整合分析秸稈還田對中國主要糧食作物氮肥利用率的影響

張?zhí)靾?，吳澤璐 ，衛(wèi)正宇 ，柴如山 ，王智 ，馬超

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 合肥 230036；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210000）

0 引言

氮肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，其對作物產(chǎn)量和品質(zhì)的形成起著關(guān)鍵作用[1]。我國氮肥用量巨大，而目前的農(nóng)田氮肥利用率（NUE）僅有30% ～ 35%[2]。大量氮肥的損失不僅造成養(yǎng)分資源及能源的浪費(fèi)使得氮肥的利用效率低下，還導(dǎo)致了水體富營養(yǎng)化、土壤酸化、大氣污染、溫室效應(yīng)等一系列環(huán)境污染問題[3]。此外，不同的氮肥效率指標(biāo)衡量氮素管理變化幅度也不同[4-5]。秸稈還田對氮肥利用率的作用受氣候條件、土壤理化性質(zhì)和管理措施等諸多因素的影響[6-8]。因此，明確秸稈還田對各氮肥利用效率影響及其之間的差異對于我國農(nóng)田秸稈資源的合理施用、氮肥的高效利用具有重要意義。

研究證實(shí)秸稈還田可以減少氮肥的損失，有效提升作物氮肥利用率[9]。例如，在暖溫帶半濕潤氣候的潮土地區(qū)，秸稈還田下的冬小麥氮肥利用率高于亞熱帶濕潤氣候的紅壤地區(qū)[6]；在土溫不當(dāng)和通氣不良的地區(qū)，秸稈還田可改善土壤環(huán)境，減少氮素?fù)p失，提高作物氮肥利用率[7]；增加秸稈還田混合深度，構(gòu)建肥沃耕層培育和提升耕地地力能夠有效提高氮肥利用率[8]。然而，也有研究表明，秸稈還田處理后作物氮肥利用率并未顯著提高。例如，雙季稻體系早稻季秸稈還田降低了氮肥利用率[10]；玉米秸稈還田會導(dǎo)致氮肥利用率下降[11]；在施用化肥的基礎(chǔ)上秸稈還田會將氮肥利用率降低到24%[12]。此外，秸稈還田對氮肥利用率的影響還會因表征指標(biāo)的不同而存在差異。鄭浣彤等[4]研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田后氮肥利用率提高了20.5%，而氮肥偏生產(chǎn)力（PFPN）卻只提升了8.1%。張萬鋒等[5]研究結(jié)果表明秸稈還田后PFPN較對照組平均提高了37.0%，而NUE 平均只提高了28.5%?？梢?，秸稈還田對氮肥利用率和氮肥偏生產(chǎn)力的影響也存在一定差異。

我國學(xué)者圍繞秸稈還田對氮肥利用率的影響進(jìn)行了大量田間研究，但前人研究結(jié)果多來自局域試驗(yàn)數(shù)據(jù)，缺乏區(qū)域尺度的比較分析。為了全面認(rèn)識不同條件下秸稈還田對氮肥利用率的影響，本文采用整合分析（Meta-analysis）方法研究中國糧食作物氮肥利用率對秸稈還田的響應(yīng)，從而解決以下問題：（1）探明秸稈還田對氮肥利用率的影響；（2）明確秸稈還田對不同氮肥利用率指標(biāo)影響的關(guān)鍵調(diào)控因素以及關(guān)鍵調(diào)控因素如何影響作物氮肥利用率；（3）提出氮肥利用率提升的秸稈還田優(yōu)化方案。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集及篩選

為了系統(tǒng)全面地揭示秸稈還田對氮肥利用率的影響，本研究基于Web of Science 和中國知網(wǎng)兩個數(shù)據(jù)庫，設(shè)定“秸稈還田、秸稈覆蓋、straw return、straw mulching”和“氮肥利用率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素吸收、Nitrogen use efficiency、N utilization”作為關(guān)鍵詞，并根據(jù)以下5 個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行文獻(xiàn)檢索：（1）中國范圍內(nèi)進(jìn)行的田間試驗(yàn)；（2）同一試驗(yàn)需包含配對的處理組（秸稈還田）和對照組（秸稈不還田），且處理組和對照組除秸稈還田措施采用之外，其他試驗(yàn)條件全部一致；（3）試驗(yàn)處理的重復(fù)數(shù)≥3；（4）處理組和對照組相關(guān)指標(biāo)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差（SD）可直接從表格中獲取或使用GetData Graph Digitizer 2.24 軟件從原始論文圖中提取，若文獻(xiàn)提供的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)誤差（SE），則轉(zhuǎn)換為SD；（5）論文描述了其他相關(guān)信息，包括氣候（年平均降雨量、年平均氣溫）、農(nóng)業(yè)管理措施（氮肥施用量、秸稈還田量和還田方式）和土壤特性（土壤全氮、土壤酸堿性和土壤質(zhì)地）。共檢索出2022 年5 月31 日前出版的符合上述標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)77 篇，各文獻(xiàn)中的試驗(yàn)地分布如圖1 所示。

