Meta分析有機肥施用對中國北方農田土壤CO2排放的影響

王曉嬌，張仁陟，齊 鵬，焦亞鵬，蔡立群，武 均,2，謝軍紅

Meta分析有機肥施用對中國北方農田土壤CO2排放的影響

王曉嬌1,4，張仁陟1,2,3※，齊 鵬1,2,3，焦亞鵬1，蔡立群1,2,3，武 均1,2，謝軍紅2,5

（1. 甘肅農業大學資源與環境學院，蘭州 730070；2. 甘肅農業大學甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，蘭州 730070；3. 甘肅省節水農業工程技術研究中心，蘭州 730070；4. 甘肅農業大學管理學院，蘭州 730070；5. 甘肅農業大學農學院，蘭州 730070）

為了探明中國北方地區不同氣候類型、施肥措施、有機肥類型和試驗年限下，有機肥施用（單施有機肥、有機無機肥配施）對生育期農田土壤CO2排放量的影響，該研究以不施肥、施用無機肥分別作為對照，根據已發表的相關田間試驗數據，采用Meta分析方法，定量研究有機肥、有機肥配施無機肥對農田土壤CO2排放量的影響。結果表明：與不施肥、施用無機肥相比，有機肥施用總體上顯著提高了農田土壤CO2排放量，分別提高了50.6%和36.3%；有機肥施用下，農田土壤CO2排放量依次減少的順序為：單施有機肥、有機無機配施、無機肥+有機肥+緩釋肥；采用有機肥+無機肥+緩釋肥配施，土壤CO2排放量未顯著增加；相比牛糞、豬糞和商品有機肥，雞糞類有機肥對土壤CO2排放正效應最大；有機肥施用下，灰漠土農田土壤CO2排放量相對高；農田土壤CO2排放量與年均氣溫正相關，與年均降水量負相關。從環境的角度考慮，建議在中國北方采用無機肥+有機肥+緩釋肥配施技術，不建議雞糞大量施用及在灰漠土農田大量施用有機肥。該研究成果可為有機肥替代部分化肥在中國北方地區的推廣應用提供參考。

呼吸；土壤；肥料；北方；Meta

0 引 言

中國實施的“生態文明”、“鄉村振興”、“化肥減量、有機肥替代”、“溫室氣體減排”等戰略均反映出在農業領域有機肥替代化肥和溫室氣體減排的重要性。大量研究[1-5]表明，有機肥替代化肥施用，可改善土壤結構、增加土壤肥力、提高作物產量、提升品質、影響土壤呼吸，不同的氣候類型、土壤類型和施肥措施下土壤呼吸對有機肥的響應也不同[6-8]。土壤呼吸是土壤釋放CO2的過程，土壤呼吸強度可用土壤CO2排放量作為評價指標。因此，從環境角度考慮，明確不同區域農田施用有機肥對土壤CO2排放量的影響對農田溫室氣體減排具有重要意義。

近年來，在中國北方的典型區域均設置了有機肥施用的農業田間試驗，也開展了一系列研究。較多研究[8-13]表明有機肥施用比不施肥、無機肥施用均提高了土壤呼吸通量，增加了農田土壤CO2排放量，部分研究[14]表明農田土壤CO2排放量在習慣施肥、優化施肥和有機肥配合優化施肥等處理間差異不顯著。大多模擬、短期田間試驗研究也表明有機肥施用下土壤呼吸通量變化受溫度、水分、施肥措施和有機肥類型等因素影響[15-20]。由于不同研究的氣候、管理措施和土壤屬性等不同，施用有機肥后土壤CO2排放量對有機肥的響應可能存在很大的差異，哪些影響因素導致了差異[21-25]，解決這些問題需要綜合分析有機肥施用對農田土壤CO2排放量的影響[26-31]。

Meta分析是一種對同類研究結果進行統計分析的方法[32-34]。本研究運用Meta分析方法，以不施肥和無機肥施用分別作為有機肥施用的對照，通過收集現有的相關田間試驗數據，量化不同條件下施用有機肥之后農田土壤CO2排放量的差異特征，明確農田土壤CO2排放量差異的主要驅動因子，以期為有機肥替代部分化肥在中國北方農業區的推廣應用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

