有机替代对长江流域水稻产量和籽粒含氮量的影响

2022-07-26任科宇陆东明邹洪琴王慧颖许发辉卢昌艾段英华

农业资源与环境学报 2022年4期

任科宇，陆东明，邹洪琴，王慧颖，许发辉*，卢昌艾，段英华*

（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.苏州环优检测有限公司，江苏苏州 215101；3.农业农村部耕地质量监测保护中心，北京 100125）

水稻作为我国三大主要粮食作物之一，其产量约占全国谷物总产量的34%，我国50%以上的人口以稻米为主食[1]，因此，提高水稻的产量和蛋白质含量对于保障我国的粮食安全至关重要。氮肥的施用是水稻持续高产和稳产的主要措施之一[2-3]。然而，过量的化学氮肥施用往往会使水稻发生倒伏和病虫害，从而导致产量下降，同时也会降低水稻的蛋白质含量[4]。有机肥富含多种养分，是一种缓效性肥料，有机肥替代部分化学氮肥施用，不仅能够维持作物产量，提高作物的氮肥利用率，而且能够改善土壤肥力，减少环境污染[5-7]。但是，有机肥的施用效果会受到施肥管理措施、土壤和气候等因素的影响[8]。长江流域是我国主要的水稻生产区，播种面积约占全国水稻总种植面积的67%，生产了全国68%的水稻[9]，但该区域跨度大，土壤类型及光热条件不同，导致水稻的产量和品质也存在显著差异[10]。此外，水稻的籽粒含氮量决定了稻米的蛋白质含量[11]。因此明确有机替代措施在长江流域对水稻产量和籽粒含氮量的影响对于该区域水稻的增产和籽粒蛋白质含量的提升以及有机肥的高效利用具有重要意义。XIA 等[12]通过对全球141 项研究整合分析发现，相对于单施化肥，粪肥替代部分化肥（等量氮）能够使作物增产5.2%，氮肥利用率提升10.4%，但粪肥的增效作用在不同作物类型和替代比例下存在差异。对于我国的三大主要粮食作物，有机替代能够使产量增加4.7%，氮肥利用率提升13.4%，且在不同的土壤和气候条件下提升幅度不同[6-7]。因此，有机肥替代的增产增效作用会存在较大的区域差异。对我国江苏省水稻田的研究表明，有机肥替代50%化学氮肥能够在保证水稻高产的同时，显著增加氮素的积累量和籽粒含氮量[13]。但是，有研究对亚洲25 个稻田长期定位试验总结发现，相对于单施化肥，添加有机肥并未显著增加水稻的产量[14]。利用江西省30 年的定位试验研究发现，与等养分量的单施化肥处理相比，有机无机配施处理下水稻的氮素吸收量无显著变化，而籽粒的含氮量低于单施化肥[15]。也有研究表明，在江西省进行不同比例的猪粪有机肥替代，水稻的产量显著提高，而籽粒含氮量则显著下降[16]。在浙江地区，有机肥替代20%～40%能够获得较高的水稻产量和品质，比例过高则会降低籽粒的蛋白质含量[17]。

目前，有机替代对我国长江流域水稻产量和品质的影响仍不清晰，气候和土壤环境因素在不同的区域对有机肥的响应差异尚不明确，而且大多数研究只关注有机替代对水稻产量的影响而忽视籽粒的蛋白质含量（籽粒含氮量）。因此，需进一步系统量化有机替代对我国长江流域水稻生产的影响。本研究采用整合分析（Meta-analysis）的方法，通过搜集已发表的有关施肥对长江流域水稻产量和籽粒含氮量影响的文献，综合量化有机替代对长江流域水稻产量和籽粒含氮量影响的区域差异，明确不同因素水平下有机替代的效果，并通过随机森林模型阐明不同因素的贡献率，旨在为我国水稻的高质量生产、有机肥的高效施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究通过搜集、整合已发表的文献数据进行分析。首先在Web of Science、Science Direct、中国知网和万方数据等文献数据库设置“有机替代”“有机无机肥配施”“粪肥”和“籽粒含氮量”4 个关键词进行文献检索，然后通过以下条件进行文献筛选：①以水稻为研究对象的大田试验，且试验点位于中国长江流域；②同一试验须同时包含不施肥（CK）、单施化肥（NPK）和等氮量的有机替代（NPKM）处理，且能够获得相应的产量和籽粒含氮量的数据；③每个试验处理的重复不少于3 次；④含有试验前表层土壤（0～20 cm）基础理化性质数据。此外，还需获取每个试验点的地理位置（经纬度）以及气候指标（年均降雨量、年日照时数和年均温），若文献中缺少气候指标，在中国气候数据网根据试验点的地理位置获取。文献中以图呈现的数据通过软件GetData Graph Digitizer 2.24提取。本研究中NPKM 处理所施用的有机肥主要是腐熟的畜禽粪便或商品有机肥，在播种前一次性施用。经过筛选，共获取42篇文献、207组有效数据，根据地理位置和种植制度将长江流域分为上游、中游和下游3个亚区[3]。表1为数据的分布情况，对NPKM 和NPK 处理产量和籽粒含氮量的响应比分别进行正态分布检验（图1），满足整合分析的要求。

