土壤微生物多樣性對有機碳源物料輸入的響應特征

申云鑫， 施竹鳳， 韓天華， 周旭東， 賀彪， 趙文山，和強， 馬斌， 陳齊斌， 楊佩文2

（1.云南農業大學植物保護學院，昆明 650201； 2.云南省農業科學院農業環境資源研究所，昆明 650205；3.云南省煙草公司麗江市公司，云南 麗江 674100）

施用動物類糞便是農業生產的主要措施之一，對土壤質量、可持續利用以及作物生長發育具有深遠影響，長期配施動物類糞便可改善土壤理化性質，進而影響作物的健康與產量[1]。研究表明，動物類糞便能改善土壤農化性狀，提升土壤肥力，并且對土壤養分具有緩釋效果[2-3]。作為我國農業生產中的主要肥源之一，一方面，動物類糞便含有多種可被作物吸收利用的微量元素、活性酶以及有機質等，在保持、改善和提高土壤肥力、活化土壤養分，進而促進農作物高產、優質以及降低農產品生產成本等方面有著不可替代的作用[4-5]；另一方面，土壤微生物在維持土壤系統的穩定和可持續生產中占主導地位，其群落結構和豐度與施肥方式息息相關，可通過一系列復雜的生物化學反應分解動物類糞便中的有機物質，釋放有效態養分形成腐殖質，同化土壤碳素并固定無機成分形成其生物量，對提高土壤肥力和促進作物生長具有重要作用[6-7]。

土壤微生物群落的結構組成受施肥方式、作物管理措施和土壤環境等因素的影響，不同的作物類型、管理措施、土壤環境及長期施肥方式等對其影響差異很大[8-9]。國內外關于動物類糞便及動物類糞便配施無機肥的研究表明，施用動物類糞便在增加糧食作物產量的同時可以提升其品質[10]。施用動物類糞便可平衡土壤礦質營養，提高土壤肥力、改善其理化性質、優化土壤微生物群落以及增強微生物活性，而在不施肥或單施化肥的情況下效果不明顯[11-13]。動物類糞便配施對作物吸收與利用營養物質也具有促進作用，較單施無機肥更能促進微生物生長，可更大程度提高微生物生物量和碳源利用率[14-15]。因此，可結合化肥肥效快、肥力強、能短期內提供作物生長營養物質，有機肥養分豐富、含量均衡和肥效持久等優點，應用動物類糞便配施無機肥技術，改善土壤環境、增加土壤有益細菌數量、促進有益菌的生長、提高土壤酶活性等，進而提高土壤肥力、作物品質和產量[16-18]。

土壤微生物群落結構在不同的氣候、土壤和作物條件、不同動物類糞便及其施用方式下均有差異，因此需要針對不同條件合理應用施肥措施，本文運用對同類研究結果進行定量評估的Meta分析方法[19-20]，以不施肥和單施無機肥作為動物類糞便施用的對照，通過收集現有文獻的相關田間試驗數據，探究不同條件下施用動物類糞便后土壤微生物多樣性的差異與變化特征，明確作物根際土壤細菌多樣性差異的主要影響因素，以期為因地制宜合理施用動物類糞便或配施無機肥技術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（organic fertilizer）”“牛糞（cow manure）”“豬糞（pig manure）”“雞糞（chicken manure）”“羊糞（sheep manure）”等和“微生物多樣性（diversity and microbe/microbial community/microbial diversity/morphological diversity/metabolic diversity）”“ 中 國（China）”等，所選文章基于以下標準：①試驗區域選擇中國地區；②對照包含單施無機肥（inorganic fertilizer，IF）和不施肥（no fertilizer，NF）、試驗組分為單施動物類糞便（animal measure，OM）、無機肥+動物類糞便（IF+OM）措施中的1 種或多種；③研究地點的背景條件、研究方法明確；④相同的試驗數據發表在不同期刊時，選擇信息描述較為全面的文獻。

