王傳杰，肖婧,2，蔡岸冬，張文菊，徐明崗

（1中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室，北京 100081；2武漢理工大學， 武漢 430070）

不同氣候與施肥條件下農田土壤微生物生物量特征與容量分析

王傳杰1，肖婧1,2，蔡岸冬1，張文菊1，徐明崗1

（1中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室，北京 100081；2武漢理工大學， 武漢 430070）

【目的】土壤微生物生物量是土壤生物肥力的重要指標，是土壤養(yǎng)分重要的周轉庫。探討不同氣候和施肥條件下土壤微生物生物量（生物量碳、氮）的特征及容量，對于深刻認識土壤微生物生物量的影響因素及提高土壤生物肥力具有重要意義?！痉椒ā勘狙芯繌闹袊W、萬方和web of Science 3個文獻數據庫，以“土壤微生物生物量”、“中國農田”和 “長期施肥”為關鍵詞，共收集目標文獻42篇，包括458組含土壤有機碳（SOC）與土壤微生物生物量碳（SMBC）和414組含土壤全氮（TN）與土壤微生物生物量氮（SMBN）的數據集，涵蓋了4種氣候下的2類施肥條件（施有機肥：單施或配施，＋OM；不施有機肥：無肥和化肥，－OM）。土壤微生物熵（SMBC/SOC）和SMBN/TN的中值差異性均采用Kruskal-Wallis H 單向顯著性檢驗（P＜0.05），容量分析采用界限分析方法?！窘Y果】統(tǒng)計分析結果表明，不同施肥處理下，SMBC與SOC和SMBN與TN之間均存在顯著線性正相關關系（P＜0.01），長期施用有機肥條件下，土壤微生物生物量碳、氮對土壤有機碳和全氮增加的響應系數分別為24.77和30.27，顯著高于化肥或不施肥條件（分別為19.88和19.86）（P＜0.05）。界限分析結果顯示，不同施肥措施下SMBC對SOC增加響應的最大值為33.45—36.00，SMBN對TN的最大響應系數為45.45—49.79，當前條件下SMBC和SMBN還有37.99%和49.66%的提升空間。不同氣候條件下SMBC/SOC和SMBN/TN均存在顯著差異（P＜0.05），其中，中溫帶半干旱半濕潤區(qū) SMBC/SOC的中值最高為 2.73%，其次為亞熱帶濕潤區(qū)（2.45%）和暖溫帶濕潤區(qū)（2.31%），中溫帶濕潤區(qū)最低為1.48%；SMBN/TN的中值大小順序為：暖溫帶濕潤區(qū)（4.72%）＞中溫帶半干旱半濕潤區(qū)（3.50%）＞亞熱帶濕潤區(qū)（2.99%）＞中溫帶濕潤區(qū)（1.80%）。不同施肥條件下SMBC/SOC和SMBN/TN的變化范圍分別為0.35%—6.50%和0.50%—9.72%，但其中值并無顯著差異（P＞0.05）。對于同一氣候條件不同施肥措施而言，僅在中溫帶濕潤區(qū)，施有機肥處理對微生物量碳（氮）占總有機碳（氮）的比例有顯著影響（P＜0.05）?！窘Y論】氣候對土壤微生物生物量碳、氮所占比例具有顯著影響，不同施肥模式雖然不能顯著改變微生物生物量碳、氮的比例，但有機肥的施用對微生物生物量碳、氮的提升效果顯著高于化肥或不施肥，該結果對于土壤生物肥力的調控有重要指導意義。

