王雅芝，齊 鵬，王曉嬌，焦亞鵬，郭高文，馬娟娟，張 淇，王軍霞，甘 潤(rùn)，王利文

（1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

保護(hù)性耕作是一種以保護(hù)環(huán)境和提高環(huán)境質(zhì)量為前提，在農(nóng)田中進(jìn)行免耕、少耕或秸稈覆蓋以及播種、施肥等復(fù)合作業(yè)的機(jī)械化耕作方式[1-2]。2017年我國(guó)已有保耕面積7 584 萬(wàn)hm2，其中秸稈還田面積和免耕面積分別為5 003 萬(wàn)和1 412 萬(wàn)hm2[3]。與傳統(tǒng)耕作方式相比，保護(hù)性耕作既有省力省工、運(yùn)行成本低的優(yōu)點(diǎn)，又可以減少土壤侵蝕、改善土壤理化性質(zhì)、促進(jìn)土壤微生物繁殖、提高微生物活性和多樣性。國(guó)內(nèi)外對(duì)保護(hù)性耕作已有的研究主要集中在保護(hù)性耕作與水土保持[4-5]、保護(hù)性耕作與土壤理化性狀[6-8]、保護(hù)性耕作與土壤微生物多樣性指標(biāo)[9-10]、保護(hù)性耕作對(duì)土壤中有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響以及對(duì)大氣中CO2的貢獻(xiàn)等[11-12]。保護(hù)性耕作可以通過(guò)有效增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，調(diào)節(jié)土壤碳氮比(C/N)及土壤溫度和水分的變化，為土壤微生物的生長(zhǎng)與繁殖提供豐富的可利用資源[13]，使土壤生態(tài)過(guò)程更加活躍，從而提高養(yǎng)分利用率，對(duì)改善土壤質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境具有重要意義[14-17]。

土壤微生物多樣性研究可以作為判斷土壤肥力和土壤污染程度的指標(biāo)[18]，也可以用于判斷植被恢復(fù)方式和土壤利用方式等的好壞程度[19-20]，其研究對(duì)于應(yīng)對(duì)全球氣候變化、控制各類環(huán)境污染、維護(hù)生態(tài)服務(wù)功能、促進(jìn)土壤可持續(xù)利用等具有重要意義。隨著保護(hù)性耕作在我國(guó)的推廣應(yīng)用，研究者們已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究來(lái)評(píng)價(jià)保護(hù)性耕作對(duì)土壤微生物多樣性的影響。Wang 等[21]研究曾發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)耕作相比，保護(hù)性耕作處理對(duì)土壤細(xì)菌和真菌的豐度及多樣性(Shannon 指數(shù)和Simpson 指數(shù))都有積極的影響；李彥等[22]總結(jié)了近年來(lái)我國(guó)北方保護(hù)性耕作對(duì)土壤微生物多樣性的影響結(jié)果：免耕及秸稈還田可明顯提高表層土壤微生物量以及多樣性，特別是對(duì)真菌多樣性的影響最明顯。然而，Sun等[23]指出，免耕降低了土壤真菌的生物量及多樣性，且隨著免耕試驗(yàn)?zāi)晗薜脑黾?，真菌多樣性反而?huì)下降。另外，也有研究認(rèn)為，耕作措施對(duì)土壤微生物多樣性的影響不顯著[24]。因此，保護(hù)性耕作對(duì)土壤微生物多樣性影響效果不盡相同，原因可能是：1)土壤微生物多樣性容易受到人為的干擾，而且對(duì)土壤變化也非常敏感[25]，不同的耕作方式對(duì)土壤微生物多樣性會(huì)產(chǎn)生不同影響；2)土壤微生物的組成在不同類型生境中存在著明顯的差異[26]，不同的耕作方法將會(huì)造成不同的土壤環(huán)境，從而導(dǎo)致土壤微生物數(shù)量和結(jié)構(gòu)組成的變化[27-28]。

