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不同施肥处理对我国主要粮食作物产量及氮肥利用效率的影响分析

魏文良 刘路 仇恒浩

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不同施肥处理对我国主要粮食作物产量及氮肥利用效率的影响分析

    作者简介: 魏文良 Tel:0532-58957461,E-mail:weiwenliang12@163.com;
  • 基金项目: 国家重点研发计划课题 (2018YFD0300604);青岛农业大学高层次人才基金项目 (663/1119025)。

Analysis of crop yield and nitrogen use efficiency under different fertilizer uses in China

  • 摘要:   【目的】  近年来,化学肥料的投入带来了作物单位面积产量的大幅提高,促使我国的粮食生产取得了举世瞩目的成就,但是,化肥的过量施用也导致了土壤及生态环境一系列的问题。此外,我国有机物料的种类与数量不断丰富,而循环利用率较低,因此,开展有机物料农田投入对作物增产和氮肥替代能力的研究十分重要。  【方法】  本研究基于文献查阅,收集并整理了我国三大粮食作物 (小麦、玉米、水稻) 在不同施肥处理 (对照、化肥、有机、有机无机配施) 下的相关试验数据 (试验年限 ≤ 5),旨在比较不同施肥处理下三大粮食作物的产量差异,并明确化肥与有机无机配施处理下的氮肥用量及氮肥利用效率。  【结果】  不同处理两两比较的结果表明,化肥、有机和有机无机配施处理较对照处理分别增产58.7%、32.1%和61.8%;与化肥处理相比,有机处理的作物产量无显著变化,而有机无机配施处理显著提高作物产量 (7.4%),且不同的作物类型表现出相似的变化规律。对同时设置4个处理的试验数据进行统计分析表明,4个处理的作物平均产量分别为4778、7000、6009和7422 kg/hm2。与对照处理相比,施肥显著提高了作物产量,化肥和有机无机配施处理间无显著性差异,且均显著高于有机处理。同时,研究发现不同处理的作物产量会受到作物类型、有机物料种类的影响。从氮肥施用总量分析,有机无机配施处理的施氮量在小麦、玉米试验中与化肥处理基本相同,在水稻试验中则显著降低。总的分析来看,有机无机配施的氮肥偏生产力较化肥处理显著提高了32.5%,小麦、玉米、水稻上氮素偏生产力由化肥处理的35.0、45.2、42.8 kg/kg,分别增加到有机无机配施处理的45.2、60.6、56.4 kg/kg。配施处理的有机物料替代化肥,提高氮肥偏生产力的潜力不同,秸秆还田、农家肥与化肥配施处理中,化肥氮用量未发生显著变化,而氮肥偏生产力显著提高,增幅分别为9.4%、71.7%;配施堆肥的化肥氮用量也无显著降低,氮肥偏生产力较化肥处理未显著提高;配施沼渣的处理中,氮肥用量显著降低,氮肥偏生产力显著提高 (10.3%)。  【结论】  综合我国历年田间试验中有机无机配施和化肥处理的结果,可以认为,适宜的化学氮肥投入是保证我国小麦、玉米和水稻产量的重要措施。在当前我国土壤肥力条件下,在不减少化肥氮素用量的前提下配施有机物料,可以进一步增加产量,提高土壤肥力。在总氮量不变的前提下,以有机物料替代部分化肥氮可以保证粮食产量不降低,且提高氮肥的偏生产力。在有机物料中,粪肥和沼渣替代部分化肥的效果较好,而配合秸秆还田不建议减少化肥氮素的投入量。
  • 图 1  不同施肥处理两两比较下的作物产量

    Figure 1.  Crop yield of different fertilization treatments in groups

    图 2  施肥处理两两比较下的小麦、玉米和水稻产量

    Figure 2.  Wheat,maize and rice yield comparison between every two fertilization treatments

    图 3  四种不同施肥处理下的作物产量

    Figure 3.  Crop yield of four different fertilization treatments

    图 4  四种不同施肥处理下的小麦、玉米和水稻产量

    Figure 4.  Wheat,maize and rice yield of different fertilization treatments in groups

    图 5  不同有机物料与化肥配施处理下的作物产量

    Figure 5.  Crop yield of different fertilization treatments under different kinds of organic resources

    表 1  化肥、有机无机配施下不同作物的施氮量、氮肥偏生产力

    Table 1.  Nitrogen rate and PFPN of traditional and integrated treatment of different crops

