我國麥田有機肥替代化學氮肥的產量及經濟環境效應

李永華，武雪萍，何剛，王朝輝

我國麥田有機肥替代化學氮肥的產量及經濟環境效應

李永華1，武雪萍2，何剛1，王朝輝1

（1西北農林科技大學資源環境學院/農業農村部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西楊凌 712100；2中國農業科學院農業資源與 農業區劃研究所，北京 100081）

【】有機肥替代是在維持作物產量的同時減少化學氮肥用量的關鍵措施之一。然而，有機肥替代化學氮肥的小麥產量效應、環境代價和經濟效益的復雜聯系尚不清楚。本研究通過系統分析，量化了有機肥替代的農學、環境和經濟效應，旨在為有機肥替代技術在我國小麥生產中的應用提供參考。本研究利用文獻調研方法，對2019年12月前經同行評議發表的涉及有機肥替代化學氮肥在小麥生產上應用的文獻通過Meta分析，從農學、環境和經濟角度評估有機肥替代的綜合效益。有機肥替代處理在化學氮肥用量平均減少43%的條件下，未降低小麥產量。有機肥替代比例對小麥產量有巨大影響。在替代化肥比例＜15%和15%—30%時，有機肥替代處理分別增產8%和5%，而在替代化肥比例＞30%時，未顯著增產。小麥生產的凈經濟效益受替代比例和替代有機肥類型影響。當有機肥替代比例＜30%時，凈經濟效益無顯著性差異；而當替代比例＞45%時，牛糞和商品有機肥作為替代有機肥時，凈經濟效益減少18%和68%。有機肥替代使小麥生長季的NH3揮發減少24%、小麥收獲期的土壤硝酸鹽殘留量減少16%，但使小麥生長季的N2O排放量增加了32%。進一步分析可知，土壤性質、有機肥類型、氣候條件、試驗持續年限、產量和施肥水平均可調控有機肥替代的小麥產量效應。與單施化肥相比，有機肥替代處理在SOM＞15 g·kg-1時顯著增產4%，而在SOM≤15 g·kg-1時無增產效應，在土壤pH＜7時增產8%、而在土壤pH＞7時無增產效應。當雞糞、豬糞和商品有機肥作為替代有機肥時，有機肥替代處理分別增產6%、6%和4%，而牛糞作為替代有機肥時無增產效應。有機肥替代處理在年降雨量＞600 mm區域顯著增產4%，而在≤600 mm區域無增產效應。在年平均氣溫＞15℃區域增產5%，而在年平均氣溫＜15℃區域無增產效應。有機肥持續應用＞10年增產6%，而在＜10年無增產效應；在高施氮量條件下有機肥替代使小麥產量顯著增加4%，而在中、低施氮量條件下無增產效應。在低產水平下有機肥替代使小麥產量顯著增加9%，而在中、高產下有機肥替代無增產效應。有機肥替代處理在化學氮肥用量平均減少43%的條件下，未降低小麥產量，在維持小麥產量的同時有大幅減少化學氮肥用量和氮損失的潛力，但未增加凈經濟效益。應用合理的化學氮肥替代量、有機肥類型在降水充足和高溫區域更易發揮有機肥替代的增產效應。

