摘要
为了在区域尺度上定量分析有机肥施用对旱地两熟集约化种植体系下作物生物量的影响，并分析环境因素对作物生物量相对变化率的影响程度，对符合条件的文献中 132 组数据进行整合分析，以单施化肥为对照，评估不同有机肥类型、有机肥和化肥配施方式对作物生物量的定量影响，并解析气候条件和土壤条件等因素的影响程度。结果表明：不同类型有机肥施用均显著提高了作物生物量，并以生物质炭施用的提升程度最高。从施肥策略看，有机肥和化肥联合施用显著提高了生物量，而单施有机肥没有显著影响。在不同土壤质地、有机质含量水平以及年均温度条件下，有机肥施用均能显著提高生物量。在黏质、pH ≤ 6、有机质≥ 20 g·kg-1、全氮≤ 1 g·kg-1 的土壤条件和年均温 >15℃、年均降水量≥ 1000 mm 的条件下作物生物量的增幅最高。随机森林模型分析结果显示，土壤 pH 对作物生物量效应的贡献度最大。总体上，有机肥施用对作物生物量有显著的积极效应，但在不同施肥策略及环境条件下存在一定差异。研究结果为有机肥和化肥配施调控作物生长提供了数据支撑和理论依据。
Abstract
In order to evaluate the effect of organic fertilizer application on crop biomass under the double-cropping system in dryland soil，and analyze the degree of influence of various environmental factors on the relative change ratio of crop biomass，the meta-analysis method was employed to examine the influence of organic fertilizer application（e. g. organic fertilizer types，fertilization strategies）on crop biomass，compared to chemical fertilizers，and influence factors（climate conditions，soil conditions，crop types）on relative change ratio of crop biomass，based on 132 paired observations. Results indicated that crop biomass was significantly increased by applying all kinds of organic fertilizers，particularly biochar. In view of fertilization methods，the combined application of organic and chemical fertilizers significantly increased biomass of crops，while single organic fertilizer application had no significant effect. Regardless of soil texture, organic matter content levels，or average annual temperature conditions，the application of organic fertilizer consistently enhanced biomass. In addition，greater crop biomass increase was obtained in conditions of clay soil，pH ≤ 6，soil organic matter ≥ 20 g·kg-1， total nitrogen ≤ 1 g·kg-1，average annual temperature >15℃ and average annual rainfall ≥ 1000 mm. Random forest regression revealed