化肥对促进作物生长，保证作物高产、稳产具有重要作用^[1]，但是，化肥的长期过量施用造成了严重的环境破坏和土壤污染。随着我国沼气工程的扩大化与规模化，沼液排放量日益递增。沼液中不仅富含可以被植物吸收的氮、磷、钾，还含有大量的微量元素，有助于提高植物抗逆性^[2]，还能有效调节土壤水、肥、气、热，促进土壤生态环境良性循环^[3-4]。目前，在农业种植领域，沼液已成为新型液态有机肥料的研究热点^[5]。沼液农用可以提高土壤养分，降低化肥对环境的污染和农业生产成本^[6-8]。然而，在实际生产中存在沼液使用不当或过量现象，加剧了农田土壤氮素淋失风险^[9-10]。沼液氮主要由有机氮、铵态氮和硝态氮等组成。其中，铵态氮占沼液中全氮的 90% 以上，硝态氮约占 1%，有机氮占 0.2%～28.2%^[11]。沼液施用后，土壤铵态氮和硝态氮可以直接供应植物生长，也可能发生氮素淋失，或是在适宜条件下发生硝化和反硝化作用。长期施用沼液会影响土壤氮素矿化、硝化和反硝化等物质循环过程，从而影响土壤生产力水平^[12]。因此，深入探究沼液施用对农田土壤氮素形态及相关微生物群落和作物产量的影响，对科学评估沼液农用生态环境效应，优化沼液农用技术具有重要意义。

目前，沼液农用对土壤氮素含量变化及相关微生物群落变化研究已有诸多报道，但是这些独立的研究受到地域土壤理化性质、气候、农田类型及施用策略等因素影响，研究结果差异较大，很难定量反映沼液农用对土壤氮素含量和微生物群落的影响效应。研究结论难以直接套用到其他地区。此外，沼液类型、沼液氮投入量和沼液氮替代化肥氮比例等因素如何影响沼液施用下土壤氮素变化等问题值得深入探讨。为此，笔者对中国现有的沼液农用对土壤氮素和微生物群落影响研究进行系统的文献整理，通过 Meta 分析，明确沼液农用对土壤氮素和微生物群落的影响效应，解析沼液类型、沼液氮投入量和沼液氮替代化肥氮比例等因素的影响作用，旨在为科学评估沼液氮输入的生态环境效应，进而为优化沼液施用技术策略提供理论基础。

1 研究方法

1.1 文献搜集及数据库建立

本研究数据来源于中国知网和 Web of Science 文献数据库，以“ 沼液（Biogas slurry）” 和“ 氮 （Soil nitrogen）”为主要关键词，截至 2021 年 12 月 30 日进行文献检索。根据 Meta-analysis 方法中数据整合的要求和本研究的目的，基于以下 5 个标准对检索文献进行筛选：（1）研究区域位于中国范围内，试验地点及沼液类型等信息明确；（2）同一研究中必须包含沼液施肥处理和单施化肥对照处理，并且施氮总量相等；（3）文中须列出土壤各形态氮素含量、微生物群落数量或产量等任一指标；（4）以上指标需要有均值、标准差和样本量，且单位统一。基于以上标准，共筛选出 24 篇有效文献。

提取每篇文献中土壤 5 种形态氮素含量、微生物群落数量及作物产量在化肥对照组和沼液处理组中的均值、标准差和样本量等数据，对表格形式的数据直接进行提取，对图片形式的数据使用 Engauge Digitizer 软件将其数字化后提取^[13]。最终建立产量、全氮、硝态氮、铵态氮、碱解氮、微生物量氮、放线菌、细菌和真菌等指标数据库，各指标分别包含 50、83、52、109、20、16、33、32 和 33 组数据。为了深入探究沼液施用对土壤氮素及微生物群落影响效果差异性变化的原因，还需从文献中获取以下数据：沼液类型、沼液氮投入量及沼液氮替代化肥氮比例等信息。其中，将沼液氮投入量划分为 4 类：≤50、50～100、100～150 和 >150 kg·hm^-2；沼液氮替代化肥氮比例也划分为 4 类：≤20%、20%～40%、40%～60%、60%～80% 和 80%～100%。

