施用化肥影響土壤團聚體穩(wěn)定性及有機碳、全氮含量的meta分析

張娜娜 ，孫武 ，2*

（1.青海師范大學地理科學學院，青海 西寧 810000；2.青海大學畜牧獸醫(yī)科學院，青海 西寧 810016）

目前，在我國農業(yè)生產中農田化肥（NPK）施用普遍較多，導致農田對化肥的依賴性越來越大，但長期施用化肥已經對我國土壤造成了嚴重的影響：土壤肥力下降，土壤板結，生產力下滑等［1］。化肥施用過多還會導致地表水富營養(yǎng)化和淺層水污染。但傳統(tǒng)經典的施用化肥策略也給農田土壤帶來了許多益處。首先，化肥可以增加土壤有效養(yǎng)分含量，如增加土壤有機碳含量，使得土壤有機質含量劇增，短時間內極大提高了土壤肥力。如尿素可增加有效氮含量。其次，改變土壤pH，長期施用氯化鉀可導致土壤酸化，施用鈣鎂磷肥可使土壤pH值增加。另外，長期添加化肥可以改變土壤微生物生長繁殖，抑制真菌的繁殖，促進細菌繁殖。

土壤團聚體是土壤結構的基本單元，團聚體被稱為土壤的養(yǎng)分庫，土壤的性質和肥力由土壤團聚體的數(shù)量和質量決定［2］。其粒級的大小及組成在一定程度上反映了土壤的保水、保肥及通透性等功能，也是判斷土壤侵蝕、壓實、板結等物理過程與作用的關鍵因素，因此成為了土壤質量評價的重要指標之一［3］。而土壤團聚體平均質量直徑（MWD）也是評價土壤結構優(yōu)劣及土壤團聚體質量變化及穩(wěn)定性的重要方法［4］。土壤有機碳（SOC）對不同施肥方式較敏感，土壤有機碳既是土壤的重要組成部分，又是土壤養(yǎng)分的貯存庫和土壤微生物活動的能量來源，對土壤團聚體的形成和維持團聚體的穩(wěn)定具有重要作用［5］。土壤團聚體和土壤有機碳的關系是相輔相成的，土壤團聚體不僅是土壤有機碳的載體，也對土壤有機碳產生物理和生物保護作用［6］，而土壤有機碳又會促進土壤團聚體的形成［7］。土壤有機碳含量及其質量是反映土壤質量的重要指標，不僅影響土壤肥力和土壤生產力，而且會影響全球碳平衡［8］，土壤有機碳作為土壤團聚體的膠結劑，其含量還會影響團聚體的形成和穩(wěn)定性［9］。氮是植物生長不可缺少的元素，土壤是作物氮素主要來源［10-11］。研究土壤中氮素的分布、遷移、轉化對于加強環(huán)境保護，提高作物產量以及制定合理的施肥配方有重要意義［12］。目前，國內外有關土壤氮素有效性的研究較多，主要是針對不同土壤類型的氮儲量的研究。

綜上可以看出，MWD、SOC、全氮（STN） 3個指標可以有效地評價土壤團聚體穩(wěn)定性以及土壤肥力結構。有研究表明施肥處理會改變以上3個指標，從而對土壤肥力結構及理化性質產生重要影響［13-14］。提高農田土壤有機碳儲量及全氮含量，對保持農業(yè)可持續(xù)發(fā)展、應對全球氣候變暖趨勢具有雙重意義［15-18］。土壤有機碳及全氮與水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性關系密切，對土壤團聚體的數(shù)量和大小分布具有重要影響，而團聚體形成作用是土壤碳蓄積的重要機制，特別是土壤團聚體對有機碳快庫的物理保護［19-20］。但不同施肥措施下土壤有機碳、全氮積累與土壤團聚作用，團聚體中有機碳含量之間的相關關系目前尚不清楚。所以，研究施用不同化肥對土壤團聚體和有機質的影響是搞清土壤性質的關鍵。

近些年，關于不同化肥（NPK）處理對潮土、黑土、水稻土和棕壤等土壤團聚體的影響研究較多，認為化肥有利于提高MWD、SOC及STN的累積，從而最終提高土壤團聚體穩(wěn)定性以及有效改善了土壤肥力狀況。但也有部分研究認為化肥不利于土壤有機碳、全氮的累積，也不利于土壤團聚體穩(wěn)定性的提高［21］。因此，為了探討不同施肥方式下土壤中土壤團聚體以及有機碳和全氮含量的演變規(guī)律，通過meta分析方法，對47篇文獻進行薈萃分析，綜合評價施用化肥（NPK）是否有利于提高土壤團聚體穩(wěn)定性，以及是否可以有效地提高土壤SOC和STN的含量，為未來我國農業(yè)生產的土壤施肥管理措施提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 文獻檢索

