免耕對土壤微生物量碳影響的Meta分析

肖美佳張晴雯董月群劉杏認(rèn)張愛平鄭莉楊正禮

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所農(nóng)業(yè)清潔流域團隊/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè) 環(huán)境重點實驗室，北京 100081)

土壤微生物碳是土壤有機碳最活躍的部分[1]。它既是土壤養(yǎng)分和土壤有機質(zhì)循環(huán)和轉(zhuǎn)化的動力，又可作為土壤中植物有效養(yǎng)分的儲備庫[2]。土壤微生物碳含量不高，一般只占土壤有機碳總量的1%～5%[3]，但參與土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、能量循環(huán)[4]，對周圍環(huán)境因子的影響極為敏感，土壤環(huán)境的微小變動都會引起其活性的變化，因此土壤微生物碳已作為土壤對環(huán)境影響的質(zhì)量指標(biāo)[5-6]，能夠靈敏、準(zhǔn)確、及時地響應(yīng)不同土壤管理措施[7]、不同區(qū)域、水熱條件、耕作年限導(dǎo)致的土壤差異性。耕作方式會影響土壤微生物的新陳代謝，土壤養(yǎng)分庫必須不斷地通過土壤微生物的礦化作用轉(zhuǎn)化為可吸收的有效養(yǎng)分，此外，區(qū)域、水熱條件、耕作年限也會影響微生物的新陳代謝[8-9]。免耕作為一種保護(hù)性耕作措施在保持水土、改善土壤生態(tài)環(huán)境、維持作物穩(wěn)產(chǎn)、節(jié)省成本等方面發(fā)揮了重要作用[8]。關(guān)于免耕的相關(guān)研究國內(nèi)外已有大量報道，如免耕對產(chǎn)量的影響、免耕年限對土壤養(yǎng)分的影響、免耕對土壤理化性質(zhì)的影響等方面[9-10]。前人研究發(fā)現(xiàn)土壤翻耕使土壤微生物相對均勻地分布在土壤耕層，而免耕耕作，特別是長期免耕會使土壤養(yǎng)分在表面富集，出現(xiàn)明顯的層化現(xiàn)象，進(jìn)而不利于作物的可持續(xù)生產(chǎn)[11-12]。而Balota 等[13]發(fā)現(xiàn)相比常規(guī)耕作，免耕耕作土壤中微生物量碳含量增幅達(dá)到98%。Meta分析是綜合醫(yī)學(xué)類、生物學(xué)類及生態(tài)學(xué)類等大量研究結(jié)果的一種統(tǒng)計學(xué)分析方法[14-15]，實際上是對文獻(xiàn)資料的再分析，可以用來評估類似研究的總體效果[16]。

在我國，由于區(qū)域水熱條件、土壤性質(zhì)等差異較大，存在較大的空間異質(zhì)性，免耕對土壤微生物碳的影響既有正面效應(yīng)也有負(fù)面效應(yīng)，前人研究中單一影響因素的分析已無法滿足農(nóng)田實際地域環(huán)境條件?；谏鲜鰡栴}，本研究通過Meta分析，將部分田間試驗結(jié)果加以整合，定量分析免耕在中國不同區(qū)域、氣候條件和免耕年限下對土壤微生物碳量的影響特征，以期為免耕保護(hù)性耕作措施的選擇性應(yīng)用和土壤微生物量增加的長期效應(yīng)提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選擇中國知網(wǎng)(http://cnki.net/)、萬方(http://www.wanfangdata.com.cn/index.html)、The web of Science(http://apps.webofknowledge.com)和Sciencedirect(https://www.sciencedirect.com/)4個數(shù)據(jù)庫，通過關(guān)鍵詞：免耕(no-tillage)、土壤微生物生物量碳(soil microbial biomass carbon)，檢索1980年1月-2016年12月免耕影響土壤微生物生物量的相關(guān)文獻(xiàn)，并對檢索結(jié)果進(jìn)行篩選，篩選標(biāo)準(zhǔn)如下：1)試驗區(qū)為中國農(nóng)業(yè)區(qū)；2)試驗處理包含免耕試驗組(no-tillage，NT)和常規(guī)耕作對照試驗組(conventional tillage，CT)；3)免耕試驗時間不低于1年；4)有明確的試驗地點和試驗時間；5)剔除試驗地點、試驗處理、試驗時間和試驗結(jié)果相同的文獻(xiàn)。關(guān)鍵詞檢索共發(fā)現(xiàn)478篇文章，通過以上標(biāo)準(zhǔn)篩選，獲得41篇文獻(xiàn)，其中8篇英文文獻(xiàn)，22篇中文文獻(xiàn)，11篇中英文文獻(xiàn)皆有，共162組配對試驗數(shù)據(jù)用于整合分析。

