新型肥料對全球三大糧食作物產量和土壤生物學活性影響的Meta分析

郝勝磊，蔡廷瑤，馮小杰，油倫成，楊 雪，黃成東，陳永亮，崔振嶺

（中國農業大學資源與環境學院植物營養系/植物-土壤相互作用教育部重點實驗室，北京 100193）

我國是農業大國，同時也是全球肥料用量最大的國家，我國單位面積施肥量是全球平均水平的3倍[1-2]。2015年我國化肥用量為6023萬t (實物量)，糧食產量為62144萬t[3]。與1984年相比，2015年化肥用量增加了4283萬t，增加了246%，而糧食只增產21413萬t，增加了52.6%。長期以來，我國農業生產一直處于高肥料投入、高作物產量、高環境代價的生產模式[4]，肥料的施用對我國糧食生產的持續增長起到了重要作用[5]，但是大幅度增加化肥施用量并沒有帶來相應比例的糧食增產，出現這種現象的主要原因是我國化肥利用率較低。2010年北美和歐洲三大作物的氮肥利用效率分別為52%和61%[6]，而中國的水稻、小麥和玉米的氮肥利用率分別為31%、32%和30%，平均僅為31%[7]。

隨著世界人口的快速增長，人類對糧食需求量逐漸加大。據預測，到2050年要增加50%～70%的糧食產量才能滿足未來人類對糧食的需求[8]。在農業綠色發展背景下，如何提高肥料利用率已成為人們考慮的重要問題，其中，加快對新型肥料的研發，可以保證農業生產沿著高產高效的方向發展[9-10]。國內外學者通過田間試驗和Meta分析對新型肥料的產量[11]以及環境效應[12]等方面進行了研究，涉及的糧食作物主要包括小麥[13-14]、玉米[15-16]和水稻[17]等。這些研究結果表明，新型肥料能夠提高作物產量和氮肥利用效率[18]，提高作物品質，減少經濟投入[19]，同時降低氮素損失[12]。

施用新型肥料是否能培育健康土壤，這在很大程度上與農業生態系統土壤生物學活性的改善有關。土壤微生物是陸地生態系統的重要組分，土壤微生物量能從整體上反映土壤微生物群落參與地球物質循環和轉化過程的狀況，而土壤酶是土壤微生物分泌的產物，兩者是反映土壤健康的重要生物學指標[20-21]。有田間試驗研究表明，施用新型肥料能提高土壤酶活性，但是不同新型肥料類型對土壤酶活性的影響不同[22]。同時，施用新型肥料對土壤微生物量碳氮的影響也不同[23]。然而，基于整合分析研究新型肥料對三大糧食作物土壤微生物量和土壤酶活性影響的研究目前鮮有報道。

本研究搜集整理了國內外學者發表的文獻資料，運用整合分析的方法，分析了全球尺度上施用新型肥料對三大作物 (小麥、玉米和水稻) 產量和土壤生物學活性的影響，進一步明確了氮肥施用量、土壤pH、作物類型和新型肥料類型等因素的影響，旨在為加快新型肥料的研發和推廣提供依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究在“中國知網”及“Web of Science”數據庫進行文獻搜集，以“小麥”、“玉米”、“水稻”、“產量”、“微生物量”、“酶活性”為主要關鍵詞檢索2019年12月31日之前發表的田間試驗文獻。為實現本研究的目的及Meta分析對數據的要求，基于以下7個標準對檢索文獻進行篩選：1)研究區域為全球范圍內；2) 同一文獻中有不同的獨立試驗，則把每個試驗都作為一個獨立研究；3) 同一文獻中必須同時包括新型肥料處理和傳統化學肥料處理；4) 文獻中有明確的試驗處理重復數以及試驗處理的產量、土壤微生物量和土壤酶活性；5) 一篇文獻中包含不同采樣日期或者不同土壤深度的結果，使用最新采樣時間點或者土壤表層的數據；6)為便于滿足數據的統計分析，將作物種類確定為小麥、玉米和水稻；7) 數據搜集過程中，如果數據以柱狀圖和折線圖的形式展示，則采用圖形數字化軟件GetData Graph Digitizer進行數字化轉換后再提取。基于以上標準篩選，共篩選出29篇文獻，32個獨立試驗，獲得545組數據。

