有机肥施用对农田土壤氮素累积和淋失的整合分析

2023-08-16郑甜史晓婧康凌云李顺江杜连凤刘静

天津农业科学 2023年8期

郑甜　史晓婧　康凌云　李顺江　杜连凤　刘静

摘要：分析有機肥施用对农田土壤氮素累积和淋失的影响，旨在为科学评估有机肥的生态环境效应提供基础。以“有机肥”“农田”和“氮”为关键词，在中国知网和“Web of Science”数据库检索2000—2022年期间发表的文献，筛选出符合要求的文献30篇，获得数据116组。以单施化肥为对照，利用整合分析（Meta-analysis）方法揭示有机肥施用对农田土壤氮素累积和淋失的影响，明确有机肥氮投入量、有机肥氮替代化肥氮比例等因素的综合效应。结果表明：与单施化肥相比，有机肥氮替代化肥氮可以显著降低农田土壤淋溶液中硝态氮和可溶性总氮浓度，有效阻控土壤氮素淋失；同时，有机肥施用能显著增加土壤全氮和微生物量氮含量以及提高土壤细菌、真菌和放线菌等微生物群落的数量，起到培肥土壤、改善微生物群落结果的作用；有机肥施用对作物产量有显著影响。当有机肥氮替代化肥氮百分比控制在20%～50%时，可以有效控制土壤氮素淋失，并保证作物产量。综上可知，有机肥施用显著影响土壤氮素累积和淋失，但有机肥氮替代化肥氮百分比等因素对土壤氮素累积和淋失的影响还需深入探讨。

关键词：Meta分析；有机肥；土壤；淋溶水；氮含量

中图分类号：S154 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006－6500.2023.08.014

Effects of Organic Fertilizer Application on Nitrogen Leaching and Accumulation in Farmland Soil Based on Meta-analysis

ZHENG Tian1， SHI Xiaojing2， KANG Lingyun1， LI Shunjiang1， DU Lianfeng1， LIU Jing1

（1. Institute of Plant Nutrition， Resources and Environment， Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Beijing 100097， China; 2. Agricultural and Rural Bureau of Qixia County， Yantai， Shandong 265300， China）

Abstract： Effects and key influencing factors of organic fertilizer application on nitrogen leaching and accumulation were analyzed， in order to provide technical parameters for scientific assessment of the ecological and environmental effects of organic fertilizers. The data were obtained by searching from the published papers in "CNKI" and "Web of Science" database from 2000 to 2022， using "Organic fertilizer"， "Farmland" and "Nitrogen" etc. as the main keywords. According to the requirement of meta-analysis， there were 116 sets of data for nitrogen contents in soil from 30 literatures. The effect value of organic fertilizer substitution for chemical fertilizer was defined as the response ratio of organic fertilizer treatment over chemical fertilizer treatment within a same trial， and Meta-analysis method was used to quantitatively analyze the contribution of each factor on organic fertilizer substantiation effects. Compared with chemical fertilizer， the replacement of organic fertilizer can significantly reduce the concentration of nitrate and total soluble nitrogen in soil leaching solution， and effectively prevent and control the leaching loss of soil nitrogen， the application of organic fertilizer can increase the content of total nitrogen and microbial biomass nitrogen， increase the number of bacteria， fungi and actinomycetes， and improve the soil fertility. However， the application of organic fertilizer has a significant impact on crop yield. When the ratio of organic fertilizer nitrogen to chemical fertilizer nitrogen is controlled at 20%-50%， the leaching loss of soil nitrogen can be effectively controlled and crop yield can be guaranteed. In conclusion， organic fertilizer can significantly effect nitrogen leaching and accumulation in farmland soil.However， the impact of factors such as the percentage of nitrogen substitution by organic fertilizers for synthetic fertilizers on soil nitrogen accumulation and leaching still needs further investigation.