中國農田；施肥；氣候；土壤微生物熵（SMBC/SOC）；土壤微生物生物量碳；土壤微生物生物量氮

0 引言

【研究意義】微生物是土壤中最活躍的組成[1]，是土壤養(yǎng)分循環(huán)的主要驅動者和植物可利用養(yǎng)分的重要來源之一[2-4]。微生物熵，即微生物生物量碳（soil microbial biomass carbon，SMBC）與土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）的比值（SMBC/SOC），是反映土壤生態(tài)系統(tǒng)中碳平衡的指標，其變化反映了土壤中碳的損失和土壤礦化對有機質的固定[5]。微生物生物量氮（soil microbial biomass nitrogen，SMBN）與土壤全氮（total nitrogen，TN）含量的比值（SMBN/TN）表征微生物對土壤有效氮素的利用效率。土壤微生物熵和SMBN/TN的變化，能夠從微生物學的角度揭示土壤肥力的差異，對土壤養(yǎng)分的固定有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】自從土壤微生物量的測定方法應用以來[2-3]，人們對土壤微生物生物量進行了大量的研究[6-7]。許多研究結果表明，土壤微生物生物量間的差異主要是由不同的地理條件、氣候、土地利用方式等因素造成[8-9]，溫度和降雨能影響土壤微生物生存的微環(huán)境，進而改變土壤微生物生物量。但有關溫度對微生物生物量碳影響的結論各不相同[10-11]，VERBURG等[12]發(fā)現較高土壤溫度下微生物活性增強，DOMISCH等[13]則得到相反的結論，當土壤溫度較高時，泥炭土壤中微生物生物量碳呈降低趨勢。而 JOERGENSE等[14]卻認為，除土壤溫度的間接作用外（如影響植物生長），只有當其處于較低（低于 6℃）或較高（35℃以上）的情況下，才會對土壤微生物生物量產生大的影響，成為土壤微生物活動的主要限制因子。微生物生物量會隨著水分的干濕交替而改變，當土壤濕度增加時，微生物量會隨之上升；反之，土壤趨于干旱時，微生物量也逐漸下降[15]。ROSACKER等[16]和KIEFT等[17]發(fā)現草地土壤含水量增大到田間持水量的50%－60%時，微生物生物量碳明顯增加，但在持續(xù)干旱條件下，微生物生物量碳顯著下降。施肥作為改善土壤肥力的重要手段，對土壤微生物物量具有很大的影響。施用有機肥料可以顯著提高土壤微生物生物量碳、氮的含量[18-22]，如臧逸飛等[20]通過26年的長期實驗得出的研究結果表明，長期施用有機肥條件下土壤微生物量碳、氮含量高于單施無機肥的處理。施用化學肥料也有提高土壤微生物生物量的效應[23-24]，但過量的施用氮、磷、鉀化肥，反而降低了土壤微生物生物量碳的含量[24]。總之，由于氣候類型、施肥措施等不同，從而造成土壤微生物生物量碳、氮占土壤有機碳、全氮的比值也存在一定差別[25-27]?！颈狙芯壳腥朦c】眾多研究者均基于某一個或者某幾個長期試驗而進行的點位分析，因而其結果均因特定的氣候類型和施肥措施存在較大差異。為了整體認識不同氣候條件和施肥措施對農田土壤微生物生物量特征與容量的影響程度，須利用這些相對獨立的研究進行大樣本數據的綜合分析?！緮M解決的關鍵問題】通過對已發(fā)表的有關土壤微生物生物量的文獻數據的收集和整合分析，分析不同氣候及施肥措施下土壤微生物生物量碳、氮的特征及其容量，揭示其差異性和關鍵控制因素，為土壤生物肥力培育提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據搜集

本研究從中國知網、萬方和Web of Science 3個文獻數據庫，以“土壤微生物生物量”、“中國農田”和“長期施肥”為關鍵詞，篩選出已發(fā)表的文獻 42篇，其中共收集到458組含土壤有機碳和土壤微生物生物量碳的相關數據集，414組含土壤全氮和土壤微生物生物量氮的相關數據，土壤深度均在0－20 cm。采用 Excel 2016 軟件建立土壤元素及對應的土壤微生物生物量的信息表，內容主要有：土壤有機碳含量、土壤全氮含量、土壤微生物生物量碳、土壤微生物生物量氮、土壤類型、土地利用方式、氣候類型及試驗點位信息等，其中土壤類型包括黑壚土、潮土、棕壤、塿土、水稻土、灌漠土、褐土、石灰性土壤和黑土，土地利用方式包括旱地和水田（表 1）。在數據搜集過程中，如果數據是以圖的形式展示，采用 GetData Graph Digitizer 2.24 軟件來獲得；原始數據中的土壤有機質（SOM）數據全部乘以有機碳轉換系數 0.58轉化為土壤有機碳（SOC）[28]。

1.2 統(tǒng)計分析

對于土壤微生物生物量碳、氮與土壤有機碳和全氮的響應關系采用回歸分析，響應關系斜率的差異性比較采用t檢驗法[29]。由于算術平均數容易受一組數據中極端數值（特大或特?。┑挠绊?，本研究差異性檢驗均以中值進行。中值之間采用Kruskal-Wallis H單向顯著性檢驗（P＜0.05）[30]。微生物生物量碳、氮的容量估算采用界限分析方法[30-31]，其基本原理是首先以橫坐標數據的中間點為界點，分等橫軸距離的左右兩部分數據，分別取兩部分縱坐標上部10%的數據，若數據呈顯著相關關系（P＜0.01），則繼續(xù)把橫坐標數據分為等距的四部分，然后對四部分取縱坐標上部分10%的數據，若數據呈顯著相關關系（P＜0.01），則循環(huán)此步驟，直到數據相關性不顯著（P＞0.01），然后取前一次相關性顯著的線性方程（P＜0.01），即為界限分析方程。本研究采用SPSS Statistics 19.0進行數據分析和Sigma Plot 10.0 軟件進行繪圖。

