2018, Vol. 37
2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室, 北京 100081
2. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081, China
土壤有机碳（SOC）是陆地生态系统中最大的碳库，其含量约为大气的两倍，植被的三倍[1-3]；土壤有机碳的微小变化会对大气中碳的浓度产生重要影响，土壤作为碳汇或碳源，已成为全球气候变化研究的主要关注点[4-6]。土壤团聚体是土壤结构的重要组成单元，有机碳作为团聚体的主要胶结物质，两者相互影响，且稳定的团聚体对提升SOC固存和土壤抗侵蚀能力起着非常重要的作用[7-10]。而土壤中不同大小颗粒由于其表面化学性质不同，其结合有机碳量及抗分解能力也存在本质区别，对农业管理措施的响应也存在显著差异[11-13]。
近30年来，许多学者在长期试验区域研究了不同管理措施对土壤团聚体有机碳含量及其稳定性的影响。国内外众多研究表明，施用有机肥的影响一般首先体现在大团聚体上，施入肥料后其分解残体可以激发微生物活性，形成真菌和糖，土壤颗粒由这些物质胶结形成大团聚体[14-18]。樊红柱等[19]研究发现，与不施肥相比，施肥（化肥、有机肥）对>2 mm团聚体有机碳含量的增加幅度最为显著；邸佳颖等[20]研究表明，2~0.25 mm粒径有机碳含量对SOC的贡献率最大，同时>2和2~0.25 mm粒径有机碳含量均与累积碳投入量呈显著正相关。对于不同土壤而言，与不施肥相比，施肥（有机肥或化肥）对各粒径（>2、2~0.25、0.25~0.053、< 0.053 mm）团聚体有机碳含量或均显著提升，或均未显著提升，甚至显著降低了各粒径团聚体有机碳含量[21-24]。说明不同粒径团聚体有机碳含量对施肥的响应程度是不同的。金琳等[25]研究表明，施用有机肥能显著提升SOC，且水田土壤有机碳含量显著高于旱地；而蔡岸冬等[26]利用数据整合分析发现，与不施肥相比，施用有机肥和化肥均能显著提升SOC，且不同土壤质地条件下，施肥（有机肥或化肥）对SOC及矿物结合态组分（MOC：< 0.053 mm）含量的提升幅度均存在显著差异。
团聚体作为土壤结构的重要组成部分，是形成良好土壤结构的物质基础。明确不同条件下施肥对不同粒径团聚体有机碳含量的提升效果之间的差异性，对提升土壤有机碳及土壤结构稳定性非常重要。到目前为止，团聚体有机碳含量变化研究多数集中在单个试验点位，而大尺度多个试验点位的综合研究相对较少。因此，本研究通过系统搜集我国长期施肥试验下的团聚体有机碳含量变化的研究文献，采用Meta分析方法，定量估算施肥对不同粒径团聚体有机碳含量的提升幅度，分析探讨不同条件下提升幅度之间的差异性，为合理培肥土壤、改善土壤结构提供科学依据。
1 研究方法 1.1 数据收集及数据库建立本研究数据来自中国知网、百度学术、ScienceDirect和Springer Link这4个文献数据库，通过设置检索“中国农田”、“水稳性团聚体”、“长期施肥”、“有机碳”这4个关键词，文献筛选条件：（1）试验中必须包含对照（如：不施肥）和处理（如：化肥、有机肥和/或秸秆还田等），其他试验条件均与对照和处理一致；（2）采样层次范围为0~30 cm；（3）团聚体分组方法为湿筛法；（4）若同一试验点位有多年数据，只取最新一年数据；采用Excel 2007软件建立不同条件下长期施肥与团聚体有机碳含量关系的数据库，内容包括：作者、题目、试验地基本情况及初始理化性质、施肥处理、种植制度、土壤质地、土地耕地类型及不同施肥条件下的土壤有机碳及各粒径团聚体有机碳含量等。所有数据均来自文献中的正文、图和表，而图中数据采用GetData Graph Digitizer 2.24提取。土壤有机质（SOM）乘以有机碳转换系数0.58转化为土壤有机碳（SOC）。每组数据均包含平均值（M）、标准差（SD）及样本数（n），若文献中是标准误（SE），则SD如下式进行换算：
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(1) |
若收集的数据中，SD缺失，则使用整个数据库的变异系数来换算[27]。
根据以上条件共获得43篇有效文献，319组有效数据（表 1）。其中，种植制度分布结果与蔡岸冬等[26]结果基本一致，另外，不施肥（对照）时TSOC和各粒径团聚体有机碳含量在砂土中平均范围分别为2.8~11.2 g·kg-1和1.7~3.1 g·kg-1，在壤土中平均范围分别为4.1~28.3 g·kg-1和3.0~3.4 g·kg-1，在黏土中平均范围分别为5.4~28.8 g·kg-1和1.3~4.3 g·kg-1。
