張娜娜 ，孫武 ，2*

（1.青海師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，青海 西寧 810000；2.青海大學(xué)畜牧獸醫(yī)科學(xué)院，青海 西寧 810016）

目前，在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)田化肥（NPK）施用普遍較多，導(dǎo)致農(nóng)田對(duì)化肥的依賴(lài)性越來(lái)越大，但長(zhǎng)期施用化肥已經(jīng)對(duì)我國(guó)土壤造成了嚴(yán)重的影響：土壤肥力下降，土壤板結(jié)，生產(chǎn)力下滑等［1］?；适┯眠^(guò)多還會(huì)導(dǎo)致地表水富營(yíng)養(yǎng)化和淺層水污染。但傳統(tǒng)經(jīng)典的施用化肥策略也給農(nóng)田土壤帶來(lái)了許多益處。首先，化肥可以增加土壤有效養(yǎng)分含量，如增加土壤有機(jī)碳含量，使得土壤有機(jī)質(zhì)含量劇增，短時(shí)間內(nèi)極大提高了土壤肥力。如尿素可增加有效氮含量。其次，改變土壤pH，長(zhǎng)期施用氯化鉀可導(dǎo)致土壤酸化，施用鈣鎂磷肥可使土壤pH值增加。另外，長(zhǎng)期添加化肥可以改變土壤微生物生長(zhǎng)繁殖，抑制真菌的繁殖，促進(jìn)細(xì)菌繁殖。

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，團(tuán)聚體被稱(chēng)為土壤的養(yǎng)分庫(kù)，土壤的性質(zhì)和肥力由土壤團(tuán)聚體的數(shù)量和質(zhì)量決定［2］。其粒級(jí)的大小及組成在一定程度上反映了土壤的保水、保肥及通透性等功能，也是判斷土壤侵蝕、壓實(shí)、板結(jié)等物理過(guò)程與作用的關(guān)鍵因素，因此成為了土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一［3］。而土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑（MWD）也是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)劣及土壤團(tuán)聚體質(zhì)量變化及穩(wěn)定性的重要方法［4］。土壤有機(jī)碳（SOC）對(duì)不同施肥方式較敏感，土壤有機(jī)碳既是土壤的重要組成部分，又是土壤養(yǎng)分的貯存庫(kù)和土壤微生物活動(dòng)的能量來(lái)源，對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成和維持團(tuán)聚體的穩(wěn)定具有重要作用［5］。土壤團(tuán)聚體和土壤有機(jī)碳的關(guān)系是相輔相成的，土壤團(tuán)聚體不僅是土壤有機(jī)碳的載體，也對(duì)土壤有機(jī)碳產(chǎn)生物理和生物保護(hù)作用［6］，而土壤有機(jī)碳又會(huì)促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成［7］。土壤有機(jī)碳含量及其質(zhì)量是反映土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，不僅影響土壤肥力和土壤生產(chǎn)力，而且會(huì)影響全球碳平衡［8］，土壤有機(jī)碳作為土壤團(tuán)聚體的膠結(jié)劑，其含量還會(huì)影響團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性［9］。氮是植物生長(zhǎng)不可缺少的元素，土壤是作物氮素主要來(lái)源［10-11］。研究土壤中氮素的分布、遷移、轉(zhuǎn)化對(duì)于加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，提高作物產(chǎn)量以及制定合理的施肥配方有重要意義［12］。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)土壤氮素有效性的研究較多，主要是針對(duì)不同土壤類(lèi)型的氮儲(chǔ)量的研究。

綜上可以看出，MWD、SOC、全氮（STN） 3個(gè)指標(biāo)可以有效地評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性以及土壤肥力結(jié)構(gòu)。有研究表明施肥處理會(huì)改變以上3個(gè)指標(biāo)，從而對(duì)土壤肥力結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)產(chǎn)生重要影響［13-14］。提高農(nóng)田土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及全氮含量，對(duì)保持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、應(yīng)對(duì)全球氣候變暖趨勢(shì)具有雙重意義［15-18］。土壤有機(jī)碳及全氮與水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性關(guān)系密切，對(duì)土壤團(tuán)聚體的數(shù)量和大小分布具有重要影響，而團(tuán)聚體形成作用是土壤碳蓄積的重要機(jī)制，特別是土壤團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳快庫(kù)的物理保護(hù)［19-20］。但不同施肥措施下土壤有機(jī)碳、全氮積累與土壤團(tuán)聚作用，團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量之間的相關(guān)關(guān)系目前尚不清楚。所以，研究施用不同化肥對(duì)土壤團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)的影響是搞清土壤性質(zhì)的關(guān)鍵。