    处理Treatment小麦Wheat玉米Maize水稻Rice
    产量
    Yield
    施氮量
    N rate
    氮肥偏生产力 PFPN产量
    Yield
    施氮量
    N rate
    氮肥偏生产力 PFPN产量
    Yield
    施氮量
    N rate
    氮肥偏生产力 PFPN
    F5.49 ± 1.42 b201.5 ± 121.0 a35.0 ± 23.0 b7.62 ± 2.07 b215.5 ± 124.5 a45.2 ± 30.2 b6.94 ± 1.50 b176.9 ± 59.6 a42.8 ± 15.9 b
    F + ORs5.85 ± 1.52 a188.3 ± 113.2 a45.2 ± 30.2 a8.26 ± 2.21 a206.1 ± 121.5 a60.6 ± 70.3 a7.41 ± 1.49 a161.3 ± 63.3 b56.4 ± 40.6 a
    F15.44 ± 1.48 b199.1 ± 93.1 a 33.0 ± 16.8 a7.44 ± 2.11 b208.8 ± 103.0 a45.2 ± 31.1 a6.85 ± 1.42 b174.9 ± 55.3 a41.8 ± 13.1 a
    F1 + ORs5.90 ± 1.59 a199.1 ± 93.1 a 35.2 ± 17.2 a8.21 ± 2.19 a208.8 ± 103.0 a51.3 ± 53.4 a7.40 ± 1.39 a174.9 ± 55.3 a45.3 ± 15.0 a
    F25.64 ± 1.13 a208.6 ± 181.5 a41.1 ± 35.2 b8.16 ± 1.87 a237.9 ± 166.0 a44.9 ± 27.8 b7.13 ± 1.64 a180.1 ± 66.1 a44.4 ± 19.7 b
    F2 + ORs5.68 ± 1.23 a155.7 ± 155.6 a79.0 ± 96.9 a8.39 ± 2.30 a203.0 ± 159.7 a85.5 ± 99.1 a7.43 ± 1.70 a138.9 ± 69.0 b74.7 ± 58.9 a
    注 (Note):F1、F1 + ORs 分别表示非等氮量 (化肥氮投入相同,F1 + ORs 处理额外加入有机物料氮) 投入条件下化肥及有机无机配施处理;F2、F2 + ORs 分别表示等氮量 (氮投入总量相同,F2 + ORs 处理化肥氮配施部分有机物料氮) 投入条件下的化肥及有机无机配施处理;F、F + ORs 分别表示施用化肥处理及有机无机配施处理。F1,F1 + ORs indicate the chemical nitrogen and organic resources plus chemical nitrogen treatment with different nitrogen input,respectively (the same fertilizer nitrogen input,F1 + ORs with additional organic nitrogen resource);F2,F2 + ORs indicate the chemical nitrogen and organic resources plus chemical nitrogen treatment with same nitrogen input,respectively (the same total nitrogen input,F1 + ORs partly instead of fertilizer nitrogen);F,F + ORs indicate all of the chemical nitrogen and organic resources + chemical nitrogen treatment,respectively.
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    表 2  化肥与不同有机物料配施下的施氮量和氮肥偏生产力

    Table 2.  Nitrogen rate and PFPN caused by combination of chemical fertilizer with different organic resources

    处理Treatment秸秆Straw农家肥Manure堆肥Compost沼渣Biogas-residue
    产量
    Yield
    施氮量
    N rate
    氮肥偏生产力PFPN产量
    Yield
    施氮量
    N rate
    氮肥偏生产力PFPN产量
    Yield
    施氮量
    N rate
    氮肥偏生产力PFPN产量
    Yield
    施氮量
    N rate
    氮肥偏生产力PFPN
    F6.60 ± 1.75 b197.0 ± 77.9 a 38.1 ± 15.6 b7.21 ± 2.22 b207.8 ± 112.9 a44.9 ± 25.9 b6.56 ± 1.80 a231.0 ± 227.3 a42.5 ± 23.5 a7.38 ± 2.16 a150.2 ± 40.0 a58.9 ± 51.3 b
    F + ORs7.07 ± 1.82 a197.8 ± 84.1 a 41.7 ± 20.6 a7.89 ± 2.22 a181.1 ± 118.4 a77.1 ± 90.3 a6.75 ± 2.00 a184.4 ± 172.6 a52.7 ± 26.0 a8.14 ± 2.57 a98.1 ± 44.6 b112.1 ± 104.2 a
    F1 + ORs7.17 ± 1.87 a197.3 ± 77.6 a 41.0 ± 16.2 a7.48 ± 2.26 a218.3 ± 120.7 a42.6 ± 18.2 a6.54 ± 2.01 a101.7 ± 49.7 a 66.6 ± 18.3 a10.54 ± 2.90 a109.4 ± 54.2 a184.4 ± 238.8 a
    F26.32 ± 1.18 a195.3 ± 80.0 a 38.0 ± 18.6 a8.22 ± 1.84 a191.5 ± 99.3 a 55.2 ± 32.9 b6.94 ± 1.79 a310.5 ± 256.8 a29.8 ± 15.5 b7.28 ± 2.18 a155.8 ± 34.9 a51.0 ± 28.6 b
    F2 + ORs6.39 ± 1.35 a200.5 ± 112.8 a45.6 ± 35.6 a8.61 ± 1.99 a123.5 ± 89.3 b 130.4 ± 125.6 a6.91 ± 2.02 a235.3 ± 200.7 a44.2 ± 26.7 a7.74 ± 2.32 a96.5 ± 43.8 b102.1 ± 70.9 a
    注 (Note):F1、F1 + ORs 分别表示非等氮量 (化肥氮投入相同,F1 + ORs 处理额外加入有机物料氮) 投入条件下化肥及有机无机配施处理;F2、F2 + ORs 分别表示等氮量 (氮投入总量相同,F2 + ORs 处理化肥氮配施部分有机物料氮) 投入条件下的化肥及有机无机配施处理;F、F + ORs 分别表示施用化肥处理及有机无机配施处理。F1,F1 + ORs indicate the chemical nitrogen and organic resources plus chemical nitrogen treatment with different nitrogen input,respectively (the same fertilizer nitrogen input,F1 + ORs with additional organic nitrogen resource);F2,F2 + ORs indicate the chemical nitrogen and organic resources plus chemical nitrogen treatment with same nitrogen input,respectively (the same total nitrogen input,F1 + ORs partly instead of fertilizer nitrogen);F,F + ORs indicate all of the chemical nitrogen and organic resources + chemical nitrogen treatment,respectively.
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    [18] 谭德水金继运黄绍文高伟 . 长期施钾与秸秆还田对华北潮土和褐土区作物产量及土壤钾素的影响 . 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2008.0117
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  • 收稿日期:  2019-12-23