有機肥替代比例；土壤性質；氣候條件；N2O排放；NH3揮發；硝酸鹽淋溶；產量；經濟效益

0 引言

【研究意義】氮素是作物生長的必需營養元素，對農作物產量提高、品質改善起決定性作用[1]。我國2010—2015年期間每年平均氮肥消耗量達3 000萬噸、高居世界第一。然而，我國糧食作物的當季氮肥利用效率通常低于35%[2]，未被利用的氮肥在帶來巨大經濟損失的同時，也造成了環境污染和生物多樣性減少。因此，優化氮肥管理技術、減少氮肥損失有利于降低經濟損失和環境代價?！厩叭搜芯窟M展】有機肥替代化學氮肥技術是減少氮肥損失的一個關鍵措施。小麥是我國人民群眾的主要口糧，盡管目前在小麥生產上已開展關于有機肥替代化學氮肥的田間試驗[3-5]，但由于生態環境、管理、土壤等差異，有機肥替代化學氮肥的小麥產量效應存在巨大變異。在黃淮海平原研究發現牛糞替代50%的化肥時，增加小麥產量5%[6]，在西北黃土高原地區發現當牛糞替代30%的化肥，未能顯著增加小麥產量[7]，在華北潮土地區甚至發現餅肥替代50%的化肥，減少小麥產量3%[8]。由此可見，有機肥替代的小麥產量效應存在較大變異，理解變異的原因對有機肥替代技術的應用至關重要。長期以來，鑒于糧食生產的巨大壓力，大多數研究關注有機肥替代的產量效應，而對其帶來的環境效應研究很少。施用在麥田的氮肥是氮損失的底物，因此化學氮肥用量、施用方式對氮損失有顯著影響[9]。有機肥替代能減少化學氮肥用量，應有減少氮損失的潛力。例如，在華北地區利用豬糞替代50%的化學氮肥使氮損失減少45%[10]。然而，施用有機肥添加了新的氮肥類型、改變了施肥方式（單施化肥變為有機無機配施），有可能激發額外的氧化亞氮（N2O）排放。例如，與單施化肥相比，在西南地區用豬糞替代40%的化學氮肥，增加N2O排放43%[11]。此外，有機肥替代對氨（NH3）揮發也有重要影響。在黃淮海平原發現牛糞替代50%的化學氮肥，氨揮發降低37%[12]。然而，在華北平原用牛糞替代50%的化學氮肥，氨揮發增加49%[13]。由此可見，施用有機肥對N2O的排放和NH3揮發有重要影響。此外，有機肥來源豐富，施入到麥田的有機肥可能帶入重金屬，從而提高土壤重金屬含量，進而增加小麥籽粒重金屬含量、危害人體健康。因此，評估有機肥替代化肥的環境效應是必要的。通常來講，小農戶的經濟風險抵抗能力較低，經濟效益是決定他們是否采用技術措施的核心指標。單位質量的有機肥費用低，但有機肥養分含量低、替代相同數量的氮肥，用量更大、勞動力成本增加，因此有機肥替代的凈經濟效益有待評估。這些信息的缺乏突顯了針對有機肥替代進行農學效應、環境風險、經濟效益評估的重要性。【本研究切入點】目前，關于有機肥在小麥生產的研究主要集中在增施有機肥以及有機肥替代的產量效應，而對有機肥替代的環境效應、經濟效益研究較少。盡管有零散案例，但缺乏國家尺度上有機肥替代化學氮肥對小麥生產的農學、環境和經濟效益的綜合評估?！緮M解決的關鍵問題】本研究綜合分析了來自78篇文獻資料的569對觀察值，通過建立有機肥替代化學氮肥的小麥產量、氮損失數據庫，構建有機肥替代的經濟效益評估方法，期望量化國家尺度上有機肥替代化學氮肥對小麥生產的農學效應、環境代價和經濟效益，以期為有機肥在小麥生產上的合理應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 數據收集

我們收集了2019年12月前經同行評議發表的涉及有機肥替代化肥調控小麥生產的文獻。獲得的文獻用以下標準進行篩選：（1）試驗必須為田間試驗，且含有機肥替代（SNM）和單施化肥（CF）兩個處理；（2）各處理的氮肥折純量相同；（3）試驗至少包含一個關鍵參數（產量、氮損失、重金屬含量）?；谠摵Y選標準，最終獲得78篇符合要求的研究文獻。從文獻中提取試驗點位置（表1），年平均氣溫，年降雨量，土壤pH，土壤有機質（SOM），有機肥類型，有機肥用量及有機肥的氮、磷、鉀含量，有機肥應用年限等信息構建有機肥替代化學氮肥的小麥產量、氮損失數據庫。對于單個試驗，除有機肥和化肥用量不同外，其他小麥生長和管理條件（如種子、耕作、播種、雜草和害蟲防治措施）相同。

