施用有机肥对盐碱土的改良效果：Meta分析

刘国辉，买文选，田长彦*

（1.中国科学院新疆生态与地理研究所，乌鲁木齐 830011；2.中国科学院大学，北京 100049）

由于土地资源的不合理开发及利用，我国年平均减少耕地约40 万hm2，耕地总量持续下降，逐渐接近18 亿亩（1 亩=1/15 hm2）耕地总量的红线[1]。与此同时，我国是世界上土壤盐渍化问题较为严重的国家之一，盐渍化土地面积达3.69×107hm2，其中盐渍化耕地面积9.21×106hm2，占总耕地面积的6.62%，并且呈逐年扩张的趋势[2]。所以，盐渍化土地的治理和合理开发是有效扩增我国耕地资源、扩展农业发展空间、保证粮食安全的重要举措[3]。

我国从20世纪50年代开始进行大规模的盐碱地改良工作，传统的改良方式主要包括工程措施、化学措施以及生物措施。但整体以水利改良为主，且取得了非常显著的效果[4]。然而，当前这一措施面临重大的挑战，在干旱区尤其如此。以新疆为例，在淡水资源短缺和耕地面积扩大的双重影响下，农业生产已由“明灌明排”进入到“滴灌微排”阶段，传统单一的通过大水漫灌进行洗盐的改良方式已难以持续，盐碱地的改良和利用向着分类治理、综合治理的方向转变[5]。向盐碱土中添加有机物料不仅能有效控制耕层土壤盐分，而且可提升地力，是成本低、增效快的改良措施之一[6]，已成为近年来盐碱土改良方面的研究热点。国内外众多学者对有机肥改良盐碱土的效果进行了研究：李大伟[7]的研究表明，有机肥与无机肥配施对旱地盐渍化土壤的田间持水量和土壤容重等物理性状以及速效养分、阳离子交换量等化学性质具有明显的改善作用；李莹飞[8]通过大田试验探究了单独施加牛粪或鸡粪对滨海盐碱土的改良效果，结果表明，单独施加牛粪或鸡粪均能够使盐碱土的pH 明显降低，较大幅度地提高了滨海盐碱土中有机质和速效氮磷钾等养分的含量；Tejada 等[9]的研究表明，有机肥施加后，旱地盐碱土的生物学指标，如脲酶、过氧化氢酶、β-葡萄糖苷酶等微生物酶的活性得到了明显提升。可见，利用有机肥改良盐碱地的方式得到了研究人员的普遍认同，但是，改良的效果受地域、试验地环境、土壤属性、栽培模式等的影响，其结果及机制存在复杂性，并且诸多研究仅对部分指标进行了分析，不具备多角度以及广义上的参考性，因此，为了综合评估有机肥施加对盐碱土的改良效果，需要对这些独立的研究进行大样本尺度的全面分析。而Meta 分析是利用统计学的方法对多个目的相同的研究结果进行系统性合并，通过一种量化的指标来进行效果评价的统计方法[10]，极为适用于较大尺度上的生态问题的研究。基于此，本研究利用Meta 分析方法，定量分析了有机肥施加对不同盐渍化程度土壤的养分、物理、盐渍化、生物学及作物产量等指标的影响，为施用有机肥改良盐碱地提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究选取了中国知网、万方、维普、谷歌学术、Web of Science 等数据库[11]，设定的搜索关键词为有机肥（Organic fertilizer）、畜禽粪便（Manure）、堆肥（Compost）、生物炭（Biochar）、沼液（Biogas slurry）、沼渣（Biogas residue）与盐碱（Saline-alkali），检索时段设为2021年11月30日之前。共检索到各类文献431篇。使用如下标准对检索到的文献进行筛选[12-15]：①试验地点必须位于中国境内；②试验必须进行了至少一年的大田试验，且必须包含对照组（不施肥）；③所测定的样品中必须包括耕作层的土壤（0～20 cm）；④结果中至少包含本研究中所涉及的13 项指标中的一项；⑤试验中不同处理的重复次数不少于3 次；⑥所涉及的结果分析中，必须包含平均值、样本数量和标准差/误[16]。基于以上标准，最后筛选得到符合标准的文献30篇。