近些年，關(guān)于不同化肥（NPK）處理對(duì)潮土、黑土、水稻土和棕壤等土壤團(tuán)聚體的影響研究較多，認(rèn)為化肥有利于提高M(jìn)WD、SOC及STN的累積，從而最終提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性以及有效改善了土壤肥力狀況。但也有部分研究認(rèn)為化肥不利于土壤有機(jī)碳、全氮的累積，也不利于土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的提高［21］。因此，為了探討不同施肥方式下土壤中土壤團(tuán)聚體以及有機(jī)碳和全氮含量的演變規(guī)律，通過(guò)meta分析方法，對(duì)47篇文獻(xiàn)進(jìn)行薈萃分析，綜合評(píng)價(jià)施用化肥（NPK）是否有利于提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，以及是否可以有效地提高土壤SOC和STN的含量，為未來(lái)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土壤施肥管理措施提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 文獻(xiàn)檢索

在 Pubmed、Web of science、Science direct 等英文數(shù)據(jù)庫(kù)中輸入“fertilization application”“Mean weight diameter”“Soil agglomerates”“Soil organic carbon”“Soil total nitrogen”等關(guān)鍵詞；在中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)、維普數(shù)據(jù)庫(kù)和中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)（CSCD）等中文數(shù)據(jù)庫(kù)輸入“施肥處理”“平均質(zhì)量直徑”“土壤團(tuán)聚體”“土壤有機(jī)碳”“土壤總氮”等關(guān)鍵詞。檢索時(shí)間為2001—2019年，查閱相關(guān)文獻(xiàn)。

1.2 文獻(xiàn)篩選

根據(jù)以下條件對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行篩選：（1）文獻(xiàn)研究?jī)?nèi)容，包括化肥施用對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響；（2）研究結(jié)果，包含土壤平均質(zhì)量直徑（MWD）、有機(jī)碳（SOC）及全氮（STN）；（3）文獻(xiàn)語(yǔ)言，中文或英文。所有檢索到的文獻(xiàn)資料由2名研究者獨(dú)立完成篩選和數(shù)據(jù)提取并復(fù)核。按照文獻(xiàn)檢索規(guī)則共檢索到文獻(xiàn)1 414篇，其中排除重復(fù)文獻(xiàn)、會(huì)議論文、會(huì)議摘要、未發(fā)表論文、非核心期刊論文和非SCI論文556篇。通過(guò)閱讀文獻(xiàn)題目和摘要排除無(wú)化肥組處理和綜述類(lèi)文獻(xiàn)424篇。進(jìn)一步閱讀全文，排除無(wú)對(duì)照研究、未測(cè)定結(jié)果指標(biāo)等不符合納入的387篇文獻(xiàn)，最終納入47篇文獻(xiàn)［22-68］。

1.3 數(shù)據(jù)提取及特征

本次meta分析共計(jì)納入47篇文獻(xiàn)，包括根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)提取的128個(gè)對(duì)照研究，共收集128份化肥組（NPK）和對(duì)照組（CK，表示不施肥）土壤數(shù)據(jù)，納入的研究均為化肥組對(duì)照試驗(yàn)。分別提取以下數(shù)據(jù)和資料：文獻(xiàn)題目、發(fā)表時(shí)間、調(diào)查區(qū)域、土壤類(lèi)型、施肥年限、篩分方法、土層厚度、土壤總量等信息，以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)差（CK組和NPK組土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑、土壤總有機(jī)碳、土壤總氮）。相同年份、同一作者的不同研究使用（1）（2）（3）（4）區(qū)分。本次篩選文獻(xiàn)涉及到的土壤類(lèi)型主要包括黑土、褐土、棕壤、草甸土、樓土、紅壤土、黏土、砂壤土、紅黏土、水稻土、灰鈣土、淋溶土等。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

采用R語(yǔ)言（4.1.0版本）meta包對(duì)所提取的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行meta分析。

