施用有機肥對我國大豆產量及土壤養分的影響

張晨陽， 徐明崗，*， 王斐， 李然， 孫楠*

（1.山西農業大學資源環境學院，山西 太谷 030800； 2.山西農業大學生態環境產業技術研究院，土壤環境與養分資源山西省重點實驗室，太原 030031； 3.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，農業農村部耕地質量監測與評價重點實驗室，北京 100081）

大豆是我國重要經濟作物，其產需缺口逐年增加[1]。提高單產、改善品質成為當前大豆生產的迫切需求[2]。傳統施肥方式雖然能夠提高作物產量，與此同時也造成了土壤、大氣、水體污染等一系列環境問題[3-4]。農業農村部組織編寫的《農業綠色發展導則（2018—2030 年）》指出，有機肥替代部分化肥可在減輕環境污染的同時提高作物產量。因此，明確全國不同區域、不同管理措施條件下配施有機肥對大豆的增產效率及其主控因素對我國大豆生產具有重要的指導意義。

施肥是影響作物產量和農田土壤養分的關鍵因素。王道中等[5]研究表明，有機肥和化肥配施比單施化肥均表現出增產效果，大豆年均增產率在5%以上，不同有機物料處理間的增產效果是牛糞處理優于豬糞處理優于秸稈處理。王小林等[6]研究表明，化肥配施有機肥具備更好的增產能力和潛力，施用有機肥較單施化肥處理的大豆增產高達25.5%。李蕊等[7]研究表明，施用有機肥可以增加大豆株高、主莖節數、單株莢數、單株粒數、單株粒重，從而提高大豆產量。張亞杰等[8]在喀斯特地區研究表明，有機肥和化肥配施均可顯著提高大豆籽粒產量，但不同肥料配施比例下大豆籽粒差異不顯著。然而，朱寶國等[9]研究表明，有機肥和化肥按各自常規施肥量的50%進行配施后，大豆增產效果最為顯著。有機肥和化肥配施能有效提高大豆產量,在中國科學院海倫農田生態系統國家野外科學觀測研究站的長期定位試驗中已得到證實，但是，大豆產量增加幅度在有機肥施用量達到22.5 t·hm-2后出現下降[10]。綜上所述，施用有機肥使大豆增產受多種因素影響，如區域、施肥量、施肥類型和有機肥配施措施等。

施用有機肥可以增加土壤養分含量，改善土壤理化性狀，維持土壤養分平衡，提高土壤微生物活性[11]。此外，有機肥或有機肥和化肥配施還能夠增加土壤養分的有效性，從而降低化肥損失，提高土壤肥力和生態系統生產能力[12-14]。溫延臣等[15]研究表明，與單施化肥相比，土壤有機質、全氮和速效磷含量等在施用有機肥后均顯著增加。李彥等[16]研究同樣表明，土壤有機質和速效養分含量在長期施用有機肥后得到顯著提高。

目前，關于我國施用有機肥對大豆增產和提升土壤肥力的研究主要針對部分區域進行，缺乏全國范圍內施用有機肥對大豆產量和土壤養分的影響分析。因此，本文收集了有關施肥對大豆產量和土壤養分產生影響的數據，整合分析施用有機肥對我國大豆的影響，量化區域、施肥量、施肥類型和有機肥配施措施對大豆增產的貢獻，以及施用有機肥后大豆土壤氮磷鉀養分含量的變化，為全國不同地區科學施用有機肥、促進大豆高產和提升土壤肥力提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究以“有機肥”“organic fertilizer”“manure”“大豆”“soybeans”“產量”“yield”和“土壤養分”“soil nutrients”為關鍵詞，通過中國知網、萬方、維普和Web of Science 等數據庫對2002—2020 年符合如下篩選條件的文獻進行檢索：①全國范圍內作物為大豆的大田實驗；②試驗處理均包含不施肥或單施化肥對照組和有產量數據的單施有機肥及有機無機肥配施處理組；③試驗中每個處理至少3 次重復；④有試驗前0—20 cm 土層的基本理化數據。另外，獲取每個試驗地點的氣候類型、年降雨量、年平均溫度等氣候信息和經緯度。本研究中，有機肥的類型主要包括商品有機肥、生物有機肥、腐熟的畜禽糞便（豬、牛、雞等）和少量秸稈堆肥，這些肥料均用作基肥在播種前一次性施用。截至2021 年7 月，共獲得大豆產量相關有效文獻37 篇，數據119 組，依據為氣候特征和地理分布，試驗區劃分為東北、西北、華北和南方4 個區域（表1），運用SPSS 26.0 軟件進行正態分布檢驗；大豆土壤養分相關有效文獻11 篇，數據148 組，其中包含有機質數據23 組、全氮數據16 組、全磷數據13 組、全鉀數據12 組、堿解氮數據17 組、速效磷數據25 組、速效鉀數據24 組、pH數據18 組。

