施用有机肥对我国大豆产量及土壤养分的影响

张晨阳， 徐明岗，*， 王斐， 李然， 孙楠*

（1.山西农业大学资源环境学院，山西 太谷 030800； 2.山西农业大学生态环境产业技术研究院，土壤环境与养分资源山西省重点实验室，太原 030031； 3.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业农村部耕地质量监测与评价重点实验室，北京 100081）

大豆是我国重要经济作物，其产需缺口逐年增加[1]。提高单产、改善品质成为当前大豆生产的迫切需求[2]。传统施肥方式虽然能够提高作物产量，与此同时也造成了土壤、大气、水体污染等一系列环境问题[3-4]。农业农村部组织编写的《农业绿色发展导则（2018—2030 年）》指出，有机肥替代部分化肥可在减轻环境污染的同时提高作物产量。因此，明确全国不同区域、不同管理措施条件下配施有机肥对大豆的增产效率及其主控因素对我国大豆生产具有重要的指导意义。

施肥是影响作物产量和农田土壤养分的关键因素。王道中等[5]研究表明，有机肥和化肥配施比单施化肥均表现出增产效果，大豆年均增产率在5%以上，不同有机物料处理间的增产效果是牛粪处理优于猪粪处理优于秸秆处理。王小林等[6]研究表明，化肥配施有机肥具备更好的增产能力和潜力，施用有机肥较单施化肥处理的大豆增产高达25.5%。李蕊等[7]研究表明，施用有机肥可以增加大豆株高、主茎节数、单株荚数、单株粒数、单株粒重，从而提高大豆产量。张亚杰等[8]在喀斯特地区研究表明，有机肥和化肥配施均可显著提高大豆籽粒产量，但不同肥料配施比例下大豆籽粒差异不显著。然而，朱宝国等[9]研究表明，有机肥和化肥按各自常规施肥量的50%进行配施后，大豆增产效果最为显著。有机肥和化肥配施能有效提高大豆产量,在中国科学院海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站的长期定位试验中已得到证实，但是，大豆产量增加幅度在有机肥施用量达到22.5 t·hm-2后出现下降[10]。综上所述，施用有机肥使大豆增产受多种因素影响，如区域、施肥量、施肥类型和有机肥配施措施等。

施用有机肥可以增加土壤养分含量，改善土壤理化性状，维持土壤养分平衡，提高土壤微生物活性[11]。此外，有机肥或有机肥和化肥配施还能够增加土壤养分的有效性，从而降低化肥损失，提高土壤肥力和生态系统生产能力[12-14]。温延臣等[15]研究表明，与单施化肥相比，土壤有机质、全氮和速效磷含量等在施用有机肥后均显著增加。李彦等[16]研究同样表明，土壤有机质和速效养分含量在长期施用有机肥后得到显著提高。

目前，关于我国施用有机肥对大豆增产和提升土壤肥力的研究主要针对部分区域进行，缺乏全国范围内施用有机肥对大豆产量和土壤养分的影响分析。因此，本文收集了有关施肥对大豆产量和土壤养分产生影响的数据，整合分析施用有机肥对我国大豆的影响，量化区域、施肥量、施肥类型和有机肥配施措施对大豆增产的贡献，以及施用有机肥后大豆土壤氮磷钾养分含量的变化，为全国不同地区科学施用有机肥、促进大豆高产和提升土壤肥力提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究以“有机肥”“organic fertilizer”“manure”“大豆”“soybeans”“产量”“yield”和“土壤养分”“soil nutrients”为关键词，通过中国知网、万方、维普和Web of Science 等数据库对2002—2020 年符合如下筛选条件的文献进行检索：①全国范围内作物为大豆的大田实验；②试验处理均包含不施肥或单施化肥对照组和有产量数据的单施有机肥及有机无机肥配施处理组；③试验中每个处理至少3 次重复；④有试验前0—20 cm 土层的基本理化数据。另外，获取每个试验地点的气候类型、年降雨量、年平均温度等气候信息和经纬度。本研究中，有机肥的类型主要包括商品有机肥、生物有机肥、腐熟的畜禽粪便（猪、牛、鸡等）和少量秸秆堆肥，这些肥料均用作基肥在播种前一次性施用。截至2021 年7 月，共获得大豆产量相关有效文献37 篇，数据119 组，依据为气候特征和地理分布，试验区划分为东北、西北、华北和南方4 个区域（表1），运用SPSS 26.0 软件进行正态分布检验；大豆土壤养分相关有效文献11 篇，数据148 组，其中包含有机质数据23 组、全氮数据16 组、全磷数据13 组、全钾数据12 组、碱解氮数据17 组、速效磷数据25 组、速效钾数据24 组、pH数据18 组。