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，共有54 篇文獻符合篩選標準，納入Meta 分析。選擇目前研究土壤微生物多樣性和豐富度最為廣泛和最具代表性的2 個數量指標：Shannon 多樣性指數（描述群落多樣性的高低）和Chao l豐富度指數（描述物種總數的大?。┳鳛樘骄恐笜?。對于數據庫中的每項研究，還搜集了相關的試驗地點、氣候因素（年平均溫度和降水量）和有機肥類型以及施肥措施等數據。數據來自各項納入研究的表格和圖，當數據以圖的形式呈現時，通過Web Plot Digitizer軟件提取。若文獻直接報告了標準差或者根據標準誤和樣本量計算標準差，文章未給出標準差或者無法計算的時候，以平均值的10%作為標準差（文中所提取的大部分數據的標準差均符合10%的計算標準，且原始數據的標準差始終低于平均值的10%）[21]。因為Meta分析的一個假設為所有研究之間相互獨立，故提取過程中如遇不同時期測定多個數據的研究，僅取采樣日最近的數據[22]。

1.2 數據分類

根據文獻中動物類糞便的施用方法，對篩選的數據進行分類，試驗組為施用動物類糞便組（application animal manure，AM），包括單施動物類糞便（OM）和動物類糞便配施無機肥（OM+IF），對照組分為不施肥組（NF）和單施無機肥組（IF），共收集120組細菌Shannon指數配對試驗數據，其中OM vs NF 共37組，OM vs IF 共45組，OM+IF vs NF共17 組，OM+IF vs IF 共21 組；共收集90 組Chao l指數配對試驗數據，其中OM vs NF 共26 組，OM vs IF 共30 組，OM+IF vs NF 共16 組，OM+IF vs IF共18 組。此外，至少納入10 組數據進行分組研究，若分組數據n<10，則各數據應分別來自完全相互獨立的3個或3個以上研究[23]。

1.3 統計分析

對動物類糞便施用下土壤細菌多樣性進行Meta分析，若文獻只提供標準誤，標準差（standard deviation, SD）使用公式（1）計算。

式中，SE為標準誤，n為重復數。

利用各研究中對照組的平均數（Xc）的對數值與處理組的平均數（Xt）的對數值之間的差值來計算對數響應比（lnR++），公式如下。

計算95% 的置信區間（95% confidence interval, 95% CI），如果95%置信區間包含0，則處理組與對照組差異不顯著；若不包含0，即差異顯著（P<0.05）[24]。

將分析結果轉化為相對變化率（Y），可更加直觀解釋土壤細菌多樣性對動物類糞便施用的響應特征，使用公式（3）[25]進行計算。

異質性檢驗及發表偏倚檢驗：通過使用Q統計量進行異質性檢驗，Q服從于自由度為k-1的卡方分布，當異質性檢驗結果顯著時（P<0.05）表明研究間存在異質性，故選擇隨機效應模型，反之選擇固定效應模型。此外，本研究利用失安全系數法（rosenthal’s method）進行文獻的發表偏倚檢驗，若潛在值大于臨界值即不存在發表偏倚[25]。

1.4 數據處理

使用Web Plot Digitizer和Microsoft office 2010進行數據收集提取和數據集建立，以及常規的數據計算；利用Metawin 2.1 進行Meta 分析[26]，確定動物類糞便施用是否對細菌多樣性有顯著影響。此外，利用 Sigmaplot 14.0軟件進行森林圖繪制。

2 結果與分析

2.1 動物類糞便施用對土壤細菌多樣性和豐富度指數數據異質性檢驗及發表偏倚檢驗分析

對動物類糞便施用對土壤細菌多樣性指數的異質性檢驗及正態性檢驗結果如表1 所示，與動物類糞便施用相比，不施肥和單施無機肥處理異質性檢驗均有顯著差異（P<0.05），故采用隨機效應模型，對Shannon多樣性指數和Chao l豐富度指數分組數據進行發表偏倚檢驗，各分組潛在效應值均大于臨界值，表明各組合數據間均不存在發表偏倚。

表1 施用動物類糞便對 Shannon 和 Chao l 指數數據的異質性及正態性檢驗Table 1 Heterogeneity and normality test of Shannon and Chao l index after application of animal manure