已有的研究之間的分歧為保護(hù)性耕作對(duì)土壤微生物多樣性影響的結(jié)果和推廣應(yīng)用帶來(lái)了諸多的不確定性。為了更為準(zhǔn)確、全面地了解和研究保護(hù)性耕作對(duì)土壤微生物多樣性的影響，本研究通過(guò)系統(tǒng)搜集我國(guó)保護(hù)性耕作下土壤微生物多樣性相關(guān)的研究文獻(xiàn)，以傳統(tǒng)耕作為對(duì)照，選擇Shannon 和Simpson 指數(shù)作為微生物多樣性的指標(biāo)，這兩個(gè)多樣性指數(shù)能夠?qū)ν寥牢⑸锏呢S富度及均勻度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，是目前研究土壤微生物多樣性最為廣泛的兩個(gè)數(shù)量指標(biāo)[29]。采用Meta 分析法定量分析我國(guó)不同保護(hù)性耕作措施下土壤微生物多樣性的變化及其影響因素，以便為提高土壤養(yǎng)分可利用性、改善土壤環(huán)境以及保護(hù)性耕作的推廣和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)?；谝延械难芯?，做出以下假設(shè)：1)保護(hù)性耕作下土壤微生物多樣性顯著高于傳統(tǒng)耕作；2)這種積極的響應(yīng)取決于保護(hù)性耕作施行的區(qū)域、種植作物以及試驗(yàn)?zāi)晗薜?，在我?guó)北方施行保護(hù)性耕作對(duì)土壤微生物多樣性的增加效果應(yīng)該較其他區(qū)域好，施行保護(hù)性耕作年限不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)，否則不但沒(méi)有效果反而會(huì)適得其反。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

通過(guò) Web of Science、Google Scholar、中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)、萬(wàn)方、維普等中英文數(shù)據(jù)庫(kù)檢索了2019 年6 月1 日前國(guó)內(nèi)有關(guān)保護(hù)性耕作和土壤微生物多樣性的文章，用于檢索的關(guān)鍵詞和短語(yǔ)包括“保護(hù)性耕作(conservation tillage/protective cultivation/protective tillage)”或“秸稈還田(covering straw/straw cover/straw mulch)”、“免耕(no tillage)”和“微生物多樣性(microbial diversity/morphological diversity/ metabolic diversity)”、“中國(guó)(China)”等，所選文章基于以下標(biāo)準(zhǔn)：(1)試驗(yàn)區(qū)域選擇中國(guó)地區(qū)，試驗(yàn)的開(kāi)始和結(jié)束年份明確；(2)包含免耕秸稈不還田(NT)、免耕秸稈還田(NTS)和傳統(tǒng)耕作+秸稈還田(TS)措施中的一種或多種，以傳統(tǒng)耕作(CT)為對(duì)照；(3)研究點(diǎn)的背景條件、研究方法明確；(4)相同的試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)表在不同期刊時(shí)，選擇信息描述較為全面的文獻(xiàn)。

1.2 數(shù)據(jù)提取

通過(guò)NoteExpress 剔除試驗(yàn)地點(diǎn)、試驗(yàn)?zāi)攴?、作物類型和試?yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果相同的文獻(xiàn)。共有42 篇文獻(xiàn)符合篩選標(biāo)準(zhǔn)，并納入Meta 分析。對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)中的每項(xiàng)研究，還搜集了相關(guān)的試驗(yàn)地點(diǎn)、氣候因素(年平均溫度和降水量)、試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間(年)和保護(hù)性耕作類型等(表1)。數(shù)據(jù)來(lái)自各項(xiàng)納入研究的表格和圖表，有些文獻(xiàn)直接報(bào)告了標(biāo)準(zhǔn)差或者根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)誤和樣本量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)數(shù)據(jù)以圖形的形式呈現(xiàn)時(shí)，通過(guò)Web Plot Digitizer 軟件提取[30]。

最后，篩選得到了263 組Shannon 指數(shù)和245組Simpson 指數(shù)配對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)涵蓋了廣泛的氣候條件和不同的土壤理化性質(zhì)。例如，年均溫度和降水量分別為1.5～22 ℃和150～1 800 mm。土壤性質(zhì)如土壤pH (4.9～8.5)和土壤有機(jī)碳含量(2.91～37.34 g·kg?1)也顯示了廣泛的范圍。此外，年均氮肥施用量范圍為28.5～495 kg·hm?2，平均施用量為224.1 kg·hm?2；保護(hù)性耕作持續(xù)時(shí)間為1～30 年。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)保護(hù)性耕作下土壤微生物多樣性進(jìn)行Meta分析，指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差是Meta 分析的重要指標(biāo)，對(duì)于只提供標(biāo)準(zhǔn)誤的數(shù)據(jù)，可通過(guò)公式(1)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差：

