左小玉，肖 琼，邬 磊，杨钙仁，张文菊*

（1 广西大学林学院，广西南宁 530004；2 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 / 北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室 / 农业农村部耕地质量监测与评价重点实验室，北京 100081）

土壤基础呼吸指有机碳在微生物的分解作用下释放CO2的过程，也称为有机碳矿化[1-2]，是反映微生物活性和土壤质量的重要指标[3]。施肥是影响土壤碳库和养分循环的主要管理措施[4]，通过改变农田生态系统的养分供应进而对土壤有机碳矿化产生显著影响。研究施肥农田土壤基础呼吸的变化是农业与陆地生态系统碳动态研究的重要课题[5]，对于我国农田科学的养分管理措施有十分重要的意义。

大量研究表明，施肥能显著提高有机碳的矿化速率和累积矿化量[6-7]。刘丽等[8]研究指出，单施化肥对有机碳的累积矿化量并无显著性影响，而施用有机肥能显著提高有机碳矿化量。但也有研究指出，施用有机肥对土壤基础呼吸无显著影响[9]。不同施肥措施对土壤基础呼吸的影响随着施肥年限的增加而有所不同[10]。有研究表明，施用化肥和有机肥33 年能够显著提高土壤基础呼吸强度[11]，而Hu 等[12]研究发现，施用化肥超过30 年显著降低土壤有机碳矿化速率，有机肥处理下土壤有机碳矿化速率则显著升高。但也有研究指出，短期施肥相较施肥超过10 年的处理对土壤有机碳矿化速率影响更显著[13]。此外，氮肥施用对于土壤基础呼吸的影响也并不一致。Dai 等[14]研究发现，随着施氮量的增加，有机碳累计矿化量和矿化速率都显著增加；也有研究指出，施氮肥一定程度上抑制了土壤有机碳分解[15]。在农田生态系统中，由于施肥导致的土壤物理、化学及生物学特性的改变均会不同程度对土壤基础呼吸产生影响。息伟峰等[16]研究发现，长期有机无机肥配施通过调控土壤pH 和提高有机碳含量来促进土壤有机碳矿化。Song 等[17]的研究表明，施肥对土壤有机碳矿化的影响与养分有效性显著相关，其中氮肥影响强度随着土壤氮素有效性的增加而显著降低；也有研究表明，施肥通过提高土壤微生物量调控土壤基础呼吸[18]。

我国气候条件、土壤类型以及耕作制度复杂多样，基于特定的试验地点和条件，以及短期试验得出的施肥对土壤基础呼吸的影响结果不尽相同[8-12]，对于施肥驱动土壤环境因子定量影响土壤呼吸强度的理解仍然有限。因此，本研究采用Meta 分析方法，整合已发表文献数据，探索施肥对土壤基础呼吸的影响程度及其驱动因子，为我国农田土壤质量提升提供理论依据。

1 研究方法

1.1 数据来源

本研究数据来源于Web of Science、中国知网、万方数据库，通过设置“施肥 (fertilization)”、“土壤呼吸 (soil respiration)”、“有机碳矿化 (SOC mineralization)”、“CO2(soil CO2efflux/ soil CO2emission)”、“农田 (farmland/cropland)”关键词进行文献检索，收集了2000—2020 年发表的相关文献，筛选条件如下：1)试验点为中国农田；2) 同一试验包含配对的对照组与处理组，对照组为不施肥，处理组为化肥和有机肥 (单/配施) 处理；3)试验数据来自实验室培养测量的基础呼吸，共建立了586 组配对数据。收集样点分布情况如图1 所示。为了避免研究中培养时间不一致对研究结果的影响，采用7 天土壤呼吸速率作为目标变量[19]，土壤基础呼吸单位统一化为mg/(kg·d)。若文献中只提到了土壤呼吸总量，则通过培养时间前7 天的呼吸总量和时间换算得到土壤基础呼吸速率。数据库包括样点位置、施肥年限、施氮量、气候带、种植制度、土地利用方式及土壤理化性质 (pH、有机碳、全氮、微生物生物量碳氮)。同一研究中包含不同时期的年施氮量处理，则提取最近一次的数据。收集的施氮量为化肥氮和有机氮总施用量，施氮量的划分主要是依据于飞等[20]对施氮量的分析并结合本文的数据收集情况进行分组，根据我国地理规划，本文中将全国分为东北、华北、华东、西北和南方地区，表1 为收集数据的分布情况。