1.2 數據分類

經篩選獲得的數據，主要涉及中國、印度、日本等國家，考慮到施用新型肥料對三大作物產量和土壤生物學活性的影響可能受其他相關因素的調控，根據文獻中的相關試驗信息進行歸納分組，整理得到以下影響因素：作物類型、氮肥施用量、新型肥料類型、土壤酸堿度(表1)。本研究中提到的新型肥料包括緩/控釋肥、脲酶抑制劑、硝化抑制劑和雙抑制劑4種；氮肥施用量以投入純氮量計算。

表1 試驗相關數據分類Table 1 Classification of experiment data

1.3 整合分析

在整合分析中，使用響應比 (RR) 作為一種度量標準，來比較不同響應變量 (作物產量、地上部吸氮量、氮肥利用效率、土壤微生物量和土壤酶活性) 在傳統化學肥料和新型肥料處理間的效應大小[24]。RR以新型肥料 (Xt) 與傳統化學肥料 (Xc) 處理的相關指標平均值比值的自然對數計算：

式中：RR是響應比；Xt為施用新型肥料處理的相關指標的平均值；Xc是施用傳統化學肥料處理的相關指標的平均值。

本研究在提取和分析數據的過程中，對酶活性單位進行了統一，使用酶活性的響應比作為響應變量，由此可以消除不同酶分析方法的差異。同時，用平均土壤胞外酶活性 (EEAs) 表示碳代謝 (C-acq)、氮代謝 (N-acq)、磷代謝 (P-acq) 和氧化分解 (OX) 相關酶活性[25]，土壤胞外酶活性 (EEAs) 計算公式如下：

其中，AG、BG、CBH、BX、XY、INV分別代表α-1，4-葡萄糖苷酶、β-1，4-葡萄糖苷酶、β-D-纖維二糖苷酶、β-1，4-木糖苷酶、木聚糖酶和轉化酶的活性；NAG、LAP、UREA和BAA分別代表β-1，4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、脲酶和蛋白酶的活性；DEs、ALP和ACP分別代表二酯酶、堿性磷酸酶和酸性磷酸酶的活性；PEO、DHH、CAT和PhOx分別代表過氧化物酶、脫氫酶、過氧化氫酶和酚氧化酶的活性。

1.4 統計分析

本研究使用 Microsoft Excel 2013記錄文獻數據，并通過SPSS 26軟件進行數據分析，使用Sigmaplot 14軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 新型肥料和傳統化學肥料對作物產量的影響

總體上，相比于傳統化學肥料，施用新型肥料增加了8.4%的作物產量 (圖1)。不同施氮量對作物產量有顯著影響，當施氮量 ＜ 150 kg/hm2時，增產幅度最高 (11.5%)；當施氮量 ≥ 200 kg/hm2和在150～200 kg/hm2時，增產幅度分別為9.7%和5.6%。在所有土壤酸堿度范圍內，新型肥料對作物產量均有顯著正效應，當pH ≥ 8時增產幅度最高 (12%)。在所有的作物類型中，玉米的增產幅度最高 (11.3%)，其次是小麥 (7.3%) 和水稻 (7.0%)。4種新型肥料類型均能顯著增加作物產量，其中脲酶抑制劑對產量的增幅影響最大 (11.1%)，其次是硝化抑制劑(10.2%)、雙抑制劑 (9.0%) 和緩/控釋肥 (7.7%)。

圖1 新型肥料和傳統化學肥料對作物產量響應比的影響Fig. 1 The effects of new fertilizers and traditional chemical fertilizers on crop yields response ratio (RR)