2.2 不同動物類糞便施用對土壤細菌多樣性和豐富度指數的影響

施用動物類糞便對土壤細菌Shannon 多樣性指數和Chao l 豐富度指數具有不同程度的影響（圖1）。相較于不施肥，施用雞糞、牛糞、豬糞可顯著促進土壤細菌Shannon 多樣性指數（P<0.05）；其中牛糞的促進作用最為顯著，達29.15% (95% CI：12.14%～48.74%)；其次為雞糞，促進效果達16.25% (95% CI：11.52%～21.18%)；豬糞的促進作用略低，為6.41% (95%CI：2.27%～10.69%)。同時，雞糞、牛糞、豬糞的施用對Chao l豐富度指數也呈顯著正效應（P<0.05），雞糞的促進效果達9.34% (95% CI:3.95%～15.00%)，牛糞的為7.59% (95% CI: 4.64%～10.64%)，豬糞 的為5.30% (95% CI:0.21%～10.63%)。

圖1 施用不同動物類糞便對土壤細菌多樣性指數的影響Fig. 1 Effect of manure application on soil bacterial diversity index

相較于單施無機肥，雞糞、牛糞、豬糞對土壤細菌Shannon 多樣性指數也具有顯著促進作用（P<0.05）。其中，牛糞的促進效果最強，達40.97% (95% CI: 21.53%～63.53%)；其次為雞糞，促進效果達23.09% (95% CI: 9.58%～38.02%)；豬糞次之，為4.91% (95% CI:3.10%～6.73%)；且雞糞、牛糞、豬糞的施用對Chao l豐富度指數的正效應顯著（P<0.05），雞糞的相對變化率為5.17%(95% CI: 0.56%～10.00%)，牛糞的為2.72% (95%CI: 0.12%～5.39%)，豬 糞 的 為5.52% (95% CI:2.75%～8.35%)。綜上可知，與不施肥或單施無機肥相比，雞糞、牛糞、豬糞的施用均可顯著提高土壤微生物多樣性指數，對構建高微生物群落多樣性土壤起著顯著的促進作用。

2.3 不同作物類型下動物類糞便施用對土壤細菌多樣性和豐富度指數的影響

由于部分對照組數據量較少，本小節將不施肥與單施無機肥合并為不施動物類糞便組作為對照。由圖2 可知，不同作物類型對動物類糞便施用的響應特征不同，茄科、豆科、禾本科、薔薇科及葫蘆科根際土壤細菌Shannon多樣性指數和Chao l豐富度指數對動物類糞便的施用的響應均呈顯著正向效應（P<0.05），其中，茄科作物根際土壤細菌Shannon多樣性指數和Chao l豐富度指數的提高最顯著，分別提高了43.78% (95% CI:29.78%～59.27%)、6.39% (95% CI: 1.46%～11.55%)；就Shannon 多樣性指數而言，豆科、禾本科、葫蘆科、薔薇科的增加率依次分別為：35.84% (95% CI:28.97%～43.08%)、9.06% (95% CI:7.18%~10.97%)、8.22% (95% CI:4.52%~12.07%)、6.34% (95% CI:0.61%~12.39%)；就Chao l 豐富度指數而言，薔薇科、豆科、禾本科、葫蘆科的增加率依次增高，分別為3.41% (95% CI:1.31%~5.54%)、4.79% (95% CI:2.26%~7.40%)、5.79% (95% CI: 3.54%~8.09%)、6.15% (95% CI:0.84%~11.74%)；但芭蕉科作物根際土壤細菌Shannon 多樣性指數和Chao l 豐富度指數對動物類糞便的響應均不顯著。

圖2 不同作物類型下施用動物糞便對土壤細菌多樣性指數的影響Fig. 2 Effects of animal manure application on soil bacterial diversity index under different crop types

2.4 不同施肥方式下動物類糞便施用對土壤細菌多樣性和豐富度指數的影響

不同施肥方式下，施用動物類糞便對土壤細菌Shannon 多樣性指數和Chao l 豐富度指數影響結果表明（圖3），相較于不施肥（NF）和單施無機肥（IF），動物類糞便的2種施肥方式（OM、OM+IF）均可顯著增加土壤細菌Shannon 多樣性指數（P<0.05），與不施肥相比，單施動物類糞便（OM）增加24.14% (95% CI: 13.42%~35.84%)，動物類糞便配施無機肥（OM+IF）增加7.57% (95% CI:4.64%~10.57%)；動物類糞便不同施用方式對Chao l 豐富度指數的正向效應較低，單施動物類糞便Chao l 豐富度指數提高8.19% (95% CI:6.99%~9.38%)，動物類糞便配施無機肥提高4.44% (95% CI: 3.15%~5.72%)。