通過Web of Science、Springer、中國知網（CNKI）、萬方、維普、Google Scholar 等中英文數據庫分別輸入“有機肥（manure/organic fertilizer）”或（or）（牛糞：cow manure，豬糞：pig manure，雞糞：chicken manure，羊糞：sheep manure）和（and）“溫室氣體（GHG/CO2/soil respiration/carbon dioxide）”和（and）“中國北方（north and china）”等關鍵詞，檢索了截止2018年5月1日前公開發表的中國北方有機肥施用與土壤呼吸相關的文獻，并對檢索到的文獻進行篩選。篩選標準如下：1）試驗區域為中國北方地區，試驗起止年份清楚；2）試驗方式為大田試驗，試驗時間跨度至少為1個生長季節（從種植到收獲），且作物全生育期描述清楚；3）試驗處理包含有機肥（單施有機肥、有機無機配施、無機有機緩釋肥配施）、無機肥（單施氮肥、氮磷肥、氮磷鉀配施）、不施肥（CK）等的1個或多個，且同一研究有機肥與不施肥或有機肥與無機肥對照明確；4）研究點的背景條件、研究方法明確。

通過EndNote剔除試驗地點、試驗年份、作物類型和試驗數據結果相同的文獻。對符合標準的文獻提取區域（region）、試驗點位置（experimental location，EL）、年均氣溫（annual average temperature，AAT）、年降水量（annual precipitation，AP）、土壤類型（soil types，ST）、施肥措施（fertilization measures，FM）、施肥年限（application time，AT）、施肥方式（application ways，AW）、有機肥類型（organic fertilizer types，OT）和標準差（standard deviation，S）等數據。本文收集的數據主要源于以下參考文獻（表1）。

表1 Meta分析所用的參考文獻

1.2 數據分類

根據文獻中有機肥的施用方法，對篩選的數據進行分類，將試驗組分為單施有機肥、有機肥+無機肥2類，對照組分為不施肥和施用無機肥，共收集了89組配對試驗數據，其中，對照組為不施肥、施用無機肥的有效數據分別為42和47組。

考慮到本研究試驗點數量的限制及分布在中國北方，本文根據種植制度[32,36-37]劃分為3個區域：東北、華北和西北地區（表2）；土壤類型分為黑土、灰漠土、塿土、潮褐土、黑壚土和鹽化潮土；施肥年限分為4類（第1類：5 a以下；第2類：>5～10 a；第3類：>10～20 a；第4類：>20 a）；施肥措施分為單施有機肥、氮肥+有機肥+緩釋肥、氮磷鉀+有機肥、氮磷+有機肥配施和無機肥；施肥方式分為基肥+追肥和一次性施肥；有機肥類型分為雞糞和牛糞、豬糞和商品有機肥。

表2 中國北方農田區域劃分及氣候特征

1.3 數據分析方法

本研究的數據均來自檢索的文獻，在進行文獻數據搜集時，以圖表示的數據，用WebPlotDigitizer[38]軟件提取。試驗結果以排放速率表示的樣本，計算出作物生育期內土壤CO2排放量，以CO2-C表示的樣本，乘以44/12得出CO2的排放量。若文獻中提供的數據為標準誤（S），則利用重復次數（）來計算標準差（），見式（1）。

利用各研究中處理組和對照組的平均值、標準差和重復數計算反應比（response ratio，RR）及研究的總體異質性，計算95%的置信區間（confidence interval，CI）[39]。

采用隨機效應模型的限制性最大似然法計算平均效應值（effect size，ES）[40-41]。

式中CI為累計效應值的95%置信區間；em為綜合效應值的標準誤。

為更直觀地反映施用有機肥對土壤CO2排放效應，將效應量轉化為增加率[42]

為篩選異質性影響因素，參考文獻[40]，通過建立1個或多個解釋變量與結果變量之間的回歸模型，用軟件R內函數“glmulti”確定修正的小樣本赤池信息量（Akaike’s information criterion corrected for small samples，AICc），查看AICc值最低的模型結果，確定最優模型，計算最優模型中各個影響因素的權重，所有最優模型子集中每個因素的權重加權之和被確定為每個因素的相對重要性，尋求最優模型中因素的重要性程度，以因素相對重要性＞0.8表示重要[40,42]，篩選導致異質性的重要影響因素。

