土壤微生物是土壤中最活跃的组分，可以改善土壤结构，抑制植物病虫害发生，并且其代谢产物可作为植物养分的重要来源，此外，土壤微生物还可以促进土壤养分循环和有机物分解与合成，并且能同化和再矿化土壤中的矿质养分，形成植物能直接吸收利用的物质^[1-3]。土壤微生物量是评价土壤肥力和健康程度的重要指标之一，而微生物量碳和氮作为土壤微生物量的最主要的组成部分，不仅可以反映土壤的生物学质量，还在土壤物质转换、能量流动和生物地球化学循环中有着重要作用^[4-6]。前人研究表明，合理施用有机肥不仅可以增加土壤中的有机质含量，补充作物生长过程中土壤肥力不足问题，还能形成利于土壤微生物的生长繁殖的环境，提高土壤微生物多样性和丰富度^[7-9]。但此过程通常会受到有机肥类型、施肥方式、地域、气候类型和土壤条件的影响。因此，明确有机肥施用对土壤微生物量碳、氮含量和作物产量的影响，进一步探究其影响因素，对农业生产中施用有机肥增加土壤肥力、提高作物产量具有重要意义。

张英等^[10]研究发现与化肥处理相比，牛粪处理下土壤微生物量碳、氮含量显著提高，分别增加 33.2%、33.4%。高嵩涓等^[11]研究表明，与不施肥相比，绿肥还田对土壤微生物量碳、氮含量分别提高 21.12%、98.45%，全年平均值分别提高 15.92%、 36.49%。周旦等^[12] 研究发现，与不施肥处理相比，长期有机培肥处理下，施用有机肥可分别提高 1.4、1.25 倍早稻产量，晚稻产量则分别提高 0.59、 0.65 倍，与单施化肥相比，施用有机肥可显著提高土壤微生物量碳 22.1%～58.9%。大量研究发现，不同有机肥类型、施用方式、作物类型、氮肥施用量、土壤 pH、土壤类型、气候等条件下土壤微生物量碳、氮含量及作物产量对有机肥施用的响应程度不同^[13-16]。这些因子影响微生物量碳、氮含量和作物产量的具体机制尚不明确，并且关于施用有机肥后土壤微生物量碳、氮含量变化机制和影响因素研究较少。目前大多研究仅基于单个因素试验进行分析，缺乏多个甚至综合因子的研究，因此，基于大量独立研究，探究有机肥施用对土壤微生物量碳、氮含量以及作物产量的影响，进一步分析各影响因素的效应量，有利于促进有机肥的合理施用以达到“减肥增效”的目的。

本文运用对同类研究结果进行定量评估的 Meta 分析方法^[17-18]，以不施肥（NF）和单施无机肥（IF）作为单施有机肥（OF）和有机肥无机肥配施（OF+IF）的对照，通过收集现有文献的相关田间试验数据，探究作物类型、有机肥种类、氮肥施用量、土壤 pH、气候等因素影响下，施用有机肥之后土壤微生物量碳、氮含量及作物产量的差异与变化特征，明确土壤微生物量碳、氮含量及作物产量差异的主要影响因素，探究合理施肥需满足的条件，以期为因地制宜合理施用有机肥或配施无机肥技术的推广应用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

通过中国知网（CNKI）、Web of Science、Google Scholar、万方、维普数据库检索了 2000 年 1 月 1 日至 2023 年 1 月 1 日国内有关有机肥和土壤微生物量碳、氮及作物产量的文章，用于检索的关键词和短语包括土壤微生物量碳（Soil microbial carbon）、土壤微生物量氮（Soil microbial nitrogen）、生物炭（Biochar）、有机肥（Organic fertilizer）、牛粪（Cow manure）、猪粪（Pig manure）、鸡粪 （Chicken manure）、马粪（Horse manure）、秸秆 （Straw）、中国（China）、作物产量（Crop yields） 等。所选文章基于以下标准：（1）试验开始和结束年份明确，选择区域为中国；（2）对照组包含 NF 和 IF，试验组为 OF、IF+OF 措施中的一种或多种； （3）研究点的背景条件、研究方法明确；（4）相同的试验数据发表在不同期刊时，选择信息描述较为全面的文献。

通过 NoteExpress 剔除作物类型、试验年份、试验地点和试验数据结果相同的文献，其中符合筛选标准的土壤微生物量碳、氮和作物产量文献通过数据库共检索得高质量文献 84 篇，并纳入 Meta 分析。选择可较为直观地反映土壤肥力状况的土壤微生物量碳、氮作为研究对象。数据来自各项研究的表格和图，当数据以图的形式呈现时，通过 Plotdigitizer 提取。若文献直接报告了标准差或者根据标准误和样本量计算标准差，文章未给出标准差或者无法计算的时候，以平均值的 10% 作为标准差（文中所提取的大部分数据的标准差均符合 10% 的计算标准，且原始数据的标准差始终低于平均值的 10%）^[19]。因为 Meta 分析的一个假设为所有研究之间相互独立，故提取过程中如遇不同时期测定多个数据的研究，仅取采样日最近的数据^[20]。

1.2 数据分类

共收集有效田间试验数据 625 组，332 组土壤微生物量碳、氮配对试验数据，其中 OF vs NF 共 40 组，OF vs IF 共 36 组，OF + IF vs NF 共 120 组， OF + IF vs IF 共 136 组；293 组作物产量配对试验数据，其中 OF vs NF 共 48 组，OF vs IF 共 45 组，OF + IF vs NF 共 70 组，OF + IF vs IF 共 130 组；本研究选取了 9 个评价指标（施肥方式、作物类型、有机肥种类、施氮量、土壤类型、土壤 pH、不同地域、降水量、年均温度）作为研究施用有机肥对土壤微生物量碳、氮及作物产量的影响。此外，至少纳入 10 组数据进行分组研究，若分组数据 n<10，则各数据应分别来自完全相互独立的 3 个或 3 个以上研究^[21]（图1）。

