施用化肥影响土壤团聚体稳定性及有机碳、全氮含量的meta分析

2023-01-29张娜娜孙武

草原与草坪 2022年5期

张娜娜，孙武，2*

（1.青海师范大学地理科学学院，青海西宁 810000；2.青海大学畜牧兽医科学院，青海西宁 810016）

目前，在我国农业生产中农田化肥（NPK）施用普遍较多，导致农田对化肥的依赖性越来越大，但长期施用化肥已经对我国土壤造成了严重的影响：土壤肥力下降，土壤板结，生产力下滑等［1］。化肥施用过多还会导致地表水富营养化和浅层水污染。但传统经典的施用化肥策略也给农田土壤带来了许多益处。首先，化肥可以增加土壤有效养分含量，如增加土壤有机碳含量，使得土壤有机质含量剧增，短时间内极大提高了土壤肥力。如尿素可增加有效氮含量。其次，改变土壤pH，长期施用氯化钾可导致土壤酸化，施用钙镁磷肥可使土壤pH值增加。另外，长期添加化肥可以改变土壤微生物生长繁殖，抑制真菌的繁殖，促进细菌繁殖。

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，团聚体被称为土壤的养分库，土壤的性质和肥力由土壤团聚体的数量和质量决定［2］。其粒级的大小及组成在一定程度上反映了土壤的保水、保肥及通透性等功能，也是判断土壤侵蚀、压实、板结等物理过程与作用的关键因素，因此成为了土壤质量评价的重要指标之一［3］。而土壤团聚体平均质量直径（MWD）也是评价土壤结构优劣及土壤团聚体质量变化及稳定性的重要方法［4］。土壤有机碳（SOC）对不同施肥方式较敏感，土壤有机碳既是土壤的重要组成部分，又是土壤养分的贮存库和土壤微生物活动的能量来源，对土壤团聚体的形成和维持团聚体的稳定具有重要作用［5］。土壤团聚体和土壤有机碳的关系是相辅相成的，土壤团聚体不仅是土壤有机碳的载体，也对土壤有机碳产生物理和生物保护作用［6］，而土壤有机碳又会促进土壤团聚体的形成［7］。土壤有机碳含量及其质量是反映土壤质量的重要指标，不仅影响土壤肥力和土壤生产力，而且会影响全球碳平衡［8］，土壤有机碳作为土壤团聚体的胶结剂，其含量还会影响团聚体的形成和稳定性［9］。氮是植物生长不可缺少的元素，土壤是作物氮素主要来源［10-11］。研究土壤中氮素的分布、迁移、转化对于加强环境保护，提高作物产量以及制定合理的施肥配方有重要意义［12］。目前，国内外有关土壤氮素有效性的研究较多，主要是针对不同土壤类型的氮储量的研究。

综上可以看出，MWD、SOC、全氮（STN） 3个指标可以有效地评价土壤团聚体稳定性以及土壤肥力结构。有研究表明施肥处理会改变以上3个指标，从而对土壤肥力结构及理化性质产生重要影响［13-14］。提高农田土壤有机碳储量及全氮含量，对保持农业可持续发展、应对全球气候变暖趋势具有双重意义［15-18］。土壤有机碳及全氮与水稳性团聚体稳定性关系密切，对土壤团聚体的数量和大小分布具有重要影响，而团聚体形成作用是土壤碳蓄积的重要机制，特别是土壤团聚体对有机碳快库的物理保护［19-20］。但不同施肥措施下土壤有机碳、全氮积累与土壤团聚作用，团聚体中有机碳含量之间的相关关系目前尚不清楚。所以，研究施用不同化肥对土壤团聚体和有机质的影响是搞清土壤性质的关键。