1.2 數(shù)據(jù)處理

本研究所選取的指標(biāo)NUE、PFPN定義方式如公式(1)、(2)所示：

式中：NUE 為氮肥利用率，是作物對施入土壤中肥料氮的回收效率，反映吸收效率；PFPN為氮肥偏生產(chǎn)力，是將氮肥利用與產(chǎn)量結(jié)合，反映生產(chǎn)效率；UN為施氮區(qū)作物吸氮量；U0為不施氮區(qū)作物吸氮量；YN為施氮區(qū)作物產(chǎn)量；FN為施氮量。

在進(jìn)行文獻(xiàn)數(shù)據(jù)搜集時，需要收集重復(fù)數(shù)、對照組和處理組指標(biāo)數(shù)值和標(biāo)準(zhǔn)差。若文獻(xiàn)中提供的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)誤（SE）、變異系數(shù)（CV）或置信區(qū)間（CI），則標(biāo)準(zhǔn)差（SD）可通過以下公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

式中：n 是重復(fù)次數(shù)，當(dāng)顯著性水平ɑ= 0.05 時，Zɑ/2= 1.96。

1.3 整合分析

效應(yīng)值分析由MetaWin 2.1 軟件實(shí)現(xiàn)[13]，統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)采用響應(yīng)比（Response ratios）表示，因?yàn)橹g的響應(yīng)具有高度可變性，并計(jì)算其95%的置信區(qū)間（95% CI）。其計(jì)算公式為：

式中：Xt和Xc分別是處理組和對照組變量x的平均值。在分析過程中，需要將RR對數(shù)化，采用自然對數(shù)響應(yīng)比(lnRR)來反映秸稈還田對NUE、PFPN影響的效應(yīng)值，計(jì)算公式如下：

同時，進(jìn)行了匯總方差的計(jì)算V（lnRR），將數(shù)據(jù)處于同一尺度[14]。

式中：St和Sc分別為處理組和對照組的標(biāo)準(zhǔn)差，Nt和Nc分別為處理組和對照組的田間重復(fù)數(shù)。

為直觀地表達(dá)秸稈還田對NUE、PFPN的影響效應(yīng)，利用式(9)將效應(yīng)值轉(zhuǎn)化為百分比的形式，I值大于0 則表示秸稈還田對NUE、PFPN具有提升作用，I值小于0 則表示秸稈還田對NUE、PFPN具有降低作用。

本研究利用 MetaWin 2.1 軟件計(jì)算效應(yīng)值大小和95%置信區(qū)間（CI）[15]，需輸入數(shù)據(jù)包括秸稈還田和不還田氮肥利用率的均值、對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差及樣本數(shù)。若95%置信區(qū)間包含0，表示秸稈還田對氮肥利用率無顯著影響（P＞ 0.05）；若95%置信區(qū)間都大于0，表示秸稈還田對氮肥利用率具有顯著的提升作用（P＜ 0.05）；若95%置信區(qū)間都小于0，表示秸稈還田對氮肥利用率具有顯著的降低作用（P＜ 0.05）。

為明確試驗(yàn)處理間及各實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否存在異質(zhì)性，本研究采用Egger test 和Nfs 進(jìn)行異質(zhì)性檢驗(yàn)，正態(tài)分布檢驗(yàn)數(shù)據(jù)分布，極大似然估計(jì)（RMLE）計(jì)算不同因子的組內(nèi)組間差異，同時，對于收集到的可量化的影響因子，采用R 4.0.3 對其進(jìn)行相對重要性分析，通過比較不同因子貢獻(xiàn)率判斷其是否是重要影響因子。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

使用GetData Graph Digitizer 2.24 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，使用R4.0.3 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)異質(zhì)性和偏倚性檢驗(yàn)、相對重要性分析；使用Metawin 2.1 軟件進(jìn)行Meta 分析，使用Origin 9.0 軟件進(jìn)行線性回歸分析以及繪圖；使用SPSS 21 進(jìn)行正態(tài)分析與皮爾遜相關(guān)分析。

