(甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物研究所，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

施肥是增加土壤養(yǎng)分、提高土壤肥力最有效的農(nóng)業(yè)措施，不同的施肥措施影響土壤的質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展。土壤微生物量(Soil Microbial Biomass，SMB)作為土壤活性養(yǎng)分的儲(chǔ)備庫(kù)，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量、反映微生物群落狀態(tài)與功能變化的重要指標(biāo)。土壤微生物活性與土壤健康質(zhì)量緊密相關(guān)，以土壤微生物活性變化為指標(biāo)建立的土壤生物學(xué)預(yù)警體系對(duì)發(fā)展現(xiàn)代有機(jī)農(nóng)業(yè)具有重要意義[1-2]。

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)是研究農(nóng)田長(zhǎng)期生態(tài)過(guò)程中環(huán)境效應(yīng)和調(diào)控措施的重要手段，不僅可以了解農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期變化過(guò)程，還能探究人為干擾和環(huán)境變化所帶來(lái)的長(zhǎng)期效應(yīng)及響應(yīng)機(jī)制[3]。大量研究表明，長(zhǎng)期施用廄肥可以顯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、土壤呼吸強(qiáng)度，且隨著廄肥施用量的增加，SMBC和SMBN增加越明顯[4-6]。郭成藏等[7]研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期秸稈還田(15 a)可以顯著提高連作棉田SMBC、SMBN和微生物量磷(Soil Microbial Biomass Phosphorus,SMBP)含量，且可以緩解棉花連作所帶來(lái)的不利影響，有利于維持和提高土壤質(zhì)量和土壤肥力。徐一蘭等[8]通過(guò)29 a的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，廄肥和無(wú)機(jī)肥配施顯著提高雙季稻田SMBC、SMBN含量以及微生物熵。此外，稻-麥輪作系統(tǒng)中，長(zhǎng)期施用豬廄肥可減少10%～15%的全球增溫潛勢(shì)(GWP)[9]。由于不同研究中氣候條件、土壤類型、耕作措施以及施肥種類的不同，導(dǎo)致SMBC和SMBN對(duì)不同外界因素和人為擾動(dòng)的響應(yīng)程度呈現(xiàn)多樣性和不確定性。雖然近年來(lái)我國(guó)學(xué)者在土壤微生物領(lǐng)域開展了大量的研究，但是，關(guān)于施肥措施對(duì)SMBC和SMBN的影響大多集中在單一的研究區(qū)域，而大尺度多個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)綜合研究鮮有報(bào)道。本研究通過(guò)整合分析，定量分析長(zhǎng)期不同施肥措施下中國(guó)農(nóng)田耕層SMBC和SMBN 含量變化特征、時(shí)空分異特征及其潛在的影響因素，以期為制定合理的農(nóng)田管理培肥措施，保障國(guó)家糧食安全和緩解氣候變化提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源和數(shù)據(jù)庫(kù)建立

本文通過(guò)ISI Web of Science (1990-2015) (http://apps.webofknowledge.com/)和中國(guó)知網(wǎng)(http://www.cnki.net/)，收集國(guó)內(nèi)外有關(guān)我國(guó)農(nóng)田施肥試驗(yàn)的研究文獻(xiàn)，并對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行篩選，建立我國(guó)農(nóng)田耕層 SMBC和SMBN數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括試驗(yàn)點(diǎn)具體位置(經(jīng)緯度)、土壤質(zhì)地、種植強(qiáng)度、施肥處理、施肥年限以及SMBC和SMBN含量數(shù)據(jù)。

本研究中文獻(xiàn)篩選的標(biāo)準(zhǔn)如下：(1)研究區(qū)域?yàn)槲覈?guó)農(nóng)田，主要包括小麥、玉米、水稻和大豆田；(2)施肥措施包括對(duì)照(不施肥，CK)和施肥處理，施肥處理至少有一種；施肥處理主要包括：不平衡施肥(UCF)包括一種或兩種類型的化肥，如N、P或K肥；平衡施肥(CF)包括N、P和K肥；秸稈還田(S)，秸稈和化肥配施(CFS)；廄肥(M)，廄肥和化肥配施(CFM)；(3)試驗(yàn)為施肥年限≥3 a的長(zhǎng)期田間定位試驗(yàn)；(4)土樣采自耕層土壤(0～30 cm)。經(jīng)過(guò)篩選，最終獲得符合標(biāo)準(zhǔn)的有效文獻(xiàn)70篇，其中，空間分布(東北地區(qū)，20篇；西北地區(qū)，14篇；東南地區(qū)，26篇)；施肥年限(<10 a，8篇;11～20 a，37篇;>20 a，25篇)和土壤質(zhì)地(黏土，31篇；粉砂壤土，16篇；壤土，9篇；沙壤土，14篇)。