近些年，关于不同化肥（NPK）处理对潮土、黑土、水稻土和棕壤等土壤团聚体的影响研究较多，认为化肥有利于提高MWD、SOC及STN的累积，从而最终提高土壤团聚体稳定性以及有效改善了土壤肥力状况。但也有部分研究认为化肥不利于土壤有机碳、全氮的累积，也不利于土壤团聚体稳定性的提高［21］。因此，为了探讨不同施肥方式下土壤中土壤团聚体以及有机碳和全氮含量的演变规律，通过meta分析方法，对47篇文献进行荟萃分析，综合评价施用化肥（NPK）是否有利于提高土壤团聚体稳定性，以及是否可以有效地提高土壤SOC和STN的含量，为未来我国农业生产的土壤施肥管理措施提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 文献检索

在 Pubmed、Web of science、Science direct 等英文数据库中输入“fertilization application”“Mean weight diameter”“Soil agglomerates”“Soil organic carbon”“Soil total nitrogen”等关键词；在中国知网、万方数据库、维普数据库和中国科学引文数据库（CSCD）等中文数据库输入“施肥处理”“平均质量直径”“土壤团聚体”“土壤有机碳”“土壤总氮”等关键词。检索时间为2001—2019年，查阅相关文献。

1.2 文献筛选

根据以下条件对文献进行筛选：（1）文献研究内容，包括化肥施用对土壤团聚体稳定性的影响；（2）研究结果，包含土壤平均质量直径（MWD）、有机碳（SOC）及全氮（STN）；（3）文献语言，中文或英文。所有检索到的文献资料由2名研究者独立完成筛选和数据提取并复核。按照文献检索规则共检索到文献1 414篇，其中排除重复文献、会议论文、会议摘要、未发表论文、非核心期刊论文和非SCI论文556篇。通过阅读文献题目和摘要排除无化肥组处理和综述类文献424篇。进一步阅读全文，排除无对照研究、未测定结果指标等不符合纳入的387篇文献，最终纳入47篇文献［22-68］。

1.3 数据提取及特征

本次meta分析共计纳入47篇文献，包括根据试验设计提取的128个对照研究，共收集128份化肥组（NPK）和对照组（CK，表示不施肥）土壤数据，纳入的研究均为化肥组对照试验。分别提取以下数据和资料：文献题目、发表时间、调查区域、土壤类型、施肥年限、筛分方法、土层厚度、土壤总量等信息，以及试验数据和标准差（CK组和NPK组土壤团聚体平均质量直径、土壤总有机碳、土壤总氮）。相同年份、同一作者的不同研究使用（1）（2）（3）（4）区分。本次筛选文献涉及到的土壤类型主要包括黑土、褐土、棕壤、草甸土、楼土、红壤土、黏土、砂壤土、红黏土、水稻土、灰钙土、淋溶土等。

1.4 统计方法

采用R语言（4.1.0版本）meta包对所提取的数据资料进行meta分析。

1.4.1 效应尺度选择由于纳入文献结局指标均为连续性变量，因此选择标准化均数差（standardized mean difference，SMD）为效应长尺度，并计算其95%置信区间（confidence interval，CI）。

1.4.2 meta分析用Inverse Variance 法合并效应量。在R语言中直接可调用meta包中的metacont命令进行meta分析，调用forest命令将其分析结果转化为森林图，然后输出到桌面备用。

1.4.3 异质性检验利用Q 检验和I2值进行研究间异质性分析。当I2<50%，认为研究间异质性低或不存在异质性，采用固定效应模型（Fixed Model）合并效应量；当I2>50%，认为研究间存在较高异质性，则用随机效应模型（Random Model）合并效应量。

1.4.4 偏倚分析及处理采用漏斗图分析法检验是否存在发表偏倚，当P<0.05时认为差异显著，如果存在发表偏倚，则利用trim and filled模型及rank法进行校正。调用meta包中的metabias命令和funnel命令进行偏倚分析和漏斗图的绘制，然后输出到桌面备用。调用trimfill命令进行meta分析的校正。