表1 研究獲取的試驗點位分布

1.2 產量效應評價

為確定有機肥替代化學氮肥的用量對小麥產量的影響，將有機肥替代化肥用量劃分為：＜15%、15%—30%、30%—45%、＞45%。為理解氣候條件、土壤性質和試驗持續時間對有機肥替代的影響，基于年降水量、年平均氣溫、SOM和土壤pH等對有機肥替代的小麥產量效應進行分組。濕潤地區、半濕潤地區和半干旱地區的年降水量分別為＞600 mm、400—600 mm和＜400 mm[14]，年平均氣溫分為≤15℃和＞15℃，如文獻中無年降水量和年平均氣溫，缺失的數據從中國氣象資料共享服務網獲取。SOM分為≤15 g·kg-1和＞15 g·kg-1，pH分為pH＜7和pH≥7。試驗持續時間劃分為≤3年、3—10年和≥10年。

為了確定產量水平和施肥水平對有機肥替代的影響，將產量等級劃分為低產、中產和高產，氮肥等級劃分為低氮、適中和高氮。產量等級劃分具體方法為：單施化肥處理的小麥籽粒產量介于381—10 302 kg·hm-2，90%的產量集中在3 004—8 739 kg·hm-2。以小麥產量的第5%分位數（3 004 kg·hm-2）和95%分位數（8 739 kg·hm-2）為最低和最高極限差（5 735 kg·hm-2），然后以等產量間距（1 912 kg·hm-2）分成3個范圍。小麥產量等級從低到高依次分為＜4 916 kg·hm-2（低產），4 916—6 827 kg·hm-2（中產），＞6 827 kg·hm-2（高產）[15]。

氮肥等級劃分具體方法為：依據單施化肥處理實際產量計算的推薦施肥量為合理施氮量（Rec），以推薦施肥的40%為變幅，分為3級進行評價，0—0.8 Rec（低氮），0.8—1.2 Rec（適中），＞1.2 Rec（高氮）[15]。

合理施氮量（Rec）=養分攜出量=產量×氮素養分需求量×調整系數 （1）

式中，產量為收集的數據單施化肥處理的實際產量；氮素養分需求量指小麥百公斤籽粒需氮量（N）2.28 kg[16]。調整系數指根據土壤養分供應能力確定的調整施肥數量高低的參數，氮的調整系數為1[15]。

1.3 環境效應評價

本研究通過建立有機肥替代化學氮肥的氮損失數據庫（包括23篇文獻的69對數據，其中N2O排放26對、NH3揮發27對、硝酸鹽殘留16對），從N2O排放、NH3揮發、硝酸鹽殘留等方面評估了有機肥替代化肥的氮損失。

1.4 經濟效益評價

本研究從小麥生產的成本投入與產出評估有機肥替代化肥的凈經濟效益（小麥生產的總產出與總投入的差值）。小麥生產的產出主要來源于籽粒產量，成本投入主要包括小麥種子、肥料（有機肥）、機械和人工等費用[17]。本研究在評估成本投入時，考慮了小麥生產所需要的農業生產資料，如肥料、農藥、種子、機械等。鑒于替代比例、有機肥類型對小麥生產的經濟效益影響較大，本研究分析了不同替代比例條件下不同有機肥類型對小麥生產經濟效益的影響。通過對有機肥生產企業、肥料銷售站、農戶和文獻等調研，獲得的牛糞平均價格為380元/t，雞糞平均價格為380元/t，豬糞平均價格為310元/t，商品有機肥平均價格為1 150元/t。文獻調研結果顯示，雞糞的有機氮平均含量為19.3 g·kg-1，豬糞的有機氮平均含量為19.6 g·kg-1，牛糞的有機氮平均含量為17.2 g·kg-1，商品有機肥有機氮平均含量為20 g·kg-1。

