張晨陽(yáng), 徐明崗,*, 王斐, 李然, 孫楠*
(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,山西 太谷 030800; 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030031; 3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)
大豆是我國(guó)重要經(jīng)濟(jì)作物,其產(chǎn)需缺口逐年增加[1]。提高單產(chǎn)、改善品質(zhì)成為當(dāng)前大豆生產(chǎn)的迫切需求[2]。傳統(tǒng)施肥方式雖然能夠提高作物產(chǎn)量,與此同時(shí)也造成了土壤、大氣、水體污染等一系列環(huán)境問(wèn)題[3-4]。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部組織編寫的《農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展導(dǎo)則(2018—2030 年)》指出,有機(jī)肥替代部分化肥可在減輕環(huán)境污染的同時(shí)提高作物產(chǎn)量。因此,明確全國(guó)不同區(qū)域、不同管理措施條件下配施有機(jī)肥對(duì)大豆的增產(chǎn)效率及其主控因素對(duì)我國(guó)大豆生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。
施肥是影響作物產(chǎn)量和農(nóng)田土壤養(yǎng)分的關(guān)鍵因素。王道中等[5]研究表明,有機(jī)肥和化肥配施比單施化肥均表現(xiàn)出增產(chǎn)效果,大豆年均增產(chǎn)率在5%以上,不同有機(jī)物料處理間的增產(chǎn)效果是牛糞處理優(yōu)于豬糞處理優(yōu)于秸稈處理。王小林等[6]研究表明,化肥配施有機(jī)肥具備更好的增產(chǎn)能力和潛力,施用有機(jī)肥較單施化肥處理的大豆增產(chǎn)高達(dá)25.5%。李蕊等[7]研究表明,施用有機(jī)肥可以增加大豆株高、主莖節(jié)數(shù)、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重,從而提高大豆產(chǎn)量。張亞杰等[8]在喀斯特地區(qū)研究表明,有機(jī)肥和化肥配施均可顯著提高大豆籽粒產(chǎn)量,但不同肥料配施比例下大豆籽粒差異不顯著。然而,朱寶國(guó)等[9]研究表明,有機(jī)肥和化肥按各自常規(guī)施肥量的50%進(jìn)行配施后,大豆增產(chǎn)效果最為顯著。有機(jī)肥和化肥配施能有效提高大豆產(chǎn)量,在中國(guó)科學(xué)院海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中已得到證實(shí),但是,大豆產(chǎn)量增加幅度在有機(jī)肥施用量達(dá)到22.5 t·hm-2后出現(xiàn)下降[10]。綜上所述,施用有機(jī)肥使大豆增產(chǎn)受多種因素影響,如區(qū)域、施肥量、施肥類型和有機(jī)肥配施措施等。
施用有機(jī)肥可以增加土壤養(yǎng)分含量,改善土壤理化性狀,維持土壤養(yǎng)分平衡,提高土壤微生物活性[11]。此外,有機(jī)肥或有機(jī)肥和化肥配施還能夠增加土壤養(yǎng)分的有效性,從而降低化肥損失,提高土壤肥力和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)能力[12-14]。溫延臣等[15]研究表明,與單施化肥相比,土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效磷含量等在施用有機(jī)肥后均顯著增加。李彥等[16]研究同樣表明,土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量在長(zhǎng)期施用有機(jī)肥后得到顯著提高。
目前,關(guān)于我國(guó)施用有機(jī)肥對(duì)大豆增產(chǎn)和提升土壤肥力的研究主要針對(duì)部分區(qū)域進(jìn)行,缺乏全國(guó)范圍內(nèi)施用有機(jī)肥對(duì)大豆產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的影響分析。因此,本文收集了有關(guān)施肥對(duì)大豆產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分產(chǎn)生影響的數(shù)據(jù),整合分析施用有機(jī)肥對(duì)我國(guó)大豆的影響,量化區(qū)域、施肥量、施肥類型和有機(jī)肥配施措施對(duì)大豆增產(chǎn)的貢獻(xiàn),以及施用有機(jī)肥后大豆土壤氮磷鉀養(yǎng)分含量的變化,為全國(guó)不同地區(qū)科學(xué)施用有機(jī)肥、促進(jìn)大豆高產(chǎn)和提升土壤肥力提供理論依據(jù)。