為便于解釋保護(hù)性耕作對(duì)土壤微生物多樣性變化的影響，將分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為相對(duì)變化率(Y)，計(jì)算公式：

如果Y 的95%置信區(qū)間(CI)與0 重疊，則可認(rèn)為處理組與對(duì)照組差異不顯著；若 Y 的95%置信區(qū)間不與0 重疊，當(dāng)P ＜ 0.05 時(shí)，響應(yīng)顯著[33-34]。

1.3.1 異質(zhì)性檢驗(yàn)

通過(guò)構(gòu)建異質(zhì)性檢驗(yàn)Q 統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，當(dāng)異質(zhì)性檢驗(yàn)結(jié)果顯著時(shí)選擇隨機(jī)效應(yīng)模型，反之則選擇固定效應(yīng)模型。

1.3.2 發(fā)表偏倚檢驗(yàn)

小樣本比大樣本研究包含更大的處理效應(yīng)，更易于發(fā)表，因此會(huì)產(chǎn)生發(fā)表偏倚[35]。本研究采用回歸檢驗(yàn)法進(jìn)行發(fā)表偏倚檢驗(yàn)。

1.3.3 Meta 回歸

將原文獻(xiàn)按照一定標(biāo)準(zhǔn)劃分為不同組別，并對(duì)其進(jìn)行Meta 回歸分析以檢驗(yàn)不同研究間異質(zhì)性的來(lái)源[36]。

1.3.4 亞組分析

對(duì)不同的影響因素進(jìn)行亞組分析，以尋找更加詳細(xì)的異質(zhì)性信息，同時(shí)也可作為Meta 回歸分析穩(wěn)健性的檢驗(yàn)[36]。

表1 樣本基本信息Table 1 Sample basic information

續(xù)表 1Table 1 (Continued)

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft office 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)集建立，以及常規(guī)的數(shù)據(jù)計(jì)算；利用Metawin 2.1 進(jìn)行Meta 分析[34]，確定保護(hù)性耕作是否對(duì)微生物多樣性有顯著影響。此外，利用Stata 15.0 進(jìn)行Meta 回歸分析和亞組分析以檢驗(yàn)不同研究間異質(zhì)性的來(lái)源并且尋找更加詳細(xì)的異質(zhì)性信息，利用Sigmaplot 14.0 軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 保護(hù)性耕作對(duì)土壤微生物多樣性指數(shù)的異質(zhì)性及發(fā)表偏倚檢驗(yàn)

對(duì)保護(hù)性耕作下土壤微生物Shannon 和Simpson多樣性指數(shù)進(jìn)行異質(zhì)性檢驗(yàn)(表2)，結(jié)果表明，3 種保護(hù)性耕作處理異質(zhì)性檢驗(yàn)均達(dá)到顯著水平(PQ＜0.05)，因此均采用隨機(jī)效應(yīng)模型。發(fā)表偏倚檢驗(yàn)結(jié)果(表2)表明，對(duì)于Shannon 指數(shù)，NT/CT、TS/CT 及NTS/CT 3 個(gè)組合間均不存在發(fā)表偏倚(P ＞ 0.05)。對(duì)于Simpson 指數(shù)，3 個(gè)組合間也均不存在發(fā)表偏倚(P ＞ 0.05)。

2.2 不同保護(hù)性耕作措施對(duì)土壤微生物多樣性指數(shù)的影響

與傳統(tǒng)耕作(CT)相比，3 種保護(hù)性耕作(NT、TS、NTS)均顯著增加了土壤微生物的Shannon 多樣性指數(shù)(P ＜ 0.05)，尤其是NTS 增加效果最佳，增幅為8.4% (圖1)。對(duì)于真菌Shannon 指數(shù)，NT 和NTS均產(chǎn)生正效應(yīng)，效應(yīng)值分別為0.044 (95% CI: 0.014～0.073)和0.061 (0.050～0.072)，而TS 對(duì)真菌Shannon指數(shù)無(wú)顯著影響(P ＞ 0.05)。NT、TS、NTS 均顯著提高了細(xì)菌Shannon指數(shù)，增幅分別為3.8%、0.8%和5.6% (P ＜ 0.05)。