1.2 数据提取

从选取的文献中提取试验地点、试验时长、样地土壤背景值、有机肥种类、施加方式，以及0～20 cm 土层的土壤养分、物理、盐渍化、生物学指标和作物产量数据。其中物理指标包括：土壤容重（Soil Bulk Density，SBD）、土壤含水率（Soil Moisture Content，SMC）；土壤盐渍化指标包括：pH、碱化度（Exchange Sodium Percentage，ESP）、阳离子交换量（Cation Exchange Capacity，CEC）、电导率（Electrical Conductance，EC）；养分指标包括：有机质（Soil Organic Matter，SOM）、碱解氮（Alkali-hydrolysable N，AHN）、速效钾（Available K，AK）、有效磷（Available P，AP）；生物学指标包括：过氧化氢酶（Catalase，CAT）、脲酶（Urease，URE）；作物产量（Crop Yield，CY）以单位（亩）产量记录。

对于部分以柱状图或折线图呈现相关数据的文献，采用GetData Graph Digitizer 2.26 进行数据提取[17]。

1.3 数据分析

1.3.1 效应值计算

采用响应比（Response Ratios，RR）[18]来评估试验处理中施用有机肥对盐碱土相关指标的影响程度。对于研究中的某一指标而言，响应比（RR）为处理组的均值（）与对照组的均值（）之比[19]。

平均值的变异系数公式[20]如下：

式中：NE和NC分别代表处理组和对照组的样本数量；SDE和SDC分别代表处理组和对照组对应的标准偏差。

随机效应模型基于σ2pooled的权重系数为：

式中：N为该指标涉及的研究数；QT为总异质性值。

对效应值加权得到权重响应比，公式如下：

式中：m为分组数；ki为第i分组的研究数。

95%置信区间公式[21]如下：

通过上述处理，本研究建立了有机肥施用对盐碱地影响程度的数据库，并进行基本的统计计算。Meta 分析利用MetaWin2.1 软件进行[22]，在效应值和95%置信区间（CI）[23]的计算过程中，对于正态性较差的指标，采用重抽样（“拔靴法”）[24-25]的方式计算其效应值和95%置信区间。计算得到的结果中，以横坐标零点为界，若95%置信区间中包含0（P＞0.05），则表示施加有机肥对盐碱土的该指标无显著影响；若95%置信区间均位于0 的右侧，即95%CI均大于0（P＜0.05），则施加有机肥对该指标呈现明显的促进作用；若95%置信区间均位于0 的左侧，即95%CI均小于0（P＜0.05），则施加有机肥对该指标呈现明显的抑制作用[21]，本研究采用GraphPad Prism 9 作为绘图工具。

为了使绘图结果更加清晰，本研究利用Excel 中的exp 函数将计算结果转换为响应比RR++[14]。同时，为了便于对结果进行解释，依据下列公式计算其增长率[26]：

式中：E表示处理组某项指标相较于对照组的变化百分率。

1.3.2 发表偏倚性检验

Rosenthal′s 失安全系数（Fail-safe Number，Nfs）是Meta 分析中常用来检验发表性偏倚的一种方法。本研究采用罗森博格法（Rosenberg′s method）计算得到各项指标Meta 分析的失安全系数，如果Nfs＞5n+10（n为样本量），则可以认为结果可信，其统计学意义为至少需要5n+10 组具有发表偏倚性的研究数据才能改变本研究的结论。

2 结果与分析

2.1 数据基本信息

2.1.1 样本分布

本研究共收集了有机质等13 项指标共计790 条研究数据，来自于30 篇文献。将收集到的数据进行统计分组，分组的标准主要为三类：①施加方式：即根据是否与无机肥配施分为配施和单施。②试验年限：根据试验的持续时间分为1 a 和≥2 a。③盐渍化程度：参照《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T 0295—2016）中的土壤全盐量标准，将供试地块的初始盐渍化程度分为轻度（0～0.2%）、中度（0.2%～0.4%）和重度（＞0.4%）盐渍化，分组后各组的研究样本数如表1所示。

表1 施加有机肥对盐碱土改良效果数据库样本分布Table 1 Sample distribution of the database on the effect of organic fertilizer application on saline soil improvement

2.1.2 施加有机肥的类别及性质

本研究所涉及到的790 条研究数据中有机肥类别及占比如表2 所示，包含商品有机肥（畜禽粪便与秸秆、生物炭等混合发酵而成）、沼肥、畜禽粪便、生物炭、腐植酸、糠醛渣。各商品有机肥之间营养指标的差别不大，其中有效活菌数＞3.2亿个·g-1，有机质含量在20%～35%之间，总养分（NPK）含量处于4%～9.5%范围内，水分一般低于25%；沼肥和畜禽粪便相较于商品有机肥具有更高的有机质（＞40%），但总养分（NPK）的含量更低（＜2%）；关于施加的生物炭、腐植酸、糠醛渣的性质，所收集的文献中并未给出具体介绍。

