施肥模式對(duì)中國稻田氮素徑流損失和產(chǎn)量影響的Meta分析

魏翠蘭，曹秉帥，韓 卉，谷 豐

（1．江蘇開放大學(xué)環(huán)境生態(tài)學(xué)院，江蘇 南京 210036；2．生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇南京 210042；3．廊坊師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，河北 廊坊 065000；4．中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所/中國科學(xué)院山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041）

中國是水稻生產(chǎn)大國，也是主要消費(fèi)國之一，2018年水稻產(chǎn)量為2.14億t，約占全世界的30%［1］。為了追求高的水稻產(chǎn)量，稻田氮肥投入量常常高于作物需求量，不僅浪費(fèi)資源，盈余的土壤氮易通過降雨流失，進(jìn)入水土污染環(huán)境，成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源［2-3］。有研究表明，農(nóng)業(yè)面源污染已導(dǎo)致我國太湖、巢湖等區(qū)域水體富營養(yǎng)化頻發(fā)，環(huán)境急劇惡化，對(duì)該區(qū)域的飲水安全和生態(tài)環(huán)境安全產(chǎn)生威脅［4-5］。有效控制該地區(qū)稻田氮素流失是降低農(nóng)業(yè)面源污染物排放和防止水體污染的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

通過改變施肥模式，可以達(dá)到降低稻田氮素徑流損失、維持較高作物產(chǎn)量的目的［6-8］。江蘇太湖地區(qū)的研究表明，與該區(qū)域傳統(tǒng)施肥量相比，減氮30%～50%顯著降低了總氮徑流損失，而對(duì)作物產(chǎn)量沒有明顯影響［9-10］。同時(shí)，緩釋肥可在減少稻田氮素投入量的情況下，降低氮素徑流損失［11-12］。有機(jī)肥替代也可以達(dá)到與緩釋肥相似的效果，如馬凡凡等［13］在安徽省巢湖市研究了不同有機(jī)肥替代對(duì)稻田氮素徑流損失和作物產(chǎn)量的影響，通過合理設(shè)置有機(jī)肥替代化肥的比例，可以在兼顧高產(chǎn)的同時(shí)有效降低氮素徑流損失。聞軼等［14］在上海市的研究也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。一些學(xué)者還發(fā)現(xiàn)，施肥次數(shù)能夠?qū)Φ貜搅鳟a(chǎn)生顯著影響，與氮肥一次性施入相比，分施顯著降低了氮素的徑流損失量和損失率［4］?？梢姡┓暑愋停ɑ?、有機(jī)和緩釋肥）、施肥量和分施次數(shù)均對(duì)稻田氮素?fù)p失和作物產(chǎn)量有一定影響。

目前國內(nèi)外對(duì)稻田徑流損失的研究一般通過田間試驗(yàn)來進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果受各試驗(yàn)點(diǎn)土壤類型、氣候因素、田間管理等影響，得到的結(jié)果存在一定差異。Meta分析方法可歸類總結(jié)同類型研究結(jié)果，在綜合考慮各個(gè)研究試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上得到更加系統(tǒng)化的結(jié)論。因此，有必要通過Meta分析在已有研究的基礎(chǔ)上，全面評(píng)價(jià)施肥模式對(duì)稻田氮素徑流損失和作物產(chǎn)量的影響，為提高稻田資源利用效率、減少氮素徑流損失、降低農(nóng)業(yè)面源污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集和分類

研究數(shù)據(jù)來源于中國知網(wǎng)（www.cnki.net）和Web of Science（www.webofscience.com），通 過 搜索關(guān)鍵詞：水稻、氮素?fù)p失、徑流和產(chǎn)量，篩選2020年12月1日以前經(jīng)過同行評(píng)議的期刊論文。數(shù)據(jù)需要符合以下標(biāo)準(zhǔn)：（1）研究為田間試驗(yàn)，且包含有至少1個(gè)完整水稻生長季的氮素（總氮）徑流損失數(shù)據(jù)；（2）試驗(yàn)設(shè)置有不同施肥模式處理（有機(jī)、無機(jī)、緩釋肥等），有具體的施肥管理信息（施肥時(shí)間、施肥類型、施肥量、分施次數(shù)等）；（3）試驗(yàn)設(shè)置有不施肥處理，每個(gè)處理記錄有重復(fù)數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差，或兩季及以上的數(shù)據(jù)。經(jīng)篩選，得到了29篇研究論文中共109組有效的配對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提取的數(shù)據(jù)包括每季水稻的徑流損失量和作物產(chǎn)量的重復(fù)數(shù)、均值和標(biāo)準(zhǔn)差以及相應(yīng)的施肥管理信息。

