秸秆还田下中国农田土壤微生物生物量碳变化及其影响因素的Meta分析.pdf

生态环境学报 2023,32(9):1552-1562 http:/ Ecology and Environmental Sciences E-mail: 基金项目：农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室开放基金项目（FECPP202001）；安徽省重大科技专项（202003b06020021）；安徽农业大学智慧农业研究院开放基金课题（IAR2021A01）；安徽省现代农业产业技术体系建设专项资金（340000222426000100009）作者简介：唐志伟（2000 年生），男，硕士研究生，研究方向为作物生理生态。E-mail:*通讯作者：陈翔。E-mail: 李金才。E-mail: 收稿日期：2023-07-27 秸秆还田下中国农田土壤微生物生物量碳变化 及其影响因素的 Meta 分析 唐志伟1，翁颖1，朱夏童1，蔡洪梅1，代雯慈1，王捧娜1，郑宝强1，李金才1,2*，陈翔1*1.安徽农业大学农学院/农业部华东地区作物栽培科学观测站，安徽 合肥 230036；2.江苏省现代作物生产协同创新中心，江苏 南京 210095 摘要：秸秆还田能改变农田土壤微生物生物量碳（Soil Microbial Biomass Carbon，SMBC）含量，分析秸秆还田条件下SMBC 含量变化及其相关影响因素，对理解秸秆还田下土壤养分周转与碳循环机制具有重要意义。基于中国知网和 Web of Science 数据库 20012022 年公开发表的 68 篇文献，建立了 839 组包含秸秆还田和秸秆不还田下 SMBC 含量的数据库，按照气候类型、种植方式、耕作方式、秸秆种类、施氮量、秸秆还田量进行分组，采用Meta分析对秸秆还田条件下SMBC含量变化的特征进行综合分析。结果表明，与秸秆不还田相比，1）秸秆还田显著提升SMBC含量（51.4%，置信区间为0.3730.654），且对不同土层 SMBC 含量的提升效果不同，浅层和深层 SMBC 含量分别提升 47.9%和 42.7%。2）秸秆还田下温带季风气候区和亚热带季风气候区 SMBC 含量分别增加 71.0%和 35.8%，但在温带大陆气候区对 SMBC 含量影响表现出显著负效应，降低幅度为 35.6%。3）不同耕作方式下旋耕（99.2%）对 SMBC 含量的增幅影响最为明显，约为常规耕作和免耕下的 2.4 倍和 4 倍。4）旱地秸秆还田 SMBC 含量的增幅明显高于稻田。玉米秸秆对 SMBC 含量的响应度最高，增幅达到 99.5%，水稻秸秆次之，增幅为 30.8%；小麦秸秆最低，降低幅度为 5.8%。5）施氮量对 SMBC 含量增幅在34.5%183.9%之间，0100 kghm2和 101225 kghm2施氮量下秸秆还田可显著提升 SMBC 含量，而在 226325 kghm2和 326425 kghm2施氮量下秸秆还田对 SMBC 含量的影响表现出显著的负效应；6）对于秸秆还田量而言，当秸秆还田量 9 000 kghm2时增幅 44.2%，但 SMBC 含量的增幅表现出随着秸秆还田量的增加呈递减趋势。由此可见，不同的气候类型、种植方式、耕作方式、秸秆种类、施氮量、秸秆还田量等条件下，秸秆还田对中国农田 SMBC 含量的影响存在显著差异。关键词：秸秆还田；气候类型；耕作方式；施氮量；土壤微生物生物量碳；Meta 分析 DOI:10.16258/ki.1674-5906.2023.09.002 中图分类号：S513;S154.36;X172 文献标志码：A 文章编号：1674-5906（2023）09-1552-11 引用格式：唐志伟,翁颖,朱夏童,蔡洪梅,代雯慈,王捧娜,郑宝强,李金才,陈翔,2023.秸秆还田下中国农田土壤微生物生物量碳变化及其影响因素的 Meta 分析J.