整合分析秸秆还田对中国主要粮食作物氮肥利用率的影响

张天尧 ，吴泽璐 ，卫正宇 ，柴如山 ，王智 ，马超

（1.安徽农业大学 资源与环境学院/农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室, 安徽 合肥 230036；2.南京农业大学 资源与环境科学学院, 江苏 南京 210000）

0 引言

氮肥在农业生产中广泛应用，其对作物产量和品质的形成起着关键作用[1]。我国氮肥用量巨大，而目前的农田氮肥利用率（NUE）仅有30% ～ 35%[2]。大量氮肥的损失不仅造成养分资源及能源的浪费使得氮肥的利用效率低下，还导致了水体富营养化、土壤酸化、大气污染、温室效应等一系列环境污染问题[3]。此外，不同的氮肥效率指标衡量氮素管理变化幅度也不同[4-5]。秸秆还田对氮肥利用率的作用受气候条件、土壤理化性质和管理措施等诸多因素的影响[6-8]。因此，明确秸秆还田对各氮肥利用效率影响及其之间的差异对于我国农田秸秆资源的合理施用、氮肥的高效利用具有重要意义。

研究证实秸秆还田可以减少氮肥的损失，有效提升作物氮肥利用率[9]。例如，在暖温带半湿润气候的潮土地区，秸秆还田下的冬小麦氮肥利用率高于亚热带湿润气候的红壤地区[6]；在土温不当和通气不良的地区，秸秆还田可改善土壤环境，减少氮素损失，提高作物氮肥利用率[7]；增加秸秆还田混合深度，构建肥沃耕层培育和提升耕地地力能够有效提高氮肥利用率[8]。然而，也有研究表明，秸秆还田处理后作物氮肥利用率并未显著提高。例如，双季稻体系早稻季秸秆还田降低了氮肥利用率[10]；玉米秸秆还田会导致氮肥利用率下降[11]；在施用化肥的基础上秸秆还田会将氮肥利用率降低到24%[12]。此外，秸秆还田对氮肥利用率的影响还会因表征指标的不同而存在差异。郑浣彤等[4]研究发现秸秆还田后氮肥利用率提高了20.5%，而氮肥偏生产力（PFPN）却只提升了8.1%。张万锋等[5]研究结果表明秸秆还田后PFPN较对照组平均提高了37.0%，而NUE 平均只提高了28.5%。可见，秸秆还田对氮肥利用率和氮肥偏生产力的影响也存在一定差异。

我国学者围绕秸秆还田对氮肥利用率的影响进行了大量田间研究，但前人研究结果多来自局域试验数据，缺乏区域尺度的比较分析。为了全面认识不同条件下秸秆还田对氮肥利用率的影响，本文采用整合分析（Meta-analysis）方法研究中国粮食作物氮肥利用率对秸秆还田的响应，从而解决以下问题：（1）探明秸秆还田对氮肥利用率的影响；（2）明确秸秆还田对不同氮肥利用率指标影响的关键调控因素以及关键调控因素如何影响作物氮肥利用率；（3）提出氮肥利用率提升的秸秆还田优化方案。

1 材料与方法

1.1 数据收集及筛选

为了系统全面地揭示秸秆还田对氮肥利用率的影响，本研究基于Web of Science 和中国知网两个数据库，设定“秸秆还田、秸秆覆盖、straw return、straw mulching”和“氮肥利用率、氮肥偏生产力、氮素吸收、Nitrogen use efficiency、N utilization”作为关键词，并根据以下5 个标准进行文献检索：（1）中国范围内进行的田间试验；（2）同一试验需包含配对的处理组（秸秆还田）和对照组（秸秆不还田），且处理组和对照组除秸秆还田措施采用之外，其他试验条件全部一致；（3）试验处理的重复数≥3；（4）处理组和对照组相关指标的平均值和标准差（SD）可直接从表格中获取或使用GetData Graph Digitizer 2.24 软件从原始论文图中提取，若文献提供的数据为标准误差（SE），则转换为SD；（5）论文描述了其他相关信息，包括气候（年平均降雨量、年平均气温）、农业管理措施（氮肥施用量、秸秆还田量和还田方式）和土壤特性（土壤全氮、土壤酸碱性和土壤质地）。共检索出2022 年5 月31 日前出版的符合上述标准的文献77 篇，各文献中的试验地分布如图1 所示。

1.2 数据处理

本研究所选取的指标NUE、PFPN定义方式如公式(1)、(2)所示：

式中：NUE 为氮肥利用率，是作物对施入土壤中肥料氮的回收效率，反映吸收效率；PFPN为氮肥偏生产力，是将氮肥利用与产量结合，反映生产效率；UN为施氮区作物吸氮量；U0为不施氮区作物吸氮量；YN为施氮区作物产量；FN为施氮量。