1.4.5 敏感性分析依次将每项研究排除，评价其对合并效应量和异质性的影响，评价结果稳定性。调用meta包中的metainf命令进行敏感性分析。

2 结果与分析

2.1 施用化肥对MWD、SOC、STN的影响

长期施用化肥（NPK）后，结局指标MWD、SOC、STN数量变化均存在研究间异质性（MWD［P<0.001，I2=99.4%］，SOC［P<0.001，I2=99.5%］，STN［P<0.001，I2=99.6%］），故采用随机效应模型合并效应量。森林图结果显示（图1‐3），部分结果呈现显著的正效应，部分结果统计学上无意义，少量结果呈现负效应，但是合并效应量在无效线右侧，且不与无效线相交，即统计学上认为有意义并且是正效应，表明长期施用化肥可显著提高土壤MWD（P<0.001），可显著提高 SOC（P<0.001），可显著提高STN（P<0.001）。

2.2 敏感性分析

施用化肥显著影响了土壤团聚体MWD、SOC、STN（表1），本次meta分析结果异质性高（I2>50%，P<0.01），需对分析结果的稳定性和可信度进行评价。敏感性分析结果表明，纳入的所有研究依次排除之后，剩余研究的合并效应值均位于无效线的两侧，并且未相交，更说明了本次meta分析结果的准确性。

表1 施用化肥影响土壤团聚体meta分析结果Table 1 Results of meta-analysis on the effect of chemical fertilizer application on soil agglomerates

2.3 偏倚分析

长期施用化肥后土壤SOC、STN漏斗图显示（图4），大部分研究分布在漏斗图上部且中间集中，对称性好，但也有少量研究分布在漏斗图外，说明研究的样本量大、具有代表性，且试验精度高、数据准确。MWD的研究大部分集中在漏斗图中上部，但对称性差，且有部分研究分布在漏斗图下部或外部，说明存在少量发表偏倚。利用trim and filled模型进行校正，矫正分析后的结果（表2）显示，施用化肥对土壤MWD的影响仍然达到了统计学上的显著性（P=0.033），这充分说明前面meta结果的可靠性。同理，对于SOC、STN指标而言，矫正后的结果显示，SOC的P值（0.028）、STN的P值（0.048）都达到了统计学上的显著性。以上结果充分再次验证了meta分析结果的可靠性。

表2 Meta分析矫正后结果总结Table 2 Summary of results after meta-analysis correction

图4 施用化肥影响土壤MWD、SOC、STN 95%置信区间的漏斗图Fig.4 Funnel plots of 95% confidence intervals for the effect of chemical fertilizer application on MWD，SOC and STN

图2 施用化肥对土壤SOC的meta分析森林图Fig.2 Forest plot for meta-analysis of chemical fertilizer application on soil SOC

3 讨论

土壤团聚体稳定性一般用平均质量直径（MWD）值来表示，大团聚体的百分比越高，MWD的值越大；团聚体越稳定，GMD值越大［4］。近些年，关于不同化肥（NPK）对潮土、黑土、水稻土和棕壤等土壤团聚体的影响研究较多，认为化肥有利于土壤团聚体内部有机碳的累积，提高土壤团聚体稳定性。通常认为粒径越大土壤团聚体稳定性越高，但也有部分研究认为化肥不利于有机碳的累积，也不利于团聚体稳定性的提高［21］。Qiao 等［26］连续 3 年测定长期施用化肥对黄褐土中MWD的影响，发现2014-2016年土壤中MWD显著增加。Tripathi等［34］对印度长期施用化肥土壤进行测定发现平均质量直径MWD显著增加。施用化肥对MWD的meta分析结果支持了这一结论，对37个对照研究的分析结果表明，长期施用化肥可显著提高土壤中团聚体MWD的指标。尽管对MWD的研究存在异质性，但笔者进行了矫正分析，其结果证实了meta分析结果的可靠性。此外，敏感性分析结果表明，每一项研究都排除之后，剩余结果的合并效应量仍然有统计学上的显著性意义。综上，说明本次meta分析结果稳定可靠，长期施用化肥可显著提高MWD，而研究报道MWD的大小与土壤稳定性呈现正相关，因此，也说明长期施用化肥可以有效的提高MWD稳定性。

