《Frontiers in Plant Science》：Effects of fertilization measures on soil fertility and crop yields in drylands of the North China Plain: a meta-analysis
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本综述通过荟萃分析系统评价了华北平原三种施肥模式（单施化肥CF、单施有机肥OF、有机无机配施COF）对土壤肥力（有机质SOM、全氮TN、速效磷AP、速效钾AK等）、土壤微生物生物量碳/氮（SMBC/SMBN）及关键酶活性（脲酶UA、蔗糖酶SA、磷酸酶PA）的影响，揭示了有机无机配施在提升作物产量（小麦增产72.03%，玉米增产49.63%）和维持土壤健康方面的协同优势，并为该区域制定了优化施肥方案（氮肥150–225 kg·ha?1，磷肥60–90 kg·ha?1，钾肥30–60 kg·ha?1，有机肥7.5–9 t·ha?1），为农业可持续发展提供了关键依据。
引言
粮食供应安全是国家长治久安的重要基石。作为中国最主要的小麦产区，华北平原提供了全国约80%的小麦供应，占全球小麦产量的14%。该平原也是世界上人口最密集、农业最集约化的区域之一，拥有中国25%的耕地。该地区主导的种植模式是冬小麦-夏玉米一年两熟制。施肥是维持土壤肥力的普遍措施。自20世纪80年代以来，华北平原的农田一直依赖“高投入、高产出”的集约化施肥模式，肥料施用驱动了作物年产量的增长。然而，数据显示，该地区的施肥强度高达350–450 kg·ha?1，远高于全国平均水平，但作物产量并未随施肥水平同步增加。施肥的增产效应和边际增值产出均呈下降趋势，同时还导致了土壤酸化和盐渍化等问题。
土壤肥力是农业生产的基础，主要由土壤中易利用碳（C）和氮（N）的有效供应决定。土壤有机碳（SOC）是土壤肥力的关键调节因子，通过改善土壤结构和调节化学环境来维持土壤生态系统服务，促进作物生长和产量提升。此外，土壤有机碳与全氮（TN）的比值是评估土壤肥力的关键量化指标。土壤微生物生物量碳（SMBC）和氮（SMBN）是土壤活性碳、氮库的核心组成部分，能将复杂的有机碳和氮转化为植物易利用的养分。土壤酶活性调控着有机养分向有效形态的转化，反映了微生物群落的功能，对维持群落平衡和稳定的土壤生态过程至关重要。
华北平原当前的施肥实践存在显著多样性，现有研究关于不同施肥方法效果的结论变异性大。单个田间试验受区域因素、气候条件和种植历史限制，难以揭示不同施肥措施的普遍规律。本研究采用荟萃分析方法，定量评估了施肥实践对华北平原两大粮食作物——小麦和玉米产量的影响，探讨了不同施肥方式对农业生产力、养分积累和可持续性的作用，旨在为优化该地区施肥策略、支持化肥减量政策实施、促进区域农业可持续发展提供科学证据。
材料与方法
数据来源于中国知网（CNKI）、万方（Wanfang）和Web of Science数据库，检索时间跨度为1995年至2025年，关键词包括“施肥”、“化肥（CF）”、“有机肥（OF）”、“有机无机配施（COF）”、“华北平原”、“小麦和玉米”、“产量”等。根据荟萃分析方法和研究目标，按特定标准筛选文献，最终纳入63项小麦研究（1065个数据集）和34项玉米研究（631个数据集）。同时收集了试验地点、土壤性质（质地、pH、有机碳、全氮含量）、气象指标（年均温、年降水量）和管理措施（秸秆还田、氮磷钾肥用量）等数据。
数据分析中，采用对数响应比（RR）来评估不同施肥处理对土壤养分和作物产量的影响程度。通过计算95%置信区间（CI）来判断效应的显著性。若CI包含零，则效应不显著；若CI最小值大于零，则施肥显著增产；若CI最大值小于零，则施肥显著减产（P < 0.05）。数据异质性检验后，选择固定效应模型或随机效应模型进行分析。利用R软件的“随机森林”包评估各因素对作物产量效应的贡献率。
结果
不同施肥措施对小麦和玉米产量的影响
