Meta 分析中国保护性耕作对土壤微生物多样性的影响

王雅芝，齐 鹏，王晓娇，焦亚鹏，郭高文，马娟娟，张 淇，王军霞，甘 润，王利文

（1. 甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070；2. 甘肃农业大学管理学院，甘肃 兰州 730070）

保护性耕作是一种以保护环境和提高环境质量为前提，在农田中进行免耕、少耕或秸秆覆盖以及播种、施肥等复合作业的机械化耕作方式[1-2]。2017年我国已有保耕面积7 584 万hm2，其中秸秆还田面积和免耕面积分别为5 003 万和1 412 万hm2[3]。与传统耕作方式相比，保护性耕作既有省力省工、运行成本低的优点，又可以减少土壤侵蚀、改善土壤理化性质、促进土壤微生物繁殖、提高微生物活性和多样性。国内外对保护性耕作已有的研究主要集中在保护性耕作与水土保持[4-5]、保护性耕作与土壤理化性状[6-8]、保护性耕作与土壤微生物多样性指标[9-10]、保护性耕作对土壤中有机碳储量的影响以及对大气中CO2的贡献等[11-12]。保护性耕作可以通过有效增加土壤有机质含量，调节土壤碳氮比(C/N)及土壤温度和水分的变化，为土壤微生物的生长与繁殖提供丰富的可利用资源[13]，使土壤生态过程更加活跃，从而提高养分利用率，对改善土壤质量和生态环境具有重要意义[14-17]。

土壤微生物多样性研究可以作为判断土壤肥力和土壤污染程度的指标[18]，也可以用于判断植被恢复方式和土壤利用方式等的好坏程度[19-20]，其研究对于应对全球气候变化、控制各类环境污染、维护生态服务功能、促进土壤可持续利用等具有重要意义。随着保护性耕作在我国的推广应用，研究者们已经开展了大量的研究来评价保护性耕作对土壤微生物多样性的影响。Wang 等[21]研究曾发现，与传统耕作相比，保护性耕作处理对土壤细菌和真菌的丰度及多样性(Shannon 指数和Simpson 指数)都有积极的影响；李彦等[22]总结了近年来我国北方保护性耕作对土壤微生物多样性的影响结果：免耕及秸秆还田可明显提高表层土壤微生物量以及多样性，特别是对真菌多样性的影响最明显。然而，Sun等[23]指出，免耕降低了土壤真菌的生物量及多样性，且随着免耕试验年限的增加，真菌多样性反而会下降。另外，也有研究认为，耕作措施对土壤微生物多样性的影响不显著[24]。因此，保护性耕作对土壤微生物多样性影响效果不尽相同，原因可能是：1)土壤微生物多样性容易受到人为的干扰，而且对土壤变化也非常敏感[25]，不同的耕作方式对土壤微生物多样性会产生不同影响；2)土壤微生物的组成在不同类型生境中存在着明显的差异[26]，不同的耕作方法将会造成不同的土壤环境，从而导致土壤微生物数量和结构组成的变化[27-28]。

已有的研究之间的分歧为保护性耕作对土壤微生物多样性影响的结果和推广应用带来了诸多的不确定性。为了更为准确、全面地了解和研究保护性耕作对土壤微生物多样性的影响，本研究通过系统搜集我国保护性耕作下土壤微生物多样性相关的研究文献，以传统耕作为对照，选择Shannon 和Simpson 指数作为微生物多样性的指标，这两个多样性指数能够对土壤微生物的丰富度及均匀度进行综合评价，是目前研究土壤微生物多样性最为广泛的两个数量指标[29]。采用Meta 分析法定量分析我国不同保护性耕作措施下土壤微生物多样性的变化及其影响因素，以便为提高土壤养分可利用性、改善土壤环境以及保护性耕作的推广和应用提供科学依据。基于已有的研究，做出以下假设：1)保护性耕作下土壤微生物多样性显著高于传统耕作；2)这种积极的响应取决于保护性耕作施行的区域、种植作物以及试验年限等，在我国北方施行保护性耕作对土壤微生物多样性的增加效果应该较其他区域好，施行保护性耕作年限不应过长，否则不但没有效果反而会适得其反。