表1 不同氣候、土壤類型、土地利用方式及施肥條件下土壤微生物熵（SMBC/SOC）和SMBN/TN的樣本數分布Table 1 Sample numbers of SMBC/SOC and SMBN/TN under various climate zones, soil types, land uses and fertilization conditions

2 結果

2.1 不同施肥措施下土壤微生物生物量

2.1.1 不同施肥措施下土壤微生物生物量碳、氮 施用有機肥處理下SMBC和SMBN的中值（287.76 mg·kg-1和43.60 mg·kg-1）均顯著高于不施用有機肥的處理（213.51 mg·kg-1和33.40 mg·kg-1）（P＜0.05）（表2）。對于SMBC/SOC（0.35%－6.50%）和SMBN/TN（0.50%－9.72%）而言，施用有機肥處理下中值分別為 1.90%和 3.00%；與不施用有機肥相比，并沒有顯著改變 SMBC/SOC（2.21%）和 SMBN/TN（3.00%）的值（P＞0.05）。

2.1.2 不同施肥措施下土壤微生物生物量碳、氮與土壤有機碳、全氮的關系 表3中不同施肥措施下，土壤微生物生物量碳對土壤有機碳和土壤微生物生物量氮對全氮的響應均存在顯著線性正相關關系（P＜0.01），二者相關關系的斜率（或響應系數）反映了微生物生物量碳、氮對土壤碳、氮增加響應的敏感性。在施用有機肥條件下，土壤微生物生物量碳、氮對土壤有機碳和全氮增加的響應系數均顯著高于化肥或不施肥條件（P＜0.05）。長期不施用有機肥和施用有機肥處理下，土壤微生物生物量碳對土壤有機碳響應系數分別為19.88和24.77，表明當土壤中有機碳增加一個單位（g·kg-1）時，微生物生物量碳分別增加19.88和24.77個單位（mg·kg-1）。土壤微生物生物量氮對全氮的響應系數分別為19.86和30.27，表明當土壤中增加一個單位（g·kg-1）的全氮時，微生物生物量氮分別增加19.86和30.27個單位（mg·kg-1）。

表2 不同施肥措施下土壤微生物生物量的相關統(tǒng)計量Table 2 The relative statistics of soil microbial biomass under different fertilization managements

表3 不同施肥措施下土壤微生物生物量碳、氮與土壤有機碳、全氮的關系Table 3 The correlation between soil microbial biomass (y) and soil element content (x) under different fertilization managements

2.2 不同施肥措施下土壤微生物生物量的容量分析

不同施肥措施下，土壤微生物生物量碳對土壤有機碳增加響應的最大值為 33.45－36.00，土壤微生物生物量氮對全氮的最大響應系數為 45.45－49.79，當前平均水平與該最大值相比，分別存在 37.99%和49.66%的提升空間（表 3）。不施用有機肥和施用有機肥處理下，土壤微生物生物量碳對土壤有機碳的最大響應系數分別為36.00和33.45，表明當土壤中有機碳增加一個單位（g·kg-1）時，不施用有機肥和施用有機肥處理下的微生物生物量碳最高分別可增加 36.00和33.45 個單位（mg·kg-1），較當前分別增加81.09%和35.04%；土壤微生物生物量氮對土壤全氮的最大響應系數分別為45.45和49.79，表明當土壤中增加一個單位（g·kg-1）的全氮時，不施用有機肥和施用有機肥處理下的微生物生物量氮分別增加45.45和49.80 個單位（mg·kg-1），較當前分別增加128.85%和64.49%。不同施肥措施下土壤微生物生物量碳、氮對土壤有機碳和全氮的最大響應系數均不存在顯著差異（P＞0.05，表3）。

2.3 不同氣候條件下土壤微生物生物量特征

不同氣候條件下SMBC/SOC和SMBN/TN均存在顯著差異（P＜0.05，圖 1）。對于土壤 SMBC/SOC而言，中溫帶半干旱半濕潤區(qū)的SMBC/SOC中值最高為2.73%，顯著高于中溫帶濕潤區(qū)（1.48%）和暖溫帶濕潤區(qū)（2.31%），但與亞熱帶濕潤區(qū)（2.45%）不存在顯著差異（P＞0.05）；中溫帶濕潤區(qū)的SMBC/SOC比值（1.48%）顯著低于其他3個氣候帶（P＜0.05）。不同氣候條件下SMBN/TN的中值大小順序為暖溫帶濕潤區(qū)（4.72%）＞中溫帶半干旱半濕潤區(qū)（3.50%）＞亞熱帶濕潤區(qū)（2.99%）＞中溫帶濕潤區(qū)（1.80%）。