Key words： Meta-analysis; organic manure; soil; leaching water; nitrogen content

施肥是农业生产中不可或缺的重要措施，被广泛用于提高土壤肥力和作物产量，直接或间接影响土壤的理化性质[1-2]。但是，化肥过量施用导致土壤质量严重退化[3]。相比之下，施用有机肥可以改变土壤中的物理结构、养分含量、酶活性及微生物组群落结构，降低或消除因长期单施或过量施用无机肥对土壤质量所产生的负面影响[4]。2020年，农业农村部在种植业工作要点中强调要继续深入开展化肥减量增效的行动，保持化肥使用量负增长，拓展有机肥替代化肥的试点范围[5]。然而，有研究表明，长期施用有机肥的小麦玉米农田的土壤剖面硝态氮累积量大于化肥处理，连续施用会增加硝态氮淋失风险，同时小麦产量也有所降低[6]。目前，有机肥替代化肥施用的研究多集中在作物地上部生长及生理特征的影响效应方面[7-9]，农田长期施用有机肥对土壤氮素淋失风险的研究特别少。此外，已有研究都是在特定地点展开，这些独立试验的研究结论很难直接套用到其他地区，无法定量反映有机肥氮替代化肥氮施用对土壤氮素淋失、累积影响的综合效应，尤其在有机肥氮投入量及有机肥氮替代化肥氮百分比等问题上值得深入探讨。为此，笔者对现有的有机肥替代化肥施用对土壤氮素淋失和累积影响研究进行文献整理，搜寻2000—2022年所有相关文献，通过Meta分析，明确有机肥施用对农田土壤氮素淋失和累积的影响，解析有机肥氮投入量、有机肥氮替代化肥氮百分比等因素的影响作用，旨在为科学评估有机肥的生态环境效应进而优化管理策略提供理论基础。

1 研究方法

1.1 文献搜集及數据库建立

本研究数据来源于中国知网和维普中文文献数据库以及Web of Science 和Science Direct 外文文献数据库，以“有机肥”“农田”和“氮”为主要关键词进行文献检索。根据Meta-analysis方法中数据整合的要求和本研究的目的，基于以下5个标准对检索文献进行筛选：（1）研究区域、试验地点、有机肥施用等信息明确；（2）同一研究中必须包含有机肥替代施肥处理和单施化肥对照处理，并且施氮总量相等；（3）文中须列出土壤淋溶液或土壤各形态氮素含量，或微生物群落数量、产量等任一指标；（4）以上指标需要有均值、样本量和标准差，单位要统一。基于以上标准，共筛选出30篇文献。

提取每篇文献中淋溶液和土壤各种形态氮素含量、微生物群落数量或产量在化肥对照组和有机肥处理组的均值、标准差和样本量等数据，对表格形式的数据直接进行提取，对图片形式的数据使用Engauge Digitizer 软件将其数字化[10]。最终建立淋溶液总氮、硝态氮和铵态氮，土壤全氮、硝态氮、铵态氮和微生物量氮，微生物群落丰度和产量等指标数据库，分别包含22、29、9、64、107、57、24、81、116组数据。为了深入解释有机肥施用对土壤氮素及微生物群落影响效果差异性变化的原因，需从文献中获取以下数据：有机肥氮投入量和有机肥氮替代化肥氮百分比等信息。其中，根据数据分布，笔者将有机肥氮投入量划分为7类：0～50 kg·hm-2、50～100 kg·hm-2、100～150 kg·hm-2、150～200 kg·hm-2、200～300 kg·hm-2、300～400 kg·hm-2、>400 kg·hm-2；有机肥氮替代化肥氮百分比也划分为5类：0%～20%; 20%～50%、50%～80%、80%～100%。

1.2 Meta分析

基于研究目的，使用反应比的自然对数ln（R）作为效应值，即Meta分析效应大小的度量标准。此指标反映了有机肥施用对土壤氮素淋失和累积及微生物群落数量变化的相对大小，计算公式如下：