1.5 統計分析

通過卡方檢驗（Chi-square test）進行異質性檢驗，如果檢查結果＞0.05，說明不同處理間或不同研究結果間具有同質性，可選用固定相應模型計算合并統計量，否則采用隨機效應模型[18]。對于每對觀察值，可以使用響應比來評估有機肥替代對變量的影響（響應值大小可以反映處理組相比對照組的影響效果），有機肥替代化學氮肥的效應值通過以下公式計算[19]：

ln RR = ln (Xo/Xc) （2）

式中，ln RR表示效應量，結果以（（RR-1）×100）的百分比形式表示。Xo和Xc表示有機肥替代和單施化肥處理的變量平均值。

觀察值的權重用以下公式計算：

Weight = (No×Nc)/ (No+Nc) （3）

式中，Weight表示觀察值的權重，No和Nc分別表示有機肥替代和單施化肥處理的重復數。有機肥替代的效應通過觀察值加權效應的平均值獲得。應用R（Version 3.6.1）的“boot”軟件包的bootstrapping程序計算95%的置信區間。當置信區間與0值線重疊時，認為有機肥替代的效應不顯著，反之亦然。應用SPSS 19.0軟件的單因素方差分析進行統計檢驗，以確定產量及其產量三要素（圖1），NH3揮發、N2O排放，NO3-殘留（圖3）和經濟效益（表2）的差異顯著性。當方差分析結果顯著時，采用最小顯著差異法（LSD）確定處理間的差異顯著性。

2 結果

2.1 有機肥替代的小麥產量效應

本研究通過Meta分析量化了我國有機肥替代化肥的小麥產量效益。結果顯示，單施化學氮肥的平均氮肥用量為199 kg N·hm-2、小麥平均產量為5 986 kg·hm-2，有機肥替代處理的化學氮肥用量為113 kg·hm-2、小麥平均產量為6 144 kg·hm-2。有機肥替代減少43%的化學氮肥，未降低小麥產量（圖1-A）。分析產量構成要素可知，有機肥替代化肥較單施化肥處理公頃穗數顯著增加3%，而對穗粒數和千粒重穗粒數無顯著影響（圖1-B、1-C、1-D）。

CF：單施化肥，SNM：有機肥替代。n是觀測值的個數。圖中的實線和虛線分別表示中值和平均值。盒狀邊界表示75%和25%的四分位數，帽表示第95和第5百分位數。處理間的星號代表差異顯著。下同

2.2 有機肥替代產量變異的影響因素

有機肥替代量和土壤性質影響有機肥替代的小麥產量效應。由圖2-A可知，有機肥替代化學氮肥處理的小麥增產效果不同。與單施化肥處理相比，當有機肥替代化肥比例＜15%時，有機肥替代化肥處理的小麥產量增加8%；當有機肥替代化肥比例為15%—30%時，有機肥替代化肥處理的小麥產量顯著增加5%；當有機肥替代化學比例＞30%時，無增產效應。土壤化學性質也影響有機肥替代的小麥產量效應。當SOM＞15 g·kg-1時，有機肥替代顯著增加小麥產量4%，而SOM≤15 g·kg-1時，無增產效應（圖2-B）。在pH＜7時，有機肥替代使小麥產量增加8%，而當pH≥7條件下、無增產效應（圖2-C）。

有機肥類型和氣候條件對有機肥替代的小麥產量效應有較大影響。與單施化肥相比，當替代有機肥是雞糞、豬糞和商品有機肥時，有機肥替代處理分別增產6%、6%和4%（圖2-D）。與單施化肥相比，在年降雨量＞600 mm區域，有機肥替代使小麥產量顯著增加4%；而在年降雨量＜600 mm區域，無增產效應（圖2-E）。在年平均氣溫＞15℃區域，小麥顯著增產5%；而在年平均氣溫≤15℃時未顯著增產（圖2-F）。

試驗持續年限、產量和施肥水平對有機肥替代小麥產量效應也有影響。與單施化肥相比，持續10年以上應用有機肥使小麥產量增加6%（圖2-G）。有機肥替代處理在高施氮量條件下增產4%、而在中低施氮量條件下無增產效應（圖2-H），在低產水平增產9%，而在中高產無增產效應（圖2-I）。

