农田土壤拥有相当可观的固碳能力而在全球碳循环中具有难以取代的地位^[1]。农田土壤碳库尤其是耕层碳库受人类活动影响最为强烈^{[2, 3]}，同时又可以在较短的时间尺度上进行人为调节^{[4, 5]}。施肥可以提高作物产量和生物量来增加土壤有机物的投入，从而可以提高农田土壤有机碳(SOC)含量^{[1, 6, 7, 8]}。因此，研究不同施肥措施对SOC变化速率的影响对于稳定和提高土壤肥力及作物产量、实现土壤资源的可持续利用具有重要的意义。

长期定位试验是研究农田长期生态过程及其环境效应和调控措施的重要手段，可以用来研究农田生态系统的长期变化过程和生态过程对人为干扰、环境变化响应及反馈的长期效应^{[9, 10]}。Kapkiyai等^[11]通过长期试验研究发现，SOC含量随耕作年限的延长而降低，其中以单施化肥处理土壤有机碳损失最多，施用有机肥和秸秆还田的损失量比单施化肥少49％，化肥和有机肥配施加上秸秆还田有机碳损失最少；Dendoncker等^[12]的研究结果则表明，在施用10 Mg hm^-2a^-1有机肥的情况下,比利时农田土壤平均固碳速率为350 kg C hm^-2a^-1;通过45a 的长期定位试验，Ogunwole^[13]发现有机肥和无机肥配施条件下SOC从6.39 g/kg升高到11.37g/kg；沈宏等^[14]研究也认为长期施用有机肥或有机肥和NPK矿质肥料配合施用,有利于土壤总有机碳的提高；陈义等^[15]通过浙江省黄岩水稻土26a的长期施肥定位试验研究发现，长期施用有机肥可以促使土壤有机质持续增长，增长幅度随有机肥用量增加而增加；周萍等^[16]研究结果表明，不同的施肥处理主要影响耕层土壤SOC含量，化肥与猪粪配施处理SOC含量显著高于单施化肥和不施肥2种处理；Wu等^[17]通过20a试验研究表明施用有机肥75 Mg hm^-2a^-1，有机肥和化肥配施比对照处理表层(0—20 cm)SOC增加4.5 Mg C hm^-2。不同施肥措施均能改变耕层SOC含量，其中施有机肥能提高SOC含量，尤以化肥有机肥配施更为显著^{[18, 19, 20]}。

针对目前SOC变化研究大多集中在单个试验点尺度，而大尺度多个试验点综合研究相对较少的问题，本研究通过系统搜集我国旱地长期施肥试验下的SOC变化研究文献,采用Meta-analysis方法定量估算了不同施肥措施下中国旱地耕层SOC变化速率、时空分异特征及其潜在影响因素,以便为制定农田管理培肥政策、保障国家粮食安全、缓解气候变化提供科学依据。

收集整理1994—2011年国内外有关中国旱地长期施肥试验的研究文献并对文献进行筛选，提取试验站点位置、土壤类型、种植制度、试验时间、施肥处理以及SOC 数据，建立中国旱地耕层SOC 数据库。

本研究中文献筛选的标准如下：1)研究区域为中国旱地；2)施肥措施包括对照(CK)；施无机化肥，如单施氮肥(N)、单施磷肥(P)、施氮磷肥(NP)、施氮钾肥(NK)、施磷钾肥(PK)、施氮磷钾肥(NPK)；施有机肥(M)；无机化肥有机肥配施，如施氮肥和有机肥(NM)、施氮磷肥和有机肥(NPM)、施氮磷钾肥和有机肥(NPKM)等的一个或多个，其中对照(CK)是只种作物不施肥；3)试验为长期定位田间试验，观测年限≥3a；4)土样采自耕层土壤，且有机碳含量测定方法相同；5)试验时段的起止年份清楚；6)试验时段的各施肥措施下SOC的初始值和变化值明确。经过筛选，最终获得符合标准的有效文献180篇，共102个试验站点，1146对数据，分布于我国18个省(区、市)，涵盖17种土类。长期试验点位置分布如图 1。

图 1 农田类型区和长期施肥试验点分布图(审图号：JS(2013)002) Fig. 1 Cropland regions and locations of long-term fertilization experiments in China

