劉麗媛，徐艷，朱書豪，高藝，鄭向群

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191）

化肥的施用，尤其是化學(xué)氮肥的施用是提高作物產(chǎn)量、保證國(guó)家糧食安全的重要農(nóng)藝措施之一[1]。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，常通過施用大量化學(xué)氮肥來獲得更高的作物產(chǎn)量[2-3]。近年來，全球氮肥施用量不斷激增，2013 年全球氮肥施用量達(dá)107.6 Tg，其中，我國(guó)氮肥施用量約24 Tg，占全球氮肥施用量的22.3%[4]。而大量氮肥施用不僅造成了資源浪費(fèi)，還導(dǎo)致土壤酸化、土壤板結(jié)等多種土壤退化問題[5-6]。為保證農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部制定了《到2020 年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》。為實(shí)現(xiàn)這一發(fā)展目標(biāo)，科研工作者高度重視化肥減施技術(shù)的研究和推廣。其中，化學(xué)氮肥減施、配施有機(jī)肥是實(shí)現(xiàn)化肥使用量零增長(zhǎng)的重要技術(shù)模式之一[7-8]。

土壤容重是土壤孔隙數(shù)量及分布特征、土壤顆粒結(jié)構(gòu)及組合特征的綜合反映。它顯著影響土壤的保水性能及土壤的松緊程度，因而顯著影響作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育和分布，乃至作物產(chǎn)量[9]。因此，土壤容重是土壤物理質(zhì)量最基礎(chǔ)、最重要的指標(biāo)，受到人們長(zhǎng)期廣泛的關(guān)注。國(guó)內(nèi)外大量研究表明，不同的施肥管理措施會(huì)影響土壤容重，特別是有機(jī)肥施用，能顯著改善土壤理化狀況[10-11]。例如，尹海云等[12]的研究表明稻田化學(xué)氮肥減施并配施有機(jī)肥顯著降低了土壤容重，降幅為2.82%；郝帥[13]的研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥配施使旱地土壤容重下降，降幅為8%；而范業(yè)宏等[14]發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥替代氮肥可以顯著降低南果梨果園土壤容重，降幅高達(dá)12.9%。王艷麗[15]發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥配施使寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)砂質(zhì)土壤容重下降，降幅達(dá)6.71%；而孫娟等[16]的研究表明有機(jī)肥配施使壤土土壤容重下降，但降幅僅為3.9%。CELIK 等[17]通過長(zhǎng)達(dá)12 年的定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，與單施化學(xué)肥料相比，施用動(dòng)物糞肥和生物肥均顯著降低了土壤容重，降幅分別為14.2%和20.6%。因此不同土壤利用類型、土壤質(zhì)地及有機(jī)肥類型等分類條件下，化學(xué)氮肥減施并配施有機(jī)肥使土壤容重的下降幅度并不一致。

以上試驗(yàn)結(jié)果均是基于某一個(gè)或者幾個(gè)特定試驗(yàn)地而進(jìn)行的區(qū)域分析，受試驗(yàn)地的環(huán)境和土壤屬性的影響較大。為全面分析化學(xué)氮肥減施并配施有機(jī)肥對(duì)土壤容重的影響程度，應(yīng)將這些獨(dú)立的研究進(jìn)行大樣本數(shù)據(jù)的綜合分析。本研究通過對(duì)已發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的搜集和篩選，利用Meta-analysis 分析方法，定量分析化學(xué)氮肥減施并配施有機(jī)肥對(duì)不同土壤利用類型、土壤質(zhì)地、有機(jī)肥類型、有機(jī)肥施用量、施用頻次及施用年限下土壤容重的影響，為評(píng)估我國(guó)化學(xué)氮肥配施有機(jī)肥對(duì)土壤容重的影響提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

