不同气候与施肥条件下农田土壤微生物生物量特征与容量分析

王传杰，肖婧,2，蔡岸冬，张文菊，徐明岗

（1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081；2武汉理工大学， 武汉 430070）

不同气候与施肥条件下农田土壤微生物生物量特征与容量分析

王传杰1，肖婧1,2，蔡岸冬1，张文菊1，徐明岗1

（1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081；2武汉理工大学， 武汉 430070）

【目的】土壤微生物生物量是土壤生物肥力的重要指标，是土壤养分重要的周转库。探讨不同气候和施肥条件下土壤微生物生物量（生物量碳、氮）的特征及容量，对于深刻认识土壤微生物生物量的影响因素及提高土壤生物肥力具有重要意义。【方法】本研究从中国知网、万方和web of Science 3个文献数据库，以“土壤微生物生物量”、“中国农田”和 “长期施肥”为关键词，共收集目标文献42篇，包括458组含土壤有机碳（SOC）与土壤微生物生物量碳（SMBC）和414组含土壤全氮（TN）与土壤微生物生物量氮（SMBN）的数据集，涵盖了4种气候下的2类施肥条件（施有机肥：单施或配施，＋OM；不施有机肥：无肥和化肥，－OM）。土壤微生物熵（SMBC/SOC）和SMBN/TN的中值差异性均采用Kruskal-Wallis H 单向显著性检验（P＜0.05），容量分析采用界限分析方法。【结果】统计分析结果表明，不同施肥处理下，SMBC与SOC和SMBN与TN之间均存在显著线性正相关关系（P＜0.01），长期施用有机肥条件下，土壤微生物生物量碳、氮对土壤有机碳和全氮增加的响应系数分别为24.77和30.27，显著高于化肥或不施肥条件（分别为19.88和19.86）（P＜0.05）。界限分析结果显示，不同施肥措施下SMBC对SOC增加响应的最大值为33.45—36.00，SMBN对TN的最大响应系数为45.45—49.79，当前条件下SMBC和SMBN还有37.99%和49.66%的提升空间。不同气候条件下SMBC/SOC和SMBN/TN均存在显著差异（P＜0.05），其中，中温带半干旱半湿润区 SMBC/SOC的中值最高为 2.73%，其次为亚热带湿润区（2.45%）和暖温带湿润区（2.31%），中温带湿润区最低为1.48%；SMBN/TN的中值大小顺序为：暖温带湿润区（4.72%）＞中温带半干旱半湿润区（3.50%）＞亚热带湿润区（2.99%）＞中温带湿润区（1.80%）。不同施肥条件下SMBC/SOC和SMBN/TN的变化范围分别为0.35%—6.50%和0.50%—9.72%，但其中值并无显著差异（P＞0.05）。对于同一气候条件不同施肥措施而言，仅在中温带湿润区，施有机肥处理对微生物量碳（氮）占总有机碳（氮）的比例有显著影响（P＜0.05）。【结论】气候对土壤微生物生物量碳、氮所占比例具有显著影响，不同施肥模式虽然不能显著改变微生物生物量碳、氮的比例，但有机肥的施用对微生物生物量碳、氮的提升效果显著高于化肥或不施肥，该结果对于土壤生物肥力的调控有重要指导意义。