經(jīng)過篩選獲得的162組配對試驗數(shù)據(jù)，主要涉及甘肅、河南、江蘇、吉林、山西、重慶、河北、云南、江西、內(nèi)蒙古、湖南、四川、山東等13個省(自治區(qū))。農(nóng)田微生物碳變化受區(qū)域氣候條件、土壤性質(zhì)和耕作措施等多種因素影響，然而這些因素難以定量表達(dá)，因此本研究采用農(nóng)田分區(qū)方法來討論土壤微生物碳的空間差異性，以反映土壤微生物碳的潛在區(qū)域性特征(表1)。

表1 用于Meta分析免耕對土壤微生物碳影響的農(nóng)田分區(qū)Table 1 Farmland partitions for the effect of no tillage on soil microbial carbon in Meta analysis

1.2 Meta整合分析及計算

1.2.1 數(shù)據(jù)歸一化處理 各研究中所涉及的土壤分層參差不齊，耕層土壤微生物碳含量根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)中的全國平均耕層深度進(jìn)行歸一化處理，對研究結(jié)果中多層次劃分的試驗數(shù)據(jù)，如土層厚度0～10 cm、10～30 cm等，按照下列公式將試驗土層厚度分別加權(quán)平均到全國旱地的平均耕層深度：

(1)

式中，X標(biāo)：全國旱地的平均耕層深度的指標(biāo)值；H標(biāo)：全國旱地的平均耕層深度；Xi1：第i個研究第1層土壤指標(biāo)值；Xi2：第i個研究第2層土壤指標(biāo)值；Hi1：第i個研究第1層土壤深度；Xi2：第i個研究第2層土壤深度。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)差 標(biāo)準(zhǔn)差是Meta分析的重要參數(shù)之一，文獻(xiàn)中已標(biāo)有標(biāo)準(zhǔn)差，則使用該標(biāo)準(zhǔn)差；文獻(xiàn)中沒有明確標(biāo)出標(biāo)準(zhǔn)差的，如果有每次試驗的具體數(shù)值，則通過標(biāo)準(zhǔn)差的一般方法計算標(biāo)準(zhǔn)差，如果文獻(xiàn)中既沒有每次試驗的具體數(shù)值，也沒有具體得到標(biāo)準(zhǔn)差，將不同年限的試驗數(shù)值視為重復(fù)試驗，計算標(biāo)準(zhǔn)差。按照公式計算合并標(biāo)準(zhǔn)差[15-16]：

(2)