在进行文献数据搜集时，需要收集重复数、对照组和处理组指标数值和标准差。若文献中提供的数据为标准误（SE）、变异系数（CV）或置信区间（CI），则标准差（SD）可通过以下公式进行转换：

式中：n 是重复次数，当显著性水平ɑ= 0.05 时，Zɑ/2= 1.96。

1.3 整合分析

效应值分析由MetaWin 2.1 软件实现[13]，统计学指标采用响应比（Response ratios）表示，因为之间的响应具有高度可变性，并计算其95%的置信区间（95% CI）。其计算公式为：

式中：Xt和Xc分别是处理组和对照组变量x的平均值。在分析过程中，需要将RR对数化，采用自然对数响应比(lnRR)来反映秸秆还田对NUE、PFPN影响的效应值，计算公式如下：

同时，进行了汇总方差的计算V（lnRR），将数据处于同一尺度[14]。

式中：St和Sc分别为处理组和对照组的标准差，Nt和Nc分别为处理组和对照组的田间重复数。

为直观地表达秸秆还田对NUE、PFPN的影响效应，利用式(9)将效应值转化为百分比的形式，I值大于0 则表示秸秆还田对NUE、PFPN具有提升作用，I值小于0 则表示秸秆还田对NUE、PFPN具有降低作用。

本研究利用 MetaWin 2.1 软件计算效应值大小和95%置信区间（CI）[15]，需输入数据包括秸秆还田和不还田氮肥利用率的均值、对应的标准差及样本数。若95%置信区间包含0，表示秸秆还田对氮肥利用率无显著影响（P＞ 0.05）；若95%置信区间都大于0，表示秸秆还田对氮肥利用率具有显著的提升作用（P＜ 0.05）；若95%置信区间都小于0，表示秸秆还田对氮肥利用率具有显著的降低作用（P＜ 0.05）。

为明确试验处理间及各实验结果是否存在异质性，本研究采用Egger test 和Nfs 进行异质性检验，正态分布检验数据分布，极大似然估计（RMLE）计算不同因子的组内组间差异，同时，对于收集到的可量化的影响因子，采用R 4.0.3 对其进行相对重要性分析，通过比较不同因子贡献率判断其是否是重要影响因子。

1.4 统计分析

使用GetData Graph Digitizer 2.24 软件进行数据提取，使用R4.0.3 软件进行数据异质性和偏倚性检验、相对重要性分析；使用Metawin 2.1 软件进行Meta 分析，使用Origin 9.0 软件进行线性回归分析以及绘图；使用SPSS 21 进行正态分析与皮尔逊相关分析。

2 结 果

2.1 秸秆还田对氮肥利用率的影响

与对照组相比，秸秆还田后作物氮肥利用率和氮肥偏生产力的平均值分别显著提升10.9%和6.16%（图2a，2b）。整合分析结果显示，秸秆还田总体上会显著提升作物的氮肥利用率（效应值范围为8.01 ～12.3，下同）和氮肥偏生产力（4.30 ～ 8.02），并且其对氮肥利用率的提升强度显著对大于氮肥偏生产力的（P＜ 0.05，图2c）。

图2 秸秆还田对氮肥利用率的影响Fig. 2 Effect of straw returning on nitrogen efficiency

2.2 影响NUE 对秸秆还田响应的因素

通过随机森林回归分析发现，还田方式对秸秆还田后氮肥利用率变化具有重要解释作用（图3a）。其中，覆盖还田（6.94 ～ 11.0）和翻压还田（14.1 ～ 21.9）均能显著提高作物的氮肥利用率（P ＜0.05），并且秸秆覆盖还田增幅大于翻压还田（图3b）。

图3 不同条件下秸秆还田对NUE 的相对重要性分析及其效应Fig. 3 Analysis of the relative importance and effect of straw returning on NUE under different conditions

2.3 影响PFPN 对秸秆还田响应的因素

土壤酸碱性、全氮以及气候类型对秸秆还田后氮肥偏生产力变化具有重要解释作用（图4a）。在不同的土壤酸碱性条件下，秸秆还田后作物的氮肥偏生产力均得到显著提高，效果为中性（7.44 ～ 13.4）＞碱性（2.22 ～ 6.88）＞ 酸性（1.99 ～ 6.26）（图4b）；土壤全氮＞ 1.25 g·kg-1条件下（6.11 ～ 10.2）秸秆还田效果显著大于土壤全氮≤ 1.25 g·kg-1条件下（2.70 ～ 6.08）的秸秆还田效果（图4c）。除温带大陆性气候下（-9.41 ～ 12.6）还田作用效果不显著外，亚热带季风气候（4.18 ～ 9.06）和温带季风气候下（3.05 ～9.35）的作用效果均显著（P＜ 0.05，图4d）。