本研究以“有機(jī)肥”“organic fertilizer”“manure”“大豆”“soybeans”“產(chǎn)量”“yield”和“土壤養(yǎng)分”“soil nutrients”為關(guān)鍵詞,通過(guò)中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方、維普和Web of Science 等數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)2002—2020 年符合如下篩選條件的文獻(xiàn)進(jìn)行檢索:①全國(guó)范圍內(nèi)作物為大豆的大田實(shí)驗(yàn);②試驗(yàn)處理均包含不施肥或單施化肥對(duì)照組和有產(chǎn)量數(shù)據(jù)的單施有機(jī)肥及有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理組;③試驗(yàn)中每個(gè)處理至少3 次重復(fù);④有試驗(yàn)前0—20 cm 土層的基本理化數(shù)據(jù)。另外,獲取每個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)的氣候類型、年降雨量、年平均溫度等氣候信息和經(jīng)緯度。本研究中,有機(jī)肥的類型主要包括商品有機(jī)肥、生物有機(jī)肥、腐熟的畜禽糞便(豬、牛、雞等)和少量秸稈堆肥,這些肥料均用作基肥在播種前一次性施用。截至2021 年7 月,共獲得大豆產(chǎn)量相關(guān)有效文獻(xiàn)37 篇,數(shù)據(jù)119 組,依據(jù)為氣候特征和地理分布,試驗(yàn)區(qū)劃分為東北、西北、華北和南方4 個(gè)區(qū)域(表1),運(yùn)用SPSS 26.0 軟件進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn);大豆土壤養(yǎng)分相關(guān)有效文獻(xiàn)11 篇,數(shù)據(jù)148 組,其中包含有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)23 組、全氮數(shù)據(jù)16 組、全磷數(shù)據(jù)13 組、全鉀數(shù)據(jù)12 組、堿解氮數(shù)據(jù)17 組、速效磷數(shù)據(jù)25 組、速效鉀數(shù)據(jù)24 組、pH數(shù)據(jù)18 組。
表1 收集的全國(guó)各個(gè)地區(qū)的數(shù)據(jù)量分布Table 1 Distribution areas of data collected from whole China
采用Excel 2019 軟件建立大豆產(chǎn)量及土壤氮磷鉀養(yǎng)分的數(shù)據(jù)庫(kù),內(nèi)容主要包括:作者、參考文獻(xiàn)、區(qū)域、有機(jī)肥用量、肥料類型、施肥措施、大豆產(chǎn)量及土壤氮磷鉀養(yǎng)分含量等。此外,本研究有機(jī)肥施用量分為3個(gè)水平,即低水平(<1 000 kg·hm-2)、中水平(1 000~5 000 kg·hm-2)和高水平(>5 000 kg·hm-2),1 000 和5 000 kg·hm-2臨界值屬于中水平;有機(jī)肥配施措施分為不施肥(對(duì)照組)和單施有機(jī)肥(處理組),以及單施化肥(對(duì)照組)和有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施(處理組)。
采用GetData Graph Digitizer 2.24 軟件提取文獻(xiàn)中的圖片數(shù)據(jù)[17]。數(shù)據(jù)分析流程參考任科宇等[4]方法,同一組的產(chǎn)量數(shù)據(jù)需同時(shí)包含對(duì)照組和處理組,此外數(shù)據(jù)需包含重復(fù)數(shù)(n)和標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation, SD)。文獻(xiàn)若只提供了標(biāo)準(zhǔn)誤差(standard error, SE),通過(guò)公式(1)將其轉(zhuǎn)換為SD。
采用MetaWin 2.1 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整合分析[18]。本研究用公式(2)計(jì)算施用有機(jī)肥之后產(chǎn)量增加的百分?jǐn)?shù)(產(chǎn)量增幅),其中每個(gè)獨(dú)立試驗(yàn)響應(yīng)比(response ratios,R)的加權(quán)為R++,也即加權(quán)響應(yīng)比,由公式(3)計(jì)算[19]。
