全球黑土區有機物料還田對土壤有機碳固存影響的Meta 分析

裴 浩 ，苗 宇 ，侯瑞星

（1. 中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室，北京 100101；2. 中國科學院大學資源與環境學院，北京 100049；3. 黑龍江八一農墾大學農學院，大慶 163319）

0 引言

黑土大多分布在中高緯度冷涼區，是一種具有較厚腐殖質層、高有機質含量，且肥力較強的土壤，是很多國家的“天然糧倉”，承載著重要的農業、畜牧業生產活動，具有不可或缺的作用[1]。然而，隨著人們對作物產量的需求日益提高，耕作集約化的發展，土壤養分大量流失，有機碳過度消耗，直接影響糧食產量，不利于可持續發展[2-4]。有機物料還田是黑土土壤有機碳恢復的重要方式。其中，秸稈和有機肥是有機物料還田常用的兩種物質。然而，OPOKU-KWANOWAA 等[5]研究表明，秸稈還田帶來的有機碳含量高于有機肥還田；而LI 等[6]研究發現，有機肥還田與秸稈還田的土壤有機碳含量無顯著性差異；ZHA 等[7]的研究表明，有機肥還田的土壤有機碳含量高于秸稈還田。因此，秸稈還田和有機肥還田哪一種更有利于黑土有機碳固存尚不明確，探究何種情況下秸稈還田和有機肥還田更有利于黑土土壤碳固存具有重要意義。

研究表明[8-10]，有機物料還田是建立土壤有機碳固存的重要方式。秸稈還田和有機肥還田的耕作方式一方面增加了土壤中的養分含量，另一方面補充了土壤的有機碳含量，同時改變了土壤的物理結構，增加了有機質與微生物的接觸面積，微生物量碳增加，改變了土壤中氨態氮與硝態氮的比例，使土壤中的養分更利于作物吸收[11-12]。然而，秸稈還田和有機肥還田對土壤并不是完全有利。秸稈的高碳氮比會導致土壤中速效氮含量降低，在降水量較大的情況下，土壤會釋放出更多的N2O，引起氮素流失[13]。更重要的是，黑土質地多為黏土，土壤透氣性較差，且多位于冷涼區，微生物活性較低，秸稈分解速率慢，碳素需要長時間才能回到土壤中[14]。相比于秸稈，有機肥的碳氮比較低，在耕作過程中，會消耗更多的有機碳，土壤養分積累較少。

有機物料還田對黑土的作用是一個十分復雜的過程，會受到施肥年限和碳投入量等因素的限制[15-16]。施肥年限不同，有機物料分解程度不同，可能導致土壤有機碳的固存效果不同。碳投入量會影響土壤的碳氮比，這也是限制土壤有機碳固存的重要因素。前人多用田間試驗的方法，探究不同有機物料還田對土壤有機碳固存的影響，而哪一種有機物料更有利于土壤有機碳固存，以及在不同的施肥年限和碳投入量下不同有機物料還田對土壤碳固存的影響尚待研究。

先前已有研究設計秸稈還田和有機肥還田處理的田間試驗，并進行對比分析，也有相關研究對全球范圍內的秸稈還田和有機肥還田處理進行對比分析[17-18]。但是由于黑土區特殊的本底條件，目前仍缺少針對黑土區有機物料還田對比分析研究，而黑土支撐著大量農業活動，對其進行深入研究分析具有重大意義。綜上所述，本研究采用Meta 分析的方法定量分析了全球范圍內黑土區秸稈還田和有機肥還田處理對土壤有機碳含量及相關理化性質的影響因素，明確了黑土區秸稈還田和有機肥還田影響土壤碳固存的方式，以及不同條件下哪種有機物料還田方式固碳效果更佳，以期為黑土區有機物料的選擇提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據收集與提取

本研究從Web of Science 和Scopus 數據庫中，以“有機肥（organic manure）”和（and）“秸稈（straw）”和（and）“黑土（black soils）”或（or）“黑土（mollisols）”或（or）“黑土（chernozem）”為關鍵詞，對已發表的經同行評議的文章進行檢索（2000年1 月—2022 年9 月）。依據以下標準對文章進行篩選：1）試驗方式為田間試驗，包括相同條件下不施肥的對照組和秸稈還田試驗組或有機肥還田試驗組；2）試驗土壤為黑土，明確經緯度以及試驗地氣候條件；3）土壤性質相關指標及其均值、標準差和重復次數可以從文中文字、表格或圖表直接提取，或可用GetData Graph Digitizer(version 2.26.0.20)從圖表中提取。經篩選之后，本研究最終采納了41 篇文獻中2 012 個觀測值（表1）。