图1 水稻产量（a）及籽粒含氮量（b）的样本分布频率Figure 1 Distribution of rice yield（a）and grain N content（b）

表1 各个地区的数据量分布Table 1 Date volume distribution in regions

氮肥施用量（N rate）和有机肥替代比例（Rs）是影响作物产量和吸氮量的重要因素[18]。本研究参考ZHANG 等[18]的研究将施氮量划分为高（>250 kg·hm-2）、中（150～250 kg·hm-2）、低（≤150 kg·hm-2）3个水平；有机肥的替代比例综合参考XIA 等[12]和ZHANG等[18]的研究划分为高（>60%）、中（30%～60%）、低（≤30%）3 个水平。为了进一步分析不同气候和土壤养分条件下NPKM 处理对水稻产量和籽粒含氮量的影响，将年均降雨量（AAR）[19]、年日照时数（ASD）[20]和年均温（MAT）[21]分为高、低2 个水平（如年均降雨量：≤1 200 mm、>1 200 mm）；土壤养分指标基于第二次土壤普查[22]时土壤养分分级标准分为高、中、低3 个水平（如土壤有机质含量：≤15 g∙kg−1、15～25 g∙kg−1、>25 g∙kg−1）。

1.2 数据计算与分析

整合分析方法可以整合多个有共同研究目的且具有相互独立结果的研究，并能够对研究结果进行定量综合评价[23]。本研究采用MetaWin 2.1 软件进行整合分析[24]，每组数据需包含NPK（对照组）和NPKM（处理组）的产量（或籽粒含氮量）、重复数（n）以及标准差（SD），对于只提供标准误（SE）的研究通过公式（1）进行转换：

分析过程中用响应比（Response ratio，RR）的自然对数来反映有机替代对水稻产量和籽粒含氮量的影响程度，并由公式（2）计算[25]：

式（2）中：和分别是处理组和对照组变量（水稻的产量和籽粒含氮量）的平均值。

本研究中相对于NPK，NPKM 处理下水稻产量和籽粒含氮量增加的百分数（提升幅度，In）通过×100%计算[26]，其中RR++为加权响应比，是对每个独立试验响应比的加权，由公式（3）计算[23]：

式（3）中：m是变量根据不同条件（如施氮量或替代比例）的分组数；ki是第i分组的总比较对数；j表示第i分组的第j对；wij表示权重系数，用平均值的变异系数（V）的倒数表示：

式（5）中：SDt和SDc分别表示处理组和对照组变量的标准差；nt和nc分别表示处理组和对照组变量的样本数。

相对于NPK，NPKM 处理对水稻产量和籽粒含氮量的影响是否显著则根据RR++的95%置信区间（95%CI）是否包含零点来判断，若不包含零点，表示影响显著，反之则影响不显著[27]，通过公式（6）和（7）计算：

式（7）中：S(RR++)表示RR++的标准差。

此外，为了选择合适的效应模型进行Meta 分析，需要在计算加权响应比前检验各试验处理及结果间异质性。通过卡方检验（Chi-square test）进行异质性检验，若检验结果P>0.05，表示无异质性，选择固定效应模型，否则选择随机效应模型[28]，本研究选用随机效应模型。