2.2 新型肥料和傳統化學肥料對作物地上部吸氮量的影響

總體上，施用新型肥料的作物地上部吸氮量比施用傳統化學肥料高9.9%。氮肥施用量、土壤酸堿度、作物類型和新型肥料類型對作物地上部吸氮量均呈現顯著正效應。從氮肥施用量來看，施用氮肥越多地上部吸氮量對新型肥料添加的響應越低 (圖2)。地上部吸氮量對新型肥料添加的響應程度隨著pH的增加逐漸降低。不同作物類型對新型肥料的響應中，水稻的增幅最高 (10.5%)，其次是玉米 (10.2%)和小麥 (8.2%)。相比于傳統化學肥料，緩/控釋肥、硝化抑制劑和脲酶抑制劑對作物地上部吸氮量的增幅分別為8.8%、12.2%和12.3%，而雙抑制劑對地上部吸氮量沒有顯著影響 (圖2)。

圖2 新型肥料和傳統化學肥料對地上部吸氮量響應比的影響Fig. 2 The effects of new fertilizers and traditional chemical fertilizers on crop nitrogen uptake response ratio (RR)

2.3 新型肥料和傳統化學肥料對作物氮肥利用效率的影響

總體上，施用新型肥料的氮肥利用效率比施用傳統化學肥料高36.8%；氮肥施用量、土壤酸堿度、作物類型和新型肥料類型對作物氮肥利用率的影響均呈現顯著正效應 (圖3)。作物氮肥利用率隨著新型肥料添加量的增加而增加。當土壤在7 ≤ pH ＜8時，氮肥利用率對施用新型肥料的響應最大，達到45.2%；而當土壤pH ＜ 6時響應最小，為17.5%。施用緩/控釋肥對作物氮肥利用率的影響最大 (44.1%)，其次是雙抑制劑 (23.8%)、硝化抑制劑 (19.4%) 和脲酶抑制劑 (17.2%)。

圖3 新型肥料和傳統化學肥料對氮肥利用效率響應比的影響Fig. 3 The effects of new fertilizers and traditional chemical fertilizers on nitrogen use efficiency response ratio (RR)

2.4 新型肥料和傳統化學肥料對土壤微生物量的影響

總體上，施用新型肥料對土壤微生物量碳的影響不顯著，但顯著增加了土壤微生物量氮 (14.6%)。氮肥施用量、土壤酸堿度、作物類型和新型肥料種類對土壤微生物量碳均沒有顯著影響 (圖4)。當氮肥施用量 ＜ 200 kg/hm2時，施用新型肥料顯著增加了土壤微生物量氮，而在 ≥ 200 kg/hm2時對土壤微生物量氮無顯著影響 (圖4)。當土壤pH在6～7時，施用新型肥料顯著增加土壤微生物量氮 (27.1%)，而在其他pH范圍內對微生物量氮的影響不顯著。施用新型肥料顯著增加了水稻土壤微生物量氮 (8.2%)，但對小麥和玉米土壤微生物量氮無顯著影響 (圖4)。此外，施用緩/控釋肥顯著增加了土壤微生物量氮 (22.5%)，而其他新型肥料類型對微生物量氮無顯著影響 (圖4)。

圖4 新型肥料和傳統化學肥料對土壤微生物量碳和微生物量氮響應比的影響Fig. 4 The effects of new fertilizers and traditional chemical fertilizers on soil microbial biomass carbon and microbial biomass nitrogen response ratio (RR)