表1 收集的全国各个地区的数据量分布Table 1 Distribution areas of data collected from whole China

1.2 数据库建立与分类

采用Excel 2019 软件建立大豆产量及土壤氮磷钾养分的数据库，内容主要包括：作者、参考文献、区域、有机肥用量、肥料类型、施肥措施、大豆产量及土壤氮磷钾养分含量等。此外，本研究有机肥施用量分为3个水平，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临界值属于中水平；有机肥配施措施分为不施肥（对照组）和单施有机肥（处理组），以及单施化肥（对照组）和有机无机肥配施（处理组）。

1.3 数据分析

采用GetData Graph Digitizer 2.24 软件提取文献中的图片数据[17]。数据分析流程参考任科宇等[4]方法，同一组的产量数据需同时包含对照组和处理组，此外数据需包含重复数（n）和标准差（standard deviation, SD）。文献若只提供了标准误差（standard error, SE），通过公式（1）将其转换为SD。

采用MetaWin 2.1 软件进行数据整合分析[18]。本研究用公式（2）计算施用有机肥之后产量增加的百分数（产量增幅），其中每个独立试验响应比（response ratios，R）的加权为R++，也即加权响应比，由公式（3）计算[19]。

式中，m是不同的施肥量或不同的施肥类型，即分组数；ki表示第i分组时的总比较对数；j则表示ki中的第j对；wij是权重系数，用平均值的变异系数（V）的倒数表示；Yc和Yt分别代表对照组和处理组的产量平均值，SDc和SDt分别代表对照组和处理组的标准差，nc和nt分别代表对照组和处理组的样本数。

响应比（R）计算见公式（4），lnR表示有机肥配施对产量的影响程度[20]。

R++的95%置信区间（confidence interval，95%CI）和标准差S（R++）通过公式（6）计算，若结果包含零点，表示和对照组相比，处理对产量无显著影响，否则表示有显著影响[21]。

此外，在计算加权平均响应比前，需对每个试验处理和结果的异质性进行卡方检验，如果检验结果P≤0.05，则表示有异质性，选择随机效应模型，反之选择固定效应模型[22]。

1.4 增强回归树分析

增强回归树（boosted regression tree，BRT）是建立在分类回归树基础上的机器学习算法，通过多次拟合逐步降低模型拟合误差，对于响应变量拥有较高预测精度，通过预测因子对响应变量离差平方和的减少量进行量化，预测因子的重要程度[23-24]。本文基于理论知识和本研究数据集的有效性，利用BRT 模型，探明大豆产量与区域气候、土壤性状、管理措施预测因子之间的关系。以大豆产量为响应变量，共有16 个预测变量：有机肥施肥量、类型及试验点土壤表层（0—20 cm）初始理化性质（土壤有机质、土壤全磷和速效磷、碱解氮、土壤全钾和速效钾、土壤pH）、区域气候因素（年降水、年均温）、试验后土壤表层理化性质（土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、土壤pH）。首先输入变量到BRT模型来选择驱动因素，根据它们对预测性能的影响（偏差解释和曲线下面积）保留7 个变量：有机肥施肥量、土壤表层初始理化性质（有机质、速效磷、碱解氮、速效钾）、气候因素（年降水、年均温）。使用推荐的参数值构建增强树：学习率（0.01）、抽样比率（50%）、交叉验证（10）和树复杂度（5）[25]。由于具有分类变量，Bernoulli（伯努利）法用于所有BRT配件。所有BRT分析均使用R语言（版本3.3.3）中的GBM包进行[25]。

1.5 绘图方法

本文中图形利用Excel 2019、Origin 2019 绘制。森林图中点代表增幅百分数，误差线代表其95%的置信区间；若处理与对照存在显著差异，误差线不跨越零刻度线。

