有機肥施用對農田土壤氮素累積和淋失的整合分析

鄭甜　史曉婧　康凌云　李順江　杜連鳳　劉靜

摘??? 要：分析有機肥施用對農田土壤氮素累積和淋失的影響，旨在為科學評估有機肥的生態環境效應提供基礎。以“有機肥”“農田”和“氮”為關鍵詞，在中國知網和“Web of Science”數據庫檢索2000—2022年期間發表的文獻，篩選出符合要求的文獻30篇，獲得數據116組。以單施化肥為對照，利用整合分析（Meta-analysis）方法揭示有機肥施用對農田土壤氮素累積和淋失的影響，明確有機肥氮投入量、有機肥氮替代化肥氮比例等因素的綜合效應。結果表明：與單施化肥相比，有機肥氮替代化肥氮可以顯著降低農田土壤淋溶液中硝態氮和可溶性總氮濃度，有效阻控土壤氮素淋失；同時，有機肥施用能顯著增加土壤全氮和微生物量氮含量以及提高土壤細菌、真菌和放線菌等微生物群落的數量，起到培肥土壤、改善微生物群落結果的作用；有機肥施用對作物產量有顯著影響。當有機肥氮替代化肥氮百分比控制在20%～50%時，可以有效控制土壤氮素淋失，并保證作物產量。綜上可知，有機肥施用顯著影響土壤氮素累積和淋失，但有機肥氮替代化肥氮百分比等因素對土壤氮素累積和淋失的影響還需深入探討。

關鍵詞：Meta分析；有機肥；土壤；淋溶水；氮含量

中圖分類號：S154??????? 文獻標識碼：A??????? DOI 編碼：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

施肥是農業生產中不可或缺的重要措施，被廣泛用于提高土壤肥力和作物產量，直接或間接影響土壤的理化性質[1-2]。但是，化肥過量施用導致土壤質量嚴重退化[3]。相比之下，施用有機肥可以改變土壤中的物理結構、養分含量、酶活性及微生物組群落結構，降低或消除因長期單施或過量施用無機肥對土壤質量所產生的負面影響[4]。2020年，農業農村部在種植業工作要點中強調要繼續深入開展化肥減量增效的行動，保持化肥使用量負增長，拓展有機肥替代化肥的試點范圍[5]。然而，有研究表明，長期施用有機肥的小麥玉米農田的土壤剖面硝態氮累積量大于化肥處理，連續施用會增加硝態氮淋失風險，同時小麥產量也有所降低[6]。目前，有機肥替代化肥施用的研究多集中在作物地上部生長及生理特征的影響效應方面[7-9]，農田長期施用有機肥對土壤氮素淋失風險的研究特別少。此外，已有研究都是在特定地點展開，這些獨立試驗的研究結論很難直接套用到其他地區，無法定量反映有機肥氮替代化肥氮施用對土壤氮素淋失、累積影響的綜合效應，尤其在有機肥氮投入量及有機肥氮替代化肥氮百分比等問題上值得深入探討。為此，筆者對現有的有機肥替代化肥施用對土壤氮素淋失和累積影響研究進行文獻整理，搜尋2000—2022年所有相關文獻，通過Meta分析，明確有機肥施用對農田土壤氮素淋失和累積的影響，解析有機肥氮投入量、有機肥氮替代化肥氮百分比等因素的影響作用，旨在為科學評估有機肥的生態環境效應進而優化管理策略提供理論基礎。

1 研究方法

1.1 文獻搜集及數據庫建立

本研究數據來源于中國知網和維普中文文獻數據庫以及Web of Science 和Science Direct 外文文獻數據庫，以“有機肥”“農田”和“氮”為主要關鍵詞進行文獻檢索。根據Meta-analysis方法中數據整合的要求和本研究的目的，基于以下5個標準對檢索文獻進行篩選：（1）研究區域、試驗地點、有機肥施用等信息明確；（2）同一研究中必須包含有機肥替代施肥處理和單施化肥對照處理，并且施氮總量相等；（3）文中須列出土壤淋溶液或土壤各形態氮素含量，或微生物群落數量、產量等任一指標；（4）以上指標需要有均值、樣本量和標準差，單位要統一?；谝陨蠘藴?，共篩選出30篇文獻。

