施用有机肥对我国作物氮肥利用率影响的整合分析

2019-09-23任科宇段英华徐明岗张旭博

中国农业科学 2019年17期

任科宇，段英华，徐明岗，张旭博

任科宇1，段英华1，徐明岗1，张旭博2

（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中国科学院地理科学与资源研究所/生态网络观测与模拟重点实验室，北京 100101）

【】化肥配施有机肥是提高作物氮肥利用率（NUE）的重要措施之一。但由于作物的氮肥利用率受到施氮量、土壤性质和气候条件等因素的影响，且多数研究只在某一特定区域或条件下进行，对于全国不同区域施用有机肥对氮肥利用率影响的研究缺乏系统分析和比较。因此，探明化肥配施有机肥对氮肥利用率的影响，量化不同土壤和气候条件下氮肥利用率对有机肥施用的响应，可指导区域性的有机肥施用，为化肥减施增效提供重要的理论依据。本研究收集了公开发表的文献110篇，建立了412组包含化肥配施有机肥（NPKM）和单施化肥（NPK）处理的氮肥利用率的数据库。采用整合分析（Meta-analysis）和随机森林（Random Forest）方法分析了全国不同区域的氮肥利用率在NPK和NPKM处理下的差异，定量化了施氮量、土壤性质和气候条件等因素对有机肥正效应的贡献率。全国来说，相比NPK，NPKM处理下氮肥利用率提高了3.6个百分点。除东北地区外，在其他地区NPKM均显著提高了氮肥利用率，提高幅度依次为西北＞华北＞南方＞华东。土壤性状中影响有机肥“增效”作用的主要因素是有机质、pH、速效钾和全氮含量，其中土壤有机质含量越低，配施有机肥后氮肥利用率的提高幅度越大；在碱性土壤上配施有机肥对氮肥利用率的提高幅度分别是中性土壤和酸性土壤的1.3和1.8倍。另外，不同气候类型下配施有机肥对氮肥利用率的提高幅度存在差异，表现为温带大陆性气候区＞温带季风性气候区＞亚热带季风性气候区。施用有机肥可显著提高作物的氮肥利用率，且在有机质含量较低、降雨量较少的西北地区配施有机肥后氮肥利用率的提高幅度最大。

氮肥利用率；有机肥；施氮量；土壤性质；气候；区域差异；整合分析

0 引言

【研究意义】氮肥在农业生产中广泛应用，其对作物产量和品质的形成起着关键作用[1]。我国的氮肥施用量至2011年已达到4 347万吨，占全球的40.5%[2]，但一般认为我国的氮肥利用率仅为30%左右，大量氮肥的损失造成了水体富营养化、土壤酸化、大气污染、温室效应等一系列环境问题[3-5]。有研究表明，化肥配施有机肥可减少氮肥的损失，提高氮肥利用率[6-9]；但是，刘占军[10]等研究表明，用有机肥替代化肥后氮肥利用率有所下降，其认为大多数研究是在推荐施肥基础上配合施用有机肥，从而过高地估计了有机肥的作用和有机无机交互作用。有机肥对氮肥利用率的“增效”作用受施氮量、作物类型、土壤属性和气候条件等因素的影响[11-12]。因此，明确有机肥对氮肥利用率影响的区域差异对于我国农田有机肥的合理施用、氮肥的高效利用具有重要意义。【前人研究进展】近年来，大量研究证实化肥配施有机肥可将氮肥利用率提高2—5个百分点，如在西南黄壤性水稻土上采用有机肥替代50%的化肥，水稻[7]的氮肥利用率提高了4.2个百分点，玉米[8]提高了2.5个百分点。对宁夏引黄灌区稻田的研究也发现在常规施氮和优化施氮水平下配施有机肥，水稻的氮肥利用率可以分别提高5.2个百分点和1.9个百分点[9]。然而，也有研究表明施用有机肥并未显著提高作物的氮肥利用率，如Dawe等[13]通过对亚洲25个稻田长期定位试验产量总结发现，水稻产量在有机无机肥配施条件下与推荐量化肥施用条件下无显著差异，有机肥的施用并未显著提高水稻的氮肥利用率。对浙江地区早稻、晚稻及单季稻的研究发现，有机肥替代20%和40%的化肥后，其吸氮量没有显著变化，但有机肥替代70%的化肥会降低水稻吸氮量[14]。对于东北玉米，氮肥利用率在化肥、化肥配施有机肥处理下分别为32.7%和21.4%[10]。基于我国昌平、郑州、杨凌、祁阳的4个长期定位试验，DUAN等[15]发现，有机肥配施在祁阳红壤氮肥利用率提高了14%，但在其他试验点则与单施化肥相近。可见，施用有机肥对氮肥利用率的影响在不同土壤条件和气候条件下差异较大[16-18]。【本研究切入点】目前，我国关于施用有机肥对氮肥利用率影响的研究多是基于某一个或几个特定试验点展开的，其结果会受该区域特定的土壤和气候条件的影响。为了全面认识不同条件下施用有机肥对氮肥利用率的影响，需收集全国范围内独立试验数据进行综合分析，系统量化施用有机肥对我国主要粮食作物氮肥利用率的影响。【拟解决的关键问题】通过国内外已发表的有关施肥对我国氮肥利用影响的文章进行数据搜集，采用整合分析（Meta-analysis）的方法，系统分析施用有机肥对我国主要粮食作物氮肥利用率的影响及其区域差异，并利用随机森林（Random Forest）方法定量不同地区施氮量、土壤性质和气候等因素对造成两施肥处理（NPKM、NPK）氮肥利用率差异的贡献率，进而为有机肥的合理施用、氮肥的高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究是基于已发表的文献数据进行的，从Web of science、中国知网、万方和百度学术等文献数据库，通过设置“有机肥”“施氮量”“氮肥利用率”和“产量”4个关键词进行检索，并根据以下条件进行文献筛选：（1）施肥试验是在中国农田进行的（不包括盆栽和室内试验），且研究对象为三大粮食作物（小麦、玉米和水稻）；（2）同一试验必须同时包含不施氮处理、施用化学氮磷钾肥（NPK）和有机肥配施化肥（NPKM）处理，且有相应的氮肥利用率[19]（NUE）或产量数据。