1.2 數(shù)據(jù)分析

采用均數(shù)差(MD)作為整合分析效應(yīng)大小的度量標(biāo)準(zhǔn)，此指標(biāo)反映了施肥處理對(duì)土壤微生物變化的相對(duì)大小，計(jì)算公式為[10]：

MD=Xt-Xc

(1)

其中：Xt和Xc分別為試驗(yàn)組和對(duì)照組的平均值，而方差計(jì)算公式為：

(2)

其中：St、Sc、nt和nc分別為試驗(yàn)組和對(duì)照組的標(biāo)準(zhǔn)差，試驗(yàn)組和對(duì)照組的樣本數(shù)。

在整合分析中，加權(quán)均數(shù)差(WMD)具有更小的變異性和較高的精確性，從而能夠提高統(tǒng)計(jì)精度。WMD通過(guò)以下公式計(jì)算：

(3)

其中：wi是整合效應(yīng)大小的加權(quán)系數(shù)，是樣方差的倒數(shù)，即：wi=1/v

95%置信區(qū)間(95%CI)的計(jì)算公式為：

95%Cl=meanall±(1.96×v0.5)

(4)

整合分析中的WMD值，通過(guò) R中的 “Meta”包進(jìn)行計(jì)算[12-13]，采用隨機(jī)效應(yīng)模型，得到不同施肥處理的WMD及其95%CI。如果95%CI包含0，則說(shuō)明與對(duì)照相比，該處理對(duì) SMBC和SMBN含量沒(méi)有顯著的影響；若95%CI >0，說(shuō)明該處理能夠顯著增加SMBC和SMBN含量。反之，該處理則顯著降低SMBC和SMBN含量[14]。

為了準(zhǔn)確分析中國(guó)農(nóng)田SMBC和SMBN含量的變化情況，通過(guò)空間分布、施肥年限以及土壤質(zhì)地進(jìn)行亞組分析，由于秸稈覆蓋處理(S)處理數(shù)據(jù)較少，本文僅對(duì)UCF、CF、CFS、M和CFM處理下的SMBC和SMBN量進(jìn)行亞組分析。數(shù)據(jù)分類如表1所述。

表1 數(shù)據(jù)分類及依據(jù)Table 1 Groups used in the meta-analysis

注：由于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)量限制，本研究分類分析了3個(gè)農(nóng)田類型區(qū)，分別為東北區(qū)(NE)、西北區(qū)(NW)和東南區(qū)(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 結(jié) 果

2.1 土壤微生物量碳氮含量

不同施肥處理下，SMBC含量高低的次序依次是：S>CFS>M>CFM>CF>UCF，其平均值分別是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(圖1)。

不同施肥處理下，SMBN含量高低的次序依次是： M>S>CFM>CFS>CF>UCF，其平均值分別是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(圖1)。

2.2 土壤微生物碳氮效應(yīng)值的變化規(guī)律

長(zhǎng)期試驗(yàn)中，不同施肥處理對(duì) SMBC和SMBN 含量變化均有不同程度的影響。整合分析結(jié)果表明，與CK相比，不同施肥處理均能提高農(nóng)田耕層SMBC和SMBN含量，且差異達(dá)到顯著水平(圖1)。其中，M處理下SMBC和SMBN效應(yīng)值最高，分別為2.89和2.56，UCF處理下SMBC和SMBN效應(yīng)值最低，分別為1.55和1.70。不同施肥中，廄肥組(CFM和M)SMBC效應(yīng)值顯著高于秸稈還田組(CFS和S)和無(wú)機(jī)肥組(CF和UCF)的效應(yīng)值(圖2a)；廄肥組(CFM和M)SMBN的效應(yīng)值顯著高于無(wú)機(jī)肥組(CF和UCF)的效應(yīng)值(圖2b)。