1.2 Meta 分析

基于研究目的，使用反应比的自然对数（lnR） 作为效应值，即 Meta 分析效应大小的度量标准。此指标反映了沼液施用对土壤氮素变化的相对大小，计算公式如下：

$\mathrm{l}\mathrm{n}\left(R\right)=\mathrm{l}\mathrm{n}\left(\frac{{\stackrel{-}{X}}_{\text{treatment}}}{{\stackrel{-}{X}}_{\text{control}}}\right)$

方差如下：

$V_{\text{ln}}\left(R\right)=\frac{S_1^2}{n_1{\stackrel{-}{X}}_{\text{treatment}}}+\frac{S_2^2}{n_2{\stackrel{-}{X}}_{\text{control}}}$

式中，R 是反应比；${\stackrel{-}{X}}_{\text{treatment}}$和${\stackrel{-}{X}}_{\text{control}}$分别表示沼液施用处理组和化肥对照组土壤氮素含量平均值；S₁ 和 S₂ 分别表示沼液施用处理组和化肥对照组的标准偏差；n₁ 和 n₂ 分别表示沼液施用处理和化肥对照处理的样本数量。

如果沼液施用对土壤氮素含量有提高作用，则有 ln（R）>0；如果沼液施用对土壤氮素含量有消减作用，则有 ln（R）<0。若 ln（R）的 95% 置信区间不包含 0，则说明沼液施用对土壤氮素影响效应显著（P<0.05）；若 ln（R）的 95% 置信区间与“0”点相交，则认为沼液施用对其影响不显著（P>0.05）。此外，为直观表征沼液施用对土壤氮素影响效果并便于对结果进行解释，利用程序包中的 exp 函数将效应值 ln（xR）转化变化率 ZI（包括增长率或下降率）。

$ZI=(R-1)\times 100\mathrm{\%}$

随机效应模型不仅考虑了研究内的变异，还考虑了研究间的变异，因此，选择随机效应模型进行计算效应值。对沼液类型、沼液氮替代氮素比率及沼液氮投入量等分类解释变量进行随机效应模型检验^[14-15]。

1.3 数据处理

采用 Excel 2016 对数据进行记录和整理；通过 R 软件 Metafor 程序包^[16]进行 ln（R）平均值和方差计算，以及分类解释变量检验和 Rosenthal’s 失安全系数检验；使用 Origin 2021 绘图。

2 结果与分析

2.1 沼液施用对土壤氮素形态影响及其主控因素分析

2.1.1 沼液施用对土壤氮素形态影响

与单施化肥相比，沼液施用显著增加了土壤碱解氮含量（Qm=95.39，df=19，P<0.0001）和微生物量氮含量（Qm=2246.25，df=15，P<0.0001），增加率分别为 11.22%（4.95%～17.87%）、22.67% （6.67%～41.04%）； 显著降低土壤硝态氮含量（Qm=1444.04，df=51，P<0.0001），下降率为 26.19%（8.34%～40.57%）。沼液施用对土壤全氮和铵态氮的影响不显著（图1）。

注：点和误差线分别代表效应值及其 95% 置信区间；df 代表样本数、Qm 代表该因素对效应值的影响；ln（R）代表效应值。

2.1.2 沼液类型、氮投入量及沼液氮替代化肥氮比例对土壤氮素的影响

不同类型沼液施用对土壤硝态氮（Qm=6.44， df=2，P<0.05）和铵态氮（Qm=6.28，df=2，P<0.05）变化有显著影响；其中，猪粪沼液显著降低了土壤硝态氮含量，下降率为 37.62%（19.86%～51.45%）； 而鸡粪猪粪混合沼液显著增加了土壤铵态氮，增加率为 50.07%（5.27%～113.9%）（图2）。然而，沼液类型对土壤全氮（P=0.5798）和微生物量氮 （P=0.28）含量无显著性影响。