2.3 有機肥替代改變活性氮損失

單施化肥和有機肥替代處理的NH3揮發量分別為13.2 和10.1 kg N·hm-2，N2O排放量分別為0.98 和1.29 kg N·hm-2，0—200 cm土層硝酸鹽殘留量分別為304和255 kg N·hm-2（圖3）。較單施化肥處理相比，有機肥替代化肥的比例在45%—55%時，有機肥替代處理減少NH3揮發24%、增加N2O排放32%、減少硝酸鹽殘留16%。

2.4 有機肥替代影響經濟收入

在不同比例條件下，不同類型的有機肥替代對經濟效益產生不同的影響。當替代比例＜15%、15%—30%、30%—45%和＞45%時，與單施化肥相比，有機肥替代減少了化學氮肥用量，減少化肥投入成本304—762元/hm2（17%—40%），然而有機肥投入成本增加341—6 038 元/hm2。總體來看，有機肥替代處理增加了投入成本37—5 276 元/hm2（2%—86%）。小麥籽粒產量是最主要的產出，有機肥替代能增加籽粒產量，從而使有機肥處理的經濟收入增加2%—7%（表2）。

綜合考慮投入與產出，在有機肥替代比例＜30%時，不同的有機肥類型替代，凈經濟效益無顯著差異。然而，當替代比例為30%—45%時，商品有機肥作為替代有機肥時，凈經濟效益較單施化肥處理降低34%；當替代比例＞45%時，牛糞和商品有機肥作為替代有機肥時，凈經濟效益分別降低18%和68%（表2）。

點和誤差線分別代表增加的百分比和95%置信區間。如果95%置信區間不跨越零線，則處理與對照組有顯著差異。括號內的數字表示樣本的數目

圖3 有機肥替代對氮損失的影響

表2 小麥生產的經濟效益分析

CF：單施化肥，SNPM：豬糞有機肥替代，SNCHM：雞糞有機肥替代，SNCM：牛糞有機肥替代，SNCOM：商品有機肥替代

CF: Chemical fertilizer, SNPM: Substituting fertilizer by Pig manure, SNCHM: Substituting fertilizer by chicken manure, SNCM: Substituting fertilizer by cattle manure, SNCOM: Substituting fertilizer by commercial manure

3 討論

3.1 有機肥替代的產量效應

氮肥是直接決定氮損失的底物，減少氮肥用量是減少氮損失的有效途徑之一，用有機肥的氮素養分替代化學氮肥是減少化肥氮肥用量的一個關鍵途徑。然而，由于有機肥的養分釋放慢、肥效遲緩，有機肥完全替代化學氮肥通常導致當季作物利用的有效氮缺乏，從而減少作物產量[20]。在華北地區發現有機肥全替代使小麥產量降低了24%[21]。因此，有機肥替代部分化學氮肥是在作物穩產的同時實現減肥的一個關鍵性技術。本研究通過系統整理我國小麥生產的有機肥替代信息，證實有機肥替代化學氮肥的量低于43%，無產量損失。這主要歸因于以下3個方面：（1）有機肥不僅含有氮素養分，還有其他養分，如磷、鉀及其他中微量元素養分；有機肥替代化學氮肥的試驗通常未考慮這些養分，而它們對促進作物生長，養分吸收非常重要。（2）有機肥投入能刺激并滿足土壤中更多微生物生長繁殖需求，提高土壤微生物群落，豐富細菌的多樣性，提高土壤生產力[22]。（3）施用有機肥能提高土壤供水供肥能力，減少土壤水分、養分損失，提高作物根系吸收能力和作物生長[23]。

土壤性質對有機肥替代的小麥產量效應有重要影響，特別是土壤pH和SOM。有機肥替代處理在酸性土壤上有增加小麥產量的潛力，主要歸因于酸性土壤的Ca2+、Mg2+及其他微量元素的含量偏低，施入有機肥在提供氮素養分的同時也供給這些作物必須而土壤含量偏低的營養元素，從而提高小麥產量[24]。此外，施入有機肥能提高酸性土壤的pH，進而改善小麥生長環境、促進小麥生長[25]。有機肥替代處理在SOM＞15 g·kg-1時表現增產，主要歸因于高有機質含量土壤自身養分含量高，能提供更多氮素養分供小麥生長，更好彌補由于有機肥氮素養分釋放緩慢引起的氮素養分缺乏[26-27]。