that soil pH contributed most significantly to the crop biomass effect. Overall，organic fertilizer application positively affected crop biomass，and effect sizes depended on fertilization strategy and environmental conditions. This study provided data support and theoretical basis for the combined application of organic and chemical fertilizers to regulate crop growth.
旱作农业是我国主要的农田生产类型，覆盖面积约 9×107 hm2，而其中的一年两熟轮作制度是典型的种植模式之一。与旱地一熟和三熟轮作制度相比，旱地两熟轮作制度覆盖面更为广泛，占据我国旱地总面积的近 60%[1-2]。该区域是我国主要粮食供应区，供应了我国 56％以上的小麦和 25％以上的玉米产出[3]。但随着旱地两熟区农牧业迅速发展，大量秸秆和畜禽粪便等农业废弃物的产生对生态环境承载力造成了巨大的压力[4]。
化肥大量施用不仅促进了我国粮食产量提升，同时也使得秸秆量每年增加到 0.8 亿 t 以上[5]。此外，养殖业产生的畜禽粪便量约 14.6 亿 t[6]。然而，大部分秸秆、畜禽粪便等农业废弃物没有得到有效利用[7]。秸秆和粪肥营养丰富，是重要的物料资源。秸秆和粪肥还田利用是一种环境友好的农业废弃物处理方法[8]。已有大量研究探究了秸秆和粪肥及其衍生有机肥对农田作物生长的影响。研究表明，长期有机肥和化肥的联合施用提高了旱地土壤有机质并促进了作物生长[8]。Ye 等[9]报道指出，与化肥相比，生物有机肥通过改善土壤性质促进小麦和玉米生长。但石正平等[10]的研究指出，秸秆全量还田处理下后茬小麦生长及产量受到消极影响。此外，其他施肥措施研究也发现，施用生物质炭或污泥堆肥对作物生长有负效应[11-12]。可见，不同研究报道的有机肥施用效果不尽相同。这通常是受到有机肥类型、施肥方式、地理环境和试验条件的影响。因此，明确有机肥施用对作物生物量的影响，进一步探究其调控因素，对了解农作物秸秆等生物量对有机肥施用措施的响应具有重要意义。
整合分析能够将多个独立研究的试验结果进行系统整合定量，从而在较大区域的水平上进行总结和指导[13]。本研究以旱地两熟轮作体系为研究对象，基于现有文献中的试验数据进行统计整合分析，旨在定量评估旱地两熟区农作物生物量对有机肥的响应特征，分析不同环境条件对生物量响应的调控效应，以期为旱地两熟轮作体系下作物生物量调控及科学施肥提供数据基础和理论依据。
1 材料与方法
1.1 文献与数据来源
本研究基于 Web of Science 和中国知网数据库，从 1998—2020 年公开发表的论文中使用与有机物料（如有机肥、堆肥、农家肥、猪粪、牛粪、鸡粪、秸秆、生物质炭和绿肥）和作物生物量 / 产量相关的关键词进行检索，提取了化肥（对照）和有机肥（试验处理）投入下的作物生物量数据。纳入本研究的数据需要满足以下标准 :（1）只包括旱地两熟轮作区的田间试验研究，培养试验研究和调查类文献数据排除在外；（2）平均值和误差（如标准差）是基于 3 次及以上的重复所得。最终筛选得到符合条件的文献 / 报告共 30 篇（包括中文文献 22 篇、英文文献 7 篇、未发表报告 1 篇），132 对作物生物量数据，具体试验地分布如表1所示。进一步，从选取的文献 / 报告中提取试验地点、作物类型、试验地气候参数（如年均气温、年均降水量）、试验年限、施用有机肥种类和试验地初始土壤性质（如质地、pH、有机质、全氮）等数据资料。其中，来自图形的数据通过软件 GetData Graph Digitizer 2.26 提取。
表1研究点位的地理分布
1.2 数据分组