提取每篇文獻中淋溶液和土壤各種形態氮素含量、微生物群落數量或產量在化肥對照組和有機肥處理組的均值、標準差和樣本量等數據，對表格形式的數據直接進行提取，對圖片形式的數據使用Engauge Digitizer 軟件將其數字化[10]。最終建立淋溶液總氮、硝態氮和銨態氮，土壤全氮、硝態氮、銨態氮和微生物量氮，微生物群落豐度和產量等指標數據庫，分別包含22、29、9、64、107、57、24、81、116組數據。為了深入解釋有機肥施用對土壤氮素及微生物群落影響效果差異性變化的原因，需從文獻中獲取以下數據：有機肥氮投入量和有機肥氮替代化肥氮百分比等信息。其中，根據數據分布，筆者將有機肥氮投入量劃分為7類：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；有機肥氮替代化肥氮百分比也劃分為5類：0%～20%; 20%～50%、50%～80%、80%～100%。

1.2 Meta分析

基于研究目的，使用反應比的自然對數ln（R）作為效應值，即Meta分析效應大小的度量標準。此指標反映了有機肥施用對土壤氮素淋失和累積及微生物群落數量變化的相對大小，計算公式如下：

如果有機肥施用對淋溶液或土壤氮素或微生物群落數量有提高作用，則有ln（R）>0；如果有機肥施用對淋溶液或土壤氮素或微生物群落數量有抑制作用，則有ln（R）<0。若ln（R）的95%置信區間不包含0，則說明有機肥施用對淋溶液或土壤氮素或微生物群落數量影響效應顯著（P<0.05）；若ln（R）的95%置信區間與“0”點相交，則認為有機肥施用對其影響不顯著（P>0.05）。此外，為直觀表征有機肥施用對淋溶液土壤氮素或微生物群落數量影響以及便于對結果進行解釋，利用程序包中的exp函數將效應值ln（R）轉化變化率ZI（包括增長率或下降率）。

ZI=（R-1）×100%（3）

隨機效應模型不僅考慮了研究內的變異，而且也考慮了研究間的變異，因此選擇隨機效應模型進行計算效應值。對有機肥氮替代化肥氮百分比、有機肥氮投入量等分類解釋變量進行隨機效應模型的檢驗。利用Rosenthals 失安全系數（fail-safe number，Nfs）檢驗整個數據庫的發表性偏倚，如果Nfs>5n+ 10，其中n 是樣本量，則認為結果是可信的[11-12]。

1.3 數據處理

采用Excel 2016對數據進行記錄和整理；通過R軟件 Metefor程序包[13]進行ln（R）平均值和方差計算，以及分類變量解釋變量的檢驗；使用Origin 2021軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 有機肥施用對土壤氮素淋失的影響

與單施化肥相比，有機肥施用顯著影響農田土壤淋溶液中可溶性總氮、硝態氮和銨態氮濃度。其中，可溶性總氮濃度顯著降低（Qm=440.44，df=21，P<0.000 1），下降率為23.81%（8.83%～36.33%）；硝態氮濃度顯著降低（Qm= 1 536.23，df=28，P<0.000 1），下降率為36.74%（25.99%～45.93%）；銨態氮濃度顯著增加（Qm= 47.4，df=8，P<0.000 1），增加率為17.20%（5.57%～30.11%）（圖1）。

以有機肥氮投入量作為解釋變量，采用隨機效應模型明確得知有機肥氮投入量對土壤淋溶液中各形態氮素濃度均無顯著影響。此外，以有機肥氮替代化肥氮百分比作為解釋變量，明確其對有機肥施用后農田各形態氮素淋失的影響。結果表明，有機肥氮替代化肥氮百分比對淋溶液中硝態氮濃度（Qm=32.58，df=3，P<0.0001）影響顯著，其中，20%～50%、50%～80%、80%～100%等替代百分比，均顯著降低了淋溶液中硝態氮濃度，下降率分別為28.50%（17.90%～37.74%）、43.88%（30.89%～54.42%）、87.42%（77.03%～93.11%），隨著有機肥氮替代比例升高，土壤淋溶液中硝態氮含量呈持續減少趨勢；然而，有機肥氮替代百分比對淋溶液中總氮（P=0.06）和銨態氮（P=0.26）含量影響均不顯著（圖2）。

2.2 有機肥施用土壤氮素累積的影響

與單施化肥相比，有機肥施用對土壤全氮、硝態氮和微生物量氮含量等均有顯著影響。其中，土壤全氮含量顯著增加（Qm=964.48，df=63，P<0.000 1），增加率為13.43%（9.48%～17.52%）；土壤微生物量氮含量顯著增加（Qm= 450.63，df=23，P<0.000 1），增加率為37.74%（25.02%～51.77%）；然而，土壤硝態氮含量顯著降低（Qm=6 526.53，df=106，P<0.000 1），下降率為20.78%（13.56%～27.39%）。土壤銨態氮含量受有機肥施用影響不顯著（圖3）。

