山东、安徽北部、北京、天津)，大田试验；(2)施用有机肥为处理组，单施化肥为对照组，其他试验条件一致；(3)试验数据包括玉米产量平均值及标准差(或标准误、变异系数)，或各重复产量数据；(4)处理重复数≥3；(5)如果文献中含有多年试验数据，仅选取最新数据。通过以上筛选条件，最终得到文献共计39篇，共124组玉米产量数据。同时提取试验地点、有机肥施用方式、试验周期、气候/土壤因子和氮施用量等数据信息。

1.2 数据分类

根据文献中有机肥种类，将有机肥分为农家肥、堆肥、商品有机肥、秸秆、生物炭和腐解生物炭；有机肥施用方式分为单施有机肥、有机肥替代部分化肥和有机肥加全量化肥；氮施用量分为低(0～150 kg·hm-2)、中(>150～250 kg·hm-2)、高(>250 kg·hm-2)3个等级；将土壤质地条件分为黏质、壤质、砂质；pH分为<6.5、6.5～7.5、>7.5；土壤有机质分为<10 g·kg-1、10～20 g·kg-1、>20 g·kg-1；土壤全氮分为<1 g·kg-1、1～1.5 g·kg-1、>1.5 g·kg-1；年均降水量分为<600 mm、≥600 mm；年均气温分为10～15 ℃、>15 ℃；试验周期分为<2 a、2～10 a、>10 a。

1.3 数据分析

在搜集文献时，若数据变异是以标准误或变异系数形式给出，则通过公式转化为标准差,本研究通过软件MetaWin 2.1分析。如果95%置信区间不包含0，则表示有机肥施用与单施化肥之间作物产量的总体效应具有统计显著性；反之说明无显著影响[27]。

1.4 数据处理

若数据在文献中以图形呈现，则通过软件GetData 2.26提取数据。森林图通过Excel 2016制作。

2 结果与分析

2.1 施用不同类型的有机肥对玉米产量的影响

图1显示了不同种类的有机肥施用对玉米产量的影响。结果表明，有机肥料施用显著提升了玉米产量。而不同类型有机肥对玉米产量的影响各不相同，其中，生物炭、秸秆和腐解秸秆作为有机肥施用对玉米产量均有显著增产效果，其增产效应为腐解秸秆>秸秆>生物炭。其中腐解秸秆作为有机肥的试验数据偏少。施用农家肥对玉米产量也有一定的增产效果，但并无显著影响。施用商品有机肥对玉米产量的影响呈现负效应但不显著；而堆肥对玉米产量无显著影响。

图1 施用有机肥种类对玉米产量的影响

2.2 有机肥与化肥联合施用对玉米产量的影响

与施用化肥相比，有机肥与化肥联合施用对玉米产量有显著差异(图2)。其中有机肥加全量化肥对玉米的增产作用比有机肥加部分化肥的效果更好。然而，单施有机肥显著降低了玉米产量。

图2 有机肥与化肥联合施用对玉米产量的影响

2.3 不同土壤条件下有机肥施用对玉米产量的影响

在不同土壤条件下施用有机肥对玉米产量的影响存在一定的差异(图3)。不同的土壤质地、pH值以及有机质含量的土壤施用有机肥对玉米产量均有显著影响。在不同土壤质地中，砂土和壤土玉米的增产幅度分别为4.15%和3.47%。pH值偏酸(<6.5)或偏碱(>7.5)时，施用有机肥对玉米产量的增产效果相对较低。当pH值在6.5～7.5之间时，施用有机肥对玉米的增产效果更优。有机质含量越高，施用有机肥对玉米产量的增产效果越好，增幅由高到低依次为>20 g·kg-1、10～20 g·kg-1、<10 g·kg-1。从图3中可知，土壤全氮含量对有机肥施用的增产作用具有显著差异且以含量在1～1.5 g·kg-1时效果最好，增幅达6.75%。

图3 土壤质地、pH值、有机质含量以及全氮含量与有机肥施用对玉米产量的影响

2.4 其他因素对玉米产量的影响

不同温度和降雨条件下施用有机肥对玉米产量的影响也存在差异(图4)。当温度处于10～15 ℃之间时，施用有机肥使玉米产量增加；而温度高于10 ℃时，增产幅度达5.84%。在年降雨量<600和≥600 mm的条件下，施用有机肥可使玉米产量分别增加4.52%和0.88%。

图4 温度和降水量对玉米产量的影响

不同总氮投入量有机肥对玉米产量的影响存在差异(图5)。过低或过高的总氮施用量下均会造成玉米产量损失，在总氮施用量过低时(0～150 kg·hm-2)，玉米产量下降了4.99%；总氮施用量过高时(>250 kg·hm-2)，玉米产量下降了1.54%。而在适宜的总氮施用量条件下(150～250 kg·hm-2)，施用有机肥能使玉米增产1.75%。

图5 总氮施用量对玉米产量的影响

有机肥试验周期对玉米产量的增产作用存在差异(图6)。试验初期，随着试验周期增长，玉米的增产效应也随之增强。当试验周期低于2 a时，玉米产量增加了3.99%；当试验周期持续在2～10 a时，增产效果有所上升，达到了6.08%。然而随着试验周期持续增长，玉米产量没有呈现逐步上升的趋势。当试验周期高于10 a时，增产效果相对减弱，为5.1%。