中国农田；施肥；气候；土壤微生物熵（SMBC/SOC）；土壤微生物生物量碳；土壤微生物生物量氮

0 引言

【研究意义】微生物是土壤中最活跃的组成[1]，是土壤养分循环的主要驱动者和植物可利用养分的重要来源之一[2-4]。微生物熵，即微生物生物量碳（soil microbial biomass carbon，SMBC）与土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）的比值（SMBC/SOC），是反映土壤生态系统中碳平衡的指标，其变化反映了土壤中碳的损失和土壤矿化对有机质的固定[5]。微生物生物量氮（soil microbial biomass nitrogen，SMBN）与土壤全氮（total nitrogen，TN）含量的比值（SMBN/TN）表征微生物对土壤有效氮素的利用效率。土壤微生物熵和SMBN/TN的变化，能够从微生物学的角度揭示土壤肥力的差异，对土壤养分的固定有重要意义。【前人研究进展】自从土壤微生物量的测定方法应用以来[2-3]，人们对土壤微生物生物量进行了大量的研究[6-7]。许多研究结果表明，土壤微生物生物量间的差异主要是由不同的地理条件、气候、土地利用方式等因素造成[8-9]，温度和降雨能影响土壤微生物生存的微环境，进而改变土壤微生物生物量。但有关温度对微生物生物量碳影响的结论各不相同[10-11]，VERBURG等[12]发现较高土壤温度下微生物活性增强，DOMISCH等[13]则得到相反的结论，当土壤温度较高时，泥炭土壤中微生物生物量碳呈降低趋势。而 JOERGENSE等[14]却认为，除土壤温度的间接作用外（如影响植物生长），只有当其处于较低（低于 6℃）或较高（35℃以上）的情况下，才会对土壤微生物生物量产生大的影响，成为土壤微生物活动的主要限制因子。微生物生物量会随着水分的干湿交替而改变，当土壤湿度增加时，微生物量会随之上升；反之，土壤趋于干旱时，微生物量也逐渐下降[15]。ROSACKER等[16]和KIEFT等[17]发现草地土壤含水量增大到田间持水量的50%－60%时，微生物生物量碳明显增加，但在持续干旱条件下，微生物生物量碳显著下降。施肥作为改善土壤肥力的重要手段，对土壤微生物物量具有很大的影响。施用有机肥料可以显著提高土壤微生物生物量碳、氮的含量[18-22]，如臧逸飞等[20]通过26年的长期实验得出的研究结果表明，长期施用有机肥条件下土壤微生物量碳、氮含量高于单施无机肥的处理。施用化学肥料也有提高土壤微生物生物量的效应[23-24]，但过量的施用氮、磷、钾化肥，反而降低了土壤微生物生物量碳的含量[24]。总之，由于气候类型、施肥措施等不同，从而造成土壤微生物生物量碳、氮占土壤有机碳、全氮的比值也存在一定差别[25-27]。【本研究切入点】众多研究者均基于某一个或者某几个长期试验而进行的点位分析，因而其结果均因特定的气候类型和施肥措施存在较大差异。为了整体认识不同气候条件和施肥措施对农田土壤微生物生物量特征与容量的影响程度，须利用这些相对独立的研究进行大样本数据的综合分析。【拟解决的关键问题】通过对已发表的有关土壤微生物生物量的文献数据的收集和整合分析，分析不同气候及施肥措施下土壤微生物生物量碳、氮的特征及其容量，揭示其差异性和关键控制因素，为土壤生物肥力培育提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据搜集

本研究从中国知网、万方和Web of Science 3个文献数据库，以“土壤微生物生物量”、“中国农田”和“长期施肥”为关键词，筛选出已发表的文献 42篇，其中共收集到458组含土壤有机碳和土壤微生物生物量碳的相关数据集，414组含土壤全氮和土壤微生物生物量氮的相关数据，土壤深度均在0－20 cm。采用 Excel 2016 软件建立土壤元素及对应的土壤微生物生物量的信息表，内容主要有：土壤有机碳含量、土壤全氮含量、土壤微生物生物量碳、土壤微生物生物量氮、土壤类型、土地利用方式、气候类型及试验点位信息等，其中土壤类型包括黑垆土、潮土、棕壤、塿土、水稻土、灌漠土、褐土、石灰性土壤和黑土，土地利用方式包括旱地和水田（表 1）。在数据搜集过程中，如果数据是以图的形式展示，采用 GetData Graph Digitizer 2.24 软件来获得；原始数据中的土壤有机质（SOM）数据全部乘以有机碳转换系数 0.58转化为土壤有机碳（SOC）[28]。