在Science Direct、Web of Science、Springer Link、中國(guó)知網(wǎng)等多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，檢索2000—2019 年發(fā)表的以“氮肥減施”“有機(jī)肥配施”和“土壤容重”為關(guān)鍵詞的文獻(xiàn)。檢索到的文獻(xiàn)按以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選：①試驗(yàn)須同時(shí)包含常規(guī)氮肥施用（對(duì)照組）和氮肥減施并配施有機(jī)肥處理（實(shí)驗(yàn)組）；②試驗(yàn)須為進(jìn)行了至少一年的大田試驗(yàn)；③樣品采自耕層土壤（0～20 cm）。利用Excel 2003 對(duì)篩選到的文獻(xiàn)進(jìn)行整理建庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)包括參考文獻(xiàn)、作者信息、試驗(yàn)地點(diǎn)、土壤利用類型、土壤質(zhì)地、有機(jī)肥種類和土壤容重等內(nèi)容。如果文獻(xiàn)以圖片顯示數(shù)據(jù)，則使用GetData Graph Digitizer 2.24對(duì)圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化。每組數(shù)據(jù)均應(yīng)包括平均值（M）、樣本量（n）和標(biāo)準(zhǔn)差（SD），如果文獻(xiàn)中提供標(biāo)準(zhǔn)誤（SE），SD由公式（1）計(jì)算得到。

1.2 數(shù)據(jù)分類

為了進(jìn)一步探索不同條件下氮肥減施并配施有機(jī)肥對(duì)土壤容重的影響，將所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)劃分為三個(gè)子類別：①土壤質(zhì)地（砂土、壤土、黏土）；②土壤利用類型（水田、旱地、果園）；③有機(jī)肥類型（動(dòng)物糞肥、作物秸稈、生物炭、生物肥料）；④有機(jī)肥用量（0～10、10～20、≥20 t·hm-2·a-1）；⑤有機(jī)肥施用頻次（一年一次、一年兩次）；⑥有機(jī)肥施用年限（1～2、3～4、≥5 a）。

1.3 數(shù)據(jù)分析

響應(yīng)比（Response ratios，RR）是用于評(píng)估試驗(yàn)處理對(duì)某一變量影響程度的統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)[18]。對(duì)于某一指定變量，RR 為處理組（Mt）與對(duì)照組（Mc）的平均值之比，計(jì)算公式[19]如下：

將RR取自然對(duì)數(shù)，計(jì)算公式如下：

平均值的變異系數(shù)（VC）通過以下公式計(jì)算：

式中：nt和nc分別代表處理組和對(duì)照組的樣本量；SDt和SDc分別代表處理組和對(duì)照組的標(biāo)準(zhǔn)差。此外，權(quán)重（Wij）、權(quán)重響應(yīng)比（RR++）、RR++的標(biāo)準(zhǔn)誤[S（RR++）]和95%置信區(qū)間（95%CI）的計(jì)算公式[20]如下：

式中：m為分組數(shù)；ki為第i組的總比較對(duì)數(shù)；j表示第i組總比較對(duì)數(shù)（ki）中的第j對(duì)。若指定變量的95%CI值不包括零，則表明該變量在處理組中與對(duì)照組中具有顯著差異（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)基本信息

經(jīng)過篩選，共獲得已發(fā)表的論文50篇，包括53個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，分布在我國(guó)21 個(gè)省份（表1），共320 組數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)涵蓋了水田、旱地和果園數(shù)據(jù)量分別為45、240 組和35 組；砂土、壤土和黏土三種土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)量分別為114、124組和82組；動(dòng)物糞肥、作物秸稈、生物炭和生物肥料數(shù)據(jù)量分別為110、94、54組和62組；有機(jī)肥施用量為0～10、10～20 t·hm-2·a-1和≥20 t·hm-2·a-1的數(shù)據(jù)量分別為110、167 組和43 組；有機(jī)肥施用頻次一年一次和一年兩次的數(shù)據(jù)量分別為256 組和64 組；有機(jī)肥施用年限1～2、3～4、≥5 a 的數(shù)據(jù)量分別為147、114和59組（表2）。

表1 試驗(yàn)點(diǎn)位置Table 1 The location of study sites

表2 化學(xué)氮肥減施并配施有機(jī)肥對(duì)土壤容重影響數(shù)據(jù)庫(kù)樣本分布Table 2 Sample numbers for the Meta-analysis of the chemical nitrogen fertilizers reduction and supplementation of organic fertilizers on soil bulk density