式中，Var(MDi):合并標(biāo)準(zhǔn)差；ni1:第i個研究的樣本數(shù)；Si1:第i個研究的標(biāo)準(zhǔn)差。

1.2.3 效應(yīng)值 Meta分析一般通過效應(yīng)指標(biāo)量化研究結(jié)果所表征的作用規(guī)律；采用加權(quán)的方法總結(jié)歸納同類研究的不同結(jié)果，進(jìn)而更直觀、簡單地表達(dá)客觀規(guī)律，適用于大尺度生態(tài)學(xué)現(xiàn)象的研究[17]。連續(xù)性變量的Meta分析可選擇加權(quán)均數(shù)差值(weighted mean difference，WMD)作為效應(yīng)值[18-19]，以計算所有研究的總體效應(yīng)。WMD值由單個研究的平均差經(jīng)權(quán)重加權(quán)而求得。Meta分析采用的模型不同，相應(yīng)的計算結(jié)果也不同。Meta分析主要有固定模型和隨機模型2種，關(guān)于模型的選擇，存在較大的爭議，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為固定模型存在一定的局限性，而隨機模型應(yīng)用更為廣泛，特別是對所選研究中存在異質(zhì)性的情況下，采用隨機模型更適宜[20-22]。因此，本研究選用隨機模型來計算加權(quán)均數(shù)差值、相關(guān)方差和95%置信度下的置信區(qū)間(confidence interval, CI)，以減小異質(zhì)性的影響。置信區(qū)間是真值，可能出現(xiàn)數(shù)值范圍，如果置信區(qū)間CI包含0，則說明免耕對于土壤微生物碳的含量沒有顯著效應(yīng)，無統(tǒng)計學(xué)意義；如果置信區(qū)間CI全部大于0，則說明免耕對于土壤微生物碳存在顯著正效應(yīng)，即免耕能夠顯著提高土壤微生物碳的含量(P<0.05)；如果置信區(qū)間CI全部小于0，則說明免耕對于土壤微生物碳有顯著負(fù)效應(yīng)，即免耕會顯著減少土壤微生物碳的含量(P<0.05)。按照公式計算均值差(mean difference，MD)、權(quán)重系數(shù)(wi)和加權(quán)均數(shù)差值(WMD):

MD=Xi1-Xi2

(3)

(4)

(5)

式中，Xi1為第i個研究免耕試驗組指標(biāo)均值；Xi2為第i個研究常規(guī)耕作對照組指標(biāo)均值；wi為權(quán)重系數(shù)，本研究采用加權(quán)均數(shù)法(inverse variance,Ⅳ);T2:各個研究之間的方差。

采用Origin 8.5作圖；Revman 5.0和Microsoft Excel 2007進(jìn)行Meta分析的相關(guān)計算；Getdata 2.22提取文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 免耕對土壤微生物碳影響的效應(yīng)值

土壤微生物碳含量的變化是微生物利用土壤碳源進(jìn)行細(xì)胞繁殖，促進(jìn)有機碳礦化過程對不同耕作方式作用的反應(yīng)。整合分析表明，土壤微生物量碳對不同耕作制度比較敏感，免耕對土壤微生物的含量有增加效應(yīng)?；贛eta統(tǒng)計學(xué)分析，對162對免耕與常規(guī)耕作措施的配對樣本進(jìn)行分析，結(jié)果表明，常規(guī)耕作中土壤微生物碳含量在64.26～585.65 mg·kg-1之間，平均值為230.06 mg·kg-1，免耕土壤微生物碳含量為75.41～814.27 mg·kg-1，平均值為279.59 mg·kg-1。由圖1可知，NT-CT的WMD值平均值為49.29 mg·kg-1，95%置信區(qū)間CI為 [25.43, 52.80](P<0.01)，免耕可以顯著提高土壤中微生物碳的含量。多數(shù)NT-CT的加權(quán)均數(shù)差值均大于0，且集中分布于17.1～60.1 mg·kg-1之間，這可能是由于免耕措施下有機殘體主要集中在耕層及地表，為土壤微生物的生存提供了豐富的基質(zhì)和和生長環(huán)境，同時覆蓋的殘體改善了表層的水熱條件，避免由頻繁耕作造成土壤結(jié)構(gòu)的破壞，因此促進(jìn)土壤微生物量的增長；而常規(guī)耕作經(jīng)過翻耕地表保留的殘茬較少，對耕層土壤的水肥氣熱均有影響，進(jìn)而影響了微生物活性。但也有個別試驗點的NT-CT加權(quán)均數(shù)差值小于0，表明免耕減少了土壤微生物碳的含量，這可能與區(qū)域性的氣候、降雨、溫度等多要素的綜合特征相關(guān)，因此根據(jù)不同區(qū)域及水熱條件等進(jìn)行具體分析。