图4 不同条件下秸秆还田对PFPN 的相对重要性分析及其效应Fig. 4 Analysis of the relative importance and effect of straw returning on PFPN under different conditions

2.4 秸秆还田下重要调控因子与氮肥偏生产力之间的回归分析

通过对重要调控因子进行的回归分析结果表明：在一定范围内，秸秆还田对PFPN的效应与全氮含量呈线性正相关关系（P＜ 0.05，图5a）。秸秆还田对PFPN的效应值随着土壤酸碱度的提升呈非线性正相关关系（P＜ 0.01，图5b）。对于图4a 中所提出的重要调控因素气候类型，本文用年均温和年均降雨量进行衡量，发现随着年均温和年均降雨量的增加，秸秆还田条件下PFPN的效应值呈非线性负相关关系（P ＜0.01，图5c，图5d）。

图5 秸秆还田下不同调控因子对PFPN 的相关性Fig. 5 Correlation of different regulatory factors on PFPN under straw returning

3 讨论

3.1 秸秆还田对NUE 和PFPN 的总体影响

整合分析发现秸秆还田可以显著提高作物的氮肥利用率，推测原因如下：（1）秸秆还田减少了土壤中氮的损失，这可能是因为还田秸秆腐解后释放大量氮素，土壤微生物氮和有机质的提高利于吸附和固持更多的NH4+，降低了农田氮损失[16]，也有可能是秸秆还田降低或减缓了土壤中的硝化作用，有利于施入化肥氮的保存，相对提高了土壤保肥能力，最终提高了氮肥利用率[17]；（2）秸秆还田合理配施氮肥能提高土壤氮素储备并促进作物对氮素的吸收利用，从而提高氮肥利用率。秸秆还田后能为土壤微生物提供充足碳源，有效协调土壤氮素的固持与供应，提高土壤矿质氮的生物有效性，保证土壤中充足的氮素供应从而促进作物对氮素的吸收[18]。

秸秆还田后NUE 的增幅大于PFPN。可能的原因一是由于近20 年化肥的施用增加，我国部分农田已出现大量的无机氮（主要是硝态氮）累积[19]，而土壤大量硝态氮残留会造成增产效应不明显，而PFPN主要依靠产量计算，使得PFPN提升幅度不高。其二，本文PFPN计算公式中的产量指的是作物籽粒产量，NUE 公式中是作物吸氮量，氮素被吸收后，除了籽粒，作物的其他部分也需要一定氮素量的支持，所以NUE 提升幅度会略大于PFPN。

3.2 还田方式对NUE 的影响

实际生产实践中发现秸秆覆盖还田有效防止土壤侵蚀，减少地表水分蒸发和径流，提高土壤蓄水能力[20]。秸秆深翻还田降低土壤容重，增加孔隙度，翻入土壤的秸秆腐解后提供大量养分，增加土壤有机质和土壤肥力[21]。然而，不同还田方式对土壤水肥气热的影响不同，进而导致土壤氮素行为的差异。因此，相比于其他的影响因素，还田方式是影响作物NUE 的最主要因素。

本分析表明：秸秆覆盖还田和翻压还田均能显著提高作物的NUE，而覆盖还田的效果明显优于翻压还田。秸秆还田可以提高土壤蓄水保墒能力[22-23]，降低土壤容重，增加孔隙度，改善土壤通气状况和水分状况，促进土壤的微生物活性和数量的提高，从而增加土壤供氮潜能和能力，为作物生长提供良好的土壤环境[16]。覆盖还田效果优于翻压还田的结果，这与李银水等[24]的研究一致。可能是在我们分析的数据中，覆盖还田的数据主要为壤土和砂土，翻压还田的数据主要为壤土和粘土，而沙壤土的土质颗粒间隔明显，易造成跑墒失水的情况，相比于粘性土质，通过秸秆还田后可能会更加显著减少表层水分的蒸发，利于土壤深层贮水，改善土壤全层干燥化的问题[25]。除此之外，风沙土上的试验结果表明：在0 ～ 40 cm 土层内土壤容重表现为覆盖＜翻耕[26]。土壤容重是判断土壤肥力状况的重要指标，适宜的土壤容重会影响到微生物的代谢活动、作物根系养分运输情况等问题[27-28]。所以覆盖还田可能比翻压还田更有利于降低容重，能改善土壤性质，为作物提供更好的土壤环境。

然而，也有研究[29]通过整合分析发现翻压还田的效果更好。由此，秸秆还田作为提高土壤质量、作物生产力和可持续性的一个重要选择，在未来有必要进行更广泛和标准化的研究，明确具体情况下最合适的秸秆还田方式。