生态环境学报,32(9):1552-1562.TANG Zhiwei,WENG Ying,ZHU Xiatong,CAI Hongmei,DAI Wenci,WANG Pengna,ZHENG Baoqiang,LI Jincai,CHEN Xiang,2023.Meta-analysis of soil microbial mass carbon and its influencing factors in farmland in china under straw return J.Ecology and Environmental Sciences,32(9):1552-1562.作为农业大国，近年来中国主要农作物秸秆年产量约为 9109 t。农作物秸秆含有大量有机质、氮、磷、钾以及丰富的中、微量元素，秸秆经土壤微生物降解后可改良土壤，培肥地力（杜为研等，2020；高忠坡等，2022）。作为分解者，土壤微生物不仅是生态系统的重要组分，也是衡量农田生态系统物质和能量循环的重要指标之一，参与土壤碳循环、矿化等多种反应，对土壤养分有着极其重要的作用（何振立，1997；徐光辉等，2018）。土壤微生物生物量是指土壤中活的微生物总量，主要是细菌、真菌和放线菌，一般包括微生物生物量碳（Soil Microbial Biomass Carbon，SMBC）、微生物生物量氮、微生物生物量磷和微生物生物量硫，土壤微生物生物量的变化能敏感反映出土壤养分的变化，并有效表征土壤有机质的代谢强度（李春越等，2020）。SMBC唐志伟等：秸秆还田下中国农田土壤微生物生物量碳变化及其影响因素的 Meta 分析 1553 可用来反应土壤理化性质及微生物活性，在维持土壤生态平衡方面发挥着至关重要的作用（Zhao et al.，2018；Crystal-ornelas et al.，2021；崔乔，2022；李威闻等，2023）。整合分析（Meta-analysis）秸秆还田对中国农田 SMBC 含量的影响，将有助加深秸秆还田对土壤养分周转与碳循环机制的认知，为探明秸秆养分与氮素的协同关系以及不同还田模式、秸秆还田量大小对土壤微观环境的影响提供参考依据。研究表明秸秆还田能增加SMBC含量，提高土壤肥力和作物产量（韩新忠等，2012；郭成藏等，2015；潘孝晨等，2019；Cong et al.，2020；Liu et al.，2022）。潘孝晨等（2019）在湖南宁乡的试验得出翻耕和旋耕秸秆还田处理能增加 SMBC 含量，免耕结合秸秆还田却不利于 SMBC 含量的增长。Cong et al.（2020）在辽河平原的研究表明，短期连续秸秆还田对 SMBC 含量有明显的提升效果。Liu et al.（2022）发现秸秆还田下氮素输入可在短时间内迅速刺激土壤微生物活性，提高微生物的固碳能力从而增加 SMBC 含量，但过量氮素投入反而会降低 SMBC 含量。韩新忠等（2012）在江淮平原的试验表明半量秸秆还田下 SMBC 含量增幅最大，而全量秸秆还田 SMBC 增幅反而降低。目前，关于秸秆还田对 SMBC 含量的影响大多是从单个因素考虑，且大部分是特殊情况下的定位试验，少有结合气候栽培管理方式来进行研究，研究结果不具有普适性。本研究采用整合分析，对中国范围内秸秆还田不同试验条件下的SMBC含量进行整合分析，探究秸秆还田对 SMBC 含量的影响。研究在检索国内外期刊发表的中国区域内秸秆还田对 SMBC 含量影响论文的基础上，运用 Meta分析，定量分析不同气候类型、种植方式、耕作方式、秸秆种类、施氮量、秸秆还田量对SMBC含量的影响，以期探明不同土层SMBC含量在不同秸秆还田模式下响应的差异性，为中国秸秆资源高效利用和科学还田提供理论依据。1 材料与方法 1.1 数据收集 为全面完整展示中国区域内秸秆还田条件下不同土层 SMBC 含量的变化规律，本研究所有数据均来自于中国知网（CNKI）和Web of Science文献数据库，并以“秸秆还田、Straw returning”和“土壤碳库、土壤有机碳、土壤微生物生物量碳、Soil carbon pool、soil organic carbon、soil microbial biomass carbon”2 套文献检索词用于文献检索，收集 20012022 年间公开发表中国区域 SMBC 含量的文献。