1 材料与方法

1.1 数据来源

通过 Web of Science、Google Scholar、中国知网(CNKI)、万方、维普等中英文数据库检索了2019 年6 月1 日前国内有关保护性耕作和土壤微生物多样性的文章，用于检索的关键词和短语包括“保护性耕作(conservation tillage/protective cultivation/protective tillage)”或“秸秆还田(covering straw/straw cover/straw mulch)”、“免耕(no tillage)”和“微生物多样性(microbial diversity/morphological diversity/ metabolic diversity)”、“中国(China)”等，所选文章基于以下标准：(1)试验区域选择中国地区，试验的开始和结束年份明确；(2)包含免耕秸秆不还田(NT)、免耕秸秆还田(NTS)和传统耕作+秸秆还田(TS)措施中的一种或多种，以传统耕作(CT)为对照；(3)研究点的背景条件、研究方法明确；(4)相同的试验数据发表在不同期刊时，选择信息描述较为全面的文献。

1.2 数据提取

通过NoteExpress 剔除试验地点、试验年份、作物类型和试验数据结果相同的文献。共有42 篇文献符合筛选标准，并纳入Meta 分析。对于数据库中的每项研究，还搜集了相关的试验地点、气候因素(年平均温度和降水量)、试验持续时间(年)和保护性耕作类型等(表1)。数据来自各项纳入研究的表格和图表，有些文献直接报告了标准差或者根据标准误和样本量计算标准差。当数据以图形的形式呈现时，通过Web Plot Digitizer 软件提取[30]。

最后，筛选得到了263 组Shannon 指数和245组Simpson 指数配对试验数据。这些数据涵盖了广泛的气候条件和不同的土壤理化性质。例如，年均温度和降水量分别为1.5～22 ℃和150～1 800 mm。土壤性质如土壤pH (4.9～8.5)和土壤有机碳含量(2.91～37.34 g·kg−1)也显示了广泛的范围。此外，年均氮肥施用量范围为28.5～495 kg·hm−2，平均施用量为224.1 kg·hm−2；保护性耕作持续时间为1～30 年。

1.3 统计分析

对保护性耕作下土壤微生物多样性进行Meta分析，指数的标准差是Meta 分析的重要指标，对于只提供标准误的数据，可通过公式(1)计算标准差：

为便于解释保护性耕作对土壤微生物多样性变化的影响，将分析结果转化为相对变化率(Y)，计算公式：

如果Y 的95%置信区间(CI)与0 重叠，则可认为处理组与对照组差异不显著；若 Y 的95%置信区间不与0 重叠，当P ＜ 0.05 时，响应显著[33-34]。

1.3.1 异质性检验

通过构建异质性检验Q 统计量进行检验，当异质性检验结果显著时选择随机效应模型，反之则选择固定效应模型。

1.3.2 发表偏倚检验

小样本比大样本研究包含更大的处理效应，更易于发表，因此会产生发表偏倚[35]。本研究采用回归检验法进行发表偏倚检验。

1.3.3 Meta 回归

将原文献按照一定标准划分为不同组别，并对其进行Meta 回归分析以检验不同研究间异质性的来源[36]。

1.3.4 亚组分析

对不同的影响因素进行亚组分析，以寻找更加详细的异质性信息，同时也可作为Meta 回归分析稳健性的检验[36]。

表1 样本基本信息Table 1 Sample basic information

续表 1Table 1 (Continued)

1.3.5 数据处理

使用Microsoft office 2010 进行数据收集和数据集建立，以及常规的数据计算；利用Metawin 2.1 进行Meta 分析[34]，确定保护性耕作是否对微生物多样性有显著影响。此外，利用Stata 15.0 进行Meta 回归分析和亚组分析以检验不同研究间异质性的来源并且寻找更加详细的异质性信息，利用Sigmaplot 14.0 软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 保护性耕作对土壤微生物多样性指数的异质性及发表偏倚检验

对保护性耕作下土壤微生物Shannon 和Simpson多样性指数进行异质性检验(表2)，结果表明，3 种保护性耕作处理异质性检验均达到显著水平(PQ＜0.05)，因此均采用随机效应模型。发表偏倚检验结果(表2)表明，对于Shannon 指数，NT/CT、TS/CT 及NTS/CT 3 个组合间均不存在发表偏倚(P ＞ 0.05)。对于Simpson 指数，3 个组合间也均不存在发表偏倚(P ＞ 0.05)。