合并試驗(yàn)地點(diǎn)相同的研究，共有24個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，各個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的地理位置、經(jīng)緯度、處理設(shè)置和參考文獻(xiàn)如表1所示。根據(jù)各研究試驗(yàn)處理的設(shè)置，對(duì)文獻(xiàn)中施肥處理方案歸納并分為3類：（1）施肥種類：化肥、有機(jī)肥替代和緩釋肥替代；（2）施肥水平：N 60～120、121～180、181～240、241～300、≥301 kg/hm2；（3）施肥次數(shù)：一次性施用、2次分施、3次分施和4次分施。收集的數(shù)據(jù)集將用于分析不同施肥處理對(duì)氮素徑流損失和作物產(chǎn)量的影響。

表1 Meta分析所用數(shù)據(jù)集基本情況

1.2 數(shù)據(jù)處理與分析

利用R中的“Meta”包進(jìn)行分析，計(jì)算得到的異質(zhì)性指數(shù)I2＞75%，說明異質(zhì)性顯著，因此本文采用了隨機(jī)效益模型。研究選中均數(shù)差MD作為效應(yīng)量，其計(jì)算公式為：

其中，Mi為第i組配對(duì)試驗(yàn)的效應(yīng)量，N kg/hm2；Xe為第i組配對(duì)試驗(yàn)施肥處理中單季水稻的氮素徑流損失量（或者產(chǎn)量）均值，N kg/hm2（或kg/hm2）；Xc為第i組配對(duì)試驗(yàn)空白處理中單季水稻的氮素徑流損失量（或者產(chǎn)量）均值，N kg/hm2（或kg/hm2）。

Mi值反映了施肥措施導(dǎo)致的稻田氮素徑流損失量的絕對(duì)值，為了更加全面分析施肥對(duì)稻田氮素徑流損失的影響，可將Mi轉(zhuǎn)為氮素徑流損失率Ri：

其中，Ni為第i組配對(duì)試驗(yàn)中施肥處理的氮素投入總量，N kg/hm2；氮素徑流損失率Ri反映了氮素徑流損失占總氮投入的百分比，%。

計(jì)算出各組的Mi和Ri后，采用“Meta”包中的metacout函數(shù)合并效應(yīng)量，并計(jì)算相應(yīng)的95%置信區(qū)間。如處理間效應(yīng)量的95%置信區(qū)間有重疊，則認(rèn)為處理間沒有顯著差異，反之則存在顯著差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥種類對(duì)氮素徑流損失的影響

施肥顯著增加了氮素徑流損失量（每季N 3.65 kg/hm2），且不同施肥種類增加的幅度有所不同（圖1a）?；?、有機(jī)肥替代和緩釋肥替代分別增加氮素徑流損失量N 6.73、1.21和3.40 kg/hm2，3種施肥類型的95%置信區(qū)間均不重疊，且兩兩之間差異顯著。說明與化肥處理相比，有機(jī)肥和緩釋肥替代均能顯著降低氮素徑流損失量，其中，有機(jī)肥的降低效果最明顯。施肥增加了氮素徑流損失量，但也顯著增加了作物產(chǎn)量（2769 kg/hm2），不同施肥種類的增產(chǎn)效果無顯著差異，化肥、有機(jī)肥替代和緩釋肥替代分別增加產(chǎn)量2659、2752和2957 kg/hm2（圖1b）。

圖1 施肥種類對(duì)氮素徑流損失量和產(chǎn)量的影響

施肥種類也影響了氮素徑流損失率，整體氮肥徑流損失率為3.36%，95%置信區(qū)間為3.02%～4.25%，化肥處理的氮素徑流損失率（4.34%）顯著高于有機(jī)肥替代（2.33%）和緩釋肥替代（2.04%）。有機(jī)肥替代和緩釋肥替代之間的氮素徑流損失率沒有顯著差異（圖2）。上述結(jié)果說明，有機(jī)肥替代和緩釋肥替代均能有效降低氮素徑流損失量和氮素徑流損失率，而作物產(chǎn)量與單施化肥之間沒有顯著差異。