2 结果与分析

2.1 大豆产量的整体分布

如图1 所示，本研究对施用有机肥后大豆的产量响应比进行了单样本非参数检验，所搜集数据拟合曲线呈显著的正态分布（P<0.05），符合整合分析要求。

图1 施用有机肥后大豆产量响应比的分布Fig. 1 Distribution of soybean yield response ratio with manure application

2.2 不同区域间大豆增产率分析

如图2 所示，在不同区域施用有机肥后，大豆的平均增产率为12.9%，其中以南方地区增产率最高（18.7%），较其他区域高3.0%~6.0%。在华北、西北和东北地区，大豆的增产率也比较可观，分别为14.8%、13.6%和12.0%。该结果表明，有机肥对大豆的增产效果在我国不同区域存在差异，我国南方地区在大豆季配施有机肥后产量提升效果更佳。

图2 施用有机肥不同区域大豆的增产效果Fig. 2 Yield enhancement effect of soybean in different regions with application of manure

2.3 大豆产量与有机肥用量呈正相关

施用有机肥后，大豆产量均显著增加（图3）。其中，有机肥用量>5 000 kg·hm-2时大豆产量的增幅可达18.5%，高于施用量为1 000~5 000 kg·hm-2（10.9%）和<1 000 kg·hm-2（9.7%）的处理。该结果表明，大豆产量随施肥量增加呈现增大趋势。

图3 不同有机肥施肥量的大豆增产效果Fig. 3 Yield enhancement effect of soybean with different application rate of manure

2.4 不同类型有机肥对大豆增产的影响

施用不同类型有机肥对大豆产量的影响程度不同（图4）。数据库中，生物有机肥数据组最多；不同区域间有机肥类型选择存在差异，南方多以商品有机肥为主，西北地区则使用牛粪较多。其中，牛粪使大豆产量增产的幅度最大，增幅为24.9%，猪粪次之（17.6%），然后为商品有机肥（15.3%）。鸡粪和生物有机肥施用条件下大豆产量的增幅分别为12.7%和8.8%，两者差异不显著（P=0.176），且显著(P=0.001)低于施用牛粪和猪粪处理。

图4 不同有机肥类型下的大豆增产效果Fig. 4 Yield enhancement effect of soybean with different type of manure

2.5 有机肥配施对大豆增产效果的影响

图5为有机肥不同配施条件下大豆的增产率。总体来说，在不施肥条件下，我国大豆平均产量为2 036 kg·hm-2。单施有机肥后，大豆产量增加20.4%，增加至2 452 kg·hm-2；单施化肥后，大豆平均产量为2 410 kg·hm-2。有机无机肥配施条件下，大豆产量增加9.1%，增加至2 630 kg·hm-2。在有机肥不同配施措施下，我国大豆产量均得到显著增加（14.3%）。

图5 有机肥不同配施措施下的大豆增产效果Fig. 5 Yield enhancement effect of soybean with different manure application measures

2.6 有机肥提升大豆土壤速效磷、全磷及有机质含量

施用有机肥种植大豆，对土壤主要养分含量的影响程度不同（图6）。对于全量养分，施用有机肥可显著增加13.3%土壤全磷含量和11.0%土壤有机质含量，而对土壤全钾含量无显著提升。对于速效养分，施用有机肥后土壤速效磷含量可显著提升43.5%，显著（P=0.001）高于速效钾（9.4%）和碱解氮（3.4%）。施用有机肥对土壤pH的提升幅度也较小，仅为2.1%，效果不显著。

图6 施用有机肥的土壤养分和pH变化Fig. 6 Change of soil nutrients and pH with application of manure

2.7 大豆产量变化的驱动因素

气候因素、土壤性状和施肥措施共同影响大豆产量（图7）。总体而言，BRT模型解释了全国大豆产量增产差异的52.83%。气候（年降水、年均温）、土壤表层初始性状（有机质、速效磷、碱解氮、速效钾）和有机肥施肥量分别影响大豆产量变异的12.0%、41.0%和47.0%；有机肥施用量和碱解氮在7个变量中对大豆产量变异影响最大（图7）。

