2022, Vol. 54
土壤是陆地生态系统的最大碳库[1]，其碳储量约为大气碳库的3.3倍[2]，土壤碳库的微小变化可导致大气中CO2浓度的波动[3-4]，从而影响全球气候。我国农田土壤有机碳(SOC)含量较低[5]，具有较高的固碳潜力[6-7]，增加农田土壤碳库容量，对于缓解气候危机具有重要意义[8]。
施肥对提升农田SOC含量具有重要意义[9]，但现有田间试验结果相互矛盾。例如，徐虎等[10]在山西省玉米田试验中发现，秸秆覆盖还田和粉碎还田可降低0 ~ 100 cm土层的SOC含量，但秸秆过腹还田表现出增加作用；蓝贤瑾等[11]在江西省双季稻田试验中得出，长期施肥主要通过改善农田SOC组分(如烷基碳、烷氧碳等)以及促进土壤微生物繁殖和活性，一定程度上加快了农田SOC的物质循环，进而提升了SOC含量。但这些独立的研究结果，仅代表在特定地理气候区和实验条件下的情况，不能全面反映施肥对农田SOC固定效应。
Meta分析对整合结果不一致的同类研究方面有较好的应用。Lu[12]利用Meta分析法研究得出较长期的有机肥化肥配施可有效提升农田SOC含量，但该研究未分析比较不同土壤初始理化性质(初始SOC、初始全氮等)和作物轮作方式下施肥对SOC含量增幅的影响；田康等[9]利用Meta分析法研究了不同施肥处理对我国旱地SOC含量变化的影响，得出SOC含量随时空变化而不同的结论，但该研究不包含旱地以外的其他土壤类型，研究结论具有一定的局限性。因此，本研究制定严格的文献收集筛选条件，从田间试验中英文文献中提取有效试验数据，采用Meta分析法研究土壤初始理化条件、地理气候条件等生态环境因素以及作物轮作、施肥量等人为影响因素对我国农田土壤的固碳效应，以达到增强农田土壤固碳能力的目的。
1 材料与方法 1.1 数据来源本研究从中国知网、Science Direct、Web of Science核心合集数据库和Google Scholar中，以土壤有机碳(SOC)、土壤有机质(SOM)、化肥(NPK，inorganic fertilizer)、有机肥(NPKM，Organic fertilizer)、牛粪(cow manure)、鸡粪(chicken manure)、猪粪(pig manure)和施肥(fertilization)等为检索词进行文献检索。文献筛选标准为：①研究区域为试验地点可定位的中国大田试验；②试验至少设置3个重复；③试验周期≥3 a；④有试验地点的主要气候条件(年平均温度、降雨量)；⑤有试验起止的土壤有机碳(或有机质)含量数据；⑥有无机肥、有机肥的施氮量数据，或可以通过文献数据计算得出；⑦对于多篇试验数据重复的文献，只保留数据最完整的一篇。以不施肥组(NF)为对照组(CG)，以单施化肥组(CF)、单施有机肥组(OF)和有机肥化肥混施组(COF)为处理组(TG)，采用Excel 2016建立信息表，包含年均降雨量、年均气温、肥料类型、施肥量、试验初始SOC和初始全氮(TN)含量、试验末期SOC含量、土壤碳库等信息，表 1为所收集文献的部分信息。
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表 1 文献中田间试验信息 Table 1 Information of field experiments in published references |
经筛选整理，最终得到符合标准的文献27篇、有效数据102对。试验地点主要分布在我国东北、华北、华中、华东、西北和西南地区，各文献的SOC采样深度主要集中在农田0 ~ 20 cm表层土。若文献中土壤碳库以SOM形式表示，将SOM值乘以转换系数0.58转换为SOC值[39-40]；采用Metawin 2.1对提取数据进行Meta分析，采用Origin Pro 2017对Meta分析结果绘图。
1.2 数据分析 1.2.1 效应值选取本研究选取随机效应模型，考虑到CG组的SOC变化效应[41]，将按照式(1)计算得到的SOC年净变化量(NAC)作为效应值：
| $ {\text{NAC}} = \frac{{{{({\text{SO}}{{\text{C}}_t} - {\text{SO}}{{\text{C}}_0})}_{{\text{TG}}}} - {{({\text{SO}}{{\text{C}}_t} - {\text{SO}}{{\text{C}}_0})}_{{\text{CG}}}}}}{t} $ | (1) |
式中：SOCt和SOC0分别为TG组和CG组的试验末期和初始SOC含量(g/kg)，t为试验周期(a)。
1.2.2 效应值的95% 置信区间计算因有多篇文献缺少试验结果的标准差，对此，按照式(2)得到各有效数据对的权重w[42]。
| $ W = \frac{{{N_{{\text{CG}}}}{N_{{\text{TG}}}}}}{{{N_{{\text{CG}}}} + {N_{{\text{TG}}}}}} $ | (2) |
式中：NCG、NTG分别为CG组和TG组试验的重复次数。
采用Metawin 2.1中自助法(Bootstrap)通过64 999次迭代计算得出效应值的95% 置信区间。若95% 置信区间不与0重合，表明该处理对SOC含量影响具有显著效应(P < 0.05)。