表1 施肥土壤基础呼吸的配对数据样本 (对) 分布情况Table 1 Sample numbers for the meta-analysis of the effect of fertilization on soil basal respiration

图1 研究样点分布图Fig.1 The distribution of research sites

根据以上标准，共获得符合条件文献91 篇，匹配数据586 对。如图2 所示，本研究收集的土壤基础呼吸速率经对数 (ln) 转换后均符合正态分布 (P＜0.01)，满足Meta 分析的必要条件[21]。

图2 农田土壤基础呼吸速率的样本分布频率Fig.2 Data distribution of soil basal respiration rate in farmland

1.2 数据分析

整合分析 (Meta-analysis) 是针对具有共同研究目的且相互独立的多个研究结果进行系统合并分析，定量综合评价研究结果的统计方法，适用于对大尺度生态现象进行研究[21]。本研究中主要利用MetaWin2.1 软件进行整合分析[22]，定量研究不同施肥措施对土壤基础呼吸的影响。在检验差异性时，每组数据中都需要同时包含平均值、标准差和样本数。对照组和处理组的平均值、标准差和标准误以及样本量可以直接从文献和表格中获得，也可以从提供的数字化图表中获得。

在本研究分析的过程中，采用自然对数响应比(RR) 来反映不同影响因子对土壤基础呼吸的效应值，并通过公式 (1) 进行量化：

效应值的方差V可通过以下公式获得：

采用V的倒数作为权重因子Wij：

对效应值进行加权后得到权重响应比RR++，权重响应比的标准误S以及95%置信区间95%CI分别由公式(4)、(5)、(6)获得：

式中，m指分组数 (例如, 不同的施肥年限等)。ki指第i分组的比较对数。Wij中i=1, 2, 3, ···,m；j=1, 2,3, ···,ki。

数据分析前，数据库的各项研究结果必须进行异质性检验，采用固定效应模型(fixed effect model,FEM) 检验，如果P＞0.1，表明多个研究具有同质性[22-23]，反之选择随机效应模型(random effect model,REM)，表明多个研究不具有同质性[21]。效应值的标准差越小，分配的权重越大。为了更直观反映施肥对土壤基础呼吸的影响效应，权重响应比(RR++)及其95%置信区间(95%CI)可以通过(elnRR++-1)×100%转换得到百分值，若(95%CI)不含零值表示该变量中处理与对照(不施肥)有显著差异[24]。本研究还借助Origin 2022 软件，用线性拟合分析不同施肥类型下土壤主要化学生物学性质以及土壤微生物熵对目标变量的影响。

2 结果与分析

2.1 肥料种类、数量及试验持续时间对土壤基础呼吸的影响

整合分析结果 (图3)表明，与不施肥相比，施肥显著提高了土壤基础呼吸，提高幅度为60.20%，其中施用有机肥对土壤基础呼吸的提高幅度为81.45%，显著高于施用化肥的47.78%。施肥对土壤基础呼吸的影响在不同施肥年限下有所差异。随着施肥年限的增加，施用化肥对土壤基础呼吸的提高幅度呈现先增加后降低的趋势，而施用有机肥时则呈现先增加后逐渐稳定的趋势。施肥年限小于10 年，化肥和有机肥对土壤基础呼吸的提升幅度分别为33.84%和38.60%，施肥年限为10～20 年分别为49.59%和51.78%，化肥和有机肥的提升效果在施肥年限小于10 年和10～20 年时均无显著差异。当施肥年限为20～30 年时，施用化肥和有机肥提高土壤基础呼吸的效果均显著增强，其相对于不施肥处理的增幅分别为73.11%、82.92%。施肥年限超过30 年，施用有机肥对土壤基础呼吸的提升幅度(80.36%) 显著高于施用化肥 (58.18%)，是施用化肥提升幅度的1.38 倍。