圖3 不同動物糞便施用方式對土壤細菌多樣性指數的影響Fig. 3 Effects of different manure application methods on soil bacterial diversity index

與單施無機肥相比，單施動物類糞便（OM）細菌Shannon 多樣性指數提高26.03% (95% CI:16.37%~36.51%)，動物類糞便配施無機肥（OM+IF）使其增加7.01% (95% CI: 4.35%~9.75%)；Chao l 豐富度指數的增加略低，OM 和OM+IF 分別使其增加4.79% (95% CI:3.78%~5.80%)、2.99% (95%CI: 1.57%~4.42%)。以上結果表明，單施動物類糞便（OM）對土壤細菌多樣性指數的促進作用最為顯著，增加效應超過動物類糞便配施無機肥（OM+IF）的2~4倍。

2.5 不同區域下動物類糞便施用對土壤細菌多樣性和豐富度指數的影響

基于不同區域分析（圖4），相較于不施肥，施用動物類糞便對西北地區、南方地區及北方地區土壤細菌Shannon 多樣性指數均具有顯著促進作用（P<0.05），其中，西北地區促進作用最強，為96.68% (95% CI: 58.88%~143.47%)，其次為南方地區及北方地區，增加率分別為17.87% (95% CI:6.37%~30.59%)、7.81% (95% CI: 5.72%~9.93%)；不同區域施用動物類糞便對Chao l 豐富度指數的影響效果不同，南方地區的增加率為6.97% (95% CI:4.34%~9.67%)，北方地區的增加率為6.66% (95%CI: 2.96%~10.49%)，西北地區的促進效果不顯著。

圖4 不同區域施用動物糞便對土壤細菌多樣性指數的影響Fig. 4 Effects of animal manure application on soil bacterial diversity index in different areas

相較于單施無機肥，南方地區和北方地區土壤細菌Shannon 多樣性指數均呈現顯著促進作用（P<0.05），其中，南方地區的增加率最高，達29.19% (95% CI: 18.34%~41.03%)，北 方 地 區 次之，增加率為13.43% (95% CI: 8.72%~18.33%)，西北地區的增加效果不顯著；施用動物類糞便后不同區域Chao l 豐富度指數的響應特征不同，南方地區的促進效果為4.51% (95% CI:1.22%~7.91%)，北方地區的促進效果為4.29% (95% CI:2.44%~6.17%)，而在西北地區不具顯著性。

2.6 不同年降水量下動物類糞便施用對土壤細菌多樣性和豐富度指數的影響

基于不同年均降水量分析（圖5），相較于不施肥，在降水量少于1 500 mm 時，施用動物類糞便對土壤細菌Shannon 多樣性指數均具有顯著促進作用（P<0.05），降水量≤500 mm 和降水量為500~1 500 mm 時土壤細菌Shannon 多樣性指數分別 增 加 17.14% (95% CI: 9.44%~25.41%) 和24.62% (95% CI:16.81%~32.95%)。年均降水量少于1 500 mm 對Chao l 豐富度指數也呈顯著正效應，降水量≤500 mm 和降水量為500~1 500 mm 時分別增加6.42% (95% CI: 1.95%~1.09%)和7.94%(95% CI: 4.67%~11.32%)。

圖5 不同降水量下施用動物糞便對土壤細菌多樣性指數的影響Fig. 5 effect of animal manure application on soil bacterial diversity index under different precipitation

相較于單施無機肥，在降水量大于500 mm時，施用動物類糞便對土壤細菌Shannon 多樣性指數均具有顯著促進作用（P<0.05），降水量為500~1 500 mm和降水量≥1 500 mm時分別增加30.34%(95% CI:22.64%～38.53%)和7.75% (95% CI:4.02%~11.61%)。Chao l 豐富度指數對降水量的響應特征表明，在降水量大于500 mm 時對土壤細菌Chao l豐富度指數具有顯著促進作用（P<0.05），降水量≥1 500 mm 時增加3.45% (95% CI: 1.46%~5.46%)，降水量500~1 500 mm 時增加5.99% (95% CI:1.84%~10.33%)，當降水量≤500 mm時促進效果不顯著。