不同的有機肥種類對有機肥替代的小麥產量效應有較大影響，當使用雞糞、豬糞和商品有機肥替代化學氮肥時、小麥產量顯著增加4%—6%，而使用牛糞替代化學氮肥時未能增加小麥產量。有研究表明，在等氮量條件下，有機氮替代25%化學氮，雞糞替代增產7%，豬糞替代增產4%，牛糞替代減產3%[28]。相似的研究表明，雞糞與化肥配施的增產作用高于豬糞、牛糞的配施[29]。這主要是因為不同有機肥在礦化過程中釋放養分數量以及釋放速率不同。有研究指出，雞糞的礦化作用較快，但整個礦化過程相對短暫，豬糞的礦化過程則呈緩慢增加的趨勢，牛糞的礦化氮累積總量最低，雞糞和豬糞的有機氮礦化率可達到55%，而牛糞僅為30%[30]。

氣候條件也影響有機肥替代的產量效應。有機肥替代在年平均氣溫＞15℃時顯著增產5%。有研究采用室內好氣非淋洗實驗表明，在10—24℃溫度范圍內，牛糞、豬糞、雞糞的氮素礦化量隨溫度升高而增加[31]。這主要是高溫利于提高土壤嗜溫微生物活性，導致微生物群落的改變，加快有機肥的緩效養分釋放，提高氮庫容，提高土壤有效氮含量[32]。此外，有機肥替代隨降水量增加、增產效應逐漸增加，這主要是因為充足的水熱條件利于微生物繁衍、利于提高微生物活性，這能促進有機氮的礦化，滿足小麥生育后期的養分需求[33-34]。

施肥年限和施肥水平也影響有機肥替代的小麥產量效應。有機肥持續應用超過10年能顯著增加小麥產量，這主要是因為長期施用糞肥能改善土壤團聚體結構、增加土壤蓄水能力、提高土壤供氮能力[35-36]。另外，在高施氮量條件下，有機肥替代使小麥產量顯著增加4%。這主要是因為在高氮水平降低了對有機氮的需求，提高了小麥生殖生長期的養分供應能力、改善了后期養分不足的現象[28]。

3.2 有機肥替代的環境效應

有機肥替代能減少化學氮肥用量，從而有潛力減少活性氮損失。尿素是小麥生長最主要的氮肥來源，NH3揮發是尿素氮損失最主要的途徑之一。本研究發現有機肥替代化學氮肥在小麥生長季顯著減少NH3揮發8%—67%。這主要歸因于以下3個方面：（1）有機肥通常在經歷過減氨揮發技術處理并保存一段時間才施用到麥田。（2）有機肥在小麥種植前與化肥一次性混施土壤中，有機肥釋放較慢，短期的NH3揮發不易檢測[37]。（3）有機肥的有機質在分解過程中釋放的有機酸及形成的腐殖質能抑制尿素水解過程中土壤酸堿度的升高，從而顯著減少氨揮發。

N2O排放是活性氮損失的重要途徑之一，減少N2O排放是減少氮損失、保護環境的一個關鍵途徑。有機肥的氮素養分釋放緩慢，故通常認為有機肥替代處理能減少N2O排放量[28]。有研究在西北黃土高原地區發現施用牛糞作為有機肥使小麥生長季的N2O排放量減少11%—33%[38]。然而本研究發現等氮用量情況下，有機肥替代增加了小麥生長季的N2O排放量，在西南地區也發現類似現象[39]。這主要是因為有機肥投入可為大多數土壤微生物提供足夠的碳氮源，而單施化肥通常不能提供足夠的碳源，從而限制了微生物活動。另外，本研究的有機肥肥源主要是豬糞，它含有較多的水溶性碳和揮發性脂肪酸[40]，更易增強土壤微生物活性，促進硝化和反硝化過程，提高N2O排放量。此外，未經厭氧發酵的有機肥比分離后的固體有機肥有更高的N2O排放潛力[41]。本研究使用的豬糞大多是未經過厭氧發酵，這也是高N2O排放的一個重要原因。

