馬子鈺，馬文林

施肥對(duì)中國農(nóng)田土壤固碳影響效應(yīng)研究①

馬子鈺，馬文林*

(北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院北京應(yīng)對(duì)氣候變化研究和人才培養(yǎng)基地，北京 102616)

本研究采用Meta分析方法研究施肥對(duì)中國農(nóng)田0 ～ 20 cm表層土的土壤有機(jī)碳固定效果及影響因素。結(jié)果表明，與不施肥相比，施肥處理總體上年均土壤固碳速率為0.23 g/(kg·a)；同時(shí)，單施化肥、有機(jī)肥化肥混施和單施有機(jī)肥均能顯著提高農(nóng)田有機(jī)碳含量，其中，有機(jī)肥化肥混施組固碳速率最高，為0.36 g/(kg·a)，單施化肥組的最低，僅為0.08 g/(kg·a)。研究還得出，較低的年均溫度(<9 ℃)更有利于土壤固碳；而在較高的初始土壤全氮(≥0.60 g/kg)和作物輪作條件下，施用有機(jī)肥比單施化肥有更高的固碳速率。

Meta分析；中國農(nóng)田；土壤有機(jī)碳；施肥；影響因素

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的最大碳庫[1]，其碳儲(chǔ)量約為大氣碳庫的3.3倍[2]，土壤碳庫的微小變化可導(dǎo)致大氣中CO2濃度的波動(dòng)[3-4]，從而影響全球氣候。我國農(nóng)田土壤有機(jī)碳(SOC)含量較低[5]，具有較高的固碳潛力[6-7]，增加農(nóng)田土壤碳庫容量，對(duì)于緩解氣候危機(jī)具有重要意義[8]。

施肥對(duì)提升農(nóng)田SOC含量具有重要意義[9]，但現(xiàn)有田間試驗(yàn)結(jié)果相互矛盾。例如，徐虎等[10]在山西省玉米田試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋還田和粉碎還田可降低0 ～ 100 cm土層的SOC含量，但秸稈過腹還田表現(xiàn)出增加作用；藍(lán)賢瑾等[11]在江西省雙季稻田試驗(yàn)中得出，長期施肥主要通過改善農(nóng)田SOC組分(如烷基碳、烷氧碳等)以及促進(jìn)土壤微生物繁殖和活性，一定程度上加快了農(nóng)田SOC的物質(zhì)循環(huán)，進(jìn)而提升了SOC含量。但這些獨(dú)立的研究結(jié)果，僅代表在特定地理氣候區(qū)和實(shí)驗(yàn)條件下的情況，不能全面反映施肥對(duì)農(nóng)田SOC固定效應(yīng)。

Meta分析對(duì)整合結(jié)果不一致的同類研究方面有較好的應(yīng)用。Lu[12]利用Meta分析法研究得出較長期的有機(jī)肥化肥配施可有效提升農(nóng)田SOC含量，但該研究未分析比較不同土壤初始理化性質(zhì)(初始SOC、初始全氮等)和作物輪作方式下施肥對(duì)SOC含量增幅的影響；田康等[9]利用Meta分析法研究了不同施肥處理對(duì)我國旱地SOC含量變化的影響，得出SOC含量隨時(shí)空變化而不同的結(jié)論，但該研究不包含旱地以外的其他土壤類型，研究結(jié)論具有一定的局限性。因此，本研究制定嚴(yán)格的文獻(xiàn)收集篩選條件，從田間試驗(yàn)中英文文獻(xiàn)中提取有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用Meta分析法研究土壤初始理化條件、地理氣候條件等生態(tài)環(huán)境因素以及作物輪作、施肥量等人為影響因素對(duì)我國農(nóng)田土壤的固碳效應(yīng)，以達(dá)到增強(qiáng)農(nóng)田土壤固碳能力的目的。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究從中國知網(wǎng)、Science Direct、Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫和Google Scholar中，以土壤有機(jī)碳(SOC)、土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)、化肥(NPK，inorganic fertilizer)、有機(jī)肥(NPKM，organic fertilizer)、牛糞(cow manure)、雞糞(chicken manure)、豬糞(pig manure)和施肥(fertilization)等為檢索詞進(jìn)行文獻(xiàn)檢索。文獻(xiàn)篩選標(biāo)準(zhǔn)為：①研究區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)地點(diǎn)可定位的中國大田試驗(yàn)；②試驗(yàn)至少設(shè)置3個(gè)重復(fù)；③試驗(yàn)周期≥3 a；④有試驗(yàn)地點(diǎn)的主要?dú)夂驐l件(年平均溫度、降水量)；⑤有試驗(yàn)起止的土壤有機(jī)碳(或有機(jī)質(zhì))含量數(shù)據(jù)；⑥有無機(jī)肥、有機(jī)肥的施氮量數(shù)據(jù)，或可以通過文獻(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出；⑦對(duì)于多篇試驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)的文獻(xiàn)，只保留數(shù)據(jù)最完整的一篇。以不施肥組(NF)為對(duì)照組(CG)，以單施化肥組(CF)、單施有機(jī)肥組(OF)和有機(jī)肥化肥混施組(COF)為處理組(TG)，采用Excel 2016建立信息表，包含年均降水量、年均氣溫、肥料類型、施肥量、試驗(yàn)初始SOC和初始全氮(TN)含量、試驗(yàn)?zāi)┢赟OC含量、土壤碳庫等信息，表1為所收集文獻(xiàn)的部分信息。

