整合分析不同施肥运筹下中国农田土壤微生物量的变化特征

2019-07-01

土壤与作物 2019年2期

(甘肃省农业科学院作物研究所，甘肃兰州 730070)

0 引言

施肥是增加土壤养分、提高土壤肥力最有效的农业措施，不同的施肥措施影响土壤的质量和可持续发展。土壤微生物量(Soil Microbial Biomass，SMB)作为土壤活性养分的储备库，是评价土壤质量、反映微生物群落状态与功能变化的重要指标。土壤微生物活性与土壤健康质量紧密相关，以土壤微生物活性变化为指标建立的土壤生物学预警体系对发展现代有机农业具有重要意义[1-2]。

长期定位试验是研究农田长期生态过程中环境效应和调控措施的重要手段，不仅可以了解农田生态系统的长期变化过程，还能探究人为干扰和环境变化所带来的长期效应及响应机制[3]。大量研究表明，长期施用厩肥可以显著提高土壤微生物量碳(Soil microbial biomass carbon,SMBC)和土壤微生物量氮(Soil microbial biomass nitrogen,SMBN)含量、土壤呼吸强度，且随着厩肥施用量的增加，SMBC和SMBN增加越明显[4-6]。郭成藏等[7]研究发现，长期秸秆还田(15 a)可以显著提高连作棉田SMBC、SMBN和微生物量磷(Soil Microbial Biomass Phosphorus,SMBP)含量，且可以缓解棉花连作所带来的不利影响，有利于维持和提高土壤质量和土壤肥力。徐一兰等[8]通过29 a的长期定位试验发现，厩肥和无机肥配施显著提高双季稻田SMBC、SMBN含量以及微生物熵。此外，稻-麦轮作系统中，长期施用猪厩肥可减少10%～15%的全球增温潜势(GWP)[9]。由于不同研究中气候条件、土壤类型、耕作措施以及施肥种类的不同，导致SMBC和SMBN对不同外界因素和人为扰动的响应程度呈现多样性和不确定性。虽然近年来我国学者在土壤微生物领域开展了大量的研究，但是，关于施肥措施对SMBC和SMBN的影响大多集中在单一的研究区域，而大尺度多个试验点综合研究鲜有报道。本研究通过整合分析，定量分析长期不同施肥措施下中国农田耕层SMBC和SMBN 含量变化特征、时空分异特征及其潜在的影响因素，以期为制定合理的农田管理培肥措施，保障国家粮食安全和缓解气候变化提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源和数据库建立

本文通过ISI Web of Science (1990-2015) (http://apps.webofknowledge.com/)和中国知网(http://www.cnki.net/)，收集国内外有关我国农田施肥试验的研究文献，并对文献进行筛选，建立我国农田耕层 SMBC和SMBN数据库。数据库主要包括试验点具体位置(经纬度)、土壤质地、种植强度、施肥处理、施肥年限以及SMBC和SMBN含量数据。

本研究中文献筛选的标准如下：(1)研究区域为我国农田，主要包括小麦、玉米、水稻和大豆田；(2)施肥措施包括对照(不施肥，CK)和施肥处理，施肥处理至少有一种；施肥处理主要包括：不平衡施肥(UCF)包括一种或两种类型的化肥，如N、P或K肥；平衡施肥(CF)包括N、P和K肥；秸秆还田(S)，秸秆和化肥配施(CFS)；厩肥(M)，厩肥和化肥配施(CFM)；(3)试验为施肥年限≥3 a的长期田间定位试验；(4)土样采自耕层土壤(0～30 cm)。经过筛选，最终获得符合标准的有效文献70篇，其中，空间分布(东北地区，20篇；西北地区，14篇；东南地区，26篇)；施肥年限(<10 a，8篇;11～20 a，37篇;>20 a，25篇)和土壤质地(黏土，31篇；粉砂壤土，16篇；壤土，9篇；沙壤土，14篇)。

1.2 数据分析

采用均数差(MD)作为整合分析效应大小的度量标准，此指标反映了施肥处理对土壤微生物变化的相对大小，计算公式为[10]：

MD=Xt-Xc

(1)

其中：Xt和Xc分别为试验组和对照组的平均值，而方差计算公式为：

(2)