与不施肥对照（CK）相比，施肥使小麦和玉米的平均产量分别提高了65.12%和35.64%。有机无机配施（COF）对小麦和玉米的增产效果最佳，分别达72.03%和49.63%；单施化肥（CF）次之，分别为68.76%和28.21%；单施有机肥（OF）的增产幅度最低，分别为3.42%和12.15%。在小麦季，单施化肥和有机无机配施均能显著提高小麦产量，且效果显著优于单施有机肥。在玉米季，三种施肥措施均能显著增产，但有机无机配施的效果显著优于其他处理，而单施化肥与单施有机肥之间的增产效果无显著差异。这表明有机无机配施对小麦的增产效果强于玉米，而单施有机肥在玉米季相对更有效，这可能与小麦和玉米生长阶段的环境条件及养分吸收特性差异有关。
施肥措施对土壤养分提升的影响
在小麦收获期，所有施肥处理均提高了土壤养分含量。施肥使土壤有机质（SOM）平均增加41%，其中单施有机肥的增幅最大（61.32%），与有机无机配施（48.81%）无显著差异，但两者均显著高于单施化肥（26.92%）。土壤全氮（TN）平均增加38.54%，有机无机配施的增幅最高（64.08%），显著高于单施化肥或有机肥。土壤全磷（TP）、速效磷（AP）、速效钾（AK）和碱解氮（AHN）的增加幅度均表现为：有机无机配施 > 单施有机肥 > 单施化肥。有机无机配施下土壤TP的增加（33.12%）显著高于单施化肥（17.25%）。土壤AP平均增加55.25%，各处理间无显著差异。施肥使土壤AK和AHN含量分别增加31.89%和34.68%，有机无机配施和单施有机肥的增幅均显著高于单施化肥。
在玉米收获期，不同施肥处理下的养分增长趋势与小麦季相似，但增幅低于小麦季。单施有机肥对SOM的增幅最大（31.01%），其次是有机无机配施（20.70%），两者均显著优于单施化肥。土壤TN、TP和AK的平均增幅分别为17.97%、14.29%和7.84%，有机无机配施和单施有机肥的增幅均显著高于单施化肥。土壤AP和AHN的增幅分别为20.49%和13.65%，各施肥处理间无显著差异。
施肥对土壤微生物活性的影响
在小麦收获期，不同施肥处理对土壤微生物生物量碳（SMBC）、微生物生物量氮（SMBN）、蔗糖酶活性（SA）、脲酶活性（UA）和磷酸酶活性（PA）的提升幅度顺序为：有机无机配施 > 单施有机肥 > 单施化肥。所有施肥处理均提高了SMBC和SMBN，平均增幅分别为44.81%和34.42%。有机无机配施的增幅最大（SMBC 77.13%, SMBN 63.48%），单施有机肥次之（SMBC 43.86%, SMBN 33.12%），单施化肥的增强效应最弱。不同施肥下SMBC的增幅大于SMBN。有机无机配施显著优于单施有机肥，后者又显著优于单施化肥。土壤UA平均增加11.65%，有机无机配施（20.45%）显著高于单施化肥（5.15%）。施肥使土壤SA和PA分别增加17.5%和35.83%，有机无机配施和单施有机肥的效果均显著优于单施化肥。
在玉米收获期，各施肥处理下微生物生物量和酶活性的变化趋势与小麦季一致，但玉米季的SMBC、SMBN和酶活性增幅大于小麦季。SMBC和SMBN平均增幅分别为56.48%和43.10%。有机无机配施的增幅最大（SMBC 90.90%, SMBN 76.27%），单施有机肥次之（SMBC 62.55%, SMBN 43.28%），有机无机配施显著优于单施有机肥，后者又显著优于单施化肥。土壤UA、SA、PA的增幅顺序同样为：有机无机配施 > 单施有机肥 > 单施化肥。有机无机配施下的UA显著高于单施化肥，而SA和PA在有机无机配施和单施有机肥下均显著高于单施化肥。
施肥年限对增产趋势的影响
在相同施肥条件下，两种作物的产量响应趋势一致。当单施化肥时，随着施肥年限延长，增产趋势逐渐减弱，玉米的下降幅度大于小麦。预测小麦产量在257.75年后停止增长，而玉米产量在23.49年后即停止增长。相反，当单施有机肥时，随着施肥年限延长，增产趋势增强，玉米的增幅大于小麦。有机无机配施和单施有机肥均呈现上升趋势，且混合施肥的增产效果优于单施有机肥。
影响肥料效应因素的分析
气象因素的影响