如果有机肥施用对淋溶液或土壤氮素或微生物群落数量有提高作用，则有ln（R）>0；如果有机肥施用对淋溶液或土壤氮素或微生物群落数量有抑制作用，则有ln（R）<0。若ln（R）的95%置信区间不包含0，则说明有机肥施用对淋溶液或土壤氮素或微生物群落数量影响效应显著（P<0.05）；若ln（R）的95%置信区间与“0”点相交，则认为有机肥施用对其影响不显著（P>0.05）。此外，为直观表征有机肥施用对淋溶液土壤氮素或微生物群落数量影响以及便于对结果进行解释，利用程序包中的exp函数将效应值ln（R）转化变化率ZI（包括增长率或下降率）。

ZI=（R-1）×100%（3）

随机效应模型不仅考虑了研究内的变异，而且也考虑了研究间的变异，因此选择随机效应模型进行计算效应值。对有机肥氮替代化肥氮百分比、有机肥氮投入量等分类解释变量进行随机效应模型的检验。利用Rosenthals 失安全系数（fail-safe number，Nfs）检验整个数据库的发表性偏倚，如果Nfs>5n+ 10，其中n 是样本量，则认为结果是可信的[11-12]。

1.3 数据处理

采用Excel 2016对数据进行记录和整理；通过R软件 Metefor程序包[13]进行ln（R）平均值和方差计算，以及分类变量解释变量的检验；使用Origin 2021软件绘图。

2 结果与分析

2.1 有机肥施用对土壤氮素淋失的影响

与单施化肥相比，有机肥施用显著影响农田土壤淋溶液中可溶性总氮、硝态氮和铵态氮浓度。其中，可溶性总氮浓度显著降低（Qm=440.44，df=21，P<0.000 1），下降率为23.81%（8.83%～36.33%）；硝态氮浓度显著降低（Qm= 1 536.23，df=28，P<0.000 1），下降率为36.74%（25.99%～45.93%）；铵态氮浓度显著增加（Qm= 47.4，df=8，P<0.000 1），增加率为17.20%（5.57%～30.11%）（图1）。

以有机肥氮投入量作为解释变量，采用随机效应模型明确得知有机肥氮投入量对土壤淋溶液中各形态氮素浓度均无显著影响。此外，以有机肥氮替代化肥氮百分比作为解释变量，明确其对有机肥施用后农田各形态氮素淋失的影响。结果表明，有机肥氮替代化肥氮百分比对淋溶液中硝态氮浓度（Qm=32.58，df=3，P<0.0001）影响显著，其中，20%～50%、50%～80%、80%～100%等替代百分比，均显著降低了淋溶液中硝态氮浓度，下降率分别为28.50%（17.90%～37.74%）、43.88%（30.89%～54.42%）、87.42%（77.03%～93.11%），随着有机肥氮替代比例升高，土壤淋溶液中硝态氮含量呈持续减少趋势；然而，有机肥氮替代百分比对淋溶液中总氮（P=0.06）和铵态氮（P=0.26）含量影响均不显著（图2）。

2.2 有机肥施用土壤氮素累积的影响

与单施化肥相比，有机肥施用对土壤全氮、硝态氮和微生物量氮含量等均有显著影响。其中，土壤全氮含量显著增加（Qm=964.48，df=63，P<0.000 1），增加率为13.43%（9.48%～17.52%）；土壤微生物量氮含量显著增加（Qm= 450.63，df=23，P<0.000 1），增加率为37.74%（25.02%～51.77%）；然而，土壤硝态氮含量显著降低（Qm=6 526.53，df=106，P<0.000 1），下降率为20.78%（13.56%～27.39%）。土壤铵态氮含量受有机肥施用影响不显著（图3）。

以有机肥氮投入量作为解释变量，明确其对有机肥施用后土壤氮素含量变化的影响效用。结果得知：有机肥氮投入量对土壤全氮（Qm=19.25，df=5，P=0.001 7）、硝态氮（Qm=33.76，df=5，P<0.000 1）都有显著影响；然而，土壤铵态氮含量（P=0.25）和微生物量氮含量（P=0.44）等受有机肥氮投入量的影响不显著。