所有數據分析均采用R3.4.4編程軟件進行數據處理[43]，使用R作圖。發表偏倚檢驗用失安全系數法[40]。

2 結果與分析

2.1 施用有機肥對農田土壤CO2排放量的影響

總體上看，相比不施肥和無機肥，有機肥施用能顯著提高農田土壤CO2排放量（<0.05），分別平均提高了50.6%（95% CI為37.7%～66.5%）和36.3%（95% CI為20.9%～53.7%）。有機肥與不施肥、有機肥與無機肥異質性檢驗結果分別為1 342.9、1 531.7（<0.05），表明異質性強，需要引入解釋變量。通過失安全系數法檢驗發表偏愛性，有機肥與不施肥、有機肥與無機肥的潛在效應值分別為30 218和23 650（臨界值為215和480），潛在效應值大于臨界值表明無發表偏愛。

北方不同區域有機肥施用對農田土壤CO2排放量的影響（圖1）表明，東北、西北和華北3個區域間農田土壤CO2排放量均無顯著差異。幾種不同類型有機肥施用對農田土壤CO2排放量的影響（圖1）表明，與不施肥相比，牛糞、雞糞、豬糞和商品有機肥施用下農田土壤CO2排放量均有顯著的增加，分別增加了95.4%、498.9%、29.7%、30.9%（<0.05），雞糞和牛糞、豬糞、商品有機肥差異顯著，其他有機肥類型間差異不顯著；與無機肥施用相比，農田土壤CO2排放量的規律同上，均反映出施用雞糞后農田土壤CO2排放量高于其他類型有機肥。

圖1 不同分類下土壤CO2排放量總體效應值

2.2 有機肥施用下農田土壤CO2排放量影響因素分析

2.2.1 影響因素的重要性分析

將數據按年均氣溫、年降水量、土壤類型、施肥年限、施肥措施和施肥時期分組，運用Meta回歸分析進行多因素分析，尋求最優模型中影響因素重要性（圖2）。相對重要性＞0.8的影響因素包括年降水量、年均氣溫、施肥措施和土壤類型。

Note: AP: annual precipitation; AAT: annual average temperature; FM: fertilization measures; ST: soil types; AW: application ways; AT: application time.

2.2.2 農田土壤CO2排放量影響因素分析

1）不同氣候條件

年均氣溫與效應值的關系（圖3）表明，與不施肥相比（圖3a），施用有機肥農田土壤CO2排放量隨著年均氣溫升高顯著增加（<0.05），年均氣溫能解釋11%的效應值變異。與施無機肥相比（圖3b），施用有機肥農田土壤CO2排放量隨著年均氣溫升高顯著增加（<0.05），年均氣溫能解釋16%的效應值變異。總體上看，農田土壤CO2排放量隨著年均氣溫升高而增加。

年降水量與效應值的關系表明，與不施肥相比（圖3c），施用有機肥農田土壤CO2排放量隨年降水量增加顯著降低（<0.05），年降水量能解釋10%的效應值變異，與施用無機肥相比（圖3d），施用有機肥農田土壤CO2排放量隨著年降水量增加顯著降低（<0.05），年降水量能解釋12%的效應值變異。總體上看，農田土壤CO2排放量隨著年降水量增加而降低。

2）不同土壤類型

不同土壤類型下有機肥施用對農田土壤CO2排放量的影響（圖4）表明，有機肥與不施肥相比（圖4a），黑土、灰漠土、塿土、潮褐土、黑壚土和鹽化潮土農田土壤CO2排放量均有顯著的增加，分別增加了39.0%、301.4%、109.5%、23.4%、58.4%、113.8%（<0.05）；灰漠土與其他土壤類型差異顯著（<0.05），塿土與潮褐土差異顯著（<0.05），其他土壤類型間差異不顯著。與施用無機肥相比（圖 4b），黑土、灰漠土、塿土、潮褐土、黑壚土和鹽化潮土農田土壤CO2排放量均有顯著增加，分別增加了16.1%、259.7%、20.9%、27.1%、32.3%、85.9%（<0.05），灰漠土與其他土壤類型差異顯著（<0.05），其他土壤類型間差異不顯著。

注：虛線表示95%的置信區間的上下限值，實線表示回歸線，下同。

Note: Dotted lines are upper and lower limits of 95% confidence interval and solid lines are regression lines. The same below.