华北平原年均温多在10°C–15°C之间。无论施用化肥、有机肥还是其组合，小麦和玉米在年均温13°C–14°C的地区增产幅度最大。单施化肥时，13°C–14°C地区的作物产量显著高于其他地区。玉米在13°C–14°C的产量也显著高于年均温低于13°C的地区。其他处理在不同温度区域的产量差异不显著。
单施化肥和单施有机肥条件下，产量随年均降水量的增加而增加。在有机无机配施下，年降水量500–800 mm时小麦增产最显著（126.51%），显著高于≤500 mm地区。玉米产量在年降水量>800 mm时达到峰值（52.88%），500–800 mm地区的产量也显著高于≤500 mm地区。
土壤基础性质的影响
土壤基础pH影响小麦和玉米产量。对于两种作物，所有施肥处理在pH 6–8的范围内增产幅度最大。
基础土壤有机质（SOM）对产量的影响相似。在相同基础SOM含量范围内，单施化肥、单施有机肥和有机无机配施的增产幅度相近。当有机质含量低于10 g·kg?1时，有机无机配施和单施有机肥的增产效果最大；而当有机质含量在10–15 g·kg?1时，单施化肥的增产效果最高，且小麦的增幅大于玉米。这表明施肥有助于在低SOM的田块获得更高产量。
施肥效应贡献因子分析
单施化肥时，土壤酶活性（UA, SA, PA）对小麦和玉米产量的贡献率分别为33.99%和49.12%，居首位，表明肥料可通过激活土壤酶加速养分转化从而直接增产。酶活性对玉米产量的贡献比小麦高15.13%。同时，微生物碳氮对小麦产量的贡献（20.44%）显著高于玉米（9.17%），表明小麦对微生物碳氮介导的养分供应更敏感。
单施有机肥时，土壤养分对小麦和玉米生长的贡献率分别为36.02%和44.69%。气象因素对小麦营养的贡献（27.83%）显著高于化肥处理，可能因为施用有机肥的麦田对水热条件更敏感。而对玉米而言，气象因素的贡献（21.4%）低于酶活性（22.42%），表明玉米对有机肥的利用受天气影响较小，更依赖于酶促转化。
有机无机配施时，土壤养分、酶活性和气象因素之间的贡献差距缩小。微生物碳氮的贡献（小麦5.47%，玉米5.11%）低于单施化肥和单施有机肥，表明配施可以协调各因素效应，降低对单一因素的依赖，增强产量稳定性。养分更易被作物直接吸收，微生物碳氮积累受竞争影响较小。
有机无机配施下不同肥料用量对作物产量的影响
研究表明，小麦季配施氮肥120–225 kg·ha?1、磷肥60–120 kg·ha?1、钾肥30–60 kg·ha?1、有机肥7500–15000 kg·ha?1时，粮食产量增幅最大。玉米季配施氮肥150–225 kg·ha?1、磷肥45–90 kg·ha?1、钾肥30–60 kg·ha?1、有机肥6000–9000 kg·ha?1时，产量增幅最大。在所有肥料处理下，小麦的增产幅度均高于玉米。氮肥对产量影响最显著，而有机肥对产量的效应更稳定。
讨论
肥料对土壤生产力、养分和微生物的影响分析
作物产量是植物发育最直接的指标。施肥能有效提升土壤肥力和作物生产力，从而在一定范围内增加产量。荟萃分析表明，施肥引起的土壤肥力改善显著提高了作物产量。比较单施化肥、单施有机肥和有机无机配施发现，两种作物的增产模式均为：有机无机配施 > 单施化肥 > 单施有机肥。这主要得益于配施的协同效应，平衡了化肥的快速养分释放和有机肥的缓效供应，显著提高了各生长阶段的叶绿素含量，从而增强光合作用，促进干物质积累，改善产量形成。与化肥相比，有机肥吸收率低、释放慢、作物吸收少，因此影响作物产量和矿物质含量。有机肥使玉米比小麦多增产8.73%，可能与季节高温加速了土壤养分释放速率以供玉米吸收有关。
作物增产与土壤养分、SMBC、SMBN和酶活性密切相关。在不同施肥处理下，土壤养分对产量贡献显著。施用有机肥后，小麦和玉米的土壤有机质增加显著高于单施化肥，而与有机无机复混肥处理无显著差异。TP、AP、AK、AHN、SMBC、SMBN及酶活性的增量顺序均为有机无机复混肥最高，其次为有机肥。所有施肥处理下，收获期的养分积累量小麦季高于玉米季，而微生物生物量碳氮和酶活性则是玉米季高于小麦季。玉米（C4）的光合速率比小麦高30%–40%，光合产物积累更快。其90%以上的根生物量集中在0–25 cm土层，能快速捕获耕层养分，生长季生物量增长迅速。