式中，Nt为施氮处理下作物的吸氮量，N0为不施氮处理下作物的吸氮量，Ft为氮肥的总施用量。

（3）每个处理至少3次重复；（4）有试验前0—20 cm土层的基本理化指标。对于每个独立试验还要能够获得以下相关信息：试验点的地理位置（经度和纬度）、试验点所处的气候条件（气候类型、年降雨量、年均温、年日照时长）等。经筛选后，符合条件的文献110篇，有效数据412组。根据我国七大地理区划及种植制度等，本文中全国分为五大区域：东北、华北、华东、西北和南方地区。表1为具体的文献数量及试验点位分布。图1为配施有机肥与单施化肥响应比的频数分布，符合高斯分布（正态分布），满足Meta分析的必需要求。

对于氮肥利用率的影响因素，我们根据文献及数据情况进行了分组。其中，施氮量的划分主要是参考于飞[20]对施氮量的分析，并结合本文的研究内容和收集的数据情况进行分组；土壤养分指标的分组主要是依据我国第二次土壤普查时土壤养分分级标准[21]划分，例如土壤有机质含量，一级、二级为一个级别（＞30 g·kg-2），三级为一个级别（20—30 g·kg-2），四级、五级和六级为一个级别（≤20 g·kg-2）；气候类型分为温带季风气候、温带大陆气候和亚热带季风气候，年均降雨量、年均温、年日照时数和无霜期各气候因子的分组分别参考尚宗波[22]、方晓[23]、李慧群[24]、宁晓菊[25]等对各气候因子分布规律的研究进行划分（例如年均降雨量，统分为三组：≤600 mm、600— 1 200 mm和＞1 200 mm）。

M和SE分别为平均值和标准误；曲线为数据的高斯分布，P 为显著性检验

表1 研究获取的文献数、试验点位分布

1.2 研究方法

在进行文献数据搜集时，如果文献中的数据是以图的形式表示，则用GetData Graph Digitizer 2.24[26]软件来提取。若文献中提供的数据为标准误（SE），则标准差（SD）可通过公式（1）进行转换：

式中，n 是重复次数。统计学指标采用响应比（response ratios，RR）表示，并计算其95%的置信区间（95% CI）。其计算公式为：

RR=(NUEt/NUEc) （2）

式中，NUEt和NUEc分别是处理组（NPKM）和对照组（NPK）变量NUE的平均值。在分析过程中，需要将RR对数化，采用自然对数响应比（lnRR）来反映施用有机肥对NUE的影响程度并由以下计算可得[27]：

lnRR=ln(NUEt)-ln(NUEc) （3）

整合分析通过对每个独立研究的响应比进行加权，得出加权平均响应（RR++）。另外平均值变异系数（V）、权重系数wij、R++、RR++的标准差（S）和95%的置信区间（CI）可通过以下计算获得[28]：

95%CI=R++±1.96S(RR++) （8）

1.3 数据分析

Meta分析合并计数资料的响应比得出加权平均响应前，需明确试验处理之间及各试验结果是否存在异质性（处理间或不同研究结果间的变异是否由随机误差引起）。因此，采用卡方检验（Chi-square test）进行异质性检验，如检验结果＞0.05，说明不同处理间或不同研究结果间具有同质性，可选用固定相应模型计算合并统计量，否则采用随机效应模型[31]。

采用MetaWin 2.1软件进行Meta分析[32]。在Meta分析中，针对不同土壤因素和气候条件，比较NPKM相比NPK处理对NUE的影响程度。对于每篇文献中的观测值，可以使用响应值来评估NPKM较NPK处理NUE的增加量（响应值大小可以反映处理组相比对照组的影响效果[33]）。在数据分析过程中，还分别考虑了我国不同地区NPKM与NPK处理间NUE的差异，运用SPSS 软件11.0（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）进行数据统计分析和显著性检验，如＜0.05，则认为NPKM与NPK处理的NUE存在显著差异。

随机森林方法则是运用R语言中的软件包“randomForest”来计算各因素对有机肥“增效”作用的贡献率[34]。

2 结果

2.1 化肥配施有机肥对NUE的影响

如图2所示，总体来说， NPK和NPKM处理下我国的平均氮肥利用率分别为31.2%和34.8%， NPKM较NPK处理下高3.6个百分点。从各区域来看，东北地区的氮肥利用率较高，NPK和NPKM处理的氮肥利用率分别为45.0%和47.3%，但两者间无显著差异。在华北、华东、南方和西北地区，氮肥利用率在NPKM处理均较NPK处理下显著增加，其中NPK处理下分别为31.1%、32.3%、30.0%和24.9%，NPKM处理下分别为35.6%、35.0%、32.8%和33.6%，提高了2.7—8.9个百分点。

图中不同的小写字母表示差异显著（P＜0.05）；中间实线代表中位数，虚线代表平均数，箱图的上下两边分别代表75%和25%的百分位数，误差线分别代表样本的最大值和最小值；n代表样本数

2.2 “增效”作用随施氮量的变化差异

总体来看，氮肥利用率随施氮量的增加呈下降趋势（图3-a）。在合理施氮量范围（120—360 kg·hm-2）内，随着施氮量的增加，NPK和NPKM处理的氮肥利用率差异逐渐减小。通过整合分析（图3-b）发现，与NPK相比，在低施氮量（≤120 kg·hm-2）时，NPKM处理的氮肥利用率显著提高了17.2%；在中等施氮量（120— 240 kg·hm-2和240—360 kg·hm-2）时，NPKM处理氮肥利用率分别显著提高了12.6%和12.9%；在高量施氮（＞360 kg·hm-2）时，NPKM的氮肥利用率显著提高了19.0%，但有机肥的“增效”作用在各施氮量间未达到显著差异。在东北地区（图3-c），NPKM的“增效”作用在施氮量非常低（≤100 kg·hm-2）的情况下不明显，在施氮量稍高（≥200 kg·hm-2）的情况下较强；在华东和南方地区，NPKM的“增效”作用在不同施氮量下均不明显；而在华北和西北地区，NPKM处理显著提高了作物的氮肥利用率，但随着施氮量的增加“增效”作用会逐渐减弱。

