北方农田土壤有机碳对不同物料投入的响应

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　　摘要  [目的]分析我国北方农田土壤有机碳和微生物量碳、氮、磷对不同物料投入的响应。[方法]利用Meta分析方法，整合了1980—2015年间不同物料投入对土壤有机碳和微生物量碳、氮、磷影响的研究结果，定量分析不同物料投入对土壤有机碳和微生物量碳、氮、磷影响程度。[结果]外源物料投入均提高土壤有机碳，但不同物料效果不一，其中施用有机肥，有机肥与化肥配施，化肥与秸秆配施效果最好。外源物料投入对微生物量碳 、氮和磷提升有显著正效应，施用有机肥对微生物量碳和氮的效果最好，化肥与秸秆配施有利于微生物量磷的提升。[结论]研究可为定量研究不同物料投入对北方农田农田土壤有机碳和微生物量碳、氮和磷提供一定的科学论据。
　　关键词 物料投入;有机碳;微生物碳;氮和磷
　　中图分类号：S153.6 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2019）02-024-03
　　DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.02.012
　　Abstract [Objective] In order to analyze the response of soil organic carbon and microbial biomass carbon， nitrogen and phosphorus to different materials input in northern farmland of China. [Method] The effects of different materials input on soil organic carbon and microbial biomass carbon， nitrogen and phosphorus from 1980 to 2015 were analyzed by Meta-analysis method， and they were analyzed quantitatively. [Result] Exogenous material input increased soil organic carbon， but the effects of different carbon sources were different. Among them， applying organic fertilizer， organic fertilizer and chemical fertilizer， chemical fertilizer and straw had the best effect. Exogenous material input had a significant positive effect on microbial biomass carbon， nitrogen and phosphorus. Organic fertilizer had the best effect on microbial biomass carbon and nitrogen， and the combination of chemical fertilizer and straw was beneficial to microbial biomass phosphorus. [Conclusion] This study could provide some scientific evidence for quantitative study of soil organic carbon and microbial biomass carbon， nitrogen and phosphorus in northern farmland with different material inputs.
　　Key words   Materials input; Organic carbon; Microbial biomass carbon; Nitrogen and phosphorus