1.4.1 效應(yīng)尺度選擇 由于納入文獻(xiàn)結(jié)局指標(biāo)均為連續(xù)性變量，因此選擇標(biāo)準(zhǔn)化均數(shù)差（standardized mean difference，SMD）為效應(yīng)長(zhǎng)尺度，并計(jì)算其95%置信區(qū)間（confidence interval，CI）。

1.4.2 meta分析 用Inverse Variance 法合并效應(yīng)量。在R語(yǔ)言中直接可調(diào)用meta包中的metacont命令進(jìn)行meta分析，調(diào)用forest命令將其分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為森林圖，然后輸出到桌面?zhèn)溆谩?/p>

1.4.3 異質(zhì)性檢驗(yàn) 利用Q 檢驗(yàn)和I2值進(jìn)行研究間異質(zhì)性分析。當(dāng)I2<50%，認(rèn)為研究間異質(zhì)性低或不存在異質(zhì)性，采用固定效應(yīng)模型（Fixed Model）合并效應(yīng)量；當(dāng)I2>50%，認(rèn)為研究間存在較高異質(zhì)性，則用隨機(jī)效應(yīng)模型（Random Model）合并效應(yīng)量。

1.4.4 偏倚分析及處理 采用漏斗圖分析法檢驗(yàn)是否存在發(fā)表偏倚，當(dāng)P<0.05時(shí)認(rèn)為差異顯著，如果存在發(fā)表偏倚，則利用trim and filled模型及rank法進(jìn)行校正。調(diào)用meta包中的metabias命令和funnel命令進(jìn)行偏倚分析和漏斗圖的繪制，然后輸出到桌面?zhèn)溆?。調(diào)用trimfill命令進(jìn)行meta分析的校正。

1.4.5 敏感性分析 依次將每項(xiàng)研究排除，評(píng)價(jià)其對(duì)合并效應(yīng)量和異質(zhì)性的影響，評(píng)價(jià)結(jié)果穩(wěn)定性。調(diào)用meta包中的metainf命令進(jìn)行敏感性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用化肥對(duì)MWD、SOC、STN的影響

長(zhǎng)期施用化肥（NPK）后，結(jié)局指標(biāo)MWD、SOC、STN數(shù)量變化均存在研究間異質(zhì)性（MWD［P<0.001，I2=99.4%］，SOC［P<0.001，I2=99.5%］，STN［P<0.001，I2=99.6%］），故采用隨機(jī)效應(yīng)模型合并效應(yīng)量。森林圖結(jié)果顯示（圖1‐3），部分結(jié)果呈現(xiàn)顯著的正效應(yīng)，部分結(jié)果統(tǒng)計(jì)學(xué)上無(wú)意義，少量結(jié)果呈現(xiàn)負(fù)效應(yīng)，但是合并效應(yīng)量在無(wú)效線右側(cè)，且不與無(wú)效線相交，即統(tǒng)計(jì)學(xué)上認(rèn)為有意義并且是正效應(yīng)，表明長(zhǎng)期施用化肥可顯著提高土壤MWD（P<0.001），可顯著提高 SOC（P<0.001），可顯著提高STN（P<0.001）。

2.2 敏感性分析

施用化肥顯著影響了土壤團(tuán)聚體MWD、SOC、STN（表1），本次meta分析結(jié)果異質(zhì)性高（I2>50%，P<0.01），需對(duì)分析結(jié)果的穩(wěn)定性和可信度進(jìn)行評(píng)價(jià)。敏感性分析結(jié)果表明，納入的所有研究依次排除之后，剩余研究的合并效應(yīng)值均位于無(wú)效線的兩側(cè)，并且未相交，更說(shuō)明了本次meta分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表1 施用化肥影響土壤團(tuán)聚體meta分析結(jié)果Table 1 Results of meta-analysis on the effect of chemical fertilizer application on soil agglomerates

2.3 偏倚分析

長(zhǎng)期施用化肥后土壤SOC、STN漏斗圖顯示（圖4），大部分研究分布在漏斗圖上部且中間集中，對(duì)稱(chēng)性好，但也有少量研究分布在漏斗圖外，說(shuō)明研究的樣本量大、具有代表性，且試驗(yàn)精度高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。MWD的研究大部分集中在漏斗圖中上部，但對(duì)稱(chēng)性差，且有部分研究分布在漏斗圖下部或外部，說(shuō)明存在少量發(fā)表偏倚。利用trim and filled模型進(jìn)行校正，矯正分析后的結(jié)果（表2）顯示，施用化肥對(duì)土壤MWD的影響仍然達(dá)到了統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著性（P=0.033），這充分說(shuō)明前面meta結(jié)果的可靠性。同理，對(duì)于SOC、STN指標(biāo)而言，矯正后的結(jié)果顯示，SOC的P值（0.028）、STN的P值（0.048）都達(dá)到了統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著性。以上結(jié)果充分再次驗(yàn)證了meta分析結(jié)果的可靠性。