不同施肥处理对我国主要粮食作物产量及氮肥利用效率的影响分析

    作者简介:魏文良 Tel:0532-58957461,E-mail:weiwenliang12@163.com
  • 青岛农业大学资源与环境学院,山东青岛 266109
  • 基金项目: 国家重点研发计划课题 (2018YFD0300604);青岛农业大学高层次人才基金项目 (663/1119025)。
  • 摘要:   【目的】  近年来,化学肥料的投入带来了作物单位面积产量的大幅提高,促使我国的粮食生产取得了举世瞩目的成就,但是,化肥的过量施用也导致了土壤及生态环境一系列的问题。此外,我国有机物料的种类与数量不断丰富,而循环利用率较低,因此,开展有机物料农田投入对作物增产和氮肥替代能力的研究十分重要。  【方法】  本研究基于文献查阅,收集并整理了我国三大粮食作物 (小麦、玉米、水稻) 在不同施肥处理 (对照、化肥、有机、有机无机配施) 下的相关试验数据 (试验年限 ≤ 5),旨在比较不同施肥处理下三大粮食作物的产量差异,并明确化肥与有机无机配施处理下的氮肥用量及氮肥利用效率。  【结果】  不同处理两两比较的结果表明,化肥、有机和有机无机配施处理较对照处理分别增产58.7%、32.1%和61.8%;与化肥处理相比,有机处理的作物产量无显著变化,而有机无机配施处理显著提高作物产量 (7.4%),且不同的作物类型表现出相似的变化规律。对同时设置4个处理的试验数据进行统计分析表明,4个处理的作物平均产量分别为4778、7000、6009和7422 kg/hm2。与对照处理相比,施肥显著提高了作物产量,化肥和有机无机配施处理间无显著性差异,且均显著高于有机处理。同时,研究发现不同处理的作物产量会受到作物类型、有机物料种类的影响。从氮肥施用总量分析,有机无机配施处理的施氮量在小麦、玉米试验中与化肥处理基本相同,在水稻试验中则显著降低。总的分析来看,有机无机配施的氮肥偏生产力较化肥处理显著提高了32.5%,小麦、玉米、水稻上氮素偏生产力由化肥处理的35.0、45.2、42.8 kg/kg,分别增加到有机无机配施处理的45.2、60.6、56.4 kg/kg。配施处理的有机物料替代化肥,提高氮肥偏生产力的潜力不同,秸秆还田、农家肥与化肥配施处理中,化肥氮用量未发生显著变化,而氮肥偏生产力显著提高,增幅分别为9.4%、71.7%;配施堆肥的化肥氮用量也无显著降低,氮肥偏生产力较化肥处理未显著提高;配施沼渣的处理中,氮肥用量显著降低,氮肥偏生产力显著提高 (10.3%)。  【结论】  综合我国历年田间试验中有机无机配施和化肥处理的结果,可以认为,适宜的化学氮肥投入是保证我国小麦、玉米和水稻产量的重要措施。在当前我国土壤肥力条件下,在不减少化肥氮素用量的前提下配施有机物料,可以进一步增加产量,提高土壤肥力。在总氮量不变的前提下,以有机物料替代部分化肥氮可以保证粮食产量不降低,且提高氮肥的偏生产力。在有机物料中,粪肥和沼渣替代部分化肥的效果较好,而配合秸秆还田不建议减少化肥氮素的投入量。

