北方農(nóng)田土壤有機(jī)碳對(duì)不同物料投入的響應(yīng)

胡一民　王斌

摘要 ?[目的]分析我國(guó)北方農(nóng)田土壤有機(jī)碳和微生物量碳、氮、磷對(duì)不同物料投入的響應(yīng)。[方法]利用Meta分析方法，整合了1980—2015年間不同物料投入對(duì)土壤有機(jī)碳和微生物量碳、氮、磷影響的研究結(jié)果，定量分析不同物料投入對(duì)土壤有機(jī)碳和微生物量碳、氮、磷影響程度。[結(jié)果]外源物料投入均提高土壤有機(jī)碳，但不同物料效果不一，其中施用有機(jī)肥，有機(jī)肥與化肥配施，化肥與秸稈配施效果最好。外源物料投入對(duì)微生物量碳 、氮和磷提升有顯著正效應(yīng)，施用有機(jī)肥對(duì)微生物量碳和氮的效果最好，化肥與秸稈配施有利于微生物量磷的提升。[結(jié)論]研究可為定量研究不同物料投入對(duì)北方農(nóng)田農(nóng)田土壤有機(jī)碳和微生物量碳、氮和磷提供一定的科學(xué)論據(jù)。

關(guān)鍵詞 物料投入;有機(jī)碳;微生物碳;氮和磷

中圖分類(lèi)號(hào)：S153.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

有機(jī)物料在土壤中的降解是土壤中一個(gè)重要的生物化學(xué)過(guò)程，受到氣候、土壤、物料性質(zhì)和管理措施等要素的綜合調(diào)控。與森林和草地等自然生態(tài)系統(tǒng)相比較，農(nóng)田土壤通常受到人為因素的干擾，其有機(jī)物料的分解過(guò)程和影響因素可能更為復(fù)雜。土壤微生物是土壤中最為活躍的組分，在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，同時(shí)還影響著土壤中碳、氮和磷的循環(huán)[1]。研究表明，施肥和秸稈還田可以提供微生物生長(zhǎng)代謝所需的碳源和其他養(yǎng)分。同時(shí)施肥也可以通過(guò)影響植物的生長(zhǎng)而間接影響土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)[2]。外源有機(jī)物料的添加能夠顯著影響土壤微生物量碳和有機(jī)碳含量。我國(guó)每年產(chǎn)生大量農(nóng)業(yè)廢棄物，這些廢棄物的不合理利用，不僅造成資源浪費(fèi)，而且污染環(huán)境[3]。因此，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物的高校資源化利用非常重要。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

在中國(guó)知網(wǎng)和維普科技期刊網(wǎng)這2個(gè)中文數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)輸入關(guān)鍵詞”化肥”“有機(jī)肥”“秸稈還田”“土壤微生物量碳”“土壤微生物量氮”“土壤微生物量磷”，篩選文獻(xiàn)條件為：①試驗(yàn)條件為北方大田試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為1980—2015年;②同一試驗(yàn)中必須為包含對(duì)照組和處理組，對(duì)照組為不施肥，處理組分為施用化肥、有機(jī)肥、有機(jī)無(wú)機(jī)配施、秸稈還田、綠肥、免耕（文獻(xiàn)中至少有1項(xiàng)）;③采用土層為0～20 cm;④處理組的指標(biāo)參數(shù)：土壤有機(jī)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）。符合條件的文獻(xiàn)總共有51篇。提取每篇文獻(xiàn)中各個(gè)處理下各個(gè)指標(biāo)的平均值和樣本的個(gè)數(shù)，發(fā)表文章中表的數(shù)據(jù)直接提取，圖形中的數(shù)據(jù)用GetData Graph Digitizer2.24軟件來(lái)獲取。用Excel 2010建立數(shù)據(jù)庫(kù)，內(nèi)容包括：作者、標(biāo)題、試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)處理、試驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)設(shè)計(jì)、土壤類(lèi)型、土壤質(zhì)地、土地利用方式、SOC（g/kg）、MBC （g/kg）、MBN（g/kg）、MBP（g/kg）、物料類(lèi)型、物料還田量、全氮（g/kg）、速效氮（mg/kg）和速效磷（mg/kg）。所有指標(biāo)單位必須統(tǒng)一，若文獻(xiàn)中土壤有機(jī)碳以有機(jī)質(zhì)的形式表示，則將土壤有機(jī)質(zhì)乘以轉(zhuǎn)化系數(shù)0.58轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳，單位為g/kg。整合分析要求單個(gè)試驗(yàn)的樣本之間是相互獨(dú)立的。因此當(dāng)文獻(xiàn)報(bào)道是不同施肥量對(duì)土壤有機(jī)碳的提高效應(yīng)時(shí)，用在該次研究中的樣本僅有1個(gè)。對(duì)于同一個(gè)試驗(yàn)，若連續(xù)做了多年，則認(rèn)為每年是1個(gè)獨(dú)立的樣本。