注：CFM：廄肥和化肥配施；M：廄肥；CFS：秸稈還田與化肥配施；S：秸稈還田；CF：平衡施肥(NPK)；UCF：不平衡施肥。圖中數(shù)字為樣本數(shù)，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.圖1 不同施肥處理下SMBC和SMBN的含量Fig.1 SMBC and SMBN contents with different fertilization treatments

2.3 土壤微生物量碳氮變化空間特征

相同施肥處理在不同區(qū)域的作用也存在差異。整合分析結(jié)果表明，廄肥處理(CFM和M)均顯著增加3個(gè)農(nóng)田類型區(qū)域 SMBC含量(圖3a)，而CFS、CF處理下東北區(qū)和UCF處理下東北區(qū)和西北區(qū)對(duì)SMBC含量變化沒(méi)有顯著的影響。在CF處理下，西北區(qū)SMBC含量顯著高于東南區(qū)和東北區(qū)。

除M處理下西北區(qū)(樣本數(shù)較少，其置信區(qū)間較大，變異較大)以及UCF處理下3個(gè)地區(qū)，施肥處理均能顯著提高SMBN含量(圖3b)。而在東北區(qū)，UCF處理降低了SMBN含量，但未達(dá)到顯著差異水平。所有的施肥處理下，SMBN變化量的區(qū)域分異特征表現(xiàn)出一致性，即西北區(qū)>東南區(qū)>東北區(qū)。

2.4 土壤微生物量碳氮變化的時(shí)間特征

隨著施肥時(shí)間的延長(zhǎng)，SMBC變化量呈增加的趨勢(shì)。除CF處理下，施肥時(shí)間不超過(guò)10 a外，3個(gè)時(shí)期在各施肥措施下均能提高SMBC含量且達(dá)到顯著水平(圖4a)。3 個(gè)時(shí)期中，廄肥組(CFM和M)SMBC含量最高。在CFM、CFS和CF處理下早期樣本數(shù)較少，其95%的置信區(qū)間較大，變異也較大。

圖2 不同施肥處理下SMBC(a)和SMBN(b)的加權(quán)均數(shù)差Fig.2 Weighted mean difference of SMBC(a) and SMBN(b) with different fertilization treatments

圖3 不同區(qū)域 SMBC(a)和SMBN(b)的加權(quán)均數(shù)差Fig.3 Weighted mean difference of SMBC (a) and SMBN (b) in different farmland regions

除UCF處理外，3個(gè)時(shí)期在各施肥措施下均能顯著提高SMBN含量(圖4b)。在CF處理下，SMBN隨施肥年限的增加而增加；而M處理下，SMBN隨著施肥年限增加而降低。在CFM、CFS和UCF處理下，SMBN隨著施肥年限的延長(zhǎng)呈現(xiàn)出先降低后增加的變化趨勢(shì)。在CFM和CFS處理下早期樣本數(shù)較少，其95%的置信區(qū)間較大，變異也較大。

圖4 不同施肥年限SMBC(a)和SMBN(b)的加權(quán)均數(shù)差Fig.4 Weighted mean difference of SMBC (a) and SMBN (b) in different fertilization duration

2.5 土壤質(zhì)地對(duì)SMBC和SMBN變化的影響

不同時(shí)期農(nóng)業(yè)管理措施、耕作管理制度等都不盡相同，導(dǎo)致相同施肥處理在不同土壤質(zhì)地中 SMBC和SMBN 變化量也不盡相同。整合分析結(jié)果表明，除CF和UCF處理下粉砂壤土中，4種土壤質(zhì)地在各施肥措施下均能顯著提高SMBC含量(圖5a)。其中在CFM和M處理下，壤土中SMBC含量最高；而在CFS、CF和UCF處理下，沙壤土中的SMBC含量最高。在所有施肥處理下，沙壤土樣本數(shù)較少，其95%的置信區(qū)間較大，變異也較大。