作物收獲期殘留在土壤的硝酸鹽是其淋溶最主要的來源，減少硝酸鹽殘留是減少淋溶、減少地下水污染的關鍵途徑[42]。本研究發現有機肥替代顯著減少小麥收獲期0—200 cm土層硝態氮累積量8%—38%。相似的，在南方地區發現豬糞替代50%的化學氮肥，硝態氮殘留減少13%[43]?；瘜W氮肥是小麥收獲期土壤硝態氮殘留最主要的來源，有機肥替代大幅減少化學氮肥用量、減少了殘留來源，從而減少小麥收獲期的土壤硝態氮殘留。另外，等氮條件下，有機氮占據一定比例，這部分氮轉化成硝態氮需要時間，又因小麥吸氮能力增強，可以有效降低土壤硝態氮的殘留[44]。相對于化學氮肥來講，有機肥來源廣，各種有機廢棄物均可成為有機肥，這造成有機肥成分復雜，其中可能含有對人體有害的重金屬。有研究表明，施用有機肥顯著增加了表層土壤重金屬含量。然而，由于數據缺乏，目前還不能進行有機肥替代調控小麥籽粒重金屬含量的效應評估。此外，施用有機肥有增加土壤中抗生素、有機污染物等風險，也造成了環境危害。因此，在以后的研究中開展更多關于有機肥替代的環境效應評估是必要的。

3.3 有機肥替代的經濟效應

由于小農戶的抗風險能力通常較低，因此經濟效益是評價有機肥替代化肥的重要指標之一。本研究結果顯示有機肥替代比例＜30%條件下，凈經濟效益無顯著性差異；當有機肥替代比例＞45%時，使用牛糞和商品有機肥作為替代有機肥時使凈經濟效益減少18%和68%，而使用豬糞、雞糞作為替代有機肥時，對凈經濟效益無顯著影響。有機肥類型對有機肥替代的經濟效益影響極大。商品有機肥由于價格高，目前主要應用在經濟作物以及科研試驗中，小麥生產上應用很少。

我國約有200—300萬個家庭是土地經營的主要力量，是小麥生產主體[45]。為保障應用有機肥替代技術的農民在小麥生產的收入，優化相應政策措施是必要的。如根據應用有機肥替代的小麥種植面積提供補貼，這將有助于提高農民應用有機肥替代技術生產小麥的積極性，促進有機肥替代在小麥生產上的應用。

4 結論

本研究從農學、環境和經濟角度系統分析了我國麥田有機肥替代化學氮肥的產量及經濟環境效應?？傮w來看，小麥的產量效應受有機肥替代比例、土壤性質、有機肥類型、氣候條件、試驗持續年限和施肥水平的影響。具體表現為，與單施化肥相比，有機肥替代比例＜15%和15%—30%時小麥增產8%和5%，在酸性土壤上增產8%，在雞糞、豬糞和商品有機肥作為替代有機肥時分別增產6%、6%和4%，在高溫多雨地區、高氮用量水平均表現較好的增產效應。有機肥替代使小麥生長季的NH3揮發減少24%、小麥收獲期的硝酸鹽殘留量減少16%，但使小麥生長季的N2O排放量增加了32%。小麥生產的凈經濟效益受替代比例和替代有機肥類型影響。有機肥替代比例＜30%條件下，凈經濟效益無顯著性差異；當有機肥替代比例為30%—45%和＞45%時，利用商品有機肥作為替代有機肥使凈經濟效益分別降低了34%和68%?？偟膩砜?，有機肥替代在維持小麥產量的同時有大幅減少化學氮肥用量和氮損失的潛力，但未增加凈經濟效益、使用商品有機肥作為替代有機肥時甚至有減少經濟效益的風險。

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Benefits of Yield, Environment and Economy from Substituting Fertilizer by Manure for Wheat Production of China

LI YongHua1, WU XuePing2, HE Gang1, WANG ZhaoHui1

(1College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University/Key Laboratory of Plant Nutrition and Agro-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Yangling 712100, Shaanxi;2Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081)

