施肥模式对中国稻田氮素径流损失和产量影响的Meta分析

魏翠兰，曹秉帅，韩 卉，谷 丰

（1．江苏开放大学环境生态学院，江苏 南京 210036；2．生态环境部南京环境科学研究所，江苏南京 210042；3．廊坊师范学院生命科学学院，河北 廊坊 065000；4．中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所/中国科学院山地表生过程与生态调控重点实验室，四川 成都 610041）

中国是水稻生产大国，也是主要消费国之一，2018年水稻产量为2.14亿t，约占全世界的30%［1］。为了追求高的水稻产量，稻田氮肥投入量常常高于作物需求量，不仅浪费资源，盈余的土壤氮易通过降雨流失，进入水土污染环境，成为农业面源污染的主要来源［2-3］。有研究表明，农业面源污染已导致我国太湖、巢湖等区域水体富营养化频发，环境急剧恶化，对该区域的饮水安全和生态环境安全产生威胁［4-5］。有效控制该地区稻田氮素流失是降低农业面源污染物排放和防止水体污染的关键环节。

通过改变施肥模式，可以达到降低稻田氮素径流损失、维持较高作物产量的目的［6-8］。江苏太湖地区的研究表明，与该区域传统施肥量相比，减氮30%～50%显著降低了总氮径流损失，而对作物产量没有明显影响［9-10］。同时，缓释肥可在减少稻田氮素投入量的情况下，降低氮素径流损失［11-12］。有机肥替代也可以达到与缓释肥相似的效果，如马凡凡等［13］在安徽省巢湖市研究了不同有机肥替代对稻田氮素径流损失和作物产量的影响，通过合理设置有机肥替代化肥的比例，可以在兼顾高产的同时有效降低氮素径流损失。闻轶等［14］在上海市的研究也发现了类似的结果。一些学者还发现，施肥次数能够对氮素径流产生显著影响，与氮肥一次性施入相比，分施显著降低了氮素的径流损失量和损失率［4］。可见，施肥类型（化肥、有机和缓释肥）、施肥量和分施次数均对稻田氮素损失和作物产量有一定影响。

目前国内外对稻田径流损失的研究一般通过田间试验来进行，试验结果受各试验点土壤类型、气候因素、田间管理等影响，得到的结果存在一定差异。Meta分析方法可归类总结同类型研究结果，在综合考虑各个研究试验条件的基础上得到更加系统化的结论。因此，有必要通过Meta分析在已有研究的基础上，全面评价施肥模式对稻田氮素径流损失和作物产量的影响，为提高稻田资源利用效率、减少氮素径流损失、降低农业面源污染提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据收集和分类

研究数据来源于中国知网（www.cnki.net）和Web of Science（www.webofscience.com），通 过 搜索关键词：水稻、氮素损失、径流和产量，筛选2020年12月1日以前经过同行评议的期刊论文。数据需要符合以下标准：（1）研究为田间试验，且包含有至少1个完整水稻生长季的氮素（总氮）径流损失数据；（2）试验设置有不同施肥模式处理（有机、无机、缓释肥等），有具体的施肥管理信息（施肥时间、施肥类型、施肥量、分施次数等）；（3）试验设置有不施肥处理，每个处理记录有重复数和标准差，或两季及以上的数据。经筛选，得到了29篇研究论文中共109组有效的配对试验数据，提取的数据包括每季水稻的径流损失量和作物产量的重复数、均值和标准差以及相应的施肥管理信息。

合并试验地点相同的研究，共有24个试验点，各个试验点的地理位置、经纬度、处理设置和参考文献如表1所示。根据各研究试验处理的设置，对文献中施肥处理方案归纳并分为3类：（1）施肥种类：化肥、有机肥替代和缓释肥替代；（2）施肥水平：N 60～120、121～180、181～240、241～300、≥301 kg/hm2；（3）施肥次数：一次性施用、2次分施、3次分施和4次分施。收集的数据集将用于分析不同施肥处理对氮素径流损失和作物产量的影响。

表1 Meta分析所用数据集基本情况

1.2 数据处理与分析

利用R中的“Meta”包进行分析，计算得到的异质性指数I2＞75%，说明异质性显著，因此本文采用了随机效益模型。研究选中均数差MD作为效应量，其计算公式为：

其中，Mi为第i组配对试验的效应量，N kg/hm2；Xe为第i组配对试验施肥处理中单季水稻的氮素径流损失量（或者产量）均值，N kg/hm2（或kg/hm2）；Xc为第i组配对试验空白处理中单季水稻的氮素径流损失量（或者产量）均值，N kg/hm2（或kg/hm2）。