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表 1 施肥对土壤总有机碳及水稳性团聚体组分数据库样本数分布 Table 1 Sample numbers for the meta-analysis on the effect of fertilization practices on TSOC and water-stable-aggregate fraction |
本文收集的数据均是相互独立的多个研究结果，因此，可利用MetaWin 2.1软件进行数据整合分析。试验中有机碳含量采用自然对数的响应比（Response ratios，RR）作为效应值，则有机碳含量的增加效应[28]：
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(2) |
式中，SOCT和SOCCK分别代表处理组和对照组的平均值。
效应值的变异系数可利用处理组和对照组的标准偏差及试验重复数计算，其权重可利用变异系数的倒数表示[30]。用MetaWin 2.1软件对权重响应比（Weighted response ration，RR++）（处理相对于对照增减的百分数）以及其95%的置信区间（95% CI）进行计算[30-31]；数据处理时，纳入的各研究结果须要进行异质性检验，若P≥0.1、I2 < 50%，表明多个研究结果无异质性，则采用固定效应模型（Fixed effect model，FEM）进行分析，若P < 0.1、I2≥50%，表明多个研究结果有异质性，则采用随机效应模型（Random effect model，REM）。效应值的标准差越小，分配的权重就越大。若95% CI包含零值，表明该变量中处理与对照差异不显著（P>0.05）[32]。
本研究采用SPSS 17进行数据分析、Excel 2007和SigmaPlot 10.0软件进行绘图。
2 结果 2.1 土壤有机碳对有机肥和化肥的响应与不施肥处理相比，施用有机肥的响应比（lnRR）远高于施用化肥（图 1）。与不施肥相比，施用有机肥显著提升了TSOC及各粒径（>2、2~0.25、0.25~0.053、< 0.053 mm）团聚体有机碳含量，其均值分别为0.322 1±0.017 6（均值±95% CI，下同）、0.387 0± 0.054 1、0.567 9±0.039 7、0.341 0±0.028 6、0.146 6± 0.034 6（图 1a、图 1c、图 1e、图 1g、图 1i），分别提升了38%、45.6%、72.3%、39.7%、15.9%（图 2）；同时，施用化肥显著提升了TSOC及>2、2~0.25、0.25~0.053 mm有机碳含量，其均值分别为0.089 9±0.010 2、0.050 3± 0.047 0、0.164 1±0.024 3、0.044 4±0.024 5（图 1b、图 1d、图 1f、图 1h），分别提升了8.8%、8.9%、15.8%、4.3%（图 2），施用化肥并没有显著提升 < 0.053 mm有机碳含量（0.030 6±0.032 4，图 1j）。其中，施用有机肥和化肥对2~0.25 mm粒径团聚体有机碳含量的提升效果均最为显著（图 1）。
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图 1 相对于不施肥，施用有机肥和化肥总有机碳（a，b）、>2（c，d）、2~0.25（e，f）、0.25~0.053（g，h）、< 0.053 mm（i，j）有机碳含量响应比（lnRR）的频率分布（实曲线是与频率数据相适应的高斯分布） Figure 1 Frequency distributions of response ratios (lnRR) for TSOC (a, b), >2 (c, d), 2~0.25 (e, f), 0.25~0.053 (g, h), < 0.053 mm (i, j) responses to Org-M and Min-F in comparison with the control group Non-F, respectively (The solid curve is a Gaussian distribution fitted to frequency data) |