1.3 亚组分析由于不同农田所处气候条件存在较大差异，且土壤初始理化性质、土壤管理措施和试验周期均影响SOC含量变化，因此，按照表 2所示的分组方法对各种影响因素进行亚组分析，亚组满足至少有10条研究数据或至少来自3篇独立研究文献则结果可信[43-44]。若各分组合并效应值的95% 置信区间不重合，说明分组间具有显著差异[45]。
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表 2 亚组分组方法 Table 2 Subgrouping analysis for Meta-analysis |
肥料类型和施肥量对农田SOC的影响见图 1。其中，COF组有机肥替代化肥的平均比例为46.94%(10% ~ 78.74%)。由图 1得出，以不施肥为对照，施肥处理总体的农田SOC含量变化率为0.23 g/(kg·a)。对总体按照施氮量 < 200 kg/hm2和≥200 kg/hm2进行亚组分析得出，两种施氮量条件下的农田SOC含量变化率分别为0.13和0.26 g/(kg·a)，且二者之间差异显著；对总体按照肥料类型CF、COF和OF进行亚组分析得出，3种施氮量条件下的农田SOC含量变化率分别为0.08、0.36和0.32 g/(kg·a)，其中，CF和COF、OF分别差异显著，而COF和OF间差异不显著。
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(Total表示不考虑施肥量，仅按照肥料类型分组的各组样本均值；误差线为用Bootstrap方法得到的95% 置信区间，误差线上数字代表样本量，下同) 图 1 肥料种类和施肥量对SOC含量的影响 Fig. 1 Effects of fertilizer types and fertilizing rate on SOC content |
进一步比较相同肥料类型下不同施氮量的效应值得出，高施氮量(≥200 kg/hm2)比低施氮量(< 200 kg/hm2)均能增加农田SOC含量，对OF组和CF组，不同施氮量的影响具有显著差异，而COF组的差异不显著；同时考虑肥料类型和施氮量两种因素的影响得出，CF组和OF组的4个亚组(CF < 200、CF≥200、OF < 200和OF≥200)具有显著差异，CF组的2个亚组(CF < 200、CF≥200)对于COF的两个亚组(COF < 200、COF≥200)分别具有显著差异，COF组的高施肥量亚组(COF≥200)与OF组的低施肥量亚组(OF < 200)之间具有显著差异。
2.2 影响施肥固碳作用的因素 2.2.1 气候因素年均气温对施肥固碳效果的影响见图 2。由图 2可知，对于年均气温 < 9 ℃和≥9 ℃的情况，施肥处理总体均显著增加农田SOC含量，变化率分别达到0.37和0.21 g/(kg·a)。分析CF、COF和OF各种施肥处理组内不同温度亚组间的情况发现，均不具有显著差异；分析3种施肥处理组在年均温度≥9 ℃下的情况得出，CF组的SOC含量变化率最低(0.07 g/(kg·a))，且与COF组和OF组都具有显著差异，而COF与OF组间差异不显著。
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图 2 年平均温度对SOC含量的影响 Fig. 2 Effect of mean annual temperature on SOC content |
年均降水量对施肥固碳效果的影响见图 3。由图 3可知，对于年均降水量为211 ~ 300、≥300 ~ 800和≥800 ~ 1 727 mm的情况，施肥处理总体均能显著增加农田SOC含量，变化率分别为0.36、0.20和0.23 g/(kg·a)，但不同降雨量之间不具有显著差异。同时，CF、COF和OF各施肥处理组内不同降水量之间也不具有显著差异；对于年均降水量为≥300 ~ 800和≥800 ~ 1 727 mm两种情况下，CF和COF、OF分别差异显著，而COF和OF间差异不显著。
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图 3 年平均降水量对SOC含量的影响 Fig. 3 Effect of mean annual precipitation on SOC content |
农田初始SOC和TN含量对试验末期农田SOC含量的影响见图 4和图 5。从图 4可知，对于施肥处理总体，农田初始SOC含量 < 11 g/kg和≥11 g/kg两种情况下的SOC含量变化率分别为0.18和0.31 g/(kg·a)，且两者间差异显著；对于不同施肥处理组，CF组和COF组组内不同初始SOC亚组之间不具有显著差异，而OF组随初始SOC含量增加，SOC含量变化率具有下降趋势。分析不同施肥处理组之间的情况，在初始SOC含量 < 11 g/kg时，CF处理的农田SOC含量变化率最低(0.07 g/(kg·a))，OF处理的最高(0.35 g/(kg·a))，同时CF与OF和COF均具有显著差异，COF和OF处理差异不显著；在农田初始SOC含量≥11 g/kg时，COF处理SOC含量变化率最高(0.43 g/(kg·a))，并与CF差异显著，而CF与OF处理间差异不显著。