與CT 相比，TS 和NTS 均顯著增加了土壤微生物及土壤細(xì)菌的Simpson 指數(shù)(圖1)，增幅分別為2.5%、3.7%和14.2%、19.3% (P ＜ 0.05)，NT 則對(duì)土壤全體微生物及土壤細(xì)菌的Simpson 指數(shù)無(wú)顯著影響(P ＞ 0.05)。真菌的Simpson 指數(shù)只在NT 下顯著增加5.3% (P ＜ 0.05)，在TS、NTS 下均無(wú)顯著變化(P ＞ 0.05)。

表2 保護(hù)性耕作對(duì)Shannon 和Simpson 指數(shù)的異質(zhì)性及發(fā)表偏倚檢驗(yàn)Table 2 Heterogeneity tests and Publication bias tests of Shannon and Simpson indices

圖1 保護(hù)性耕作下土壤微生物Shannon 和Simpson 指數(shù)效應(yīng)值Figure 1 Effect size of Shannon and Simpson indices of soil microorganisms under conservation tillage

2.3 保護(hù)性耕作下土壤微生物多樣性的影響因素

2.3.1 Meta 回歸分析

上述研究結(jié)果顯示，保護(hù)性耕作具有明顯提高土壤微生物多樣性的效果，其中對(duì)土壤微生物Shannon 多樣性指數(shù)的促進(jìn)作用最為明顯。本研究將土壤Shannon 指數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)一步按照年均降水量、年均氣溫、氮肥施用量、試驗(yàn)?zāi)晗蕖⒃囼?yàn)地區(qū)、種植作物、起始土壤有機(jī)碳含量(soil organic carbon，SOC)和pH 分組，運(yùn)用 Meta 回歸分析檢驗(yàn)研究間異質(zhì)性的來(lái)源(表3)，由于影響因素?cái)?shù)據(jù)相對(duì)較少，本研究將NT 和NTS 作為免耕整體(NT)與CT 進(jìn)行對(duì)比分析。

表3 保護(hù)性耕作對(duì)Shannon 指數(shù)的Meta 回歸分析Table 3 Meta-regression analysis of Shannon index by conservation tillage

由表3 分析可知，在TS 和CT 組合中，其異質(zhì)性的主要來(lái)源為年均氣溫、氮肥施用量、種植作物以及起始土壤SOC 含量；在NT 與CT 組合中，其異質(zhì)性的主要來(lái)源為年均降水量、氮肥施用量、試驗(yàn)地區(qū)、試驗(yàn)?zāi)晗?、起始土壤SOC 含量和pH。

2.3.2 亞組分析

在Meta 回歸的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步明確保護(hù)性耕作促進(jìn)土壤微生物多樣性在不同研究位點(diǎn)亞組間的變化，更好地了解保護(hù)性耕作增加土壤微生物多樣性的過(guò)程中所需要的條件或影響因素，本研究利用亞組分析，探討了不同氣候條件(年均氣溫和年均降水量)、不同土壤條件(土壤pH、土壤SOC 含量和不同氮肥施用量)、不同試驗(yàn)?zāi)晗抟约胺N植不同作物條件下，保護(hù)性耕作提高土壤微生物多樣性Shannon 指數(shù)在不同亞組之間的變化。