图3 不同肥料类型、施肥年限和施氮量下土壤基础呼吸的权重响应比Fig.3 Weighted response ratio of soil basal respiration rate to fertilizer types, fertilization years and N application rates

氮肥施用量也影响土壤基础呼吸(图3)。相较于低量[＜100 kg/(hm2·a)]或者高量[＞200 kg/(hm2·a)]氮肥投入，氮肥施用量在100～200 kg/(hm2·a)范围内对土壤基础呼吸的提升效果更显著(72.56%)。当施氮量小于100 kg/(hm2·a) 时，施用有机肥对土壤基础呼吸的提高幅度最高，是化肥的2.04 倍；施氮量在100～200 或大于200 kg/(hm2·a)时，化肥与有机肥对土壤基础呼吸提升幅度无显著差异。

2.2 不同气候与管理及土壤属性条件下施肥对基础呼吸的影响

整合分析结果表明，施肥在亚热带和暖温带对土壤呼吸的提升幅度为37.11%、40.64%，而在中温带地区显著提高到了93.71% (图4)。有机肥对中温带土壤基础呼吸的提高幅度为110.91%，显著高于化肥的73.88%。施肥对土壤呼吸的影响程度不同土地利用类型存在一定差异。与不施肥相比，施肥显著提高了旱作土壤基础呼吸 (105.01%)。其中，施用化肥和有机肥对旱作农田土壤基础呼吸的提高幅度分别为74.19%、127.09%，显著高于对水田土壤基础呼吸的提高幅度 (22.30%和37.01%)。种植方式对土壤基础呼吸也有显著影响。施肥对轮作制度下农田土壤基础呼吸的提高幅度为101.60%，显著高于对连作制度的50.63%。施肥对土壤基础呼吸的提升效果在不同质地土壤上有所差异。施肥(有机肥、化肥)对壤土基础呼吸的增幅为56.23% (49.08%、62.68%)，其提升幅度高于对砂土19.59% (15.00%、29.28%)。

图4 不同温度带、土地利用类型、种植方式和土壤质地下土壤基础呼吸对施肥的权重响应比Fig.4 Weighted response ratio of soil basal respiration rate to fertilization under different climate zones, soil use types,cropping patterns and soil textures

2.3 土壤基础呼吸的影响因素分析

与不施肥相比，施用有机肥和化肥均显著提高了土壤有机碳、全氮、碱解氮和微生物生物量碳氮含量(图5)。施用化肥对土壤全氮和碱解氮的增幅分别为14.70%、26.87%，显著低于有机肥的34.45%和48.54%。此外，有机肥对有机碳的提高幅度为39.93%，是施用化肥的2.44 倍，施用有机肥对土壤微生物生物量碳、氮含量的提升幅度为46.73% 和68.81%，显著高于施用化肥的18.77%和24.94%。与不施肥相比，施肥显著降低了土壤pH，施用化肥的降低幅度是有机肥的1.99 倍。

图5 土壤主要性质对施肥的权重响应比Fig.5 Weighted response ratio of main soil properties to fertilization

分析发现，化肥或有机肥施用下不同土壤性状对基础呼吸的影响程度存在差异(图6)。施肥处理下，有机碳、全氮和微生物生物量碳氮的效应值与土壤基础呼吸的效应值之间呈现正相关关系。不同于化肥，有机肥处理下碱解氮的效应值与土壤基础呼吸效应值之间呈现显著正相关。与施用化肥相比，有机肥处理下土壤微生物生物量碳的效应值随着土壤基础呼吸的效应值增加而增加(P＜0.001)。此外，施用有机肥时微生物熵的效应值与土壤基础呼吸效应值呈显著正相关(P＜0.01)，而化肥处理下微生物熵的效应值与土壤基础呼吸效应值相关不显著。

图6 施肥条件下土壤基础呼吸效应值与有机碳 (a)、全氮 (b)、碱解氮 (c)、微生物生物量碳 (d)、微生物生物量氮 (e)及微生物熵 (f)效应值的关系Fig.6 Relationships between the response ratio (RR) and those of soil basal respiration (SBR), organic carbon (SOC, a),total nitrogen (TN, b), alkali-hydrolysable nitrogen (AN, c), microbial biomass carbon (MBC, d), microbial biomass nitrogen (MBN, e), and microbial quotient (qMB, f) under fertilization