2.5 新型肥料和傳統化學肥料對土壤酶活性的影響

總體上，施用新型肥料對土壤碳氮代謝酶活性無顯著影響。當施氮量 ＜ 150 kg/hm2時，施用新型肥料顯著提高土壤碳代謝酶活性 (21.4%)，而在其他施氮量范圍內對土壤碳代謝酶活性無顯著影響。當施氮量在150～200 kg/hm2時，施用新型肥料顯著提高土壤氮代謝酶活性 (14.1%)，在其他施氮量范圍內對土壤氮代謝酶活性無顯著影響 (圖5)。當土壤pH在6～7時，施用新型肥料分別顯著提高土壤碳、氮代謝酶活性24.2%和13.7% (圖5)。施用新型肥料顯著提高水稻土壤碳代謝酶活性 (15.9%) 和氮代謝酶活性(7.2%)，但對玉米和小麥土壤碳氮代謝酶活性無顯著影響 (圖5)。施用緩/控釋肥顯著提高土壤碳氮代謝酶活性 (8.0%和12.7%)；脲酶抑制劑顯著降低了氮代謝相關酶活性 (3.1%)，而在其他情況下效果均不顯著。相比之下，施用新型肥料顯著增加了土壤磷代謝酶活性 (8.6%) 和氧化相關酶活性 (5.7%)。當氮肥施用量在150～200 kg/hm2時，施用新型肥料顯著提高土壤磷代謝酶活性 (11.9%)。土壤pH在7～8時，施用新型肥料顯著提高土壤磷代謝酶活性(24.1%) 和氧化相關酶活性 (16.4%)。同時，施用新型肥料顯著提高小麥土壤磷代謝酶活性和氧化相關酶活性 (29.9%和15.9%)，但對玉米和水稻土壤磷代謝活性和氧化相關酶活性無顯著影響 (圖5)。

圖5 新型肥料和傳統化學肥料對土壤碳代謝、氮代謝、磷代謝酶活性和氧化相關酶活性響應比的影響Fig. 5 The effects of new fertilizers and traditional chemical fertilizers on the soil enzymes including C-acq, N-acq, P-acq and OX response ratio (RR)

3 討論

3.1 新型肥料的增產效應

施用新型肥料可以提高作物產量和肥料利用率，達到增產增效的目的[25]。本研究結果表明，與施用傳統化學肥料相比，施用新型肥料能夠提高三大作物產量 (8.4%)，同時提高了地上部吸氮量 (9.9%)和氮肥利用率 (36.8%)。陳琨等[26]研究表明，在等量氮素的投入下，新型肥料處理比普通尿素處理的產量增加3.61%～11.36%，同時提高氮素利用率10個百分點以上。周雯雯等[27]研究表明，新型肥料能夠提高雙季稻產量6.20% ～26.05%。原因可能是傳統化學肥料無法滿足作物整個生育期生長的需要，而新型肥料在作物生育期內氮素損失較少，而且能滿足作物后期的氮素供應，從而提高作物產量、氮素吸收和氮肥利用率[28-31]。然而在不同的施氮水平下，新型肥料對作物的增產效應有所差異。在本研究中，當施氮量 ＜ 150 kg/hm2時三大作物增產幅度最高(11.5%)，其次是在施氮量 ≥ 200 kg/hm2(9.7%) 和150～200 kg/hm2(5.6%) 水平，這與苑俊麗等[32]整合分析的結果一致。就作物類型而言，玉米的增產效應最好 (11.3%)，其次是小麥 (7.3%) 和水稻 (7.0%)。這可能是由于玉米對氮的吸收可以與新型肥料養分的緩慢釋放同步：新型肥料一般在2～3個月內釋放氮素，這與玉米在整個生長季節對氮素的需求相匹配[33-34]。此外，當玉米生長早期對氮需求低時，新型肥料可以最大限度地降低土壤氮的有效性，減少土壤氮損失，從而實現作物的增產[35]。本研究發現不同土壤pH對作物增產效果無顯著差異，與Feng等[36]的結果不一致，Feng等[36]研究表明，在堿性土壤上施用新型肥料的增產效果最好。原因可能是兩個研究中作物類型不同，本研究關注的作物包括水稻、玉米和小麥3種作物，而Feng等[36]關注的是旱地作物 (玉米、小麥和大麥)。本研究中不同類型新型肥料均能顯著提高作物產量，這與很多整合分析的研究[11,37-38]結果一致，研究表明新型肥料 (緩釋肥、脲酶抑制劑、硝化抑制劑) 對水稻均有著顯著的增產效應[11,37]，Abalos等[38]研究發現脲酶抑制劑和硝化抑制劑不僅能顯著提高谷類作物產量，還能提高牧草作物的產量。總之，相比于傳統化學肥料，施用新型肥料能夠顯著提高作物產量。