其中：St、Sc、nt和nc分别为试验组和对照组的标准差，试验组和对照组的样本数。

在整合分析中，加权均数差(WMD)具有更小的变异性和较高的精确性，从而能够提高统计精度。WMD通过以下公式计算：

(3)

其中：wi是整合效应大小的加权系数，是样方差的倒数，即：wi=1/v

95%置信区间(95%CI)的计算公式为：

95%Cl=meanall±(1.96×v0.5)

(4)

整合分析中的WMD值，通过 R中的 “Meta”包进行计算[12-13]，采用随机效应模型，得到不同施肥处理的WMD及其95%CI。如果95%CI包含0，则说明与对照相比，该处理对 SMBC和SMBN含量没有显著的影响；若95%CI >0，说明该处理能够显著增加SMBC和SMBN含量。反之，该处理则显著降低SMBC和SMBN含量[14]。

为了准确分析中国农田SMBC和SMBN含量的变化情况，通过空间分布、施肥年限以及土壤质地进行亚组分析，由于秸秆覆盖处理(S)处理数据较少，本文仅对UCF、CF、CFS、M和CFM处理下的SMBC和SMBN量进行亚组分析。数据分类如表1所述。

表1 数据分类及依据Table 1 Groups used in the meta-analysis

注：由于长期定位试验点的数量限制，本研究分类分析了3个农田类型区，分别为东北区(NE)、西北区(NW)和东南区(SE)。
Note:The group study,based on data from limited long-term experimental sites,analyzed three types of farmlands including northeast China(NE),northwest China(NW)and southeast China (SE).

2 结果

2.1 土壤微生物量碳氮含量

不同施肥处理下，SMBC含量高低的次序依次是：S>CFS>M>CFM>CF>UCF，其平均值分别是515 mg·kg-1、464 mg·kg-1、421 mg·kg-1、385 mg·kg-1、331 mg·kg-1和274 mg·kg-1(图1)。

不同施肥处理下，SMBN含量高低的次序依次是： M>S>CFM>CFS>CF>UCF，其平均值分别是69.2 mg·kg-1、60.5 mg·kg-1、57.5 mg·kg-1、48.4 mg·kg-1、46.0 mg·kg-1和29.8 mg·kg-1(图1)。

2.2 土壤微生物碳氮效应值的变化规律

长期试验中，不同施肥处理对 SMBC和SMBN 含量变化均有不同程度的影响。整合分析结果表明，与CK相比，不同施肥处理均能提高农田耕层SMBC和SMBN含量，且差异达到显著水平(图1)。其中，M处理下SMBC和SMBN效应值最高，分别为2.89和2.56，UCF处理下SMBC和SMBN效应值最低，分别为1.55和1.70。不同施肥中，厩肥组(CFM和M)SMBC效应值显著高于秸秆还田组(CFS和S)和无机肥组(CF和UCF)的效应值(图2a)；厩肥组(CFM和M)SMBN的效应值显著高于无机肥组(CF和UCF)的效应值(图2b)。

注：CFM：厩肥和化肥配施；M：厩肥；CFS：秸秆还田与化肥配施；S：秸秆还田；CF：平衡施肥(NPK)；UCF：不平衡施肥。图中数字为样本数，下同。Note:CFM：Combination of manure and chemical fertilizers; M: Manure; CFS：Combination of manure and straw returning；S：Straw returning；CF：Balanced fertilization(NPK)；UCF：Unbalanced fertilization.Data in the figure are sample numbers.The same is as below.图1 不同施肥处理下SMBC和SMBN的含量Fig.1 SMBC and SMBN contents with different fertilization treatments

2.3 土壤微生物量碳氮变化空间特征

相同施肥处理在不同区域的作用也存在差异。整合分析结果表明，厩肥处理(CFM和M)均显著增加3个农田类型区域 SMBC含量(图3a)，而CFS、CF处理下东北区和UCF处理下东北区和西北区对SMBC含量变化没有显著的影响。在CF处理下，西北区SMBC含量显著高于东南区和东北区。

