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【科研动态】在作物生产中用有机物料替代无机肥料的利弊权衡：全球Meta分析

花匠小妙招
2024-11-19 18:23

近日，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所植物营养创新团队在作物生产中用有机物料替代无机肥料的利弊权衡方面取得重要进展，相关成果以“Benefits and trade-offs of replacing inorganic fertilizer by organic substrate in crop production: A global meta-analysis”为题发表在 Science of The Total Environment （IF=9.8）期刊上。

摘要用有机物料替代化学肥料有助于促进农业系统可持续生产。然而，有机替代制度对全球作物产量、土壤碳和氮损失以及生物肥力的影响尚未被系统地量化。在此，我们利用在世界各地收集的田间数据（211 篇论文，852 观测值）对这些影响进行了荟萃分析。结果表明，有机替代制度提高了作物产量（3.04%）和土壤生物肥力（土壤微生物熵碳、土壤微生物熵氮、微生物丰富度、香农指数和功能分别提高 11.4%、21.1%、10.2%、3.95% 和 38.5%），减少了土壤氮损失（N2O 排放、NH3 挥发和土壤氮淋失分别减少 26.5%、26.1% 和 33.8%），但增加了 CO2 排放（19.4%）和稻田 CH4 排放（41.2%）。在酸性土壤和长期试验中，作物生产力和土壤生物肥力在有机氮中等替代率下有更大的积极反应，但完全替代则会显著降低作物产量。此外，土壤生物肥力和作物产量的提高在有机物料投入后约 10-14 年和约 22 年达到饱和。随着替代率的增加，CO2、CH4和N2O的排放量显著增加，而氮淋失则相反。在酸性和粗质土壤中，有机替代制度对NH3 挥发有积极影响。与水田相比，有机替代制度更有利于减轻旱地土壤的碳氮损失响应（二氧化碳排放除外）。因此，实施有机替代制度需要采取因地制宜的策略，以更好地实现提高作物产量和减少环境效益之间的平衡。此外，我们提出了一个预测模型来初步评估有机替代制度的改善潜力。这项研究将为有机物料在农业生态系统中的合理应用提供科学指导。

图形摘要

图1 研究地点

研究结果

有机物料的投入提高作物产量（3.04%；CI：2.42%-3.67%）、土壤 pH 值（4.01%；CI：3.13%-4.90%）、二氧化碳排放量（19.4%；CI：16.1%-22.8%）、土壤微生物熵碳（11.4%；CI：（9. 69%-13.2%）和微生物熵氮（21.1%；CI:18.7%-23.5%）、土壤微生物丰富度（10.2%；CI:8.65%-11.9%）、香农指数（3.95%；CI:2.63%-5.26%）和功能（38.5%；CI:36.3%-40.7%）。此外，有机替代制度分别减少了 26.5%（CI：-27.3%-25.7%）、26.1%（CI：-27.9%-24.1%）和 33.8%（CI：-35.6%-32.0%）的 N2O 排放、NH3 挥发和土壤氮淋失。有机物料的添加仅显著减少了旱地种植系统 18.5% 的 CH4 排放（CI：-20.3%-16.7%），但增加了水田 41.2% 的 CH4 排放（CI：37.0%-45.6%）。

图2 作物生产力、土壤碳氮损失和生物肥力加权响应比的空间分布

随机森林模型解释了作物产量、土壤碳和氮损失以及生物肥力对有机物料应用响应的 14.6% 至 77.4% 的变化。作物产量对有机物料施用的响应受农艺管理因素、气候条件和初始土壤特性的影响，其中氮的投入是主要驱动因素。此外，RRpH 与初始 pH 值呈显著负相关。MAP 对 RRCH4 的影响最大，而初始 pH 对 RRN2O 和 RRpH 的影响最大，有机替代比例和土地利用类型是 RRNH3 和 RRN leaching的主要驱动因素。RRCH4 和 RRN leaching与 MAP 和土地利用类型显著正相关，而 RRN2O 和 RRNH3 与初始 pH 和 SR 显著负相关。此外，施肥时长和土壤初始 pH 值也是 RRqMBN 和 RRqMBC 的重要驱动因素。

图3 随机森林模型分析环境变量对作物生产力、土壤碳和氮损失以及生物肥力的加权响应比的相对重要性

作物产量、土壤碳和氮的损失以及生物肥力在时间尺度上对有机物料的投入呈非线性反应。RRYield 的增加在施用 22 年后达到一个断点，并在前 6 年表现出很强的变异性（CV=7.03%），大部分负值出现在这一区间（83.9%）。相比之下，RRpH 增加的断点约 27 年。有机替代制度引起的 RRN2O 增加和 RRN leaching减少分别在有机物料施用后 14 年和 19 年达到断点，此后，它们趋于稳定。大部分氮淋失发生在水稻田中。施用有机物料导致的 RRqMBC、RRqMBN、RRRichness、RRShannon 和 RRFunctionality 的增加在施用后约 10-14 年达到断点。

图4 有机物料输入在时间尺度上的非线性响应和断点

研究展望

有机替代制度对作物生产力、土壤碳氮损失和生物肥力的影响具有时空变异性。因此，我们建议单个地点的有机氮替代率应随着施肥时间的推移而动态调整。随着有机肥在早期（前几年）逐渐矿化，有机氮的替代率可以逐步提高，甚至完全替代。例如，在提高作物产量方面，只有相对较低的有机氮替代率才能确保短期内作物增产效应（附图）。然而，很少有关于动态有机物料替代化肥施用的案例研究来支持我们的假设。未来的研究应注重评估作物产量和土壤碳氮循环对有机替代比例动态变化的响应，以最大限度地发挥有机物料在农业生产中的作用，减少其对气候变化的负面影响，从而为田间有机物料合理施用提供科学指导。

中国农业科学院农业资源与农业区划研究所王西亚博士为第一作者，导师周卫院士与何萍研究员为共同通讯作者。该成果得到了农田智慧施肥项目、国家农业产业体系等资助。