1.2 统计分析

对于土壤微生物生物量碳、氮与土壤有机碳和全氮的响应关系采用回归分析，响应关系斜率的差异性比较采用t检验法[29]。由于算术平均数容易受一组数据中极端数值（特大或特小）的影响，本研究差异性检验均以中值进行。中值之间采用Kruskal-Wallis H单向显著性检验（P＜0.05）[30]。微生物生物量碳、氮的容量估算采用界限分析方法[30-31]，其基本原理是首先以横坐标数据的中间点为界点，分等横轴距离的左右两部分数据，分别取两部分纵坐标上部10%的数据，若数据呈显著相关关系（P＜0.01），则继续把横坐标数据分为等距的四部分，然后对四部分取纵坐标上部分10%的数据，若数据呈显著相关关系（P＜0.01），则循环此步骤，直到数据相关性不显著（P＞0.01），然后取前一次相关性显著的线性方程（P＜0.01），即为界限分析方程。本研究采用SPSS Statistics 19.0进行数据分析和Sigma Plot 10.0 软件进行绘图。

表1 不同气候、土壤类型、土地利用方式及施肥条件下土壤微生物熵（SMBC/SOC）和SMBN/TN的样本数分布Table 1 Sample numbers of SMBC/SOC and SMBN/TN under various climate zones, soil types, land uses and fertilization conditions

2 结果

2.1 不同施肥措施下土壤微生物生物量

2.1.1 不同施肥措施下土壤微生物生物量碳、氮 施用有机肥处理下SMBC和SMBN的中值（287.76 mg·kg-1和43.60 mg·kg-1）均显著高于不施用有机肥的处理（213.51 mg·kg-1和33.40 mg·kg-1）（P＜0.05）（表2）。对于SMBC/SOC（0.35%－6.50%）和SMBN/TN（0.50%－9.72%）而言，施用有机肥处理下中值分别为 1.90%和 3.00%；与不施用有机肥相比，并没有显著改变 SMBC/SOC（2.21%）和 SMBN/TN（3.00%）的值（P＞0.05）。

2.1.2 不同施肥措施下土壤微生物生物量碳、氮与土壤有机碳、全氮的关系 表3中不同施肥措施下，土壤微生物生物量碳对土壤有机碳和土壤微生物生物量氮对全氮的响应均存在显著线性正相关关系（P＜0.01），二者相关关系的斜率（或响应系数）反映了微生物生物量碳、氮对土壤碳、氮增加响应的敏感性。在施用有机肥条件下，土壤微生物生物量碳、氮对土壤有机碳和全氮增加的响应系数均显著高于化肥或不施肥条件（P＜0.05）。长期不施用有机肥和施用有机肥处理下，土壤微生物生物量碳对土壤有机碳响应系数分别为19.88和24.77，表明当土壤中有机碳增加一个单位（g·kg-1）时，微生物生物量碳分别增加19.88和24.77个单位（mg·kg-1）。土壤微生物生物量氮对全氮的响应系数分别为19.86和30.27，表明当土壤中增加一个单位（g·kg-1）的全氮时，微生物生物量氮分别增加19.86和30.27个单位（mg·kg-1）。

表2 不同施肥措施下土壤微生物生物量的相关统计量Table 2 The relative statistics of soil microbial biomass under different fertilization managements

表3 不同施肥措施下土壤微生物生物量碳、氮与土壤有机碳、全氮的关系Table 3 The correlation between soil microbial biomass (y) and soil element content (x) under different fertilization managements