除M处理下西北区(样本数较少，其置信区间较大，变异较大)以及UCF处理下3个地区，施肥处理均能显著提高SMBN含量(图3b)。而在东北区，UCF处理降低了SMBN含量，但未达到显著差异水平。所有的施肥处理下，SMBN变化量的区域分异特征表现出一致性，即西北区>东南区>东北区。

2.4 土壤微生物量碳氮变化的时间特征

随着施肥时间的延长，SMBC变化量呈增加的趋势。除CF处理下，施肥时间不超过10 a外，3个时期在各施肥措施下均能提高SMBC含量且达到显著水平(图4a)。3 个时期中，厩肥组(CFM和M)SMBC含量最高。在CFM、CFS和CF处理下早期样本数较少，其95%的置信区间较大，变异也较大。

图2 不同施肥处理下SMBC(a)和SMBN(b)的加权均数差Fig.2 Weighted mean difference of SMBC(a) and SMBN(b) with different fertilization treatments

图3 不同区域 SMBC(a)和SMBN(b)的加权均数差Fig.3 Weighted mean difference of SMBC (a) and SMBN (b) in different farmland regions

除UCF处理外，3个时期在各施肥措施下均能显著提高SMBN含量(图4b)。在CF处理下，SMBN随施肥年限的增加而增加；而M处理下，SMBN随着施肥年限增加而降低。在CFM、CFS和UCF处理下，SMBN随着施肥年限的延长呈现出先降低后增加的变化趋势。在CFM和CFS处理下早期样本数较少，其95%的置信区间较大，变异也较大。

图4 不同施肥年限SMBC(a)和SMBN(b)的加权均数差Fig.4 Weighted mean difference of SMBC (a) and SMBN (b) in different fertilization duration

2.5 土壤质地对SMBC和SMBN变化的影响

不同时期农业管理措施、耕作管理制度等都不尽相同，导致相同施肥处理在不同土壤质地中 SMBC和SMBN 变化量也不尽相同。整合分析结果表明，除CF和UCF处理下粉砂壤土中，4种土壤质地在各施肥措施下均能显著提高SMBC含量(图5a)。其中在CFM和M处理下，壤土中SMBC含量最高；而在CFS、CF和UCF处理下，沙壤土中的SMBC含量最高。在所有施肥处理下，沙壤土样本数较少，其95%的置信区间较大，变异也较大。

除UCF处理外，黏土、粉砂壤土和壤土在各施肥措施下均能显著提高SMBN含量(图5b)。其中，UCF处理下粉砂壤土降低了SMBN含量，但差异未达到显著水平。在CFM、M和CFS处理下，沙壤土中的SMBN含量最高；而在CF处理下，粉砂壤土的SMBN含量最高。在UCF处理下，沙壤土样本数较少，其 95%的置信区间较大，变异也较大。

3 讨论

3.1 SMBC和SMBN变化对施肥的响应

集约化农业管理措施，尤其是化肥的投入对土壤物理和生化过程有明显的影响，直接影响土壤微生物群落功能和结构，从而降低了SMBC和SMBN含量[15]。在长期的施肥过程中，SMB酶活性与碳的投入量相关，尤其与活性有机碳含量密切相关[16-17]。大量研究表明，不平衡施肥(仅施N肥)不仅降低了SMBC和SMBN含量，而且降低了与N循环相关酶的活性[18-21]。本研究中，与其它施肥处理相比，不平衡施肥处理下的SMBC和SMBN变化量最低。然而，Kallenbach和Grandy[21]通过整合分析发现，SMBC含量与施N量呈正相关关系，在高N量(>200 kg·hm-2·a-1)条件下SMBC含量最高，在适度N量(100～200 kg·hm-2·a-1)条件下，SMBN含量最高。然而，关于施N后降低SMBC和SMBN含量的确切机制尚不清楚[22-23]。已有研究表明，pH是影响SMBC循环过程的主要驱动因子[24]。于镇华等[25]研究结果表明，厩肥配施化肥(CFM)能够显著增加土壤可溶性有机碳，尤其是提高蔗糖酶活性的优势更为明显。已有研究发现，在不同的生态系统中，SMBC、SMBN以及C、N循环相关的酶活性与施肥年限和年平均温度呈正相关关系，其原因可能是N直接影响细菌群落的多样性，间接影响细菌群落的组成[20,26]。