在 Pubmed、Web of science、Science direct 等英文數(shù)據(jù)庫中輸入“fertilization application”“Mean weight diameter”“Soil agglomerates”“Soil organic carbon”“Soil total nitrogen”等關鍵詞；在中國知網、萬方數(shù)據(jù)庫、維普數(shù)據(jù)庫和中國科學引文數(shù)據(jù)庫（CSCD）等中文數(shù)據(jù)庫輸入“施肥處理”“平均質量直徑”“土壤團聚體”“土壤有機碳”“土壤總氮”等關鍵詞。檢索時間為2001—2019年，查閱相關文獻。

1.2 文獻篩選

根據(jù)以下條件對文獻進行篩選：（1）文獻研究內容，包括化肥施用對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響；（2）研究結果，包含土壤平均質量直徑（MWD）、有機碳（SOC）及全氮（STN）；（3）文獻語言，中文或英文。所有檢索到的文獻資料由2名研究者獨立完成篩選和數(shù)據(jù)提取并復核。按照文獻檢索規(guī)則共檢索到文獻1 414篇，其中排除重復文獻、會議論文、會議摘要、未發(fā)表論文、非核心期刊論文和非SCI論文556篇。通過閱讀文獻題目和摘要排除無化肥組處理和綜述類文獻424篇。進一步閱讀全文，排除無對照研究、未測定結果指標等不符合納入的387篇文獻，最終納入47篇文獻［22-68］。

1.3 數(shù)據(jù)提取及特征

本次meta分析共計納入47篇文獻，包括根據(jù)試驗設計提取的128個對照研究，共收集128份化肥組（NPK）和對照組（CK，表示不施肥）土壤數(shù)據(jù)，納入的研究均為化肥組對照試驗。分別提取以下數(shù)據(jù)和資料：文獻題目、發(fā)表時間、調查區(qū)域、土壤類型、施肥年限、篩分方法、土層厚度、土壤總量等信息，以及試驗數(shù)據(jù)和標準差（CK組和NPK組土壤團聚體平均質量直徑、土壤總有機碳、土壤總氮）。相同年份、同一作者的不同研究使用（1）（2）（3）（4）區(qū)分。本次篩選文獻涉及到的土壤類型主要包括黑土、褐土、棕壤、草甸土、樓土、紅壤土、黏土、砂壤土、紅黏土、水稻土、灰鈣土、淋溶土等。

1.4 統(tǒng)計方法

采用R語言（4.1.0版本）meta包對所提取的數(shù)據(jù)資料進行meta分析。

1.4.1 效應尺度選擇 由于納入文獻結局指標均為連續(xù)性變量，因此選擇標準化均數(shù)差（standardized mean difference，SMD）為效應長尺度，并計算其95%置信區(qū)間（confidence interval，CI）。

1.4.2 meta分析 用Inverse Variance 法合并效應量。在R語言中直接可調用meta包中的metacont命令進行meta分析，調用forest命令將其分析結果轉化為森林圖，然后輸出到桌面?zhèn)溆谩?/p>

1.4.3 異質性檢驗 利用Q 檢驗和I2值進行研究間異質性分析。當I2<50%，認為研究間異質性低或不存在異質性，采用固定效應模型（Fixed Model）合并效應量；當I2>50%，認為研究間存在較高異質性，則用隨機效應模型（Random Model）合并效應量。

1.4.4 偏倚分析及處理 采用漏斗圖分析法檢驗是否存在發(fā)表偏倚，當P<0.05時認為差異顯著，如果存在發(fā)表偏倚，則利用trim and filled模型及rank法進行校正。調用meta包中的metabias命令和funnel命令進行偏倚分析和漏斗圖的繪制，然后輸出到桌面?zhèn)溆?。調用trimfill命令進行meta分析的校正。