所有数据均包含以下几套标准：1）文中试验为中国范围内的大田试验；2）同一试验至少需要包含一对试验组（秸秆还田）和对照组（秸秆不还田），并且除试验组和对照组以外，其余试验要求也全部相同；3）试验处理重复数3，且每组数字包含平均值、标准差及样本数；4）数据包中含可能用于直接计量的信息。对于每个试验，获取以下亚组数据信息：气候类型、种植方式、耕作方式、秸秆种类、施氮量、秸秆还田量。1.2 数据分析方法 本文通过 CNKI 和 Web of Science 文献数据库，共收集到符合要求的研究论文 68 篇，得到SMBC 数据 839 条（表 1）。使用 Microsoft Excel 2019 记录文献数据，数据提取使用 Origin 2021，所有数据用 R 中 Meta 分析包进行分析。每组数据都应包括平均值、标准差及样本数。如果文献中给出的结果为标准误差，则可通过公式（1）加以换算（Geisseleer et al.，2014），ce=SSN（1）式中：Sc标准差；Se标准误差；N重复数。统计学参数采用响应比表示。其计算公式（Hedges et al.，1999）如下：R=Xt/Xc（2）式中：R统计学参数采用响应比；Xt和XcSMBC处理组数据和对照组数据的平均值。在整合分析的进程中，需要通过加权响应比来反映秸秆还田对 SMBC 的效应值，计算公式表 1 数据分组情况 Table 1 Data grouping 土壤深度 气候类型 种植方式 耕作方式 秸秆种类 施氮量 秸秆还田量 总体(839)温带大陆气候(54)稻田(324)旋耕(247)玉米(355)0100(143)20(92)亚热带季风气候(301)免耕(44)水稻(218)226325(172)9000(47)括号中为样本数。下同 1554 生态环境学报 第32卷第9期（2023年9月）（吕春玲等，2022）如下：1111=mkiijijmkiijijRHw=（3）式中：H加权响应比；m组数；k第 i 个组比较的次数；w权重。加权响应比的标准误差计算公式如下：111=HmkiijijSw=（4）式中：SH加权响应比的标准误差 95%置信区计算公式如下：Z=H1.96S(H)（5）式中：Z95%置信区间。平均值变异系数计算公式如下：22ct22cctt=SSVN XN X+（6）式中：V平均值变异系数；Nt和 NcSMBC 处理组数据和对照组数据变量重复数；St和 ScSMBC 处理组数据和对照组数据标准差。W=1/V（7）式中：W权重系数。增幅与增幅的 95%置信区间的计算为公式（杨欣润等，2020）如下：E=(eH1)100%（8）式中：E增幅。对数据进行敏感性分析，剔除不可用数据，在整合分析合并计数资料的响应比得出加权平均响应前，需确定试验结论处理间及各试验结论是否存在异质性（偏倚性）（杨欣润等，2020；吕春玲等，2022），采用 Egger tests、Nfs 对本试验进行异质性检验（Egger et al.，1997；Hedges et al.，1999）。经 Egger检验得到 SMBC 数据的相关检验结果为 P0.1，则采用固定效应模型，反之则采用随机效应模型，本文采用随机效应模型。2 结果 2.1 秸秆还田对中国农田不同土层 SMBC 含量的影响 在所有 839 对比较中，SMBC 的加权响应比为0.514，置信区间为 0.3730.654，整合分析表明SMBC 含量对秸秆还田比较敏感（图 1a）。由图 (a)SMBC 加权响应比分布图 (b)不同土层 SMBC 含量的加权响应比 点和误差线分别代表增幅及 95%的置信区间，如果 95%的置信区间没有跨越零线表示处理与对照存在显著差异；若在某一分组下95%置信区间的横线之间无重叠，可认为所研究因素之间存在差异显著的统计学关联。*表示显著影响。