圖3 影響因素與土壤CO2排放量的效應值的關系

Fig.3 Relationship between effect size and influencing factors on soil CO2emission

3）不同施肥措施

有機肥和無機肥配施對農田土壤CO2排放量的影響（圖4）表明，與不施肥相比（圖4c），單施有機肥、氮肥+有機肥、氮磷鉀+有機肥、氮磷+有機肥配施下，農田土壤CO2排放量均有顯著的增加，分別增加了78.6%、15.0%、56.8%、55.3%（<0.05），氮肥+有機肥+緩釋肥、減量施氮+有機肥+緩釋肥模式下農田土壤CO2排放量未顯著增加，進一步兩兩比較，有機肥與氮肥+有機肥、氮肥+有機肥+緩釋肥、減量施氮+有機肥+緩釋肥間差異顯著；與無機肥施用相比（圖4d），有機肥、氮肥+有機肥、氮磷鉀+有機肥、氮磷+有機肥配施下，農田土壤CO2排放量均有顯著的增加，分別增加了66.5%、28.4%、29.6%、28.4%（<0.05），氮肥+有機肥+緩釋肥措施下農田土壤CO2排放量未顯著增加（＞0.05），進一步兩兩比較，有機肥與氮肥+有機肥、氮磷鉀+有機肥、氮磷 +有機肥差異顯著。

注：O：有機肥；N+O：氮肥+有機肥；N+O+SR：氮肥+有機肥+緩釋肥；NPK+O：氮磷鉀+有機肥；NP+O：氮磷+有機肥：RN+O+SR：減量施氮+有機肥+緩釋肥

Note: O: organic fertilizer; N+O: nitrogen fertilizer + organic fertilizer; N+O+SR: nitrogen fertilizer + organic fertilizer + slow-release fertilizer; NPK+O: nitrogen, phosphorus and potassium + organic fertilizer; NP+O: nitrogen and phosphorus + organic fertilizer; RN+O+SR: reduced nitrogen + organic fertilizer + slow-release fertilizer.

圖4 土壤CO2排放量的影響因素分析

Fig.4 Analysis of influencing factors on soil CO2emission

3 討 論

本研究通過整理已發表的文獻數據，運用Meta分析方法，從區域尺度分析了我國北方典型農田土壤施用有機肥后土壤CO2排放量特征及驅動因子。研究發現：與不施肥、無機肥施用相比，有機肥施用顯著增加了農田土壤CO2排放量，分別提高了50.6%和36.3%（<0.05）。相關研究[8,9,21-23,25]也得出相似結論。本研究通過亞組分析也發現在不同區域、不同有機肥類型和不同土壤類型下有機肥施用均促進農田土壤CO2排放量，不同施肥措施間存在差異，農田土壤CO2排放量與平均氣溫呈正相關，與降水量呈負相關。分析原因：1）北方相對干旱少雨，有機肥施用顯著增加了土壤碳庫，土壤有機碳在環境因子的作用下礦化速率增大，成為土壤CO2排放的主要來源[44-45]；2）有機肥比無機肥進一步改善了土壤孔隙度、有機質和養分等土壤理化性質，促進植物生長，根系分泌物增加，為微生物提供了可以利用的底物，使土壤呼吸增加[46-47]；3）施用有機肥改善了土壤有效持水量、通氣性，增加了蚯蚓、彈尾目密度和土壤動物多樣性指數，促進了土壤動物呼吸的增加[48]。研究還發現，施用雞糞后土壤CO2排放顯著高于牛糞、豬糞和商品有機肥，相關研究[7,35]也得出相似結論。究其原因，雞糞的養分含量高于牛糞、豬糞和商品有機肥，屬熱性肥料，有機氮含量高，C/N比較低，一般來講土壤C/N與有機質分解速度呈反比關系，因為土壤微生物在生命活動過程中，既需要碳素做能量，也需要氮素來構建自己的身體，微生物的活性變化有可能促進了土壤CO2排放量[49-52]。