　　有机物料在土壤中的降解是土壤中一个重要的生物化学过程，受到气候、土壤、物料性质和管理措施等要素的综合调控。与森林和草地等自然生态系统相比较，农田土壤通常受到人为因素的干扰，其有机物料的分解过程和影响因素可能更为复杂。土壤微生物是土壤中最为活跃的组分，在生态系统中发挥着重要作用，同时还影响着土壤中碳、氮和磷的循环[1]。研究表明，施肥和秸秆还田可以提供微生物生长代谢所需的碳源和其他养分。同时施肥也可以通过影响植物的生长而间接影响土壤微生物的群落结构[2]。外源有机物料的添加能够显著影响土壤微生物量碳和有机碳含量。我国每年产生大量农业废弃物，这些废弃物的不合理利用，不仅造成资源浪费，而且污染环境[3]。因此，加强农业有机废弃物的高校资源化利用非常重要。
　　1 材料与方法
　　1.1 数据来源
　　 在中国知网和维普科技期刊网这2个中文数据库中，通过输入关键词”化肥”“有机肥”“秸秆还田”“土壤微生物量碳”“土壤微生物量氮”“土壤微生物量磷”，筛选文献条件为：①试验条件为北方大田试验，试验时间为1980—2015年;②同一试验中必须为包含对照组和处理组，对照组为不施肥，处理组分为施用化肥、有机肥、有机无机配施、秸秆还田、绿肥、免耕（文献中至少有1项）;③采用土层为0～20 cm;④处理组的指标参数：土壤有机碳（SOC），土壤微生物碳（soil microbial carbon， MBC），土壤微生物氮（soil microbial nitrogen， MBN），土壤微生物量磷（soil microbial phosphorus， MBP）。符合條件的文献总共有51篇。提取每篇文献中各个处理下各个指标的平均值和样本的个数，发表文章中表的数据直接提取，图形中的数据用GetData Graph Digitizer2.24软件来获取。用Excel 2010建立数据库，内容包括：作者、标题、试验时间、试验处理、试验目的、试验设计、土壤类型、土壤质地、土地利用方式、SOC（g/kg）、MBC （g/kg）、MBN（g/kg）、MBP（g/kg）、物料类型、物料还田量、全氮（g/kg）、速效氮（mg/kg）和速效磷（mg/kg）。所有指标单位必须统一，若文献中土壤有机碳以有机质的形式表示，则将土壤有机质乘以转化系数0.58转化为土壤有机碳，单位为g/kg。整合分析要求单个试验的样本之间是相互独立的。因此当文献报道是不同施肥量对土壤有机碳的提高效应时，用在该次研究中的样本仅有1个。对于同一个试验，若连续做了多年，则认为每年是1个独立的样本。 　　1.2 响应变量
　　 文献中的不同有机物料添加下的土壤有机碳含量、微生物量碳、氮和磷为响应变量。
　　1.3 解释变量
　　 有机肥、化肥、有机无机复合肥、秸秆还田、绿肥和免耕。
　　1.4 整合分析方法
　　 该次研究中采用反应比（R）的自然对数作为计算的效应值（E），计算公式如下：E=Ln（R）=Ln（Xt/Xc） （Wang， 1998），Xt代表每个独立研究中不同有机物料投入下土壤有机碳（SOC），微生物量碳（MBC），微生物量氮（MBN），微生物磷（MBP）含量平均值，Xc为空白处理下土壤有机碳（SOC），微生物碳（MBC），微生物氮（MBN），微生物量磷（MBP）含量平均值。利用MetaWin软件选取随机效应模型对原始数据进行整合分析，得到平均效应值。由于许多研究中未给出标准差或标准误，导致数据效应值的方差无法计算，因此该次研究采用软件中再取样方法获得方差，即非加权整合分析方法，95%的置信区间由自助法获得。
　　2 结果与分析
　　2.1 土壤有机碳和微生物量的分布
　　 图1为通过文献整理的响应变量土壤有机碳、微生物量碳、微生物量氮和微生物量磷的效应比的频率分布直方图。从中可以看出，土壤有机碳效应比的平均值为1.74，标准偏差为0.838，样本个数为244。土壤微生物碳效應比的平均值为1.65，标准偏差为0.621，样本个数为237个。土壤微生物氮效应比的平均值为1.50，标准偏差为0.609，样本个数为239个。土壤微生物磷效应比的平均值为1.94，标准偏差为0.904，样本个数231个。
　　2.2 不同物料投入对土壤有机碳和土壤微生物量的影响
　　 由图2a可知，土壤有机碳对于不同物料投入的响应存在差异。化肥提高了土壤有机碳含量，效应比达到1.3。有机肥处理对土壤有机碳的提升效果最为显著，效应比达到2.3，其次为化肥与秸秆配施，效应比达到2.0，化肥与有机肥配施效应比达到2.0，其分别为化肥处理的1.8倍、1.5倍和1.5倍。有机肥处理，化肥与秸秆配施，化肥与有机肥处理之间差异不显著。绿肥与秸秆还田处理均显著提高了土壤有机碳含量，效应比分别达到1.6和1.8，为施用化肥处理的1.2和1.4倍。
　　 由图2b可知，不同物料投入均可提高土壤微生物量碳，其中化肥与秸秆配施处理效应比达到1.5，秸秆还田效应比、有机肥效应比为1.9和2.0，说明施用有机肥处理土壤微生物量碳提升最高。有机肥与化肥配施效应比为1.3，施用化肥处理效应比最低，仅为1.1，免耕措施效应比则为1.8。
