施用有机肥对中国农田土壤微生物量影响的整合分析

任凤玲，张旭博，孙楠，徐明岗，柳开楼

（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中国科学院地理科学与资源研究所/生态网络观测与模拟重点实验室，北京100101；3江西省红壤研究所/国家红壤改良工程技术研究中心，南昌330046）

0 引言

【研究意义】土壤微生物是有机质和一些难溶矿物等物质的分解者，能促进土壤中营养物质循环，且是作物所需营养物质的源和库[1]，尤其在改善土壤结构、提高土壤肥力和作物养分供应中发挥了巨大作用[2]。因此，土壤微生物生物量是评价土壤生物学性状的重要指标[3]，尤其是SMBC和SMBN等[4-5]。现有研究表明，施肥可以显著的改变土壤微生物的活性和群落的变化，且不同施肥措施对其影响程度不同；另外，不同气候类型、土壤和土地利用类型下SMBC和SMBN含量对有机肥施用的响应也不同[6-7]。因此，明确有机肥相比传统施肥模式对SMBC和SMBN含量的影响对于中国不同区域农田土壤肥力提升、养分有效利用具有重要意义。【前人研究进展】有研究认为，施用有机肥可不同程度提高SMBC和SMBN含量。例如，孙凤霞等[8]研究发现在南方红壤区有机肥相比不施肥和施用化肥提高了175%和56%的SMBC含量，同时也提高了76%和11%的SMBN含量。梁斌等[9]基于西北地区长期试验发现施用有机肥后，SMBC和SMBN的含量分别为不施肥的1.4—2.7倍和1.9—2.5倍，是施用化肥的1.5—1.7倍和1.4—2.4倍。然而，也有研究发现施用有机肥反而降低 SMBC和SMBN含量。例如，张瑞等[10]发现在华北旱地施用有机肥后 SMBC含量相比不施肥和施化肥分别降低了7.7%和40%。GU等[11]也发现相比化肥，施用有机肥后SMBC含量降低了34%。因此，现有研究中有机肥相比化肥能否增加SMBC和SMBN含量仍存在争议[8,12]。这可能是因为不同气候、土壤条件和利用类型下微生物活性和群落结构对有机肥施用的响应截然不同。因此，急需在全国范围内系统量化土壤微生物对施用有机肥的响应程度[7,13]。【本研究切入点】目前，关于施用有机肥对SMBC和SMBN含量影响的报道大多以室内培养试验为主，或基于某个特定的试验点，其影响程度受该地区特定土壤和环境条件的影响。为避免这种局限性，应采用全国范围内独立试验结果进行综合分析，系统量化中国农田施用有机肥对SMBC和SMBN含量的影响。【拟解决的关键问题】通过对国内外已发表（1990—2017年）的有关施用有机肥对SMBC和SMBN含量影响的文章进行数据搜集。采用 Meta分析的方法，对中国不同气候类型、土地利用类型和土壤 pH下施用有机肥对 SMNC和SMBN含量的影响进行定量分析，探讨 SMBC和SMBN与养分投入量的关系，为中国不同区域农田土壤肥力提升、养分有效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据收集

为了系统全面地揭示施用有机肥对中国农田SMBC和SMBN含量的影响，本研究从Science Direct、中国知网、万方和百度学术等文献数据库，设定检索的时间“1990—2017年”，“有机肥种类（按动物分：猪，牛，羊，马和家禽等。制作方式：堆肥，沤肥，厩肥和新鲜鲜粪便等）”，“中国农田”和“SMBC和SMBN”这四组关键词用于文献检索。使用以下标准来进行筛选文献：（1）全国范围内农田上进行的田间试验；（2）试验中不同处理最少3次重复；（3）试验处理均包括不施肥（CK）；平衡施用氮、磷、钾化肥（NPK）；（4）对于极端情况，如极度酸化（pH＜4.0）和碱化（pH＞10.0）的研究结果予以剔除。施用有机肥（OM）中包括两种有机肥施用方式（单施或者有机无机配施）。所选取文献需清楚显示不同土壤深度中（0—20或0—15 cm）的SMBC和SMBN含量（mg·kg-1）。对于每个独立试验，同时获取了以下信息：试验点地理位置（经度和纬度），土地利用类型，气候类型，土壤pH，年均有机肥碳、氮投入量（kg·hm-2）等。经筛选后，符合条件的文献共70篇，其中涉及SMBC含量的文献65篇，包含336组试验数据。涉及SMBN含量的文献36篇，包含222组试验数据。

1.2 研究方法

本研究中的数据均来自检索到的文献。在进行文献数据搜集时，如果文献中的数据是用图的形式表示，则用 GetData Graph Digitizer 2.24[14]软件来提取。若文献中提供的数据为标准误（SE），则标准差（SD）可通过公式（1）进行转换：