1.2 響應(yīng)變量

文獻(xiàn)中的不同有機(jī)物料添加下的土壤有機(jī)碳含量、微生物量碳、氮和磷為響應(yīng)變量。

1.3 解釋變量

有機(jī)肥、化肥、有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合肥、秸稈還田、綠肥和免耕。

1.4 整合分析方法

該次研究中采用反應(yīng)比（R）的自然對(duì)數(shù)作為計(jì)算的效應(yīng)值（E），計(jì)算公式如下：E=Ln（R）=Ln（Xt/Xc） （Wang， 1998），Xt代表每個(gè)獨(dú)立研究中不同有機(jī)物料投入下土壤有機(jī)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為空白處理下土壤有機(jī)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軟件選取隨機(jī)效應(yīng)模型對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，得到平均效應(yīng)值。由于許多研究中未給出標(biāo)準(zhǔn)差或標(biāo)準(zhǔn)誤，導(dǎo)致數(shù)據(jù)效應(yīng)值的方差無(wú)法計(jì)算，因此該次研究采用軟件中再取樣方法獲得方差，即非加權(quán)整合分析方法，95%的置信區(qū)間由自助法獲得。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳和微生物量的分布

圖1為通過(guò)文獻(xiàn)整理的響應(yīng)變量土壤有機(jī)碳、微生物量碳、微生物量氮和微生物量磷的效應(yīng)比的頻率分布直方圖。從中可以看出，土壤有機(jī)碳效應(yīng)比的平均值為1.74，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.838，樣本個(gè)數(shù)為244。土壤微生物碳效應(yīng)比的平均值為1.65，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.621，樣本個(gè)數(shù)為237個(gè)。土壤微生物氮效應(yīng)比的平均值為1.50，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.609，樣本個(gè)數(shù)為239個(gè)。土壤微生物磷效應(yīng)比的平均值為1.94，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.904，樣本個(gè)數(shù)231個(gè)。

2.2 不同物料投入對(duì)土壤有機(jī)碳和土壤微生物量的影響

由圖2a可知，土壤有機(jī)碳對(duì)于不同物料投入的響應(yīng)存在差異?；侍岣吡送寥烙袡C(jī)碳含量，效應(yīng)比達(dá)到1.3。有機(jī)肥處理對(duì)土壤有機(jī)碳的提升效果最為顯著，效應(yīng)比達(dá)到2.3，其次為化肥與秸稈配施，效應(yīng)比達(dá)到2.0，化肥與有機(jī)肥配施效應(yīng)比達(dá)到2.0，其分別為化肥處理的1.8倍、1.5倍和1.5倍。有機(jī)肥處理，化肥與秸稈配施，化肥與有機(jī)肥處理之間差異不顯著。綠肥與秸稈還田處理均顯著提高了土壤有機(jī)碳含量，效應(yīng)比分別達(dá)到1.6和1.8，為施用化肥處理的1.2和1.4倍。