　　 由图2c可知，与土壤微生物量碳趋势类似，不同物料投入均可提高土壤微生物氮，其中效应比最高的为施用有机肥处理，达到1.9。其次是秸秆还田处理，和化肥与秸秆配施处理效应比同样均达到1.6。施用化肥处理效应比最低，仅为1.0。有机肥与无机肥配施效应和免耕措施效应比分别是施用化肥处理的1.4、1.3倍。
　　 由图2d可知，秸秆还田处理和化肥处理微生物量磷效应比最低，仅为1.3和1.2。其次是免耕处理，效应比达到1.9，有机肥与化肥配施处理与施用有机肥处理效应比均达到2.0，是施用化肥处理的1.7倍。化肥与秸秆还田效应比最高，达到2.5，是施用化肥处理的1.7倍。
　　3 讨论与结论
　　 前人已经在一些区域（澳大利亚、中国、欧洲和北美）乃至全球对秸秆还田进行了整合分析[4-5]，尽管涵盖的气候类型、土地利用方式和持续时间均不同，但得到的结果一致：秸秆还田可提高土壤有机碳7%～13%。研究结果与上述一致，在添加秸秆后，土壤有机碳效应值大于1.0达到1.6（图2a），表现出正效应。与对照处理相比，无论是单纯施用化肥还是有机无机配合施用都在一定程度上促进土壤有机碳的积累[6]。无论施用化肥，有机肥与化肥配施（化肥+秸秆，化肥+有机肥）均显著提高土壤有机碳。这是因为施用化肥（合理施用）可以有效的改善土壤结构，提高土壤保水保肥的能力，同时降低土壤有机碳矿化速率[6]。良好施肥管理条件下，农田土壤有机碳年增长量为非平衡施肥下的5～10倍，有机肥的施入能够显著提高土壤有机碳的含量[7]。有研究表明，有机无机的配施，会使土壤有机碳的增量最大（2.4 g/hm2·年），说明长期向土壤输入有机物，可以提高土壤的水分利用效率，减少CO2等温室气体向大气排放，维持并增强了土壤的固碳能力。该次研究发现相比施用化肥、化肥与秸秆配施、化肥与有机肥配施促进效果更加明显，效应大小分别是前者的1.5和1.6倍。绿肥作物翻压直接向土壤中输入外源有机质，能够显著增加土壤有机碳含量[8]，有研究发现绿肥如紫云英、油菜、黑麦草、大麦、紫花苜蓿等翻压后，与未翻压相比，能够促进土壤有机碳积累和养分良性循环[9]。
　　 土壤微生物是土壤中最为活跃的部分，在养分循环转化、抗干扰能力以及可持续利用中发挥重要作用，影响生态功能的关键过程[2]。同时土壤微生物是土壤有机质和养分循环转化的动力，是土壤养分转化过程中一个重要的活性库或源，对土壤碳、氮、磷和硫的植物有效性及在陆地生态系统的循环产生深刻的影响[10]。土壤微生物量碳、土壤微生物量氮、均被用作评价土壤肥力和土壤质量早期变化的有效指标[11]。其中施肥能够明显改善土壤养分和理化性质，改变土壤微生物量及活性。关于长期施肥对土壤微生物的影响开展了一些研究，31年的长期施肥田间试验证明，有机肥配施无机肥（NPK）能显著增加微生物量（124～291 mg/kg）可以显著提高土壤中真菌、细菌和放线菌的数量。施用有机肥可促进活性有机碳积累，进而提高微生物生物量[12]。比较不同施肥方式，有机无机配施、秸秆还田及有机肥显著提高土壤微生物碳和氮（图2b，2c）。其原因可能是由于施用有机肥、秸秆还田及有机无机配施，为微生物活动提供了大量碳源，促进了土壤微生物的繁殖或者使植物根系分泌物增加，同样促进微生物的生长。土壤免耕同样可以促进微生物的生长，显著提高土壤微生物量碳、氮和磷（图2d）。无论是微生物量碳、氮还是磷，单施有机肥及有机肥与化肥配施，提升效果均强于单施化肥或秸秆还田，这与臧逸飞等人研究结果一致。分析原因可能是因为长期施用有机肥促使微生物加速分解土壤有机碳组分，微生物同化能力增强，进而维持了较高的微生物量[13]。同时也有研究表明，有机肥自身可以为土壤微生物提供一部分磷源，同时有机肥显著增加土壤有机质，而有机质在降解过程中可以产生有机酸，这部分有机酸可以促进难溶性磷的溶解，刺激微生物活化土壤难溶性磷，因而微生物量磷增加[14]。 　　 该次研究结果表明，不同物料的投入均提高了北方农田土壤有机碳的含量，但不同物料对于有机碳的提升表现出不同的的效果，其中施用了有机肥处理效果好于其他处理，说明有机肥的施用能够提高土壤有机碳含量，同时施用秸秆处理同样表现出对于土壤有机碳的提升作用，效果差于有机肥处理。不同物料投入对土壤微生物量碳、氮和磷含量提升有显著的正效应，施用有机肥处理显著提高土壤微生物量碳和氮，施用秸秆处理有助于微生物量磷的提高，说明微生物碳、氮和磷含量的变化与投入物料种类投入有一定的相关性。
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　　责任编辑：刘赟
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