下同 图 1 不同土层 SMBC 对秸秆还田的响应 Figure 1 Response of SMBC in different soil layers to straw return to field 唐志伟等：秸秆还田下中国农田土壤微生物生物量碳变化及其影响因素的 Meta 分析 1555 1b 可知，秸秆还田处理较秸秆不还田处理的SMBC 含量增幅可达 51.4%。不同土层的 SMBC含量增幅存在差异性，浅层和深层 SMBC 含量增幅分别达 47.9%和 42.7%。2.2 气候类型对秸秆还田条件下 SMBC 含量的影响 不同气候类型下，秸秆还田对不同土层SMBC含量的影响存在差异性，亚热带季风气候和温带大陆气候下深层 SMBC 含量增幅差异显著，而在温带季风气候下不同土层之间无明显差异（图2）。在温带季风气候区和亚热带季风气候区，秸秆还田处理较不还田处理总体 SMBC 含量分别显著提高 70.0%和 35.8%；而在温带大陆气候区，秸秆还田下总体 SMBC 含量显著降低了 35.6%。因此，温带季风气候区气候类型下秸秆还田对SMBC含量提升效果最明显。对于浅层土壤而言，气候类型对浅层 SMBC 含量影响和总体趋势相似，温带季风气候和亚热带气候下增幅为 60.6%和35.8%，温带大陆气候下表现出负效应，降低幅度为 1.6%；但对深层土壤而言，温带大陆气候和温带季风气候下秸秆还田可使 SMBC 含量显著增加129.8%和 61.7%，但在亚热带季风气候下表现出显著负效应，下降幅度为 67.7%。2.3 旱地与稻田对秸秆还田条件下 SMBC 含量的影响 旱地秸秆还田仅可显著提升浅层 SMBC 含量，但稻田秸秆还田对浅层和深层 SMBC 含量均可显著提升（图 3）。旱地秸秆还田相较于秸秆不还田对总体和浅层SMBC含量的增幅分别为51.2%和50.3%，但对深层土壤SMBC含量却无显著提升效应；稻田秸秆还田可显著提升总体和浅层SMBC含量，增幅分别为 40.0%和 23.8%，且稻田区别于旱地，对深层 SMBC 含量有极为明显的提升效应，增幅可达 168.4%。2.4 耕作方式对秸秆还田条件下 SMBC 含量的影响 不同耕作方式下除旋耕对深层土壤 SMBC 影响不显著外，其他耕作方式对不同土层 SMBC 含量的影响都较为显著，且旋耕和翻耕对 SMBC 含量的增幅显著高于深耕和免耕（图 4），旋耕和翻耕对 SMBC 含量增幅分别为 99.2%和 41.2%，对浅层 SMBC 含量增幅分别为 96.4%和 31.6%，旋耕对 图 3 不同种植模式下秸秆还田对 SMBC 含量的增幅 Figure 3 Effects of straw returning to field to SMBC content under different planting modes 右边数字为不同处理对应的 SMBC 增幅。下同 图 2 不同气候类型下秸秆还田的 SMBC 差异 Figure 2 Effects of SMBC to straw returning under different climate types 1556 生态环境学报 第32卷第9期（2023年9月）浅层 SMBC 含量增幅约为翻耕的 3.1 倍，但翻耕对于深层 SMBC 含量增幅却高于旋耕，翻耕对深层SMBC 含量增幅达到 157.9%，旋耕为 32.0%。此外，免耕和深耕均不利于 SMBC 含量增长，免耕对总体和浅层 SMBC 含量的降幅为 75.1%和96.9%，深耕会破坏土壤结构，故对总体和浅层SMBC 含量降幅更大，达到 146.0%和 177.8%，由于深耕和免耕下深层 SMBC 含量的研究较少，本研究无法得出比较。2.5 不同秸秆对秸秆还田条件下 SMBC 含量的影响 不同种类的还田秸秆中水稻秸秆和玉米秸秆还田均能显著增加 SMBC 含量，而小麦秸秆无显著增加效应（图 5）。玉米秸秆对总体 SMBC 含量响应度最高，增幅达到 99.5%，水稻秸秆对总体SMBC 含量的增幅次之，增幅 30.8%，而小麦秸秆对总体 SMBC 含量的增长有负面影响，降低5.7%。