【】Substituting fertilizer by manure is a key measure to reduce the amount of chemical nitrogen (N) fertilizer while maintaining yield. However, the complex relationships among grain yield, environmental costs, and economic benefits of substituting fertilizer by manure were still not clear for wheat production. This study quantified the agronomic, environmental and economic benefits of substituting fertilizer by manure, aiming to provide a reference for the application of substituting fertilizer by manure for wheat production of China.【】In this study, the effects of substituting fertilizer by manure on the agronomic, environmental and economic benefits of wheat production in China were assessed through Meta-analysis.【】Substituting fertilizer by manure did not reduce wheat yield under the condition that the use of chemical nitrogen fertilizer was reduced by an average of 43%. The replacement ratio of manure was less than 15% and 15%-30%, and the yield significantly increased by 8% and 5%, respectively; while the replacement ratio of manure was higher than 30%, the yield did not significantly increase. Net economic benefit of wheat production was influenced by the replacement ratio of manure and the type of substituted manure. The replacement ratio of manure was less than 30%, and the net economic benefit showed no significant diffidence; while the replacement ratio of manure was higher than 45%, net economic benefits decrease by 18%, 68% when using cow manure and commercial manure as substituting fertilizer. Substituting fertilizer by manure reduced NH3volatilization by 24% in whole wheat growing season, and decreased nitrate residue by 16% at wheat harvest stage, but increased N2O emission by 32% in whole wheat growing season.Further analysis indicated that soil properties, manure types, climatic conditions, test duration, yield and fertilization level could regulate wheat yield of substituted manure. Compared with application of chemical fertilizer treatment, the grain yield in substituting fertilizer by manure increased by 4% when soil organic matter＞15 g·kg-1, while there was no difference when soil organic matter＜15 g·kg-1.Yield in substituting fertilizer by manure increased by 8% when soil pH＜7, while there was no difference when soil pH＞7. When chicken manure, pig manure and commercial organic manure was used as substituted manure, grain yield increased by 6%, 6% and 4%, respectively, while there was no difference when cow manure was considered as substituted manure. Substituting fertilizer by manure treatment significantly increased yield by 4% in the areas with annual precipitation ＞600 mm, but there was no difference in the areas with annual precipitation ≤600 mm. Substituting fertilizer by manure increased yield by 5% in areas with average annual air temperature＞15℃, but there was no difference in the areas with average annual air temperature ＜15℃. The duration of the experiment, the different yield and fertilization levels could affect wheat yield of substituted manure. Compared with the application of chemical fertilizer treatment, the grain yield in substituting fertilizer by manure increased by 6% when duration of the experiment more than a decade, while there was no difference when duration of the experiment less than a decade.Yield in substituting fertilizer by manure increased by 4% when under the condition of high nitrogen application rate, while there was no difference when low nitrogen application rate. The substitution of manure at low yields significantly increased wheat yield by 9%, while the substitution of manure at medium and high yields no difference. 【】Substituting fertilizer by manure did not reduce wheat yield under the condition that the use of chemical nitrogen fertilizer was reduced by an average of 43%. Substituting fertilizer by manure had the potential to substantially reduce the amount of chemical N fertilizer and N loss while maintaining wheat yield, but did not increase economic income. It was very important for increasing wheat yield, protecting ecological environment and increasing economic income to adopt suitable manure types and ratio of substituting fertilizer by manure. The use of reasonable amount of chemical N fertilizer substitution and manure types had the potential to increase the yield of substituting fertilizer by manure in the areas of sufficient precipitation and high air temperature.

replacement ratio of manure; soil properties; climatic conditions; N2O emissions; NH3volatilization; nitrate leaching; yield; economic benefits

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.23.013

2020-06-05；

2020-11-02

國家重點研發計劃（2018YFD0200408）、國家自然科學基金（31902120）、西北農林科技大學科研啟動項目（2452018110）

李永華，E-mail：liyonghua221@163.com。通信作者何剛，E-mail：hegang029@nwafu.edu.cn。通信作者王朝輝，E-mail：w-zhaohui@263.net

（責任編輯 李云霞）