3.1 有機肥施用下農田土壤CO2排放量的影響因素分析

3.1.1 氣候類型

本研究表明，有機肥施用后農田土壤CO2排放量隨年均氣溫的升高而增加，隨年降水量的增加而降低，較多研究得出相同的結論[53-55]，分析其原因：1）溫度是決定陸地生態系統碳循環過程的關鍵因素，溫度影響著土壤呼吸過程的所有環節，在一定范圍內增加溫度可以提高土壤微生物活性，進而影響有機碳的礦化，從而使CO2排放量與氣溫具有極顯著正相關關系[53,55]；2）降水量影響土壤含水率，土壤CO2排放量與土壤水分含量呈極顯著負相關[54]，隨著降水的增大，土壤含水率增加，可直接降低CO2在土壤孔隙中的擴散速率以及增加CO2在土壤水中的溶解量，導致呼吸速率下降。本研究與Birch效應[54]有一定差別，因本研究主要關注的是年降水量與生育期土壤CO2累計排放量的關系，Birch效應指干旱條件下單次少量降水激發了土壤呼吸的效應，研究側重點不同。本研究發現，在效應值與年均氣溫、年降水量回歸中，回歸方程顯著，但決定系數不高，對于一元回歸模型，樣本決定系數是研究自變量對因變量的解釋程度。本研究樣本量比較大，線性回歸顯著，但數據集中性可能不高，導致誤差項方差大，使決定系數不高[39]。回歸方程也說明了年均氣溫、年降水量影響農田土壤CO2排放量，但不是主要驅動因子。

3.1.2 土壤類型和施肥措施

研究發現有機肥施用下不同土壤類型均能顯著提高農田土壤CO2排放量，其中灰漠土與其他土壤類型差異顯著。灰漠土是在溫帶荒漠氣候條件下形成的，主要分布在新疆、寧夏和甘肅等地區，土壤質地為粉砂壤或砂壤，腐殖質的積累作用弱，有機質含量低，有機肥施入后，灰漠土對有機物質的固持能力較弱，且灰漠土分布區氣溫相對高，礦化加劇，從而有機肥施用會提高灰漠土土壤CO2排放量[56]。研究也表明，單施有機肥比有機無機配施促進了農田土壤CO2排放，緩釋肥+有機肥+無機肥配施模式下農田土壤CO2排放量均與不施肥、無機肥之間差異不顯著，這與郭俊娒等有關研究[9,23]相似，原因主要是不同類型的肥料組合會降低有機肥的施用量，增加肥料利用效率，也可能是長期氮肥施用可以減弱土壤呼吸作用，促進碳在土壤中的貯存，具體機理可能是氨基形態的氮作用于可降解的木質素形成更穩定、難降解的芳香類化合物，也有可能直接抑制木質素分解酶的形成[57]。

本研究得出有機肥施用會增加農田土壤CO2排放量的結論。農田土壤CO2排放包括3個生物學過程和1個非生物學過程，因此，下一步研究需明確有機肥施用后的主導過程及形成機制[7]；土壤CO2排放量增加能促進農田生態系統光合產物積累，增加土壤碳儲量，形成固碳效應（A），另一方面也加劇了溫室效應（B），已有研究也表明有機肥有改善土壤結構，增加作物產量、優化作物品質的效果[3-5]，因此，要明確施用有機肥在低碳農業中的綜合效應需界定在農田生態系統尺度，弄清A和B的關系，從基于生命周期評價碳排放的綜合凈溫室氣體、兼顧作物產量的溫室氣體排放強度和作物品質等3個方面綜合分析[58-59]。

4 結 論

經對中國北方地區施用有機肥后作物生育期CO2排放量的綜合分析，得出以下結論：

1）與不施肥和施無機肥相比，施用有機肥能顯著提高生育期農田土壤CO2排放量；東北、華北和西北不同區域間差異不顯著；不同有機肥類型中，施用雞糞有促進土壤CO2排放量的作用。從環境的角度考慮，不建議雞糞單獨大量施用。

2）有機肥施用后，農田土壤CO2排放量和年均氣溫成正比、和年均降水量成反比；有機肥+無機肥、有機肥+無機肥+緩釋肥配施比單施有機肥減少了農田土壤CO2排放量；農田土壤CO2排放量在有機肥+無機肥+緩釋肥配施與不施肥間差異不顯著。建議在中國北方采用無機肥+有機肥+緩釋肥配施技術。