根据有机肥类型、有机肥和化肥配施方式的不同，对上述信息进行了分组、归类，进而分析不同组别有机肥施用效应的差异（表2）。此外，为了分析作物类型、环境条件等对有机肥施用效应的影响，还根据作物类型（小麦、玉米、油菜、花生等）、年均气温（≤ 15、>15℃）年均降水量（≤ 600、600～1000 和≥ 1000 mm）、土壤质地（黏质、壤质和砂质）、pH（≤ 6、6～8 和 ≥ 8）、土壤有机质含量（ ≤ 10、10～20 和 ≥ 20 g·kg-1）、土壤全氮含量（≤ 1.0、1.0～1.5 和 ≥ 1.5 g·kg-1）进行分组[2]。由于数据量限制，本研究无法评价绿肥对作物生物量的影响。此外，设定分类中少于两个观察值的数据组不纳入分析。
表2整合分析中划分类别及其描述
1.3 整合分析
所获得的数据通过 MetaWin 2.1 进行不同处理下作物生物量变化率计算分析，并使用随机效应模型评估其影响[14]。利用响应比（RR）反映有机肥对作物生物量的影响。为了保证数值的正态分布，将 RR 值转换为自然对数值（lnRR）[2]。计算公式如下：
式中，Xt 和 Xc 分别为目标变量在有机肥处理和对照（仅施用化肥）中的平均值。每个数据对应的效应大小通过标准差和重复数进行加权[2]。权重计算公式如下：
式中，St 和 Nt 表示有机肥处理下的标准差和重复数；Sc 和 Nc 表示对照下的标准差和重复数。为了更直观地比较有机肥管理措施对作物生物量的影响，最终将响应比转换为基于对照组的相对变化百分比的形式呈现[2]。其 95% 置信区间为。如果 95% 置信区间不与 “0”重叠，则认为有机肥对作物生物量的影响在对照组和处理组之间存在显著差异。如果每个分组的 95% 置信区间没有重叠且显著性 P<0.05 时，则认为每个分组间存在显著差异[2，15]。通过随机森林模型进行影响作物生物量的因子贡献度分析。随机森林模型是通过 R 4.10 的 Random Forest 软件包进行分析。
2 结果与分析
2.1 有机肥施用对作物生物量的影响分析
作物生物量的效应大小取决于施用有机肥料的类型（图1）。总的来说，有机肥施用显著提高了作物生物量 14.8%，其中生物质炭施用的生物量提升最高（28.6%），有机粪肥次之（13.8%），秸秆最低（8.9%），并且在施用生物质炭和秸秆间呈现显著差异。不同施肥策略下，联合施用有机肥和化肥处理显著提高了生物量，并以有机肥与全量化肥配施提高幅度最大（17.3%），而单施有机肥处理对生物量没有显著影响。不同有机肥施用年限均显著提高了生物量，并呈现先降后升趋势。有机肥施用对不同作物的生物量影响效应不同，显著提高了小麦、玉米、花生、红薯的生物量，依次为油菜 （82.6%）>红薯（36.4%）>玉米（9.5%）>小麦 （4.9%），而对花生生物量影响不显著。
图1有机肥施用对作物生物量相对变化率的影响
2.2 影响有机肥施用对作物生物量效应的因素分析
有机肥施用对作物生物量影响的效应大小受试验区环境条件（初始土壤条件和气候条件）显著影响（图2）。无论土壤质地和有机质含量水平如何，有机肥施用均显著提高了生物量。黏质和砂质土壤提高效果更好，有机质含量越高提高效果越好。在土壤 pH ≤ 6 和全氮含量≤ 1 g·kg-1 的条件下，有机肥施用分别显著提高了生物量 35.6% 和 13.5%。在气候条件下，年均气温 >15℃ （35.0%）时，有机肥施用的生物量效应显著高于 ≤ 15℃（7.0%），且均达到显著水平。年均降水量≤ 600 mm（10.8%）和≥ 1000 mm（47.4%）时有机肥施用的生物量效应显著高于年均降水量 600～1000 mm 时（-4.4%），并且在 ≤ 600 和 ≥ 1000 mm 间呈现显著差异。
图2不同环境条件下有机肥施用对作物生物量相对变化率的影响
2.3 影响有机肥施用对作物生物量效应的因子贡献度分析
根据以上结果可见，有机肥施用对作物生物量的影响效应程度受多方面因素综合影响。基于随机森林模型分析影响有机肥施用对作物生物量效应的因子贡献度，结果（图3）显示，气候条件（年均温度和降水量）、土壤条件（土壤 pH 和有机质） 和管理条件（有机肥类型和施肥年限）对有机肥施用的生物量效应的贡献度均在 10% 以上，由高到低分别为土壤 pH（18.9%）>年均降水量（18.8%） >有机肥类型（17.3%）>施肥年限（13.0%）>年均温度（11.7%）>有机质（11.5%）。土壤全氮和质地对生物量效应的贡献度均在 10% 以下。
图3影响作物生物量对有机肥施用响应的因子贡献度
3 讨论