黑土在北半球中緯度地區分布較為廣泛，在南半球也有少量分布。全球主要有四大黑土分布區：1）中國東北部典型黑土區；2）從俄羅斯一直延續到歐洲西部的半濕潤草原區域；3）從加拿大南部跨過美國中部到墨西哥中部的平原區域；4）南美洲的潘帕斯草原[57-58]。

本研究共納入41 個試驗點，包括中國東北部32 個試驗點，俄羅斯到歐洲西部6 個試驗點，加拿大南部跨過美國中部到墨西哥中部3 個試驗點（表2）。

表2 全球黑土區樣本分布Table 2 Global sample distribution in mollisols

1.2 指標收集和計算

1）標準誤：被納入的文獻若是僅給出標準誤，則根據Sd2=Se2n計算出標準差，其中Sd為標準差，Se為標準誤，n為樣本量。部分研究對于不同土壤深度進行測量，但對于土壤測量最常見的深度是0～20 cm，因此，本研究僅收集了0～20 cm 的土壤數據進行分析。

2）試驗地的環境變量，如經度、緯度、年均溫和年均降雨量。若研究中沒有提及年均溫和年均降雨量，則通過Weather Spark 數據庫 (https://zh.weatherspark.com/)得到。

3）碳投入量、氮投入量和施肥年限。若研究中未直接說明碳投入量或氮投入量，可根據研究中給出的條件計算得到：若僅給出秸稈投入量和有機肥投入量，則秸稈還田的碳投入量按照秸稈投入量的50%計算，有機肥還田的碳投入量按照有機肥投入量的20%計算[59-61]：若僅給出氮投入量，則按照秸稈碳氮比66:1，有機肥碳氮比22:1 計算。本研究設置低年限 (＜11 a)、中年限 (11～21 a)和高年限 (＞21 a)以及低碳投入 (＜3×103kg/hm2，以C 記，下同)、中碳投入 (3×103～4×103kg/hm2)和高碳投入 (＞4×103kg/hm2)，該設定依據本研究所收集數據分布設置。

4）土壤化學指標，包括pH 值、總氮、總磷、總鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、有機碳、顆粒有機碳、礦物結合態有機碳、溶解性有機碳、硝態氮、氨態氮、碳氮比和氨硝比。

5）土壤物理性質，包括容重、孔隙度、大團聚體、微團聚體、淤泥和黏土和平均重量直徑。

6）生物指標，包括微生物量碳、脲酶、轉化酶和微生物熵。以此來對秸稈還田和有機肥還田對黑土的影響進行解釋。

7）有機碳：部分研究報道了有機質，本研究依據式（1）將有機質轉化為有機碳[62]：

式中ISOM為土壤有機質濃度，g/kg；ISOC為土壤有機碳濃度，g/kg。

8）部分研究僅報道了容重，在本研究中依據式（2）將容重轉化為孔隙度[63]：

式中IPD為土壤顆粒密度，一般默認2.65 g/cm3；IBD為土壤容重，g/cm3；IPorosity為土壤孔隙度。

微生物熵按照式（3）進行計算[64]：

式中IqMIC為微生物熵；IMBC為微生物量碳，mg/g；ISOC為土壤有機碳，g/kg。

1.3 數據分析

使用自然對數響應比計算每個觀測值變化的效應[65]：

式中yi為自然對數響應比；Xt為處理組的均值；Xc為對照組的均值。對照組和處理組分別對應所收錄文章中的對照組與處理組。yi方差的計算如下：

式中v為研究內方差；St為處理組的標準差；Sc為對照組的標準差；nt為處理組的樣本數；nc為對照組的樣本數。本研究以加權響應比R++作為累計效應值，按下式計算：

式中τ2為研究間方差?？傮w方差V、總體標準誤SE和95%置信區間C按照如下式計算：

本研究采用隨機效應模型，通過R 軟件 (4.2.2 版本)metafor 包 (3.8-1 版本)中的rma.mv 函數來計算加權效應值R++[66]，并通過線性回歸模型對經秸稈還田處理和有機肥還田處理后的土壤分別量化土壤有機碳與土壤pH 值、土壤總氮、土壤容重和微生物量碳之間的關系，為了確定施肥年限和碳投入是否影響土壤有機碳變化，本研究采用一般線性模型分別對不同年限和不同碳投入條件下的土壤有機碳與土壤pH 值、土壤總氮、土壤容重和微生物量碳之間的關系進行擬合分析。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田和有機肥還田對黑土區土壤肥力及理化性質的影響