2.2 土壤容重?cái)?shù)據(jù)的整體分布

如圖1 所示，所收集的數(shù)據(jù)中，土壤容重的數(shù)值符合正態(tài)分布（P＜0.01），土壤容重最大值和最小值分別為1.71 g·cm-3和0.51 g·cm-3，土壤容重均值為1.26 g·cm-3。土壤容重主要分布在1.1～1.5 g·cm-3范圍內(nèi)，該區(qū)間樣本量占總樣本量的77.1%。

圖1 土壤容重的整體分布Figure 1 Distribution of bulk density data

2.3 不同土壤利用類型、質(zhì)地和有機(jī)肥類型對(duì)土壤容重的影響

Meta-analysis 結(jié)果表明，與常規(guī)施肥相比，有機(jī)肥配施能顯著（P＜0.05）降低中國(guó)農(nóng)田土壤容重（圖2），其降幅為4.53%（95%CI 為3.63%～5.43%）。不同土壤利用類型下，有機(jī)肥配施對(duì)土壤容重的影響程度具有顯著差異。其中，有機(jī)肥配施使果園土壤容重下降的幅度最大，為9.06%，顯著高于水田（3.72%）和旱地（5.25%）。不同土壤質(zhì)地中，砂土土壤容重的降幅為6.96%，顯著高于壤土和黏土的降幅，且后兩者沒有顯著差異，其降幅分別為2.97%和5.01%。此外，不同類型有機(jī)肥配施對(duì)土壤容重的影響程度也不同。其中，生物肥料使土壤容重下降的幅度最大，降幅為5.70%，生物炭次之，降幅為5.21%，但兩者差異不顯著。動(dòng)物糞肥和作物秸稈配施條件下土壤容重的降幅分別3.67%和2.30%，顯著低于生物肥料和生物炭配施。

圖2 不同土壤利用類型、土壤質(zhì)地和有機(jī)肥類型下土壤容重的權(quán)重響應(yīng)比Figure 2 Weighted response ratio of bulk density in response to different soil use，soil texture and organic fertilizers type

2.4 不同有機(jī)肥施用量、施用頻次和施用年限對(duì)土壤容重的影響

不同有機(jī)肥施用量、施用頻次及施用年限對(duì)土壤容重的影響如圖3 所示。不同有機(jī)肥用量對(duì)土壤容重的影響程度具有顯著差異。其中，有機(jī)肥用量≥20 t·hm-2·a-1時(shí)土壤容重的降幅最大，為6.25%，顯著高于有機(jī)肥施用量為10～20 t·hm-2·a-1（4.27%）和0～10 t·hm-2·a-1（3.14%）的處理。在不同有機(jī)肥施用頻次下，施肥頻次為一年一次時(shí)土壤容重的降幅為3.75%，而施肥頻次為一年兩次時(shí)土壤容重的降幅為5.32%。此外，有機(jī)肥施用年限對(duì)土壤容重的影響程度也并不相同，且土壤容重的降幅隨有機(jī)肥配施時(shí)間的增加呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。土壤容重在有機(jī)肥配施1～2、3～4 a和≥5 a條件下的降幅分別為2.96%、3.28%和7.32%。

圖3 不同有機(jī)肥施用量、施用頻次及施用年限下土壤容重的權(quán)重響應(yīng)比Figure 3 Weighted response ratio of bulk density in response to different amount of organic fertilizer application，organic fertilizer application frequency and experimental duration

3 討論

有機(jī)肥替代氮肥對(duì)于改善土壤理化性狀具有重要作用，進(jìn)而對(duì)土壤肥力產(chǎn)生影響[21-22]。整體而言，與常規(guī)施肥相比，化學(xué)氮肥減施并配施有機(jī)肥能顯著降低土壤容重，其原因可能是有機(jī)肥自身密度低、體積大、空隙率高、容重低[23-24]。另外，有機(jī)肥營(yíng)養(yǎng)元素豐富，可以提高根系活力和微生物活性，間接影響土壤容重[25-27]。本研究表明，有機(jī)肥配施在不同土壤利用類型、土壤質(zhì)地、有機(jī)肥種類、有機(jī)肥施用量、施用頻次和施用年限條件下對(duì)土壤容重均有顯著影響，但降幅不同。