图6 试验周期对玉米产量的影响

3 小结与结论

本研究表明，与单施化肥相比，不同有机肥施用显著提升了玉米产量。施用有机肥料使玉米增产可能是由于有机肥可以改善土壤结构、持水能力和微生物活性，从而提高作物根系对养分的吸收能力[28]，较好地保证了作物在生长旺盛期的水分和养分供应；其次，畜禽粪便、秸秆和腐解秸秆等有机肥料中含有的矿质养分及微量元素也是有机肥料替代化肥后作物产量增加的原因之一[29]。而施用商品有机肥对玉米产量的影响呈现负效应，可能是由于搜集的部分文献中研究处理为单施有机肥，与施用全量化肥相比，有机肥肥效缓慢，不能及时满足作物关键生育时期对养分的需求，同时这也是秸秆和生物炭等有机肥料无法作为追肥使用的原因，这一结果与李银坤等[30]研究一致。

分析结果表明，在不同化肥与有机肥配施比例下，作物产量变化趋势不同。有机肥料与全量化肥的联合施用增产效果最为显著，这一结果在小麦试验中也被发现[31]，研究[32]指出，通过长达20 a的冬小麦/夏玉米轮作观测试验显示，秸秆还田及混合施用化肥的增产效果呈现逐年显著增加的趋势，并且相比于单施化肥增产效果更为显著。而单施有机肥料出现减产效果可能是由于有机肥料中含有部分有机氮，导致有效氮的释放速率缓慢，往往不能满足作物生长高峰期对氮的高需求[33]。同时也有研究[34]发现，当有机肥与化肥的配施比例大于4∶3时，作物产量将下降。

在不同土壤条件下有机肥料对玉米产量增加幅度的影响有一定的差异。本文数据结果表明，在砂土中有机肥替代化肥施用有更明显的效果，这可能是由于在砂土中施用有机肥改变了土壤结构，提高了其保水蓄墒能力，使其增产效果更为显著。例如生物质炭作为有机肥料在砂土中增产效果高于壤土[35]，一方面有利于土壤团粒结构的形成[36]，另一方面可显著提高土壤对养分的固持能力，并且提高了土壤的保水保肥性，降低养分损失[37]，在干旱地区具有良好的增产效果。但由于采集数据为单个研究，受区域气候条件、时间、施肥种类、施肥量、田间管理措施等因素的影响较大[38]，存在一定的局限性，也会产生不一样的结果。Yu等[39]发现，在黏壤土中秸秆覆盖对玉米产量的增产效果更好。在不同土壤pH值下有机肥料均显著提高作物产量，且以中性条件效果最好，这主要因为pH值在6.5～7.5时土壤养分及微生物活性最佳，最利于作物生长[40-41]。有机质和总氮含量的差异对施用有机肥料后玉米增产效果不同。土壤有机质和全氮含量是反映土壤综合肥力的重要指标[42]，往往与作物产量呈现正相关关系。结果显示，随着有机质含量的增加，施肥增产效应逐渐提高。随着土壤全氮含量的增加，对玉米产量提高的幅度呈先降低后增加趋势。一方面可能因为氮素对作物生长的影响较大，增施氮肥能够显著地提高作物产量[43]，且在土壤低氮水平下，增施氮肥的增产效果较明显[44]；另一方面随着土壤全氮含量的增加，土壤能够供给较多的氮素，进而弱化施肥增产的效应，为氮肥减施提供依据[45]。

温度和降雨量对施加有机肥料后玉米产量的增产效果影响不同。当温度>15 ℃时，施用有机肥料对玉米增产效果更为显著；当年降水量低于600 mm时，施用有机肥料对玉米有显著的增产效果。可能是因为平均温度越高，土壤温度相应升高，有利于有机物分解[46]。此外，有机肥中的氮素主要以有机态存在，通过土壤微生物的矿化作用才能转化为无机氮形态，被植物吸收利用[47]，而低温与高降水量可能会抑制土壤微生物的活性和土壤有机质的分解速率，无法满足作物生长对养分的需求，从而在一定程度上减弱了增产效应。

不同总氮投入条件下施加有机肥料对玉米产量的影响存在差异。在不同的总氮投入条件下施加有机肥料，作物产量呈现“低-高-低”的趋势。相关研究[48-49]发现，在较低施氮水平下，随着氮水平的提高，施用有机肥料处理玉米产量增加，而超过阈值后，施氮量过高，产量不仅不再增加，反而下降，这与我们的数据分析结果一致。这可能与施氮量过高会影响作物光合能力相关[18]，且作物产量的提高也受到了碳氮配施等条件的限制[30]。随着试验时间的增长，施加有机肥料对玉米的增产效果会呈现升高后小幅度降低的现象，其原因可能是试验初期的肥料处理中次生养分和微量元素随着时间的推移而增加，同时改善了土壤团聚体结构和土壤水氮矿化能力，增加了微生物多样性[50]，从而使产量增加。然而，进入长期实验后(>10 a)的增产效果相对减弱，可能是由于试验期间连续施加有机肥料使该地区整体土壤肥力升高，相对弱化了施肥增产的效应，研究[45]显示，连续施肥较不施肥处理对单季水稻产量提高的幅度较低也印证这一类似结果。

有机肥料施用显著提高了华北平原的玉米产量，平均增产幅度为5.02%。其中，生物炭、秸秆、农家肥和腐解秸秆作为有机肥料施用对玉米产量均有显著增产效果，而施用商品有机肥则呈现负效应。有机肥料与全量化肥联合施用是提高玉米产量的最好措施。不同土壤条件下有机肥施用对玉米产量的影响存在一定的差异，且以砂质且中性条件下肥力较好的土壤施用有机肥料对玉米的增产效果最佳，同时总氮施用量的不同对玉米增产效果也有显著差异。施肥对玉米产量的提高效应与种植区域气候、土壤全氮含量、农艺管理措施等密切相关，因此，应适时适地采用合适的施肥策略。