表2 Meta分析矯正后結(jié)果總結(jié)Table 2 Summary of results after meta-analysis correction

圖4 施用化肥影響土壤MWD、SOC、STN 95%置信區(qū)間的漏斗圖Fig.4 Funnel plots of 95% confidence intervals for the effect of chemical fertilizer application on MWD，SOC and STN

圖2 施用化肥對(duì)土壤SOC的meta分析森林圖Fig.2 Forest plot for meta-analysis of chemical fertilizer application on soil SOC

3 討論

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性一般用平均質(zhì)量直徑（MWD）值來(lái)表示，大團(tuán)聚體的百分比越高，MWD的值越大；團(tuán)聚體越穩(wěn)定，GMD值越大［4］。近些年，關(guān)于不同化肥（NPK）對(duì)潮土、黑土、水稻土和棕壤等土壤團(tuán)聚體的影響研究較多，認(rèn)為化肥有利于土壤團(tuán)聚體內(nèi)部有機(jī)碳的累積，提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。通常認(rèn)為粒徑越大土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越高，但也有部分研究認(rèn)為化肥不利于有機(jī)碳的累積，也不利于團(tuán)聚體穩(wěn)定性的提高［21］。Qiao 等［26］連續(xù) 3 年測(cè)定長(zhǎng)期施用化肥對(duì)黃褐土中MWD的影響，發(fā)現(xiàn)2014-2016年土壤中MWD顯著增加。Tripathi等［34］對(duì)印度長(zhǎng)期施用化肥土壤進(jìn)行測(cè)定發(fā)現(xiàn)平均質(zhì)量直徑MWD顯著增加。施用化肥對(duì)MWD的meta分析結(jié)果支持了這一結(jié)論，對(duì)37個(gè)對(duì)照研究的分析結(jié)果表明，長(zhǎng)期施用化肥可顯著提高土壤中團(tuán)聚體MWD的指標(biāo)。盡管對(duì)MWD的研究存在異質(zhì)性，但筆者進(jìn)行了矯正分析，其結(jié)果證實(shí)了meta分析結(jié)果的可靠性。此外，敏感性分析結(jié)果表明，每一項(xiàng)研究都排除之后，剩余結(jié)果的合并效應(yīng)量仍然有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著性意義。綜上，說(shuō)明本次meta分析結(jié)果穩(wěn)定可靠，長(zhǎng)期施用化肥可顯著提高M(jìn)WD，而研究報(bào)道MWD的大小與土壤穩(wěn)定性呈現(xiàn)正相關(guān)，因此，也說(shuō)明長(zhǎng)期施用化肥可以有效的提高M(jìn)WD穩(wěn)定性。

圖3 施用化肥對(duì)土壤STN的meta分析森林圖Fig.3 Forest plot for meta-analysis of chemical fertilizer application on soil STN

