整合分析不同施肥運籌下中國農田土壤微生物量的變化特征

(甘肅省農業科學院 作物研究所，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

施肥是增加土壤養分、提高土壤肥力最有效的農業措施，不同的施肥措施影響土壤的質量和可持續發展。土壤微生物量(Soil Microbial Biomass，SMB)作為土壤活性養分的儲備庫，是評價土壤質量、反映微生物群落狀態與功能變化的重要指標。土壤微生物活性與土壤健康質量緊密相關，以土壤微生物活性變化為指標建立的土壤生物學預警體系對發展現代有機農業具有重要意義[1-2]。

長期定位試驗是研究農田長期生態過程中環境效應和調控措施的重要手段，不僅可以了解農田生態系統的長期變化過程，還能探究人為干擾和環境變化所帶來的長期效應及響應機制[3]。大量研究表明，長期施用廄肥可以顯著提高土壤微生物量碳(Soil microbial biomass carbon,SMBC)和土壤微生物量氮(Soil microbial biomass nitrogen,SMBN)含量、土壤呼吸強度，且隨著廄肥施用量的增加，SMBC和SMBN增加越明顯[4-6]。郭成藏等[7]研究發現，長期秸稈還田(15 a)可以顯著提高連作棉田SMBC、SMBN和微生物量磷(Soil Microbial Biomass Phosphorus,SMBP)含量，且可以緩解棉花連作所帶來的不利影響，有利于維持和提高土壤質量和土壤肥力。徐一蘭等[8]通過29 a的長期定位試驗發現，廄肥和無機肥配施顯著提高雙季稻田SMBC、SMBN含量以及微生物熵。此外，稻-麥輪作系統中，長期施用豬廄肥可減少10%～15%的全球增溫潛勢(GWP)[9]。由于不同研究中氣候條件、土壤類型、耕作措施以及施肥種類的不同，導致SMBC和SMBN對不同外界因素和人為擾動的響應程度呈現多樣性和不確定性。雖然近年來我國學者在土壤微生物領域開展了大量的研究，但是，關于施肥措施對SMBC和SMBN的影響大多集中在單一的研究區域，而大尺度多個試驗點綜合研究鮮有報道。本研究通過整合分析，定量分析長期不同施肥措施下中國農田耕層SMBC和SMBN 含量變化特征、時空分異特征及其潛在的影響因素，以期為制定合理的農田管理培肥措施，保障國家糧食安全和緩解氣候變化提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源和數據庫建立

本文通過ISI Web of Science (1990-2015) (http://apps.webofknowledge.com/)和中國知網(http://www.cnki.net/)，收集國內外有關我國農田施肥試驗的研究文獻，并對文獻進行篩選，建立我國農田耕層 SMBC和SMBN數據庫。數據庫主要包括試驗點具體位置(經緯度)、土壤質地、種植強度、施肥處理、施肥年限以及SMBC和SMBN含量數據。

本研究中文獻篩選的標準如下：(1)研究區域為我國農田，主要包括小麥、玉米、水稻和大豆田；(2)施肥措施包括對照(不施肥，CK)和施肥處理，施肥處理至少有一種；施肥處理主要包括：不平衡施肥(UCF)包括一種或兩種類型的化肥，如N、P或K肥；平衡施肥(CF)包括N、P和K肥；秸稈還田(S)，秸稈和化肥配施(CFS)；廄肥(M)，廄肥和化肥配施(CFM)；(3)試驗為施肥年限≥3 a的長期田間定位試驗；(4)土樣采自耕層土壤(0～30 cm)。經過篩選，最終獲得符合標準的有效文獻70篇，其中，空間分布(東北地區，20篇；西北地區，14篇；東南地區，26篇)；施肥年限(<10 a，8篇;11～20 a，37篇;>20 a，25篇)和土壤質地(黏土，31篇；粉砂壤土，16篇；壤土，9篇；沙壤土，14篇)。

1.2 數據分析

采用均數差(MD)作為整合分析效應大小的度量標準，此指標反映了施肥處理對土壤微生物變化的相對大小，計算公式為[10]：

MD=Xt-Xc

(1)

其中：Xt和Xc分別為試驗組和對照組的平均值，而方差計算公式為：

(2)

其中：St、Sc、nt和nc分別為試驗組和對照組的標準差，試驗組和對照組的樣本數。

在整合分析中，加權均數差(WMD)具有更小的變異性和較高的精確性，從而能夠提高統計精度。WMD通過以下公式計算：

(3)