3.3 土壤全氮、酸碱性以及气候类型对PFPN 的影响

本研究发现土壤酸碱性、土壤全氮含量和气候类型是PFPN的重要影响因子（图4a）。首先，氮肥偏生产力主要受到作物产量的影响，而研究表明土壤酸碱性是判断作物生长和预测作物产量的重要因素[30]；籽粒产量与土壤全氮显著相关，土壤全氮含量是产量的关键驱动因子[31]；气候更是与作物产量之间有着显著的相关性。

在不同的土壤酸碱性下秸秆还田的提升幅度为中性＞碱性＞酸性（图4b）。土壤酸碱性可以通过影响土壤微生物和土壤酶活性来影响秸秆分解[32]、土壤养分转化[33]和土壤氨挥发[34]，最终影响秸秆还田的效果。当土壤为中性时，土壤自身的木质纤维素降解菌数量和活性大，秸秆降解快，氨挥发少，植物吸收养分多[35]；其次有研究通过整合分析发现秸秆还田时中性和碱性提升速效养分含量较酸性效果稍好[36]，且酸性条件下氨挥发多[37]，而氨挥发又是氮肥流失的途径之一。综上，中至碱性土壤上秸秆还田效果较好。

李昌明等[38]研究发现：秸秆氮素释放率与土壤全氮呈正相关关系，与本文结果一致（图4c，图5a）。现在人们普遍认为土壤中的全氮含量可以通过土壤C/N 影响秸秆腐解释放养分速率。本研究所分析的数据中大多数均为禾本科作物秸秆，它们自身的C/N 高、腐解难，需要补充氮素促进腐解[39]，结果导致氮肥施用后秸秆与作物争氮，PFPN提升幅度较低。若土壤全氮含量高，则可以通过提高土壤C/N 直接影响秸秆腐解，让更多的氮肥用于作物从而间接增加PFPN的提升幅度[40]。

本研究发现温带大陆性气候对PFPN影响不显著。首先，温带大陆性气候的数据较少会导致量化效果不好；其次，亚热带季风气候和温带季风气候对PFPN影响显著，这取决于其自身水热条件较好，秸秆还田可以更明显改善土壤物理结构，增加土壤入渗速率，优化土壤孔隙结构，调节地表径流，减流减沙效果[41]；秸秆腐解速率也会加快，有利于作物根系的生长。本文回归分析发现：PFPN提升幅度与年均温和年均降雨量呈非线性负相关关系（图5c；图5d）。Qin 等[42]发现当年平均气温＞11℃时，玉米产量和氮素利用效率与温度呈负相关关系。这与本文研究一致，可能是因为夏季炎热多雨，秸秆还田后土壤含水量增加，土壤通气量降低，影响玉米生长造成产量降低从而导致PFPN的降低；秸秆还田的氮素利用效率随年平均降水量的增加而降低，这是因为在强降雨年份，秸秆还田造成缺氧环境，释放了更多的N2O 导致氮素利用的效率降低[43-44]。

3.4 秸秆还田应用下提升氮肥利用率的最佳策略

我国面临着氮肥利用率低下，过量施用氮肥又导致环境污染加剧等亟待解决的问题。秸秆还田作为一种环境友好的方式可以有效提高作物的氮肥利用效率[45]。整合分析的结果表明，秸秆还田可以有效提高氮肥利用率。我们制定了具体的在亚热带季风气候下将更多的秸秆覆盖还田到全氮 ＞ 1.25 g·kg-1的中性土壤中，以取得最佳氮肥增效的策略。值得一提的是，不同的秸秆还田方式可能适用于不同的土壤质地。覆盖还田可能更适合在偏砂壤土的农田进行。因为相比于粘性土壤，偏砂性土壤秸秆覆盖还田后可能会更加显著减少表层水分的蒸发及养分流失，抑制土壤温度过度变化，利于光合作用和灌浆的进行，养分转化率高，从而提高作物氮肥利用率。

4 结论

秸秆还田可以显著提高作物的NUE 和PFPN。不同评价指标的显著调控因素不同，其中NUE 的提升主要受管理措施（还田方式）的影响，PFPN的提升主要受土壤因素（土壤全氮和土壤酸碱性）和气候条件的影响。基于此，我们认为，在温带季风气候条件区中性以及初始土壤全氮含量＞ 1.25 g·kg-1的土壤上覆盖还田，可以达到既提高NUE 又提高PFPN的效果，实现秸秆的高效利用和农业的可持续发展。本文的研究结果可能仍存在一些局限性，如还田年限、肥料类型等因素由于相关数据较少也未纳入分析。但此研究结果仍将有助于我国今后制定更合理的秸秆还田模式和进行推广应用。