表1 收集的全國各個地區的數據量分布Table 1 Distribution areas of data collected from whole China

1.2 數據庫建立與分類

采用Excel 2019 軟件建立大豆產量及土壤氮磷鉀養分的數據庫，內容主要包括：作者、參考文獻、區域、有機肥用量、肥料類型、施肥措施、大豆產量及土壤氮磷鉀養分含量等。此外，本研究有機肥施用量分為3個水平，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臨界值屬于中水平；有機肥配施措施分為不施肥（對照組）和單施有機肥（處理組），以及單施化肥（對照組）和有機無機肥配施（處理組）。

1.3 數據分析

采用GetData Graph Digitizer 2.24 軟件提取文獻中的圖片數據[17]。數據分析流程參考任科宇等[4]方法，同一組的產量數據需同時包含對照組和處理組，此外數據需包含重復數（n）和標準差（standard deviation, SD）。文獻若只提供了標準誤差（standard error, SE），通過公式（1）將其轉換為SD。

采用MetaWin 2.1 軟件進行數據整合分析[18]。本研究用公式（2）計算施用有機肥之后產量增加的百分數（產量增幅），其中每個獨立試驗響應比（response ratios，R）的加權為R++，也即加權響應比，由公式（3）計算[19]。

式中，m是不同的施肥量或不同的施肥類型，即分組數；ki表示第i分組時的總比較對數；j則表示ki中的第j對；wij是權重系數，用平均值的變異系數（V）的倒數表示；Yc和Yt分別代表對照組和處理組的產量平均值，SDc和SDt分別代表對照組和處理組的標準差，nc和nt分別代表對照組和處理組的樣本數。

響應比（R）計算見公式（4），lnR表示有機肥配施對產量的影響程度[20]。

R++的95%置信區間（confidence interval，95%CI）和標準差S（R++）通過公式（6）計算，若結果包含零點，表示和對照組相比，處理對產量無顯著影響，否則表示有顯著影響[21]。

此外，在計算加權平均響應比前，需對每個試驗處理和結果的異質性進行卡方檢驗，如果檢驗結果P≤0.05，則表示有異質性，選擇隨機效應模型，反之選擇固定效應模型[22]。

1.4 增強回歸樹分析

增強回歸樹（boosted regression tree，BRT）是建立在分類回歸樹基礎上的機器學習算法，通過多次擬合逐步降低模型擬合誤差，對于響應變量擁有較高預測精度，通過預測因子對響應變量離差平方和的減少量進行量化，預測因子的重要程度[23-24]。本文基于理論知識和本研究數據集的有效性，利用BRT 模型，探明大豆產量與區域氣候、土壤性狀、管理措施預測因子之間的關系。以大豆產量為響應變量，共有16 個預測變量：有機肥施肥量、類型及試驗點土壤表層（0—20 cm）初始理化性質（土壤有機質、土壤全磷和速效磷、堿解氮、土壤全鉀和速效鉀、土壤pH）、區域氣候因素（年降水、年均溫）、試驗后土壤表層理化性質（土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀、土壤pH）。首先輸入變量到BRT模型來選擇驅動因素，根據它們對預測性能的影響（偏差解釋和曲線下面積）保留7 個變量：有機肥施肥量、土壤表層初始理化性質（有機質、速效磷、堿解氮、速效鉀）、氣候因素（年降水、年均溫）。使用推薦的參數值構建增強樹：學習率（0.01）、抽樣比率（50%）、交叉驗證（10）和樹復雜度（5）[25]。由于具有分類變量，Bernoulli（伯努利）法用于所有BRT配件。所有BRT分析均使用R語言（版本3.3.3）中的GBM包進行[25]。

