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

張天堯 ，吳澤璐 ，衛正宇 ，柴如山 ，王智 ，馬超

（1.安徽農業大學 資源與環境學院/農田生態保育與污染防控安徽省重點實驗室, 安徽 合肥 230036；2.南京農業大學 資源與環境科學學院, 江蘇 南京 210000）

0 引言

氮肥在農業生產中廣泛應用，其對作物產量和品質的形成起著關鍵作用[1]。我國氮肥用量巨大，而目前的農田氮肥利用率（NUE）僅有30% ～ 35%[2]。大量氮肥的損失不僅造成養分資源及能源的浪費使得氮肥的利用效率低下，還導致了水體富營養化、土壤酸化、大氣污染、溫室效應等一系列環境污染問題[3]。此外，不同的氮肥效率指標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，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[6]；在土溫不當和通氣不良的地區，秸稈還田可改善土壤環境，減少氮素損失，提高作物氮肥利用率[7]；增加秸稈還田混合深度，構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]；玉米秸稈還田會導致氮肥利用率下降[11]；在施用化肥的基礎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的不同而存在差異。鄭浣彤等[4]研究發現秸稈還田后氮肥利用率提高了20.5%，而氮肥偏生產力（PFPN）卻只提升了8.1%。張萬鋒等[5]研究結果表明秸稈還田后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力的影響也存在一定差異。

我國學者圍繞秸稈還田對氮肥利用率的影響進行了大量田間研究，但前人研究結果多來自局域試驗數據，缺乏區域尺度的比較分析。為了全面認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，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影響的關鍵調控因素以及關鍵調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化方案。

1 材料與方法

1.1 數據收集及篩選

為了系統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 和中國知網兩個數據庫，設定“秸稈還田、秸稈覆蓋、straw return、straw mulching”和“氮肥利用率、氮肥偏生產力、氮素吸收、Nitrogen use efficiency、N utilization”作為關鍵詞，并根據以下5 個標準進行文獻檢索：（1）中國范圍內進行的田間試驗；（2）同一試驗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，其他試驗條件全部一致；（3）試驗處理的重復數≥3；（4）處理組和對照組相關指標的平均值和標準差（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，若文獻提供的數據為標準誤差（SE），則轉換為SD；（5）論文描述了其他相關信息，包括氣候（年平均降雨量、年平均氣溫）、農業管理措施（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地）。共檢索出2022 年5 月31 日前出版的符合上述標準的文獻77 篇，各文獻中的試驗地分布如圖1 所示。

1.2 數據處理

本研究所選取的指標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為氮肥偏生產力，是將氮肥利用與產量結合，反映生產效率；UN為施氮區作物吸氮量；U0為不施氮區作物吸氮量；YN為施氮區作物產量；FN為施氮量。

在進行文獻數據搜集時，需要收集重復數、對照組和處理組指標數值和標準差。若文獻中提供的數據為標準誤（SE）、變異系數（CV）或置信區間（CI），則標準差（SD）可通過以下公式進行轉換：

式中：n 是重復次數，當顯著性水平ɑ= 0.05 時，Zɑ/2= 1.96。

1.3 整合分析

效應值分析由MetaWin 2.1 軟件實現[13]，統計學指標采用響應比（Response ratios）表示，因為之間的響應具有高度可變性，并計算其95%的置信區間（95% CI）。其計算公式為：

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對數化，采用自然對數響應比(lnRR)來反映秸稈還田對NUE、PFPN影響的效應值，計算公式如下：

同時，進行了匯總方差的計算V（lnRR），將數據處于同一尺度[14]。

式中：St和Sc分別為處理組和對照組的標準差，Nt和Nc分別為處理組和對照組的田間重復數。

為直觀地表達秸稈還田對NUE、PFPN的影響效應，利用式(9)將效應值轉化為百分比的形式，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 軟件計算效應值大小和95%置信區間（CI）[15]，需輸入數據包括秸稈還田和不還田氮肥利用率的均值、對應的標準差及樣本數。若95%置信區間包含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）。

為明確試驗處理間及各實驗結果是否存在異質性，本研究采用Egger test 和Nfs 進行異質性檢驗，正態分布檢驗數據分布，極大似然估計（RMLE）計算不同因子的組內組間差異，同時，對于收集到的可量化的影響因子，采用R 4.0.3 對其進行相對重要性分析，通過比較不同因子貢獻率判斷其是否是重要影響因子。

1.4 統計分析

使用GetData Graph Digitizer 2.24 軟件進行數據提取，使用R4.0.3 軟件進行數據異質性和偏倚性檢驗、相對重要性分析；使用Metawin 2.1 軟件進行Meta 分析，使用Origin 9.0 軟件進行線性回歸分析以及繪圖；使用SPSS 21 進行正態分析與皮爾遜相關分析。

2 結 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力的平均值分別顯著提升10.9%和6.16%（圖2a，2b）。整合分析結果顯示，秸稈還田總體上會顯著提升作物的氮肥利用率（效應值范圍為8.01 ～12.3，下同）和氮肥偏生產力（4.30 ～ 8.02），并且其對氮肥利用率的提升強度顯著對大于氮肥偏生產力的（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 對秸稈還田響應的因素