采用多元统计分析土壤基础呼吸效应值与不同土壤指标效应值的相关性，结果表明，施肥下有机碳效应值与土壤基础呼吸速率效应值之间极显著相关，表现为正效应(P＜0.001)，相关系数为0.67。土壤基础呼吸效应值与微生物生物量碳氮效应值也呈显著正相关，相关系数介于0.29～0.42 (表2)。

3 讨论

3.1 施肥对土壤基础呼吸的影响

本研究结果表明，施肥作为重要的农田管理措施，对土壤呼吸有显著影响，表现为施用有机肥较单施化肥显著促进土壤基础呼吸，这与以往研究结果[25-26]一致。主要原因是施用有机肥一方面能够改善土壤结构(增加土壤孔隙度和团聚体稳定性)[27]，另一方面有机肥本身含有大量有机质增加了土壤矿化可利用的底物[28]，能够促进有机碳的分解矿化，提高土壤基础呼吸速率。此外，施肥年限长短对土壤基础呼吸的影响并不相同。长期施肥通过改变土壤的生物化学性质影响土壤基础呼吸[29]，而短期养分添加不能反映长期施肥或养分积累对有机碳矿化过程产生的影响[13]。本研究发现，当施肥年限大于30 年，相较于施用化肥，施用有机肥对土壤基础呼吸的提升效果更明显，这可能是因为长期施用有机肥能够保持较高的微生物生物量和酶活性，进而促进微生物分解矿化土壤有机碳[30-31]。我国农田氮肥的施用尤为普遍，施氮量对土壤基础呼吸影响的相关结论[14-15]并不一致。本研究结果表明，中量氮肥 [100～200 kg/(hm2·a)]对有机碳矿化增加幅度最为显著，可能是由于该氮肥施用量能够满足微生物养分需求，提高微生物活性，促进了微生物对土壤有机碳的分解矿化，导致土壤基础呼吸增加[32]。在＜100 kg/(hm2·a)氮肥投入量下，相较于施用化肥，有机氮肥显著促进土壤基础呼吸，是由于有机肥的施用能够提高氮肥的利用效率，减少养分的损失[33]，同时低量有机氮肥的添加能够有效提高微生物活性[14]，进而显著提高土壤基础呼吸速率。当高量氮肥[＞200kg/(hm2·a)]投入时，化肥和有机肥土壤基础呼吸强度较中量氮肥投入下都有所下降，可能是化学氮肥投入加快了土壤酸化，不利于微生物生长繁殖[34]。

3.2 不同气候与土壤利用方式下施肥对土壤基础呼吸的影响

施肥对土壤基础呼吸的提高幅度在不同气候、土壤利用类型、种植制度等因素下有一定差异。在中温带下，施肥提高土壤基础呼吸的程度显著高于亚热带和暖温带下，且有机肥提高的幅度最高。主要原因可能是温度和蒸发量的降低，土壤微生物活性降低，有机物的输入能显著促进和提高微生物活性，从而增加土壤基础呼吸[35-36]，另一方面，有机肥显著提高土壤有机碳的积累，土壤基础呼吸与有机碳含量正相关[16]。而亚热带年均温和年降雨量较高，有机碳分解转化较快，且养分随水分流失的风险大[37]，土壤微生物对底物的利用受不同施肥方式的影响较小。此外，本研究结果表明施肥处理下旱地矿化速率显著高于水田，且有机肥处理对旱地土壤基础呼吸的提升幅度显著高于化肥，主要是由于旱地土壤有机质暴露在团聚体表面，与空气充分接触，更容易矿化[38]。稻田水分增加影响土壤透气性，减少土壤中氧气浓度限制CO2的释放[39]，进而降低土壤基础呼吸。种植方式也能通过改变土壤团聚体结构，进而对土壤基础呼吸速率产生影响[40]。本研究表明，有机肥的施用对于连作和轮作制度下均有提高，但轮作下土壤呼吸速率显著高于连作制度下的农田土壤基础呼吸，可能原因是随着连作时间推移，土壤养分失衡，根系分泌物单一导致土壤微生物和酶活性降低，土壤呼吸速率和基础呼吸总量降低[41]。连作制度下，有机肥的添加一定程度上缓解这一影响，但施肥措施 (如氮肥) 和土壤属性限制了种植制度的缓解作用[40]。土壤质地对土壤有机碳具有物理和化学保护作用，本研究结果表明，施肥 (化肥或者有机肥) 对壤土中土壤基础呼吸速率的增长幅度高于粘土。随着土壤黏粒含量的增加，有机碳矿化速率降低，是因为粘土主要通过吸附作用影响土壤有机碳的稳定性[42]，减缓了土壤有机碳的矿化速率。