    English Abstract

    • 粮食安全问题长久以来一直是我国乃至全球面临的重大问题。在过去的几十年间得益于粮食单产的增加而非种植面积的扩大,我国的农业生产取得了举世瞩目的成就,即用占世界7%的耕地面积养活了占世界22%的人口数量[1-3]。我国小麦、玉米、水稻单产分别从1961年的559、1185和2079 kg/hm2增加到2017年的5481、6110和6909 kg/hm2[4]。与此同时,我国化肥消费量不断增加,尤其是氮肥的消费量在急剧上升[2-3, 5-7],1961—2017年间,我国的氮肥消费量增加了28倍 (由1961年的880 t增加到2017年的24581 t)[8]。氮肥的大量施用在提高粮食产量的同时,导致了土壤酸化、生物多样性的降低、水体富营养化等一系列的土壤及生态环境问题[9-10]。因此,探索一种更为综合的农业发展模式和养分管理措施来满足我国的粮食需求,并减缓农业生产带来的资源、环境压力,是实现我国农业“绿色”发展的重大选题[2, 11-12]

      农业有机物料的循环利用在我国已经有悠久的历史,并成为维持土壤肥力、节约化肥用量推广使用的养分资源管理策略[13-15],尤其当前秸秆还田技术的创新发展,促使我国土壤的有机碳水平得到一定程度的提升,对于提高土壤的生产力水平具有重要意义[16]。然而,有研究表明有机物料单独施用可能会导致作物产量的显著降低:例如,撒哈拉沙漠以南的非洲雨养农业,在低投入条件下单施有机物料较单施化肥和有机无机配施处理分别减产24%和54%[17]。瑞典6年的田间试验结果表明,单施粪肥导致了大麦和马铃薯分别减产47%和82%[18]。大量的研究发现,有机物料与化肥配施可实现作物产量提高 (短期),以及土壤质量/土壤有机质改善 (长期)[19-25],成为实现我国农业增产、增效、节肥的具有潜力的重要施肥模式。同时,我国有机物料的养分总量巨大[26-27],种类也在不断丰富[14-15],而农田循环利用率持续下降[28],对有机物料农田利用及其化肥替代潜力的研究有待进一步开展。

      对全国32个长期定位试验数据的分析结果表明,与对照处理相比,有机、化肥以及有机无机配施处理均能显著提高三大粮食作物 (小麦、玉米、水稻) 的产量,不同施肥处理提高三大粮食作物产量的效果依次为有机无机配施 > 单施化肥 > 单施有机肥 > 对照处理;同时,有机、有机无机配施处理 (尤其是配施处理) 均显著提高了土壤有机质含量,并会受到土壤利用类型 (水田、旱地、水旱轮作) 的影响[24]。但是,该研究中的数据统计分析没有区分不同质量的有机物料,而不同有机物料农田施用对作物产量的影响存在较大的差异[29-37]。有研究发现,施用沼渣或堆肥均能显著增加水稻、小麦和玉米的产量,并减少化学氮肥的施用量[29-32]。然而也有研究表明,施用一定量的堆肥对作物无明显的增产效果,例如,在德国棕壤上的试验表明,施用生物垃圾堆肥对小麦没有明显的增产作用[33]。秸秆还田有利于作物增产与土壤质量的改善[34-36],但也有部分减产的报道[37]。同时,全国32个长期定位试验研究中的数据统计分析缺少有机物料投入对氮肥利用效率及化肥替代潜力的分析[24]。因此,为探究不同有机物料农田利用及其与化肥配施对我国三大粮食作物产量提高的短期效应,以及不同试验设计 (等氮量与非等氮量) 条件下的氮肥利用效率 (氮肥偏生产力),本研究在长期定位试验研究结果的基础上,采用文献数据收集的方法开展研究,明确不同施肥处理对我国三大粮食作物产量的影响,并揭示不同类型有机物料施用带来的作物产量的差异;明确化肥与有机无机配施处理的氮肥消费量与氮肥偏生产力,为我国农业的可持续发展提供理论支撑。

      • 通过中国知网 (http://www.cnki.net/) 及万方数据库 (http://g.wanfangdata.com.cn/) 搜索并筛选相关中文文献。文献筛选要求:1) 试验类型为大田试验;2) 供试作物为小麦、玉米或水稻;3) 试验处理包含对照 (CK)、化肥 (F)、有机肥 (ORs) 以及有机无机配施 (F + ORs) 4个处理中的至少2个处理,并包含作物产量和氮量用量的数据,文章发表年份为1990—2012年。通过文献筛选,本研究共获得文献数为:小麦相关文献73篇,玉米相关文献67篇,水稻相关文献84篇。其中,同时包含4个处理的文献按作物种类划分,包括小麦10篇、玉米7篇、水稻12篇;按有机物料种类划分,包括秸秆 (S) 12篇、农家肥 (本文中指畜禽粪便) (M) 7篇、堆肥 (本文中指污泥堆肥) (C) 4篇、沼渣 (BgR) 3篇,筛选获得的文献均为1~5年的短期试验研究。利用获得的文献建立数据库,进行数据统计分析。