2.3 土壤性状对有机肥“增效”作用的影响

整合分析结果表明（图4），与NPK相比，在不同土壤养分条件下NPKM均能显著提高作物的氮肥利用率，但不同养分水平上对氮肥利用率的提高幅度存在差异。有机肥配施的“增效”作用随有机质含量的增加而降低，但差异不显著。土壤有效磷水平对有机肥“增效”作用没有显著影响。土壤全氮含量是影响有机肥“增效”作用的关键因素，在土壤全氮含量≤1 g·kg-1时，配施有机肥后NUE的增幅可达26.3%，分别是土壤全氮含量1—1.5 g·kg-1和＞1.5 g·kg-1时增幅的2.7倍和2.3倍。化肥配施有机肥后，在土壤有效氮含量≤60 mg·kg-1的土壤上NUE增幅18.7%，而在有效氮含量＞60 mg·kg-1的土壤上NUE增幅12.6%左右。在速效钾含量＞150 mg·kg-1时，有机肥的“增效”幅度为28.6%，显著高于50—150 mg·kg-1时的“增效”幅度（8.0%）。土壤的酸碱性也是限制有机肥“增效”作用的一个重要因素，随着土壤pH的升高有机肥的“增效”幅度增大，在碱性（pH＞7.5）土壤上有机肥的“增效”幅度是酸性（pH≤6.5）土壤上的1.8倍。

2.4 气候因素对有机肥“增效”作用的影响

在不同气候类型下，化肥配施有机肥均能显著提高作物的氮肥利用率，其中在温带大陆性气候增幅最大（39.3%），分别是温带季风性气候区和亚热带季风性气候区的2.2倍和4.1倍（图5）。有机肥的“增效”作用随着年均降雨量（AAR）、年均温（MAT）和无霜期（FFD）的增加而降低，在AAR≤600 mm、MAT≤12℃和FFD≤175 d的地区均可达到20%以上，而在AAR＞1 200 mm、MAT＞16℃和FFD＞250 d的地区均只有9%左右。有机肥的“增效”幅度在年日照时数（ASD）＞2 200 h的地区稍高，达到17%以上，而在≤2 200 h的地区为11.3%。

图a和c中黑色圆点和实线代表化肥对照组（NPK），空心三角和虚线代表有机肥处理组（NPKM）。图b中点和误差线分别代表响应比及其95%的置信区间，如果误差线没有跨越零线表示处理和对照存在显著差异；括号内的数值和百分数分别代表样本数和施肥响应百分数

2.5 各因素对有机肥“增效”作用的贡献率

如图6所示，从全国尺度来看，土壤因素对有机肥“增效”作用的总贡献率达到55%，比气候因素的总贡献率（32.2%）高22.8个百分点，其中土壤因素中AK和SOM的贡献率相对较高，分别达到12.7%和10.4%，气候因素中AAR的贡献率较高，达到8.7%，而施氮量（N rate）和作物类型（Crop）的贡献率分别为8.3%和4.6%。从我国不同地区来看，东北地区土壤因素中SOM的贡献率最高，达到19.0%，比其他因素高4.8—13.8个百分点；华北地区土壤因素中TN和SOM的贡献率相对较高，分别达到14.3%和13.0%，气候因素中除FFP的贡献率达到12.8%外，AAR、MAT、ASD的贡献率均相对较低；华东地区ASD、土壤pH和施氮量三者的贡献率相对较高，均在10%以上，土壤因素中TN的贡献率最低，仅为3.5%；南方地区气候因素中AAR的贡献率最高，达到14.4%，是土壤因素中AK贡献率（9.6%）的1.5倍，是作物类型贡献率（3.8%）的3.8倍；西北地区作物类型和气候因素是影响有机肥“增效”作用的主要因素，Crop、AAR和FFP的贡献率分别为27.2%、18.6%和15.5%，土壤因素中除AP的贡献率达到了13.5%外，其他土壤因素的贡献率均近似于0。

点和误差线分别代表响应比及其95%的置信区间，如果误差线没有跨越零线表示处理和对照存在显著差异；括号内的数值、百分数及字符分别代表样本数、施肥响应百分数和单位。SOM：土壤有机质含量，pH：土壤酸碱度，AP：土壤速效磷含量，TN：土壤全氮含量，AN：土壤有效氮含量，AK：土壤速效钾含量

3 讨论

3.1 施用有机肥对我国不同地区氮肥利用率的影响

总的来看，与NPK相比，NPKM显著提高了我国粮食作物上的氮肥利用效率（图2），其原因一方面可能是有机肥的施用直接增加了磷钾及微量元素的投入。据朱兆良[35]等估算我国有机肥资源每年可提供氮、磷、钾养分约7 400万吨。霍林等[36]的研究也发现施入有机肥后土壤磷钾含量明显提高，且随着有机肥用量的提高而提高。另外，有机肥还可以作为提供作物锌、锰等微量元素的良好肥源，提高土壤锌、锰等元素的有效性[37]。有机肥中的有机碳可提高作物根系生物量及根系分泌物含量，进而提高土壤微生物生物量碳氮及土壤养分含量[38-40]；另一方面，有机肥的施用能够改善土壤的理化性状，例如降低土壤的容重和紧实度，提高土壤总孔隙度，使土壤变的疏松多孔，有利于养分的运输和吸收[36]。刘汝亮等[9]的研究也表明有机肥的施用能够提高土壤的保水保肥性，减少养分的损失，进而提高氮素的利用效率。图4和图5也表明，配施有机肥在不同土壤养分或气候条件下均有显著的“增效”作用。