由圖2b可知，不同物料投入均可提高土壤微生物量碳，其中化肥與秸稈配施處理效應(yīng)比達(dá)到1.5，秸稈還田效應(yīng)比、有機(jī)肥效應(yīng)比為1.9和2.0，說(shuō)明施用有機(jī)肥處理土壤微生物量碳提升最高。有機(jī)肥與化肥配施效應(yīng)比為1.3，施用化肥處理效應(yīng)比最低，僅為1.1，免耕措施效應(yīng)比則為1.8。

由圖2c可知，與土壤微生物量碳趨勢(shì)類(lèi)似，不同物料投入均可提高土壤微生物氮，其中效應(yīng)比最高的為施用有機(jī)肥處理，達(dá)到1.9。其次是秸稈還田處理，和化肥與秸稈配施處理效應(yīng)比同樣均達(dá)到1.6。施用化肥處理效應(yīng)比最低，僅為1.0。有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥配施效應(yīng)和免耕措施效應(yīng)比分別是施用化肥處理的1.4、1.3倍。

由圖2d可知，秸稈還田處理和化肥處理微生物量磷效應(yīng)比最低，僅為1.3和1.2。其次是免耕處理，效應(yīng)比達(dá)到1.9，有機(jī)肥與化肥配施處理與施用有機(jī)肥處理效應(yīng)比均達(dá)到2.0，是施用化肥處理的1.7倍?；逝c秸稈還田效應(yīng)比最高，達(dá)到2.5，是施用化肥處理的1.7倍。

3 討論與結(jié)論

前人已經(jīng)在一些區(qū)域（澳大利亞、中國(guó)、歐洲和北美）乃至全球?qū)斩掃€田進(jìn)行了整合分析[4-5]，盡管涵蓋的氣候類(lèi)型、土地利用方式和持續(xù)時(shí)間均不同，但得到的結(jié)果一致：秸稈還田可提高土壤有機(jī)碳7%～13%。研究結(jié)果與上述一致，在添加秸稈后，土壤有機(jī)碳效應(yīng)值大于1.0達(dá)到1.6（圖2a），表現(xiàn)出正效應(yīng)。與對(duì)照處理相比，無(wú)論是單純施用化肥還是有機(jī)無(wú)機(jī)配合施用都在一定程度上促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累[6]。無(wú)論施用化肥，有機(jī)肥與化肥配施（化肥+秸稈，化肥+有機(jī)肥）均顯著提高土壤有機(jī)碳。這是因?yàn)槭┯没剩ê侠硎┯茫┛梢杂行У母纳仆寥澜Y(jié)構(gòu)，提高土壤保水保肥的能力，同時(shí)降低土壤有機(jī)碳礦化速率[6]。良好施肥管理?xiàng)l件下，農(nóng)田土壤有機(jī)碳年增長(zhǎng)量為非平衡施肥下的5～10倍，有機(jī)肥的施入能夠顯著提高土壤有機(jī)碳的含量[7]。有研究表明，有機(jī)無(wú)機(jī)的配施，會(huì)使土壤有機(jī)碳的增量最大（2.4 g/hm2·年），說(shuō)明長(zhǎng)期向土壤輸入有機(jī)物，可以提高土壤的水分利用效率，減少CO2等溫室氣體向大氣排放，維持并增強(qiáng)了土壤的固碳能力。該次研究發(fā)現(xiàn)相比施用化肥、化肥與秸稈配施、化肥與有機(jī)肥配施促進(jìn)效果更加明顯，效應(yīng)大小分別是前者的1.5和1.6倍。綠肥作物翻壓直接向土壤中輸入外源有機(jī)質(zhì)，能夠顯著增加土壤有機(jī)碳含量[8]，有研究發(fā)現(xiàn)綠肥如紫云英、油菜、黑麥草、大麥、紫花苜蓿等翻壓后，與未翻壓相比，能夠促進(jìn)土壤有機(jī)碳積累和養(yǎng)分良性循環(huán)[9]。