3.2 新型肥料的土壤生物學活性效應

土壤質量和肥力很大程度上依賴于土壤中微生物量[39]，其中，微生物量碳和微生物量氮是參與土壤碳氮循環的重要評價指標[40]。土壤微生物量、酶活性與施肥管理有關，有研究發現施用氮肥降低了微生物量碳[41]和氮循環酶的活性[42]。本研究中施用脲酶抑制劑對微生物量碳氮的影響不顯著 (圖4)，這與張文學等[43]的研究結果一致，原因可能是脲酶抑制劑占據了脲酶水解尿素的活性位置，降低脲酶活性，但是這種作用對土壤微生物量影響較小。施用雙抑制劑和緩/控釋肥能顯著提高微生物量氮 (圖4)，這與李東坡等[44]和王靜等[45]的研究結果一致，李東坡等[44]的研究表明，施用緩/控釋氮肥能增加土壤微生物量氮；王靜等[45]研究表明，尿素配施硝化抑制劑、配施雙抑制劑會顯著提升微生物量氮。這可能是因為新型肥料施用后會減少土壤中氮的損失，提高土壤可利用性氮的含量，大量氮素被土壤微生物固持到體內，因此增加了土壤微生物量氮。

土壤酶能夠推動土壤中生物化學反應的進行，與土壤質量和土壤肥力有密切的關系，是反映生態系統功能的重要指標[46]。本研究中，施用脲酶抑制劑顯著降低了氮代謝相關酶活性 (圖5)，這與盧維宏等[47]、姚云柯等[48]的結果一致。盧維宏等[47]的研究表明，施用脲酶抑制劑能夠降低土壤中脲酶活性；姚云柯等[48]的研究表明，與普通復合肥處理相比，施用脲酶抑制劑能降低脲酶活性 (66.19%)。本研究中施用緩/控釋肥顯著提高土壤碳氮代謝酶活性，這與金容等[49]的研究結果一致；金容等[49]研究結果表明，與施用普通尿素相比，施用控釋肥能夠顯著提高土壤氮代謝酶活性，原因可能是控釋肥能夠改善土壤理化性狀，為土壤微生物營造良好的生存環境，使得微生物同化更多的氮，從而增加微生物量氮，進而增加脲酶活性[50]。另外，施用新型肥料總體上提高了土壤磷代謝酶活性和氧化相關酶活性 (圖5)，與劉飛等[51]、井大煒等[52]的研究結果類似。劉飛等[51]和井大煒等[52]的研究表明，與普通肥料相比，施用緩/控釋肥能提高土壤中磷酸酶活性。這可能是因為磷酸酶活性與土壤中有效磷含量呈正相關關系，土壤有效磷含量的增加提高了磷酸酶活性[53-54]。

4 結論

1) 與施用傳統化學肥料相比，施用新型肥料后顯著提高三大作物 (小麥、玉米、水稻) 的產量 (8.4%)，脲酶抑制劑對產量增幅影響最大 (11.1%)，其次為硝化抑制劑 (10.2%)、雙抑制劑 (9.0%) 和緩/控釋肥(7.7%)。

2) 與施用傳統化學肥料相比，施用新型肥料顯著提高了作物地上部吸氮量 (9.9%)，緩/控釋肥、硝化抑制劑和脲酶抑制劑對作物地上部吸氮量的增幅分別為8.8%、12.2%和12.3%。

3) 與施用傳統化學肥料相比，施用新型肥料能夠顯著提高三大作物對氮肥的利用效率，增幅達到36.8%。施用緩/控釋肥對作物氮肥利用率的影響最大(44.1%)，雙抑制劑、硝化抑制劑和脲酶抑制劑的增產效果分別為23.8%、19.4% 和17.2%。

4) 與施用傳統化學肥料相比，施用新型肥料能夠顯著提高土壤微生物量氮 (14.6%)、土壤磷代謝活性 (8.6%) 和氧化相關酶活性 (5.7%)。其中施用緩控釋肥能顯著提高土壤微生物氮含量 (22.5%)、碳代謝酶活性 (8%) 和氮代謝酶活性 (12.7%)，而施用脲酶抑制劑顯著降低了土壤氮代謝相關酶活性 (3.1%)。