表1 文獻(xiàn)中田間試驗(yàn)信息

經(jīng)篩選整理，最終得到符合標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)27篇、有效數(shù)據(jù)102對(duì)。試驗(yàn)地點(diǎn)主要分布在我國東北、華北、華中、華東、西北和西南地區(qū)，各文獻(xiàn)的SOC采樣深度主要集中在農(nóng)田0 ～ 20 cm表層土。若文獻(xiàn)中土壤碳庫以SOM形式表示，將SOM值乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)0.58轉(zhuǎn)換為SOC值[39-40]；采用Metawin 2.1對(duì)提取數(shù)據(jù)進(jìn)行Meta分析，采用Origin Pro 2017對(duì)Meta分析結(jié)果繪圖。

1.2 數(shù)據(jù)分析

1.2.1 效應(yīng)值選取 本研究選取隨機(jī)效應(yīng)模型，考慮到CG組的SOC變化效應(yīng)[41]，將按照式(1)計(jì)算得到的SOC年凈變化量(NAC)作為效應(yīng)值：

式中：SOC和SOC0分別為TG組和CG組的試驗(yàn)?zāi)┢诤统跏糞OC含量(g/kg)，為試驗(yàn)周期(a)。

1.2.2 效應(yīng)值的95% 置信區(qū)間計(jì)算 因有多篇文獻(xiàn)缺少試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差，對(duì)此，按照式(2)得到各有效數(shù)據(jù)對(duì)的權(quán)重[42]。

式中：CG、TG分別為CG組和TG組試驗(yàn)的重復(fù)次數(shù)。

采用Metawin 2.1中自助法(Bootstrap)通過64 999次迭代計(jì)算得出效應(yīng)值的95% 置信區(qū)間。若95% 置信區(qū)間不與0重合，表明該處理對(duì)SOC含量影響具有顯著效應(yīng)(<0.05)。

1.3 亞組分析

由于不同農(nóng)田所處氣候條件存在較大差異，且土壤初始理化性質(zhì)、土壤管理措施和試驗(yàn)周期均影響SOC含量變化，因此，按照表2所示的分組方法對(duì)各種影響因素進(jìn)行亞組分析，亞組滿足至少有10條研究數(shù)據(jù)或至少來自3篇獨(dú)立研究文獻(xiàn)則結(jié)果可信[43-44]。若各分組合并效應(yīng)值的95% 置信區(qū)間不重合，說明分組間具有顯著差異[45]。