圖 1 不同氣候條件下土壤微生物熵（SMBC/SOC）和SMBN/TNFig. 1 The SMBC/SOC and SMBN/TN under different climate zones

在中溫帶濕潤區(qū)，施用有機肥對微生物量碳、氮占土壤有機碳和全氮的比例的提升存在顯著影響（P＜0.05）（圖2）。在暖溫帶濕潤區(qū)，施用有機肥僅對SMBN/TN的提升存在顯著影響（P＜0.05）。在亞熱帶濕潤區(qū)，不同施肥措施對 SMBC/SOC和SMBN/TN均不存在顯著影響（P＞0.05）。在中溫帶半干旱半濕潤區(qū)，不同施肥措施對SMBN/TN不存在顯著影響（P＞0.05），而施用有機肥處理下SMBC/SOC（2.50%）的中值顯著低于不施有機肥的處理（2.82%）。

3 討論

土壤微生物生物量是土壤有機質中活性較高的部分，它是土壤養(yǎng)分周轉的中間庫，雖然在土壤中的絕對含量不大，但對于養(yǎng)分的轉化和供應至關重要[32]。本研究結果表明，與不施用有機肥相比，施用有機肥能夠顯著增加土壤微生物生物量碳、氮。這主要是由于有機肥直接增加了微生物活動所需的碳源和氮源，使微生物同化作用加強[37]，直接促進了微生物生物量的增長，而且有機肥的長期施用通過改善土壤理化性質也有利于增強微生物的活性和生物量[4]；而施用化肥導致土壤板結、通氣性變差及 pH下降等，對土壤微生物的生活環(huán)境造成不良影響，從而降低了土壤微生物的活性[39-40]，進而降低微生物生物量。

圖2 不同氣候和施肥條件下土壤微生物熵（SMBC/SOC）和SMBN/TNFig. 2 The characteristics of SMBC/SOC and SMBN/TN under various climate zones and fertilization managements

土壤微生物熵反映了土壤生態(tài)系統(tǒng)中碳平衡的指標[5]，本研究結果表明，土壤微生物熵的范圍在0.35%－6.50%，這與前人的研究結果（1%－5%）基本一致[33-35]。土壤微生物生物量氮是土壤氮素的一個重要儲備庫，也是土壤有機氮中最為活躍的組分，在土壤氮循環(huán)與轉化過程中起著重要的調節(jié)作用，研究表明，SMBN/TN的范圍在0.50%－9.72%，這與前人的研究結果（2%－6%）相似[33-36]。全國范圍內不同施肥措施并沒有顯著改變土壤微生物生物量碳、氮所占土壤有機碳、全氮的比例，這可能是由于土壤微生物生物量與土壤中養(yǎng)分增加趨勢趨于一致，并且在大尺度范圍內，施肥措施可能并不是影響土壤微生物量容量的主要因素。

土壤微生物生物量碳、氮對土壤有機碳和全氮的響應均存在顯著線性正相關關系，表明土壤微生物生物量碳、氮隨著土壤有機碳和全氮含量的增加而顯著增加，二者相關關系的斜率反映了微生物生物量對土壤碳、氮增加響應的敏感性（或響應系數）。不同施肥措施下土壤微生物生物量碳、氮對土壤有機碳、全氮的響應均存在顯著差異，有機肥的施用對微生物生物量碳、氮的提升效果顯著高于化肥或不施肥，這與前人研究結果相同[4,41]。其原因可能是與不施用有機肥相比，長期施用有機肥下土壤中有機碳含量更高，當土壤中增加等量養(yǎng)分時需要更多的外源養(yǎng)分投入，而剩余未被土壤固定的養(yǎng)分則更多地被土壤微生物同化利用；所以當土壤中增加等量的養(yǎng)分時，施用有機肥條件下土壤微生物生物量增加的更多，從而能夠固定更多的土壤養(yǎng)分，提高土壤生物肥力。界限分析表明，不同施肥措施下土壤微生物生物量碳、氮對土壤有機碳、全氮響應的最大系數均不存在顯著差異，說明土壤微生物生物量碳、生物量氮均存在相同的最大容量，在當前施肥措施下土壤微生物生物量容量仍存在一定的提升空間，這對于提高土壤生物肥力、固定土壤養(yǎng)分以及促進土壤營養(yǎng)物質循環(huán)有重要意義。