式中,m是不同的施肥量或不同的施肥類型,即分組數(shù);ki表示第i分組時(shí)的總比較對(duì)數(shù);j則表示ki中的第j對(duì);wij是權(quán)重系數(shù),用平均值的變異系數(shù)(V)的倒數(shù)表示;Yc和Yt分別代表對(duì)照組和處理組的產(chǎn)量平均值,SDc和SDt分別代表對(duì)照組和處理組的標(biāo)準(zhǔn)差,nc和nt分別代表對(duì)照組和處理組的樣本數(shù)。
響應(yīng)比(R)計(jì)算見(jiàn)公式(4),lnR表示有機(jī)肥配施對(duì)產(chǎn)量的影響程度[20]。
R++的95%置信區(qū)間(confidence interval,95%CI)和標(biāo)準(zhǔn)差S(R++)通過(guò)公式(6)計(jì)算,若結(jié)果包含零點(diǎn),表示和對(duì)照組相比,處理對(duì)產(chǎn)量無(wú)顯著影響,否則表示有顯著影響[21]。
此外,在計(jì)算加權(quán)平均響應(yīng)比前,需對(duì)每個(gè)試驗(yàn)處理和結(jié)果的異質(zhì)性進(jìn)行卡方檢驗(yàn),如果檢驗(yàn)結(jié)果P≤0.05,則表示有異質(zhì)性,選擇隨機(jī)效應(yīng)模型,反之選擇固定效應(yīng)模型[22]。
增強(qiáng)回歸樹(shù)(boosted regression tree,BRT)是建立在分類回歸樹(shù)基礎(chǔ)上的機(jī)器學(xué)習(xí)算法,通過(guò)多次擬合逐步降低模型擬合誤差,對(duì)于響應(yīng)變量擁有較高預(yù)測(cè)精度,通過(guò)預(yù)測(cè)因子對(duì)響應(yīng)變量離差平方和的減少量進(jìn)行量化,預(yù)測(cè)因子的重要程度[23-24]。本文基于理論知識(shí)和本研究數(shù)據(jù)集的有效性,利用BRT 模型,探明大豆產(chǎn)量與區(qū)域氣候、土壤性狀、管理措施預(yù)測(cè)因子之間的關(guān)系。以大豆產(chǎn)量為響應(yīng)變量,共有16 個(gè)預(yù)測(cè)變量:有機(jī)肥施肥量、類型及試驗(yàn)點(diǎn)土壤表層(0—20 cm)初始理化性質(zhì)(土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全磷和速效磷、堿解氮、土壤全鉀和速效鉀、土壤pH)、區(qū)域氣候因素(年降水、年均溫)、試驗(yàn)后土壤表層理化性質(zhì)(土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、土壤pH)。首先輸入變量到BRT模型來(lái)選擇驅(qū)動(dòng)因素,根據(jù)它們對(duì)預(yù)測(cè)性能的影響(偏差解釋和曲線下面積)保留7 個(gè)變量:有機(jī)肥施肥量、土壤表層初始理化性質(zhì)(有機(jī)質(zhì)、速效磷、堿解氮、速效鉀)、氣候因素(年降水、年均溫)。使用推薦的參數(shù)值構(gòu)建增強(qiáng)樹(shù):學(xué)習(xí)率(0.01)、抽樣比率(50%)、交叉驗(yàn)證(10)和樹(shù)復(fù)雜度(5)[25]。由于具有分類變量,Bernoulli(伯努利)法用于所有BRT配件。所有BRT分析均使用R語(yǔ)言(版本3.3.3)中的GBM包進(jìn)行[25]。
本文中圖形利用Excel 2019、Origin 2019 繪制。森林圖中點(diǎn)代表增幅百分?jǐn)?shù),誤差線代表其95%的置信區(qū)間;若處理與對(duì)照存在顯著差異,誤差線不跨越零刻度線。
如圖1 所示,本研究對(duì)施用有機(jī)肥后大豆的產(chǎn)量響應(yīng)比進(jìn)行了單樣本非參數(shù)檢驗(yàn),所搜集數(shù)據(jù)擬合曲線呈顯著的正態(tài)分布(P<0.05),符合整合分析要求。
圖1 施用有機(jī)肥后大豆產(chǎn)量響應(yīng)比的分布Fig. 1 Distribution of soybean yield response ratio with manure application
如圖2 所示,在不同區(qū)域施用有機(jī)肥后,大豆的平均增產(chǎn)率為12.9%,其中以南方地區(qū)增產(chǎn)率最高(18.7%),較其他區(qū)域高3.0%~6.0%。在華北、西北和東北地區(qū),大豆的增產(chǎn)率也比較可觀,分別為14.8%、13.6%和12.0%。該結(jié)果表明,有機(jī)肥對(duì)大豆的增產(chǎn)效果在我國(guó)不同區(qū)域存在差異,我國(guó)南方地區(qū)在大豆季配施有機(jī)肥后產(chǎn)量提升效果更佳。