式中，n是重复次数。统计学指标采用响应比（response ratios，RR）表示，并计算其 95%的置信区间（95%CI）。其计算公式为：

式中，和分别是处理组和对照组变量x的平均值。在分析过程中，需要将RR对数化，采用自然对数响应比（lnRR）来反映施用有机肥对 SMBC和 SMBN含量的影响程度并由以下计算可得[15]。

整合分析通过对每个独立研究的响应比进行加权，得出加权平均响应（RR++）。另外权重系数wij、平均值变异系数（V）、RR++、S（RR++的标准差）和95%的置信区间（CI）可通过以下计算获得[16]。

式5中，SDt2和SDc2分别代表处理组和对照组的标准差；nt和nc分别代表处理组和对照组的样本数。式（6）中，m是分组数（例如，不同的气候类型或土地利用类型）。ki是第i分组的总比较对数。若SMBC和SMBN含量的RR++的95%的置信区间未跨过横坐标零点，则说明施用有机肥相比不施肥或施化肥差异显著（增加或降低）。反之则说明施用有机肥对SMBC和SMBN含量影响相比不施肥或施化肥不显著[17]。SMBC和SMBN含量变化的百分数（施用有机肥处理相比不施肥或者施用化肥处理增加的百分数）可以通过（）×100%公式计算得到[18]。

1.3 数据分析

Meta分析合并计数资料的响应比得出加权平均响应前，需明确试验处理之间及各试验结果是否存在异质性（处理间或不同研究结果间的变异是否由随机误差引起）。因此，采用卡方检验（Chi-square test）进行异质性检验，如检验结果P＞0.05，说明不同处理间或不同研究结果间具有同质性，可选用固定相应模型计算合并统计量，否则采用随机效应模型[19]。

采用MetaWin 2.1软件进行Meta分析[20]。在Meta分析中，针对不同气候条件、土地利用类型和土壤pH，比较施用有机肥相比不施肥和化肥对SMBC和SMBN含量的影响程度。对于每篇文献中的观测值，可以使用响应值来评估施用有机肥较不施肥和施化肥SMBC和SMBN含量的增加量（响应值大小可以反映处理组相比对照组的影响效果[21]）。在数据分析过程中，分别考虑了5个因素（气候类型、土地利用类型、土壤pH、年均有机肥碳、氮投入量）。采用单因素方差分析和最小显著性差（LSD）评价不同气候条件、土地利用类型和土壤pH下施用有机肥SMBC和SMBN含量数据异质性和差异性[22]。另外，运用SPSS软件11.0（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）进行数据统计分析和显著性检验，如P＜0.05，则认为样本不同处理或不同研究结果间有异质性，以及施用有机肥相比不施肥和施化肥对SMBC和SMBN含量的影响显著。异质性检验结果表明（表1），各试验SMBC和SMBN含量数据结果间存在明显异质性，因此选用随机效应模型（P＜0.001）。

2 结果

2.1 不同施肥处理下SMBC和SMBN含量的差异

如图1所示，不施肥、施化肥和有机肥后SMBC含量均值分别为297.3、347.4和475.8 mg·kg-1；不施肥、施化肥和有机肥后SMBN平均含量为37.8、50.5和71.6 mg·kg-1。且施用有机肥处理SMBC和SMBN含量显著高于其他处理（P＜0.05）。

表1 不同处理间的异质性自由度和显著性检验Table 1 Heterogeneity (Qb) and probability (P) among n observations in different treatments

图1 不同施肥处理SMBC含量（a）和SMBN含量（b）Fig. 1 The contents of SMBC (a) and SMBN (b) in different treatments

2.2 施用有机肥对SMBC含量的影响

整合分析结果显示，相比不施肥或化肥，施用有机肥在不同气候类型、土地利用类型和土壤 pH条件下对SMBC含量的影响差异明显（图2）。总体来看，相比不施肥和化肥，有机肥都显著地提高了SMBC含量，分别提高了128.1%和57.1%（P＜0.05）。

图2显示，与不施肥和施化肥相比，不同气候区施用有机肥均能显著提高SMBC含量（P＜0.001）。其中，相比不施肥，施用有机肥对SMBC含量的提高幅度在亚热带季风气候区最高（128.1%），其次为温带大陆性气候区（92.1%）和温带季风气候区（69.0%）。相比化肥，施用有机肥对SMBC含量的提高幅度在亚热带季风气候区（66.7%）最高，分别是温带季风气候区（37.0%）和温带大陆性气候区（26.0%）的 1.8倍和2.6倍。