本研究結果表明，氣候條件對土壤微生物生物量容量存在不同程度的影響（圖1）。許多研究結果表明，土壤微生物生物量間的差異主要是由不同的地理條件、氣候等因素造成[8-9]，與本研究的結果相一致，即與施肥措施相比，氣候因素對土壤微生物生物量碳、氮占土壤有機碳、全氮的比例影響更為顯著。在中溫帶濕潤區(qū)，SMBC/SOC和SMBN/TN的中值均顯著低于其他 3個氣候帶，可能是由于該氣候條件下溫度低，限制了土壤微生物的活動，從而導致土壤微生物生物量碳、氮的下降。JOERGENSEN等[14]認為當溫度低于6℃的情況下，會對土壤微生物生物量產生較大的影響，成為土壤微生物活動的主要限制因子，引起微生物生物量的大幅度下降。不同氣候條件下SMBN/TN的中值均存在顯著性差異，大小順序為：暖溫帶濕潤區(qū)（4.72%）＞中溫帶半干旱半濕潤區(qū)（3.50%）＞亞熱帶濕潤區(qū)（2.99%）＞中溫帶濕潤區(qū)（1.80%），這與前人研究相似[14]；在亞熱帶濕潤區(qū)，SMBN/TN顯著低于暖溫帶濕潤區(qū)和中溫帶半干旱半濕潤區(qū)，這可能是由于在亞熱帶濕潤區(qū)水稻土長期淹水，土壤中的氮以反硝化作用損失的較多，微生物固持的會減少，從而使得微生物生物量氮降低[23]。在中溫帶半干旱半濕潤區(qū)，施有機肥處理的SMBC/SOC要顯著低于不施有機肥的處理，這可能是因為該氣候條件下土壤養(yǎng)分缺乏，有機物料的輸入促進了微生物的激發(fā)作用，加快土壤有機物質分解的同時微生物代謝熵（反映單位生物量的微生物在單位時間里的呼吸強度）增大，使得碳的消耗量增大[42]。

4 結論

通過對已發(fā)表文獻數據的整合分析表明，氣候對土壤微生物生物量碳、氮分別占土壤有機碳和全氮的比例具有顯著影響，不同施肥模式雖然不能顯著改變微生物生物量碳、氮所占的比例，但有機肥的長期施用對微生物量碳、氮含量的提升效果顯著高于化肥或不施肥。當前施肥模式下，中國主要農區(qū)土壤微生物生物量容量仍存在一定的提升空間，這對于土壤生物肥力的改變和提升具有重要意義。

[1] 宋長青, 吳金水, 陸雅海, 沈其榮, 賀紀正, 黃巧云, 賈仲君, 冷疏影, 朱永官. 中國土壤微生物學研10年回顧. 地球科學進展, 2013, 28(10): 1087-1105.

SONG C Q, WU J S, LU Y H, SHEN Q R, HE J Z, HUANG Q Y, JIA Z J, LENG S Y, ZHU Y G. Advances of soil microbiology in the last decade in China. Advances in Earth Science, 2013, 28(10): 1087-1105. (in Chinese)

[2] OCIO J A, MARTIMEZ J, BROOKES P C. Contribution of straw-derived N to total microbial biomass N following incorporation of cereal straw to soil. Soil Biology and Biochemistry, 1991, 23(7): 655-659.

[3] BROOKES P C, POWLSON D S, JENKINSON D S. Phosphorus in the soil microbial biomass. Soil Biology and Biochemistry, 1984, 16(2): 169-175.

[4] 徐陽春, 沈其榮, 冉煒. 長期免耕與施用有機肥對土壤微生物生物量碳、氮、磷的影響. 土壤學報, 2002, 39(1): 89-96.

XU Y C, SHEN Q Y, RAN W. Effects of zero-tillage and application of manure on soil microbial biomass C, N and P after sixteen years of cropping. Acta Pedologica Sinica, 2002, 39(1): 89-96. (in Chinese)

[5] 張金波, 宋長春. 土地利用方式對土壤碳庫影響的敏感性評價指標. 生態(tài)環(huán)境, 2003, 12(4): 500-504.

ZHANG J B, SONG C C. The sensitive evaluation indicators of effects of land-use change on soil carbon pool. Ecology and Environment, 2003, 12(4): 500-504. (in Chinese)

[6] KENNDAY A C, PAPENDICK R I. Microbial characteristics of soil quality. Journal of Soil and Water Conservation, 1995, 50(3): 243-248.

[7] BUNEMANNA E K, BOSSIOB D A, SMITHSONB P C, FROSSARD E, OBERSON A. Microbial community composition and substrate use in a highly weathered soil as affected by crop rotation and P fertilization. Soil Biology and Biochemistry, 2004, 36(6): 889-901.