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x轴正轴括号内数据为权重响应比，负轴为样本数，误差线代表 95%的置信区间，如果误差线没有跨越零轴表示处理与对照之间差异性显著，P < .05 Numbers near the bars at the positive side of x axis are the RR++ and the numbers at the negative side of x axis are the numbers of comparisons. Error bars denote 95% CI. P < 0.05, when error bars do not overlap zero 图 2 不同种植制度、耕地类型和土壤质地下施用有机肥（左）和化肥（右）对各粒径团聚体有机碳的权重响应比（RR++） Figure 2 Different particle size aggregate-associated organic carbon affected by Org-M (left panel) and Min-F (right panel) compared to Non-F in different cropping systems and soil texture |
整体而言，与不施肥相比，施用有机肥及化肥均能显著提升TSOC含量（P < 0.05），且有机肥的提升幅度（38.0%）显著高于化肥（8.8%），是施用化肥的4.3倍（图 2）。在不同种植制度、耕地类型和土壤质地条件下，除施用化肥没有显著提升水旱轮作中TSOC含量外，施用有机肥和化肥均能显著提升TSOC含量（图 2）。而与不施肥相比，施用有机肥及化肥均显著提升了>2（45.6%和8.9%）、2~0.25（72.3%和15.8%）、0.25~0.053 mm（39.7%和4.3%）团聚体有机碳含量，提升幅度上有机肥处理分别是化肥处理的5.1、4.6和9.2倍（图 2），对 < 0.053 mm团聚体虽然化肥没有显著提升，但有机肥提升作用达到显著（图 2）。
2.2.2 不同种植制度下土壤团聚体有机碳含量之间的差异不同种植制度下，不同施肥对各粒径团聚体有机碳含量的影响存在显著差异。同一种植制度不同粒径之间，与不施肥相比，一年一熟下，施用有机肥各粒径团聚体有机碳含量均有显著提升；施用化肥 < 0.053 mm粒径团聚体有机碳含量虽然没有显著提升，但其他粒径均显著提升；一年两熟下，施用有机肥显著提升了2~0.25 mm粒径团聚体有机碳含量（71.2%），且显著高于其他粒径；施用化肥仅显著提升了>2和2~0.25 mm粒径团聚体有机碳含量（分别为6.8%和13.6%）（表 2、图 2）。在同一粒径不同种植制度下，与不施肥相比，施用有机肥对一年一熟下0.25~0.053和 < 0.053 mm粒径团聚体有机碳含量的提升幅度均显著高于一年两熟（表 2）。
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表 2 不同种植制度、耕地类型和土壤质地下同一施肥方式对土壤水稳性团聚体有机碳含量提升幅度（%）的差异性比较 Table 2 Difference of the similar fertilization practices in the increments (%) of water-stable-aggregate organic carbon in different cropping systems and soil textures |
不同的水热条件对团聚体有机碳含量的影响也存在显著差异。同一耕地类型不同粒径下，与不施肥相比，水田和水旱轮作下，施用有机肥和化肥均显著提升了>2 mm粒径团聚体有机碳含量，其提升幅度分别为53.0%、17.8%（水田）和84.0%、25.6%（水旱轮作），且有机肥的提升效果尤为显著；水田条件下，施用化肥 < 0.053 mm粒径团聚体有机碳含量却降低了16.4%；而旱地条件下，施用有机肥和化肥对2~0.25 mm粒径团聚体有机碳含量的提升幅度（100.0%和23.6%）均显著高于其他粒径（图 2）。同一粒径不同耕地类型下，与不施肥相比，施用有机肥对2~0.25、0.25~0.053、< 0.053 mm粒径团聚体有机碳含量的提升幅度为：旱地显著高于水田和水旱轮作，施用化肥也具有相同趋势，但差异并不显著（表 2）。