点和误差线分别代表响应比及其95%的置信区间，如果误差线没有跨越零线表示处理和对照存在显著差异；括号内的数值、百分数及字符分别代表样本数、施肥响应百分数和单位

长柱后的数字代表土壤和气候因素对有机肥“增效”作用的贡献率。AK：土壤速效钾含量，SOM：土壤有机质含量，pH：土壤酸碱度，AAR：年均降雨量，TN：土壤全氮含量，FFP：无霜期，N Rate：施氮量，AP：土壤速效磷含量，MAT：年均温，ASD：年日照时长，AN：土壤有效氮含量，Crop：作物类型

但从区域上来看，东北地区施用有机肥未显著提高作物的氮肥利用率，其原因可能是东北地区土壤肥沃，有机质含量高，外源有机物料的补充在当季没有显著的增产增效作用[41-43]。在针对全国的土壤和气候条件进行整合分析时，东北地区的数据量相对较少，且东北三省间的土壤属性和气候条件也存在一定的差异，因此整合分析的过程中有可能没有将东北地区的特殊性表现出来。在华东、华北、南方及西北地区，施用有机肥后氮肥利用率显著提高了2.7—8.9个百分点。各区域间“增效”作用差异的原因是土壤状况和气候条件等环境因素影响了有机肥的施用效果，例如在肥力较高的土壤上，其本身的碳氮库已经达到平衡，有机肥的过多施用反而会引起土壤中“争氮效应”的发生[44-45]；气候条件能够影响土壤氮的释放、转化和有效性，从而影响到作物对氮肥的吸收利用[18]。

3.2 不同土壤条件及气候因素下配施有机肥对氮肥利用率的影响

土壤和气候条件是影响氮肥利用率的重要因素[7-8,46]。由于我国土壤类型丰富，养分含量差异较大，因此尽管有机肥的“增效”作用均有随着土壤有机质、全氮和有效氮含量的增加而降低的趋势，但是统计差异不显著（图4）。有机肥的输入可以提高土壤有机质和速效养分含量，提升土壤的肥力[47-48]，而土壤肥力越高，作物的氮肥利用率通常也较高[49-50]，因此，对于低肥力土壤，尤其应考虑通过有机肥的施用来提高其综合生产能力，进而提高其作物氮肥利用率。但有机肥的“增效”作用在有效钾含量较高时反而更佳，其原因可能是作物吸收养分时K+和NH4+存在竞争作用，有机肥的施用能够缓解其竞争作用[51]，提高作物对氮素的吸收。另外，本文收集到的AK≤50 mg·kg-1数据较少，且分布于我国的华北、华东和南方3个地区，由于这3个地区的土壤类型和气候条件存在差异，因而有机肥在AK≤50 mg·kg-1时的“增效”作用误差较大，还有待进一步研究。

本研究还表明，有机肥的“增效”在pH较高的土壤上优于低pH土壤，这可能是碱性条件下，氨挥发作用强[52-53]，而有机肥的施用可以促进氨的转化[54]，减少损失，促进其长效利用。但有机肥的“增效”在中性和酸性土壤上无显著差异，其原因可能是本文所收集到的酸性土壤多为弱酸性土壤（5.5≤pH＜6.5），有机肥在酸性土上的“增效”作用未能充分显现。有研究表明缓控释肥在碱性土壤上增加产量和氮素吸收量的效果优于酸性和中性土壤[46,55]。但是，也有研究表明，化肥配施有机肥可改良土壤酸化，提高土壤氮有效性[56]，促进氮素吸收利用。因此，有关不同pH土壤上有机肥的施用效果及机制尚有待进一步研究。

化肥配施有机肥对氮肥利用率的提升效果在我国温带大陆性气候区显著优于温带季风区和亚热带季风区（图5），而我国气候区间的主要差异在于降雨量和温度，有研究表明，在干旱年份有机肥的减氮增产作用更加明显，且对氮肥利用率的提升效果显著[57]；高温、多雨的气候条件下不仅会加速有机肥分解同时也会增加养分的损失，因此低温、少雨的地区有机肥可以更好的发挥其保温保水性，更利于激发土壤中微生物的活性，促进作物对养分的吸收[58-59]。本文对各气候要素下有机肥施用效果的分析发现，降雨量、年均温、无霜期水平越低，日照时长越长，其“增效”作用越强。前人关于水稻的研究也表明，在我国北方地区施用缓控释肥可取得较南方更好的效果[46]。

3.3 影响有机肥“增效”作用的主控因素

总体来看，土壤因素是影响有机肥“增效”作用的主要因素（图6），因为土壤是作物生长的直接载体，土壤性状的变化会直接影响作物对养分的吸收利用[43,60]。但是，在不同区域影响有机肥施用效果的因素不同。影响有机肥“增效”作用的因素在东北区，首先是土壤有机质含量，其次是年均降雨量和无霜期，在华北区是全氮、有机质和无霜期，在西北区是作物类型、年均降雨量和无霜期。可见，在我国北方地区，年均降雨量和无霜期是影响有机肥施用效果的主要气候因素，但这些都是难以通过人为活动来调控的，而对于可调控的土壤性质来说，影响有机肥施用效果的是有机质含量，我们就可以通过对土壤有机质的调节来提高作物的氮肥利用率；在华东区，氮肥施用量和土壤pH是影响有机肥“增效”作用的主要因素，应关注该地区是否存在氮肥施用过量以及土壤酸碱度问题。在西北地区，作物类型是影响有机肥“增效”作用的主要因素，其原因可能是西北地区粮食作物以小麦-玉米轮作体系为主，施有机肥在玉米生长季节处于水热同步，能够大量矿化提供充足养分，充分发挥有机肥的“增效”作用，而在小麦季，有机肥虽能起到一定的保温作用，但养分的释放较慢，有机肥的“增效”作用会受到一定的影响[61]。在南方地区，土壤速效钾含量是影响有机肥“增效”作用的主要因素，这可能是由于我国南方土壤钾含量普遍较低，而有机肥中的速效钾并不足以满足作物生长需要[62-63]，因此在施用有机肥时应同时施用钾肥来提高作物对氮的吸收。