圖2 施用有機(jī)肥不同區(qū)域大豆的增產(chǎn)效果Fig. 2 Yield enhancement effect of soybean in different regions with application of manure
施用有機(jī)肥后,大豆產(chǎn)量均顯著增加(圖3)。其中,有機(jī)肥用量>5 000 kg·hm-2時(shí)大豆產(chǎn)量的增幅可達(dá)18.5%,高于施用量為1 000~5 000 kg·hm-2(10.9%)和<1 000 kg·hm-2(9.7%)的處理。該結(jié)果表明,大豆產(chǎn)量隨施肥量增加呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。
圖3 不同有機(jī)肥施肥量的大豆增產(chǎn)效果Fig. 3 Yield enhancement effect of soybean with different application rate of manure
施用不同類型有機(jī)肥對(duì)大豆產(chǎn)量的影響程度不同(圖4)。數(shù)據(jù)庫(kù)中,生物有機(jī)肥數(shù)據(jù)組最多;不同區(qū)域間有機(jī)肥類型選擇存在差異,南方多以商品有機(jī)肥為主,西北地區(qū)則使用牛糞較多。其中,牛糞使大豆產(chǎn)量增產(chǎn)的幅度最大,增幅為24.9%,豬糞次之(17.6%),然后為商品有機(jī)肥(15.3%)。雞糞和生物有機(jī)肥施用條件下大豆產(chǎn)量的增幅分別為12.7%和8.8%,兩者差異不顯著(P=0.176),且顯著(P=0.001)低于施用牛糞和豬糞處理。
圖4 不同有機(jī)肥類型下的大豆增產(chǎn)效果Fig. 4 Yield enhancement effect of soybean with different type of manure
圖5為有機(jī)肥不同配施條件下大豆的增產(chǎn)率??傮w來(lái)說(shuō),在不施肥條件下,我國(guó)大豆平均產(chǎn)量為2 036 kg·hm-2。單施有機(jī)肥后,大豆產(chǎn)量增加20.4%,增加至2 452 kg·hm-2;單施化肥后,大豆平均產(chǎn)量為2 410 kg·hm-2。有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施條件下,大豆產(chǎn)量增加9.1%,增加至2 630 kg·hm-2。在有機(jī)肥不同配施措施下,我國(guó)大豆產(chǎn)量均得到顯著增加(14.3%)。
圖5 有機(jī)肥不同配施措施下的大豆增產(chǎn)效果Fig. 5 Yield enhancement effect of soybean with different manure application measures
施用有機(jī)肥種植大豆,對(duì)土壤主要養(yǎng)分含量的影響程度不同(圖6)。對(duì)于全量養(yǎng)分,施用有機(jī)肥可顯著增加13.3%土壤全磷含量和11.0%土壤有機(jī)質(zhì)含量,而對(duì)土壤全鉀含量無(wú)顯著提升。對(duì)于速效養(yǎng)分,施用有機(jī)肥后土壤速效磷含量可顯著提升43.5%,顯著(P=0.001)高于速效鉀(9.4%)和堿解氮(3.4%)。施用有機(jī)肥對(duì)土壤pH的提升幅度也較小,僅為2.1%,效果不顯著。
圖6 施用有機(jī)肥的土壤養(yǎng)分和pH變化Fig. 6 Change of soil nutrients and pH with application of manure
氣候因素、土壤性狀和施肥措施共同影響大豆產(chǎn)量(圖7)??傮w而言,BRT模型解釋了全國(guó)大豆產(chǎn)量增產(chǎn)差異的52.83%。氣候(年降水、年均溫)、土壤表層初始性狀(有機(jī)質(zhì)、速效磷、堿解氮、速效鉀)和有機(jī)肥施肥量分別影響大豆產(chǎn)量變異的12.0%、41.0%和47.0%;有機(jī)肥施用量和堿解氮在7個(gè)變量中對(duì)大豆產(chǎn)量變異影響最大(圖7)。
圖7 大豆產(chǎn)量變化的驅(qū)動(dòng)因素Fig. 7 Drivers of changes in soybean yield