1.4.5 敏感性分析 依次將每項研究排除，評價其對合并效應量和異質性的影響，評價結果穩(wěn)定性。調用meta包中的metainf命令進行敏感性分析。

2 結果與分析

2.1 施用化肥對MWD、SOC、STN的影響

長期施用化肥（NPK）后，結局指標MWD、SOC、STN數(shù)量變化均存在研究間異質性（MWD［P<0.001，I2=99.4%］，SOC［P<0.001，I2=99.5%］，STN［P<0.001，I2=99.6%］），故采用隨機效應模型合并效應量。森林圖結果顯示（圖1‐3），部分結果呈現(xiàn)顯著的正效應，部分結果統(tǒng)計學上無意義，少量結果呈現(xiàn)負效應，但是合并效應量在無效線右側，且不與無效線相交，即統(tǒng)計學上認為有意義并且是正效應，表明長期施用化肥可顯著提高土壤MWD（P<0.001），可顯著提高 SOC（P<0.001），可顯著提高STN（P<0.001）。

2.2 敏感性分析

施用化肥顯著影響了土壤團聚體MWD、SOC、STN（表1），本次meta分析結果異質性高（I2>50%，P<0.01），需對分析結果的穩(wěn)定性和可信度進行評價。敏感性分析結果表明，納入的所有研究依次排除之后，剩余研究的合并效應值均位于無效線的兩側，并且未相交，更說明了本次meta分析結果的準確性。

表1 施用化肥影響土壤團聚體meta分析結果Table 1 Results of meta-analysis on the effect of chemical fertilizer application on soil agglomerates

2.3 偏倚分析

長期施用化肥后土壤SOC、STN漏斗圖顯示（圖4），大部分研究分布在漏斗圖上部且中間集中，對稱性好，但也有少量研究分布在漏斗圖外，說明研究的樣本量大、具有代表性，且試驗精度高、數(shù)據(jù)準確。MWD的研究大部分集中在漏斗圖中上部，但對稱性差，且有部分研究分布在漏斗圖下部或外部，說明存在少量發(fā)表偏倚。利用trim and filled模型進行校正，矯正分析后的結果（表2）顯示，施用化肥對土壤MWD的影響仍然達到了統(tǒng)計學上的顯著性（P=0.033），這充分說明前面meta結果的可靠性。同理，對于SOC、STN指標而言，矯正后的結果顯示，SOC的P值（0.028）、STN的P值（0.048）都達到了統(tǒng)計學上的顯著性。以上結果充分再次驗證了meta分析結果的可靠性。

表2 Meta分析矯正后結果總結Table 2 Summary of results after meta-analysis correction

圖4 施用化肥影響土壤MWD、SOC、STN 95%置信區(qū)間的漏斗圖Fig.4 Funnel plots of 95% confidence intervals for the effect of chemical fertilizer application on MWD，SOC and STN

圖2 施用化肥對土壤SOC的meta分析森林圖Fig.2 Forest plot for meta-analysis of chemical fertilizer application on soil SOC

3 討論

土壤團聚體穩(wěn)定性一般用平均質量直徑（MWD）值來表示，大團聚體的百分比越高，MWD的值越大；團聚體越穩(wěn)定，GMD值越大［4］。近些年，關于不同化肥（NPK）對潮土、黑土、水稻土和棕壤等土壤團聚體的影響研究較多，認為化肥有利于土壤團聚體內部有機碳的累積，提高土壤團聚體穩(wěn)定性。通常認為粒徑越大土壤團聚體穩(wěn)定性越高，但也有部分研究認為化肥不利于有機碳的累積，也不利于團聚體穩(wěn)定性的提高［21］。Qiao 等［26］連續(xù) 3 年測定長期施用化肥對黃褐土中MWD的影響，發(fā)現(xiàn)2014-2016年土壤中MWD顯著增加。Tripathi等［34］對印度長期施用化肥土壤進行測定發(fā)現(xiàn)平均質量直徑MWD顯著增加。施用化肥對MWD的meta分析結果支持了這一結論，對37個對照研究的分析結果表明，長期施用化肥可顯著提高土壤中團聚體MWD的指標。盡管對MWD的研究存在異質性，但筆者進行了矯正分析，其結果證實了meta分析結果的可靠性。此外，敏感性分析結果表明，每一項研究都排除之后，剩余結果的合并效應量仍然有統(tǒng)計學上的顯著性意義。綜上，說明本次meta分析結果穩(wěn)定可靠，長期施用化肥可顯著提高MWD，而研究報道MWD的大小與土壤穩(wěn)定性呈現(xiàn)正相關，因此，也說明長期施用化肥可以有效的提高MWD穩(wěn)定性。

圖3 施用化肥對土壤STN的meta分析森林圖Fig.3 Forest plot for meta-analysis of chemical fertilizer application on soil STN