不同秸秆对浅层 SMBC 含量和总体含量也大致类似，玉米秸秆增幅 88.9%，水稻秸秆次之为8.2%，小麦秸秆最差为8.1%。对比不同秸秆对深层 SMBC 含量的影响发现，水稻秸秆大于玉米秸秆对深层 SMBC 含量增幅，水稻秸秆还田增幅44.9%，玉米秸秆仅增幅 17.8%，小麦秸秆对深层SMBC 含量的影响由于样本量过少而无法得出。2.6 施氮量对秸秆还田条件下 SMBC 含量的影响 比较不同施氮量对秸秆还田条件下 SMBC 含量的影响发现，施氮量较低的情况下不同土层SMBC含量之间差异显著，随着施氮量的增大差异逐渐减小（图 6）。施氮量对 SMBC 含量增幅在34.5%183.9%之间，0100 kghm2和101225 kghm2施氮量下秸秆还田可显著提升 SMBC 含量，而在 226325 kghm2和 326425 kghm2施氮量下秸秆还田对 SMBC 含量的影响表现出显著的负效应，施氮量 0100 kghm2时秸秆还田对SMBC 含量增长幅度最大达 183.9%，是 101225 kghm2范围内的 4.1 倍，而施氮量在 226325、326425 kghm2时，秸秆还田对 SMBC 含量的增幅分别为26.0%和34.5%。明显可看出秸秆还田下 SMBC 含量的增幅随着施氮量增加而逐渐降低，当施氮量大于 225 kghm2，秸秆还田会降低SMBC含量。此外，本研究发现不同施氮量对浅层SMBC 含量的增幅趋势和总体 SMBC 含量相似，随施氮量的增加增幅明显降低，分别为 199.2%、图 4 不同耕作方式下秸秆还田对 SMBC 含量的增幅 Figure 4 Effects of straw returning to field to SMBC content under different tillage methods 图 5 不同秸秆类型下秸秆还田对 SMBC 含量的增幅 Figure 5 Effects of straw returning to field to SMBC content under different straw types 唐志伟等：秸秆还田下中国农田土壤微生物生物量碳变化及其影响因素的 Meta 分析 1557 26.6%、32.7%和39.6%。当施氮量为 0100 kghm2对浅层的 SMBC 含量影响最大，但对深层SMBC 含量有明显的负效应，降幅为 16.0%，101225 kghm2对深层 SMBC 含量增幅最大，达到120.7%，后随着施氮量增加到 226325 kghm2又显著降低至 15.3%，由于 326425 kghm2施氮量下样本过少，差异性较大，无法得出结论。2.7 秸秆还田量对秸秆还田条件下 SMBC 含量的影响 不同秸秆还田量对 SMBC 含量影响不同，秸秆还田量为9000 kghm2时差异性较大（图 7）。秸秆还田量为9000 kghm2时，总体 SMBC 含量增幅分别为 52.6%、47.7%、44.2%，可以看出增幅呈递减的趋势。对于浅层 SMBC 含量而言，45009000 kghm2秸秆还田量下对 SMBC 含量增幅为 44.1%，9000 kghm2为 44.2%。但对于深层 SMBC 含量而言，秸秆还田量为 45009000 kghm2时反而降低了 62.0%，9000 kghm2时增幅为 66.7%。3 讨论 3.1 不同环境因素对秸秆还田条件下 SMBC 含量的影响 秸秆还田对 SMBC 含量的影响在不同气候条件下存在差异，本研究发现温带季风气候和亚热带季风气候区秸秆还田总体上能显著提升 SMBC含量，而在温带大陆气候区 SMBC 含量却显著降低（图 2）。造成此种结果可能是以下几种原因，1）秸秆腐解和土壤微生物群落的活性受温度变化调控，温带季风气候年最低气温不低于 0 且月平均温度相对适宜，亚热带季风气候四季分明，月平均温度相较于温带季风气候偏高，有研究表明土壤温度越高，微生物活性越强、代谢速率越高、生长繁殖越旺盛，能增强功能菌活性和微生物呼吸（Schimel et al.