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图 4 土壤初始有机碳对SOC含量的影响 Fig. 4 Effect of initial SOC content on SOC content |
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图 5 土壤初始全氮对SOC含量的影响 Fig. 5 Effect of initial STN content on SOC content |
从图 5可知，对于施肥处理总体，农田初始TN含量 < 0.60 g/kg和≥0.60 g/kg两种情况下，施肥处理的SOC含量变化率分别为0.22和0.24 g/(kg·a)，但两者间差异不显著。当农田初始TN含量 < 0.60 g/kg时，CF、COF和OF处理对农田SOC含量变化率分别为0.09、0.32和0.37 g/(kg·a)，其中CF与OF处理差异显著；当农田初始TN含量≥0.60 g/kg时，CF、COF和OF处理SOC含量变化率分别为0.06、0.37和0.26 g/(kg·a)，其中CF与COF处理差异显著。
2.2.3 轮作制度不同轮作制度下，施肥对土壤有机碳固定的影响如图 6所示。从图 6可知，对于作物轮作和非轮作两种轮作制度，施肥处理总体上SOC含量变化率分别为0.20和0.28 g/(kg·a)，但二者差异不显著。对于不同施肥处理组，在作物轮作条件下，OF、CF和COF处理均显著增加农田SOC含量，其中OF处理的SOC含量变化率(0.40 g/(kg·a))相比CF处理的(0.06 g/(kg·a))显著较高；而在非作物轮作条件下，CF、COF和OF处理下农田SOC含量变化率分别为0.09、0.43和0.20 g/(kg·a)，其中，CF与COF差异显著，而COF和OF之间差异不显著。
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图 6 轮作制度对SOC含量的影响 Fig. 6 Effect of crop rotation on SOC content |
作物养分需求范围内，单独多施化肥或有机肥均比少施肥可以显著提高农田SOC含量，而化肥有机肥配施的固碳效果最佳。分析认为，多施有机肥或化肥均可通过促进作物根系生长来提升SOC含量[37]，而施有机肥不仅直接向土壤补充有机质，还可改善土壤团聚体结构[46]，但有机肥释放养分的速率较慢[47]，配施化肥可以长效补充土壤养分，因而取得最佳SOC增加效果。
3.2 施肥固碳作用的影响因素分析 3.2.1 自然气候因素施肥处理总体在年均温度较低时表现出较高的土壤固碳效果。温度升高可明显提高微生物的呼吸作用强度，促进SOC的分解[48]。但在较高温度条件下，施用有机肥比单施化肥可以显著提升SOC含量(图 2)，表明施有机肥可以补给由于温度升高而导致的土壤碳库流失。
在低降水量条件下，施肥处理的固碳速率较高。降水量主要通过土壤含水率影响SOC含量[49]，土壤在含水率低时通气性较好，好氧微生物活性高，分解SOC作用强，从而不利于SOC积累[50]。我国降水量分布南多北少，呈现显著区域性特征[50]，表明我国北方地区的施肥处理可取得较好的土壤固碳效果。
3.2.2 农田土壤初始碳氮含量初始SOC含量较低的土壤，其固碳速率相对较高。当农田初始SOC含量远低于土壤饱和碳库值时，农田SOC固定效应强于分解效应，显示出较高的SOC含量增速；而当农田初始SOC含量较高甚至接近碳库饱和值时，土壤固碳潜力变小，SOC固定量与分解量趋于接近，SOC含量增速降低甚至达到平衡状态[51-52]。
在土壤初始全氮含量较高情况下，施有机肥相比单施化肥可以显著提高SOC含量。崔宏浩等[53]、陈瑞州等[51]研究均指出有机肥相比化肥，可以显著调节土壤碳氮比，促进微生物代谢和繁殖作用更强，从而更有利于SOC周转。因此，土壤全氮含量较高时，通过施有机肥保持土壤碳氮比例平衡，可能是提升SOC含量的有效措施。
3.2.3 作物轮作作物轮作条件下施有机肥比单施化肥更有利于SOC含量增加(图 6)。作物轮作使土壤养分周转均衡，此时因有机肥较化肥更有利于作物根系发育[52]，每季作物收获后，土壤中保留有更多作物根茬，从而增加土壤SOC含量。
4 结论施肥可以显著提高我国农田0 ~ 20 cm的SOC含量，在作物生长养分需求范围内，单独多施化肥或有机肥能促进土壤固碳，而有机肥化肥配施则固碳效果最佳。此外，较低的年均温度有利于农田SOC含量增加，而较高的土壤初始全氮含量和轮作制度下施加有机肥有利于土壤固碳。综上，在不同的施氮量、年平均温度和降水量、初始SOC含量和轮作制度条件下，施肥对农田SOC含量的影响不同，本研究结果可为今后合理制定农田施肥措施、增加土壤碳库提供科学依据。
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