图选项

本文主要分析施肥措施对中国旱地耕层SOC变化速率的影响。

(1) SOC原始数据归一化处理

原始数据中土壤有机质(SOM)数据全部转化为SOC数据(g/kg)，前者乘以有机碳转换系数0.58。

(2) 不同施肥处理下SOC平均变化速率

分别计算试验期间内对照和处理的SOC年平均变化速率M(Mean,g kg^-1a^-1):

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式中，M为年平均变化速率(g kg^-1a^-1); t为试验观测年限，由试验观测的终止年与起始年的差值得到；SOC₀和SOC_t分别为试验观测起始年和终止年的SOC含量测定值(g/kg)。

(3) 不同施肥处理下SOC相对变化速率

为消除试验点之间的气候条件、土壤性质、耕作及栽培措施等区域差异的随机影响，在计算不同施肥措施下SOC的变化速率时，采用SOC相对变化速率RC(g kg^-1a^-1)， 即，试验观测期限内任一施肥处理(e)扣除相应对照(c)后的平均变化速率差值:

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因此， 有:RC=M_e-M_c。

式中RC为正值时，SOC速率表现为增加；RC为负值时，SOC速率则表现为降低。

(4)Meta分析

Meta 分析是一种定量综合研究结果的统计方法，能够将若干独立研究的统计结果进行综合分析^[21]，特别适合于大尺度生态现象的研究^[22]。本研究利用R(一种数据分析、处理和制图的语言或环境)中的Meta软件包进行分析^[23]，以SOC相对变化速率(RC)为效应值，得到不同施肥处理的SOC 相对变化速率及其95%置信区间。若置信区间包含0，则说明与对照相比，该处理不能使SOC 的变化达到显著水平；若置信区间全部＞0，说明该处理能提高SOC 含量，且达到显著水平。反之，则该处理导致SOC 含量降低且达到显著水平。

中国耕地面积大，覆盖地区广，不同区域气候、土壤质地、耕作制度等条件差别较大，导致SOC变化在时间和空间尺度上也存在一定的差异，所以不能将不同长期定位试验的数据简单平均得到中国旱地耕层SOC变化速率。本研究对所搜集的数据进行分类处理，便于准确分析旱地耕层SOC的变化情况。由于P、PK、NK、NM 4个施肥处理数据较少，本文仅对N、NP、NPK、M、NPM和NPKM处理进行分类分析。数据分类如表 1。

图 2 不同施肥处理下SOC相对变化速率 Fig. 2 Relative change rates of SOC under different fertilization treatments N：单施氮肥；P：单施磷肥；NP：施氮、磷肥；PK：施磷、钾肥；NK：施氮、钾肥；NPK：施氮、磷、钾肥；M：单施有机肥；NM：施氮肥和有机肥；NPM：施氮、磷肥和有机肥；NPKM：施氮、磷、钾肥和有机肥，括号中数字为试验点样本数

图选项

长期试验中不同施肥措施对SOC含量变化的影响不同。Meta分析结果表明(图 2，不同处理对应的点代表SOC相对变化速率RC，横线长短代表95%的置信区间)，与CK相比，不同施肥措施均能不同程度地提高农田耕层SOC含量，且达到显著水平。其中P处理下SOC增速最低，平均为0.032 g kg^-1a^-1；NPKM处理SOC增速最快，达0.38 g kg^-1a^-1。不同施肥处理中，有机肥组(M、NM、NPM和NPKM)的SOC增速远大于无机肥组(N、P、NP、NK、PK、NPK)，SOC平均变化速率分别为0.335 g kg^-1a^-1和0.062 g kg^-1a^-1，前者是后者的5.4倍。有机肥的投入直接或间接将有机质加入土壤从而提高了SOC含量。单施无机肥处理中，以NPK处理增加最高为0.099 g kg^-1a^-1，变化范围为0.070—0.128 g kg^-1a^-1，其它处理为0.032—0.093 g kg^-1a^-1。金琳等^[24]研究表明化肥与有机肥配施的增碳作用最大，达到0.889 Mg C hm^-2a^-1，其次为施有机肥0.545 Mg C hm^-2a^-1，而施化肥的作用仅为0.129 Mg C hm^-2a^-1。而Wang等^[25]研究表明NPK处理SOC变化速率为0.100 g kg^-1a^-1。