表2 亞組分組方法

2 結(jié)果與分析

2.1 肥料類型和施肥量對(duì)農(nóng)田土壤SOC含量的影響

肥料類型和施肥量對(duì)農(nóng)田SOC的影響見圖1。其中，COF組有機(jī)肥替代化肥的平均比例為46.94%(10% ～ 78.74%)。由圖1得出，以不施肥為對(duì)照，施肥處理總體的農(nóng)田SOC含量變化率為0.23 g/(kg·a)。對(duì)總體按照施氮量<200 kg/hm2和≥200 kg/hm2進(jìn)行亞組分析得出，兩種施氮量條件下的農(nóng)田SOC含量變化率分別為0.13和0.26 g/(kg·a)，且二者之間差異顯著；對(duì)總體按照肥料類型CF、COF和OF進(jìn)行亞組分析得出，3種施氮量條件下的農(nóng)田SOC含量變化率分別為0.08、0.36和0.32 g/(kg·a)，其中，CF和COF、OF分別差異顯著，而COF和OF間差異不顯著。

(Total表示不考慮施肥量，僅按照肥料類型分組的各組樣本均值；誤差線為用Bootstrap方法得到的95% 置信區(qū)間，誤差線上數(shù)字代表樣本量，下同)

進(jìn)一步比較相同肥料類型下不同施氮量的效應(yīng)值得出，高施氮量(≥200 kg/hm2)比低施氮量(<200 kg/hm2)均能增加農(nóng)田SOC含量，對(duì)OF組和CF組，不同施氮量的影響具有顯著差異，而COF組的差異不顯著。同時(shí)考慮肥料類型和施氮量兩種因素的影響得出，CF組和OF組的4個(gè)亞組(CF<200、CF≥200、OF<200和OF≥200)具有顯著差異，CF組的2個(gè)亞組(CF<200、CF≥200)對(duì)于COF的兩個(gè)亞組(COF<200、COF≥200)分別具有顯著差異，COF組的高施肥量亞組(COF≥200)與OF組的低施肥量亞組(OF<200)之間具有顯著差異。

2.2 影響施肥固碳作用的因素

2.2.1 氣候因素 年均氣溫對(duì)施肥固碳效果的影響見圖2。由圖2可知，對(duì)于年均氣溫 <9 ℃和≥9 ℃的情況，施肥處理總體均顯著增加農(nóng)田SOC含量，變化率分別達(dá)到0.37和0.21 g/(kg·a)。分析CF、COF和OF各種施肥處理組內(nèi)不同溫度亞組間的情況發(fā)現(xiàn)，均不具有顯著差異；分析3種施肥處理組在年均溫度≥9 ℃下的情況得出，CF組的SOC含量變化率最低(0.07 g/(kg·a))，且與COF組和OF組都具有顯著差異，而COF與OF組間差異不顯著。

圖2 年平均溫度對(duì)SOC含量的影響

年均降水量對(duì)施肥固碳效果的影響見圖3。由圖3可知，對(duì)于年均降水量為< 300、300 ～ 800和≥800 mm的情況，施肥處理總體均能顯著增加農(nóng)田SOC含量，變化率分別為0.36、0.20和0.23 g/(kg·a)，但不同降水量之間不具有顯著差異。同時(shí)，CF、COF和OF各施肥處理組內(nèi)不同降水量之間也不具有顯著差異；對(duì)于年均降水量為300 ～ 800和≥800 mm兩種情況下，CF和COF、OF分別差異顯著，而COF和OF間差異不顯著。

2.2.2 農(nóng)田土壤初始碳氮含量 農(nóng)田初始SOC和TN含量對(duì)試驗(yàn)?zāi)┢谵r(nóng)田SOC含量的影響見圖4和圖5。從圖4可知，對(duì)于施肥處理總體，農(nóng)田初始SOC含量 <11 g/kg和≥11 g/kg兩種情況下的SOC含量變化率分別為0.18和0.31 g/(kg·a)，且兩者間差異顯著；對(duì)于不同施肥處理組，CF組和COF組組內(nèi)不同初始SOC亞組之間不具有顯著差異，而OF組隨初始SOC含量增加，SOC含量變化率具有下降趨勢(shì)。分析不同施肥處理組之間的情況，在初始SOC含量<11 g/kg時(shí)，CF處理的農(nóng)田SOC含量變化率最低(0.07 g/(kg·a))，OF處理的最高(0.35 g/(kg·a))，同時(shí)CF與OF和COF均具有顯著差異，COF和OF處理差異不顯著；在農(nóng)田初始SOC含量≥11 g/kg時(shí)，COF處理SOC含量變化率最高(0.43 g/(kg·a))，并與CF差異顯著，而CF與OF處理間差異不顯著。