圖1 效應(yīng)值統(tǒng)計性描述Fig.1 Statistical description of weighted mean difference

2.2 免耕對土壤微生物碳影響的區(qū)域效應(yīng)分析

圖2 不同區(qū)域土壤微生物碳含量Fig.2 Soil microbial carbon in different regions

區(qū)域特征是氣候、土壤、地形地貌和土地利用等要素的綜合體現(xiàn)[23]。由圖2可知，不同區(qū)域免耕對土壤微生物碳含量的影響存在明顯差異，但總體趨勢基本一致，免耕土壤微生物碳含量普遍高于常規(guī)耕作。其中，西南地區(qū)免耕對土壤微生物碳含量增加的正效應(yīng)最強，免耕較常規(guī)耕作土壤微生物碳含量增加了36.72%，西北和華北地區(qū)的增加幅度較接近，分別為12.13%、11.73%，但均略高于東北和東南地區(qū)增加幅度分別為11.68%、10.87%。整體變化趨勢為西部高于東部，自東向西免耕對于土壤微生物量碳含量的增加效應(yīng)呈升高的趨勢。Meta分析表明，東北、東南、華北、西北和西南地區(qū)的WMD均具有統(tǒng)計意義，且各區(qū)域免耕和常規(guī)耕作的土壤微生物碳含量均存在顯著差異(P<0.05)。其中西南地區(qū)效應(yīng)值WMD最大，為117.01 mg·kg-1，是其他區(qū)域WMD的2～6倍；東北、東南、西北和華北地區(qū)的加權(quán)WMD值分別為17.15、41.80、25.02和24.61 mg·kg-1(圖3)。這是由于西南地區(qū)水熱充足有利于免耕殘茬的腐解，且該地區(qū)耕層土壤相對淺薄，免耕能夠保護(hù)耕層土壤結(jié)構(gòu)形成，有利于土壤微生物含量的增加；華北地區(qū)年均降水量和氣溫雖然相對較低，但基本上水熱同季，有利于免耕殘茬的腐解，能夠為土壤微生物提供良好的基質(zhì)；東北地區(qū)免耕降低了對土壤的擾動，可有效減少土壤侵蝕，但溫度偏低不利于免耕殘茬的腐解，且長期免耕導(dǎo)致犁底層上移，影響了微生物對碳源的利用效率，因此東北和華北地區(qū)免耕對于土壤微生物碳含量增加的正效應(yīng)較西南地區(qū)弱。

圖3 不同區(qū)域免耕對土壤微生物碳的影響Fig.3 Effect of different region on soil microbial carbon

2.3 免耕對土壤微生物碳影響的時間效應(yīng)

免耕年限是影響土壤微生物碳的重要因素之一。本研究將免耕年限分為免耕年限≤3 a、3～8 a和≥8 a 共3個等級。由表2可知，不同免耕年限間，土壤微生物碳含量差異顯著(P<0.05)。其中，免耕年限≤3 a土壤中微生物碳含量為115.23～352.61 mg·kg-1；免耕年限3～8 a土壤中微生物碳含量為75.41～441.34 mg·kg-1；免耕年限≥8 a土壤中微生物碳含量為202.00～814.27 mg·kg-1。統(tǒng)計結(jié)果表明，免耕年限≤3 a土壤微生物碳含量的WMD值與免耕年限3～8 a接近，分別為19.41、20.17 mg·kg-1，但二者免耕土壤中微生物碳的含量均顯著高于常規(guī)耕作；免耕年限≥8 a的WMD值為72.13 mg·kg-1，與免耕時間≤3 a和3～8 a土壤中微生物碳含量存在極顯著差異，且其WMD值差異達(dá)到3倍之多。表明長期免耕更有利于土壤耕層微生物碳含量的增加。

表2 免耕年限對土壤微生物碳的影響Table 2 Effect of non-tillage years on soil microbial carbon

注：*表示差異顯著(P<0.05)；**表示差異極顯著(P<0.01)。

Note：*indicates significant difference at 0.05 level.**indicates extremely significant difference at 0.01 level.