其中：wi是整合效應大小的加權系數，是樣方差的倒數，即：wi=1/v

95%置信區間(95%CI)的計算公式為：

95%Cl=meanall±(1.96×v0.5)

(4)

整合分析中的WMD值，通過 R中的 “Meta”包進行計算[12-13]，采用隨機效應模型，得到不同施肥處理的WMD及其95%CI。如果95%CI包含0，則說明與對照相比，該處理對 SMBC和SMBN含量沒有顯著的影響；若95%CI >0，說明該處理能夠顯著增加SMBC和SMBN含量。反之，該處理則顯著降低SMBC和SMBN含量[14]。

為了準確分析中國農田SMBC和SMBN含量的變化情況，通過空間分布、施肥年限以及土壤質地進行亞組分析，由于秸稈覆蓋處理(S)處理數據較少，本文僅對UCF、CF、CFS、M和CFM處理下的SMBC和SMBN量進行亞組分析。數據分類如表1所述。

表1 數據分類及依據Table 1 Groups used in the meta-analysis

注：由于長期定位試驗點的數量限制，本研究分類分析了3個農田類型區，分別為東北區(NE)、西北區(NW)和東南區(SE)。
Note:The group study,based on data from limited long-term experimental sites,analyzed three types of farmlands including northeast China(NE),northwest China(NW)and southeast China (SE).

2 結 果

2.1 土壤微生物量碳氮含量

不同施肥處理下，SMBC含量高低的次序依次是：S>CFS>M>CFM>CF>UCF，其平均值分別是515 mg·kg-1、464 mg·kg-1、421 mg·kg-1、385 mg·kg-1、331 mg·kg-1和274 mg·kg-1(圖1)。

不同施肥處理下，SMBN含量高低的次序依次是： M>S>CFM>CFS>CF>UCF，其平均值分別是69.2 mg·kg-1、60.5 mg·kg-1、57.5 mg·kg-1、48.4 mg·kg-1、46.0 mg·kg-1和29.8 mg·kg-1(圖1)。

2.2 土壤微生物碳氮效應值的變化規律

長期試驗中，不同施肥處理對 SMBC和SMBN 含量變化均有不同程度的影響。整合分析結果表明，與CK相比，不同施肥處理均能提高農田耕層SMBC和SMBN含量，且差異達到顯著水平(圖1)。其中，M處理下SMBC和SMBN效應值最高，分別為2.89和2.56，UCF處理下SMBC和SMBN效應值最低，分別為1.55和1.70。不同施肥中，廄肥組(CFM和M)SMBC效應值顯著高于秸稈還田組(CFS和S)和無機肥組(CF和UCF)的效應值(圖2a)；廄肥組(CFM和M)SMBN的效應值顯著高于無機肥組(CF和UCF)的效應值(圖2b)。

注：CFM：廄肥和化肥配施；M：廄肥；CFS：秸稈還田與化肥配施；S：秸稈還田；CF：平衡施肥(NPK)；UCF：不平衡施肥。圖中數字為樣本數，下同。Note:CFM：Combination of manure and chemical fertilizers; M: Manure; CFS：Combination of manure and straw returning；S：Straw returning；CF：Balanced fertilization(NPK)；UCF：Unbalanced fertilization.Data in the figure are sample numbers.The same is as below.圖1 不同施肥處理下SMBC和SMBN的含量Fig.1 SMBC and SMBN contents with different fertilization treatments

2.3 土壤微生物量碳氮變化空間特征

相同施肥處理在不同區域的作用也存在差異。整合分析結果表明，廄肥處理(CFM和M)均顯著增加3個農田類型區域 SMBC含量(圖3a)，而CFS、CF處理下東北區和UCF處理下東北區和西北區對SMBC含量變化沒有顯著的影響。在CF處理下，西北區SMBC含量顯著高于東南區和東北區。

除M處理下西北區(樣本數較少，其置信區間較大，變異較大)以及UCF處理下3個地區，施肥處理均能顯著提高SMBN含量(圖3b)。而在東北區，UCF處理降低了SMBN含量，但未達到顯著差異水平。所有的施肥處理下，SMBN變化量的區域分異特征表現出一致性，即西北區>東南區>東北區。