图5 不同土壤质地SMBC(a)和SMBN(b)的加权均数差Fig 5 Weighted mean difference of SMBC (a) and SMBN (b) with different soil textures

3.2 空间分布

已有研究结果表明，SMB空间分布与作物生产力相关[21,27]。Goyal等[28]通过10 a以上的研究发现，厩肥和化肥配施(CFM)下SMBC和SMBN含量显著高于单施化肥，主要原因是厩肥增加了根系生物量及根系分泌物，促进了微生物生长繁殖。已有研究表明，相比施用化肥，施用有机肥对 SMBC 和 SMBN 含量在不同气候区的影响程度不同，与各气候区的温度、降水和养分转化及有效性的差异相关[21,29]。Kallenbach 和Grandy[21]研究发现，SMB主要受气候变化的影响，而气候变化主要影响C沉降速率和微生物生长速率，而对作物生产力没有显著的影响。主要原因是不同地域管理措施(灌溉、施肥等)可使作物生产力达到相似的水平，而SMB却存在很大的差异。本研究发现，与东南和东北地区相比较，西北地区对SMBC和SMBN变化有显著的影响，这与前人的研究是相似的。在东北地区，低温是抑制微生物活性以及微生物的生长的主要因素。在东南地区，温度虽然不是主要的限制因素，但微生物活性和生长可能受到新输入有机物料以及SMB大量繁殖的限制[21]。王传杰等[30]研究结果表明气候对SMBC和SMBN所占比例具有显著影响，与本研究的结果一致。

3.3 施肥年限

施肥年限是SMBC和SMBN含量变化的主要影响因子。本研究结果表明，SMBC含量随着施肥年限的增加而增加。除不平衡施肥(UCF)处理外，SMBN在施肥年限低于20 a条件下随着施肥年限的增加而降低。 Geisseler 和Scow[31]在全球尺度上通过整合分析发现，至少需要施肥20 a，SMBC含量能达到最高值，这与本研究的结果相似。此外，Treseder[18]通过整合分析发现，长期施N肥显著降低了微生物丰度，尤其在施N肥的前5 a。田康等[27]通过整合分析发现，在N处理中，短期(<11 a)观测估算的土壤有机碳(SOC)变化速率分别是中期(11～20 a)和长期(>20 a)观测的3.3和13倍。而除 N 处理外，其他的短期处理(<11 a)观测估算的SOC变化速率平均分别是中期(11～20 a)和长期(>20 a)观测的1.6和2.4倍。臧逸飞等[32]研究发现，长期施用有机肥增加了黑垆土碳源，土壤有机质较 CK(不施肥处理)增加了36.3%～65.3%，这是SOC含量增加的根本原因，并通过增加SMBC含量表现出来。然而，在施入有机肥条件下，大多数研究主要集中在不同土壤类型/气候变化和试验条件对SMBC和SOC含量变化的影响，而任凤玲等[29]通过整合分析探究了不同气候和土壤条件下(土壤利用类型以及pH)有机肥施用后农田 SMBC和SMBN的变化规律，提出每年有机肥碳、氮投入量每增加1 kg·hm-2，SMBC和SMBN含量分别增加0.03 mg·kg-1和0.14 mg·kg-1。

3.4 研究局限以及展望

由于受试验数据的限制，从而导致整合分析获得的SMBC和SMBN变化量存在一定的不确定性。同时，SBMC和SBMN 变化是多种因素共同作用的结果，各影响因素之间并非完全相互独立的，而可能存在一定的交互作用，而本研究没有深入分析施肥与其他管理措施的交互作用。

土地集约化对保障我国粮食安全发挥了巨大的作用，但其长期的土地高强度利用和农用化肥过量投入(过去40 a，化肥用量增加了700%)的负面影响也日益显现，导致土壤出现不同程度的退化，给生态系统本身与环境以及粮食安全都带来了巨大压力和严重威胁[33-35]。厩肥(CFM和M)的施用在减轻土地利用集约化的负面影响方面发挥重要作用。因此，CFM可能增加土壤C输入，具有维持和恢复土壤质量和SMB的潜力。