圖3 年平均降水量對(duì)SOC含量的影響

圖4 土壤初始有機(jī)碳對(duì)SOC含量的影響

從圖5可知，對(duì)于施肥處理總體，農(nóng)田初始TN含量<0.60 g/kg和≥0.60 g/kg兩種情況下，施肥處理的SOC含量變化率分別為0.22和0.24 g/(kg·a)，但兩者間差異不顯著。當(dāng)農(nóng)田初始TN含量<0.60 g/kg時(shí)，CF、COF和OF處理對(duì)農(nóng)田SOC含量變化率分別為0.09、0.32和0.37 g/(kg·a)，其中CF與OF處理差異顯著；當(dāng)農(nóng)田初始TN含量≥0.60 g/kg時(shí)，CF、COF和OF處理SOC含量變化率分別為0.06、0.37和0.26 g/(kg·a)，其中CF與COF處理差異顯著。

2.2.3 輪作制度 不同輪作制度下，施肥對(duì)土壤有機(jī)碳固定的影響如圖6所示。從圖6可知，對(duì)于作物輪作和非輪作兩種輪作制度，施肥處理總體上SOC含量變化率分別為0.20和0.28 g/(kg·a)，但二者差異不顯著。對(duì)于不同施肥處理組，在作物輪作條件下，OF、CF和COF處理均顯著增加農(nóng)田SOC含量，其中OF處理的SOC含量變化率(0.40 g/(kg·a))相比CF處理的(0.06 g/(kg·a))顯著較高；而在非作物輪作條件下，CF、COF和OF處理下農(nóng)田SOC含量變化率分別為0.09、0.43和0.20 g/(kg·a)，其中，CF與COF差異顯著，而COF和OF之間差異不顯著。

圖5 土壤初始全氮對(duì)SOC含量的影響

圖6 輪作制度對(duì)SOC含量的影響

3 討論

3.1 肥料類型和施肥量對(duì)農(nóng)田SOC含量的影響

作物養(yǎng)分需求范圍內(nèi)，單獨(dú)多施化肥或有機(jī)肥均比少施肥可以顯著提高農(nóng)田SOC含量，而化肥有機(jī)肥配施的固碳效果最佳。分析認(rèn)為，多施有機(jī)肥或化肥均可通過促進(jìn)作物根系生長來提升SOC含量[37]，而施有機(jī)肥不僅直接向土壤補(bǔ)充有機(jī)質(zhì)，還可改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)[46]，但有機(jī)肥釋放養(yǎng)分的速率較慢[47]，配施化肥可以長效補(bǔ)充土壤養(yǎng)分，因而取得最佳SOC增加效果。

3.2 施肥固碳作用的影響因素

3.2.1 自然氣候因素 施肥處理總體在年均溫度較低時(shí)表現(xiàn)出較高的土壤固碳效果。溫度升高可明顯提高微生物的呼吸作用強(qiáng)度，促進(jìn)SOC的分解[48]。但在較高溫度條件下，施用有機(jī)肥比單施化肥可以顯著提升SOC含量(圖2)，表明施有機(jī)肥可以補(bǔ)給由于溫度升高而導(dǎo)致的土壤碳庫流失。

在低降水量條件下，施肥處理的固碳速率較高。降水量主要通過土壤含水率影響SOC含量[49]，土壤在含水率低時(shí)通氣性較好，好氧微生物活性高，分解SOC作用強(qiáng)，從而不利于SOC積累[50]。我國降水量分布南多北少，呈現(xiàn)顯著區(qū)域性特征[50]，表明我國北方地區(qū)的施肥處理可取得較好的土壤固碳效果。