2.7 不同年均溫度下動物類糞便施用對土壤細菌多樣性和豐富度指數的影響

基于不同年均溫度分析（圖6），施用動物類糞便對土壤細菌Shannon 多樣性指數均具有顯著促進作用（P<0.05），相較于不施肥，土壤細菌Shannon 多樣性指數的增加率隨著年均溫度的升高而降低，在年均溫度≤5 ℃時，正效應最顯著，增加了26.39% (95% CI: 8.29%~47.52%)，其次為年均溫度5~15 ℃和≥15℃，分別增加24.62% (95% CI:15.65%~34.29%)、7.85% (95% CI: 3.60%~12.28%)。當年均溫度≤5℃時，土壤細菌Chao l 豐富度指數增加5.32% (95% CI:4.81%～5.82%)，年均溫度5~15 ℃ 時增加8.88% (95% CI: 4.93%～12.98%)，年均溫度≥15 ℃時增加4.58% (95% CI:0.34%~8.99%)。

圖6 不同年均溫度下施用動物糞便對土壤細菌多樣性指數的影響Fig. 6 Effects of animal manure application on soil bacterial diversity index at different annual temperatures

相較于單施無機肥，土壤細菌Shannon 多樣性指數增加率隨年均溫度升高而降低（P<0.05），當年均溫度≤5 ℃時增加率達41.16% (95% CI:27.55%~56.24%)，年均溫度5~15 ℃和≥15 ℃ 時增加率略低，分別為25.97% (95% CI:16.28%~34.48%)、6.95% (95% CI:4.19%～9.78%)。土壤細菌Chao l 豐富度指數分析表明，年均溫度5~15 ℃時增加率最高，達到5.24% (95% CI: 0.34%~10.41%)，其 次 為 年 均 溫 度≥15℃時，達4.87%(95% CI: 1.66%~8.18%)，年均溫度≤5 ℃時增加率最低，僅為1.82% (95% CI: 0.40%~3.25%)。

3 討論

土壤微生物群落在維持生態系統穩定中發揮重要作用，對復雜化、模塊化微生物網絡的形成以及對提高土壤肥力、維持健康土壤微生態具有促進作用[27-28]。通過系統搜集中國各地區施用動物類糞便與土壤微生物多樣性和豐富度相關的文獻，以不施肥和單施無機肥作為對照，選擇目前研究土壤微生物多樣性和豐富度最具代表性的2 個數量指標：Shannon 多樣性指數（Shannon 值越大，說明群落多樣性越高）、Chao l 豐富度指數（Chao l值越大，表明物種總數越多），通過統計分析已發表的文獻數據，結合Meta 分析方法，以不同影響因素為條件分析有機碳源物料輸入后土壤細菌多樣性指數響應特征。結果發現，與不施肥、單施無機肥相比，動物類糞便（雞糞、牛糞、豬糞）施用顯著提高了土壤細菌Shannon 多樣性指數和Chao l豐富度指數（P<0.05），且對Shannon 多樣性指數促進效果更佳。相關研究表明，施用雞糞對豆科作物根際微生物的豐富度和多樣性具有顯著的促進作用[29]；長期施用豬糞對禾本科作物根際土壤微生物群落豐富度、均勻度和功能多樣性具有顯著的促進作用[30]；施用牛糞可以顯著提高禾本科作物土壤微生物多樣性和豐富度，且經牛糞處理的微生物多樣性指數最高，并與微生物總量的變化趨勢一致，而單施化肥和不施肥，土壤微生物多樣性與總量的變化不顯著[31]。分析其原因主要有：①動物類糞便施用有利于調節土壤pH，改善土壤孔隙狀況和土壤團聚作用，增加土壤透氣性，增強保水保肥能力，促進土壤養分轉化、提高細菌基質的有效性、促使植物根系分泌物和和土壤中可溶性有機碳含量增加，促進微生物的生長繁殖[32-35]；②引入一些外源有益微生物種群，增加土壤微生物多樣性和豐富度，提高根際土壤微生物代謝活性以及土壤酶活性，引起根際區系微生物群落的變化，營造物種豐富、功能多樣化的土壤環境[36-38]；③雞糞、牛糞、豬糞等動物糞便屬熱性肥料，具有豐富的有機質，氮、磷、鉀含量相對較高，還具有碳氮比（C/N）低的特點，土壤C/N 與有機質分解速度呈反比關系，在生命活動過程中，土壤微生物需要碳和氮提供能量和物質構建生物體，且有機質分解速度的快慢對提高土壤微生物多樣性起著關鍵作用[39-41]；④施用動物類糞便可有效地提高土壤氮、磷、鉀等養分的含量，促使土壤真菌、細菌的磷酸脂肪酸（phospholipid-derived fatty acids, PLFA）含量顯著增加[42-43]。