有机肥氮投入量为0～300 kg·hm-2时，可以显著增加全氮含量，其中0～50 kg·hm-2、50～100 kg·hm-2、100～150 kg·hm-2、150～200 kg·hm-2、200～300 kg·hm-2等的增加率分别为5.59%（0.49%～10.95%）、15.95%（9.87%～22.28%）、29.28%（18.26%～41.33%）、15.53%（3.29%～29.21%）、29.86%（8.44%～55.53%）；当用量超过300 kg·hm-2时，土壤全氮变化不显著。此外，有机肥氮投入量为100～300 kg·hm-2时，土壤硝态氮含量显著降低，其中100～150 kg·hm-2、150～200 kg·hm-2、200～300 kg·hm-2等用量对硝态氮含量的抑制率分别为的16.10%（7.26%～24.10%）、9.41%（12.36%～70.80%）、53.26%（42.15%～62.23%）；然而，有机肥氮投入量过低（0～100 kg·hm-2）或过高（> 300 kg·hm-2）对土壤硝态氮含量的影响均不显著（图4）。

以有机肥氮替代化肥氮百分比作为解释变量，明确其对有机肥施用后土壤氮素含量变化的影响效应。结果得知，有机肥替代百分比显著影响土壤全氮（Qm=20.84，df=3，P=0.000 1）和铵态氮含量（Qm=7.91，df=3，P=0.047 9）；对土壤硝态氮含量（P=0.22）、微生物量氮含量（P=0.14）影响不显著。

有机肥氮替代化肥氮百分比为20%～50%、50%～80%、80%～100%时，土壤全氮含量显著增加，增加率分别为13.24%（8.26%～18.45%）、23.58%（8.68%～40.54%）、30.13%（20.31%～40.78%），随着有机肥氮替代比例升高，土壤全氮含量呈持续增加趋势。然而，有机肥氮替代百分比为80%～100%时，显著抑制铵态氮含量，抑制率为46.33%（17.06%～65.28%）（圖5）。

2.3 有机肥施用对土壤微生物群落的影响

与单施化肥相比，有机肥施用显著影响土壤细菌群落、放线菌群落和真菌群落。其中，对细菌丰度影响最大，显著增加了土壤细菌群落数量（Qm=9 433.85，df=26，P<0.000 1），增加率为32.98%（15.36%～53.30%）；有机肥施用显著增加了土壤真菌群落数量（Qm=166.16，df=26，P<0.000 1），增加率为27.05%（12.66%～43.29%）；土壤放线菌群落丰度也受到显著促进作用（Qm=1 376.93，df=26，P<0.000 1），增加率为25.17%（10.51%～41.76%）（图6）。

以有机肥氮投入量作为解释变量，明确其对有机肥施用后土壤微生物群落变化的影响效应。结果表明，有机肥氮投入量对土壤放线菌（Qm=4.63，df=1，P=0.03）、细菌（Qm= 21.99，df=1，P<0.000 1）都有显著影响。其中，有机肥施用量为50～100 kg·hm-2时，能够显著增加放线菌和细菌群落丰度，增加率分别为45.30%（21.28%～74.05%）、75.73%（50.37%～105.40%）。然而，不同有机肥氮投入量对土壤真菌群落丰度（P=0.70）无显著性影响（图7）。

2.4 有机肥施用对作物产量的影响

与单施化肥相比，有机肥施用显著降低了农田作物产量（Qm=4 848.06，df=115，P<0.000 1），下降率为5.09%（2.48%～8.64%）（图8）。

以有机肥氮投入量作为解释变量，明确其对有机肥施用后作物产量的影响效应。结果表明，有机肥氮投入量对作物产量影响显著（Qm=30.96，df=6，P<0.000 1）。其中，用量为50～100 kg·hm-2、300～400 kg·hm-2时，均显著降低作物产量，下降率分别为11.17%（6.39%～15.71%）、26.35%（15.95%～35.47%）。然而，其他用量对作物产量无显著性影响（图9）。

以有机肥氮替代百分比作为解释变量，明确其对有机肥施用后作物产量的影响。结果表明，不同有机肥氮替代百分比对作物产量有显著性影响（Qm=26.03，df=3，P<0.000 1）。其中，有机肥氮替代百分比为50%～80%和80%～100%时，均显著降低了作物产量，下降率分别为15.81%（8.86%～22.22%）、12.61%（7.43%～17.51%）；有机肥氮替代百分比较低对作物产量影响不显著（图10）。