，1999；焦健宇等，2022；周莎等，2022），因此温带季风气候和亚热带季风气候区秸秆还田有利于 SMBC 含量的提升。而温带大陆气候区气温温差变幅在各气候区中最大 图 7 不同秸秆还田量下秸秆还田对 SMBC 含量的增幅 Figure 7 Effects of straw return to SMBC content under different amount of straw return 图 6 不同施氮量下秸秆还田对 SMBC 含量的增幅 Figure 6 Effects of straw returning to field to SMBC content under different nitrogen application rates 1558 生态环境学报 第32卷第9期（2023年9月）（李晓婷等，2018），该地区土壤微生物群落可能更侧重于应对外界压力的耐受性和资源获取，对秸秆碳分解的效率降低，土壤有机碳含量无法得到提升导致土壤胞外酶的活性相对降低，土壤胞外酶参与土壤众多生化反应，进而导致气温温差较大的温带大陆气候区秸秆还田对 SMBC 含量提升效应不显著（王文立等，2015；徐广平等，2019）。2）降水量与植物的地下部分和土壤微生物新陈代谢紧密相关，影响着区域生态系统的碳循环。温带季风气候区和亚热带季风气候区年降水量较多，相对适宜土壤微生物生长和繁殖，外界环境更为优异，促进了土壤微生物对还田秸秆养分的转化（Verburg et al.，1999；李昌明等，2017），而温带大陆气候区干燥少雨，年降水量较少，导致土壤微生物活性相对较低，不利于对还田秸秆养分的分解、吸收与转化，综合效应导致温带季风气候区和热带季风气候区秸秆还田对SMBC含量的增幅高于温带大陆气候区（李云等，2011；李辛等，2022）。因此，秸秆还田要考虑还田区域气候环境的影响，因地制宜采取合理措施提升秸秆的综合利用率。本研究还发现秸秆还田能显著提升旱地和稻田的 SMBC 含量，旱地和稻田条件下秸秆还田可显著提升总体及浅层 SMBC 含量，且旱地下秸秆还田对 SMBC 提升效果优于稻田（图 3）。研究表明秸秆还田会显著增加稻田温室气体的排放，且相较于旱地良好的土壤通气环境，稻田长期淹水导致土壤通气程度降低，易形成厌氧环境抑制微生物群落生长，降低了其代谢活性，从而影响秸秆中纤维素、半纤维素和木质素等的分解（王景等，2015），不利于微生物生物量和死亡残体的生成，进而使 SMBC 的转化受到限制（孙中林等，2009；王嫒华等，2012）导致稻田秸秆还田相对于旱地对 SMBC 含量的提升较低。因此，秸秆还田时还应考虑到还田环境，对于不利于秸秆快速腐解的环境可配合秸秆促腐剂，提升秸秆腐解效率。3.2 不同耕作方式对秸秆还田条件下的 SMBC 含量的影响 秸秆还田下采用不同的耕作方式可明显改变秸秆在土壤的空间分布情况，根据不同的外界环境选择不同的耕作方式可有效地加速秸秆降解，改善微生物活性，使 SMBC 含量得到提升（李晓莎等，2015；Sun et al.，2016）。本研究发现免耕、旋耕、深耕和翻耕等不同耕作方式影响着秸秆还田下 SMBC 含量，旋耕和翻耕对 SMBC 含量提升效应显著高于深耕和免耕（图 4）。旋耕相对于翻耕提升效应更为明显可能因为旋耕处理能增加秸秆和土壤的接触面，促进秸秆中的碳以微生物 碳 源 的 形 式 留 存 在 土 壤 中（段 华 平 等，2012），增加土壤活性有机碳，有利于秸秆转化为土壤养分，从而促进浅层 SMBC 含量的提升。而翻耕对于深层 SMBC 含量的提升更为明显，这可能是因为翻耕后表层秸秆被翻埋到深层土壤中，有利于增加深层土壤微生物碳源，提升 1530 cm 土层的有机碳含量，导致翻耕对深层 SMBC含量提升效果较为显著（韦安培等，2019）。免耕下秸秆还田显著降低浅层 SMBC 含量，这与潘孝晨等（2019）和齐翔鲲等（2022）的结果略有不同。