以有機肥氮投入量作為解釋變量，明確其對有機肥施用后土壤氮素含量變化的影響效用。結果得知：有機肥氮投入量對土壤全氮（Qm=19.25，df=5，P=0.001 7）、硝態氮（Qm=33.76，df=5，P<0.000 1）都有顯著影響；然而，土壤銨態氮含量（P=0.25）和微生物量氮含量（P=0.44）等受有機肥氮投入量的影響不顯著。

有機肥氮投入量為0～300 kg·hm-2時，可以顯著增加全氮含量，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等的增加率分別為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%）；當用量超過300 kg·hm-2時，土壤全氮變化不顯著。此外，有機肥氮投入量為100～300 kg·hm-2時，土壤硝態氮含量顯著降低，其中100～150 kg·hm-2、150～200 kg·hm-2、200～300 kg·hm-2等用量對硝態氮含量的抑制率分別為的16.10%（7.26%～24.10%）、9.41%（12.36%～70.80%）、53.26%（42.15%～62.23%）；然而，有機肥氮投入量過低（0～100 kg·hm-2）或過高（> 300 kg·hm-2）對土壤硝態氮含量的影響均不顯著（圖4）。

以有機肥氮替代化肥氮百分比作為解釋變量，明確其對有機肥施用后土壤氮素含量變化的影響效應。結果得知，有機肥替代百分比顯著影響土壤全氮（Qm=20.84，df=3，P=0.000 1）和銨態氮含量（Qm=7.91，df=3，P=0.047 9）；對土壤硝態氮含量（P=0.22）、微生物量氮含量（P=0.14）影響不顯著。

有機肥氮替代化肥氮百分比為20%～50%、50%～80%、80%～100%時，土壤全氮含量顯著增加，增加率分別為13.24%（8.26%～18.45%）、23.58%（8.68%～40.54%）、30.13%（20.31%～40.78%），隨著有機肥氮替代比例升高，土壤全氮含量呈持續增加趨勢。然而，有機肥氮替代百分比為80%～100%時，顯著抑制銨態氮含量，抑制率為46.33%（17.06%～65.28%）（圖5）。

2.3 有機肥施用對土壤微生物群落的影響

與單施化肥相比，有機肥施用顯著影響土壤細菌群落、放線菌群落和真菌群落。其中，對細菌豐度影響最大，顯著增加了土壤細菌群落數量（Qm=9 433.85，df=26，P<0.000 1），增加率為32.98%（15.36%～53.30%）；有機肥施用顯著增加了土壤真菌群落數量（Qm=166.16，df=26，P<0.000 1），增加率為27.05%（12.66%～43.29%）；土壤放線菌群落豐度也受到顯著促進作用（Qm=1 376.93，df=26，P<0.000 1），增加率為25.17%（10.51%～41.76%）（圖6）。

以有機肥氮投入量作為解釋變量，明確其對有機肥施用后土壤微生物群落變化的影響效應。結果表明，有機肥氮投入量對土壤放線菌（Qm=4.63，df=1，P=0.03）、細菌（Qm= 21.99，df=1，P<0.000 1）都有顯著影響。其中，有機肥施用量為50～100 kg·hm-2時，能夠顯著增加放線菌和細菌群落豐度，增加率分別為45.30%（21.28%～74.05%）、75.73%（50.37%～105.40%）。然而，不同有機肥氮投入量對土壤真菌群落豐度（P=0.70）無顯著性影響（圖7）。

2.4 有機肥施用對作物產量的影響

與單施化肥相比，有機肥施用顯著降低了農田作物產量（Qm=4 848.06，df=115，P<0.000 1），下降率為5.09%（2.48%～8.64%）（圖8）。

以有機肥氮投入量作為解釋變量，明確其對有機肥施用后作物產量的影響效應。結果表明，有機肥氮投入量對作物產量影響顯著（Qm=30.96，df=6，P<0.000 1）。其中，用量為50～100 kg·hm-2、300～400 kg·hm-2時，均顯著降低作物產量，下降率分別為11.17%（6.39%～15.71%）、26.35%（15.95%～35.47%）。然而，其他用量對作物產量無顯著性影響（圖9）。

以有機肥氮替代百分比作為解釋變量，明確其對有機肥施用后作物產量的影響。結果表明，不同有機肥氮替代百分比對作物產量有顯著性影響（Qm=26.03，df=3，P<0.000 1）。其中，有機肥氮替代百分比為50%～80%和80%～100%時，均顯著降低了作物產量，下降率分別為15.81%（8.86%～22.22%）、12.61%（7.43%～17.51%）；有機肥氮替代百分比較低對作物產量影響不顯著（圖10）。