2.2 不同保护性耕作措施对土壤微生物多样性指数的影响

与传统耕作(CT)相比，3 种保护性耕作(NT、TS、NTS)均显著增加了土壤微生物的Shannon 多样性指数(P ＜ 0.05)，尤其是NTS 增加效果最佳，增幅为8.4% (图1)。对于真菌Shannon 指数，NT 和NTS均产生正效应，效应值分别为0.044 (95% CI: 0.014～0.073)和0.061 (0.050～0.072)，而TS 对真菌Shannon指数无显著影响(P ＞ 0.05)。NT、TS、NTS 均显著提高了细菌Shannon指数，增幅分别为3.8%、0.8%和5.6% (P ＜ 0.05)。

与CT 相比，TS 和NTS 均显著增加了土壤微生物及土壤细菌的Simpson 指数(图1)，增幅分别为2.5%、3.7%和14.2%、19.3% (P ＜ 0.05)，NT 则对土壤全体微生物及土壤细菌的Simpson 指数无显著影响(P ＞ 0.05)。真菌的Simpson 指数只在NT 下显著增加5.3% (P ＜ 0.05)，在TS、NTS 下均无显著变化(P ＞ 0.05)。

表2 保护性耕作对Shannon 和Simpson 指数的异质性及发表偏倚检验Table 2 Heterogeneity tests and Publication bias tests of Shannon and Simpson indices

图1 保护性耕作下土壤微生物Shannon 和Simpson 指数效应值Figure 1 Effect size of Shannon and Simpson indices of soil microorganisms under conservation tillage

2.3 保护性耕作下土壤微生物多样性的影响因素

2.3.1 Meta 回归分析

上述研究结果显示，保护性耕作具有明显提高土壤微生物多样性的效果，其中对土壤微生物Shannon 多样性指数的促进作用最为明显。本研究将土壤Shannon 指数数据进一步按照年均降水量、年均气温、氮肥施用量、试验年限、试验地区、种植作物、起始土壤有机碳含量(soil organic carbon，SOC)和pH 分组，运用 Meta 回归分析检验研究间异质性的来源(表3)，由于影响因素数据相对较少，本研究将NT 和NTS 作为免耕整体(NT)与CT 进行对比分析。

表3 保护性耕作对Shannon 指数的Meta 回归分析Table 3 Meta-regression analysis of Shannon index by conservation tillage

由表3 分析可知，在TS 和CT 组合中，其异质性的主要来源为年均气温、氮肥施用量、种植作物以及起始土壤SOC 含量；在NT 与CT 组合中，其异质性的主要来源为年均降水量、氮肥施用量、试验地区、试验年限、起始土壤SOC 含量和pH。

2.3.2 亚组分析

在Meta 回归的基础上，为进一步明确保护性耕作促进土壤微生物多样性在不同研究位点亚组间的变化，更好地了解保护性耕作增加土壤微生物多样性的过程中所需要的条件或影响因素，本研究利用亚组分析，探讨了不同气候条件(年均气温和年均降水量)、不同土壤条件(土壤pH、土壤SOC 含量和不同氮肥施用量)、不同试验年限以及种植不同作物条件下，保护性耕作提高土壤微生物多样性Shannon 指数在不同亚组之间的变化。