总结其原因可能在于：1）有研究表明免耕后秸秆还田会降低 015 cm 土层细菌和真菌数量，不利于秸秆的分解（萨如拉等，2022），因此导致免耕后浅层 SMBC 含量有明显的降低；2）秸秆还田后免耕，大量秸秆会堆积在土壤表层，但不同还田年限下对土壤有机质提升存在差异，短期免耕可能对土壤生态环境有负面效应，微生物生存需要养分，而微生物活动会与作物争夺表层土壤养分，进而导致微生物可利用的养分减少，降低微生物活性。（王淑兰等，2016）。深耕一般耕层在 3060 cm，深耕秸秆还田降低了土壤容重，缓解土壤水分流失，但深耕对土壤扰动性较大，破环了土壤基础结构，且会损失土壤有机质降低土壤肥力，进而导致 SMBC 含量降低（谢迎新等，2015）。因此，秸秆还田下旋耕和翻耕有利于 SMBC 含量的提升，但应根据耕地情况来选择适宜的耕作方式，提升微生物活性，促进秸秆的腐解，从而提升 SMBC 含量。3.3 不同秸秆类型、施氮量、秸秆还田量对秸秆还田下 SMBC 含量的影响 不同秸秆类型对 SMBC 含量的影响各有不同，本研究结果表明玉米秸秆还田对浅层 SMBC含量提升幅度较大，水稻秸秆次之，小麦秸秆还田对 SMBC 含量无明显提升效果（图 5）。造成此种结果可能是因为，1）玉米秸秆相对于水稻和小麦秸秆的C/N比最高且更易分解，对土壤有机碳提升效果最明显，而土壤有机碳含量的增长可提升土壤微生物活性（孙冰洁等，2013；Ma et al.，2015），因此玉米秸秆还田对 SMBC 含量的提升最明显。2）通常水稻秸秆还田的土壤水分比较充足，有利于可溶性有机物质生成，进而促进土壤微生物的生长，因此对 SMBC 含量的提升相较小麦秸秆更为显著（孙中林等，2009）。因此，相对难以降解的秸秆可转化为土壤微生物容易利用的生物炭，或结合牲畜粪尿进行堆腐处理，发酵唐志伟等：秸秆还田下中国农田土壤微生物生物量碳变化及其影响因素的 Meta 分析 1559 成腐熟的有机肥后再进行还田。前人研究指出，秸秆还田可提高氮素农学效率及氮肥利用率，秸秆还田配施氮肥可有效提高土壤微生物活性及相关酶活性，提高土壤质量（南雄雄等，2010）。施氮量是影响 SMBC 含量的重要因素之一，秸秆还田添加氮素调节C/N比，在秸秆未腐解时秸秆养分无法进入土壤，添加氮素可促进土壤微生物和作物生长（彭志芸等，2020）。本研究表明随着施氮量的增加，SMBC含量的提升效应逐渐降低（图 6），这与 Liu et al.（2022）的研究结果类似，总结其原因可能在于：1）在一定范围内随着施氮量的增加，会降低氮胁迫，提升微生物活性，但是当满足作物和土壤微生物生存需求后，过量的氮素施用会释放大量的NH4+-N，导致微生物无法完全利用 NH4+-N，多余的 NH4+-N 会转化成氨气，抑制微生物的活性（李娟等，2008）；2）低水平的氮素含量会降低土壤有机碳的矿化速率，而无论是有机碳还是溶解性有机碳都是微生物碳源，土壤溶解性有机碳更是微生物可直接利用的碳源，较低的矿化速率可减少碳源损失，较多的碳源可增强微生物的活性，有利于 SMBC 含量的提升（武开阔等，2022）；3）长期施用化肥或者化肥施用量过高会使外源有机质的化学计量比失衡，进而影响土壤微生物生物量的化学计量比和周转时间（Khan et al.，2019），导致 SMBC 含量下降。本研究表明不同秸秆还田量对 SMBC 含量的增幅随还田量的增大而减小，秸秆还田量为9000 kghm2最低（图 7），可以看出秸秆还田量越大对 SMBC 含量的提升效果会逐渐降低，但不同还田量之间差异较小，这和韩新忠等（2012）的研究结果相似，可能是由于秸秆还田量在 04500 kghm2时，提供了适宜微生物分解的 C/N 环境，有利于提高微生物数量和活性，提高秸秆分解速率，更快的提升土壤有效养分，而在 45009000 kghm2、9000 kghm2范围内秸秆还田，土壤表面覆盖越来越严重，土壤通气状态变差，容易形成缺氧环境，不利于土壤微生物的存活以及会降低土壤胞外酶活性，且过高的C/N比会降低了农田土壤微生物对底物的利用效率（韩新忠等，2012；Xu et al.