不同施肥措施对SOC的影响不同，相同措施在不同区域的作用也存在差异。我国不同农田区的气候、地形、土壤类型、土壤质地、耕作制度等条件的差异使得SOC的变化对各种施肥措施的响应不尽相同。从图 3的 Meta分析结果可以看出，除单施N处理下东北区外，仅施化肥(N、NP、NPK)处理下4个农田类型区域的SOC含量均呈现增加趋势，但仅华北区的增速达到了显著水平。SOC变化速率的区域分异特征表现为南方 (0.10 g kg^-1a^-1) >华北区(0.079 g kg^-1a^-1) >西北区(0.057 g kg^-1a^-1) >东北区(0.024 g kg^-1a^-1)。在施有机肥(M、NPM、NPKM)处理下，4个农田类型区域的SOC含量均显著增加。单施M处理下，SOC增率以南方增加最大，为0.45 g kg^-1a^-1，而东北最低，为0.26 g kg^-1a^-1。NPM处理中平均SOC变化速率表现为华北>东北>西北，而NPKM处理下的大小关系则与此相反。因南方地区样本数较少，所以其置信区间较大，变异较大。

4 个农田类型区中，华北区在M处理下SOC增速最快，平均速率为0.33 g kg^-1a^-1，NPM处理(0.32 g kg^-1a^-1)次之；东北、西北以及南方区均在NPKM处理下SOC增速最大，分别为0.38、0.47、0.45 g kg^-1a^-1；而单施N处理下4个农田类型区的SOC变化速率均最小，分别为-0.003 g kg^-1a^-1(东北)、0.035 g kg^-1a^-1(西北)、0.052 g kg^-1a^-1(华北)、0.052 g kg^-1a^-1(南方)，其中东北区单施N处理，出现负增长现象，但未达到显著降低程度。

图 3 不同区域SOC相对变化速率 Fig. 3 Relative change rates of SOC in different cropland regions 括号中数字为试验点样本数

图选项

由于不同时期农业管理措施、耕作管理制度等都不尽相同，因此相同施肥处理在不同时期SOC变化速率也不尽相同。从图 4的结果可以看出，3个时期SOC的变化明显不同，随着时间的推移呈递减 趋势，SOC增速依次为早期试验> 中期试验>

图 4 不同时期SOC相对变化速率 Fig. 4 Relative change rates of SOC in different times 早期试验：试验在1990年前结束；中期试验：试验在1991—2000年结束；后期试验：试验在2001—2010年结束；括号中数字为样本数

图选项

后期试验。除N处理的后期和NPK处理的早期外，3个时期在各施肥措施下均能提高SOC含量且达到显著水平。3个时期中，NPKM处理下SOC变化速率最大，分别为0.45、0.36、0.37 g kg^-1a^-1，N处理SOC变化速率最小，分别为0.093、0.046、0.017 g kg^-1a^-1。由于早期样本数较少，其95%的置信区间较大，变异也较大。

从不同种植制度下SOC相对变化速率(图 5)可以看出，除N处理外，各施肥处理下SOC变化速率的置信区间均大于0，这表明，无论哪种种植制度，长期施肥均能显著提高农田耕层SOC含量，但在一年一熟制下，仅施N并不能显著提高耕层SOC含量。不同种植制度下，耕层SOC变化速率存在一定差异，N、NP、NPK 、M 4个处理中，一年一熟制度下SOC变化速率小于一年两熟制度。由于两熟制增加了有机肥和化肥的肥料投入，秸秆和根茬的数量相应得到提高，生态系统养分循环通量增加，土壤有机质有明显的提高。Halvorson等^[26]的研究也表明一年一熟转化为轮作后由于增加作物根茬进而提高了SOC含量。但对于NPM和NPKM处理，一年一熟制度下SOC变化速率大于一年两熟制度。这可能是因为一年一熟主要集中在东北和西北地区，由于冬季水热条件较差，且处于休闲状态，土壤有机质的矿化比较缓慢，加上有机肥的投入，使耕层SOC较高。同时，研究发现在仅施无机肥的3个处理(N、NP、NPK)中，一年两熟制下SOC变化速率平均是一年一熟制下的1.9倍；而有机肥投入的3个处理(M、NPM、NPKM)中，一年一熟制下SOC变化速率平均是一年两熟的1.1倍；因此，有机肥(或者有机物料)的投入可以降低或者是减弱种植制度对SOC变化的影响。