對動物類糞便施用下土壤微生物多樣性變化的研究發現，相對于不施肥與單施無機肥，施用動物類糞便能促使西北地區、南方地區及北方地區的土壤細菌Shannon 多樣性指數和Chao l 豐富度指數多樣性顯著提高；土壤微生物多樣性和豐富度會受到年均氣溫、年均降水量等氣候條件的影響。本研究表明，降水量于500~1 500 mm 時施用動物類糞便對土壤微生物多樣性和豐富度的提升效果最強；總體上看，年均溫度5~15 ℃時，土壤微生物多樣性指數的提升最強，表明施用動物類糞便下，在該溫度范圍內微生物的生長繁殖最為旺盛。綜合考慮區域、降水量以及年均溫度三者關系，可知相比于不施肥或單施無機肥，在年均降水量大于500 mm、年均溫度大于5 ℃的南方地區和北方地區，施用動物類糞便對土壤微生物多樣性和豐富度的促進效果最強。土壤微生物多樣性和豐富度對動物類糞便施用的響應特征受多種生物因子以及非生物因子的交互影響[44-46]。土壤微生物的組成和種群結構受時空、氣候和營養條件等非生物選擇以及物種間競爭和權衡等影響[47-48]；不同區域非生物結構、微生物相對豐度、微生物活性和微生物群落組成可能存在相當大的差異[49]；土壤細菌群落結構與自然條件存在交互性和協同效應，不同區域多樣化的植被類型、自然條件、干濕條件、土壤理化性質、土壤類型、酶活性、通氣性、溫度和pH等對土壤微生物多樣性具有顯著的影響[50-52]；一定范圍內氣溫和降水量較高可促進大量細菌繁殖，而較低僅促進小部分物種繁殖[53]；微生物代謝程度與溫度和降水量的高低相關，適宜的溫度和降水量可促進土壤微生物生長導致微生物量提高[54]。

已有研究中大部分文獻數據量缺乏或沒有詳細的描述，同時影響土壤微生物多樣性的因素很多且關系復雜，利用Meta 分析評價施用動物類糞便對其影響因素時，還有多種因素未能詳盡的考慮。此外，在土壤微生物與環境條件、環境條件與環境條件之間存在復雜的交互作用，今后可結合網狀Meta 分析、Meta 回歸以及結構方程模型等方法，深入分析造成動物類糞便施用下土壤微生物多樣性變化的主要影響因子，明確其作用機制，有助于生產實踐中改善動物類糞便施用的推廣策略，以發揮施用動物類糞便對改善土壤質量和降低土傳病害的潛力。

Meta 分析結果表明，與不施肥與單施無機肥相比，單施動物類糞便或配施無機肥下土壤細菌多樣性指數和豐富度指數顯著增加，其中單施動物類糞便對其增加效果最好，且雞糞、牛糞和豬糞對細菌多樣性和豐富度的貢獻高；建議在茄科、禾本科、豆科作物上實施動物類糞便配施技術；且不同區域、年均降水量、年均溫度等均對其具有顯著的影響，因此應結合區域因素、氣候因素等條件因地制宜制定施肥方案，以達到肥料的最佳利用，并對作物、土壤、環境等起到良好的調節作用。此外應進一步對動物類糞便配施無機肥技術下土壤微生物多樣性和豐富度的變化特征進行相關研究，探究土壤微生物多樣性和豐富度對動物類糞便與無機肥配合施用的響應特征，對構建土壤微生態，營造“健康”土壤環境，進一步發揮其在改善土壤質量和提高土壤可持續利用的優勢。