小麦（C3）光合速率适中，根系较深，50–75 cm土层根生物量是玉米的2.9倍，表明其固碳潜力更大。29年的田间数据表明，在华北平原相同施肥制度下，小麦-玉米轮作系统中的小麦对氮、磷、钾的吸收量分别比玉米少约25%、25%和30%。系统分析证实小麦的氮磷钾吸收速率显著低于玉米，但小麦的收获指数更高。在相同施肥方法和用量下，小麦的养分积累显著高于玉米。小麦深根系，加上秸秆残体高C/N比和缓慢分解，导致大量速效养分保留在耕层。但其生长期气温较低，限制了土壤微生物生物量和脲酶、蔗糖酶等酶活性。相反，玉米生长在一年中最热的月份，温度升高加速了土壤有机质分解，促进微生物增殖和生物量积累，显著增加了土壤微生物生物量碳氮含量。有机无机配施的协同效应既提高了有机质含量，又富集了碳、氮、磷、钾等关键养分，为微生物创造了最佳生长条件，显著提高了脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性。
长期施肥改变土壤性质，进而影响增产效果。长期单施化肥通过硝化作用进一步降低土壤pH，抑制微生物活性，破坏土壤结构。有机肥富含有机质和有益微生物，通过微生物代谢产生大量有机酸，活化土壤中的缓效养分，延长了有效养分的供应周期，为土壤微生物提供了充足的碳源和氮源，显著增加SMBC和SMBN含量，并丰富了生物多样性。研究证实作物产量与土壤碱解氮、碱性磷酸酶活性、脲酶活性、蛋白酶活性、微生物生物量及氮含量呈显著正相关。本研究发现，将有机无机配施作为一种高效施肥策略，可使小麦和玉米在氮肥用量150–225 kg·ha?1、磷肥60–90 kg·ha?1、钾肥30–60 kg·ha?1、有机肥7500–9000 kg·ha?1的范围内获得最佳产量。此法不仅实现了减肥增产，还改善了土壤理化性质和生物活性。
基础土壤性质的影响
土壤pH在养分供应、维持微生物多样性和调节土壤酶活性方面起着关键作用。土壤pH的变化直接影响土壤-作物系统内物质循环和能量转化的效率。降水量增加常导致土壤pH降低，这可能与华北平原年降水量≥500 mm地区观测到的较高增产幅度相关。在该区域内，土壤pH与年均温和年降水量呈显著负相关。此外，土壤pH强烈影响作物对有效养分的吸收，并对土壤微生物活性产生显著影响。在酸性土壤条件下（pH < 6.5），磷被铝和铁固定，而钙、镁、钼被胶体吸附，无法被根系吸收，导致养分缺乏和减产。研究表明，化肥配施2.5 t·ha?1有机肥可提高酸性土壤pH并增加水稻产量。化肥配施7.5 t·ha?1有机肥可显著降低碱性土壤pH并提高小麦产量。对大多数作物而言，中性土壤提供了最佳生长条件，具有较高的矿质养分吸收效率。本研究发现，小麦和玉米在pH 6.5至8的范围内增产幅度最大，这可能与华北平原土壤主要为碱性有关。作物品种通常具有耐盐性，而施肥和环境条件等因素可在小麦生长期间改变土壤pH，从而影响产量。
土壤有机质（SOM）在土壤肥力和理化性质中居于核心地位，直接影响土壤功能。当基础SOM含量低于10 g·kg?1时，单施有机肥和有机无机复混肥的增产效果最大。反之，当SOM含量在10–15 g·kg?1之间时，单施化肥的增产效益最高。施用有机肥或有机无机复合肥通过改善土壤性质和提升肥力来增加产量。单施化肥仅在较高SOM水平下显示增产效应。随着SOM持续增加，土壤基质肥力改善，施肥的增产效应呈现递减趋势。
结论
通过对华北平原农田30年施肥研究（包括单施化肥、单施有机肥和有机无机配施）进行荟萃分析，得出以下结论：
- 1.
短期内在华北平原农田施用化肥和有机无机配施对小麦的增产效果优于玉米。而在单施有机肥下，玉米的增产效果比小麦更显著。
- 2.
施肥在基础土壤pH 6–8、SOM低于15 g·kg?1、年均温13°C–14°C、年降水量超过500 mm的田块增产幅度最大。
- 3.
长期单施化肥已显现增产趋势减缓，而有机无机配施可持续增产并减少单一因素对生产的影响。小麦和玉米的统一综合施肥推荐量为：氮肥150–225 kg·ha?1，磷肥60–90 kg·ha?1，钾肥30–60 kg·ha?1，辅以有机肥7.5–9 t·ha?1。此法可在减少化肥用量的同时稳定产量、提升地力。