土壤微生物是土壤中最為活躍的部分，在養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化、抗干擾能力以及可持續(xù)利用中發(fā)揮重要作用，影響生態(tài)功能的關(guān)鍵過(guò)程[2]。同時(shí)土壤微生物是土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化的動(dòng)力，是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過(guò)程中一個(gè)重要的活性庫(kù)或源，對(duì)土壤碳、氮、磷和硫的植物有效性及在陸地生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)產(chǎn)生深刻的影響[10]。土壤微生物量碳、土壤微生物量氮、均被用作評(píng)價(jià)土壤肥力和土壤質(zhì)量早期變化的有效指標(biāo)[11]。其中施肥能夠明顯改善土壤養(yǎng)分和理化性質(zhì)，改變土壤微生物量及活性。關(guān)于長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤微生物的影響開(kāi)展了一些研究，31年的長(zhǎng)期施肥田間試驗(yàn)證明，有機(jī)肥配施無(wú)機(jī)肥（NPK）能顯著增加微生物量（124～291 mg/kg）可以顯著提高土壤中真菌、細(xì)菌和放線(xiàn)菌的數(shù)量。施用有機(jī)肥可促進(jìn)活性有機(jī)碳積累，進(jìn)而提高微生物生物量[12]。比較不同施肥方式，有機(jī)無(wú)機(jī)配施、秸稈還田及有機(jī)肥顯著提高土壤微生物碳和氮（圖2b，2c）。其原因可能是由于施用有機(jī)肥、秸稈還田及有機(jī)無(wú)機(jī)配施，為微生物活動(dòng)提供了大量碳源，促進(jìn)了土壤微生物的繁殖或者使植物根系分泌物增加，同樣促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)。土壤免耕同樣可以促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)，顯著提高土壤微生物量碳、氮和磷（圖2d）。無(wú)論是微生物量碳、氮還是磷，單施有機(jī)肥及有機(jī)肥與化肥配施，提升效果均強(qiáng)于單施化肥或秸稈還田，這與臧逸飛等人研究結(jié)果一致。分析原因可能是因?yàn)殚L(zhǎng)期施用有機(jī)肥促使微生物加速分解土壤有機(jī)碳組分，微生物同化能力增強(qiáng)，進(jìn)而維持了較高的微生物量[13]。同時(shí)也有研究表明，有機(jī)肥自身可以為土壤微生物提供一部分磷源，同時(shí)有機(jī)肥顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)，而有機(jī)質(zhì)在降解過(guò)程中可以產(chǎn)生有機(jī)酸，這部分有機(jī)酸可以促進(jìn)難溶性磷的溶解，刺激微生物活化土壤難溶性磷，因而微生物量磷增加[14]。

該次研究結(jié)果表明，不同物料的投入均提高了北方農(nóng)田土壤有機(jī)碳的含量，但不同物料對(duì)于有機(jī)碳的提升表現(xiàn)出不同的的效果，其中施用了有機(jī)肥處理效果好于其他處理，說(shuō)明有機(jī)肥的施用能夠提高土壤有機(jī)碳含量，同時(shí)施用秸稈處理同樣表現(xiàn)出對(duì)于土壤有機(jī)碳的提升作用，效果差于有機(jī)肥處理。不同物料投入對(duì)土壤微生物量碳、氮和磷含量提升有顯著的正效應(yīng)，施用有機(jī)肥處理顯著提高土壤微生物量碳和氮，施用秸稈處理有助于微生物量磷的提高，說(shuō)明微生物碳、氮和磷含量的變化與投入物料種類(lèi)投入有一定的相關(guān)性。

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責(zé)任編輯：劉赟