Mi值反映了施肥措施导致的稻田氮素径流损失量的绝对值，为了更加全面分析施肥对稻田氮素径流损失的影响，可将Mi转为氮素径流损失率Ri：

其中，Ni为第i组配对试验中施肥处理的氮素投入总量，N kg/hm2；氮素径流损失率Ri反映了氮素径流损失占总氮投入的百分比，%。

计算出各组的Mi和Ri后，采用“Meta”包中的metacout函数合并效应量，并计算相应的95%置信区间。如处理间效应量的95%置信区间有重叠，则认为处理间没有显著差异，反之则存在显著差异。

2 结果与分析

2.1 施肥种类对氮素径流损失的影响

施肥显著增加了氮素径流损失量（每季N 3.65 kg/hm2），且不同施肥种类增加的幅度有所不同（图1a）。化肥、有机肥替代和缓释肥替代分别增加氮素径流损失量N 6.73、1.21和3.40 kg/hm2，3种施肥类型的95%置信区间均不重叠，且两两之间差异显著。说明与化肥处理相比，有机肥和缓释肥替代均能显著降低氮素径流损失量，其中，有机肥的降低效果最明显。施肥增加了氮素径流损失量，但也显著增加了作物产量（2769 kg/hm2），不同施肥种类的增产效果无显著差异，化肥、有机肥替代和缓释肥替代分别增加产量2659、2752和2957 kg/hm2（图1b）。

图1 施肥种类对氮素径流损失量和产量的影响

施肥种类也影响了氮素径流损失率，整体氮肥径流损失率为3.36%，95%置信区间为3.02%～4.25%，化肥处理的氮素径流损失率（4.34%）显著高于有机肥替代（2.33%）和缓释肥替代（2.04%）。有机肥替代和缓释肥替代之间的氮素径流损失率没有显著差异（图2）。上述结果说明，有机肥替代和缓释肥替代均能有效降低氮素径流损失量和氮素径流损失率，而作物产量与单施化肥之间没有显著差异。

图2 施肥种类对氮素径流损失量比例的影响

2.2 施肥量对氮素径流损失的影响

施肥量对氮素径流损失量的影响如图3a所示，当施肥量低于N 240 kg/hm2时氮素径流损失量没有明显差异，95%置信区间范围为N 4.40～6.96 kg/hm2；而施肥量高于N 240 kg/hm2时氮素径流损失量显著增加，均值范围为N 7.17～11.25 kg/hm2。作物产量也受施肥量的影响，当施肥量从N 60～120 kg/hm2升高到N 180～240 kg/hm2时，作物产量显著增加，均值从N 2094 kg/hm2增加到N 3050 kg/hm2（图3b）；而当进一步增加施肥量时（＞N 240 kg/hm2），产量不再显著增加，说明施肥量N 120～160和180～240 kg/hm2可以满足水稻生长所需氮素。

图3 施肥量对氮素径流损失量和产量的影响

施肥量对氮素径流损失率没有明显规律，表现为施肥量低于N 300 kg/hm2时没有明显差异，且存在较大的变异，95%置信区间范围为2.01%～13.30%（图4）；而高于N 300 kg/hm2时，氮素径流损失率显著降低，可能是由于施肥量大，绝大部分的氮素残留到土壤中，或者以其他形式损失。综上所述，施肥量N 120～180 kg/hm2为水稻的最佳施肥范围，可显著提高作物产量，同时降低氮素径流损失。

图4 施肥量对氮素径流损失量比例的影响

2.3 分施次数对氮素径流损失的影响

施肥次数显著影响了氮素径流损失量，一次性施肥的氮素径流损失量最高，为N 17.3 kg/hm2，明显高于其他分施处理（图5a）。分施2、3和4次的氮素径流损失量均值分别为N 4.06、5.99和6.55 kg/hm2，随着分施次数的增加，氮素径流损失量小幅增加，但各分施处理间无显著差异（图5a）。其中，分施2次的作物产量增加量最大，但分施次数对增产效应没有明显差异（图5b）。

图5 施肥次数对氮素径流损失量和产量的影响

施肥次数对氮素径流损失率的影响表现出与径流损失量相似的规律，一次性施用的氮素径流损失率为7.18%～13.23%，明显高于其他分施处理（图6）。分施2、3和4次的氮素径流损失率均值分别为1.87%、3.54%和3.21%，差异不显著。