2.2 不同施肥措施下土壤微生物生物量的容量分析

不同施肥措施下，土壤微生物生物量碳对土壤有机碳增加响应的最大值为 33.45－36.00，土壤微生物生物量氮对全氮的最大响应系数为 45.45－49.79，当前平均水平与该最大值相比，分别存在 37.99%和49.66%的提升空间（表 3）。不施用有机肥和施用有机肥处理下，土壤微生物生物量碳对土壤有机碳的最大响应系数分别为36.00和33.45，表明当土壤中有机碳增加一个单位（g·kg-1）时，不施用有机肥和施用有机肥处理下的微生物生物量碳最高分别可增加 36.00和33.45 个单位（mg·kg-1），较当前分别增加81.09%和35.04%；土壤微生物生物量氮对土壤全氮的最大响应系数分别为45.45和49.79，表明当土壤中增加一个单位（g·kg-1）的全氮时，不施用有机肥和施用有机肥处理下的微生物生物量氮分别增加45.45和49.80 个单位（mg·kg-1），较当前分别增加128.85%和64.49%。不同施肥措施下土壤微生物生物量碳、氮对土壤有机碳和全氮的最大响应系数均不存在显著差异（P＞0.05，表3）。

2.3 不同气候条件下土壤微生物生物量特征

不同气候条件下SMBC/SOC和SMBN/TN均存在显著差异（P＜0.05，图 1）。对于土壤 SMBC/SOC而言，中温带半干旱半湿润区的SMBC/SOC中值最高为2.73%，显著高于中温带湿润区（1.48%）和暖温带湿润区（2.31%），但与亚热带湿润区（2.45%）不存在显著差异（P＞0.05）；中温带湿润区的SMBC/SOC比值（1.48%）显著低于其他3个气候带（P＜0.05）。不同气候条件下SMBN/TN的中值大小顺序为暖温带湿润区（4.72%）＞中温带半干旱半湿润区（3.50%）＞亚热带湿润区（2.99%）＞中温带湿润区（1.80%）。

图 1 不同气候条件下土壤微生物熵（SMBC/SOC）和SMBN/TNFig. 1 The SMBC/SOC and SMBN/TN under different climate zones

在中温带湿润区，施用有机肥对微生物量碳、氮占土壤有机碳和全氮的比例的提升存在显著影响（P＜0.05）（图2）。在暖温带湿润区，施用有机肥仅对SMBN/TN的提升存在显著影响（P＜0.05）。在亚热带湿润区，不同施肥措施对 SMBC/SOC和SMBN/TN均不存在显著影响（P＞0.05）。在中温带半干旱半湿润区，不同施肥措施对SMBN/TN不存在显著影响（P＞0.05），而施用有机肥处理下SMBC/SOC（2.50%）的中值显著低于不施有机肥的处理（2.82%）。

3 讨论

土壤微生物生物量是土壤有机质中活性较高的部分，它是土壤养分周转的中间库，虽然在土壤中的绝对含量不大，但对于养分的转化和供应至关重要[32]。本研究结果表明，与不施用有机肥相比，施用有机肥能够显著增加土壤微生物生物量碳、氮。这主要是由于有机肥直接增加了微生物活动所需的碳源和氮源，使微生物同化作用加强[37]，直接促进了微生物生物量的增长，而且有机肥的长期施用通过改善土壤理化性质也有利于增强微生物的活性和生物量[4]；而施用化肥导致土壤板结、通气性变差及 pH下降等，对土壤微生物的生活环境造成不良影响，从而降低了土壤微生物的活性[39-40]，进而降低微生物生物量。

图2 不同气候和施肥条件下土壤微生物熵（SMBC/SOC）和SMBN/TNFig. 2 The characteristics of SMBC/SOC and SMBN/TN under various climate zones and fertilization managements

土壤微生物熵反映了土壤生态系统中碳平衡的指标[5]，本研究结果表明，土壤微生物熵的范围在0.35%－6.50%，这与前人的研究结果（1%－5%）基本一致[33-35]。土壤微生物生物量氮是土壤氮素的一个重要储备库，也是土壤有机氮中最为活跃的组分，在土壤氮循环与转化过程中起着重要的调节作用，研究表明，SMBN/TN的范围在0.50%－9.72%，这与前人的研究结果（2%－6%）相似[33-36]。全国范围内不同施肥措施并没有显著改变土壤微生物生物量碳、氮所占土壤有机碳、全氮的比例，这可能是由于土壤微生物生物量与土壤中养分增加趋势趋于一致，并且在大尺度范围内，施肥措施可能并不是影响土壤微生物量容量的主要因素。