2.4 土壤微生物量碳氮變化的時間特征

隨著施肥時間的延長，SMBC變化量呈增加的趨勢。除CF處理下，施肥時間不超過10 a外，3個時期在各施肥措施下均能提高SMBC含量且達到顯著水平(圖4a)。3 個時期中，廄肥組(CFM和M)SMBC含量最高。在CFM、CFS和CF處理下早期樣本數較少，其95%的置信區間較大，變異也較大。

圖2 不同施肥處理下SMBC(a)和SMBN(b)的加權均數差Fig.2 Weighted mean difference of SMBC(a) and SMBN(b) with different fertilization treatments

圖3 不同區域 SMBC(a)和SMBN(b)的加權均數差Fig.3 Weighted mean difference of SMBC (a) and SMBN (b) in different farmland regions

除UCF處理外，3個時期在各施肥措施下均能顯著提高SMBN含量(圖4b)。在CF處理下，SMBN隨施肥年限的增加而增加；而M處理下，SMBN隨著施肥年限增加而降低。在CFM、CFS和UCF處理下，SMBN隨著施肥年限的延長呈現出先降低后增加的變化趨勢。在CFM和CFS處理下早期樣本數較少，其95%的置信區間較大，變異也較大。

圖4 不同施肥年限SMBC(a)和SMBN(b)的加權均數差Fig.4 Weighted mean difference of SMBC (a) and SMBN (b) in different fertilization duration

2.5 土壤質地對SMBC和SMBN變化的影響

不同時期農業管理措施、耕作管理制度等都不盡相同，導致相同施肥處理在不同土壤質地中 SMBC和SMBN 變化量也不盡相同。整合分析結果表明，除CF和UCF處理下粉砂壤土中，4種土壤質地在各施肥措施下均能顯著提高SMBC含量(圖5a)。其中在CFM和M處理下，壤土中SMBC含量最高；而在CFS、CF和UCF處理下，沙壤土中的SMBC含量最高。在所有施肥處理下，沙壤土樣本數較少，其95%的置信區間較大，變異也較大。

除UCF處理外，黏土、粉砂壤土和壤土在各施肥措施下均能顯著提高SMBN含量(圖5b)。其中，UCF處理下粉砂壤土降低了SMBN含量，但差異未達到顯著水平。在CFM、M和CFS處理下，沙壤土中的SMBN含量最高；而在CF處理下，粉砂壤土的SMBN含量最高。在UCF處理下，沙壤土樣本數較少，其 95%的置信區間較大，變異也較大。

3 討 論

3.1 SMBC和SMBN變化對施肥的響應

集約化農業管理措施，尤其是化肥的投入對土壤物理和生化過程有明顯的影響，直接影響土壤微生物群落功能和結構，從而降低了SMBC和SMBN含量[15]。在長期的施肥過程中，SMB酶活性與碳的投入量相關，尤其與活性有機碳含量密切相關[16-17]。大量研究表明，不平衡施肥(僅施N肥)不僅降低了SMBC和SMBN含量，而且降低了與N循環相關酶的活性[18-21]。本研究中，與其它施肥處理相比，不平衡施肥處理下的SMBC和SMBN變化量最低。然而，Kallenbach和Grandy[21]通過整合分析發現，SMBC含量與施N量呈正相關關系，在高N量(>200 kg·hm-2·a-1)條件下SMBC含量最高，在適度N量(100～200 kg·hm-2·a-1)條件下，SMBN含量最高。然而，關于施N后降低SMBC和SMBN含量的確切機制尚不清楚[22-23]。已有研究表明，pH是影響SMBC循環過程的主要驅動因子[24]。于鎮華等[25]研究結果表明，廄肥配施化肥(CFM)能夠顯著增加土壤可溶性有機碳，尤其是提高蔗糖酶活性的優勢更為明顯。已有研究發現，在不同的生態系統中，SMBC、SMBN以及C、N循環相關的酶活性與施肥年限和年平均溫度呈正相關關系，其原因可能是N直接影響細菌群落的多樣性，間接影響細菌群落的組成[20,26]。

圖5 不同土壤質地SMBC(a)和SMBN(b)的加權均數差Fig 5 Weighted mean difference of SMBC (a) and SMBN (b) with different soil textures