      • 由于各试验中包含的处理数不同,为了增加统计分析结果的可比性,将获得的产量数据根据不同的处理两两配对比较,即化肥vs.对照、有机vs.对照、有机无机配施vs.对照、化肥vs.有机、化肥vs.配施、以及有机vs.有机无机配施处理。同时,将包含4个处理试验的作物产量进行统计分析。对于化肥处理和有机无机配施处理,统计其施氮量,进一步分为等氮量投入 (有机物料带入的氮按照不同比例替代化学氮肥),非等氮量投入 (化学氮肥施用量相同,额外添加有机物料),并计算氮肥偏生产力,它是反映土壤基础养分水平和化肥施用量综合效应的重要指标[38],本文以氮肥偏生产力来表征氮肥利用效率。氮肥偏生产力 (PFP kg/kg) = 作物籽粒产量 (kg/hm2) /施氮量 (N kg/hm2)。

        试验数据表达为平均值 ± 标准误,采用Microsoft Excel 2013、Sigmaplot 12.0和SAS 8.0统计软件进行分析、作图。

      • 不同施肥处理对三大粮食作物产量的影响不同,尽管不同施肥处理间的样本量存在较大差异 (n = 85~568),但整体表现为有机无机配施 > 化肥、有机 > 对照处理。与对照相比,化肥、有机以及有机无机配施处理均显著提高了作物产量,分别提高了2463、1463和2729 kg/hm2,增幅分别为58.7%、32.1%和61.8%;有机与化肥处理的作物产量无显著差异;而有机无机配施的作物产量显著高于化肥和有机处理,增幅分别为7.4%和18.2% (图1)。

        图  1  不同施肥处理两两比较下的作物产量

        Figure 1.  Crop yield of different fertilization treatments in groups

        图  2  施肥处理两两比较下的小麦、玉米和水稻产量

        Figure 2.  Wheat,maize and rice yield comparison between every two fertilization treatments

        图  3  四种不同施肥处理下的作物产量

        Figure 3.  Crop yield of four different fertilization treatments

        图  4  四种不同施肥处理下的小麦、玉米和水稻产量

        Figure 4.  Wheat,maize and rice yield of different fertilization treatments in groups

        不同施肥处理对不同作物的产量的影响也存在差异 (图2)。与对照处理相比,化肥以及有机无机配施处理的小麦、玉米、水稻产量均显著提高,化肥处理分别能够增产75.0%、58.1%和53.0%,有机无机配施处理增产69.7%、64.4%和57.1%;有机处理下小麦、玉米产量分别显著增产41.0%和47.0%,而水稻产量无显著提高。与化肥处理比较,有机处理并未降低小麦、玉米和水稻产量,而有机无机配施处理分别提高了小麦、玉米、水稻产量6.7%、8.4%和6.8%,这可能是由于当前试验研究中大多为化肥处理与有机无机配施处理化学氮肥投入量相同,额外添加有机物料增加了养分投入引起的产量增加。有机无机配施较有机处理,小麦、水稻产量表现出显著增加,但对玉米产量无显著影响。

      • 对同时包含对照、化肥、有机以及有机无机配施4种处理的73组试验数据进行统计分析,结果表明不同施肥处理的作物产量,以及同一施肥处理不同试验点间均存在较大的变异。整体而言,对照、化肥、有机、有机无机配施4种处理下的作物平均产量分别为4778、7000、6009和7422 kg/hm2。显著性分析结果表明,化肥、有机及有机无机配施处理均显著高于对照处理,但有机无机配施和化肥处理间未达到显著水平,均显著高于有机处理,不同施肥处理的作物产量表现为有机无机配施、化肥 > 有机 > 对照处理 (图3)。

        就不同的作物类型而言,对照、化肥、有机以及有机无机配施4种处理对小麦、玉米、水稻的产量影响不同。整体而言,对照处理的小麦、玉米、水稻产量均表现为最低,且显著低于其它处理。4种处理下的小麦产量分别为3378、5183、4478和5502 kg/hm2,有机无机配施显著高于有机处理,而与化肥处理相比无显著差异;且有机较化肥处理无显著差异。玉米产量分别为5613、8869、7381和9272 kg/hm2,水稻产量分别为5515、7469、6531和7993 kg/hm2,均与小麦产量的变化规律类似 (图4)。

      • 不同有机物料 (秸秆、农家肥、堆肥、沼渣) 对作物产量的影响也存在差异,但是,同一有机物料施用在不同的试验中的产量结果存在较大变异 (图5)。单独施用秸秆、农家肥、堆肥、沼渣条件下的作物产量分别为5569、5111、7840、6259 kg/hm2,与对照相比,秸秆还田及施用农家肥较对照处理增产不显著,而施用堆肥和沼渣分别增产53.0%和46.7%,结果表明不同有机物料提高作物产量的能力不同。与化肥处理相比,施用秸秆处理的作物产量显著下降 (23.8%),而施用农家肥、堆肥和沼渣处理的作物产量未表现出显著降低;不同有机物料与化肥配施后的作物产量较化肥处理均无显著性差异,但表现出一定的增产趋势 (图5),这可与有机物料自身的性质 (碳氮比、养分含量、中微量元素含量、养分释放速率等) 有关。