3.3 土壤基础呼吸的关键影响因素

本研究结果表明，施用有机肥对土壤有机碳的提高幅度显著高于施用化肥处理，主要原因是有机肥能增加土壤有机碳含量并提高微生物生物量，进而显著提高土壤基础呼吸速率 (P＜0.001)。在有机肥处理下土壤有效氮含量越高则越显著促进土壤基础呼吸，化肥处理下则无显著相关关系 (P＞0.05)，可能是由于土壤微生物主要通过分解外源有机质来获取碳氮，进而提高土壤基础呼吸[43]；而长期施用化肥，尤其是无机氮肥，降低土壤碳氮比，使土壤有机质储量低于有机肥处理[44]。与化肥处理相比，施用有机肥下微生物生物量碳氮提升幅度尤为显著。主要是由于施用有机肥后土壤环境改变，微生物生物量碳氮迅速响应并增加[45]，同时有机肥料的施加为土壤微生物提供了较多的养分，加快了微生物对养分的分解和代谢，显著促进微生物生长繁殖，使土壤基础呼吸显著高于单施化肥处理。微生物熵 (qMB)是土壤微生物生物量碳占有机碳的比例，能够反映土壤养分及利用效率的差异变化[46]，本研究中，有机肥施用时qMB 的提高与土壤基础呼吸呈正相关，而单施化肥时，二者则没有显著相关关系。长期有机肥处理能显著提高土壤微生物熵，这与Manna等[47]的研究结果一致，可能是由于施用有机肥促使有机碳向微生物生物量碳转化，微生物熵也随之上升；另外有机肥本身也增加了土壤微生物群落中真菌和细菌的相对丰度[31]，微生物群落的变化可能进一步提高土壤呼吸速率。更高的土壤基础呼吸意味着产生更多的微生物生物量和其他微生物产物，基于“微生物碳泵”概念，会直接促进土壤保持较高的微生物利用效率[48]。在农田生态系统中，有机肥的添加是提高土壤基础呼吸和作物养分利用的有效策略。

4 结论

施肥显著提高了土壤基础呼吸，提高幅度受到气候、施肥类型、轮作和土壤属性等多种因素的影响。施肥对土壤基础呼吸的提高幅度随着施肥年限的延长呈增加趋势，长期(大于30 年)施用有机肥提高土壤基础呼吸速率较化肥更显著；当施氮量小于100 kg/(hm2·a) 时，施用有机肥对土壤基础呼吸的提高幅度高于化肥；化肥氮投入量在适量范围[100～200 kg/(hm2·a)]内对土壤基础呼吸的提升效果更显著。气候带、土地利用方式、种植制度及土壤理化性状均能调控施肥对土壤基础呼吸的影响。其中，施肥对中温带地区基础呼吸的提高幅度显著高于对亚热带和暖温带，在中温带地区有机肥处理下相较于化肥的提升效果更显著；在旱地、轮作及壤土上施肥对土壤基础呼吸的提高幅度更显著，且施用有机肥的提升效果显著高于化肥。总的来讲，有机肥提升土壤有机碳的效果比化肥更显著，因而提高土壤碱解氮含量、微生物生物量和微生物熵的作用更大，表现为提高土壤基础呼吸速率的效果更显著，即提高土壤质量的作用更大。