表2 施加的有机肥类别及占比Table 2 Type and percentage of organic fertilizer applied

2.2 施加有机肥对盐碱土改良效果的异质性和发表偏倚性检验

针对各个目标变量的数据，分别计算其响应比及异质性，利用Q检验（Q值代表效应值的标准平方和，Q值越大，异质性越大）和I2检验（I2值代表各部分效应值异质性在总效应值异质性中所占的比例，I2值越大，异质性越大）分别对有机肥施用下盐碱土改良效果的各个指标进行异质性分析（表3）。结果表明，有机肥施用与盐碱土各指标的异质性检验均达到显著水平（PQ＜0.05）[26]，且I2值均大于50%，根据异质性检验的结果，本研究选择随机效应模型[27]进行Meta分析。

表3 有机肥施加对盐碱土改良效果的异质性检验Table 3 Heterogeneity test of the effect of organic fertilizer application on saline soil improvement

由表4中的失安全系数（Nfs）可知，各项指标总的数据的失安全数均远大于5n+10，在分组后，除去95%CI包含0 的4 项外，另有13 项的失安全数小于5n+10，且均为分组后的数据，存在文献偏倚性的风险。其余各项均满足Nfs＞5n+10 的标准，说明本研究的平均效应值结果可靠。

表4 有机肥施加对盐碱土改良效果的偏倚性检验失安全系数（Nfs）Table 4 Bias test of the effect of organic fertilizer application on saline soils improvement with loss of safety factor（Nfs）

2.3 有机肥施用对盐碱土相关指标的影响

2.3.1 有机肥施用对盐碱土养分指标的影响

由图1 可知，施加有机肥后，盐碱土养分指标权重响应比及其95%CI均不包含0（P＜0.05），且全部位于横坐标0 的右侧，说明施加有机肥能明显增加盐碱土中各养分指标的含量。对比对照组（不施肥，仅常规耕作）和处理组的相对变化率，施加有机肥后，有机质（SOM）、碱解氮（AHN）、速效钾（AK）、有效磷（AP）含量的增幅分别达到33.41%、46.70%、19.65% 和81.27%。有机肥的不同施加方式对土壤养分指标的影响具有明显差异，在单独施用有机肥的情况下，SOM、AHN、AK 和AP 的增幅分别为33.02%、58.42%、28.13%、108.65%，均明显高于有机肥与无机肥配施条件下的21.42%、37.29%、13.70%和50.07%。不同的施用年限下，AK 在施加有机肥≥2 a 情况下增幅为32.28%，明显大于施加1 a 的处理（16.01%），而SOM、AHN 以及AP 变化率的差异不大。此外，试验地的盐渍化程度对上述4 项养分指标的影响程度基本相同，均表现为在中度盐渍化程度下的增幅明显高于轻度和重度，轻度和重度相比则无明显差异。

图1 有机肥施加对盐碱土养分指标的影响Figure 1 Effect of organic fertilizer application on nutrient index of saline soils

2.3.2 有机肥施用对盐碱土物理指标的影响

本研究选取了土壤容重（SBD）和土壤含水率（SMC）作为评价有机肥施用效果的物理指标。其中SBD 的权重响应比及95%CI位于横坐标0 的左侧，呈负效应；而SMC则与之相反，表现为正效应（图2）。

图2 有机肥施加对盐碱土物理指标的影响Figure 2 Effect of organic fertilizer application on physical index of saline soils

SBD 处理组相较于对照组的降幅为6.53%，而SMC的增幅达到15.52%。在不同的施加方式下，SBD在配施时的降幅（7.56%）较单施时（5.29%）更大；SMC 在配施时的增幅（11.55%）明显低于单施时（20.32%）。不同的施加年限下，SMC 在施加年限≥2 a的组别中，其95%CI包含0（P＞0.05），此分组无统计学意义；SBD 在施加年限≥2 a 时降幅（9.13%）较仅施加1 a 时（5.70%）明显增大。当样地盐渍化程度不同时，有机肥施加情况下轻度盐渍化样地SMC 的增幅（6.86%）明显低于中度（19.33%）和重度（17.40%）。而有机肥施加后，SBD 在中度（7.10%）和重度（7.11%）盐渍化样地上的降幅大于轻度盐渍化样地（5.08%）。