2.2.4 不同土壤质地下土壤团聚体有机碳含量之间的差异在同一土壤质地不同粒径下，砂土中，施用有机肥相对于CK处理显著提升了各粒径团聚体有机碳含量，且2~0.25 mm粒径团聚体有机碳含量的提升幅度显著高于其他粒径，施用化肥仅显著提升了2~0.25 mm粒径团聚体有机碳含量；壤土中，施用有机肥和化肥相对于CK处理仅 < 0.053 mm粒径有机碳含量没有显著提升；黏土中，施用有机肥相对于CK处理各粒径团聚体有机碳含量均有显著提升，其中2~0.25 mm粒径团聚体有机碳含量的提升幅度（64.8%）最为显著，施用化肥仅显著提升了>2、2~0.25 mm粒径团聚体有机碳含量（图 2）；同一粒径不同土壤质地下，与不施肥相比，施用有机肥对壤土中>2 mm粒径有机碳含量的提升幅度（59.3%）显著高于砂土（26.7%）和黏土（34.0%），施用有机肥对砂土中2~0.25 mm粒径有机碳含量的提升幅度（140.4%）显著高于壤土（65.2%）和黏土（64.8%），施用化肥也具有相同趋势，但差异并不显著（表 2）。
2.2.5 >0.25和 < 0.25 mm粒径有机碳含量与TSOC的相互关系由图 3可知，>0.25和 < 0.25 mm粒径有机碳含量均与TSOC呈极显著正相关关系，线性拟合的斜率分别为0.61和0.23，表明当有机碳含量每增加1.00 g·kg-1时，>0.25和 < 0.25 mm粒径有机碳含量分别增加0.61 g·kg-1和0.23 g·kg-1。
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图 3 土壤总有机碳含量与>0.25和 < 0.25 mm粒径团聚体有机碳含量的关系 Figure 3 The relationship of TSOC with >0.25 and < 0.25 mm aggregate-associated organic carbon (Agg-OC) |
土壤有机碳的动态变化主要取决于系统碳的输入与输出水平[33]，而农田土壤有机碳的输入主要来源是根分泌物、根茬、秸秆和有机肥等[34]。整合分析结果表明，与不施肥相比，施用有机肥及化肥均能显著提升TSOC、>2、2~0.25、0.25~0.053 mm粒径团聚体有机碳含量，且提升幅度上有机肥显著高于化肥。在不施肥条件下，根分泌物与根茬是碳输入土壤的主要途径[35]。由于根际分泌物的激发作用促进原有土壤有机碳的分解，其分解可能会抵消分泌物对土壤碳的输入，因此，根茬是导致土壤有机碳含量变化的主要碳源因素[36]。与不施肥相比，施用化肥在增加了作物产量的同时，还增加了作物残茬量，同时促进根的周转和根分泌物的增多，从而增加土壤有机碳的输入量[26, 37]。而施用有机肥不仅可向土壤直接输入有机碳，且能够改善土壤营养环境状况，增强土壤酶的活力和提升土壤生物多样性，进而极大程度地提升土壤有机碳的含量[34, 38-40]。>0.25和 < 0.25 mm粒径有机碳含量均与TSOC呈极显著正相关关系，当TSOC含量每增加1.00 g·kg-1时，>0.25和 < 0.25 mm粒径有机碳含量分别增加0.61 g·kg-1和0.23 g·kg-1，施肥对>0.25 mm粒径团聚体有机碳含量的提升幅度要高于 < 0.25 mm粒径。说明>0.25 mm粒径团聚体对施肥管理措施最为敏感，且是农业管理措施下有机碳变化的良好指标。这说明了通过有机培肥措施，可以显著提高土壤有机碳含量，使土壤营养状况得到改善，同时随着有机碳的提高，土壤团聚颗粒含量也有了提升，土壤物理性质得到改善，能提高土壤对作物养分供给能力、增加作物产量[41-42]，是农业生产可持续发展的有效施肥模式。
3.1 种植制度对团聚体有机碳含量的影响本研究表明，同一种植制度不同粒径之间，与不施肥相比，一年两熟下，施用有机肥有利于提升>0.25 mm粒径有机碳含量，而 < 0.053 mm粒径有机碳含量并未显著提升。其原因可能是施肥对土壤团聚体有机碳的影响往往作用于大团聚体，而对微团聚体的影响较小，且施用有机肥碳投入量往往显著大于当季根茬投入量，外源碳输入对土壤有机碳的增加量可能以颗粒有机碳为主[39]。微团聚体中的有机碳由于物理保护作用却维持在较稳定的水平[43-45]，因此，施用有机肥对大团聚体的提升效果显著高于微团聚体。
同一粒径不同种植制度下，与不施肥相比，施用有机肥对一年一熟下0.25~0.053和 < 0.053 mm粒径有机碳含量的提升幅度均显著高于一年两熟（表 2）。其原因可能是人为扰动对土壤团聚体造成破裂和分散，导致土壤有机碳物理保护作用破坏，使微团聚体中的有机碳暴露于微生物的分解之下，还可能导致土壤的呼吸作用加强，从而增加微团聚体中有机碳的矿化[46-47]。