传耕+秸秆还田(TS)与传统耕作组合的土壤微生物多样性指数影响因素分析(图2)结果表明，土壤Shannon 指数效应值在相对寒冷地区(年均气温 ≤ 5 ℃)、相对温暖地区(5～10、10～15 ℃)和年均气温 ＞ 15 ℃ 4 个亚组之间均存在显著正效应，Shannon指数随着年均气温的升高而增加，然而当年均气温在5～10 ℃时，Shannon 指数增加效果最低，增幅为2.3%。不同年均降水量(≤ 500 mm、500～1 000 mm、＞ 1 000 mm)下，TS 均显著增加了Shannon 指数(P ＜0.05)，分别增加2.5%、4.9%和6.7%。与传统耕作相比，实施TS ≤ 5 年时，土壤Shannon 指数显著增加6.1%，试验年限为5～10 年时，土壤Shannon 指数却显著下降4.1% (P ＜ 0.05)，当试验年限 ＞ 10 年后，土壤Shannon 指数差异不显著(P ＞ 0.05)。氮肥施用量为100～150 kg·hm−2时，TS 处理下，土壤Shannon 指数显著增加3.7% (P ＜ 0.05)。土壤起始SOC 在7～15 g·kg−1时，TS 处理下土壤Shannon 指数显著增加(P ＜ 0.05)，土壤条件较差(≤ 7 g·kg−1)时，则无显著差异(P ＞ 0.05)。当土壤为酸性或碱性土壤(pH ≤ 7或pH ≥ 8)，TS 处理下的土壤Shannon 指数均显著增加6.6%、13.9%，但在弱碱性土壤(pH 7～8)中，TS 却显著降低13.9%的土壤Shannon 指数(P ＜ 0.05)。与CT 相比，TS 处理下种植水稻(Oryza sativa)、豌豆(Pisum sativum)、小麦(Triticum aestivum)和玉米(Zea mays)的土壤中，Shannon 指数均显著增加，种植大豆(Glycine max)的土壤在TS 处理下的Shannon 指数无显著差异(P ＞ 0.05)，而棉花(Gossypium)土壤中的Shannon 指数却显著降低，降幅为15.7% (95%CI：−21.7%～9.3%)。在西北、东北以及西南地区实施TS 均会显著增加Shannon 指数(P ＜ 0.05)。

图2 保护性耕作下土壤微生物多样性Shannon 指数影响因素分析Figure 2 Analysis of factors affecting Shannon index of soil microbial diversity under conservation tillage

免耕(NT)与传统耕作组合的土壤微生物多样性指数影响因素分析(图2)结果表明，在年均气温 ≤5 ℃的地区，NT 土壤Shannon 指数与传统耕作的差异不显著(平均增加率0.2%，95% CI: −5.9%～6.6%)，当年均气温 ＞ 5 ℃时，NT 显著增加土壤Shannon 指数(P ＜ 0.05)，并 且Shannon 随 着 温 度 的升 高 而 增加，增幅分别为4.8%、13.5%和17.5%。在年均降水量 ＞ 1 000 mm 的地区，NT 土壤Shannon 指数与传统耕作的差异不显著(P ＞ 0.05)，而年均降水量500～1 000 mm 地区的土壤Shannon 指数在NT 处理下增幅最大，为9.7%。NT 处理 ＞ 10 年后，土壤Shannon指数差异不显著(P ＞ 0.05)，但当试验年限 ≤ 5 年、5～10 年时，NT 分别显著增加了7.3%和11.2%的土壤Shannon 指数(P ＜ 0.05)。NT 处理下，当氮肥施用量为100～150 kg·hm−2时，土壤Shannon 指数显著增加11.1% (P ＜ 0.05)。在土壤状况不理想的条件下(起始SOC ≤ 7 g·kg−1)，NT 对Shannon 指数的影响与CT 相比不显著(95% CI 值包含0)，而当土壤条件有 所改 善 (起始SOC 为7～10 g·kg−1)和明 显 较 好(起始SOC ＞ 15 g·kg−1) 时，NT 较CT 表现出显著增加Shannon 指数的效果，分别显著增加1.2%和6.7%(P ＜ 0.05)。在酸性(pH ≤ 7)和碱性土壤(pH ＞ 8)中，NT 与CT 相比，均表现出对Shannon 指数显著增加，增幅分别为3.0%和4.1%；然而在弱碱性土壤(pH 7～8)中，NT 显著降低了Shannon 指数(P ＜ 0.05)。NT 处理下种植水稻和玉米的土壤中，Shannon 指数均显著增加(P ＜ 0.05)，其他作物均无显著差异(P ＞0.05)。免耕对Shannon 指数的影响还与不同试验地区有关，在西北、东北以及西南地区实施NT 均会显著增加Shannon 指数，且西南地区NT 下Shannon 指数的增幅最大，为14.4% (P ＜ 0.05)。