2 結(jié) 果

2.1 秸稈還田對氮肥利用率的影響

與對照組相比，秸稈還田后作物氮肥利用率和氮肥偏生產(chǎn)力的平均值分別顯著提升10.9%和6.16%（圖2a，2b）。整合分析結(jié)果顯示，秸稈還田總體上會顯著提升作物的氮肥利用率（效應(yīng)值范圍為8.01 ～12.3，下同）和氮肥偏生產(chǎn)力（4.30 ～ 8.02），并且其對氮肥利用率的提升強(qiáng)度顯著對大于氮肥偏生產(chǎn)力的（P＜ 0.05，圖2c）。

圖2 秸稈還田對氮肥利用率的影響Fig. 2 Effect of straw returning on nitrogen efficiency

2.2 影響NUE 對秸稈還田響應(yīng)的因素

通過隨機(jī)森林回歸分析發(fā)現(xiàn)，還田方式對秸稈還田后氮肥利用率變化具有重要解釋作用（圖3a）。其中，覆蓋還田（6.94 ～ 11.0）和翻壓還田（14.1 ～ 21.9）均能顯著提高作物的氮肥利用率（P ＜0.05），并且秸稈覆蓋還田增幅大于翻壓還田（圖3b）。

圖3 不同條件下秸稈還田對NUE 的相對重要性分析及其效應(yīng)Fig. 3 Analysis of the relative importance and effect of straw returning on NUE under different conditions

2.3 影響PFPN 對秸稈還田響應(yīng)的因素

土壤酸堿性、全氮以及氣候類型對秸稈還田后氮肥偏生產(chǎn)力變化具有重要解釋作用（圖4a）。在不同的土壤酸堿性條件下，秸稈還田后作物的氮肥偏生產(chǎn)力均得到顯著提高，效果為中性（7.44 ～ 13.4）＞堿性（2.22 ～ 6.88）＞ 酸性（1.99 ～ 6.26）（圖4b）；土壤全氮＞ 1.25 g·kg-1條件下（6.11 ～ 10.2）秸稈還田效果顯著大于土壤全氮≤ 1.25 g·kg-1條件下（2.70 ～ 6.08）的秸稈還田效果（圖4c）。除溫帶大陸性氣候下（-9.41 ～ 12.6）還田作用效果不顯著外，亞熱帶季風(fēng)氣候（4.18 ～ 9.06）和溫帶季風(fēng)氣候下（3.05 ～9.35）的作用效果均顯著（P＜ 0.05，圖4d）。

圖4 不同條件下秸稈還田對PFPN 的相對重要性分析及其效應(yīng)Fig. 4 Analysis of the relative importance and effect of straw returning on PFPN under different conditions

2.4 秸稈還田下重要調(diào)控因子與氮肥偏生產(chǎn)力之間的回歸分析

通過對重要調(diào)控因子進(jìn)行的回歸分析結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)，秸稈還田對PFPN的效應(yīng)與全氮含量呈線性正相關(guān)關(guān)系（P＜ 0.05，圖5a）。秸稈還田對PFPN的效應(yīng)值隨著土壤酸堿度的提升呈非線性正相關(guān)關(guān)系（P＜ 0.01，圖5b）。對于圖4a 中所提出的重要調(diào)控因素氣候類型，本文用年均溫和年均降雨量進(jìn)行衡量，發(fā)現(xiàn)隨著年均溫和年均降雨量的增加，秸稈還田條件下PFPN的效應(yīng)值呈非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系（P ＜0.01，圖5c，圖5d）。

圖5 秸稈還田下不同調(diào)控因子對PFPN 的相關(guān)性Fig. 5 Correlation of different regulatory factors on PFPN under straw returning

3 討論

3.1 秸稈還田對NUE 和PFPN 的總體影響

整合分析發(fā)現(xiàn)秸稈還田可以顯著提高作物的氮肥利用率，推測原因如下：（1）秸稈還田減少了土壤中氮的損失，這可能是因?yàn)檫€田秸稈腐解后釋放大量氮素，土壤微生物氮和有機(jī)質(zhì)的提高利于吸附和固持更多的NH4+，降低了農(nóng)田氮損失[16]，也有可能是秸稈還田降低或減緩了土壤中的硝化作用，有利于施入化肥氮的保存，相對提高了土壤保肥能力，最終提高了氮肥利用率[17]；（2）秸稈還田合理配施氮肥能提高土壤氮素儲備并促進(jìn)作物對氮素的吸收利用，從而提高氮肥利用率。秸稈還田后能為土壤微生物提供充足碳源，有效協(xié)調(diào)土壤氮素的固持與供應(yīng)，提高土壤礦質(zhì)氮的生物有效性，保證土壤中充足的氮素供應(yīng)從而促進(jìn)作物對氮素的吸收[18]。