傳耕+秸稈還田(TS)與傳統(tǒng)耕作組合的土壤微生物多樣性指數(shù)影響因素分析(圖2)結(jié)果表明，土壤Shannon 指數(shù)效應(yīng)值在相對(duì)寒冷地區(qū)(年均氣溫 ≤ 5 ℃)、相對(duì)溫暖地區(qū)(5～10、10～15 ℃)和年均氣溫 ＞ 15 ℃ 4 個(gè)亞組之間均存在顯著正效應(yīng)，Shannon指數(shù)隨著年均氣溫的升高而增加，然而當(dāng)年均氣溫在5～10 ℃時(shí)，Shannon 指數(shù)增加效果最低，增幅為2.3%。不同年均降水量(≤ 500 mm、500～1 000 mm、＞ 1 000 mm)下，TS 均顯著增加了Shannon 指數(shù)(P ＜0.05)，分別增加2.5%、4.9%和6.7%。與傳統(tǒng)耕作相比，實(shí)施TS ≤ 5 年時(shí)，土壤Shannon 指數(shù)顯著增加6.1%，試驗(yàn)?zāi)晗逓?～10 年時(shí)，土壤Shannon 指數(shù)卻顯著下降4.1% (P ＜ 0.05)，當(dāng)試驗(yàn)?zāi)晗?＞ 10 年后，土壤Shannon 指數(shù)差異不顯著(P ＞ 0.05)。氮肥施用量為100～150 kg·hm?2時(shí)，TS 處理下，土壤Shannon 指數(shù)顯著增加3.7% (P ＜ 0.05)。土壤起始SOC 在7～15 g·kg?1時(shí)，TS 處理下土壤Shannon 指數(shù)顯著增加(P ＜ 0.05)，土壤條件較差(≤ 7 g·kg?1)時(shí)，則無(wú)顯著差異(P ＞ 0.05)。當(dāng)土壤為酸性或堿性土壤(pH ≤ 7或pH ≥ 8)，TS 處理下的土壤Shannon 指數(shù)均顯著增加6.6%、13.9%，但在弱堿性土壤(pH 7～8)中，TS 卻顯著降低13.9%的土壤Shannon 指數(shù)(P ＜ 0.05)。與CT 相比，TS 處理下種植水稻(Oryza sativa)、豌豆(Pisum sativum)、小麥(Triticum aestivum)和玉米(Zea mays)的土壤中，Shannon 指數(shù)均顯著增加，種植大豆(Glycine max)的土壤在TS 處理下的Shannon 指數(shù)無(wú)顯著差異(P ＞ 0.05)，而棉花(Gossypium)土壤中的Shannon 指數(shù)卻顯著降低，降幅為15.7% (95%CI：?21.7%～9.3%)。在西北、東北以及西南地區(qū)實(shí)施TS 均會(huì)顯著增加Shannon 指數(shù)(P ＜ 0.05)。

圖2 保護(hù)性耕作下土壤微生物多樣性Shannon 指數(shù)影響因素分析Figure 2 Analysis of factors affecting Shannon index of soil microbial diversity under conservation tillage

免耕(NT)與傳統(tǒng)耕作組合的土壤微生物多樣性指數(shù)影響因素分析(圖2)結(jié)果表明，在年均氣溫 ≤5 ℃的地區(qū)，NT 土壤Shannon 指數(shù)與傳統(tǒng)耕作的差異不顯著(平均增加率0.2%，95% CI: ?5.9%～6.6%)，當(dāng)年均氣溫 ＞ 5 ℃時(shí)，NT 顯著增加土壤Shannon 指數(shù)(P ＜ 0.05)，并 且Shannon 隨 著 溫 度 的升 高 而 增加，增幅分別為4.8%、13.5%和17.5%。在年均降水量 ＞ 1 000 mm 的地區(qū)，NT 土壤Shannon 指數(shù)與傳統(tǒng)耕作的差異不顯著(P ＞ 0.05)，而年均降水量500～1 000 mm 地區(qū)的土壤Shannon 指數(shù)在NT 處理下增幅最大，為9.7%。NT 處理 ＞ 10 年后，土壤Shannon指數(shù)差異不顯著(P ＞ 0.05)，但當(dāng)試驗(yàn)?zāi)晗?≤ 5 年、5～10 年時(shí)，NT 分別顯著增加了7.3%和11.2%的土壤Shannon 指數(shù)(P ＜ 0.05)。NT 處理下，當(dāng)?shù)适┯昧繛?00～150 kg·hm?2時(shí)，土壤Shannon 指數(shù)顯著增加11.1% (P ＜ 0.05)。在土壤狀況不理想的條件下(起始SOC ≤ 7 g·kg?1)，NT 對(duì)Shannon 指數(shù)的影響與CT 相比不顯著(95% CI 值包含0)，而當(dāng)土壤條件有 所改 善 (起始SOC 為7～10 g·kg?1)和明 顯 較 好(起始SOC ＞ 15 g·kg?1) 時(shí)，NT 較CT 表現(xiàn)出顯著增加Shannon 指數(shù)的效果，分別顯著增加1.2%和6.7%(P ＜ 0.05)。在酸性(pH ≤ 7)和堿性土壤(pH ＞ 8)中，NT 與CT 相比，均表現(xiàn)出對(duì)Shannon 指數(shù)顯著增加，增幅分別為3.0%和4.1%；然而在弱堿性土壤(pH 7～8)中，NT 顯著降低了Shannon 指數(shù)(P ＜ 0.05)。NT 處理下種植水稻和玉米的土壤中，Shannon 指數(shù)均顯著增加(P ＜ 0.05)，其他作物均無(wú)顯著差異(P ＞0.05)。免耕對(duì)Shannon 指數(shù)的影響還與不同試驗(yàn)地區(qū)有關(guān)，在西北、東北以及西南地區(qū)實(shí)施NT 均會(huì)顯著增加Shannon 指數(shù)，且西南地區(qū)NT 下Shannon 指數(shù)的增幅最大，為14.4% (P ＜ 0.05)。