沼液氮投入量对土壤全氮（Qm=10.17，df=3， P=0.0172）、硝态氮（Qm=21.50，df=3，P<0.0001）、铵态氮（Qm=16.54，df=3，P=0.0009）都有显著影响。沼液氮投入量为≤50 或 50～100 kg·hm^-2 时，均显著增加全氮含量，增加率分别为 13.79% （1.90%～27.06%）、14.13%（2.10%～27.58%）； 沼液氮投入量≤50 kg·hm^-2 时，显著降低硝态氮和铵态氮含量，下降率分别为 45.23%（31.16%～56.42%）和 11.76%（0.69%～21.60%）；沼液氮投入量 >150 kg·hm^-2 时显著增加铵态氮含量，增加率为 55.11%（20.23%～100.15%）（图3）。然而，不同沼液氮投入量对土壤碱解氮（P=0.06）及微生物量氮（P=0.54）含量均无显著性影响。

沼液氮替代化肥氮比例对土壤全氮（Qm=78.96， df=4，P<0.0001）、硝态氮（Qm=11.48，df=2，P=0.0031） 和碱解氮（Qm=25.21，df=2，P<0.0001）都有显著性影响。替代比例≤20%、20%～40% 或 40%～60% 时，均显著增加土壤全氮，增加率分别为 17.74% （4.85%～32.19%）、97.74%（57.80%～147.78%） 和 62.47%（39.75%～88.87%）；替代比例为 20%～40% 时，显著降低土壤硝态氮含量，下降率为 48.21% （30.69%～61.29%）；替代比例为 20%～40%、60%～80 % 或 80%～100% 时，显著增加土壤碱解氮含量，增加率分别为 32.3%（16.03%～50.85%）、36.0% （20.85%～53.05%）和 5.0%（0.91%～9.25%）（图4）。然而，沼液氮替代化肥氮比例对土壤铵态氮（P=0.23） 及微生物量氮（P=0.23）含量影响均不显著。

2.2 沼液施用对土壤微生物群落影响

与单施化肥相比，沼液施用显著增加土壤放线菌（Qm=541.22，df=32，P<0.0001）、细菌 （Qm=91.31，df=31，P<0.0001）和真菌（Qm=104.46， df=32，P<0.0001）群落数量，增加率分别为 55.64% （39.36%～73.83%）、20.84%（13.53%～28.63%）和 16.81%（9.02%～25.14%）（图5）。

当沼液氮替代化肥氮比例为 20%～40% 或 40%～60% 时，显著增加土壤真菌数量，增加率为 28.34%（16.11%～41.85%）、11.99%（3.08%～21.69%）（ 图6）； 然而，沼液氮替代比例对细菌（Qm=4.53，df=2，P=0.1）和放线菌（Qm=6.61，df=3，P=0.08）数量均无显著性差异。此外，不同沼液氮投入量对放线菌（Qm=5.7，df=2，P=0.06）、细菌（Qm=4.53，df=2，P=0.1）和真菌（Qm=5.52， df=2，P=0.06）数量均无显著性影响。

2.3 沼液施用对作物产量影响

与单施化肥相比，沼液施用显著增加了农田作物产量（Qm=768.03，df=49，P<0.0001），增加率为 7.42%（2.76%～12.3%）。但是，沼液类型（P=0.28）、施氮量（P=0.12）及沼液氮替代化肥氮比例（P=0.11） 等因素对作物产量均无显著影响（图7）。

3 讨论

与单施化肥相比，沼液施用对农田土壤氮素影响综合效应显著。其中，土壤碱解氮和微生物量氮含量均显著增加。但是沼液施用显著降低土壤硝态氮含量，对全氮和铵态氮含量无显著影响。由此推测，施用沼液后土壤碱解氮含量增加主要来源于土壤有机态氮。有文献得知沼液化肥配施处理增加了土壤铵态氮、硝态氮、有效磷和速效钾等养分含量^[17-18]。然而，经 Meta 综合分析得知，沼液施用显著降低了硝态氮含量。研究得知在无植物条件下沼液灌溉处理氮素淋失率比施用化肥处理高 30% 以上^[19]，由于沼液促进植物根系生长，增加了营养物质吸收，进而减少土壤硝态氮含量。