土壤微生物生物量碳、氮对土壤有机碳和全氮的响应均存在显著线性正相关关系，表明土壤微生物生物量碳、氮随着土壤有机碳和全氮含量的增加而显著增加，二者相关关系的斜率反映了微生物生物量对土壤碳、氮增加响应的敏感性（或响应系数）。不同施肥措施下土壤微生物生物量碳、氮对土壤有机碳、全氮的响应均存在显著差异，有机肥的施用对微生物生物量碳、氮的提升效果显著高于化肥或不施肥，这与前人研究结果相同[4,41]。其原因可能是与不施用有机肥相比，长期施用有机肥下土壤中有机碳含量更高，当土壤中增加等量养分时需要更多的外源养分投入，而剩余未被土壤固定的养分则更多地被土壤微生物同化利用；所以当土壤中增加等量的养分时，施用有机肥条件下土壤微生物生物量增加的更多，从而能够固定更多的土壤养分，提高土壤生物肥力。界限分析表明，不同施肥措施下土壤微生物生物量碳、氮对土壤有机碳、全氮响应的最大系数均不存在显著差异，说明土壤微生物生物量碳、生物量氮均存在相同的最大容量，在当前施肥措施下土壤微生物生物量容量仍存在一定的提升空间，这对于提高土壤生物肥力、固定土壤养分以及促进土壤营养物质循环有重要意义。

本研究结果表明，气候条件对土壤微生物生物量容量存在不同程度的影响（图1）。许多研究结果表明，土壤微生物生物量间的差异主要是由不同的地理条件、气候等因素造成[8-9]，与本研究的结果相一致，即与施肥措施相比，气候因素对土壤微生物生物量碳、氮占土壤有机碳、全氮的比例影响更为显著。在中温带湿润区，SMBC/SOC和SMBN/TN的中值均显著低于其他 3个气候带，可能是由于该气候条件下温度低，限制了土壤微生物的活动，从而导致土壤微生物生物量碳、氮的下降。JOERGENSEN等[14]认为当温度低于6℃的情况下，会对土壤微生物生物量产生较大的影响，成为土壤微生物活动的主要限制因子，引起微生物生物量的大幅度下降。不同气候条件下SMBN/TN的中值均存在显著性差异，大小顺序为：暖温带湿润区（4.72%）＞中温带半干旱半湿润区（3.50%）＞亚热带湿润区（2.99%）＞中温带湿润区（1.80%），这与前人研究相似[14]；在亚热带湿润区，SMBN/TN显著低于暖温带湿润区和中温带半干旱半湿润区，这可能是由于在亚热带湿润区水稻土长期淹水，土壤中的氮以反硝化作用损失的较多，微生物固持的会减少，从而使得微生物生物量氮降低[23]。在中温带半干旱半湿润区，施有机肥处理的SMBC/SOC要显著低于不施有机肥的处理，这可能是因为该气候条件下土壤养分缺乏，有机物料的输入促进了微生物的激发作用，加快土壤有机物质分解的同时微生物代谢熵（反映单位生物量的微生物在单位时间里的呼吸强度）增大，使得碳的消耗量增大[42]。

4 结论

通过对已发表文献数据的整合分析表明，气候对土壤微生物生物量碳、氮分别占土壤有机碳和全氮的比例具有显著影响，不同施肥模式虽然不能显著改变微生物生物量碳、氮所占的比例，但有机肥的长期施用对微生物量碳、氮含量的提升效果显著高于化肥或不施肥。当前施肥模式下，中国主要农区土壤微生物生物量容量仍存在一定的提升空间，这对于土壤生物肥力的改变和提升具有重要意义。