2.3.3 回歸分析

(1)不同氣候條件

年均氣溫與效應(yīng)值的回歸分析表明(表4)，與傳統(tǒng)耕作相比，秸稈還田與免耕農(nóng)田土壤微生物Shannon 指數(shù)均隨年均氣溫升高顯著增加(P ＜ 0.05)；同理，秸稈還田與免耕農(nóng)田土壤微生物Shannon 指數(shù)均隨年均降水量升高顯著增加(P ＜ 0.05)。總體上看，保護(hù)性耕作農(nóng)田土壤微生物Shannon 指數(shù)受年均氣溫影響較年均降水量影響大。

表4 影響因素與保護(hù)性耕作下土壤微生物多樣性Shannon 指數(shù)效應(yīng)值的回歸分析Table 4 Regression analysis of influencing factors and soil microbial diversity(Shannon index effect value) under conservation tillage

(2)不同施肥與試驗(yàn)?zāi)晗迼l件

如表4 所列，不同試驗(yàn)?zāi)晗夼c秸稈還田及免耕農(nóng)田土壤微生物Shannon 指數(shù)均無(wú)顯著相關(guān)性(P ＞0.05)；與傳統(tǒng)耕作相比，秸稈還田與免耕農(nóng)田土壤微生物Shannon 指數(shù)均隨氮肥施用量增加而降低(P ＜ 0.05)。

(3)不同土壤條件

如表4 所列，與傳統(tǒng)耕作相比，秸稈還田與免耕農(nóng)田土壤微生物Shannon 指數(shù)均隨起始土壤有機(jī)碳含量增加而增加(P ＜ 0.05)，并且免耕農(nóng)田土壤Shannon 指數(shù)受起始土壤有機(jī)碳含量影響較大；保護(hù)性耕作農(nóng)田Shannon 指數(shù)則與土壤pH 無(wú)顯著相關(guān)性(P ＞ 0.05)。