2.3.3 回归分析

(1)不同气候条件

年均气温与效应值的回归分析表明(表4)，与传统耕作相比，秸秆还田与免耕农田土壤微生物Shannon 指数均随年均气温升高显著增加(P ＜ 0.05)；同理，秸秆还田与免耕农田土壤微生物Shannon 指数均随年均降水量升高显著增加(P ＜ 0.05)。总体上看，保护性耕作农田土壤微生物Shannon 指数受年均气温影响较年均降水量影响大。

表4 影响因素与保护性耕作下土壤微生物多样性Shannon 指数效应值的回归分析Table 4 Regression analysis of influencing factors and soil microbial diversity(Shannon index effect value) under conservation tillage

(2)不同施肥与试验年限条件

如表4 所列，不同试验年限与秸秆还田及免耕农田土壤微生物Shannon 指数均无显著相关性(P ＞0.05)；与传统耕作相比，秸秆还田与免耕农田土壤微生物Shannon 指数均随氮肥施用量增加而降低(P ＜ 0.05)。

(3)不同土壤条件

如表4 所列，与传统耕作相比，秸秆还田与免耕农田土壤微生物Shannon 指数均随起始土壤有机碳含量增加而增加(P ＜ 0.05)，并且免耕农田土壤Shannon 指数受起始土壤有机碳含量影响较大；保护性耕作农田Shannon 指数则与土壤pH 无显著相关性(P ＞ 0.05)。

3 讨论

保护性耕作措施对土壤微生物多样性的研究结果存在一定争议，本研究经过Meta 分析表明：与传统耕作(CT)相比，保护性耕作(NT、TS 和NTS)均显著增加土壤微生物的多样性(Shannon 和Simpson多样性指数)，免耕秸秆还田(NTS)增加效果最佳。这与董立国[37]发现玉米地免耕秸秆覆盖处理下土壤微生物多样性指数显著高于传统耕作；Wang 等[38]研究表明免耕秸秆还田增加了土壤微生物多样性的研究结果一致。分析原因主要有：(1)免耕秸秆覆盖可以增加土壤有机质的输入，提高土壤保水性，进一步增加土壤微生物多样性。同时，土壤微生物可以调控土壤碳氮循环，维持土壤微生物多样性对保障植物营养的吸收和维持土壤肥力起着重要作用[39-40]。(2)秸秆还田改变土壤微生物碳源可利用性，影响土壤微生物的活性和多样性。一些研究认为，秸秆还田后会有大量有机物被带入土壤，从而刺激土壤中微生物的生长，进一步增加土壤微生物多样性[41-42]。另外，秸秆还田有利于改善土壤的理化性质，增加土壤的有机碳含量，为土壤微生物创造一个良好的栖息环境，促进土壤微生物多样性的增加[43-44]；(3)免耕能使土壤中的微生物更加活跃，加快物质循环和养分积累，进而增加土壤微生物的多样性，这些都是由于免耕可以改善土壤理化性状，提高土壤的供肥和保肥能力[45]。Dumonter 等[46]及Franzluebbers 等[47]认为免耕土壤表层的微生物会受到刺激而增加是因为免耕促进了有机质的积累和氮的矿化。较多研究还发现[48-50]，在传统耕作+秸秆还田和免耕秸秆还田处理下，土壤细菌的Shannon 和Simpson 多样性指数均显著增加，土壤真菌的Shannon 和Simpson 指数在免耕不还田处理下显著增加，这与本研究得出结果一致。分析其原因：(1)秸秆还田后，秸秆上携带的细菌群落会随之进入土壤，进而增加了土壤细菌多样性，改善了土壤状况，提高了土壤质量[51]；(2)免耕可以为土壤中的细菌提供良好的栖息环境，进而促进了土壤细菌多样性[52]；(3)免耕增加了土壤有机质，再加上秸秆覆盖可以蓄水保墒，进一步增加了有机质，促进喜有机质的细菌增加，故增加了土壤细菌多样性[53-54]；(4)免耕对土壤的机械扰动减少，同时增加了土壤的含水量，在保持土壤孔隙结构的同时还有利于土壤中真菌菌丝的延伸，增加了土壤细菌的多样性[55]。大多数研究也表明，保护性耕作处理下，Simpson 指数的增加幅度大于Shannon 指数。这主要是因为Simpson 指数对物种均匀度和富集种更为敏感，而Shannon 指数对物种丰富度及稀疏种更为敏感[29]。因此，在保护性耕作处理下，Simpson 多样性指数增加幅度更大，这表明富集种可能会增加得更多。