3）施用有機肥會顯著增加灰漠土農田土壤CO2排放量，建議綜合考慮環境經濟效益，加大對灰漠土施肥技術的研究。

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Meta-analysis on farmland soil CO2emission in Northern China affected by organic fertilizer

Wang Xiaojiao1,4, Zhang Renzhi1,2,3※, Qi Peng1,2,3, Jiao Yapeng1, Cai Liqun1,2,3, Wu Jun1,2, Xie Junhong2,5

(1.,,730070,; 2.,,730070,; 3.,730070,; 4.,,730070,; 5.,,730070,)

This paper was aimed to investigate the effects of organic fertilizer application (single application of organic fertilizer and organic-inorganic fertilizer combination) on the CO2emission in farmland soil during crop growth period, under different climate types, fertilization measures, organic fertilizer types and experiment years in Northern China. Non-fertilizer and inorganic fertilizer application were used as control treatments. Based on the published data of relevant experiment and the Meta-analysis method, the quantitative effects on application of organic fertilizer and organic-inorganic fertilizer combination on CO2emission in farmland soil were studied. A total of 534 measurements were obtained including 89 pairs of data from 21 literatures. The experiments lasted from 1980 to 2017. The effects were determined by effect size by Meta-analysis method. The important factors affecting CO2emission were selected by finding out those with important values higher than 0.8. The results showed that the organic fertilizer application significantly generally increased the CO2emission in farmland soil than the non-fertilizer and inorganic fertilizer application, with an increment of 50.6% and 36.3%, respectively. No publication bias was found because the fail-safe number was far higher than the critical values by the fail-safe method. There was not significantly different among regions (>0.05). Under the application of organic fertilizer, the CO2emission of farmland soil decreased successively in the following order: single application of organic fertilizer, organic-inorganic fertilizer combination, and combined application of inorganic fertilizer, organic fertilizer and slow-release fertilizer. Soil CO2emission did not significantly increase under the combined application of organic fertilizer, inorganic fertilizer and slow-release fertilizer. Compared with non-fertilizer, cow manure, pig manure and commercial organic manure, chicken manure had the greatest positive effects on soil CO2emission. Under the application of organic fertilizer, the CO2emission of farmland soil in gray desert was relatively high. The CO2emission of farmland soil was positively correlated with the annual average temperature and negatively correlated with the annual average precipitation. The annual average temperature and annual average precipitation could explain about 11%-16% and 10%-12% change in effect size of CO2emission, respectively. From the perspective of environment, it was suggested to apply the combined application of inorganic fertilizer, organic fertilizer and slow-release fertilizer in Northern China. Meanwhile, the chicken manure should not be applied in large quantities and organic fertilizer should not be used in grey desert farmland. The results of this study can provide valuable information for the popularization and application of organic fertilizer replacing partial chemical fertilizer in Northern China.

respiration; soils; fertilizers; North; Meta

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.013

S146；S158；S19

A

1002-6819(2019)-10-0099-09

2018-08-07

2019-02-10

甘肅農業大學學科建設基金（GAU-XKJS-2018—205）；青年研究生導師扶持基金（GAU-QNDS-201704）；甘肅農業大學盛彤笙基金（GSAU-STS-1706）

王曉嬌，講師，博士生，主要從事土地利用變化與土壤碳循環。Email：42321964@qq.com

張仁陟，博士，教授，主要從事土壤學研究。Email：zhangrz@gsau.edu.cn

王曉嬌，張仁陟，齊 鵬，焦亞鵬，蔡立群，武 均，謝軍紅.Meta分析有機肥施用對中國北方農田土壤CO2排放的影響[J]. 農業工程學報，2019，35(10)：99－107. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.013 http://www.tcsae.org

Wang Xiaojiao, Zhang Renzhi, Qi Peng, Jiao Yapeng, Cai Liqun, Wu Jun, Xie Junhong. Meta-analysis on farmland soil CO2emission in Northern China affected by organic fertilizer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(10): 99－107. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.013 http://www.tcsae.org