3.1 作物生物量对有机肥施用的响应
多种施肥管理措施被有效应用于改善农田生产力[16-17]。本研究整合分析结果显示，相较于化肥，有机肥施用对作物生物量的影响总体上呈现为显著增加。这可能是由于多个方面原因共同促进作物生长。其一，有机肥施用使得耕层土壤疏松，改善了土壤的保水、保肥能力，从而为作物生长提供了更好的水肥条件[18]；其二，有机肥料中所携带的中、微量元素能够有效缓解土壤“隐性饥饿”，从而保证作物正常生长发育[19]；其三，有机肥在土壤中缓慢分解的过程为作物不同生长时期的养分需求提供了持续的供应[20]。因此，适宜的施肥管理措施在保证农作物生产力方面提供了有利条件。
不同的有机肥类型和施肥策略对作物生物量的影响存在一定差异。本研究结果显示，生物质炭和粪肥施用对作物生物量的促进效果优于秸秆还田。类似的结果也发现在张珺穜[21]的研究中，该研究显示相比于秸秆返还，生物质炭投入提高了小麦生物量 13.2%。这可能归因于生物质炭良好的孔隙结构在旱作农业中充分发挥了改善土壤物理质量、保持水分条件的有利特征，而粪肥较高的碳氮比能够更大程度活跃土壤微生物，促进养分释放[22-23]。在不同施肥策略中随着化肥配施用量的降低，作物生物量效应呈现下降特征，特别在单施有机肥处理下呈现负效应。Xia 等[24]通过有机肥替代试验发现，当替代比例超过 75% 时降低了作物生产力。这主要由于有机肥料中的有效态氮有限，并且可供植物能够吸收利用的有效氮释放缓慢，无法满足作物生长峰期对氮素的巨大需求[25]。这表明在利用有机肥替代化肥施用时，应合理控制有机肥替代化肥比例，从而实现在降低化肥用量同时保障作物正常生长的可持续农业发展。
3.2 作物生物量对有机肥施用响应的影响因素
土壤 pH、年均降水量和有机肥类型是有机肥施用下作物生物量的主要影响因素（图2、图3）。土壤 pH 对有机肥施用的作物生物量效应的贡献度最高，特别在酸性土壤中（pH ≤ 6）有机肥施用显著提升了作物生物量。有机肥（特别是生物质炭）通常呈现碱性特征，因此，在一定程度上可以中和土壤酸性，从而能够缓解中、微量元素养分受限的情况[26]。适宜的土壤 pH 也能够促进微生物活性，从而提高土壤养分的周转及作物的吸收利用[27]。此外，有机肥施用可以通过有机阴离子质子化和增加碱性阳离子等抗酸化机制有效缓冲低 pH 对植物生长的影响[28-29]。年均降水量较高或较低时均显著提高了作物生物量，这表现出生长在相当干燥或湿润条件下的作物可能更能得益于有机肥的施用。大量的研究表明，有机肥投入到农田可以明显改善土壤有机质和团聚体条件，这种改善一定程度上增强了干旱气候下土壤的持水能力和湿润气候下缓冲土壤压实的能力及疏水能力[30-31]。尽管所有有机肥均显著提高了作物生物量，但不同有机肥类型提高效果不同（图1）。本研究结果显示，生物质炭施用提升效果最好，并且显著高于秸秆施用。这与前人的研究结果一致，Hu 等[32]研究发现，秸秆衍生生物质炭施用对小麦和玉米地上生物量的提高效果显著高于秸秆处理。这可能由于生物质炭不仅可以提高土壤保水能力和有机碳含量，更重要的是可以快速改善土壤物理结构，为作物根系生长提供适宜的水、气环境[33]。
综上所述，田间施用有机肥能够有效促进作物生长、提高作物生物量。然而，由于旱地两熟轮作体系下不同区域在土壤类型、气候条件以及田间管理措施等方面存在差异，施用有机肥后对作物的影响具有较大不确定性，因此，对施肥策略、土壤条件及气候等影响因素进行分析。值得指出的是，本研究仅探究了高种植强度的旱地两熟轮作体系下有机肥施用对作物生物量增长的效应，在这种情况下旱地两熟区的秸秆消纳压力增加，未来应进一步对秸秆资源化利用率定量分析进行探索，以有效促进农业废弃物资源利用及农业可持续发展。
4 结论
（1）本研究阐明了旱地两熟区有机肥施用对作物生物量的影响，并探明了环境条件对生物量的有机肥施用效应的调控，为更好地探究合理施肥对作物生长的影响提供了科学支撑。
（2）不同有机肥类型和施肥策略对作物生物量的影响不同，其中生物质炭和有机肥与全量化肥配施对作物生物量的影响最显著。作物生物量效应主要受到土壤 pH 和年均降水量的影响。
（3）总的来看，相较于单施化肥，有机肥替代部分化肥施用措施可以显著提高作物生物量，但在生产实践中应合理配施有机肥和化肥，以获得最大经济和环境效益。