不同還田方式對土壤理化性狀影響的Meta 分析結果如圖1 所示。

圖1 秸稈還田和有機肥還田處理的黑土土壤性質的加權響應比Fig.1 Weighted response ratio of the soil properties of mollisols treated by straw return and organic manure return

如圖1 所示，秸稈還田使黑土區的土壤有機碳（14.96%）、總氮（15.03%）、微生物量碳（28.22%）、總磷（20.03%）、速效氮（17.32%）、速效磷（112.00%）、速效鉀（24.83%）、顆粒有機碳（24.24%）、孔隙度（8.29%）和脲酶活性（32.58%）顯著增加。有機肥還田使黑土區的土壤有機碳（42.99%）、總氮（39.97%）、微生物量碳（35.79%）、總磷（74.01%）、速效氮（39.23%）、速效磷（211.33%）、速效鉀（59.77%）、顆粒有機碳（58.76%）、易溶解有機碳（18.14%）、硝態氮（93.83%）、氨態氮（40.32%）、脲酶活性（54.36%）和轉化酶活性（25.53%）顯著增加。其中，秸稈還田處理的土壤有機碳、總氮、總磷含量顯著低于有機肥還田（P＜0.05）。

線性回歸結果表明（圖2），在秸稈還田處理下，土壤總氮的對數響應比和土壤有機碳的對數響應比呈正相關 (R2=0.23，P＜0.05)；而有機肥還田處理下，土壤pH 值的對數響應比和土壤有機碳的對數響應比呈負相關(R2=0.50，P＜0.05)，土壤總氮的對數響應比隨著土壤有機碳的對數響應比增加而增加 (R2=0.45，P＜0.05)。

圖2 秸稈還田和有機肥還田處理的黑土土壤有機碳與土壤pH 值、土壤總氮、土壤容重和微生物量碳之間的關系Fig.2 Relationship between soil organic carbon (SOC) and soil pH,total soil total nitrogen (TN),soil bulk density(BD) and microbial carbon (MBC) treated by straw return and organic manure return

2.2 不同年限秸稈還田和有機肥還田對黑土區土壤有機碳的影響

不同年限兩種還田方式對黑土有機碳的影響見圖3。在低年限的情況下，有機肥還田（23.32%）有機碳含量高于秸稈還田（17.50%），在中年限情況下，有機肥還田（33.89%）有機碳含量依然高于秸稈還田（13.76%），在高年限的情況下，有機肥還田（68.81%）的有機碳顯著高于秸稈還田（15.83%）?？梢钥闯?，隨著處理年限的增加，有機肥還田相較于秸稈還田對于土壤有機碳的增加呈增長趨勢。

圖3 不同年限下秸稈還田和有機肥還田處理的黑土有機碳的加權響應比（R++）Fig.3 Weighted response ratio of soil organic carbon of mollisols treated by straw return and organic manure return under different years (R++)

線性回歸結果表明（表3），在高年限下，有機肥還田處理的土壤pH 與土壤有機碳含量呈負相關關系（P＜0.05）；在中年限下，無論是秸稈還田處理還是有機肥還田處理，土壤總氮含量均隨著土壤有機碳含量增加而增加（P＜0.05）。

表3 不同年限下秸稈還田和有機肥還田處理的黑土土壤有機碳與pH、總氮、容重和微生物量碳的回歸模型Table 3 Regression model of soil organic carbon versus pH,TN,BD and MBC treated by straw manure return and organic manure return under different years

2.3 不同碳投入量秸稈還田和有機肥還田對黑土區土壤有機碳的影響

不同碳投入量兩種還田方式對黑土有機碳的影響見圖4。在低碳投入的情況下，有機肥還田（17.63%）的有機碳含量高于秸稈還田（8.74%），在中碳投入的情況下，有機肥還田（65.62%）有機碳含量顯著高于秸稈還田（20.07%）有機碳含量，在高碳投入的情況下，有機肥還田（35.38%）的有機碳含量仍然高于秸稈還田處理（15.11%）。

圖4 不同碳投入量下秸稈還田和有機肥還田處理的黑土有機碳的加權響應比Fig.4 Weighted response ratio of the soil organic carbon of mollisols treated by straw return and organic manure return under different C inputs