数据分析过程中，不同施肥处理间水稻产量和籽粒含氮量的差异比较应用SPSS 11.0 采用配对t检验进行显著性分析，实质是先分析处理间对应组数据的差值，然后检验差值序列的均值是否与0 有显著差异。若双侧检验P<0.05，说明处理间差异显著；若双侧检验P<0.01，说明处理间差异极显著。利用随机森林模型计算各因素对有机替代效果的贡献率，采用R语言中的软件包“Random Forest”进行分析[29]。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对水稻产量和籽粒含氮量的影响

如图2 所示，不同施肥处理下水稻产量和籽粒含氮量均存在较大差异，总体上表现为NPKM>NPK>CK。CK 处理下水稻的产量为4.8 t∙hm−2，NPK、NPKM处理下水稻的产量分别显著提高了2.3、2.6 t∙hm−2；NPKM、NPK 处理的水稻产量也存在显著差异。与CK 处理下水稻的籽粒含氮量（11.2 g∙kg−1）相比，NPK、NPKM 处理均显著提高了水稻的籽粒含氮量，分别达到12.4、12.6 g∙kg−1；NPKM 处理下水稻的籽粒含氮量显著高于NPK处理。

图2 不同施肥处理两两比较下长江流域水稻产量和籽粒含氮量Figure 2 The yield and N content of rice grain compared in pairs under different fertilization treatments in the Yangtze River basin

2.2 有机替代对水稻产量和籽粒含氮量影响的区域差异

与NPK 相比，NPKM 处理对长江流域水稻产量和籽粒含氮量的影响存在地域差异（图3）。在长江上游地区，NPK 处理下水稻产量和籽粒含氮量分别为8.4 t∙hm−2和12.7 g∙kg−1，与之相比，NPKM 处理下水稻产量无显著变化，籽粒含氮量显著提高了1.2 g∙kg−1。在长江中游地区，与NPK 处理下水稻产量（6.1 t∙hm−2）和籽粒含氮量（11.1 g∙kg−1）相比，NPKM 处理分别显著提高了0.3 t∙hm−2和0.2 g∙kg−1。在长江下游地区，NPK 处理下水稻产量和籽粒含氮量相对较高，分别为8.7 t∙hm−2和14.3 g∙kg−1，NPKM 处理下水稻产量和籽粒含氮量与NPK处理均无显著差异。

图3 长江流域不同区域有机替代对水稻产量和籽粒含氮量的影响Figure 3 Effects of manure substitution on yield and grain N content of rice in different regions of the Yangtze River basin

2.3 不同管理措施、土壤和气候条件下有机替代对水稻产量和籽粒含氮量的影响

总体来说，与NPK 相比，NPKM 处理下水稻产量和籽粒含氮量分别显著提升3.7%和1.9%（图4）。NPKM 处理下水稻产量和籽粒含氮量的提升幅度随施氮量的增加呈下降趋势，在不同施氮量下NPKM 处理均能显著提高水稻产量增幅（3.2%～5.1%），籽粒含氮量在施氮量≤250 kg∙hm−2时显著提高2.5%～3.7%，而施氮量>250 kg∙hm−2时籽粒含氮量无显著提升。随着有机肥替代比例的增加，水稻产量的提升幅度下降，当替代比例>60%时，NPKM 处理的增产效果不显著，而籽粒含氮量在有机肥替代比例为30%～60%时能够显著提升3.7%，替代比例过高或过低均不能显著提高籽粒含氮量。

图4 有机替代在不同管理措施下对水稻产量和籽粒含氮量的影响Figure 4 Effect of manure substitution on yield and grain N content of rice under different management measures

与NPK 相比，在不同土壤养分（有机质、全氮和有效氮）条件下NPKM 处理均能显著提高作物的产量（图5）。但不同养分水平下的提高幅度存在差异，养分含量越高，产量的提升幅度越大。土壤有效磷含量≤10 mg∙g−1时，NPKM 处理对水稻的增产效果不显著，有效磷含量>10 mg∙g−1时，水稻的产量显著增加3.4%～5.3%。土壤速效钾含量在80～160 mg∙g−1或者土壤pH 介于6.5～7.5 时，NPKM 处理均未显著提高水稻产量。NPKM 处理在不同土壤养分条件下对水稻籽粒含氮量的影响与产量不同，籽粒含氮量的提升幅度随养分（有机质、有效氮、有效磷和速效钾）水平的提高而下降，且在有效氮含量≤90 mg∙g−1（有效磷含量≤10 mg∙g−1、速效钾含量≤80 mg∙g−1）时，籽粒含氮量显著提高4.2%（15.4%、5.4%）。土壤全氮含量≤1.5 g∙kg−1时，NPKM 处理未显著提高籽粒含氮量。在土壤pH≤7.5 时，NPKM 处理下籽粒含氮量显著增加1.8%～4.3%。