圖2 施肥種類對(duì)氮素徑流損失量比例的影響

2.2 施肥量對(duì)氮素徑流損失的影響

施肥量對(duì)氮素徑流損失量的影響如圖3a所示，當(dāng)施肥量低于N 240 kg/hm2時(shí)氮素徑流損失量沒有明顯差異，95%置信區(qū)間范圍為N 4.40～6.96 kg/hm2；而施肥量高于N 240 kg/hm2時(shí)氮素徑流損失量顯著增加，均值范圍為N 7.17～11.25 kg/hm2。作物產(chǎn)量也受施肥量的影響，當(dāng)施肥量從N 60～120 kg/hm2升高到N 180～240 kg/hm2時(shí)，作物產(chǎn)量顯著增加，均值從N 2094 kg/hm2增加到N 3050 kg/hm2（圖3b）；而當(dāng)進(jìn)一步增加施肥量時(shí)（＞N 240 kg/hm2），產(chǎn)量不再顯著增加，說明施肥量N 120～160和180～240 kg/hm2可以滿足水稻生長所需氮素。

圖3 施肥量對(duì)氮素徑流損失量和產(chǎn)量的影響

施肥量對(duì)氮素徑流損失率沒有明顯規(guī)律，表現(xiàn)為施肥量低于N 300 kg/hm2時(shí)沒有明顯差異，且存在較大的變異，95%置信區(qū)間范圍為2.01%～13.30%（圖4）；而高于N 300 kg/hm2時(shí)，氮素徑流損失率顯著降低，可能是由于施肥量大，絕大部分的氮素殘留到土壤中，或者以其他形式損失。綜上所述，施肥量N 120～180 kg/hm2為水稻的最佳施肥范圍，可顯著提高作物產(chǎn)量，同時(shí)降低氮素徑流損失。

圖4 施肥量對(duì)氮素徑流損失量比例的影響

2.3 分施次數(shù)對(duì)氮素徑流損失的影響

施肥次數(shù)顯著影響了氮素徑流損失量，一次性施肥的氮素徑流損失量最高，為N 17.3 kg/hm2，明顯高于其他分施處理（圖5a）。分施2、3和4次的氮素徑流損失量均值分別為N 4.06、5.99和6.55 kg/hm2，隨著分施次數(shù)的增加，氮素徑流損失量小幅增加，但各分施處理間無顯著差異（圖5a）。其中，分施2次的作物產(chǎn)量增加量最大，但分施次數(shù)對(duì)增產(chǎn)效應(yīng)沒有明顯差異（圖5b）。

圖5 施肥次數(shù)對(duì)氮素徑流損失量和產(chǎn)量的影響

施肥次數(shù)對(duì)氮素徑流損失率的影響表現(xiàn)出與徑流損失量相似的規(guī)律，一次性施用的氮素徑流損失率為7.18%～13.23%，明顯高于其他分施處理（圖6）。分施2、3和4次的氮素徑流損失率均值分別為1.87%、3.54%和3.21%，差異不顯著。

圖6 施肥次數(shù)對(duì)氮素徑流損失率的影響

3 討論

施肥模式主要通過調(diào)控稻田田面水中氮素濃度影響氮素徑流損失。氮肥類型、施用量和分施方案均與稻田田面水氮素濃度峰值相關(guān)［33］。施肥后田面水氮素濃度在短期內(nèi)急劇升高，3 d內(nèi)稻田田面水氮素濃度處于較高狀態(tài)，該階段發(fā)生徑流會(huì)導(dǎo)致氮素的大量流失，之后逐漸下降趨于穩(wěn)定［20］。與化肥相比，緩釋肥可有效控制氮素釋放，降低田面水氮素濃度，從而顯著降低氮素徑流損失［8，21，33］。湖北省武穴市的研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)化肥相比，緩釋肥顯著降低了稻田田面水濃度，減少了8%～58%的稻田氮素徑流損失，并維持了較高的作物產(chǎn)量［12］。在江蘇太湖地區(qū)的研究也發(fā)現(xiàn)，緩釋肥替代普通尿素可有效降低稻田田面水氮濃度，從而降低了氮素徑流損失［8］。聞軼等［14］在上海市青浦區(qū)的研究表明，與化肥處理相比，有機(jī)肥替代顯著降低了田面水氮素濃度，減少了39.7%的氮素徑流損失。在等氮情況下，單施化肥的稻田田面水總氮濃度顯著高于施用緩釋肥處理［33］。同時(shí)，與單施化肥相比，緩釋肥還可減少水稻田50%的氮素投入量，顯著降低氮素徑流73.5%～80.1%，且維持較高的作物產(chǎn)量，是一種高效和環(huán)保的肥料［11］。本研究得出與單施化肥相比，緩釋肥替代降低了49.5%氮素徑流損失。同時(shí)，有機(jī)肥替代也可有效降低稻田田面水氮素濃度，進(jìn)而降低氮素徑流損失的風(fēng)險(xiǎn)［11，13，29］。馬凡凡等［13］在安徽巢湖流域的研究結(jié)果表明，施用化肥的氮素徑流損失總量和損失率均最高，分別為N 9.43 kg/hm2和4.91%，有機(jī)肥替代50%化肥可以在兼顧高產(chǎn)的同時(shí)有效降低氮素徑流損失。陳淑峰等［29］在東北典型稻區(qū)研究了有機(jī)肥替代對(duì)稻田氮素徑流損失的影響，發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥處理的氮素徑流損失僅為N 1.93 kg/hm2，顯著低于常規(guī)化肥處理的N 5.89 kg/hm2。上述結(jié)果與本研究的結(jié)果相似，與單施化肥相比，有機(jī)肥替代分別降低了82.0%的氮素徑流損失，并維持了較高的作物產(chǎn)量。