3 討論與結論

與單施化肥相比，有機肥施用對農田土壤氮素淋失的綜合效應比較顯著，其中，淋溶液中土壤硝態氮和可溶性總氮濃度分別降低了23.81%、36.74%，說明有機肥施用可以降低土壤中氮素淋失，這與很多研究結果是一致的[14-17]。有機肥中氮形態主要為有機態氮，與速效化肥相比，有機肥肥效釋放緩慢，在施用后的4～10周內肥效逐漸增加[18]。作物生長前期氮的需求量低，有機肥中部分氮素被吸附和固持在了上層的土體中，從而減少了氮素向下層土體的淋洗。本研究得知，施用有機肥后土壤硝態氮累積量相對化肥氮處理組減少，這與淋溶液中硝態氮含量較低結果一致。有機肥在為植物提供充足養分的同時，自身攜帶大量微生物，從而使土壤中微生物的代謝作用加速，增加了土壤中細菌、真菌和放線菌等微生物活性和數量，隨之增加土壤微生物量氮和土壤總氮[19]，這與本研究結果一致。此外，由于土壤中的微生物會固持礦質氮，并增強土壤的反硝化潛力，因此有機肥施用后既培肥了土壤又減少了土壤硝態氮累積量。

Meta分析表明，與單施化肥相比，有機肥施用顯著降低了作物產量，并且隨著有機肥氮替代化肥氮百分比的增加，其減產效果越顯著。有機肥肥效緩慢，限制了作物前期生長所需的養分供應，這可能是其降低作物產量的原因。分析有機肥氮對化肥氮替代百分比對作物產量影響得知，當有機肥氮替代化肥氮比例小于等于50%時，可以避免作物減產風險。同時，根據有機肥氮對化肥氮替代百分比對土壤淋溶液硝態氮含量影響得知，當有機肥氮替代百分比在大于20%時，可以降低農田土壤淋溶水中硝態氮濃度。有機肥氮和化肥氮之間合適的配施比例不僅能夠使得作物得到足夠的氮素營養，同時還能夠使化肥氮的損失降低。有機肥推廣應用時，應綜合考慮有機肥和化肥合理配施的增產效果與其環境影響。本研究中，當有機肥氮替代百分比在20%～50%范圍時，既能保證作物產量也能降低土壤氮素淋失。同時，結合有機肥氮施入量對作物產量和土壤氮素淋失和累積影響分析得知，當有機肥氮量小于300 kg·hm-2時，既不會影響作物產量，同時也對土壤起到培肥、防控硝酸鹽淋失的效果。

也有文獻表明，作物尤其是蔬菜種類不同，有機肥氮替代化肥氮的最適比例有差異。比如，設施作物中最適比例為30.6%～42.7%，而露地作物中有機肥氮替代化肥氮的最適比例為20.5%～28.9%[20-21]。所以在考慮有機氮與化肥氮之間的配比時，更應該考慮作物，甚至蔬菜品種之間的差異。此外，有機肥對作物、土壤質量和養分轉化的影響過程也比較復雜，因為所用肥料的來源以及堆肥處理的過程中多種因素對有機肥質量產生了影響[22-23]，因此，在以后的研究中應加強不同種類有機肥對環境及作物產量的影響，進而為有機肥與化肥的合理配施以及控制土壤環境污染等方面提供科學依據。

與單施化肥相比，有機肥氮替代化肥氮可以顯著降低農田土壤淋溶液中硝態氮和可溶性總氮濃度，有效阻控土壤氮素淋失；同時，有機肥施用能顯著增加土壤全氮和微生物量氮含量以及提高土壤細菌、真菌和放線菌等微生物群落的數量，起到培肥土壤、改善微生物群落結果的作用。然而，有機肥施用對作物產量有顯著影響，當有機肥氮替代化肥氮百分比控制在20%～50%時，可以有效控制土壤氮素淋失，并保證作物產量。

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收稿日期：2023-02-16

基金項目：北京市自然科學基金項目（8202020）；北京市農林科學院青年基金（QNJJ202219）；農業環境監測與污染防治團隊科技能力提升（ZHS202303）

作者簡介：鄭甜（1998—），女，山東濟南人，在讀碩士生，主要從事農田面源污染研究。

通訊作者簡介：劉靜（1979—），女，山東棗莊人，副研究員，博士，主要從事農田面源污染研究。