图5 有机替代在不同土壤养分水平下对水稻产量和籽粒含氮量的影响Figure 5 Effect of manure substitution on yield and grain N content of rice under different nutrient levels

在不同年均降雨量和年日照时数条件下，NPKM处理均能显著提高水稻的产量（图6），且在年均降雨量>1 200 mm 时提升幅度是年均降雨量≤1 200 mm 时的2.6 倍，在年均日照时数≤1 800 h 时提升幅度是年均日照时数>1 800 h时的1.9倍。在年均温>15 ℃时，NPKM 处理下水稻的产量显著提升4.1%。NPKM 处理下籽粒含氮量在年均降雨量≤1 200 mm 时显著提高3.3%，是年均降雨量>1 200 mm 时的3 倍。年均日照时数越长（>1 800 h）、年均温越高（>15 ℃），NPKM处理下籽粒含氮量的提升幅度越大。

图6 有机替代在不同气候条件下对水稻产量和籽粒含氮量的影响Figure 6 Effect of manure substitution on yield and grain N content of rice under different climatic factors

2.4 影响有机替代效果的主控因素

从图7 可知，影响NPKM 处理提高水稻产量和籽粒含氮量的主控因素存在差异。NPKM 处理对水稻产量的提升作用主要受有机肥替代比例（Rs）、pH 和年均降雨量（AAR）的影响，三者总的贡献率达到31.9%。而NPKM处理对水稻籽粒含氮量的提升作用主要受土壤因素中的有效磷（AP）、全氮（TN）和pH的影响，且贡献率均在10%以上；管理措施中的替代比例（9.7%）和气候因素中的年均降雨量（9.6%）、年均温（9.4%）贡献率次之。

图7 各因素影响有机替代提高水稻产量和籽粒含氮量的贡献率Figure 7 The contribution of factors affecting manure substitution to increase yield and grain N content of rice

3 讨论

总体来看，有机肥替代部分化学氮肥（等量氮）能够显著提高长江流域水稻的产量和籽粒含氮量（图2和图4）。有机肥是一种富含多种营养元素、腐植酸和微生物活体的有机物质，与单施化肥相比，有机肥替代部分化肥不仅能够快速提供作物所需的氮磷钾养分，而且可以补充作物所需的微量元素[5，30]；同时，有机肥中大量的微生物有利于土壤团聚体的形成，改善土壤的理化性状，促进土壤中有机质的形成和分解，加速养分的循环，为作物生长提供充足的养分和良好的环境，有利于作物的增产[15，31]。水稻籽粒形成于分蘖期之后，对养分的需求量较大，但是化肥养分释放快速，后期供应不足，而有机肥属于缓效肥料，养分释放缓慢，能够持续不断地提供水稻籽粒发育成熟过程中所需要的养分，提高籽粒的含氮量和蛋白质含量[32-33]；有机肥分解的过程中会释放多种氨基酸和多肽类物质，这些有机态小分子也会对作物的品质产生重要影响[17，34]。然而，随着施氮量的增加，有机替代对提高水稻产量和籽粒含氮量的效果均会下降（图4）。张福锁等[35]指出在我国目前的栽培技术和产量水平下，粮食作物的推荐施氮总量为150～200 kg∙hm−2，即使在高产条件下也不应超过250 kg∙hm−2。过量的氮肥投入会导致土壤的理化状况恶化，养分含量失衡，同时，作物抵御自然灾害及病虫害的能力也会下降[5，36]，本研究中施氮量大于250 kg∙hm−2后，有机替代对水稻籽粒含氮量的提升效果不显著，说明过量施氮的条件下即使通过有机替代也无法进一步提升水稻的蛋白质含量。