4 结论

总体来说，在我国农田化肥配施有机肥可提高氮肥利用率，提高幅度约为3.6个百分点。但区域间提高幅度存在差异，在温带大陆性气候区的提高幅度分别是温带季风性气候区和亚热带季风性气候区的2.2倍和4.1倍，具体表现为西北＞华北＞南方＞华东和东北。在土壤全氮含量≤1 g·kg-1的地区、低温干旱的地区，尤其应考虑通过有机肥的施用来提高其综合生产能力。总体来说土壤因素是影响有机肥“增效”作用的主控因素，但地区间的主控因素存在差异，在北方地区应注意土壤有机质的培育，在南方应注意土壤pH变化及钾肥的适量施用，以更有效地发挥有机肥的效应，实现增产增效的目的。

[1] 巨晓棠, 谷保静. 我国农田氮肥施用现状、问题及趋势. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(4): 783-795.

JU X T, GU B J. Status-quo, problem and trend of nitrogen fertilization in China., 2014, 20(4): 783-795. (in Chinese)

[2] 黄高强, 武良, 李宇轩, 张卫峰, 张福锁. 我国氮肥产业发展形势及建议. 现代化工, 2013, 33(10): 5-9.

HUANG G Q, WU L, LI Y X, ZHANG W F, ZHANG F S. Development situation and suggestions on nitrogen fertilizer industry in China., 2013, 33(10): 5-9. (in Chinese)

[3] 孙传范, 曹卫星, 戴廷波. 土壤—作物系统中氮肥利用率的研究进展. 土壤, 2001(2): 64-69, 97.

SUN C F, CAO W X, DAI T B. Progress in the study on nitrogen use efficiency in soil -crop system., 2001(2): 64-69, 97. (in Chinese)

[4] 杨新泉, 冯锋, 宋长青, 冷疏影. 主要农田生态系统氮素行为与氮肥高效利用研究. 植物营养与肥料学报, 2003(3): 373-376.

YANG X Q, FENG F, SONG C Q, LENG S Y. Fate and efficient use of nitrogen fertilizer in main agroecosystems., 2003(3): 373-376. (in Chinese)

[5] ZHU Z L, JU X T, CUI Z L, XING G X, CHEN X P, ZHANG S L, ZHANG L J, LIU X J, YIN B, CHRISTIE P, ZHANG F S. Reducing environmental risk by improving N management in intensive Chinese agricultural systems., 2009, 106(9): 3041-3046.

[6] 何晓雁, 郝明德, 李慧成, 蔡志风. 黄土高原旱地小麦施肥对产量及水肥利用效率的影响.植物营养与肥料学报, 2010, 16(6): 1333-1340.

HE X Y, HAO M D, LI H C, CAI Z F. Effects of different fertilization on yield of wheat and water and fertilizer use efficiency in the loess plateau., 2010, 16(6): 1333-1340. (in Chinese)

[7] 刘彦伶, 李渝, 张雅蓉, 张文安, 蒋太明. 西南黄壤性水稻土长期不同施肥模式下作物产量及氮肥利用率演变特征. 中国土壤与肥料, 2017(3): 20-27.

LIU Y L, LI Y, ZHANG Y R, ZHANG W A, JIANG T M. The dynamic of crop yield and nitrogen use efficiency under different long-term fertilization patterns in paddy soil from yellow earth in Southwest China., 2017(3): 20-27. (in Chinese)

[8] 谢军, 赵亚南, 陈轩敬, 李丹萍, 徐春丽, 王珂, 张跃强, 石孝均. 有机肥氮替代化肥氮提高玉米产量和氮素吸收利用效率. 中国农业科学, 2016, 49(20): 3934-3943.

XIE J, ZHAO Y N, CHEN X J, LI D P, Xu C L, WANG K, ZHANG Y Q, SHI X J. Nitrogen of organic manure replacing chemical nitrogenous fertilizer improve maize yield and nitrogen uptake and utilization efficiency., 2016, 49(20): 3934-3943. (in Chinese)

[9] 刘汝亮, 张爱平, 李友宏, 王芳, 赵天成, 陈晨, 洪瑜. 长期配施有机肥对宁夏引黄灌区水稻产量和稻田氮素淋失及平衡特征的影响.农业环境科学学报, 2015, 34(5): 947-954.

LIU R L, ZHANG A P, LI Y H, WANG F, ZHAO T C, CHEN C. HONG Y. Rice Yield, Nitrogen use efficiency (NUE) and nitrogen leaching losses as affected by long-term combined applications of manure and chemical fertilizers in yellow river irrigated region of Ningxia, China., 2015, 34(5): 947-954. (in Chinese)

[10] 刘占军, 谢佳贵, 张宽, 王秀芳, 侯云鹏, 尹彩侠, 李书田. 不同氮肥管理对吉林春玉米生长发育和养分吸收的影响. 植物营养与肥料学报, 2011, 17(1): 38-47.

LIU Z J, XIE J G, ZHANG K, WANG X F, HOU Y P, YIN C X, LI S T. Maize growth and nutrient uptake as influenced by nitrogen management in Jilin province., 2011, 17(1): 38-47. (in Chinese)

[11] 李虹儒, 许景钢, 徐明岗, 李淑芹, 张文菊, 高静. 我国典型农田长期施肥小麦氮肥回收率的变化特征. 植物营养与肥料学报, 2009, 15(2): 336-343.

LI H R, Xu J G, Xu M G, LI S Q, ZHANG W J, GAO J. Change characteristic of nitrogen recovery efficiency of wheat in typical farmland of China under long-term fertilization., 2009, 15(2): 336-343. (in Chinese)

[12] 闫鸿媛, 段英华, 徐明岗, 吴礼树. 长期施肥下中国典型农田小麦氮肥利用率的时空演变. 中国农业科学, 2011, 44(7): 1399-1407.