本研究中化學(xué)氮肥減施并配施有機(jī)肥使果園土壤容重下降的幅度顯著高于水田和旱地，其原因可能是果園有機(jī)肥的施用量較大。沈建國(guó)等[28]的研究也證明了這一結(jié)論，其在連續(xù)種植4 茬的蔬菜作物上開展商品有機(jī)肥用量梯度試驗(yàn)，結(jié)果表明有機(jī)肥的施用量越大，土壤容重的降幅越高。本研究還發(fā)現(xiàn)，水田和旱地對(duì)有機(jī)肥配施的響應(yīng)也不相同，表明土壤容重不僅受施肥的影響，而且與土壤水分密切相關(guān)。陳禎[29]的研究也表明土壤含水量的降低會(huì)導(dǎo)致土壤收縮、容重增大。土壤質(zhì)地是土壤的內(nèi)在屬性，影響土壤的保水和保肥能力[30-31]。本研究表明，有機(jī)肥配施使砂土土壤容重下降的幅度高于壤土和黏土。由于砂質(zhì)土孔隙大、總孔隙容積較小，砂土容重高于壤土和黏土，因此有機(jī)肥配施更有利于砂土土壤容重的降低[32]。目前，我國(guó)應(yīng)用最廣泛的有機(jī)肥主要包括動(dòng)物糞肥、秸稈、生物炭和生物有機(jī)肥等四大類。本研究結(jié)果表明，四種有機(jī)肥配施條件下土壤容重的降幅表現(xiàn)為生物有機(jī)肥＞生物炭＞動(dòng)物糞肥＞秸稈（圖2）。邱吟霜等[33]的研究也證明了這一結(jié)論，其研究發(fā)現(xiàn)，生物肥料配施使土壤容重下降10.74%。與動(dòng)物糞肥和作物秸稈相比，生物炭具有較大的比表面積和更發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，因而生物炭配施使土壤容重下降的幅度高于動(dòng)物糞肥和作物秸稈[34]。此外，本研究也表明，動(dòng)物糞肥處理中土壤容重的降幅高于作物秸稈處理。其原因可能是動(dòng)物糞肥營(yíng)養(yǎng)成分更加豐富，更有利于土壤有機(jī)質(zhì)的固定和作物的生長(zhǎng)，進(jìn)一步降低土壤容重[35]。本研究結(jié)果表明有機(jī)肥的施用頻次為一年兩次時(shí)土壤容重的降幅高于一年一次，其主要原因是一年施用兩次的情況下有機(jī)肥的總施用量較高。此外，土壤容重的降幅隨有機(jī)肥的使用年限增加而增大，這表明有機(jī)肥配施對(duì)緩解化肥長(zhǎng)期施用引起的農(nóng)田土壤板結(jié)具有重要意義。

4 結(jié)論

本研究探討了化學(xué)氮肥減施并配施有機(jī)肥條件下，不同土壤利用類型、土壤質(zhì)地、有機(jī)肥類型、有機(jī)肥施用量、施用頻次及施用年限對(duì)土壤容重的影響。結(jié)論如下：

（1）整體而言，化學(xué)氮肥減施并配施有機(jī)肥顯著降低了我國(guó)農(nóng)田土壤容重，平均降幅為4.53%。

（2）配施有機(jī)肥使果園土壤容重下降的幅度顯著高于水田和旱地；配施有機(jī)肥使砂土土壤容重下降的幅度顯著高于壤土和黏土；不同有機(jī)肥類型之間，生物肥料對(duì)土壤容重的影響最大，生物炭次之為，且二者使土壤容重下降的幅度顯著高于動(dòng)物糞肥和作物秸稈。

（3）土壤容重的降幅隨有機(jī)肥施用量、施用年限和施用頻次的增加而呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。