3.2 耕地类型对团聚体有机碳含量的影响同一耕地类型不同粒径下，与不施肥相比，水田条件下，施用化肥 < 0.053 mm粒径团聚体有机碳含量降低了16.4%，其原因可能是施用化肥外源碳的投入量较低，且施用化肥（尤其是单施N肥）会导致土壤酸化，加速土壤团聚体的周转速率，引起土壤有机碳的矿化分解和损失[48-49]。而旱地条件下，施用有机肥和化肥均显著提升了2~0.25 mm粒径团聚体有机碳含量，且显著高于其他粒径（图 2）。众多研究表明，有机碳积累伴随着粗团聚体（>0.25 mm）的形成和增多，细团聚体（< 0.25 mm）相应减少，新积累的碳主要储存于>0.25 mm团聚体中[50-51]，尤其是活性颗粒有机碳主要存在于较大的团聚体中[52-53]。
同一粒径不同耕地类型下，与不施肥相比，施用有机肥对2~0.25、0.25~0.053、< 0.053 mm粒径团聚体有机碳含量的提升幅度为旱地显著高于水田和水旱轮作。大量研究表明，在干旱的条件下，土壤有机碳矿化速率都比较低，干湿交替能促进土壤有机碳的分解[54-56]，水田和水旱轮作耕地类型属于好氧与厌氧交替的环境[57]，且主要分布在南方地区（表 1），其积温高于旱地，同时高温易于加速有机碳的周转。
3.3 土壤质地对团聚体有机碳含量的影响同一土壤质地不同粒径下，与不施肥相比，砂土中，施用有机肥显著提升了各粒径团聚体有机碳含量，且2~0.25 mm粒径团聚体有机碳含量的提升幅度显著高于其他粒径，施用化肥趋势相近，但并不显著，其原因可能是有机肥的化学组成较易与砂粒有机碳结合，较易存在于砂粒之间的孔隙中，因此投入后直接增大了砂土中砂粒结合有机碳的含量，而砂土主要分布在西北地区（表 1），气候干旱，早晚温差较大，作物根茬分解极为缓慢，腐熟程度很低，因此施用化肥对增加砂粒结合有机碳含量贡献较小[8]。壤土中，施用有机肥和化肥仅 < 0.053 mm粒径团聚体有机碳含量没有显著提升。Kool等[58]和Gulde等[59]发现不同碳库可能存在着饱和等级现象，即团聚体粒径越小，固碳潜力越低，会优先达到碳饱和，新进入的有机碳主要先积累于大团聚体中，而壤土本身有机碳含量相对较高，< 0.053 mm粒径团聚体有机碳含量可能已经接近饱和，因此施肥效果不显著。土壤矿质结合态有机碳（MOC）是指粉粒和黏粒通过配位体交换、氢键及疏水键等作用吸附有机碳，属于惰性有机碳库；土壤中矿物颗粒对有机碳的吸附作用被认为是土壤固持有机碳的重要机制之一[60]。因此，< 0.053 mm团聚体可作为土壤固碳水平的可靠指标。今后需要进一步从有机碳组分水平探讨长期施肥下土壤养分转化及固碳潜力差异机制，从而揭示有机肥及化肥对提升土壤肥力的作用。
同一粒径不同土壤质地下，施用有机肥对砂土中2~0.25 mm粒径有机碳含量的提升幅度（140.4%）显著高于壤土（65.2%）和黏土（64.8%）。对于不同土壤而言，自身有机碳含量越低，则越有利于外源碳的输入，即碳素的固定[61]，其原因可能是砂土透气透水性好，根系生长范围大、活力高，各种微生物活性高，从而有利于地下生物量的提高[62]。朱毅等[63]认为砂土结构松散，地下生物量能够直接影响POC含量。而孙中林等[64]研究表明砂壤土的固碳能力要高于黏壤土。同时，不施肥时2~0.25 mm团聚体有机碳含量壤土（3.4 g·kg-1）和黏土（3.3 g·kg-1）约为砂土（1.9 g·kg-1）的1.8倍（表 1），因此，施肥（尤其是施用有机肥）更有利于砂土中有机碳的累积。施用化肥与施用有机肥具有类似趋势，但差异并不显著（表 2）。
4 结论通过利用Meta-analysis综合分析不同条件下施肥对土壤团聚体有机碳含量的影响，发现有机肥的施用对各粒级团聚体有机碳含量的提高幅度显著高于化肥，而在不同管理措施、质地等条件下，有机肥的提升幅度存在显著差异。
（1）在同一条件不同粒径下，与不施肥相比，一年两熟、旱地、砂土及黏土下施用有机肥对2~0.25 mm粒径团聚体有机碳含量的提升幅度显著高于其他粒径。
（2）在同一粒径不同条件下，与不施肥相比，施用有机肥对不同粒径团聚体有机碳含量的提升幅度（P < 0.05）存在显著差异，分别为：2~0.25 mm，砂土>壤土、黏土，旱地>水田、水旱轮作，0.25~0.053 mm和 < 0.053 mm，一年一熟>一年两熟，旱地>水田、水旱轮作。
（3）>0.25和 < 0.25 mm粒径有机碳含量均与TSOC呈极显著正相关关系，经相关分析推测，当有机碳含量每增加1.00 g·kg-1时，>0.25 mm和 < 0.25 mm粒径有机碳含量分别增加0.61 g·kg-1和0.23 g·kg-1。
本研究未探讨不同理化性质、气候等因素对团聚体有机碳含量的影响，需进一步探讨不同pH、初始SOC、全氮、气候等因素对团聚体有机碳含量的综合影响，同时综合分析不同团聚体质量比与其有机碳含量之间的关系等。
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