图6 施肥次数对氮素径流损失率的影响

3 讨论

施肥模式主要通过调控稻田田面水中氮素浓度影响氮素径流损失。氮肥类型、施用量和分施方案均与稻田田面水氮素浓度峰值相关［33］。施肥后田面水氮素浓度在短期内急剧升高，3 d内稻田田面水氮素浓度处于较高状态，该阶段发生径流会导致氮素的大量流失，之后逐渐下降趋于稳定［20］。与化肥相比，缓释肥可有效控制氮素释放，降低田面水氮素浓度，从而显著降低氮素径流损失［8，21，33］。湖北省武穴市的研究发现，与传统化肥相比，缓释肥显著降低了稻田田面水浓度，减少了8%～58%的稻田氮素径流损失，并维持了较高的作物产量［12］。在江苏太湖地区的研究也发现，缓释肥替代普通尿素可有效降低稻田田面水氮浓度，从而降低了氮素径流损失［8］。闻轶等［14］在上海市青浦区的研究表明，与化肥处理相比，有机肥替代显著降低了田面水氮素浓度，减少了39.7%的氮素径流损失。在等氮情况下，单施化肥的稻田田面水总氮浓度显著高于施用缓释肥处理［33］。同时，与单施化肥相比，缓释肥还可减少水稻田50%的氮素投入量，显著降低氮素径流73.5%～80.1%，且维持较高的作物产量，是一种高效和环保的肥料［11］。本研究得出与单施化肥相比，缓释肥替代降低了49.5%氮素径流损失。同时，有机肥替代也可有效降低稻田田面水氮素浓度，进而降低氮素径流损失的风险［11，13，29］。马凡凡等［13］在安徽巢湖流域的研究结果表明，施用化肥的氮素径流损失总量和损失率均最高，分别为N 9.43 kg/hm2和4.91%，有机肥替代50%化肥可以在兼顾高产的同时有效降低氮素径流损失。陈淑峰等［29］在东北典型稻区研究了有机肥替代对稻田氮素径流损失的影响，发现有机肥处理的氮素径流损失仅为N 1.93 kg/hm2，显著低于常规化肥处理的N 5.89 kg/hm2。上述结果与本研究的结果相似，与单施化肥相比，有机肥替代分别降低了82.0%的氮素径流损失，并维持了较高的作物产量。

过量的氮肥施用，增加了土壤氮素径流损失量，是导致中国南方地区农业非点源污染的重要因素。在太湖地区不同施氮水平的田间试验结果表明，当施肥量从N 330 kg/hm2降低到N 180 kg/hm2时，氮素径流损失量从N 9.30 kg/hm2降低到N 5.98 kg/hm2，减少了将近35.7%的氮素径流损失，而作物产量没有显著降低［16］。刘红江等［10］在相同地区的研究也发现，随着施肥量的减少，氮素径流损失量降低，但损失率增加，其中减氮30%处理减少了19.6%的氮素径流损失，同时作物产量没有明显降低。与该区域常规施肥量N 270 kg/hm2相比，减氮50%并没有显著降低产量，但显著降低了总氮径流损失，综合考虑农学和环境效益，建议该地区最佳的施肥量为N 135 kg/hm2［9］。Wu等［34］通过总结中国主要稻区1177个田间试验数据发现，中国各稻区的最佳施肥量在N 114～224 kg/hm2之间，平均值为N 167 kg/hm2，在最佳施肥模式下，可以降低约56%的氮肥投入，并确保较高的作物产量。本研究也发现，当稻田的施肥量在N 120～180 kg/hm2时，可有效降低氮素径流损失，同时维持较高的作物产量。除施肥量外，化肥的分施次数也显著影响了稻田氮素径流损失。巢湖流域的研究表明，与氮肥一次性施用相比，分施2、3和4次分别降低了30.5%、52.7%和59.7%的氮素径流损失，且不同分施次数间作物产量无显著差异［4］。这与本研究结果类似，与氮肥一次性施入相比，分施显著降低了氮素径流损失量和损失率，其中分施2、3和4次之间差异不显著。这可能是由于分施较好地匹配了作物的生长需氮量，提高了氮素利用效率，从而减少了氮素径流损失量。同时，每次分施的化肥用量，也是影响土壤氮素径流损失和作物生长的重要因素［35］；然而，目前在这方面的研究数量较少，可收集的数据集相对较小，无法较好地分析基追比等对氮素径流损失的影响，所以需要在今后的工作中进一步完善。

4 结论

研究通过Meta分析方法定量了不同施肥类型、施肥量和分施次数对稻田氮素径流损失和作物产量的影响。研究结果显示，与单施化肥相比，有机肥替代和缓释肥替代显著降低了氮素损失量和损失率，并维持了较高的作物产量。在综合考虑氮素径流损失量和作物产量基础上，得到最佳施肥量为N 120～180 kg/hm2。化肥分施相比一次性施用也显著降低了氮素径流损失。上述研究结果可为稻田氮素管理决策，及稻区农业面源污染治理提供科学依据与参考。