3.2 空間分布

已有研究結果表明，SMB空間分布與作物生產力相關[21,27]。Goyal等[28]通過10 a以上的研究發現，廄肥和化肥配施(CFM)下SMBC和SMBN含量顯著高于單施化肥，主要原因是廄肥增加了根系生物量及根系分泌物，促進了微生物生長繁殖。已有研究表明，相比施用化肥，施用有機肥對 SMBC 和 SMBN 含量在不同氣候區的影響程度不同，與各氣候區的溫度、降水和養分轉化及有效性的差異相關[21,29]。Kallenbach 和Grandy[21]研究發現，SMB主要受氣候變化的影響，而氣候變化主要影響C沉降速率和微生物生長速率，而對作物生產力沒有顯著的影響。主要原因是不同地域管理措施(灌溉、施肥等)可使作物生產力達到相似的水平，而SMB卻存在很大的差異。本研究發現，與東南和東北地區相比較，西北地區對SMBC和SMBN變化有顯著的影響，這與前人的研究是相似的。在東北地區，低溫是抑制微生物活性以及微生物的生長的主要因素。在東南地區，溫度雖然不是主要的限制因素，但微生物活性和生長可能受到新輸入有機物料以及SMB大量繁殖的限制[21]。王傳杰等[30]研究結果表明氣候對SMBC和SMBN所占比例具有顯著影響，與本研究的結果一致。

3.3 施肥年限

施肥年限是SMBC和SMBN含量變化的主要影響因子。本研究結果表明，SMBC含量隨著施肥年限的增加而增加。除不平衡施肥(UCF)處理外，SMBN在施肥年限低于20 a條件下隨著施肥年限的增加而降低。 Geisseler 和Scow[31]在全球尺度上通過整合分析發現，至少需要施肥20 a，SMBC含量能達到最高值，這與本研究的結果相似。此外，Treseder[18]通過整合分析發現，長期施N肥顯著降低了微生物豐度，尤其在施N肥的前5 a。田康等[27]通過整合分析發現，在N處理中，短期(<11 a)觀測估算的土壤有機碳(SOC)變化速率分別是中期(11～20 a)和長期(>20 a)觀測的3.3和13倍。而除 N 處理外，其他的短期處理(<11 a)觀測估算的SOC變化速率平均分別是中期(11～20 a)和長期(>20 a)觀測的1.6和2.4倍。臧逸飛等[32]研究發現，長期施用有機肥增加了黑壚土碳源，土壤有機質較 CK(不施肥處理)增加了36.3%～65.3%，這是SOC含量增加的根本原因，并通過增加SMBC含量表現出來。然而，在施入有機肥條件下，大多數研究主要集中在不同土壤類型/氣候變化和試驗條件對SMBC和SOC含量變化的影響，而任鳳玲等[29]通過整合分析探究了不同氣候和土壤條件下(土壤利用類型以及pH)有機肥施用后農田 SMBC和SMBN的變化規律，提出每年有機肥碳、氮投入量每增加1 kg·hm-2，SMBC和SMBN含量分別增加0.03 mg·kg-1和0.14 mg·kg-1。

3.4 研究局限以及展望

由于受試驗數據的限制，從而導致整合分析獲得的SMBC和SMBN變化量存在一定的不確定性。同時，SBMC和SBMN 變化是多種因素共同作用的結果，各影響因素之間并非完全相互獨立的，而可能存在一定的交互作用，而本研究沒有深入分析施肥與其他管理措施的交互作用。

土地集約化對保障我國糧食安全發揮了巨大的作用，但其長期的土地高強度利用和農用化肥過量投入(過去40 a，化肥用量增加了700%)的負面影響也日益顯現，導致土壤出現不同程度的退化，給生態系統本身與環境以及糧食安全都帶來了巨大壓力和嚴重威脅[33-35]。廄肥(CFM和M)的施用在減輕土地利用集約化的負面影響方面發揮重要作用。因此，CFM可能增加土壤C輸入，具有維持和恢復土壤質量和SMB的潛力。

4 結 論

(1)與對照(CK)相比，所有施肥措施均能顯著增加土壤耕層中SMBC和SMBN的含量。其中，廄肥(M)處理下的SMBC和SMBN增量最高，不平衡施肥(UCF)處理下增量最低；廄肥處理(CFM和M)處理下的SMBC和SMBN增量遠大于單施化肥。

(2)不同施肥措施下土壤耕層中的SMBC和SMBN變化存在空間分異特征，尤其在我國西北地區，廄肥配施化肥(CFM)能夠顯著增加SMBC和SMBN含量。

(3)SMBC隨施肥年限的增加呈現增加的趨勢，至少施肥20 a，SMBC才能夠達到最高值。