整合分析結(jié)果表明,不同區(qū)域大豆施用有機(jī)肥后,其在南方的增產(chǎn)效果優(yōu)于在東北、華北和西北。其原因可能是南方地區(qū)雨熱同期。大豆是喜溫、喜水作物,其生長(zhǎng)發(fā)育需要陽(yáng)光充足,發(fā)芽期要求水分充足,有利于種子萌發(fā);開(kāi)花期植株生長(zhǎng)旺盛,需水量大;結(jié)莢鼓粒期要求充足水分,缺水會(huì)造成幼莢脫落或者導(dǎo)致莢粒干癟[26]。當(dāng)≥7 ℃積溫在2 400~2 650 ℃·d,5~9月降水量為500~570 mm 時(shí),對(duì)大豆生產(chǎn)最為有利,是大豆生產(chǎn)的最佳水熱條件[27]。此外溫度和水分都是影響土壤有機(jī)碳礦化的重要因素[28]。夏國(guó)芳等[29]研究表明,在試驗(yàn)溫度(5~35 ℃)和試驗(yàn)水分(30%~90%田間持水量)范圍內(nèi),施用有機(jī)肥可以顯著提升大豆土壤11.2%的有機(jī)質(zhì)含量,且有機(jī)碳的分解隨土壤溫度和水分含量的升高而增加。葛序娟等[30]、王丹等[31]研究結(jié)果同樣表明,在溫度為5~35 ℃時(shí),水稻土有機(jī)碳礦化速率和累積量均隨溫度升高而增大。溫度升高和施用有機(jī)肥均可促進(jìn)土壤有機(jī)碳的分解、加速土壤微生物的生物周轉(zhuǎn),而土壤微生物量調(diào)控有機(jī)肥分解,造成植物吸收養(yǎng)分的差異,從而影響作物產(chǎn)量[32-34]。施用有機(jī)肥還可增加土壤孔隙度和團(tuán)聚體含量[35-36]、降低土壤容重[37]、促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收。施用有機(jī)肥還可平衡土壤pH,促進(jìn)土壤中根瘤菌的活動(dòng),有利于大豆的生長(zhǎng)發(fā)育[38]。
本研究表明,施用牛糞和豬糞后,大豆的增產(chǎn)效果優(yōu)于施用雞糞和生物有機(jī)肥。牛糞含有機(jī)質(zhì)14.50%、氮0.30%~0.45%、磷0.15%~0.25% 和鉀0.10%~0.15%[39]。牛糞可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,增強(qiáng)肥效,促進(jìn)農(nóng)作物增產(chǎn)[40]。這可能是因?yàn)榕<S中含有大量的礦物元素和豐富的營(yíng)養(yǎng)成分,其質(zhì)地細(xì)膩、含水量高、熱值低,腐熟的牛糞含有對(duì)作物生長(zhǎng)有益的細(xì)菌,它們分解緩慢不會(huì)刺激大豆幼嫩植物的根,且存在的污染風(fēng)險(xiǎn)較低[41]。豬糞中氮、磷含量相對(duì)較高,分別為2.28%、3.97%[42],氮是大豆生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的主要元素[43],豬糞氮的有效性較高,礦化分解快[44]。劉博等[45]研究氮、磷、鉀、鋅、硼5 種元素對(duì)大豆生長(zhǎng)和產(chǎn)量影響表明,磷與大豆結(jié)莢高度呈極顯著二次函數(shù)關(guān)系,磷比其他4種元素對(duì)大豆產(chǎn)量影響效應(yīng)最大??偟膩?lái)說(shuō),畜禽有機(jī)肥具有長(zhǎng)效作用,可以增加和更新土壤有機(jī)質(zhì),促進(jìn)微生物繁殖,改善土壤生物活性和理化特性,顯著提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等,是促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施[46]。不僅如此,有機(jī)肥施用量的差異也是導(dǎo)致它們?cè)霎a(chǎn)效果不同的重要原因。本研究通過(guò)BRT模型表明,有機(jī)肥施肥量對(duì)大豆產(chǎn)量影響最大,占變異的47.0%。數(shù)據(jù)收集資料顯示,牛糞和豬糞施肥量平均為21 856.25 和17 333.33 kg·hm-2,而雞糞和生物有機(jī)肥施肥量平均為989.29 和2 726.96 kg·hm-2。牛糞和豬糞總的養(yǎng)分投入量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雞糞和生物有機(jī)肥,從而導(dǎo)致了大豆增產(chǎn)效果的不同。
和已有研究結(jié)果[47-51]類似,本研究同樣表明,施用有機(jī)肥或有機(jī)肥化肥配施能提高大豆土壤全氮、速效磷、速效鉀等養(yǎng)分含量。土壤速效磷直接反映土壤的供磷水平。盡管受人工施肥影響大,但土壤速效磷與作物磷素營(yíng)養(yǎng)吸收的相關(guān)性良好[52]。本研究表明,施用有機(jī)肥對(duì)大豆土壤速效磷有極顯著提升,增幅為43.6%,這與高菊生等[53]研究結(jié)果一致,即施有機(jī)肥可提高土壤速效磷含量。這是因?yàn)橛袡C(jī)肥含有容易分解和釋放的有機(jī)磷;此外,施用有機(jī)肥后土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加,導(dǎo)致無(wú)機(jī)磷的固定減少,無(wú)機(jī)磷的溶解增加[54]。