3.2.2 農(nóng)田土壤初始碳氮含量 初始SOC含量較低的土壤，其固碳速率相對(duì)較高。當(dāng)農(nóng)田初始SOC含量遠(yuǎn)低于土壤飽和碳庫值時(shí)，農(nóng)田SOC固定效應(yīng)強(qiáng)于分解效應(yīng)，顯示出較高的SOC含量增速；而當(dāng)農(nóng)田初始SOC含量較高甚至接近碳庫飽和值時(shí)，土壤固碳潛力變小，SOC固定量與分解量趨于接近，SOC含量增速降低甚至達(dá)到平衡狀態(tài)[51-52]。

在土壤初始全氮含量較高情況下，施有機(jī)肥相比單施化肥可以顯著提高SOC含量。崔宏浩等[53]、陳瑞州等[51]研究均指出有機(jī)肥相比化肥，可以顯著調(diào)節(jié)土壤碳氮比，促進(jìn)微生物代謝和繁殖作用更強(qiáng)，從而更有利于SOC周轉(zhuǎn)。因此，土壤全氮含量較高時(shí)，通過施有機(jī)肥保持土壤碳氮比例平衡，可能是提升SOC含量的有效措施。

3.2.3 作物輪作 作物輪作條件下施有機(jī)肥比單施化肥更有利于SOC含量增加(圖6)。作物輪作使土壤養(yǎng)分周轉(zhuǎn)均衡，此時(shí)因有機(jī)肥較化肥更有利于作物根系發(fā)育[52]，每季作物收獲后，土壤中保留有更多作物根茬，從而增加土壤SOC含量。

4 結(jié)論

施肥可以顯著提高我國農(nóng)田0 ～ 20 cm的SOC含量，在作物生長養(yǎng)分需求范圍內(nèi)，單獨(dú)多施化肥或有機(jī)肥能促進(jìn)土壤固碳，而有機(jī)肥化肥配施則固碳效果最佳。此外，較低的年均溫度有利于農(nóng)田SOC含量增加，而較高的土壤初始全氮含量和輪作制度下施加有機(jī)肥有利于土壤固碳。綜上，在不同的施氮量、年平均溫度和降水量、初始SOC含量和輪作制度條件下，施肥對(duì)農(nóng)田SOC含量的影響不同，本研究結(jié)果可為今后合理制定農(nóng)田施肥措施、增加土壤碳庫提供科學(xué)依據(jù)。

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Effects of Fertilization on Soil Organic Carbon in Cropland of China

MA Ziyu, MA Wenlin*

(Beijing Climatic Change Response Research and Education Center, School of Environment and Energy Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 102616, China)

In this paper, the Meta-analysis method was used to study the influence of fertilization on soil organic carbon (SOC) in the farmland topsoil (0-20 cm) in China. Overall, compared with the CK (no fertilizer) treatment, fertilization significantly increased SOC content by 0.23 g/(kg·a), and the practices of CF (inorganic fertilizer only), COF (inorganic combined with organic fertilizer), and OF (organic fertilizer only) significantly increased net annual change rates (NAC) of SOC. The NAC of SOC under COF treatment was the largest (0.36 g/(kg·a)), while the CF treatment caused the lowest NAC (0.08 g/(kg·a)). In addition, the effect was more significant under low mean annual temperature (<9 ℃), applying organic fertilizer had a higher NAC of SOC than applying inorganic fertilizer alone under crop rotation or initial soil total nitrogen (STN) more than 0.60 g/kg condition.

Meta-analysis; Chinese farmland; Soil organic carbon; Fertilization; Influencing factors

S146.1；S19

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.05.005

馬子鈺, 馬文林. 施肥對(duì)中國農(nóng)田土壤固碳影響效應(yīng)研究. 土壤, 2022, 54(5): 905–911.

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFF0211703)和北京建筑大學(xué)市屬高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(X19009)資助。

(mawenlin1130@126.com)

馬子鈺(1998—)，男，北京人，碩士研究生，主要從事土壤溫室氣體排放評(píng)估研究。E-mail: mzyBucea@126.com