通過隨機森林回歸分析發現，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，亞熱帶季風氣候（4.18 ～ 9.06）和溫帶季風氣候下（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 秸稈還田下重要調控因子與氮肥偏生產力之間的回歸分析

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

圖5 秸稈還田下不同調控因子對PFPN 的相關性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

整合分析發現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，這可能是因為還田秸稈腐解后釋放大量氮素，土壤微生物氮和有機質的提高利于吸附和固持更多的NH4+，降低了農田氮損失[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，有效協調土壤氮素的固持與供應，提高土壤礦質氮的生物有效性，保證土壤中充足的氮素供應從而促進作物對氮素的吸收[18]。

秸稈還田后NUE 的增幅大于PFPN?？赡艿脑蛞皇怯捎诮?0 年化肥的施用增加，我國部分農田已出現大量的無機氮（主要是硝態氮）累積[19]，而土壤大量硝態氮殘留會造成增產效應不明顯，而PFPN主要依靠產量計算，使得PFPN提升幅度不高。其二，本文PFPN計算公式中的產量指的是作物籽粒產量，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

實際生產實踐中發現秸稈覆蓋還田有效防止土壤侵蝕，減少地表水分蒸發和徑流，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分，增加土壤有機質和土壤肥力[21]。然而，不同還田方式對土壤水肥氣熱的影響不同，進而導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，促進土壤的微生物活性和數量的提高，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境[16]。覆蓋還田效果優于翻壓還田的結果，這與李銀水等[24]的研究一致?？赡苁窃谖覀兎治龅臄祿?，覆蓋還田的數據主要為壤土和砂土，翻壓還田的數據主要為壤土和粘土，而沙壤土的土質顆粒間隔明顯，易造成跑墑失水的情況，相比于粘性土質，通過秸稈還田后可能會更加顯著減少表層水分的蒸發，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，風沙土上的試驗結果表明：在0 ～ 40 cm 土層內土壤容重表現為覆蓋＜翻耕[26]。土壤容重是判斷土壤肥力狀況的重要指標，適宜的土壤容重會影響到微生物的代謝活動、作物根系養分運輸情況等問題[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，為作物提供更好的土壤環境。

然而，也有研究[29]通過整合分析發現翻壓還田的效果更好。由此，秸稈還田作為提高土壤質量、作物生產力和可持續性的一個重要選擇，在未來有必要進行更廣泛和標準化的研究，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

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

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]、土壤養分轉化[33]和土壤氨揮發[34]，最終影響秸稈還田的效果。當土壤為中性時，土壤自身的木質纖維素降解菌數量和活性大，秸稈降解快，氨揮發少，植物吸收養分多[35]；其次有研究通過整合分析發現秸稈還田時中性和堿性提升速效養分含量較酸性效果稍好[36]，且酸性條件下氨揮發多[37]，而氨揮發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]研究發現：秸稈氮素釋放率與土壤全氮呈正相關關系，與本文結果一致（圖4c，圖5a）?，F在人們普遍認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分速率。本研究所分析的數據中大多數均為禾本科作物秸稈，它們自身的C/N 高、腐解難，需要補充氮素促進腐解[39]，結果導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]。

本研究發現溫帶大陸性氣候對PFPN影響不顯著。首先，溫帶大陸性氣候的數據較少會導致量化效果不好；其次，亞熱帶季風氣候和溫帶季風氣候對PFPN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構，增加土壤入滲速率，優化土壤孔隙結構，調節地表徑流，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。本文回歸分析發現：PFPN提升幅度與年均溫和年均降雨量呈非線性負相關關系（圖5c；圖5d）。Qin 等[42]發現當年平均氣溫＞11℃時，玉米產量和氮素利用效率與溫度呈負相關關系。這與本文研究一致，可能是因為夏季炎熱多雨，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量降低從而導致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，這是因為在強降雨年份，秸稈還田造成缺氧環境，釋放了更多的N2O 導致氮素利用的效率降低[43-44]。

3.4 秸稈還田應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，過量施用氮肥又導致環境污染加劇等亟待解決的問題。秸稈還田作為一種環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地。覆蓋還田可能更適合在偏砂壤土的農田進行。因為相比于粘性土壤，偏砂性土壤秸稈覆蓋還田后可能會更加顯著減少表層水分的蒸發及養分流失，抑制土壤溫度過度變化，利于光合作用和灌漿的進行，養分轉化率高，從而提高作物氮肥利用率。

4 結論

秸稈還田可以顯著提高作物的NUE 和PFPN。不同評價指標的顯著調控因素不同，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?；诖?，我們認為，在溫帶季風氣候條件區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，可以達到既提高NUE 又提高PFPN的效果，實現秸稈的高效利用和農業的可持續發展。本文的研究結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數據較少也未納入分析。但此研究結果仍將有助于我國今后制定更合理的秸稈還田模式和進行推廣應用。