YAN H Y, Duan Y H, Xu M G, WU L S. Nitrogen use efficiency of wheat as affected by long-term fertilization in the typical soil of China., 2011, 44(7): 1399-1407. (in Chinese)

[13] DAWE D, DOBERMANN A, LADHA J K, YADAVC R L, LIN B, GUPTA R K, LAL P, PANAULLAH G, SARIAM O, SINGH Y, SWARUP A, ZHEN Q X. Do organic amendments improve yield trends and profitability in intensive rice systems?, 2003, 83(2): 191-213.

[14] 周江明. 有机-无机肥配施对水稻产量、品质及氮素吸收的影响. 植物营养与肥料学报, 2012, 18(1): 234-240.

ZHOU J M. Effect of combined application of organic and mineral fertilizers on yield, quality and nitrogen uptake of rice., 2012, 18(1): 234-240. (in Chinese)

[15] DUAN Y H, XU M G, GAO S D, YANG X Y, HUANG S M, LIU H B, WANG B R. Nitrogen use efficiency in a wheat-corn cropping system from 15 years of manure and fertilizer applications., 2014, 157: 47-56.

[16] 郭李萍, 王兴仁, 张福锁, 陈新平, 毛达如. 不同年份施肥对作物增产效应及肥料利用率的影响. 中国农业气象, 1999(4): 21-24.

GUO L P, WANG X R, ZHANG F S, CHEN X P, MAO D R. Effect of fertilizer application in different years of crop yields and fertilizer recovery., 1999(4): 21-24. (in Chinese)

[17] 刘立军, 徐伟, 唐成, 王志琴, 杨建昌. 土壤背景氮供应对水稻产量和氮肥利用率的影响. 中国水稻科学, 2005(4): 343-349.

LIU L J, XU W, TANG C, WANG Z Q, YANG J C. Effect of indigenous nitrogen supply of soil on the grain yield and fertilizer-N use efficiency in rice., 2005(4): 343-349. (in Chinese)

[18] 程谊, 张金波, 蔡祖聪. 气候-土壤-作物之间氮形态契合在氮肥管理中的关键作用. 土壤学报, 2019(3): 1-10.

CHENG Y, ZHANG J B, CAI Z C. Key role of matching of crop-specific N preference, soil N transformation and climate conditions in soil N nutrient management., 2019(3): 1-10. (in Chinese)

[19] 巨晓棠, 张福锁. 关于氮肥利用率的思考. 生态环境, 2003(2): 192-197.

JU X T, ZHANG F S. Thinking about nitrogen recovery rate., 2003(2): 192-197. (in Chinese)

[20] 于飞, 施卫明. 近10年中国大陆主要粮食作物氮肥利用率分析. 土壤学报, 2015, 52(6): 1311-1324.

YU F, SHI W M. Nitrogen use efficiencies of major grain crops in China in recent 10 years., 2015, 52(6): 1311-1324.(in Chinese)

[21] 全国土壤普查办公室. 中国土壤. 北京: 中国农业出版社, 1998: 356.

National Soil Census Office.. Beijing: China Agriculture Press, 1998: 356. (in Chinese)

[22] 尚宗波, 高琼, 杨奠安. 利用中国气候信息系统研究年降水量空间分布规律. 生态学报, 2001, 21(5): 689-693.

SHANG Z B, GAO Q, YANG D A. Spatial pattern analysis of annual precipitation with Climate Information System of China., 2001, 21(5): 689-693. (in Chinese)

[23] 方晓, 蔡冰, 郑石. 我国年平均气温和冬季气温研究进展. 安徽农业科学, 2016, 12(5): 153-154.

FANG X, CAI B, ZHENG S. Research progress and prospect of annual mean temperature and winter mean temperature in china., 2016(12): 153-154. (in Chinese)

[24] 李慧群, 付遵涛, 闻新宇,黄建斌. 中国地区日照时数近50年来的变化特征. 气候与环境研究, 2013, 18(2): 203-209.

LI H Q, FU Z T, WEN X Y, HUANG J B. Characteristic analysis of sunshine duration change in China during the last 50 years., 2013, 18(2): 203-209. (in Chinese)

[25] 宁晓菊, 张丽君, 杨群涛, 秦耀辰. 1951年以来中国无霜期的变化趋势. 地理学报, 2015, 70(11): 1811-1822.

NING X J, ZHANG L J, YANG Q T, QIN Y C. Trends in the frost-free period in China from 1951 to 2012., 2015, 70(11): 1811-1822. (in Chinese)

[26] TAOVA S. GetData Digitizing Program Code: Description, Testing, Training. International Atomic Energy Agency International Nuclear Data Committee Vienna, 2013.

[27] HEDGES L V, CURTIS G P S. The meta-analysis of response ratios in experimental ecology., 1999, 80(4): 1150-1156.

[28] CURTIS P S, WANG X. A meta-analysis of elevated CO2effects on woody plant mass, form, and physiology., 1998, 113(3): 299-313.

[29] PALLMANN P. Applied meta-analysis with R., 2015, 42(4): 914-915.

[30] LIU C, LU M, CUI J, LI B, FANG C. Effects of straw carbon input on carbon dynamics in agricultural soils: A meta-analysis., 2014, 20(5): 1366-1381.

[31] 何寒青, 陈坤. Meta分析中的异质性检验方法. 中国卫生统计, 2006, 23(6): 486-487.

HE H Q, CHEN K. Methods for measuring heterogeneity in a Meta –analysis., 2006, 23(6): 486-487. (in Chinese)

[32] ROSENBERG M S, ADAMS D C, GUREVITCH J. Metawin: Statistical software for meta-analysis with resampling tests. America: Sinauer Associates Inc, 1997.

[33] PATEL M S. An introduction to meta-analysis., 1989, 11(1): 79-85.

[34] BREIMAN L. Random forests., 2001, 45: 5-32.

[35] 朱兆良, 金继运. 保障我国粮食安全的肥料问题. 植物营养与肥料学报, 2013, 19(2): 259-273.