[8] ANDERSON T H, DOMSCH K H. Ratios of microbial biomass to total organic carbon in arable soils. Soil Biology and Biochemistry, 1989, 21(4): 471-479.

[9] INSAM H, PARKINSON D, DOMSCH K H. Influence of macroclimate of soil microbial biomass. Soil Biology and Biochemistry, 1989, 21(2): 211-221.

[10] CONTIN M, CORCIMARU S, NOBILI MD, BROOKERS P C. Temperature changes and the ATP concentrations of the soil microbial biomass. Soil Biology and Biochemistry, 2000, 32(8/9): 1219-1225.

[11] KANDELER E, TSCHERKO D, BARDGETT R D, HOBBS P J, KAMPICHIER C. The response of soil micro-organisms and roots to elevated CO2and temperature in a terrestrial model ecosystem. Plant and Soil, 1998, 202(2): 251-262.

[12] VERBURG P S J, VANDAM D, HEFTING M, TIETEMA A. Microbial transformations of C and N in a boreal forest floor as affected by temperature. Plant and Soil, 1999, 208(2): 187-197.

[13] DOMISCH T, FINER L, LEHTO T, SMOLANDER A. Effect of soil temperature on nutrient allocation and mycorrhizas in Scots pine seedlings. Plant and Soil, 2002, 239(2): 173-185.

[14] JOERGENSEN R G, BROOKES P C, JENKINSON D S. Survival of the microbial biomass at elevated temperatures. Soil Biology and Biochemistry, 1990, 22(8): 1129-1136.

[15] BOTTNER P. Response of microbial biomass to alternate moist and dry conditions in a soil incubated with14C and15N-labelled plant material. Soil Biology and Biochemistry, 1985, 17(3): 329-337.

[16] ROSACKER L L, KIEFT T L. Biomass and adenylate energy charge of a grassland soil during drying. Soil Biology and Biochemistry, 1990, 22(8): 1121-1127 .

[17] KIEFT T L, SOROCER E, FIRESTONE M K. Microbial biomass response to a rapid increase in water potential when dry soil is wetted. Soil Biology and Biochemistry, 1987, 19(2): 119-126.

[18] PLAZA C, HERNáNDEZ D, GARCíA-GIL J C, POLO A. Microbial activity in pig slurry-amended soils under semiarid conditions. Soil Biology and Biochemistry, 2004, 36(10): 1577-1585.

[19] KAUTZ T, WIRTH S, ELLMER F. Microbial activity in a sandy arable soil is governed by the fertilization regime. European Journal of Soil Biology, 2004, 40(2): 87-94.

[20] 臧逸飛, 郝明德, 張麗瓊, 張昊青. 26年長期施肥對土壤微生物量碳、氮及土壤呼吸的影響. 生態(tài)學報, 2015, 35(5): 1445-1451.

ZANG Y F, HAO M D, ZHANG L Q, ZHANG H Q. Effects of wheat cultivation and fertilization on soil microbial biomass carbon, soil microbial biomass nitrogen and soil basal respiration in 26 years. Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(5): 1445-1451. (in Chinese)

[21] 馬曉霞, 王蓮蓮, 黎青慧, 李花, 張樹蘭, 孫本華, 楊學云. 長期施肥對玉米生育期土壤微生物量碳氮及酶活性的影響. 生態(tài)學報, 2012, 32(17): 5502-5511.

MA X X, WANG L L, LI Q H, LI H, ZHANG S L, SUN B H, YANG X Y. Effects of long-term fertilization on soil microbial biomass carbon and nitrogen and enzyme activities during maize growing season. Acta Ecologica Sinica, 2012, 32(17): 5502-5511. (in Chinese)

[22] WITTER E, MARTNSSON A M, GARICA F V. Size of the soil microbial biomass in a long-term experiment as affected by different N-fertilizers and organic manures. Soil Biology and Biochemistry, 1993, 25(6): 659-669.

[23] 陳安磊, 王凱榮, 謝小立. 施肥制度與養(yǎng)分循環(huán)對稻田土壤微生物生物量碳氮磷的影響. 農業(yè)環(huán)境科學學報, 2005, 24(6): 1094-1099.

CHEN A L, WANG K R, XIE X L. Effects of fertilization systems and nutrient recycling on microbial biomass C, N and P in a red-dish paddy soil. Journal of Agro-Environment Science, 2005, 24(6): 1094-1099. (in Chinese)

[24] MASTO R E, CHHONKAR P K, SINGH D, PATRA A K. Changes in soil biological and biochemical characteristics in a long-term field trial on a subtropical in ceptisol. Soil Biology and Biochemistry, 2006, 38(7): 1577-1582.