与不施肥和施化肥相比，施用有机肥在不同的土地利用类型下均显著增加了SMBC的含量（图2），且不同土地利用类型下差异显著（P＜0.001）。施用有机肥相比不施肥和化肥对水田SMBC含量的提高幅度最大（128.1%和 69.1%），显著高于旱地（75.9%和34.7%）和水旱轮作地（52.5%和50.2%）。另外，与不施肥和施用化肥相比，施用有机肥对SMBC含量的增加幅度在不同土壤pH水平下存在显著差异（P＜0.05）。例如，相比不施肥处理，施用有机肥对SMBC含量的增加幅度都随着土壤 pH升高而降低。而相比施用化肥，施用有机肥后SMBC含量的增加幅度在中性土壤上最高（64.4%），而在碱性土壤上有机肥对SMBC含量的增加幅度最低（29.4%）。

图2 气候类型、土地利用类型和土壤pH对施用有机肥下SMBC含量增加量的影响Fig. 2 Percent change of the content of SMBC in response to OM compared to CK and NPK under different climatic region, land use types and soil pH levels

2.3 施用有机肥对SMBN含量的影响

图3显示，SMBN含量对施用有机肥的响应在不同的条件下存在差异。总体来看，施用有机肥相比不施肥或施化肥均显著提高了 SMBN含量，分别提高70.2%和34.2%。对于不同的气候类型来说，施用有机肥相比不施肥和施化肥对 SMBN含量的提高幅度在温带大陆性气候区最小（68.1%和20.9%），而在亚热带季风区最大(94.4%和57.5%）。另外，施用有机肥相比化肥对 SMBN含量的影响程度在亚热带季风区和温带季风区没有显著差异（P＞0.05）。

图3 气候类型、土地利用类型和土壤pH对施用有机肥下SMBN含量增加量的影响Fig. 3 Percent change of the content of SMBN in response to manure application compared to no fertilizer and mineral fertilizer under different climatic region, land use types and soil pH levels

与不施肥和施化肥相比，施用有机肥在不同的土地利用类型下均显著增加了 SMBN的含量（图3，P＜0.001）。其中，相比不施肥，施用有机肥对水田中SMBN含量的提高幅度（97.0%）显著高于水旱轮作（83.2%）和旱地（68.1%）。相比化肥，施用有机肥对 SMBN的含量的提高幅度则在水田最高（67.1%），其次是水旱地（63.9%）和旱地（26.4%）。

对不同土壤pH条件来说，相比不施肥，在酸性土壤上施用有机肥对 SMBN含量的增加幅度最大（98.3%），显著高于碱性土壤（72.5%）。但是，相比施用化肥，施用有机肥后 SMBN含量的增加幅度表现为中性土壤（63.7%）＞酸性土壤（45.5%）＞碱性土壤（21.9%），差异显著（P＜0.05）（图3）。

2.4 SMBC和SMBN含量与有机肥养分投入量的相互关系

由图4可知，SMBC与SMBN含量呈极显著正相关。且SMBC、SMBN含量与年均有机肥碳、氮投入量也存在显著的正相关关系（图 5），线性拟合的斜率分别为0.03和0.14，表明当有机肥碳、氮投入量每增加1.00 kg·hm-2时，SMBC和SMBN含量分别增加0.03 mg·kg-1和 0.14 mg·kg-1。

图4 SMBC和SMBN含量的关系Fig. 4 Relationship between the content of SMBC and SMBN

图5 SMBC（a）和SMBN（b）与年均有机肥碳、氮投入量的关系Fig. 5 Relationship between the contents of SMBC (a) or SMBN (b) and the amounts of annual manure carbon and nitrogen input

3 讨论

整合分析结果表明，与不施肥和施化肥相比，施用有机肥显著提高了SMBC含量（57.1%）和SMBN含量（34.2%）。一方面是有机肥为土壤中的微生物提供了充足的碳、氮养分，提高了底物浓度，同时有机肥自身也带入了大量的微生物[11]；另一方面，有机肥对作物生物量的提升作用增加了作物根系生物量和根系的分泌物等，促进土壤微生物活性和群落结构[23]。同时，这也是本研究和前人研究结果中SMBC和SMBN含量与有机肥碳、氮的投入量显著相关的原因[12,24-28]，而本研究中有机肥碳、氮投入量每增加1.00 kg·hm-2时，SMBC和SMBN含量分别增加0.03 mg·kg-1和 0.14 mg·kg-1（图 5）。另外，SMBC 与SMBN含量之间呈极显著的正相关性，这也说明了农田中土壤微生物对碳氮的固持作用很大程度上取决于土壤微生物本身生物量的大小[12]。