3 讨论与结论

与单施化肥相比，有机肥施用对农田土壤氮素淋失的综合效应比较显著，其中，淋溶液中土壤硝态氮和可溶性总氮浓度分别降低了23.81%、36.74%，说明有机肥施用可以降低土壤中氮素淋失，这与很多研究结果是一致的[14-17]。有机肥中氮形态主要为有机态氮，与速效化肥相比，有机肥肥效释放缓慢，在施用后的4～10周内肥效逐渐增加[18]。作物生长前期氮的需求量低，有机肥中部分氮素被吸附和固持在了上层的土体中，从而减少了氮素向下层土体的淋洗。本研究得知，施用有机肥后土壤硝态氮累积量相对化肥氮处理组减少，这与淋溶液中硝态氮含量较低结果一致。有机肥在为植物提供充足养分的同时，自身携带大量微生物，从而使土壤中微生物的代谢作用加速，增加了土壤中细菌、真菌和放线菌等微生物活性和数量，随之增加土壤微生物量氮和土壤总氮[19]，这与本研究结果一致。此外，由于土壤中的微生物会固持矿质氮，并增强土壤的反硝化潜力，因此有机肥施用后既培肥了土壤又减少了土壤硝态氮累积量。

Meta分析表明，与单施化肥相比，有机肥施用显著降低了作物产量，并且随着有机肥氮替代化肥氮百分比的增加，其减产效果越显著。有机肥肥效缓慢，限制了作物前期生长所需的养分供应，这可能是其降低作物产量的原因。分析有机肥氮对化肥氮替代百分比对作物产量影响得知，当有机肥氮替代化肥氮比例小于等于50%时，可以避免作物减产风险。同时，根据有机肥氮对化肥氮替代百分比对土壤淋溶液硝态氮含量影响得知，当有机肥氮替代百分比在大于20%时，可以降低农田土壤淋溶水中硝态氮浓度。有机肥氮和化肥氮之间合适的配施比例不仅能够使得作物得到足够的氮素营养，同时还能够使化肥氮的损失降低。有机肥推广应用时，应综合考虑有机肥和化肥合理配施的增产效果与其环境影响。本研究中，当有机肥氮替代百分比在20%～50%范围时，既能保证作物产量也能降低土壤氮素淋失。同时，结合有机肥氮施入量对作物产量和土壤氮素淋失和累积影响分析得知，当有机肥氮量小于300 kg·hm-2时，既不会影响作物产量，同时也对土壤起到培肥、防控硝酸盐淋失的效果。

也有文献表明，作物尤其是蔬菜种类不同，有机肥氮替代化肥氮的最适比例有差异。比如，设施作物中最适比例为30.6%～42.7%，而露地作物中有机肥氮替代化肥氮的最适比例为20.5%～28.9%[20-21]。所以在考慮有机氮与化肥氮之间的配比时，更应该考虑作物，甚至蔬菜品种之间的差异。此外，有机肥对作物、土壤质量和养分转化的影响过程也比较复杂，因为所用肥料的来源以及堆肥处理的过程中多种因素对有机肥质量产生了影响[22-23]，因此，在以后的研究中应加强不同种类有机肥对环境及作物产量的影响，进而为有机肥与化肥的合理配施以及控制土壤环境污染等方面提供科学依据。

与单施化肥相比，有机肥氮替代化肥氮可以显著降低农田土壤淋溶液中硝态氮和可溶性总氮浓度，有效阻控土壤氮素淋失；同时，有机肥施用能显著增加土壤全氮和微生物量氮含量以及提高土壤细菌、真菌和放线菌等微生物群落的数量，起到培肥土壤、改善微生物群落结果的作用。然而，有机肥施用对作物产量有显著影响，当有机肥氮替代化肥氮百分比控制在20%～50%时，可以有效控制土壤氮素淋失，并保证作物产量。

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