SOC是土壤的重要組成部分，是生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的指標(biāo)。SOC含量及其質(zhì)量是反映土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，不僅影響土壤肥力和土壤生產(chǎn)力，而且會(huì)影響全球碳平衡［8］，SOC作為土壤團(tuán)聚體的膠結(jié)劑，其含量還會(huì)影響團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定［9］。大部分研究認(rèn)為，施用化肥（NPK）可導(dǎo)致SOC的含量增加，比如，Luo等［52］2012年研究云南省長(zhǎng)期施用化肥后砂質(zhì)紅壤中SOC的含量，發(fā)現(xiàn)施用化肥后，SOC含量顯著增加。He等［35］對(duì)河北省施用化肥處理的土壤進(jìn)行了SOC的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)SOC含量顯著增加。然而，也有一些研究結(jié)果表明，施用化肥后并不能提高SOC的含量。杜立宇等［28］發(fā)現(xiàn)沈陽(yáng)市草甸土中經(jīng)過(guò)施肥處理后，SOC的含量并未增加反而有下降趨勢(shì)。Li 等［36］對(duì)貴州省的土壤進(jìn)行測(cè)定發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施肥沒(méi)有增加SOC的含量。本文對(duì)64個(gè)對(duì)照研究的分析結(jié)果表明，長(zhǎng)期施用化肥可顯著提高SOC的含量。盡管SOC的研究存在異質(zhì)性，但筆者進(jìn)行了矯正分析，其結(jié)果也證實(shí)了meta分析結(jié)果的可靠性。此外，敏感性分析結(jié)果表明，每一項(xiàng)研究都排除之后，剩余結(jié)果的合并效應(yīng)量仍然有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著性意義。本次薈萃分析結(jié)果與上述杜立宇［28］、Li等［36］結(jié)論相反，原因可能在于研究條件如施肥年限、調(diào)查區(qū)域、海拔高度、氣候變化、年降水量等因素的不同導(dǎo)致的。土壤有機(jī)碳作為土壤團(tuán)聚體的膠結(jié)劑，其含量還會(huì)影響團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定，結(jié)合前面MWD的結(jié)果，我們推測(cè)施肥處理在提高SOC的同時(shí)，也顯著提高了MWD的穩(wěn)定性。

STN是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)，在作物生長(zhǎng)過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用。大部分研究認(rèn)為長(zhǎng)期施用化肥可以顯著提高STN含量。研究表明長(zhǎng)期施肥降低了貴州省的 STN的含量［36］。Chen等［69］研究表明長(zhǎng)期施肥降低了吉林省黏壤STN的含量。Li等［43］2019最新研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期施用化肥對(duì)江西省水稻土STN含量有降低影響。然而也有部分研究認(rèn)為施用化肥增加了 STN 的含量。如，Liu 等［70］2011年研究發(fā)現(xiàn)施用化肥對(duì)沈陽(yáng)市潮棕壤STN的含量產(chǎn)生顯著增加趨勢(shì)。Wang yidong等［71］2017年研究表明，長(zhǎng)期施肥浙江杭州土壤STN的影響呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。本研究對(duì)27個(gè)對(duì)照研究的分析結(jié)果表明，長(zhǎng)期施用化肥可顯著提高土壤中團(tuán)聚體STN的含量。盡管STN的研究存在異質(zhì)性，但我們也進(jìn)行了矯正分析，其結(jié)果證實(shí)了meta分析結(jié)果的可靠性。此外，敏感性分析結(jié)果表明，每一項(xiàng)研究都排除之后，剩余結(jié)果的合并效應(yīng)量仍然有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著性意義。綜上，說(shuō)明本次meta分析結(jié)果穩(wěn)定可靠，長(zhǎng)期施用化肥可顯著提高STN。至于對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響，本次meta分析結(jié)果并不能作為預(yù)測(cè)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的指標(biāo)。因?yàn)檠芯繄?bào)道STN的大小與土壤穩(wěn)定性并不一定呈現(xiàn)正相關(guān)。

本研究存在一定的局限性。首先，納入的文獻(xiàn)資料整體質(zhì)量較高，但仍存在數(shù)據(jù)不全和少量的發(fā)表偏倚，可能對(duì)meta分析結(jié)果造成一定影響。此外，納入的研究間存在施肥年限、調(diào)查區(qū)域、年降水量、年均氣溫、海拔、氣候類(lèi)型、土壤類(lèi)型等環(huán)境條件以及土層厚度、土壤篩分方法等實(shí)驗(yàn)操控等因素的差異，如施肥年限越長(zhǎng)可能易造成相關(guān)結(jié)局指標(biāo)的變化，從而對(duì)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性造成不可預(yù)測(cè)影響。其次，本次分析納入的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為整個(gè)土壤團(tuán)聚體總的含量，并未采集各粒徑下結(jié)局指標(biāo)的數(shù)據(jù)，因此對(duì)于認(rèn)識(shí)或掌握施肥處理對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及SOC、STN影響的作用機(jī)制還不夠深入，缺乏系統(tǒng)性和全面性。

4 結(jié)論

Meta分析明確了施用化肥可顯著提高土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑（MWD），可顯著提高土壤有機(jī)碳（SOC）、全氮（STN）的含量，敏感性分析和偏倚分析進(jìn)一步表明分析結(jié)果穩(wěn)定可靠。由此可見(jiàn)，施用化肥可顯著提升土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，對(duì)改善土壤肥力有潛在積極作用。