[25] OMAY A B, RICE C W, MADDUX L D, GORDON W B. Changes in soil microbial and chemical properties under long-term crop rotation and fertilization. Soil Science Society of America Journal, 1997, 61(6): 1672-1678．

[26] JENKINSON D S. The effects of biocidal treatments on metabolism in soil-IV. The decomposition of fumigated organisms in soil. Soil Biology and Biochemistry, 1976, 8(3): 203-208．

[27] 周建斌, 陳竹君, 李生秀. 土壤微生物量氮含量、礦化特性及其供氮作用. 生態(tài)學報, 2001, 21(10): 1718-1725.

ZHOU J B, CHEN Z J, LI S X. Contents of soil microbial biomass nitrogen and its mineralized characteristics and relationships with nitrogen supplying ability of soils. Acta Ecologica Sinica, 2001, 21(10): 1718-1725. (in Chinese)

[28] BREMNER J M, JENKINSON D S. A rapid method for the determination of organic carbon in soil. Analytica Chimica Acta, 1960, 22(1): 120-124.

[29] 張旭東, 吳剛, 蔡慶華, 彭鎮(zhèn)華. 長江干流季節(jié)性水淹灘地楊樹生長規(guī)律研究. 生物數學學報, 1999, 14(3): 322-326

ZHANG X D, WU G, CAI Q H, PENG Z H. A study of the growth rule of poplar on the seasonal river beaches of Changjiang River. Journal of Biomathematics, 1999, 14(3): 322-326. (in Chinese)

[30] CAI A D, FENG W T, ZHANG W J, XU M G. Climate, soil texture, and soil types affect the contributions of fine fraction-stabilized carbon to total soil organic carbon in different land uses across China. Journal of Environmental Management, 2016, 172: 2-9.

[31] WEBB R A. Use of boundary line in analysis of biological data. Horticultural Science, 1972, 47: 309-320.

[32] ANDERSON J, DOMASH K H. Quantities of plant nutrients in the microbial biomass of selected soils. Soil Science, 1980, 130(4): 211-216.

[33] MANJAIAH K, DHYAN S. Soil organic matter and biological properties after 26 years of maize-wheat-cowpea cropping as affected by manure and fertilization in a Cambisol in semiarid region of India. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2001, 86(2): 155-162.

[34] GOYAL S, CHANDER K, MUNDRA M C, KAPOOR K K. Influence of inorganic fertilizers and organic amendments on soil organic matter and soil microbial properties under tropical conditions. Biology and Fertility of Soils, 1999, 29(2): 196-220.

[35] SPARLING G P. Ratio of microbial biomass carbon to soil organic matter carbon as a sensitive indicator of changes in soil organic matter. Australian Journal of Soil Research, 1992, 30(2): 195-207.

[36] AZAM F, YOUSAF M, HUSSAIN F, MALIK K A. Determination of biomass N in some agricultural soils of Punjab, Pakistan. Plant and Soil, 1989, 113(2): 223-228.

[37] 賈偉, 周懷平, 解文艷, 關春林, 郜春花, 石彥琴. 長期有機無機肥配施對褐土微生物生物量碳、氮及酶活性的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2008, 14(4): 700-705.

JIA W, ZHOU H P, JIE W Y, GUAN C L, GAO C H, SHI Y Q. Effects of long-term inorganic fertilizer combined with organic manure on microbial biomass C, N and enzyme activity in cinnamon soil. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2008, 14(4): 700-705. (in Chinese)

[38] 魏巍, 許艷麗, 朱琳, 韓曉增. 長期施肥對黑土農田土壤微生物群落的影響. 土壤學報, 2013, 50(2): 372-380.

WEI W, XU Y L, ZHU L, HAN X Z. Effect of long-term fertilization on soil microbial communities in farmland of black soil. Acta Pedologica Sinica, 2013, 50(2): 372-380. (in Chinese)

[39] HOPKINS D W, SHIEL R S. Size and activity of soil microbial communities in long-term experimental grassland plots treated with manure and inorganic fertilizers. Biology and Fertility Soils, 1996, 22(1/2): 66-70.

[40] BITTMAN S, FORGE T A, KOWALENKO C G. Responses of the bacterial and fungal biomass in a grassland soil to multi-year applications of dairy manure slurry and fertilizer. Soil Biology and Biochemistry, 2005, 37(4): 613-623.

[41] 韓曉日, 鄭國砥, 劉曉燕, 孫振濤, 楊勁峰, 戰(zhàn)秀梅. 有機肥與化肥配合施用土壤微生物量氮動態(tài)、來源和供氮特征. 中國農業(yè)科學, 2007, 40(4): 765-772.