土壤微生物多样性会受到不同因素的影响，很多时候影响都是双向的，土壤微生物多样性也可以对其所处的生态系统(结构、功能、过程等)产生一定的影响[56-57]。Nemergut 等[58]研究发现，夏季气温高细菌会大量繁殖，到了冬季耐寒细菌则大量繁殖，因此土壤微生物多样性会增加，这与本研究回归分析中得出土壤微生物多样随年均气温的增加而增加的结果一致。氮肥作为一种外界添加物促进作物生长，在中国粮食安全保障中起着不可替代的作用，但是过度的施用氮肥可能破坏土壤结构并且降低土壤微生物多样性，进一步导致土壤肥力下降[59]，秸秆还田与免耕农田土壤微生物都会随氮肥施用量的增加而下降。本研究发现，秸秆还田处理下三大粮食作物[小麦(Triticum aestivum)、水稻(Oryza sativa)、玉米]土壤中微生物多样性均显著增加，这与Lupayi 等[60]研究结果一致，Lupayi 发现秸秆还田处理小麦根际土壤微生物的多样性大于其他作物，分析其原因，是因为免耕在增加土壤微生物多样性的同时能够改善土壤质量，而土壤质量的改善有利于土壤微生物多样性的提高。不同土壤质量指标的综合效应值的变化表明，非中性土壤中有机碳含量提高是促进免耕增加土壤微生物多样的重要原因。前人大量研究也表明，免耕下土壤微生物多样性的提高主要得益于土壤扰动减少和有机质投入增加带来的土壤质量的改善[61-63]。对免耕下土壤微生物多样性研究发现，与传统耕作相比，免耕条件下土壤微生物多样性随着种植区域的变化表现出不同的效应[64]。因此，深入研究造成免耕措施下土壤微生物多样性变化的主要“驱动因子”，明确其影响方式有助于生产实战上改善免耕的推广策略，进而在我国甚至全球尺度上发挥保护性耕作增加土壤质量的潜力。

现有的关于中国保护性耕作对土壤微生物多样性的已发表中英文献在100 篇以上，但大部分文献或数据量较少，或数据描述不详实，最终只有42 篇满足要求。与此同时，影响土壤微生物多样性的因素多而复杂，利用Meta 分析评价保护性耕作下土壤微生物多样性时，未考虑因素之间的交互作用。本研究还对保护性耕作下体现土壤微生物丰富度的OTU 和Chao 1 多样性指数进行了分析，但由于数据较少无法分析。真菌对保护性耕作的响应与细菌不同，目前对真菌的研究非常有限，强调了将来进行相关研究的必要性。建议在今后的研究中，尽可能详细和准确地描述试验条件和过程，以利于研究间的借鉴与整合。此外，根据区域特点和作物种类，合理规划农田进行保护性耕作的时间和施肥用量、对保护性耕作下更多土壤微生物多样性指数进行研究等是实现保护性耕作效应的关键。

4 结论

Meta 分析结果表明，与传统耕作比，中国保护性耕作处理下土壤微生物多样性指数显著增加，其中免耕秸秆还田增加效果最好，土壤中细菌和真菌多样性均受到保护性耕作的影响，土壤细菌的Shannon 和Simpson 多样性指数均高于传统耕作，土壤真菌的Shannon 和Simpson 多样性指数均在免耕秸秆不还田处理下显著增加。土壤微生物多样性在秸秆还田处理下受年均气温和种植作物影响明显，随温度增加土壤微生物多样性增加，种植三大粮食作物(水稻、小麦和玉米)土壤中的微生物多样性均显著增加。因此，通过优化农田管理措施，构建以免耕为核心的保护性耕作技术体系，在不同区域因地制宜的选择秸秆还田管理措施及其他配套的农田管理措施，能够促进保护性耕作提高土壤微生物多样性的优势，并能够进一步发挥其在改善土壤质量和提高土壤可持续利用的潜力。