与化肥氮相比，沼液氮释放缓慢。等氮量沼液施用与单施化肥相比显著提高作物产量，这与很多研究结果一致^[20]。主要由于沼液能有效保证作物后期生长所需的养分，而化肥处理养分肥效快、淋失率高，作物生长后期土壤养分供应不足，导致产量相对较低^[21]。

沼液氮素主要以铵态氮形式存在，文献结果表明，随沼液施用量增加，土壤铵态氮含量整体呈上升趋势^[22]。然而，本研究中铵态氮含量受沼液施用量影响不显著。这是因为植物的生长状况、土壤氮素水平以及硝化-反硝化作用均会影响土壤硝态氮和铵态氮产生^[8]。分析得知沼液施用对土壤全氮也没有显著影响，可能是由于沼液处理组和化肥对照组的施氮量相等。本研究中，土壤氮含量数据大多来自 0～60 cm 土壤剖面，由于数据量有限，针对不同深度土壤剖面氮含量变化分析没有展开。

研究得知沼液施用显著增加了土壤放线菌、细菌和真菌等微生物群落数量，这与很多研究结果一致^[23-25]。土壤微生物数量随着沼液施用增加的原因可能如下：一是来自沼液的微生物定殖于土壤所致；二是沼液提供了微生物繁殖所需的营养物质，促进了微生物的生长繁殖，进而引起部分微生物数量增加。此外，微生物数量增加也加快了其对土壤有机质的分解矿化，释放出更多的有效养分^[24，26]，相应的微生物量氮显著增加，这也与本研究结果一致。

沼液类型、氮投入量和沼液氮替代化肥氮比例等因素影响土壤养分含量和组成，进而影响土壤微生物。在建立的数据库中，沼液类型主要包括牛粪、猪粪、鸡粪猪粪混合沼液。多种发酵原料沼液的养分含量比较得知，不同底物发酵后养分差异较大，其中猪粪发酵液的全氮、碳含量最高^[27]。分析得知猪粪沼液可以显著降低土壤硝态氮含量、增加铵态氮含量，由此推断施用猪粪沼液可以降低硝态氮素淋失，但也增加氨挥发风险。沼液氮投入量对全氮、硝态氮和铵态氮影响显著，低投入量时可以降低硝态氮和铵态氮的含量，增加全氮含量。因此，沼液氮低投入量可以培肥土壤，同时降低氮素淋失和氨挥发损失风险。当沼液氮投入量高于 150 kg·hm^-2 时，能显著增加土壤铵态氮含量，对微生物群落影响不显著。很多资料证明，沼液和化肥配施是改善土壤养分状况和微生物活性的最佳处理^[17]，探索合适的沼液和化肥配施比例对调整养分资源，促进农业可持续生产具有重要作用。分析得知，沼液氮替代化肥氮比例可显著影响土壤全氮、硝态氮、碱解氮和土壤真菌群落，但不同替代比例其影响作用不同。80%～100% 高替代比例下显著增加碱解氮含量，但是，对土壤全氮、硝态氮含量和真菌群落数量无显著影响；当沼液氮替代化肥氮比例为 20%～40% 时，可以显著增加土壤全氮和碱解氮含量，提高微生物群落数量，同时降低土壤硝态氮含量，减少淋失风险。

4 结论

与单施化肥相比，沼液施用显著增加了土壤碱解氮 11.22% 和微生物量氮 22.67%，降低了土壤硝态氮 26.19%；增加了土壤放线菌 55.64%、细菌 20.84% 和真菌 16.81% 以及作物产量 7.42%。沼液类型、氮投入量和沼液氮替代化肥氮比例是影响土壤氮素变化的重要因素。其中，猪粪沼液显著降低土壤硝态氮含量 37.62%，鸡粪猪粪混合沼液增加土壤铵态氮含量 50.07%；低沼液氮投入量可降低硝态氮和铵态氮含量，增加全氮含量，同时降低氮素淋失和氨挥发损失风险；当沼液氮替代化肥氮比例≤40% 时，可以显著增加土壤全氮和碱解氮含量，提高微生物群落数量，同时降低土壤硝态氮含量，减少淋失风险。

参考文献