過量的氮肥施用，增加了土壤氮素徑流損失量，是導(dǎo)致中國南方地區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的重要因素。在太湖地區(qū)不同施氮水平的田間試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)施肥量從N 330 kg/hm2降低到N 180 kg/hm2時(shí)，氮素徑流損失量從N 9.30 kg/hm2降低到N 5.98 kg/hm2，減少了將近35.7%的氮素徑流損失，而作物產(chǎn)量沒有顯著降低［16］。劉紅江等［10］在相同地區(qū)的研究也發(fā)現(xiàn)，隨著施肥量的減少，氮素徑流損失量降低，但損失率增加，其中減氮30%處理減少了19.6%的氮素徑流損失，同時(shí)作物產(chǎn)量沒有明顯降低。與該區(qū)域常規(guī)施肥量N 270 kg/hm2相比，減氮50%并沒有顯著降低產(chǎn)量，但顯著降低了總氮徑流損失，綜合考慮農(nóng)學(xué)和環(huán)境效益，建議該地區(qū)最佳的施肥量為N 135 kg/hm2［9］。Wu等［34］通過總結(jié)中國主要稻區(qū)1177個(gè)田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，中國各稻區(qū)的最佳施肥量在N 114～224 kg/hm2之間，平均值為N 167 kg/hm2，在最佳施肥模式下，可以降低約56%的氮肥投入，并確保較高的作物產(chǎn)量。本研究也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)咎锏氖┓柿吭贜 120～180 kg/hm2時(shí)，可有效降低氮素徑流損失，同時(shí)維持較高的作物產(chǎn)量。除施肥量外，化肥的分施次數(shù)也顯著影響了稻田氮素徑流損失。巢湖流域的研究表明，與氮肥一次性施用相比，分施2、3和4次分別降低了30.5%、52.7%和59.7%的氮素徑流損失，且不同分施次數(shù)間作物產(chǎn)量無顯著差異［4］。這與本研究結(jié)果類似，與氮肥一次性施入相比，分施顯著降低了氮素徑流損失量和損失率，其中分施2、3和4次之間差異不顯著。這可能是由于分施較好地匹配了作物的生長需氮量，提高了氮素利用效率，從而減少了氮素徑流損失量。同時(shí)，每次分施的化肥用量，也是影響土壤氮素徑流損失和作物生長的重要因素［35］；然而，目前在這方面的研究數(shù)量較少，可收集的數(shù)據(jù)集相對(duì)較小，無法較好地分析基追比等對(duì)氮素徑流損失的影響，所以需要在今后的工作中進(jìn)一步完善。

4 結(jié)論

研究通過Meta分析方法定量了不同施肥類型、施肥量和分施次數(shù)對(duì)稻田氮素徑流損失和作物產(chǎn)量的影響。研究結(jié)果顯示，與單施化肥相比，有機(jī)肥替代和緩釋肥替代顯著降低了氮素?fù)p失量和損失率，并維持了較高的作物產(chǎn)量。在綜合考慮氮素徑流損失量和作物產(chǎn)量基礎(chǔ)上，得到最佳施肥量為N 120～180 kg/hm2?；史质┫啾纫淮涡允┯靡诧@著降低了氮素徑流損失。上述研究結(jié)果可為稻田氮素管理決策，及稻區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染治理提供科學(xué)依據(jù)與參考。