1.5 繪圖方法

本文中圖形利用Excel 2019、Origin 2019 繪制。森林圖中點代表增幅百分數，誤差線代表其95%的置信區間；若處理與對照存在顯著差異，誤差線不跨越零刻度線。

2 結果與分析

2.1 大豆產量的整體分布

如圖1 所示，本研究對施用有機肥后大豆的產量響應比進行了單樣本非參數檢驗，所搜集數據擬合曲線呈顯著的正態分布（P<0.05），符合整合分析要求。

圖1 施用有機肥后大豆產量響應比的分布Fig. 1 Distribution of soybean yield response ratio with manure application

2.2 不同區域間大豆增產率分析

如圖2 所示，在不同區域施用有機肥后，大豆的平均增產率為12.9%，其中以南方地區增產率最高（18.7%），較其他區域高3.0%~6.0%。在華北、西北和東北地區，大豆的增產率也比較可觀，分別為14.8%、13.6%和12.0%。該結果表明，有機肥對大豆的增產效果在我國不同區域存在差異，我國南方地區在大豆季配施有機肥后產量提升效果更佳。

圖2 施用有機肥不同區域大豆的增產效果Fig. 2 Yield enhancement effect of soybean in different regions with application of manure

2.3 大豆產量與有機肥用量呈正相關

施用有機肥后，大豆產量均顯著增加（圖3）。其中，有機肥用量>5 000 kg·hm-2時大豆產量的增幅可達18.5%，高于施用量為1 000~5 000 kg·hm-2（10.9%）和<1 000 kg·hm-2（9.7%）的處理。該結果表明，大豆產量隨施肥量增加呈現增大趨勢。

圖3 不同有機肥施肥量的大豆增產效果Fig. 3 Yield enhancement effect of soybean with different application rate of manure

2.4 不同類型有機肥對大豆增產的影響

施用不同類型有機肥對大豆產量的影響程度不同（圖4）。數據庫中，生物有機肥數據組最多；不同區域間有機肥類型選擇存在差異，南方多以商品有機肥為主，西北地區則使用牛糞較多。其中，牛糞使大豆產量增產的幅度最大，增幅為24.9%，豬糞次之（17.6%），然后為商品有機肥（15.3%）。雞糞和生物有機肥施用條件下大豆產量的增幅分別為12.7%和8.8%，兩者差異不顯著（P=0.176），且顯著(P=0.001)低于施用牛糞和豬糞處理。

圖4 不同有機肥類型下的大豆增產效果Fig. 4 Yield enhancement effect of soybean with different type of manure

2.5 有機肥配施對大豆增產效果的影響

圖5為有機肥不同配施條件下大豆的增產率。總體來說，在不施肥條件下，我國大豆平均產量為2 036 kg·hm-2。單施有機肥后，大豆產量增加20.4%，增加至2 452 kg·hm-2；單施化肥后，大豆平均產量為2 410 kg·hm-2。有機無機肥配施條件下，大豆產量增加9.1%，增加至2 630 kg·hm-2。在有機肥不同配施措施下，我國大豆產量均得到顯著增加（14.3%）。

圖5 有機肥不同配施措施下的大豆增產效果Fig. 5 Yield enhancement effect of soybean with different manure application measures

2.6 有機肥提升大豆土壤速效磷、全磷及有機質含量

施用有機肥種植大豆，對土壤主要養分含量的影響程度不同（圖6）。對于全量養分，施用有機肥可顯著增加13.3%土壤全磷含量和11.0%土壤有機質含量，而對土壤全鉀含量無顯著提升。對于速效養分，施用有機肥后土壤速效磷含量可顯著提升43.5%，顯著（P=0.001）高于速效鉀（9.4%）和堿解氮（3.4%）。施用有機肥對土壤pH的提升幅度也較小，僅為2.1%，效果不顯著。

圖6 施用有機肥的土壤養分和pH變化Fig. 6 Change of soil nutrients and pH with application of manure

2.7 大豆產量變化的驅動因素

氣候因素、土壤性狀和施肥措施共同影響大豆產量（圖7）。總體而言，BRT模型解釋了全國大豆產量增產差異的52.83%。氣候（年降水、年均溫）、土壤表層初始性狀（有機質、速效磷、堿解氮、速效鉀）和有機肥施肥量分別影響大豆產量變異的12.0%、41.0%和47.0%；有機肥施用量和堿解氮在7個變量中對大豆產量變異影響最大（圖7）。