图 5 不同种植制度下SOC相对变化速率(括号中数字为样本数) Fig. 5 Relative change rates of SOC under different crop rotation systems(number of observations is in parentheses)

图选项

土壤有机碳初始含量是影响有机碳变化趋势的重要因素之一^[27]。潘根兴等^[28]和Huang等^[29]的研究表明SOC变化速率随试验初始有机碳含量的升高而呈减弱趋势。而本研究中，从6种施肥处理下SOC变化速率与其初始有机碳含量的关系来看(图 6)，耕层SOC积累速率与初始SOC含量的关系并不明显，SOC积累与否及其幅度并不完全取决于其初始有机碳含量，即，不同施肥处理的固碳效果并非总是随初始有机碳含量增加而降低。SOC变化可能与饱和SOC含量与初始SOC含量的差值存在一定的关系。

土壤碳库容量取决于特定土壤在一定生物气候条件下有机碳输入与输出的平衡水平，这种水平是土壤能够转化进入土壤的有机物碳的能力与微生物分解释出碳的能力的平衡^{[8, 30, 31]}。土壤碳储量存在一个上限并最终会达到动态平衡^[32]。从不同试验年限下SOC变化速率(图7)的结果可以看出，试验初期SOC含量急剧增加，经历一定时间的碳积累阶段后，SOC含量增速减缓，其最终将趋于相对稳定状态^[33]，这与Stewart 等^[34]、West和Six^[31]的相关研究结果类似。同时，短期(<11 a)试验观测获得的SOC变化速率估计结果要高于中期(11—20 a)和长期(>20 a)观测的结果。N处理中，短期(<11 a)观测估算的SOC变化速率分别是中期和长期(11—20 a和>20 a)观测的3.3和13倍。而除N处理外，其他处理的短期(<11 a)观测估算的SOC变化速率平均分别是中期(11—20 a)和长期(>20 a)观测的1.6和2.4倍。因此，如果仅采用短期试验结果可能高估施肥处理的固碳潜力。

图6 SOC相对变化速率与初始SOC含量的关系 Fig. 6 Relationship between initial SOC contents and relative change rates of SOC

图选项

图7 不同试验年限下SOC变化速率 Fig. 7 Relationship between experiment period and relative change rates of SOC 括号中数值为试验点样本数

图选项

本研究获取的长期定位试验站点文献数据覆盖了我国的主要旱地农田土壤类型区，具有较好的代表性。然而，由于研究者经验偏好、试验条件限制、研究方法等原因，来自文献报道的同类数据间也可能存在较强的数据质量不一致性，并且这种不一致性很难消除^[35]，从而导致Meta分析获得的SOC变化速率存在一定的不确定性。另外，文献中数据是长期试验站点某一年的测定数据，由于每年气候、耕作管理措施等的不同，或遇到自然灾害等原因，本身存在一定的偶然性，也可能带来一定的不确定性。同时，SOC变化是多种因素共同作用的结果^{[2, 3]}，各影响因素之间并非完全相互独立的，而可能存在一定的交互作用。因此，尽管本研究通过Meta分析方法能够一定程度上定量长期施肥下SOC变化速率及其置信区间，但其潜在的不确定性及来源等仍有待于进一步深入研究。

(1)与对照(CK)相比，不同施肥措施均能显著增加耕层SOC含量，但不同措施SOC增加的幅度不同。NPKM处理SOC增速最快(0.38g kg^-1a^-1)，P处理为最慢(0.032g kg^-1a^-1)；投入有机肥的处理SOC增速远大于仅施无机肥处理。

(2)不同施肥措施下耕层SOC固碳效果既存在空间分异特征，也存在时间分异特征；不同时期试验SOC相对变化速率也不相同，早期试验的SOC增速大于中、后期试验。

(3)不同种植制度对SOC变化速率的影响不同，一年一熟制下SOC增加速率小于一年两熟；而有机无机肥配施下则相反。同时，有机肥的投入可以降低种植制度对SOC变化的影响。

(4)长期施肥导致SOC积累与否及变化幅度并不完全取决于其初始有机碳含量；随着试验年限的增加，SOC相对变化速率也呈下降趋势，短期试验(<11 a)SOC增加速率分别是中期试验(11—20 a)和长期(>20 a)的1.6和2.4倍，因此，短期试验结果可能高估施肥措施下的旱地土壤固碳潜力。