3 討論

保護(hù)性耕作措施對(duì)土壤微生物多樣性的研究結(jié)果存在一定爭(zhēng)議，本研究經(jīng)過(guò)Meta 分析表明：與傳統(tǒng)耕作(CT)相比，保護(hù)性耕作(NT、TS 和NTS)均顯著增加土壤微生物的多樣性(Shannon 和Simpson多樣性指數(shù))，免耕秸稈還田(NTS)增加效果最佳。這與董立國(guó)[37]發(fā)現(xiàn)玉米地免耕秸稈覆蓋處理下土壤微生物多樣性指數(shù)顯著高于傳統(tǒng)耕作；Wang 等[38]研究表明免耕秸稈還田增加了土壤微生物多樣性的研究結(jié)果一致。分析原因主要有：(1)免耕秸稈覆蓋可以增加土壤有機(jī)質(zhì)的輸入，提高土壤保水性，進(jìn)一步增加土壤微生物多樣性。同時(shí)，土壤微生物可以調(diào)控土壤碳氮循環(huán)，維持土壤微生物多樣性對(duì)保障植物營(yíng)養(yǎng)的吸收和維持土壤肥力起著重要作用[39-40]。(2)秸稈還田改變土壤微生物碳源可利用性，影響土壤微生物的活性和多樣性。一些研究認(rèn)為，秸稈還田后會(huì)有大量有機(jī)物被帶入土壤，從而刺激土壤中微生物的生長(zhǎng)，進(jìn)一步增加土壤微生物多樣性[41-42]。另外，秸稈還田有利于改善土壤的理化性質(zhì)，增加土壤的有機(jī)碳含量，為土壤微生物創(chuàng)造一個(gè)良好的棲息環(huán)境，促進(jìn)土壤微生物多樣性的增加[43-44]；(3)免耕能使土壤中的微生物更加活躍，加快物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分積累，進(jìn)而增加土壤微生物的多樣性，這些都是由于免耕可以改善土壤理化性狀，提高土壤的供肥和保肥能力[45]。Dumonter 等[46]及Franzluebbers 等[47]認(rèn)為免耕土壤表層的微生物會(huì)受到刺激而增加是因?yàn)槊飧龠M(jìn)了有機(jī)質(zhì)的積累和氮的礦化。較多研究還發(fā)現(xiàn)[48-50]，在傳統(tǒng)耕作+秸稈還田和免耕秸稈還田處理下，土壤細(xì)菌的Shannon 和Simpson 多樣性指數(shù)均顯著增加，土壤真菌的Shannon 和Simpson 指數(shù)在免耕不還田處理下顯著增加，這與本研究得出結(jié)果一致。分析其原因：(1)秸稈還田后，秸稈上攜帶的細(xì)菌群落會(huì)隨之進(jìn)入土壤，進(jìn)而增加了土壤細(xì)菌多樣性，改善了土壤狀況，提高了土壤質(zhì)量[51]；(2)免耕可以為土壤中的細(xì)菌提供良好的棲息環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)了土壤細(xì)菌多樣性[52]；(3)免耕增加了土壤有機(jī)質(zhì)，再加上秸稈覆蓋可以蓄水保墑，進(jìn)一步增加了有機(jī)質(zhì)，促進(jìn)喜有機(jī)質(zhì)的細(xì)菌增加，故增加了土壤細(xì)菌多樣性[53-54]；(4)免耕對(duì)土壤的機(jī)械擾動(dòng)減少，同時(shí)增加了土壤的含水量，在保持土壤孔隙結(jié)構(gòu)的同時(shí)還有利于土壤中真菌菌絲的延伸，增加了土壤細(xì)菌的多樣性[55]。大多數(shù)研究也表明，保護(hù)性耕作處理下，Simpson 指數(shù)的增加幅度大于Shannon 指數(shù)。這主要是因?yàn)镾impson 指數(shù)對(duì)物種均勻度和富集種更為敏感，而Shannon 指數(shù)對(duì)物種豐富度及稀疏種更為敏感[29]。因此，在保護(hù)性耕作處理下，Simpson 多樣性指數(shù)增加幅度更大，這表明富集種可能會(huì)增加得更多。

土壤微生物多樣性會(huì)受到不同因素的影響，很多時(shí)候影響都是雙向的，土壤微生物多樣性也可以對(duì)其所處的生態(tài)系統(tǒng)(結(jié)構(gòu)、功能、過(guò)程等)產(chǎn)生一定的影響[56-57]。Nemergut 等[58]研究發(fā)現(xiàn)，夏季氣溫高細(xì)菌會(huì)大量繁殖，到了冬季耐寒細(xì)菌則大量繁殖，因此土壤微生物多樣性會(huì)增加，這與本研究回歸分析中得出土壤微生物多樣隨年均氣溫的增加而增加的結(jié)果一致。氮肥作為一種外界添加物促進(jìn)作物生長(zhǎng)，在中國(guó)糧食安全保障中起著不可替代的作用，但是過(guò)度的施用氮肥可能破壞土壤結(jié)構(gòu)并且降低土壤微生物多樣性，進(jìn)一步導(dǎo)致土壤肥力下降[59]，秸稈還田與免耕農(nóng)田土壤微生物都會(huì)隨氮肥施用量的增加而下降。本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田處理下三大糧食作物[小麥(Triticum aestivum)、水稻(Oryza sativa)、玉米]土壤中微生物多樣性均顯著增加，這與Lupayi 等[60]研究結(jié)果一致，Lupayi 發(fā)現(xiàn)秸稈還田處理小麥根際土壤微生物的多樣性大于其他作物，分析其原因，是因?yàn)槊飧谠黾油寥牢⑸锒鄻有缘耐瑫r(shí)能夠改善土壤質(zhì)量，而土壤質(zhì)量的改善有利于土壤微生物多樣性的提高。不同土壤質(zhì)量指標(biāo)的綜合效應(yīng)值的變化表明，非中性土壤中有機(jī)碳含量提高是促進(jìn)免耕增加土壤微生物多樣的重要原因。前人大量研究也表明，免耕下土壤微生物多樣性的提高主要得益于土壤擾動(dòng)減少和有機(jī)質(zhì)投入增加帶來(lái)的土壤質(zhì)量的改善[61-63]。對(duì)免耕下土壤微生物多樣性研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)耕作相比，免耕條件下土壤微生物多樣性隨著種植區(qū)域的變化表現(xiàn)出不同的效應(yīng)[64]。因此，深入研究造成免耕措施下土壤微生物多樣性變化的主要“驅(qū)動(dòng)因子”，明確其影響方式有助于生產(chǎn)實(shí)戰(zhàn)上改善免耕的推廣策略，進(jìn)而在我國(guó)甚至全球尺度上發(fā)揮保護(hù)性耕作增加土壤質(zhì)量的潛力。