除UCF處理外，黏土、粉砂壤土和壤土在各施肥措施下均能顯著提高SMBN含量(圖5b)。其中，UCF處理下粉砂壤土降低了SMBN含量，但差異未達(dá)到顯著水平。在CFM、M和CFS處理下，沙壤土中的SMBN含量最高；而在CF處理下，粉砂壤土的SMBN含量最高。在UCF處理下，沙壤土樣本數(shù)較少，其 95%的置信區(qū)間較大，變異也較大。

3 討 論

3.1 SMBC和SMBN變化對(duì)施肥的響應(yīng)

集約化農(nóng)業(yè)管理措施，尤其是化肥的投入對(duì)土壤物理和生化過(guò)程有明顯的影響，直接影響土壤微生物群落功能和結(jié)構(gòu)，從而降低了SMBC和SMBN含量[15]。在長(zhǎng)期的施肥過(guò)程中，SMB酶活性與碳的投入量相關(guān)，尤其與活性有機(jī)碳含量密切相關(guān)[16-17]。大量研究表明，不平衡施肥(僅施N肥)不僅降低了SMBC和SMBN含量，而且降低了與N循環(huán)相關(guān)酶的活性[18-21]。本研究中，與其它施肥處理相比，不平衡施肥處理下的SMBC和SMBN變化量最低。然而，Kallenbach和Grandy[21]通過(guò)整合分析發(fā)現(xiàn)，SMBC含量與施N量呈正相關(guān)關(guān)系，在高N量(>200 kg·hm-2·a-1)條件下SMBC含量最高，在適度N量(100～200 kg·hm-2·a-1)條件下，SMBN含量最高。然而，關(guān)于施N后降低SMBC和SMBN含量的確切機(jī)制尚不清楚[22-23]。已有研究表明，pH是影響SMBC循環(huán)過(guò)程的主要驅(qū)動(dòng)因子[24]。于鎮(zhèn)華等[25]研究結(jié)果表明，廄肥配施化肥(CFM)能夠顯著增加土壤可溶性有機(jī)碳，尤其是提高蔗糖酶活性的優(yōu)勢(shì)更為明顯。已有研究發(fā)現(xiàn)，在不同的生態(tài)系統(tǒng)中，SMBC、SMBN以及C、N循環(huán)相關(guān)的酶活性與施肥年限和年平均溫度呈正相關(guān)關(guān)系，其原因可能是N直接影響細(xì)菌群落的多樣性，間接影響細(xì)菌群落的組成[20,26]。

圖5 不同土壤質(zhì)地SMBC(a)和SMBN(b)的加權(quán)均數(shù)差Fig 5 Weighted mean difference of SMBC (a) and SMBN (b) with different soil textures

3.2 空間分布

已有研究結(jié)果表明，SMB空間分布與作物生產(chǎn)力相關(guān)[21,27]。Goyal等[28]通過(guò)10 a以上的研究發(fā)現(xiàn)，廄肥和化肥配施(CFM)下SMBC和SMBN含量顯著高于單施化肥，主要原因是廄肥增加了根系生物量及根系分泌物，促進(jìn)了微生物生長(zhǎng)繁殖。已有研究表明，相比施用化肥，施用有機(jī)肥對(duì) SMBC 和 SMBN 含量在不同氣候區(qū)的影響程度不同，與各氣候區(qū)的溫度、降水和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化及有效性的差異相關(guān)[21,29]。Kallenbach 和Grandy[21]研究發(fā)現(xiàn)，SMB主要受氣候變化的影響，而氣候變化主要影響C沉降速率和微生物生長(zhǎng)速率，而對(duì)作物生產(chǎn)力沒(méi)有顯著的影響。主要原因是不同地域管理措施(灌溉、施肥等)可使作物生產(chǎn)力達(dá)到相似的水平，而SMB卻存在很大的差異。本研究發(fā)現(xiàn)，與東南和東北地區(qū)相比較，西北地區(qū)對(duì)SMBC和SMBN變化有顯著的影響，這與前人的研究是相似的。在東北地區(qū)，低溫是抑制微生物活性以及微生物的生長(zhǎng)的主要因素。在東南地區(qū)，溫度雖然不是主要的限制因素，但微生物活性和生長(zhǎng)可能受到新輸入有機(jī)物料以及SMB大量繁殖的限制[21]。王傳杰等[30]研究結(jié)果表明氣候?qū)MBC和SMBN所占比例具有顯著影響，與本研究的結(jié)果一致。