图7 大豆产量变化的驱动因素Fig. 7 Drivers of changes in soybean yield

3 讨论

整合分析结果表明，不同区域大豆施用有机肥后，其在南方的增产效果优于在东北、华北和西北。其原因可能是南方地区雨热同期。大豆是喜温、喜水作物，其生长发育需要阳光充足，发芽期要求水分充足，有利于种子萌发；开花期植株生长旺盛，需水量大；结荚鼓粒期要求充足水分，缺水会造成幼荚脱落或者导致荚粒干瘪[26]。当≥7 ℃积温在2 400～2 650 ℃·d，5～9月降水量为500～570 mm 时，对大豆生产最为有利，是大豆生产的最佳水热条件[27]。此外温度和水分都是影响土壤有机碳矿化的重要因素[28]。夏国芳等[29]研究表明，在试验温度（5～35 ℃）和试验水分（30%～90%田间持水量）范围内，施用有机肥可以显著提升大豆土壤11.2%的有机质含量，且有机碳的分解随土壤温度和水分含量的升高而增加。葛序娟等[30]、王丹等[31]研究结果同样表明，在温度为5～35 ℃时，水稻土有机碳矿化速率和累积量均随温度升高而增大。温度升高和施用有机肥均可促进土壤有机碳的分解、加速土壤微生物的生物周转，而土壤微生物量调控有机肥分解，造成植物吸收养分的差异，从而影响作物产量[32-34]。施用有机肥还可增加土壤孔隙度和团聚体含量[35-36]、降低土壤容重[37]、促进作物对养分的吸收。施用有机肥还可平衡土壤pH，促进土壤中根瘤菌的活动，有利于大豆的生长发育[38]。

本研究表明，施用牛粪和猪粪后，大豆的增产效果优于施用鸡粪和生物有机肥。牛粪含有机质14.50%、氮0.30%~0.45%、磷0.15%~0.25% 和钾0.10%～0.15%[39]。牛粪可以提高土壤有机质含量，增强肥效，促进农作物增产[40]。这可能是因为牛粪中含有大量的矿物元素和丰富的营养成分，其质地细腻、含水量高、热值低，腐熟的牛粪含有对作物生长有益的细菌，它们分解缓慢不会刺激大豆幼嫩植物的根，且存在的污染风险较低[41]。猪粪中氮、磷含量相对较高，分别为2.28%、3.97%[42]，氮是大豆生长发育和产量形成的主要元素[43]，猪粪氮的有效性较高，矿化分解快[44]。刘博等[45]研究氮、磷、钾、锌、硼5 种元素对大豆生长和产量影响表明，磷与大豆结荚高度呈极显著二次函数关系，磷比其他4种元素对大豆产量影响效应最大。总的来说，畜禽有机肥具有长效作用，可以增加和更新土壤有机质，促进微生物繁殖，改善土壤生物活性和理化特性，显著提高农产品品质等，是促进农业可持续发展的重要措施[46]。不仅如此，有机肥施用量的差异也是导致它们增产效果不同的重要原因。本研究通过BRT模型表明，有机肥施肥量对大豆产量影响最大，占变异的47.0%。数据收集资料显示，牛粪和猪粪施肥量平均为21 856.25 和17 333.33 kg·hm-2，而鸡粪和生物有机肥施肥量平均为989.29 和2 726.96 kg·hm-2。牛粪和猪粪总的养分投入量远远大于鸡粪和生物有机肥，从而导致了大豆增产效果的不同。

和已有研究结果[47-51]类似，本研究同样表明,施用有机肥或有机肥化肥配施能提高大豆土壤全氮、速效磷、速效钾等养分含量。土壤速效磷直接反映土壤的供磷水平。尽管受人工施肥影响大，但土壤速效磷与作物磷素营养吸收的相关性良好[52]。本研究表明，施用有机肥对大豆土壤速效磷有极显著提升，增幅为43.6%，这与高菊生等[53]研究结果一致，即施有机肥可提高土壤速效磷含量。这是因为有机肥含有容易分解和释放的有机磷；此外，施用有机肥后土壤有机质含量的增加，导致无机磷的固定减少，无机磷的溶解增加[54]。