2.4 免耕對土壤微生物碳影響的降水量效應(yīng)

由圖4可知，不同年降雨量下免耕對土壤微生物碳含量的影響存在差異。按照中國干濕氣候劃分標(biāo)準(zhǔn)，將各區(qū)域分為4級，即年降雨量<200 mm為干旱區(qū)，年降雨量200～400 mm為半干旱區(qū)，年降雨量400～800 mm為半濕潤區(qū)，年降雨量>800 mm為濕潤區(qū)。鑒于收集41篇文獻(xiàn)中沒有年降雨量<200 mm的干旱區(qū)資料，本研究將年降雨量<200 mm和200～400 mm合并為1個分區(qū)，共3級。以常規(guī)耕作為對照，年降雨量<400 mm，400～800 mm，>800 mm條件下免耕的WMD分別為21.76、24.30、87.81 mg·kg-1，WMD依次表現(xiàn)為半干旱區(qū)<半濕潤區(qū)<濕潤區(qū)，其中半濕潤區(qū)和濕潤區(qū)免耕對土壤微生物碳含量均有顯著影響(P<0.05)，且具有統(tǒng)計意義；而半干旱區(qū)曲線與無效線有交叉，半干旱區(qū)免耕對土壤微生物碳含量無顯著影響，且無統(tǒng)計學(xué)意義。

注：豎線為誤差線，代表95%的置信區(qū)間 CI；水平軸表示無效線；n表示樣本量。誤差線與無效線沒有交點時，表明差異顯著(P<0.05)。黑色菱形表示多個研究文獻(xiàn)的加權(quán)均數(shù)差值。下同。Note:Vertical lines mean error lines，which represent the confidence interval of 95%. Horizontal line means invalid line. n represent sample size. Significant difference between conventional tillage and no-tillage exist when error line and invalid line has no intersection at 0.05 level. Black diamonds represent weighted mean difference of multiple researches. The same as following.圖4 不同降水量條件下免耕對土壤微生物碳的影響Fig.4 Effect of different condition of annual rainfall on soil microbial carbon

圖5 不同年均溫條件下免耕對土壤 微生物碳的影響Fig.5 Effect of different condition of annual average temperature on soil microbial carbon

2.5 免耕對土壤微生物碳影響的溫度效應(yīng)

溫度是影響微生物分布和豐度的主要環(huán)境因素之一。整合分析表明，土壤微生物活性對溫度升高有較高的敏感性。本研究涉及的文獻(xiàn)中年均溫度范圍為2.5～18.5℃，以5℃為梯度分別劃分為3個等級，即年均溫度<10℃，年均溫度10～15℃，年均溫度>15℃。溫度因子對免耕與常規(guī)耕作的配對Meta分析結(jié)果表明(圖5)，年均溫度10～15℃和年均溫度>15℃條件下，免耕對于土壤中微生物碳含量均有顯著影響(P<0.05)，且具有明顯的統(tǒng)計學(xué)意義；年均溫度<10℃免耕對于土壤中微生物碳含量無顯著影響，無統(tǒng)計學(xué)意義。年均溫度<10℃、10～15℃和>15℃條件下，免耕土壤中微生物碳含量分別較常規(guī)耕作增加了17.01%、18.52%和25.42%，且WMD均隨著溫度的升高而增加，分別為19.36、27.83、87.81 mg·kg-1。