ZHU Z L, JIN J Y. Fertilizer use and food security in China., 2013, 19(2): 259-273. (in Chinese)

[36] 霍琳, 王成宝, 逄焕成, 杨思存, 李玉义, 姜万里. 有机无机肥配施对新垦盐碱荒地土壤理化性状和作物产量的影响. 干旱地区农业研究, 2015(4): 105-111.

HUO L, WANG C B, PANG H C, YANG S C, LI Y Y, JIANG W L. Effects of combined application of organic and inorganic fertilizers on physical and chemical properties and crop yields in alkali-saline soil., 2015(4): 105-111. (in Chinese)

[37] 杨玉爱, 何念祖, 叶正钱. 有机肥对土壤锌、锰有效性的影响. 土壤学报, 1990, 27(2):196-201.

YANG Y A, HE N Z, YE Z Q. Effects of organic manure on the availability of Zn and Mn in soil.,1990, 27(2): 196-201. (in Chinese)

[38] 刘守龙, 苏以荣, 黄道友, 肖和艾, 吴金水. 微生物商对亚热带地区土地利用及施肥制度的响应. 中国农业科学, 2006, 39(7): 1411-1418.

LIU S L, SU Y R, HUANG D Y, XIAO H A, WU J S. Response of Cmic-to-Corg to land use and fertilizer application in subtropical region of China., 2006, 39(7): 1411-1418. (in Chinese)

[39] 臧逸飞, 郝明德, 张丽琼, 张昊青. 26年长期施肥对土壤微生物量碳、氮及土壤呼吸的影响. 生态学报, 2015, 35(5): 1445-1451.

ZANG Y F, HAO M D, ZHANG L Q, ZHANG H Q. Effects of wheat cultivation and fertilization on soil microbial biomass carbon, soil microbial biomass nitrogen and soil basal respiration in 26 years., 2015, 35(5): 1445-1451. (in Chinese)

[40] 任凤玲, 张旭博, 孙楠, 徐明岗, 柳开楼. 施用有机肥对中国农田土壤微生物量影响的整合分析. 中国农业科学, 2018, 51(1): 119-128.

REN F L, ZHANG X B, SUN N, XU M G, LIU K L. A meta-analysis of manure application impact on soil microbial biomass across China’s croplands., 2018, 51(1): 119-128. (in Chinese)

[41] 陈恩凤, 周礼恺, 邱凤琼, 严昶升, 高子勤. 土壤肥力实质的研究—Ⅰ.黑土. 土壤学报, 1984(3): 229-237.

CHEN E F, ZHOU L K, QIU F Q, YAN X S, GAO Z Q. Study on the essence of soil fertility—Ⅰ. Black soils., 1984(3): 229-237. (in Chinese)

[42] 黄健, 张惠琳, 傅文玉, 马兵, 李萱, 王爱文. 东北黑土区土壤肥力变化特征的分析.土壤通报, 2005(5): 21-25.

HUANG J, ZHANG H L, FU W Y, MA B, LI X, WANG A W. Analysis of the changing characteristics of the soil fertilities in the black soil area of northeast china., 2005(5): 21-25. (in Chinese)

[43] 徐明岗, 梁国庆. 中国土壤肥力演变.北京: 中国农业科学技术出版社, 2006.

XU M G, LIANG G Q.Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2006. (in Chinese)

[44] 韩晓日, 郑国砥, 刘晓燕, 孙振涛, 杨劲峰, 战秀梅. 有机肥与化肥配合施用土壤微生物量氮动态、来源和供氮特征. 中国农业科学, 2007, 40(4): 765-772.

HAN X R, ZHENG G D, LIU X Y, SUN Z T, YANG J F, ZHAN X M. Dynamics, sources and supply characteristic of microbial biomass nitrogen in soil applied with manure and fertilizer., 2007, 40(4): 765-772. (in Chinese)

[45] 潘晓丽, 林治安, 袁亮, 温延臣, 赵秉强. 不同土壤肥力水平下玉米氮素吸收和利用的研究. 中国土壤与肥料, 2013(1): 8-13.

PAN X L, LIN Z A, YUAN L, WEN Y C, ZHAO B Q. Nitrogen uptake and use of summer maize under different soil fertility levels., 2013(1): 8-13. (in Chinese)

[46] 苑俊丽, 梁新强, 李亮, 叶玉适, 傅朝栋, 宋清川. 中国水稻产量和氮素吸收量对高效氮肥响应的整合分析.中国农业科学, 2014, 47(17): 3414-3423.

YUAN J L, LIANG X Q, LI L, YE Y S, FU C D, SONG Q C. Response of rice yield and nitrogen uptake to enhanced efficiency nitrogen fertilizer in china: A Meta-analysis., 2014, 47(17): 3414-3423. (in Chinese)

[47] 张国荣, 李菊梅, 徐明岗, 高菊生, 谷思玉. 长期不同施肥对水稻产量及土壤肥力的影响.中国农业科学, 2009, 42(2): 543-551.

ZHANG G R, LI J M, XU M G. GAO J S, GU S Y. Effects of chemical fertilizer and organic manure on rice yield and soil fertility., 2009, 42(2): 543-551. (in Chinese)

[48] 薛峰, 颜廷梅, 杨林章, 乔俊. 施用有机肥对土壤生物性状影响的研究进展.中国生态农业学报, 2010, 18(6): 1372-1377.

XUE F, YAN T M, YANG L Z, QIAO J. Influences of organic fertilizer application on soil biological properties., 2010, 18(6): 1372-1377. (in Chinese)

[49] 张铭, 蒋达, 缪瑞林, 许轲, 刘艳阳, 张军, 张洪程. 不同土壤肥力条件下施氮量对稻茬小麦氮素吸收利用及产量的影响.麦类作物学报, 2010, 30(1): 135-140, 148.