3.1 气候类型对SMBC、SMBN的影响

本研究表明，相比施用化肥，有机肥施用后SMBC和 SMBN含量增加幅度均表现为亚热带季风气候区最大，温带大陆性气候区最小。相比施用化肥，施用有机肥对SMBC和SMBN含量在不同气候区影响程度幅度的不同，与各气候区的温度、降水和养分转化及有效性的差异有关[29]。亚热带季风区的水热条件充足，能保证微生物繁衍所需的外部环境条件，微生物活动旺盛；其次，该气候区土壤中营养物质周转速度快，作物生物量相对较高，且根系发达，大量的根系分泌物为微生物的生长提供了营养物质；最后，该气候区利于土壤团聚体的形成，能够为微生物提供好的物理保护[29-33]。然而，温带大陆性气候区水热条件相对较差，有机肥投入之后由于水热条件限制，营养物质周转速度相比亚热带季风区较慢[30]。另外该地区土壤微生物受水热条件的限制较大，水分和温度有效性能直接影响微生物活性[33]，且能改变植被生长特性和生产力，改变植物残体归还量和种类[31]，进而改变微生物活性和数量。因此，在水热条件相对较差的温带大陆性气候区施用有机肥相比施化肥对SMBC和SMBN含量的提升幅度小，远低于亚热带季风气候区。

3.2 土地利用类型对SMBC、SMBN的影响

对水田来说，施用有机肥相比化肥对 SMBC和SMBN含量的提升幅度高于旱地和水旱轮作地，这与前人研究结果存在一定的差异[34-37]。本研究发现，相比施化肥，施用有机肥对水田中SMBC和SMBN含量的提升幅度是旱地的2.0和2.5倍，高于彭佩钦等[37]在洞庭湖区域和亚热带红壤区的研究结果（1.5和1.4倍），这是由于其研究结果为单个区域试验，具有点位特殊性，且洞庭湖地区土壤肥沃，水热条件好，施用有机肥之后水旱轮作地之间存在的差异相对较小。另外，本研究结果低于亚热带红壤地区关于SMBC的研究（4.9倍）[36]。其原因可能是亚热带红壤地区土壤 pH较低、盐分含量高，能够对土壤微生物的活性和数量产生抑制。而且，土地利用类型也均不同，尤其是作物种类、水分管理、根系分泌物、土壤中的有机碳组分差别很大，都会导致微生物群落等发生变化[36,38]。此外，水旱轮作地相比旱地中发生的干湿交替频率更高，导致其孔隙度明显变化、裂隙更多[39]，土壤有机碳溶出和团聚体分散使得土壤可溶性有机碳含量增加并充满这些裂隙[40]，并增大微生物对有机物质的利用，刺激微生物群落的增长。同时，土壤微生物活性受土壤的水、盐条件的影响较大，旱地土壤中水分含量相对较低而盐分含量相对较高，抑制了土壤微生物活性，降低了微生物的数量和多样性[36]。

3.3 土壤酸碱性对SMBC、SMBN的影响

土壤酸碱度是影响土壤SMBC和SMBN的重要因素之一[13]。微生物的生存和繁殖需要适宜的土壤pH，一般来说，土壤pH为6—8时最适合微生物生长，土壤pH超过或低于此范围都会不同程度的抑制土壤微生物的活性[41-42]。当土壤 pH较低时，土壤中高量的Al3+和Mn2+会降低微生物的活性和有机质的分解，同时也降低了可溶解碳的含量，改变了酶的活性和生物的群体，抑制了土壤微生物的生长繁殖[43]。研究表明，单施化肥导致土壤酸化，尤其是红壤地区土壤酸化，降低了土壤微生物数量[44]。而施用有机肥能在一定程度上缓解土壤的pH下降甚至提高土壤pH[8]，本研究中，相比施用化肥，在酸性土壤上施用有机肥提高了44.4%SMBC含量和98.3% SMBN含量，意味着在酸性土壤上施用有机肥对于提高土壤微生物活性及群落有重要意义。

4 结论

本文主要探究了不同的气候类型、土地利用类型和土壤pH水平下，相比不施肥或施化肥，施用有机肥对中国农田SMBC和SMBN含量的影响程度。发现施用有机肥能显著提高SMBC和SMBN含量，但是在不同的外界条件下提升幅度存在显著差异。

施用有机肥相比不施肥和施化肥处理显著地提高了SMBC和SMBN含量。相比施用化肥，施用有机肥对SMBC和SMBN含量的提升幅度分别为57.1%和34.2%。相比施用化肥，施用有机肥后SMBC和SMBN含量的提高幅度大体表现为亚热带季风区 SMBC和SMBN含量的提高幅度高于温带季风气候区和温带大陆性气候区；水田高于旱地和水旱轮作地；中性土壤高于碱性土壤和酸性土壤。

SMBC和SMBN含量具有协同增加的趋势，且与有机肥碳、氮投入量呈显著的线性关系。根据相关分析推测，每年有机肥碳、氮投入量每增加 1.00 kg·hm-2，SMBC 和 SMBN 含量分别增加 0.03 mg·kg-1和 0.14 mg·kg-1。

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