        图  5  不同有机物料与化肥配施处理下的作物产量

        Figure 5.  Crop yield of different fertilization treatments under different kinds of organic resources

      • 进一步对化肥及有机无机配施处理下的施氮量进行统计分析发现 (表1),总体上有机无机配施的施氮量与化肥处理在小麦、玉米上无显著降低,而在水稻上达到显著水平,减幅为8.8%。有机无机配施处理在小麦、玉米、水稻的氮肥偏生产力均显著高于化肥,分别从化肥处理下的35.0、45.2、42.8 kg/kg增加到配施处理下的45.2、60.6、56.4 kg/kg。

        表 1  化肥、有机无机配施下不同作物的施氮量、氮肥偏生产力

        Table 1.  Nitrogen rate and PFPN of traditional and integrated treatment of different crops

        处理Treatment小麦Wheat玉米Maize水稻Rice
        产量
        Yield
        施氮量
        N rate
        氮肥偏生产力 PFPN产量
        Yield
        施氮量
        N rate
        氮肥偏生产力 PFPN产量
        Yield
        施氮量
        N rate
        氮肥偏生产力 PFPN
        F5.49 ± 1.42 b201.5 ± 121.0 a35.0 ± 23.0 b7.62 ± 2.07 b215.5 ± 124.5 a45.2 ± 30.2 b6.94 ± 1.50 b176.9 ± 59.6 a42.8 ± 15.9 b
        F + ORs5.85 ± 1.52 a188.3 ± 113.2 a45.2 ± 30.2 a8.26 ± 2.21 a206.1 ± 121.5 a60.6 ± 70.3 a7.41 ± 1.49 a161.3 ± 63.3 b56.4 ± 40.6 a
        F15.44 ± 1.48 b199.1 ± 93.1 a 33.0 ± 16.8 a7.44 ± 2.11 b208.8 ± 103.0 a45.2 ± 31.1 a6.85 ± 1.42 b174.9 ± 55.3 a41.8 ± 13.1 a
        F1 + ORs5.90 ± 1.59 a199.1 ± 93.1 a 35.2 ± 17.2 a8.21 ± 2.19 a208.8 ± 103.0 a51.3 ± 53.4 a7.40 ± 1.39 a174.9 ± 55.3 a45.3 ± 15.0 a
        F25.64 ± 1.13 a208.6 ± 181.5 a41.1 ± 35.2 b8.16 ± 1.87 a237.9 ± 166.0 a44.9 ± 27.8 b7.13 ± 1.64 a180.1 ± 66.1 a44.4 ± 19.7 b
        F2 + ORs5.68 ± 1.23 a155.7 ± 155.6 a79.0 ± 96.9 a8.39 ± 2.30 a203.0 ± 159.7 a85.5 ± 99.1 a7.43 ± 1.70 a138.9 ± 69.0 b74.7 ± 58.9 a
        注 (Note):F1、F1 + ORs 分别表示非等氮量 (化肥氮投入相同,F1 + ORs 处理额外加入有机物料氮) 投入条件下化肥及有机无机配施处理;F2、F2 + ORs 分别表示等氮量 (氮投入总量相同,F2 + ORs 处理化肥氮配施部分有机物料氮) 投入条件下的化肥及有机无机配施处理;F、F + ORs 分别表示施用化肥处理及有机无机配施处理。F1,F1 + ORs indicate the chemical nitrogen and organic resources plus chemical nitrogen treatment with different nitrogen input,respectively (the same fertilizer nitrogen input,F1 + ORs with additional organic nitrogen resource);F2,F2 + ORs indicate the chemical nitrogen and organic resources plus chemical nitrogen treatment with same nitrogen input,respectively (the same total nitrogen input,F1 + ORs partly instead of fertilizer nitrogen);F,F + ORs indicate all of the chemical nitrogen and organic resources + chemical nitrogen treatment,respectively.

        在化学肥料氮投入量相同,配施有机肥额外增加氮投入的条件下,有机无机配施较化肥处理显著提高了小麦、玉米、水稻的产量,氮肥偏生产力均无显著性变化。而在氮投入总量相同,有机物料带入的氮部分替代化学氮肥条件下,有机无机配施的增产效果减小 (不显著,P > 0.05),在化学氮肥施用量减少20.4%时,氮肥偏生产力显著提高 (80.6%)。已有试验小麦、玉米、水稻有机无机配施处理中的化肥氮量减少程度不同,水稻上一般化肥氮素降幅为22.9%,降幅高于小麦玉米。因此,三大作物的氮肥偏生产力分别显著提高了92.2%、90.4%、68.2% (表1)。