現(xiàn)有的關(guān)于中國(guó)保護(hù)性耕作對(duì)土壤微生物多樣性的已發(fā)表中英文獻(xiàn)在100 篇以上，但大部分文獻(xiàn)或數(shù)據(jù)量較少，或數(shù)據(jù)描述不詳實(shí)，最終只有42 篇滿足要求。與此同時(shí)，影響土壤微生物多樣性的因素多而復(fù)雜，利用Meta 分析評(píng)價(jià)保護(hù)性耕作下土壤微生物多樣性時(shí)，未考慮因素之間的交互作用。本研究還對(duì)保護(hù)性耕作下體現(xiàn)土壤微生物豐富度的OTU 和Chao 1 多樣性指數(shù)進(jìn)行了分析，但由于數(shù)據(jù)較少無(wú)法分析。真菌對(duì)保護(hù)性耕作的響應(yīng)與細(xì)菌不同，目前對(duì)真菌的研究非常有限，強(qiáng)調(diào)了將來(lái)進(jìn)行相關(guān)研究的必要性。建議在今后的研究中，盡可能詳細(xì)和準(zhǔn)確地描述試驗(yàn)條件和過(guò)程，以利于研究間的借鑒與整合。此外，根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)和作物種類，合理規(guī)劃農(nóng)田進(jìn)行保護(hù)性耕作的時(shí)間和施肥用量、對(duì)保護(hù)性耕作下更多土壤微生物多樣性指數(shù)進(jìn)行研究等是實(shí)現(xiàn)保護(hù)性耕作效應(yīng)的關(guān)鍵。

4 結(jié)論

Meta 分析結(jié)果表明，與傳統(tǒng)耕作比，中國(guó)保護(hù)性耕作處理下土壤微生物多樣性指數(shù)顯著增加，其中免耕秸稈還田增加效果最好，土壤中細(xì)菌和真菌多樣性均受到保護(hù)性耕作的影響，土壤細(xì)菌的Shannon 和Simpson 多樣性指數(shù)均高于傳統(tǒng)耕作，土壤真菌的Shannon 和Simpson 多樣性指數(shù)均在免耕秸稈不還田處理下顯著增加。土壤微生物多樣性在秸稈還田處理下受年均氣溫和種植作物影響明顯，隨溫度增加土壤微生物多樣性增加，種植三大糧食作物(水稻、小麥和玉米)土壤中的微生物多樣性均顯著增加。因此，通過(guò)優(yōu)化農(nóng)田管理措施，構(gòu)建以免耕為核心的保護(hù)性耕作技術(shù)體系，在不同區(qū)域因地制宜的選擇秸稈還田管理措施及其他配套的農(nóng)田管理措施，能夠促進(jìn)保護(hù)性耕作提高土壤微生物多樣性的優(yōu)勢(shì)，并能夠進(jìn)一步發(fā)揮其在改善土壤質(zhì)量和提高土壤可持續(xù)利用的潛力。