線性回歸結果表明（表4），在低、中碳投入下，秸稈還田處理的土壤pH 值均隨著土壤有機碳增加而增加（P＜0.05）；而在有機肥還田的處理中，只有中碳投入下，土壤pH 值與土壤有機碳含量呈顯著負相關（P＜0.05）；在低碳投入下，無論是秸稈還田還是有機肥還田，土壤總氮均隨著土壤有機碳的增加而增加（P＜0.05），在中碳投入下，有機肥還田處理的土壤總氮仍然和土壤有機碳含量呈顯著正相關關系（P＜0.05）；在中碳投入下，有機肥還田處理的土壤微生物碳含量隨著土壤有機碳含量的增加而減少（P＜0.05），除此之外，均未呈現顯著相關關系（P＞0.05）。

表4 不同碳投入量下秸稈還田和有機肥還田處理的黑土土壤有機碳與pH、總氮、容重和微生物量碳的回歸模型Table 4 Regression model of soil organic carbon versus pH,TN,BD and MBC treated by straw manure return and organic manure return under different C inputs

3 討論

3.1 秸稈還田和有機肥還田對黑土區土壤肥力及理化性質的影響

有機物料在黑土中轉化的過程十分復雜。秸稈投入農田后，需要經過微生物的分解作用才能夠返還到土壤中，為土壤增添有機碳以及氮、磷元素[40]。然而，在黑土區，農田小氣候環境冷涼為主，微生物活性較低，秸稈分解緩慢，碳、氮、磷進入土壤需要很長時間。有機肥以動物糞便為主，含有多種活性有機碳組分，增強了土壤中微生物活性，增加了土壤中養分含量[37]。先前已有LI 等的研究結果與之相對應[6,26]，本研究利用Meta 分析的方法發現，秸稈還田處理的土壤有機碳、總氮、總磷含量顯著低于有機肥還田（P＜0.05），該結果證明在黑土區，與秸稈還田相比，有機肥還田總體上更利于土壤碳固存。回歸分析進一步揭示了其中機制，首先，土壤pH 值的降低，伴隨著土壤有機碳含量的增加，這主要是由于土壤pH 值的變化影響了微生物活性[67]，進而影響有機質的分解。此外，秸稈還田和有機肥還田呈現同一規律，即土壤總氮含量增加，土壤有機碳含量也隨之增加，這表明秸稈還田和有機肥還田過程中的有機碳投入增加了土壤有機碳固存，有助于土壤有機碳庫和氮庫的建立[22]。

3.2 秸稈還田和有機肥還田對黑土區土壤活性有機碳含量的影響

土壤活性有機碳是有機碳中最為活躍的部分，是土壤有機碳變化的指示劑，在不同有機物料還田情況下，土壤活性有機碳含量較之有機碳變化更為敏感[68-69]。有機肥進入黑土，向土壤中添加了碳素，為微生物提供了生長所需養分，使得土壤微生物活性得到加強，將外源碳轉化為活性碳，進而增加了土壤中活性碳組分[40,70]；秸稈還田為土壤提供了含碳基質，殘渣分解產生可溶性有機碳，增加了土壤碳素，提高了土壤養分含量，提供了有利于微生物生長的條件，使得微生物量碳增加[71-72]。在QIU 等[19]的研究中，有機肥還田的土壤POC、DOC增加，且顯著高于秸稈還田。在HE 等[22]的研究中，有機肥還田的土壤MOC、MBC 增加，同樣顯著高于秸稈還田。本研究得到了與前人較為一致的研究結果，有機肥還田使得土壤POC、DOC、MBC 顯著增加，秸稈還田的土壤POC、MBC 同樣呈顯著增加的結果，并且有機肥還田處理的土壤活性有機碳含量高于秸稈還田處理，原因主要是秸稈與有機肥碳組分存在差異，其中有機肥本身易分解的特質，使得土傳微生物群落被激活，土壤活性有機碳含量增加[73]。