2.3.3 有机肥施用对土壤盐渍化指标的影响

由图3 可知，有机肥的施加对盐碱土的碱化度（ESP）、电导率（EC）均呈负效应，具有抑制作用，降幅分别为20.34%、43.09%。施加有机肥同样能对盐碱土的pH 起到调节作用，总体表现为负效应，降幅为5.22%。施加方式的改变对上述三项指标的影响趋势相同，均为有机和无机肥配施时的降幅明显高于单施。与此同时，不同施用年限下上述三项指标的变化趋势也基本一致，即施加有机肥≥2 a的降幅明显大于仅施加1 a 的处理。在不同的盐渍化程度下，施加有机肥后，ESP、pH 的降幅表现出相同的趋势，即中度＞轻度＞重度。而施加有机肥情况下EC 的降幅则表现为中度最高（52.58%）、重度次之（40.84%）、轻度最低（13.58%）。

图3 有机肥施加对盐碱土盐渍化指标的影响Figure 3 Effect of organic fertilizer application on salinization index of saline soils

对于盐碱土的阳离子交换量（CEC）而言，施加有肥机具有正效应，起到促进作用，增幅为20.41%。采用不同的有机肥施加方式时，配施的增幅（22.17%）明显大于单施（10.98%）。施加有机肥≥2 a 取得的改良效果（35.74%）明显优于仅施加1 a（16.95%）。在不同的盐渍化程度下，轻度（25.91%）和中度（26.93%）盐渍化样地改良效果明显优于重度样地（12.46%）。

2.3.4 有机肥施用对盐碱土生物学指标的影响

在施加有机肥后,过氧化氢酶（CAT）和脲酶（URE）两项生物学指标的权重响应比和95%CI均在横坐标0 的右侧且不含0，说明施加有机肥对其有促进作用。将两项指标按照施加方式、施用年限、盐渍化程度分组后，CAT在施用年限组别中的95%CI包含0（P＞0.05），URE 在施加方式和盐渍化程度组别中95%CI也包含0（P＞0.05），均无统计学意义，下述将不对其进行讨论。由图4 可知，在不同施加方式下，配施的CAT 增幅（18.65%）明显高于单施（8.70%）。在不同盐渍化程度的土壤中，有机肥施加后，轻度与重度盐渍化土壤中CAT 的增幅相近，而中度盐渍化土壤中，CAT的增幅明显低于轻度和重度。不同的施用年限下，URE的增幅无明显差异。

图4 有机肥施加对盐碱土生物学指标的影响Figure 4 Effect of organic fertilizer application on biological index of saline soils

2.3.5 有机肥施用对作物产量的影响

施加有机肥后，盐碱土上种植的作物产量权重响应比和95%CI均在横坐标0 的右侧，且不包含0，说明，施加有机肥可明显提高盐碱地种植作物的产量，增幅达到41.78%（图5）。从图5 可以看出，单施条件下产量的增幅（60.55%）明显高于配施（36.35%）。在不同盐渍化程度的盐碱地上有机肥对产量的促进效果也不相同，增幅表现为重度（65.93%）＞中度（55.50%）＞轻度（17.69%）。

图5 有机肥施加对盐碱土作物产量的影响Figure 5 Effect of organic fertilizer application on crop yield in saline soils

3 讨论

3.1 有机肥施用可有效改良盐碱土的盐渍化状况

盐碱土中有机质、碱解氮、有效磷、速效钾等指标是衡量土壤肥力的主要物质基础，也是作物碳素及氮磷钾等养分的重要来源[28-29]。施加有机肥后，各养分指标的含量能否得到增加，主要与有机肥所带来的养分输入量和土壤中有机质的矿化分解有关[30]。本研究表明，在施入有机肥后，盐碱土壤中有机质、碱解氮、有效磷、速效钾的含量均得到了明显的增加，与李娟等[31]的研究结果一致。这主要归因于施加的有机肥本身含有多种营养元素[32]，通过矿化分解缓慢长效地释放到土壤中，而且在该过程中会生成多种有机酸，有机酸可溶解土壤中原有的钾盐、磷酸盐等矿物盐，从而增加了磷、钾等元素的有效性[33]。