        不同有机物料与化肥配施中,其替代化肥的比例、作物增产效应以及提高氮肥偏生产力的潜力均不同 (表2)。与化肥处理相比,秸秆、农家肥、堆肥与化肥配施条件下的氮肥施用量均未发生显著变化,秸秆、农家肥与化肥配施的氮肥偏生产力较化肥处理显著提高,增幅分别为9.4%、71.7%,而堆肥与化肥配施无显著差异;沼渣与化肥配施较化肥处理的氮肥施用量显著降低 (34.7%),氮肥偏生产力显著提高 (90.3%)。

        表 2  化肥与不同有机物料配施下的施氮量和氮肥偏生产力

        Table 2.  Nitrogen rate and PFPN caused by combination of chemical fertilizer with different organic resources

        处理Treatment秸秆Straw农家肥Manure堆肥Compost沼渣Biogas-residue
        产量
        Yield
        施氮量
        N rate
        氮肥偏生产力PFPN产量
        Yield
        施氮量
        N rate
        氮肥偏生产力PFPN产量
        Yield
        施氮量
        N rate
        氮肥偏生产力PFPN产量
        Yield
        施氮量
        N rate
        氮肥偏生产力PFPN
        F6.60 ± 1.75 b197.0 ± 77.9 a 38.1 ± 15.6 b7.21 ± 2.22 b207.8 ± 112.9 a44.9 ± 25.9 b6.56 ± 1.80 a231.0 ± 227.3 a42.5 ± 23.5 a7.38 ± 2.16 a150.2 ± 40.0 a58.9 ± 51.3 b
        F + ORs7.07 ± 1.82 a197.8 ± 84.1 a 41.7 ± 20.6 a7.89 ± 2.22 a181.1 ± 118.4 a77.1 ± 90.3 a6.75 ± 2.00 a184.4 ± 172.6 a52.7 ± 26.0 a8.14 ± 2.57 a98.1 ± 44.6 b112.1 ± 104.2 a
        F1 + ORs7.17 ± 1.87 a197.3 ± 77.6 a 41.0 ± 16.2 a7.48 ± 2.26 a218.3 ± 120.7 a42.6 ± 18.2 a6.54 ± 2.01 a101.7 ± 49.7 a 66.6 ± 18.3 a10.54 ± 2.90 a109.4 ± 54.2 a184.4 ± 238.8 a
        F26.32 ± 1.18 a195.3 ± 80.0 a 38.0 ± 18.6 a8.22 ± 1.84 a191.5 ± 99.3 a 55.2 ± 32.9 b6.94 ± 1.79 a310.5 ± 256.8 a29.8 ± 15.5 b7.28 ± 2.18 a155.8 ± 34.9 a51.0 ± 28.6 b
        F2 + ORs6.39 ± 1.35 a200.5 ± 112.8 a45.6 ± 35.6 a8.61 ± 1.99 a123.5 ± 89.3 b 130.4 ± 125.6 a6.91 ± 2.02 a235.3 ± 200.7 a44.2 ± 26.7 a7.74 ± 2.32 a96.5 ± 43.8 b102.1 ± 70.9 a
        注 (Note):F1、F1 + ORs 分别表示非等氮量 (化肥氮投入相同,F1 + ORs 处理额外加入有机物料氮) 投入条件下化肥及有机无机配施处理;F2、F2 + ORs 分别表示等氮量 (氮投入总量相同,F2 + ORs 处理化肥氮配施部分有机物料氮) 投入条件下的化肥及有机无机配施处理;F、F + ORs 分别表示施用化肥处理及有机无机配施处理。F1,F1 + ORs indicate the chemical nitrogen and organic resources plus chemical nitrogen treatment with different nitrogen input,respectively (the same fertilizer nitrogen input,F1 + ORs with additional organic nitrogen resource);F2,F2 + ORs indicate the chemical nitrogen and organic resources plus chemical nitrogen treatment with same nitrogen input,respectively (the same total nitrogen input,F1 + ORs partly instead of fertilizer nitrogen);F,F + ORs indicate all of the chemical nitrogen and organic resources + chemical nitrogen treatment,respectively.

        同样的,对有机无机配施下的不同氮投入量分析,结果表明,与化肥处理相比,非等氮量投入条件下,除秸秆还田与化肥配施处理的氮肥偏生产力显著提高 (7.6%) 外,农家肥、堆肥、沼渣与化肥配施的氮肥偏生产力均无显著变化。而等氮量投入条件下,秸秆与化肥配施较化肥处理的化学氮肥施用量、氮肥偏生产力均无显著性变化;农家肥、沼渣与化肥配施较化肥处理显著降低了化学氮肥施用量,并提高了氮肥偏生产力;堆肥与化肥配施较化肥处理的氮肥施用量无显著性变化,而氮肥偏生产力显著提高 (表2)。