SOC是土壤的重要組成部分，是生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的指標。SOC含量及其質量是反映土壤質量的重要指標，不僅影響土壤肥力和土壤生產力，而且會影響全球碳平衡［8］，SOC作為土壤團聚體的膠結劑，其含量還會影響團聚體的形成和穩(wěn)定［9］。大部分研究認為，施用化肥（NPK）可導致SOC的含量增加，比如，Luo等［52］2012年研究云南省長期施用化肥后砂質紅壤中SOC的含量，發(fā)現(xiàn)施用化肥后，SOC含量顯著增加。He等［35］對河北省施用化肥處理的土壤進行了SOC的測定，發(fā)現(xiàn)SOC含量顯著增加。然而，也有一些研究結果表明，施用化肥后并不能提高SOC的含量。杜立宇等［28］發(fā)現(xiàn)沈陽市草甸土中經過施肥處理后，SOC的含量并未增加反而有下降趨勢。Li 等［36］對貴州省的土壤進行測定發(fā)現(xiàn)，長期施肥沒有增加SOC的含量。本文對64個對照研究的分析結果表明，長期施用化肥可顯著提高SOC的含量。盡管SOC的研究存在異質性，但筆者進行了矯正分析，其結果也證實了meta分析結果的可靠性。此外，敏感性分析結果表明，每一項研究都排除之后，剩余結果的合并效應量仍然有統(tǒng)計學上的顯著性意義。本次薈萃分析結果與上述杜立宇［28］、Li等［36］結論相反，原因可能在于研究條件如施肥年限、調查區(qū)域、海拔高度、氣候變化、年降水量等因素的不同導致的。土壤有機碳作為土壤團聚體的膠結劑，其含量還會影響團聚體的形成和穩(wěn)定，結合前面MWD的結果，我們推測施肥處理在提高SOC的同時，也顯著提高了MWD的穩(wěn)定性。

STN是衡量土壤肥力的重要指標，在作物生長過程中起到至關重要的作用。大部分研究認為長期施用化肥可以顯著提高STN含量。研究表明長期施肥降低了貴州省的 STN的含量［36］。Chen等［69］研究表明長期施肥降低了吉林省黏壤STN的含量。Li等［43］2019最新研究發(fā)現(xiàn)長期施用化肥對江西省水稻土STN含量有降低影響。然而也有部分研究認為施用化肥增加了 STN 的含量。如，Liu 等［70］2011年研究發(fā)現(xiàn)施用化肥對沈陽市潮棕壤STN的含量產生顯著增加趨勢。Wang yidong等［71］2017年研究表明，長期施肥浙江杭州土壤STN的影響呈現(xiàn)增加趨勢。本研究對27個對照研究的分析結果表明，長期施用化肥可顯著提高土壤中團聚體STN的含量。盡管STN的研究存在異質性，但我們也進行了矯正分析，其結果證實了meta分析結果的可靠性。此外，敏感性分析結果表明，每一項研究都排除之后，剩余結果的合并效應量仍然有統(tǒng)計學上的顯著性意義。綜上，說明本次meta分析結果穩(wěn)定可靠，長期施用化肥可顯著提高STN。至于對土壤團聚體的影響，本次meta分析結果并不能作為預測土壤團聚體穩(wěn)定性的指標。因為研究報道STN的大小與土壤穩(wěn)定性并不一定呈現(xiàn)正相關。

本研究存在一定的局限性。首先，納入的文獻資料整體質量較高，但仍存在數(shù)據(jù)不全和少量的發(fā)表偏倚，可能對meta分析結果造成一定影響。此外，納入的研究間存在施肥年限、調查區(qū)域、年降水量、年均氣溫、海拔、氣候類型、土壤類型等環(huán)境條件以及土層厚度、土壤篩分方法等實驗操控等因素的差異，如施肥年限越長可能易造成相關結局指標的變化，從而對土壤團聚體的穩(wěn)定性造成不可預測影響。其次，本次分析納入的試驗數(shù)據(jù)均為整個土壤團聚體總的含量，并未采集各粒徑下結局指標的數(shù)據(jù)，因此對于認識或掌握施肥處理對土壤團聚體穩(wěn)定性及SOC、STN影響的作用機制還不夠深入，缺乏系統(tǒng)性和全面性。

4 結論

Meta分析明確了施用化肥可顯著提高土壤團聚體平均質量直徑（MWD），可顯著提高土壤有機碳（SOC）、全氮（STN）的含量，敏感性分析和偏倚分析進一步表明分析結果穩(wěn)定可靠。由此可見，施用化肥可顯著提升土壤團聚體穩(wěn)定性，對改善土壤肥力有潛在積極作用。