图3 施用化肥对土壤STN的meta分析森林图Fig.3 Forest plot for meta-analysis of chemical fertilizer application on soil STN

SOC是土壤的重要组成部分，是生态系统中极其重要的指标。SOC含量及其质量是反映土壤质量的重要指标，不仅影响土壤肥力和土壤生产力，而且会影响全球碳平衡［8］，SOC作为土壤团聚体的胶结剂，其含量还会影响团聚体的形成和稳定［9］。大部分研究认为，施用化肥（NPK）可导致SOC的含量增加，比如，Luo等［52］2012年研究云南省长期施用化肥后砂质红壤中SOC的含量，发现施用化肥后，SOC含量显著增加。He等［35］对河北省施用化肥处理的土壤进行了SOC的测定，发现SOC含量显著增加。然而，也有一些研究结果表明，施用化肥后并不能提高SOC的含量。杜立宇等［28］发现沈阳市草甸土中经过施肥处理后，SOC的含量并未增加反而有下降趋势。Li 等［36］对贵州省的土壤进行测定发现，长期施肥没有增加SOC的含量。本文对64个对照研究的分析结果表明，长期施用化肥可显著提高SOC的含量。尽管SOC的研究存在异质性，但笔者进行了矫正分析，其结果也证实了meta分析结果的可靠性。此外，敏感性分析结果表明，每一项研究都排除之后，剩余结果的合并效应量仍然有统计学上的显著性意义。本次荟萃分析结果与上述杜立宇［28］、Li等［36］结论相反，原因可能在于研究条件如施肥年限、调查区域、海拔高度、气候变化、年降水量等因素的不同导致的。土壤有机碳作为土壤团聚体的胶结剂，其含量还会影响团聚体的形成和稳定，结合前面MWD的结果，我们推测施肥处理在提高SOC的同时，也显著提高了MWD的稳定性。

STN是衡量土壤肥力的重要指标，在作物生长过程中起到至关重要的作用。大部分研究认为长期施用化肥可以显著提高STN含量。研究表明长期施肥降低了贵州省的 STN的含量［36］。Chen等［69］研究表明长期施肥降低了吉林省黏壤STN的含量。Li等［43］2019最新研究发现长期施用化肥对江西省水稻土STN含量有降低影响。然而也有部分研究认为施用化肥增加了 STN 的含量。如，Liu 等［70］2011年研究发现施用化肥对沈阳市潮棕壤STN的含量产生显著增加趋势。Wang yidong等［71］2017年研究表明，长期施肥浙江杭州土壤STN的影响呈现增加趋势。本研究对27个对照研究的分析结果表明，长期施用化肥可显著提高土壤中团聚体STN的含量。尽管STN的研究存在异质性，但我们也进行了矫正分析，其结果证实了meta分析结果的可靠性。此外，敏感性分析结果表明，每一项研究都排除之后，剩余结果的合并效应量仍然有统计学上的显著性意义。综上，说明本次meta分析结果稳定可靠，长期施用化肥可显著提高STN。至于对土壤团聚体的影响，本次meta分析结果并不能作为预测土壤团聚体稳定性的指标。因为研究报道STN的大小与土壤稳定性并不一定呈现正相关。

本研究存在一定的局限性。首先，纳入的文献资料整体质量较高，但仍存在数据不全和少量的发表偏倚，可能对meta分析结果造成一定影响。此外，纳入的研究间存在施肥年限、调查区域、年降水量、年均气温、海拔、气候类型、土壤类型等环境条件以及土层厚度、土壤筛分方法等实验操控等因素的差异，如施肥年限越长可能易造成相关结局指标的变化，从而对土壤团聚体的稳定性造成不可预测影响。其次，本次分析纳入的试验数据均为整个土壤团聚体总的含量，并未采集各粒径下结局指标的数据，因此对于认识或掌握施肥处理对土壤团聚体稳定性及SOC、STN影响的作用机制还不够深入，缺乏系统性和全面性。