      • 不同施肥处理对作物产量的影响程度存在差异,同时还会受到作物类型、有机物料种类等因素的影响。研究结果表明,同时包含4种施肥处理的73个试验结果中 (等氮量投入n = 30),作物产量整体表现为有机无机配施、化肥 > 有机 > 对照处理 (图3),而对所有568个文献数据的统计结果 (等氮量投入n = 148) 作物产量为有机无机配施 > 化肥、有机 > 对照处理 (图1)。与化肥处理相比,有机无机配施处理能够获得更高的作物产量,增幅为7.4% (图1)。大量的统计结果也获得类似结论[17, 24],对撒哈拉以南非洲地区试验数据的统计分析表明,有机无机配施较化肥处理的玉米产量平均增加17%[17];对我国32个长期定位试验 (试验年限为13~31年) 的统计结果也发现,有机无机配施较化肥处理的3大粮食作物产量平均增加8%[24]。这可能是由于有机物料投入带来有机无机配施条件下的大量及中微量养分供应量的增加,进而促进作物增产,本研究等氮量投入与非等氮量投入条件下的施氮量和作物产量分析结果也证实了这一推论 (表1)。

        一些研究结果表明,单施有机肥较单施化肥处理降低了作物产量[17-18, 24],然而,本研究对大量结果的统计表明单施有机肥的作物产量较单施化肥 (等氮量下) 无显著差异 (图1),而我国32个长期定位试验的统计结果表明,有机肥较化肥处理的3大粮食作物产量平均降低17%[24],这是由于试验中有机处理的氮素投入量远低于化肥。有长期定位试验研究发现,在等氮量投入情况下,有机处理的作物产量随试验年限整体上呈逐年增加的趋势,并在一定时间后会达到或者超过化肥处理的产量[39]。有机肥较化肥处理的作物产量无显著性差异还可能与SOC含量密切相关[24-25],Li等在东北平原的研究结果发现,当SOC储量达到C 41.96 t/hm2时,等氮量的粪肥能够完全替代化肥来实现玉米稳产和SOC含量的提升[25]。此外,不同有机物料提高作物产量的能力存在差异。与不施肥相比,秸秆还田、农家肥、堆肥、沼渣施用能够提高作物产量9.1%~53.0% (图5),表明有机物料的增产效果与自身的碳氮比、养分含量、中微量元素含量、养分释放速率等性质有关[26, 40-41]。在本研究中还发现,有机物料的增产效果受到气候条件、土壤类型、种植制度和田间管理 (施肥、灌溉方式) 等因素的综合影响,同种有机物料在不同试验中的研究结果也存在较大的变异 (图1图5)。因此,加强特定条件 (作物种类、土壤类型、优化管理等) 下不同有机物料与化肥处理的对比研究对获得有机物料的效果的科学严谨性至关重要。

        在以往全国32个长期定位试验的数据统计分析中,主要研究了不同施肥处理对作物产量和土壤有机质含量的影响,但是对氮肥利用效率的分析不够深入[24]。本研究通过短期试验的统计分析发现,有机无机配施处理能够在实现作物增产的基础上,提高氮肥偏生产力。与化肥处理相比,有机无机配施处理的氮肥施用量无显著增加,而氮肥偏生产力提高32.5% (表1),这与以往的大量试验结果类似[30, 42-43]。究其原因,当有机无机处理中化肥氮的投入较化肥处理无差异或显著降低 (等氮量投入条件下) 时,有机无机处理获得了更高的产量,而氮肥偏生产力的计算只考虑化肥氮素。此外,长期有机无机配施还可以改善土壤物理、化学及生物学特性,进而提高了土壤氮素对作物产量的贡献率[11, 24-25, 44-46],促进了产量的持续稳定提高,在不增加化肥氮素投入量的前提下,氮素的偏生产力也因作物产量的持续提高而增加。

        纵观我国已有的有机无机配施试验 (短期和长期),大部分试验在设计上,有机物料往往是作为补充物质施用而非替代化学肥料 (非等氮量投入),并且通常仅考虑有机物料与化肥配合改善土壤有机碳和理化性状的作用,没有充分探究其大量施用补充作物多种养分的功能[47-48],而将得到的结果归因于氮素的效果,结论可能夸大了提高氮素偏生产力的结果。因此,在可能的条件下,应该提高我国长期肥料定位试验设计的整体水平,以更客观的反映不同施肥方式在主要粮食作物上的增产增效作用。

      • 我国目前土壤肥力条件下,不减少化肥氮素投入量,配施一定有机肥可以获得比单施化肥更高的小麦、玉米和水稻产量,氮肥偏生产力无显著差异;而在有机肥替代一定比例氮投入总量的条件下,有机无机配施的增产效果与等量氮素的化肥处理差异不显著,但氮肥偏生产力显著提高。

        有机肥源影响着施用的效果。单独秸秆还田不能增加甚至降低作物产量,农家肥、堆肥和沼渣与化肥配合显现出一定的增产趋势,需要进一步从原料性质 (碳氮比、养分含量、中微量元素含量、养分释放速率等) 研究替代化肥的比例。

    参考文献 (48)
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