，2018）。对于深层土壤而言，04500 kghm2的秸秆还田量下秸秆分解的养分很难运输到土壤深层，而 45009000 kghm2还田量下秸秆养分较为充足，养分可运输到土壤深层，因此适量秸秆还田能提升土壤微生物活性，有利土壤与外界环境物质交换，秸秆还田配施氮肥改善了外源底物的C/N比，有利于增强微生物活性，综合考虑还田量和施氮量，调节C/N比对秸秆还田的实际应用具有重要意义，对实际秸秆还田量和施氮量的配比具有重要参考意义（马超等，2022）。因此，实际生产中要根据土壤质地和肥力情况，选择合适的秸秆还田量和施氮量，调节C/N比，促进秸秆的快速腐解，转化为土壤可利用的有效养分，提升 SMBC 含量。4 结论 通过 Meta 分析研究了秸秆还田下 SMBC 含量变化及其影响因素，得出以下结论：1）秸秆还田是提升 SMBC 含量的重要因素之一，还田后 SMBC 含量受到不同的气候带、旱地与稻田、秸秆种类、耕作方式、施氮量、秸秆还田量等因素的影响。2）本研究发现在亚热带季风气候区，秸秆还田对旱地土壤 SMBC 含量增长最为显著。因此在旱地种植地区可大力推广秸秆还田政策，稻田地区可添加秸秆促腐剂，加速秸秆分解。3）耕作方式是影响 SMBC 含量的重要因素之一，其中旋耕和翻耕对秸秆还田下 SMBC 含量增长比较显著，而免耕却无明显的提升效果。因此，秸秆还田不仅要考虑不同生态区域的差异性，选择适当的耕作方式，还要因地制宜选择合适的农机装备，促进农机农艺的深度融合。4）低施氮量对 SMBC 含量的提升效果十分显著，但对秸秆还田量大小相对不敏感。因此，生产中应综合考虑秸秆还田量和氮肥施用量的配比来减少资源浪费，加快推进化肥减量增效，为保障粮食安全和绿色高质量发展提供更加有力支撑。参考文献：CONG P,WANG J,LI Y Y,et al.,2020.Changes in soil organic carbon and microbial community under varying straw incorporation strategies J.Soil and Tillage Research,204:104735.CRYSTAL-ORNELAS R,THAPA R,TULLY K L,2021.Soil organic carbon is affected by organic amendments,conservation tillage,and cover cropping in organic farming systems:A meta-analysis J.Agriculture,Ecosystems&Environment,312:107356.EGGER M,SMITH G D,SCHNEIDER M,et al.,1997.Bias in meta-analysis detected by a simple,graphical test J.British Medical Journal,315(7109):629-634.GEISSELEER D,SCOW K M,2014.Long-term effects of mineral fertilizers on soil microorganisms:A review J.Soil Biology and Biochemistry,75:54-63.HEDGES L V,GUREVITCH J,CURTIS P S,1999.The meta-analysis of response ratios in experimental ecology J.Ecology,80(4):1150-1156.KHAN K S,JOERGENSEN R G,2019.Stoichiometry of the soil microbial 1560 生态环境学报 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