HAN X R, ZHENG G D, LIU X Y, SUN Z T, YANG J F, ZHAN X M. Dynamics, sources and supply characteristic of microbial biomass nitrogen in soil applied with manure and fertilizer. Scientia Agricultura Sinica, 2007, 40(4): 765-772. (in Chinese)

[42] 胡誠, 曹志平, 胡嬋娟, 王金凱. 不同施肥管理措施對土壤碳含量及基礎呼吸的影響. 中國生態(tài)農業(yè)學報, 2007, 15(5): 63-66.

HU C, CAO Z P, HU C J, WANG J K. The effects of long-term fertilization on the labile organic carbon and carbon management index in black soil. Chinese Journal of Soil Science, 2007, 15(5): 63-66. (in Chinese)

（責任編輯 楊鑫浩）

Capacity and Characteristics of Soil Microbial Biomass Under Various Climate and Fertilization Conditions Across China Croplands

WANG ChuanJie1, XIAO Jing1,2, CAI AnDong1, ZHANG WenJu1, XU MingGang1

(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081;2Wuhan University of Technology, Wuhan 430070)

Abstract:【Objective】Soil microbial biomass is an important index of soil biological fertility and also is an important pool of soil nutrient turnover. The objective of this study was to explore the capacity and characteristics of soil microbial biomass carbon (SMBC) and nitrogen (SMBN) under various climatic zones and fertilization managements across China cropland, and further to obtain better understanding of the factors and how to manage soil biological fertility.【Method】The publications were collected by searching Web of China Knowledge Resource Integrated Database, Wan Fang Database and Web of Science with the keywords of "soil microbial biomass", "Chinese cropland" and "long-term fertilization". A data set with 458 pairs of reported soil organic carbon (SOC) and SMBC and 414 pairs of reported total nitrogen (TN) and SMBN was set up from 42 published papers. They included such four categories of climatic zone as typical temperate (M1: humid; M2: semi-arid), warm-temperate (W) and subtropical (S) zones and two categories of fertilization with (+OM) and without (-OM) organic amendments across China. Statistical analysis on the median of SMBC/SOC and SMBN/TN under different fertilization managements and climate zones was performed with Kruskal-Wallis H test (P<0.05). The capacity of SMBC and SMBN to SOC and TN was obtained from boundary line, respectively.【Result】Results showed that there was a significant response of soil microbial biomass (SMBC and SMBN) to the increase in SOC and TN under different fertilization managements and climate zones (P<0.01), respectively. The response coefficients (i.e., the correlation slope) between SMBC and SOC, SMBN and TN were 24.77 and 30.27 under organic amendments, respectively, which were significantly higher than that under the management without organic amendments (19.88 for SMBC and 19.86 for SMBN) (P<0.05). Boundary analysis showed that the maximum response coefficients of SMBC to SOC and SMBN to TN were 33.45-36.00 and 45.45-49.79, respectively. Compared with the maximum values, the current average values still have 37.99% and 49.66% of room for improvement, respectively. The median values of SMBC/SOC and SMBN/TN were significantly different among the four climate zones. The highest value of SMBC/SOC was 2.73% under temperate semi-arid and sub-humid zone (M2), followed by sub-tropical (S, 2.45%) and warm humid zone (W, 2.31%), the lowest value is 1.48% under temperate humid zone (M1). The sequence of SMBN/TN was W (4.72%) >M2 (3.50%) >S (2.99%) >M1 (1.80%). The ranges of SMBC/SOC and SMBN/TN were 0.35%-6.50% and 0.50%-9.72%, respectively, under various fertilization conditions with no significant differences. For different fertilization managements under similar climatic zone, the median value of SMBC/SOC and SMBN/TN was significantly higher under organic fertilizer management than that under no organic fertilizer management under temperate humid zone (P<0.05).【Conclusion】Climatic conditions have a significant impact on soil microbial biomass capacity. Different fertilization managements do not significantly change the SMBC/SOC and SMBN/TN, but the organic amendment can significantly improve SMBC and SMBN, which are helpful for soil biological fertility improvement.

China cropland; fertilization management; climate zone; SMBC/SOC; soil microbial biomass carbon; soil microbial biomass nitrogen

2016-08-25；接受日期：2016-11-21

國家“十二五”國家科技支撐計劃項目（2014BAD14B02，2014BAD14B03）、國家公益性行業(yè)（農業(yè)）科研專項（201203030，201303126）

聯系方式：王傳杰，E-mail：soilcj@163.com。通信作者張文菊，E-mail：zhangwenju01@caas.cn