秸稈還田后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，我國部分農(nóng)田已出現(xiàn)大量的無機(jī)氮（主要是硝態(tài)氮）累積[19]，而土壤大量硝態(tài)氮?dú)埩魰斐稍霎a(chǎn)效應(yīng)不明顯，而PFPN主要依靠產(chǎn)量計(jì)算，使得PFPN提升幅度不高。其二，本文PFPN計(jì)算公式中的產(chǎn)量指的是作物籽粒產(chǎn)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 提升幅度會略大于PFPN。

3.2 還田方式對NUE 的影響

實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋還田有效防止土壤侵蝕，減少地表水分蒸發(fā)和徑流，提高土壤蓄水能力[20]。秸稈深翻還田降低土壤容重，增加孔隙度，翻入土壤的秸稈腐解后提供大量養(yǎng)分，增加土壤有機(jī)質(zhì)和土壤肥力[21]。然而，不同還田方式對土壤水肥氣熱的影響不同，進(jìn)而導(dǎo)致土壤氮素行為的差異。因此，相比于其他的影響因素，還田方式是影響作物NUE 的最主要因素。

本分析表明：秸稈覆蓋還田和翻壓還田均能顯著提高作物的NUE，而覆蓋還田的效果明顯優(yōu)于翻壓還田。秸稈還田可以提高土壤蓄水保墑能力[22-23]，降低土壤容重，增加孔隙度，改善土壤通氣狀況和水分狀況，促進(jìn)土壤的微生物活性和數(shù)量的提高，從而增加土壤供氮潛能和能力，為作物生長提供良好的土壤環(huán)境[16]。覆蓋還田效果優(yōu)于翻壓還田的結(jié)果，這與李銀水等[24]的研究一致?？赡苁窃谖覀兎治龅臄?shù)據(jù)中，覆蓋還田的數(shù)據(jù)主要為壤土和砂土，翻壓還田的數(shù)據(jù)主要為壤土和粘土，而沙壤土的土質(zhì)顆粒間隔明顯，易造成跑墑失水的情況，相比于粘性土質(zhì)，通過秸稈還田后可能會更加顯著減少表層水分的蒸發(fā)，利于土壤深層貯水，改善土壤全層干燥化的問題[25]。除此之外，風(fēng)沙土上的試驗(yàn)結(jié)果表明：在0 ～ 40 cm 土層內(nèi)土壤容重表現(xiàn)為覆蓋＜翻耕[26]。土壤容重是判斷土壤肥力狀況的重要指標(biāo)，適宜的土壤容重會影響到微生物的代謝活動、作物根系養(yǎng)分運(yùn)輸情況等問題[27-28]。所以覆蓋還田可能比翻壓還田更有利于降低容重，能改善土壤性質(zhì)，為作物提供更好的土壤環(huán)境。

然而，也有研究[29]通過整合分析發(fā)現(xiàn)翻壓還田的效果更好。由此，秸稈還田作為提高土壤質(zhì)量、作物生產(chǎn)力和可持續(xù)性的一個重要選擇，在未來有必要進(jìn)行更廣泛和標(biāo)準(zhǔn)化的研究，明確具體情況下最合適的秸稈還田方式。

3.3 土壤全氮、酸堿性以及氣候類型對PFPN 的影響

本研究發(fā)現(xiàn)土壤酸堿性、土壤全氮含量和氣候類型是PFPN的重要影響因子（圖4a）。首先，氮肥偏生產(chǎn)力主要受到作物產(chǎn)量的影響，而研究表明土壤酸堿性是判斷作物生長和預(yù)測作物產(chǎn)量的重要因素[30]；籽粒產(chǎn)量與土壤全氮顯著相關(guān)，土壤全氮含量是產(chǎn)量的關(guān)鍵驅(qū)動因子[31]；氣候更是與作物產(chǎn)量之間有著顯著的相關(guān)性。

在不同的土壤酸堿性下秸稈還田的提升幅度為中性＞堿性＞酸性（圖4b）。土壤酸堿性可以通過影響土壤微生物和土壤酶活性來影響秸稈分解[32]、土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化[33]和土壤氨揮發(fā)[34]，最終影響秸稈還田的效果。當(dāng)土壤為中性時，土壤自身的木質(zhì)纖維素降解菌數(shù)量和活性大，秸稈降解快，氨揮發(fā)少，植物吸收養(yǎng)分多[35]；其次有研究通過整合分析發(fā)現(xiàn)秸稈還田時中性和堿性提升速效養(yǎng)分含量較酸性效果稍好[36]，且酸性條件下氨揮發(fā)多[37]，而氨揮發(fā)又是氮肥流失的途徑之一。綜上，中至堿性土壤上秸稈還田效果較好。