圖7 大豆產量變化的驅動因素Fig. 7 Drivers of changes in soybean yield

3 討論

整合分析結果表明，不同區域大豆施用有機肥后，其在南方的增產效果優于在東北、華北和西北。其原因可能是南方地區雨熱同期。大豆是喜溫、喜水作物，其生長發育需要陽光充足，發芽期要求水分充足，有利于種子萌發；開花期植株生長旺盛，需水量大；結莢鼓粒期要求充足水分，缺水會造成幼莢脫落或者導致莢粒干癟[26]。當≥7 ℃積溫在2 400～2 650 ℃·d，5～9月降水量為500～570 mm 時，對大豆生產最為有利，是大豆生產的最佳水熱條件[27]。此外溫度和水分都是影響土壤有機碳礦化的重要因素[28]。夏國芳等[29]研究表明，在試驗溫度（5～35 ℃）和試驗水分（30%～90%田間持水量）范圍內，施用有機肥可以顯著提升大豆土壤11.2%的有機質含量，且有機碳的分解隨土壤溫度和水分含量的升高而增加。葛序娟等[30]、王丹等[31]研究結果同樣表明，在溫度為5～35 ℃時，水稻土有機碳礦化速率和累積量均隨溫度升高而增大。溫度升高和施用有機肥均可促進土壤有機碳的分解、加速土壤微生物的生物周轉，而土壤微生物量調控有機肥分解，造成植物吸收養分的差異，從而影響作物產量[32-34]。施用有機肥還可增加土壤孔隙度和團聚體含量[35-36]、降低土壤容重[37]、促進作物對養分的吸收。施用有機肥還可平衡土壤pH，促進土壤中根瘤菌的活動，有利于大豆的生長發育[38]。

本研究表明，施用牛糞和豬糞后，大豆的增產效果優于施用雞糞和生物有機肥。牛糞含有機質14.50%、氮0.30%~0.45%、磷0.15%~0.25% 和鉀0.10%～0.15%[39]。牛糞可以提高土壤有機質含量，增強肥效，促進農作物增產[40]。這可能是因為牛糞中含有大量的礦物元素和豐富的營養成分，其質地細膩、含水量高、熱值低，腐熟的牛糞含有對作物生長有益的細菌，它們分解緩慢不會刺激大豆幼嫩植物的根，且存在的污染風險較低[41]。豬糞中氮、磷含量相對較高，分別為2.28%、3.97%[42]，氮是大豆生長發育和產量形成的主要元素[43]，豬糞氮的有效性較高，礦化分解快[44]。劉博等[45]研究氮、磷、鉀、鋅、硼5 種元素對大豆生長和產量影響表明，磷與大豆結莢高度呈極顯著二次函數關系，磷比其他4種元素對大豆產量影響效應最大。總的來說，畜禽有機肥具有長效作用，可以增加和更新土壤有機質，促進微生物繁殖，改善土壤生物活性和理化特性，顯著提高農產品品質等，是促進農業可持續發展的重要措施[46]。不僅如此，有機肥施用量的差異也是導致它們增產效果不同的重要原因。本研究通過BRT模型表明，有機肥施肥量對大豆產量影響最大，占變異的47.0%。數據收集資料顯示，牛糞和豬糞施肥量平均為21 856.25 和17 333.33 kg·hm-2，而雞糞和生物有機肥施肥量平均為989.29 和2 726.96 kg·hm-2。牛糞和豬糞總的養分投入量遠遠大于雞糞和生物有機肥，從而導致了大豆增產效果的不同。

和已有研究結果[47-51]類似，本研究同樣表明,施用有機肥或有機肥化肥配施能提高大豆土壤全氮、速效磷、速效鉀等養分含量。土壤速效磷直接反映土壤的供磷水平。盡管受人工施肥影響大，但土壤速效磷與作物磷素營養吸收的相關性良好[52]。本研究表明，施用有機肥對大豆土壤速效磷有極顯著提升，增幅為43.6%，這與高菊生等[53]研究結果一致，即施有機肥可提高土壤速效磷含量。這是因為有機肥含有容易分解和釋放的有機磷；此外，施用有機肥后土壤有機質含量的增加，導致無機磷的固定減少，無機磷的溶解增加[54]。