有机肥的替代比例对作物产量和籽粒含氮量的影响较大（图4），少量的有机肥替代（≤30%）虽然能够提高水稻的产量，却并未显著提高籽粒的含氮量。而有机替代也并非越多越好，过量的有机肥替代对水稻产量和籽粒含氮量的提升效果不显著，因为有机肥的分解和养分的释放需要一定的条件和时间，过量替代化学氮肥会导致水稻生长前期的养分供应不足，生长发育缓慢，不利于水稻的高产、稳产[17，37-38]；过高的碳氮比投入会引起水稻生长早期土壤微生物与水稻争氮，也会影响氮素的早期供应[39]。有机肥替代比例在30%～60%时能够同时显著提高水稻的产量和籽粒含氮量，因此，本研究综合考虑水稻产量和籽粒含氮量的提升认为，有机替代比例在30%～60%时能够实现水稻增产提质的目的。但是，由于搜集到的数据限制，30%～60%的替代比例范围还相对较大，更加精确的指导建议还需要通过田间试验进一步明确。

从区域上看，相对于单施化肥，有机替代对我国长江流域水稻产量和籽粒含氮量的影响存在地域差异（图3）。在长江下游地区，有机替代处理未显著提高水稻的产量和籽粒含氮量，其原因可能是下游地区地势平坦、土壤肥沃、光热条件适宜，且管理水平较高，单施化肥处理下水稻的产量和籽粒含氮量相对较高[11，40]，有机肥在当季未能显著发挥对产量和籽粒含氮量的提升作用。在上游地区，有机替代虽未显著提高水稻的产量，但显著提高了水稻的籽粒含氮量，这可能是由于上游地区多丘陵山地，土壤养分含量较低，我国长江流域水稻的产量和籽粒含氮量在不同土壤养分含量下对有机替代的响应存在差异（图5），土壤养分含量越低，有机替代条件下水稻的产量提升幅度越小，而籽粒含氮量提升幅度越高。对于有机替代处理，水稻的整个生长发育期内其养分的供应前期主要来源于化学肥料和土壤本身的养分，后期主要是有机肥分解养分的供应，前期养分充足有利于水稻的分蘖和抽穗，后期有机肥持续的养分供应有利于水稻籽粒的灌浆和成熟，因此有机替代条件下，土壤本身的养分含量越高，水稻成熟期的整体有效穗数和总粒数越多，促进作物高产[32，37]；土壤养分不足则会减少前期水稻的分蘖和抽穗，后期有机肥释放的养分会增加籽粒的含氮量，而土壤养分较高条件下后期有限的有机肥养分无法满足所有穗粒养分的供应，从而导致籽粒含氮量下降[17]。长江中游地区，有机肥替代显著提高了水稻的产量和籽粒含氮量，因为中游地区光热条件充足[11]，有利于有机肥的分解和养分的释放。此外，近些年我国长江中游地区水田酸化较为严重，目前土壤的pH 仅为5.61，较2000 年下降了0.81 个单位[41]，而有机肥的施用能够有效地控制土壤的酸化，提高作物对养分的吸收[42]，本研究也表明在酸性土壤上进行有机替代后水稻的产量和籽粒含氮量提升幅度较大（图5）。

水稻的产量和籽粒含氮量对有机肥替代的响应在不同土壤养分（图5）和气候条件（图6）下存在差异，且影响有机替代效果的主控因素也有所不同（图7），有机替代的增产效果主要受管理措施（RS）、土壤因素（pH）和气候条件（AAR）共同影响，而提升籽粒含氮量的效果主要受土壤因素（AP、TN 和pH）的影响，以上差异的原因可能是有机肥增产的机理主要是提高水稻单位面积的穗粒数和结实率，而籽粒含氮量提升的机理则是提高每颗籽粒的氮素吸收和积累[16-17，37]。因此，为了实现有机肥的高效利用，使有机替代达到既增产又增加籽粒蛋白质含量的效果，需根据有机替代对水稻产量和籽粒含氮量的不同影响进行合理施用。总体来说，在进行有机替代时，总的氮肥投入量不应超过250 kg∙hm−2，有机肥的替代比例应控制在30%～60%。对于长江下游地区，少量的氮肥投入和有机替代既能够保障水稻产量和品质、维持土壤的肥力，又可以减少化学肥料的施用，从而减少污染。而长江中上游地区则需在合理的替代比例下增加有机肥的投入，进一步提高水稻的产量和蛋白质含量。此外，对于土壤有效磷含量较低和酸化较为严重的地区，在进行有机替代时还应适当增施磷肥和土壤酸碱度调理剂，改善土壤的理化性状，这样更有利于水稻的增产稳产。