施加有机肥后，土壤容重、碱化度、pH和电导率4项指标均出现了明显的降低，使得土壤的盐渍化程度得到了明显的改善，这与张雅贞[34]的研究结果一致。同时，本研究还发现，盐碱土壤的电导率与有机质在施加有机肥后呈现相反的变化趋势，这也验证了部分研究得到的土壤电导率与有机质含量呈负相关的结论[35]。依据赵红等[36]、赵兴敏等[37]、吕欣欣等[38]的研究结果，土壤中有机质含量与总团聚体的数量和稳定性呈正相关，可以判断施加有机肥后，伴随土壤中有机质含量的增加，土壤团聚体的数量会得到进一步提升。而Hussain[39]的研究表明，土壤团聚体的增加会破坏土壤中的毛管孔隙，并且会增加非毛管孔隙的数量，这种变化会提升土壤的代换量，能够极大地减弱盐碱土壤的返盐能力，减少表土盐分的积累，从而使得土壤的碱化度和电导率等盐渍化指标降低。

本研究还发现，有机肥施加后盐碱土的pH降低，且随着施加年限的增加，降幅增大。这与张金柱等[40]和刘国伟[41]的研究结果一致，即有机肥施加后，其中所含的腐植酸、富里酸等会与土壤中的碱性物质发生反应，对土壤起到一定的酸化作用，明显降低盐碱土的pH[42]。有机肥还具有较强的酸碱缓冲作用，所以土壤的pH并不会发生较为剧烈的变化。

3.2 有机肥的施加方式对盐碱土改良效果的影响

有机肥的不同施加方式均提高了盐碱土的养分水平，降低了盐渍化程度，只是效果存在一定差异。单独施用有机肥时盐碱土的SOM、AHN、AK、AP 等养分指标的增幅更为明显，而有机肥与无机肥配施则更有利于降低土壤的盐渍化指标，如EC、pH、ESP等。但以作物产量作为检验盐碱土综合改良效果的指标时，则有机肥单施的效果优于配施，这与吴建繁等[43]的研究结果不同。其原因可能是：无论单独施加有机肥还是将有机肥和无机肥配合施用，实际上均能够对土壤盐分产生明显的抑制作用，尽管效果有差异，但均有可能将土壤盐分降低到影响或不影响作物生长的范围内。在此基础上，在盐分含量下降的前提下，由于盐碱土往往较为贫瘠[42]，因此养分含量即成为盐碱土改良中影响作物生长及产量形成的限制性因素。在本研究所选取的文献中，由于施加的肥料总量均以氮素作为衡量标准，且配施的化肥全部作为基肥一次性施入土壤，因而淋洗和挥发作用必然会导致较多的养分损耗。而同等氮素含量的有机肥养分的释放则是一个缓慢的过程，产生的损耗较小。另外高等植物对土壤中氮素的吸收，有45%～50%来源于土壤有机质[44]，相比之下，有机肥与无机肥配合施用时养分指标的增幅较单独施用有机肥更低，从而使后者在盐碱土改良的综合效果上优于前者，并最终体现在作物产量上。

3.3 不同盐渍化土壤条件下有机肥施用对盐碱土改良效果的影响

在不同盐渍化程度的土壤中，有机肥加入后，中度盐渍化土壤的各项指标相较于轻度和重度发生的变化程度更大，不仅体现在养分指标的增幅最高，而且各土壤盐渍化相关指标的降幅也更加明显。究其原因，可能是轻度盐渍化土壤本身的盐渍化程度处于较低的水平，各项盐渍化指标的背景值更为接近正常土壤[45]，从而导致其变化的幅度不明显。重度盐渍化水平的土壤盐渍化程度较高，土壤板结严重，返盐强度很高[46]，其土壤盐渍化指标的背景值虽然很高，但是在施加有机肥后，一方面盐渍化相关指标的降幅有限，另一方面受微生物活性的限制，有机质的矿化分解速率并不高，进而导致养分指标的提高程度也受到限制。

4 结论

本研究采用Meta 分析方法探讨了有机肥施加方式、施用年限对不同盐渍化程度盐碱地相关指标的影响，结论如下：

（1）整体而言，施加有机肥对盐碱地有明显的改良效果，具体表现在：盐碱地的养分指标、生物学指标、作物产量、阳离子交换量以及土壤含水率均得到了不同程度的改善或增加；而土壤盐渍化相关指标以及土壤容重均出现了一定程度的下降。

（2）单独施用有机肥更有利于提升盐碱地的养分含量和作物产量，而有机肥与无机肥配施在降低土壤盐渍化程度方面有更好的表现。以作物产量为标准综合考虑，单独施加有机肥对盐碱土的综合改良效果更好。

（3）以作物产量为衡量标准，施加有机肥对重度盐渍化土壤的改良效果更好，中度次之，轻度较差。