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（责任编辑 杨鑫浩）

Capacity and Characteristics of Soil Microbial Biomass Under Various Climate and Fertilization Conditions Across China Croplands

WANG ChuanJie1, XIAO Jing1,2, CAI AnDong1, ZHANG WenJu1, XU MingGang1

(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081;2Wuhan University of Technology, Wuhan 430070)

Abstract:【Objective】Soil microbial biomass is an important index of soil biological fertility and also is an important pool of soil nutrient turnover. The objective of this study was to explore the capacity and characteristics of soil microbial biomass carbon (SMBC) and nitrogen (SMBN) under various climatic zones and fertilization managements across China cropland, and further to obtain better understanding of the factors and how to manage soil biological fertility.【Method】The publications were collected by searching Web of China Knowledge Resource Integrated Database, Wan Fang Database and Web of Science with the keywords of "soil microbial biomass", "Chinese cropland" and "long-term fertilization". A data set with 458 pairs of reported soil organic carbon (SOC) and SMBC and 414 pairs of reported total nitrogen (TN) and SMBN was set up from 42 published papers. They included such four categories of climatic zone as typical temperate (M1: humid; M2: semi-arid), warm-temperate (W) and subtropical (S) zones and two categories of fertilization with (+OM) and without (-OM) organic amendments across China. Statistical analysis on the median of SMBC/SOC and SMBN/TN under different fertilization managements and climate zones was performed with Kruskal-Wallis H test (P<0.05). The capacity of SMBC and SMBN to SOC and TN was obtained from boundary line, respectively.【Result】Results showed that there was a significant response of soil microbial biomass (SMBC and SMBN) to the increase in SOC and TN under different fertilization managements and climate zones (P<0.01), respectively. The response coefficients (i.e., the correlation slope) between SMBC and SOC, SMBN and TN were 24.77 and 30.27 under organic amendments, respectively, which were significantly higher than that under the management without organic amendments (19.88 for SMBC and 19.86 for SMBN) (P<0.05). Boundary analysis showed that the maximum response coefficients of SMBC to SOC and SMBN to TN were 33.45-36.00 and 45.45-49.79, respectively. Compared with the maximum values, the current average values still have 37.99% and 49.66% of room for improvement, respectively. The median values of SMBC/SOC and SMBN/TN were significantly different among the four climate zones. The highest value of SMBC/SOC was 2.73% under temperate semi-arid and sub-humid zone (M2), followed by sub-tropical (S, 2.45%) and warm humid zone (W, 2.31%), the lowest value is 1.48% under temperate humid zone (M1). The sequence of SMBN/TN was W (4.72%) >M2 (3.50%) >S (2.99%) >M1 (1.80%). The ranges of SMBC/SOC and SMBN/TN were 0.35%-6.50% and 0.50%-9.72%, respectively, under various fertilization conditions with no significant differences. For different fertilization managements under similar climatic zone, the median value of SMBC/SOC and SMBN/TN was significantly higher under organic fertilizer management than that under no organic fertilizer management under temperate humid zone (P<0.05).【Conclusion】Climatic conditions have a significant impact on soil microbial biomass capacity. Different fertilization managements do not significantly change the SMBC/SOC and SMBN/TN, but the organic amendment can significantly improve SMBC and SMBN, which are helpful for soil biological fertility improvement.

China cropland; fertilization management; climate zone; SMBC/SOC; soil microbial biomass carbon; soil microbial biomass nitrogen

2016-08-25；接受日期：2016-11-21

国家“十二五”国家科技支撑计划项目（2014BAD14B02，2014BAD14B03）、国家公益性行业（农业）科研专项（201203030，201303126）

联系方式：王传杰，E-mail：soilcj@163.com。通信作者张文菊，E-mail：zhangwenju01@caas.cn