3 討論

研究表明，相比常規(guī)耕作，免耕可以不同程度的提高土壤的物理、化學(xué)和生物特性[24-25]。免耕有利于土壤微生物碳含量增加，原因在于：1)免耕改變了土壤表層的真菌和細(xì)菌比例[26]，免耕條件下土壤表層的真菌占優(yōu)勢，而常規(guī)耕作條件下細(xì)菌更占優(yōu)勢，真菌的碳含量高于細(xì)菌，對土壤微生物碳的累積有積極影響[27]；2)土壤中的微生物以異養(yǎng)型種群為主，微生物的繁衍生息需要消耗一定的能量，免耕不擾動土層，尤其是表土層，植物殘茬和土壤中殘留的肥料連年累積在土壤耕層之中，可為維持土壤微生物的生命活動提供充足的能量[28]；3)常規(guī)耕作會連年翻地或者幾年一翻，擾動土壤會切斷土壤剖面分布的菌絲，中斷菌絲的養(yǎng)分流動[29]，但免耕可以促進(jìn)土壤中形成更多的連續(xù)生物孔隙和團聚體，有利于土壤毛細(xì)孔隙的形成和細(xì)直徑菌絲真菌的生存繁衍[30]。而在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，土壤微生物碳的主要控制因子是溫度和水分，耕作措施的不同導(dǎo)致土壤擾動程度和外來有機質(zhì)輸入量產(chǎn)生差異，進(jìn)而改變土壤的溫度和濕度特征、土壤理化特性、土壤微生物碳含量及其在土壤中的空間分布特征。本研究中，相比常規(guī)耕作，年降雨量>800 mm、年均溫度>15℃、免耕年限≥8 a條件下的WMD值最大，年降雨量的多少直接影響土壤含水量的高低，Sugihara 等[30]研究發(fā)現(xiàn)土壤微生物碳季節(jié)動態(tài)變化的主要限制因子是土壤含水量，土壤含水量的增加對于微生物量碳的累積是有利的。而Ross[31]以新西蘭草地和牧場為研究對象得出了不同的結(jié)論，發(fā)現(xiàn)土壤微生物量和土壤含水量之間呈負(fù)相關(guān)。這可能與研究區(qū)域微生物的種類有關(guān)。年均溫度增加，土壤溫度也相應(yīng)增加，土壤溫度會通過影響酶活性進(jìn)而影響土壤微生物呼吸的溫度敏感性[32]。在一定范圍內(nèi)，土壤溫度的增加，酶的活性更高，土壤微生物呼吸的溫度敏感性隨著溫度的升高而下降，微生物的繁衍更有利。而免耕年限是影響免耕效果的重要因素，長期連續(xù)免耕，表土層集中分布有大量植物根系，有利于土壤團聚體的形成；此外，土壤中植物根的殘茬及大量低分子量的根系分泌物也使土壤微生物繁衍加劇，增強土壤微生物的生命力[32-34]。本研究中，免耕年限≥8 a對土壤微生物量碳含量的增加效應(yīng)更好，這也與熊鴻焰等[35]的研究結(jié)果相似。區(qū)域性免耕效應(yīng)表明，西南地區(qū)免耕對于土壤微生物碳含量正效應(yīng)最為顯著，華北和東北地區(qū)相對較弱，這也與年降雨量和年均溫度對土壤微生物量碳含量的影響密切相關(guān)，西南地區(qū)降水充沛，夏季炎熱多雨，所以免耕對其土壤微生物量碳含量的增加效應(yīng)更強，且西南地區(qū)土質(zhì)疏松、地貌多樣，水土流失嚴(yán)重，免耕也可能是實現(xiàn)西南可持續(xù)發(fā)展的一項重要保護(hù)性耕作措施[36]。

4 結(jié)論

免耕能提高土壤中微生物碳含量，但在我國的不同區(qū)域適應(yīng)型不同，其中西南濕潤地區(qū)免耕對土壤微生物量碳含量的增加效應(yīng)最強，東北地區(qū)和東南地區(qū)最弱。年降雨量和溫度是引起明顯的區(qū)域特征的重要影響因子，NT-CT的WMD值隨著年降雨量和年均溫度的增加而增加。同時免耕年限促進(jìn)土壤微生物量碳含量的增加，免耕年限≥8 a和免耕年限<8 a對土壤微生物量碳含量的增加效應(yīng)存在顯著差異。免耕措施在不同區(qū)域?qū)ν寥牢⑸锪刻己康挠绊懖町愝^大，應(yīng)根據(jù)區(qū)域特點因地制宜。