3.3 秸稈還田和有機肥還田對黑土區土壤的影響受施肥年限和碳投入因素影響

隨著施肥年限的增加，有機肥還田較于秸稈還田對于土壤有機碳含量的增加呈增長趨勢。有機物料投入土壤后，伴隨著微生物的分解，碳被固定在土壤中。然而黑土的高本底值，伴隨著秸稈的長期投入，可能達到碳飽和水平，導致土壤有機碳含量不再增加[74-75]。已有秸稈還田和有機肥還田相關研究表明，長期施肥可以使黑土土壤有機碳含量增加[20,34]。這在本研究中也得到了體現，有機肥的投入會顯著增加土壤有機碳含量，隨著施肥年限的增加，土壤有機碳含量依然增加 。原因主要是有機肥中富含微生物，為碳固定創造了新的點位。且有機肥利于團聚體的形成，其相對較大的比表面積更容易吸附土壤碳，使得土壤有機碳固存增加[5]。回歸分析結果表明，在中年限下，無論是秸稈還田處理還是有機肥還田處理，土壤總氮含量均隨著土壤有機碳含量增加而增加（P＜0.05）。而在高年限下，有機肥還田處理的土壤pH 值與土壤有機碳含量呈負相關關系（P＜0.05）。有相關研究表明，不同地區、耕作方式導致土壤微生物適宜pH 值有所不同，隨著施肥年限的增加，土壤微生物得到補充，土壤pH 值變化，有機肥效果得到體現，進而增加土壤有機碳固存[76]。

根據微生物化學計量比，秸稈的碳氮比約為66:1，其含碳量高，有利于有機碳積累[26]。而有機肥的碳氮比貼近于微生物分解所需碳氮比25:1，含碳量較秸稈低，更有利于外源碳礦化，因而在中碳投入的情況下，可以更有效的補充黑土中的有機碳[77]。先前已有研究報道，碳投入量會影響土壤有機碳含量[76]。在本研究中，中碳投入的條件下，有機肥還田有機碳含量（0.66%）顯著高于秸稈還田有機碳含量（0.20%），在低、高碳投入的情況下，有機碳含量差異不顯著。這進一步揭示了碳投入過低或過高均不利于土壤有機碳恢復。其中不同碳投入的回歸分析結果表明，在低、中碳投入下，秸稈還田處理的土壤pH 值均隨著土壤有機碳增加而增加（P＜0.05），在有機肥還田處理的中碳投入下，土壤pH 值與土壤有機碳含量呈顯著負相關（P＜0.05），說明合理的還田量，可以調節土壤pH 值，增加微生物、酶活性，進而加快有機物料分解，促進養分轉化[76]；在低、中碳投入下，無論是秸稈還田還是有機肥還田，土壤總氮均隨著土壤有機碳的增加而增加（P＜0.05），該結果進一步應證了秸稈還田對于黑土土壤有機碳的恢復效果受碳氮比限制；在中碳投入下，有機肥還田處理的土壤微生物碳含量隨著土壤有機碳含量的增加而減少（P＜0.05），原因主要是有機肥的投入向土壤中增加了部分氮素，而在氮素充足的環境中，會促進微生物的分解代謝而非合成代謝，微生物利用需要消耗更多能量[77]，該結果也為中碳投入下，有機肥還田使得黑土土壤有機碳含量增加效果最好，這一結果加以應證。

4 結論

本研究采用Meta 分析方法，整合分析不同有機物料還田對黑土土壤有機碳固存的影響，得出以下結論：

1）秸稈還田與有機肥還田均顯著增加土壤有機碳、總氮、總磷含量，其中有機肥還田處理的土壤有機碳、總氮、總磷含量顯著高于秸稈還田。有機物料還田為黑土土壤帶來了大量有機質，提供了養分支撐?？偟膩砜?，有機肥還田對于土壤肥力的提升效果更好。

2）有機肥還田還使得土壤顆粒有機碳、易溶解有機碳顯著增加，秸稈還田的土壤易溶解有機碳也顯著增加。有機肥中含有所有有機碳組分，增加了活性有機碳含量，秸稈同樣為黑土土壤提供了不同有機碳組分，但有機肥還田處理的土壤活性有機碳含量高于秸稈還田，表明有機肥還田更有利于土壤有機碳固存的增加。

3）隨著施肥年限的增加，有機肥還田對于土壤有機碳的增加高于秸稈還田，在中碳投入（3×103～4×103kg/hm2，以C 計）的情況下，有機肥還田的土壤有機碳含量高于秸稈還田，揭示了有機物料還田受施肥年限和碳投入因素制約。并且施肥時間越長，有機肥還田的效果越好，使得土壤有機碳增加，由于碳氮比及碳飽和的限制，有必要通過控制有機物料還田的碳投入量來達到更好的土壤有機碳恢復效果。