ZHANG M, JIANG D, MIAO R L, XU K, LIU Y Y, ZHANG J, ZHANG H C. Effects of N application rate on nitrogen absorption, utilization and yield of wheat under different soil fertility after rice., 2010, 30(1): 135-140, 148. (in Chinese)

[50] 杨馨逸, 刘小虎, 韩晓日. 施氮量对不同肥力土壤氮素转化及其利用率的影响. 中国农业科学, 2016, 49(13): 2561-2571.

YANG X Y, LIU X H, HAN X R. Effect of nitrogen application rates in different fertility soils on soil N transformations and N use efficiency under different fertilization managements., 2016, 49(13): 2561-2571. (in Chinese)

[51] 陆景陵. 植物营养学. 北京: 中国农业大学出版社, 2005.

LU J L.. Beijing: China Agricultural University Press, 2005. (in Chinese)

[52] MIKKELSEN D, DE DATTA S, OBCEMEA W. Ammonia volatilization losses from flooded rice soils., 1978, 42(5): 725-730.

[53] FILLERY I, SIMPSON J, DE DATTA S. Influence of field environment and fertilizer management on ammonia loss from flooded rice., 1984, 48(4): 914-920.

[54] QIU S J, JU X T, INGWERSEN J, GUO Z D, STANGE C F, BISHARAT R, STRECK T, CHRISTIE P, ZHANG F S. Role of carbon substrates added in the transformation of surplus nitrate to organic nitrogen in a calcareous soil., 2013, 23(2): 205-212.

[55] LINQUIST B A, LIU L J, KESSEL C V, GROENIGEN K J V. Enhanced efficiency nitrogen fertilizers for rice systems: Meta- analysis of yield and nitrogen uptake., 2013, 154: 246-254.

[56] 徐仁扣, 李九玉, 周世伟, 徐明岗, 沈仁芳. 我国农田土壤酸化调控的科学问题与技术措施. 中国科学院院刊, 2018, 33(2): 160-167.

XU R K, LI J Y, ZHOU S W, XU M G, SHEN R F. Scientific issues and controlling strategies of soil acidification of croplands in China., 2018, 33(2): 160-167. (in Chinese)

[57] 马臣. 黄土高原旱地麦田有机无机肥配施的减氮增产及土壤环境效应研究[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2018.

MA C. Effects of combined application of inorganic fertilizer and organic manure on nitrogen fertilization rate wheat grain yield and soil environment on the loess plateau dryland[D]. Yangling: Northwest Agricultural and Forestry University, 2018. (in Chinese)

[58] KALLENBACH C, GRANDY A S. Controls over soil microbial biomass responses to carbon amendments in agricultural systems: A meta-analysis., 2011, 144(1): 241-252.

[59] 张雷. 有机物料、温度和土壤水分对黑土有机碳分解的影响[D]. 哈尔滨: 东北农业大学, 2004.

ZHANG L. Effects of organic materials, temperature and soil moisture on organic carbon decomposition in black soil[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2004. (in Chinese)

[60] 王庆仁, 李继云. 论合理施肥与土壤环境的可持续性发展. 环境科学进展, 1999, 7(2): 116-124.

WANG Q R, LI J Y. Fertilizer proper use and sustainable development of soil environment in China., 1999, 7(2): 116-124. (in Chinese)

[61] 肖国举. 中国西北地区粮食与食品安全对气候变化的响应研究. 北京: 气象出版社, 2012.

XIAO G Q.Beijing: China Meteorological Press, 2012. (in Chinese)

[62] 吴振强. 南方主要土壤钾素现状及对策. 福建热作科技, 2013, 38(4): 62-64.

WU Z Q. Current status and countermeasures of potassium in main soils of South China., 2013, 38(4): 62-64. (in Chinese)

[63] 韩天富. 酸化红壤施石灰后根际土壤钾素转化特征与机制[D]. 北京: 中国农业科学院, 2017.

HAN T F. Characteristics and mechanisms of potassium transformation in rhizosphere soil of red earth with acidfication after lime application[D].Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2017. (in Chinese)

Effect of Manure Application on Nitrogen Use Efficiency of Crops in China: A Meta-Analysis

REN KeYu1, DUAN YingHua1, XU MingGang1, ZHANG XuBo2

(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081;2Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences/Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling, Beijing 100101)

【】Combined chemical fertilizers with manure is one of the important approaches to improve the nitrogen use efficiency (NUE) of crops. Nowadays, rare studies focused on systematic comparison and analysis of combine chemical fertilizers with manure on nitrogen use efficiency in different regions of China. In addition, NUE is affected by many factors, such as nitrogen application amount, soil properties and the climatic conditions and even most of them are in the specific regions. Therefore, this study was carried out to explore the effects of chemical fertilizers combined with manure on NUE, and quantify the response of NUE to manure application in different soils and climatic regions, so as to give the guidance on sustaining regional agricultural development and provide an important theoretical basis for reducing fertilizer application. 【】This study was conducted based on a database of NUE including 412 sets on NPKMNPK, which were collected from 110 published articles with wheat, maize and rice. We analyzed the differences of NUE between the treatment of NPK and NPKM in five regions in China by Meta-analysis, and quantified the contribution of main controlling factors on positive manure affects by random Forest analysis. 【】Compared with NPK, NPKM treatment increased the NUE by 3.6%. NPKM treatment significantly increased the NUE of crops in all regions except the Northeast China. The highest enhancement was found at Northwestern China, followed by Northern China, Southern Region and Eastern China. Soil organic matter, pH, available potassium and total nitrogen were the main factors affecting the “positive effect” of manure on NUE. The increment of NUE by manure application was higher in the soils with lower organic matter content than that in the soils with high organic matter content. The increase of NUE in alkaline soils with manure applied was 1.3 and 1.8 times higher than those on neutral and acidic soils, respectively. The improvement of NUE by manure application varied among climate regions: temperate continental climate zone＞temperate monsoon climate zone＞subtropical monsoon climate zone. 【】The application of manure could significantly increase the NUE of crops, especially in northwestern areas with low organic matter content and less rainfall.

nitrogen use efficiency; manure; nitrogen application rate; soil properties; climate; regional differences; Meta- analysis