3.3 施肥年限

施肥年限是SMBC和SMBN含量變化的主要影響因子。本研究結(jié)果表明，SMBC含量隨著施肥年限的增加而增加。除不平衡施肥(UCF)處理外，SMBN在施肥年限低于20 a條件下隨著施肥年限的增加而降低。 Geisseler 和Scow[31]在全球尺度上通過(guò)整合分析發(fā)現(xiàn)，至少需要施肥20 a，SMBC含量能達(dá)到最高值，這與本研究的結(jié)果相似。此外，Treseder[18]通過(guò)整合分析發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施N肥顯著降低了微生物豐度，尤其在施N肥的前5 a。田康等[27]通過(guò)整合分析發(fā)現(xiàn)，在N處理中，短期(<11 a)觀測(cè)估算的土壤有機(jī)碳(SOC)變化速率分別是中期(11～20 a)和長(zhǎng)期(>20 a)觀測(cè)的3.3和13倍。而除 N 處理外，其他的短期處理(<11 a)觀測(cè)估算的SOC變化速率平均分別是中期(11～20 a)和長(zhǎng)期(>20 a)觀測(cè)的1.6和2.4倍。臧逸飛等[32]研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥增加了黑壚土碳源，土壤有機(jī)質(zhì)較 CK(不施肥處理)增加了36.3%～65.3%，這是SOC含量增加的根本原因，并通過(guò)增加SMBC含量表現(xiàn)出來(lái)。然而，在施入有機(jī)肥條件下，大多數(shù)研究主要集中在不同土壤類型/氣候變化和試驗(yàn)條件對(duì)SMBC和SOC含量變化的影響，而任鳳玲等[29]通過(guò)整合分析探究了不同氣候和土壤條件下(土壤利用類型以及pH)有機(jī)肥施用后農(nóng)田 SMBC和SMBN的變化規(guī)律，提出每年有機(jī)肥碳、氮投入量每增加1 kg·hm-2，SMBC和SMBN含量分別增加0.03 mg·kg-1和0.14 mg·kg-1。

3.4 研究局限以及展望

由于受試驗(yàn)數(shù)據(jù)的限制，從而導(dǎo)致整合分析獲得的SMBC和SMBN變化量存在一定的不確定性。同時(shí)，SBMC和SBMN 變化是多種因素共同作用的結(jié)果，各影響因素之間并非完全相互獨(dú)立的，而可能存在一定的交互作用，而本研究沒(méi)有深入分析施肥與其他管理措施的交互作用。

土地集約化對(duì)保障我國(guó)糧食安全發(fā)揮了巨大的作用，但其長(zhǎng)期的土地高強(qiáng)度利用和農(nóng)用化肥過(guò)量投入(過(guò)去40 a，化肥用量增加了700%)的負(fù)面影響也日益顯現(xiàn)，導(dǎo)致土壤出現(xiàn)不同程度的退化，給生態(tài)系統(tǒng)本身與環(huán)境以及糧食安全都帶來(lái)了巨大壓力和嚴(yán)重威脅[33-35]。廄肥(CFM和M)的施用在減輕土地利用集約化的負(fù)面影響方面發(fā)揮重要作用。因此，CFM可能增加土壤C輸入，具有維持和恢復(fù)土壤質(zhì)量和SMB的潛力。

4 結(jié) 論

(1)與對(duì)照(CK)相比，所有施肥措施均能顯著增加土壤耕層中SMBC和SMBN的含量。其中，廄肥(M)處理下的SMBC和SMBN增量最高，不平衡施肥(UCF)處理下增量最低；廄肥處理(CFM和M)處理下的SMBC和SMBN增量遠(yuǎn)大于單施化肥。

(2)不同施肥措施下土壤耕層中的SMBC和SMBN變化存在空間分異特征，尤其在我國(guó)西北地區(qū)，廄肥配施化肥(CFM)能夠顯著增加SMBC和SMBN含量。

(3)SMBC隨施肥年限的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，至少施肥20 a，SMBC才能夠達(dá)到最高值。