李昌明等[38]研究發(fā)現(xiàn)：秸稈氮素釋放率與土壤全氮呈正相關(guān)關(guān)系，與本文結(jié)果一致（圖4c，圖5a）。現(xiàn)在人們普遍認(rèn)為土壤中的全氮含量可以通過土壤C/N 影響秸稈腐解釋放養(yǎng)分速率。本研究所分析的數(shù)據(jù)中大多數(shù)均為禾本科作物秸稈，它們自身的C/N 高、腐解難，需要補(bǔ)充氮素促進(jìn)腐解[39]，結(jié)果導(dǎo)致氮肥施用后秸稈與作物爭氮，PFPN提升幅度較低。若土壤全氮含量高，則可以通過提高土壤C/N 直接影響秸稈腐解，讓更多的氮肥用于作物從而間接增加PFPN的提升幅度[40]。

本研究發(fā)現(xiàn)溫帶大陸性氣候?qū)FPN影響不顯著。首先，溫帶大陸性氣候的數(shù)據(jù)較少會導(dǎo)致量化效果不好；其次，亞熱帶季風(fēng)氣候和溫帶季風(fēng)氣候?qū)FPN影響顯著，這取決于其自身水熱條件較好，秸稈還田可以更明顯改善土壤物理結(jié)構(gòu)，增加土壤入滲速率，優(yōu)化土壤孔隙結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)地表徑流，減流減沙效果[41]；秸稈腐解速率也會加快，有利于作物根系的生長。本文回歸分析發(fā)現(xiàn)：PFPN提升幅度與年均溫和年均降雨量呈非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖5c；圖5d）。Qin 等[42]發(fā)現(xiàn)當(dāng)年平均氣溫＞11℃時，玉米產(chǎn)量和氮素利用效率與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這與本文研究一致，可能是因?yàn)橄募狙谉岫嘤?，秸稈還田后土壤含水量增加，土壤通氣量降低，影響玉米生長造成產(chǎn)量降低從而導(dǎo)致PFPN的降低；秸稈還田的氮素利用效率隨年平均降水量的增加而降低，這是因?yàn)樵趶?qiáng)降雨年份，秸稈還田造成缺氧環(huán)境，釋放了更多的N2O 導(dǎo)致氮素利用的效率降低[43-44]。

3.4 秸稈還田應(yīng)用下提升氮肥利用率的最佳策略

我國面臨著氮肥利用率低下，過量施用氮肥又導(dǎo)致環(huán)境污染加劇等亟待解決的問題。秸稈還田作為一種環(huán)境友好的方式可以有效提高作物的氮肥利用效率[45]。整合分析的結(jié)果表明，秸稈還田可以有效提高氮肥利用率。我們制定了具體的在亞熱帶季風(fēng)氣候下將更多的秸稈覆蓋還田到全氮 ＞ 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，不同的秸稈還田方式可能適用于不同的土壤質(zhì)地。覆蓋還田可能更適合在偏砂壤土的農(nóng)田進(jìn)行。因?yàn)橄啾扔谡承酝寥溃靶酝寥澜斩捀采w還田后可能會更加顯著減少表層水分的蒸發(fā)及養(yǎng)分流失，抑制土壤溫度過度變化，利于光合作用和灌漿的進(jìn)行，養(yǎng)分轉(zhuǎn)化率高，從而提高作物氮肥利用率。

4 結(jié)論

秸稈還田可以顯著提高作物的NUE 和PFPN。不同評價(jià)指標(biāo)的顯著調(diào)控因素不同，其中NUE 的提升主要受管理措施（還田方式）的影響，PFPN的提升主要受土壤因素（土壤全氮和土壤酸堿性）和氣候條件的影響。基于此，我們認(rèn)為，在溫帶季風(fēng)氣候條件區(qū)中性以及初始土壤全氮含量＞ 1.25 g·kg-1的土壤上覆蓋還田，可以達(dá)到既提高NUE 又提高PFPN的效果，實(shí)現(xiàn)秸稈的高效利用和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。本文的研究結(jié)果可能仍存在一些局限性，如還田年限、肥料類型等因素由于相關(guān)數(shù)據(jù)較少也未納入分析。但此研究結(jié)果仍將有助于我國今后制定更合理的秸稈還田模式和進(jìn)行推廣應(yīng)用。