1.3 统计分析

本研究使用 MetaWin 2.1 进行有机肥施用与土壤微生物量碳、氮含量的影响进行 Meta 分析，若文献只提供标准误，标准差可使用公式（1）计算：

注：A 为土壤微生物量碳、氮含量数据分布情况；B 为作物产量数据分布情况。

式中，SD：标准差，SE：标准误，n：重复数。

利用各研究中处理组平均数（X_t）的对数值与对照组的平均数（X_c）的对数值之间的差值来计算对数响应比（lnR₊₊），ln R₊₊ 值可由公式（2）计算：

$\mathrm{l}\mathrm{n}{R}_{++}=\mathrm{l}\mathrm{n}\left(\frac{\overline{X_t}}{\overline{X_c}}\right)=\mathrm{l}\mathrm{n}\overline{X_t}-\mathrm{l}\mathrm{n}\overline{X_c}$（2）^[21]

计算 95% 的置信区间（CI）。如果 95%CI 包含 0，则处理组与对照组差异不显著；若不包含 0，即差异显著（P<0.05）^[22]。

将分析结果转化为相对变化率（Y），可更加直观解释土壤微生物量碳、氮含量对施用有机肥的响应特征，可使用公式（3）进行计算：

$Y=\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left(\mathrm{l}\mathrm{n}{R}_{++}-1\right)\times 100\mathrm{\%}$（3）^[23]

异质性检验及发表偏倚检验：通过使用 Q 统计量进行异质性检验，Q 服从于自由度为 k-1 的卡方分布，当异质性检验结果显著时（P<0.05）表明研究间存在异质性，故选择随机效应模型，反之选择固定效应模型。此外，本研究利用失安全系数法进行文献的发表偏倚检验，若潜在值大于临界值即不存在发表偏倚^[23]。

1.4 数据处理

使用 Plotdigitizer 和 Office 2019 进行数据收集提取和数据集建立，以及常规的数据计算；利用 MetaWin 2.1 进行 Meta 分析^[17]，确定有机肥施用是否对土壤微生物量碳、土壤微生物量氮和作物产量有显著影响，利用 GraphPad Prism 8 进行森林图和柱状图绘制。

2 结果与分析

2.1 有机肥施用对土壤微生物量碳、氮含量及作物产量的异质性及发表偏倚检验

施用有机肥对土壤微生物量碳、氮含量及作物产量的异质性检验及发表偏倚检验结果如表1 所示，与单施有机肥和有机无机配施相比，不施肥和单施无机肥处理异质性检验均有显著差异 （P<0.05），故采用随机效应模型，对土壤微生物量碳和土壤微生物量氮含量分组数据进行发表偏倚检验，各分组潜在效应值均大于临界值，表明各组合数据间均不存在发表偏倚。

2.2 有机肥施用对土壤微生物量碳、氮含量作物产量的影响

施用有机肥（OF、OF+IF）对土壤微生物量碳、氮含量以及作物产量具有显著的促进作用（P<0.05），土壤微生物量碳、氮含量和作物产量分别增加 41.14% （95%CI：38.32%～44.04%）、46.46%（95%CI： 43.02%～50.01%） 和 48.85%（95%CI：43.86%～45.03%）（ 图2 A）。与不施肥相比，施用有机肥后土壤微生物量碳含量提高 46.80%（95%CI： 43.22%～50.46%），土壤微生物量氮含量提高 56.0% （95%CI：47.18%～65.37%），作物产量提高 47.48% （95%CI：39.98%～55.36%）； 与单施化肥相比，有机肥施用下土壤微生物量碳含量可提高 36.06% （95%CI：21.22%～52.71%），土壤微生物量氮含量提高 40.80%（95%CI：30.42%～52.01%），提高作物产量 4.04%（95%CI：2.26%～5.46%）（图2B）。

注：SMBC 为微生物量碳，SMBN 为微生物量氮，C/N 为微生物量碳氮比，Cy 为作物产量。括号中的数字为数据量，下同。

2.3 有机肥施用方式对土壤微生物量碳、氮含量及作物产量的影响

不同施肥方式对土壤微生物量碳、氮含量及作物产量具有显著的促进作用（P<0.05）（图3）。单施有机肥和有机肥配施无机肥均比不施肥和单施化肥增加显著（P<0.05），其中与不施肥相比单施有机肥土壤微生物量碳、氮含量增加最显著，分别为 64.21%（95%CI：55.08%～73.90%）、83.88% （95%CI：64.74%～105.22%）。与不施肥相比，有机肥配施无机肥作物产量增加最显著，为 61.59% （95%CI：52.20%～71.57%）。

2.4 有机肥种类对土壤微生物量碳、氮含量及作物产量的影响

施用不同种类有机肥对土壤微生物量碳、氮含量和作物产量具有显著正效应（P<0.05）（图4）。但不同种类的有机肥对土壤微生物量碳、氮含量及作物产量的正效应程度不同，施用植物源的绿肥后土壤微生物量碳、氮含量增加最显著，分别增加了 143.3% （95%CI：89.38%～212.80%）、176.85%（95%CI： 80.02%～325.76%），其次为动物源的猪粪，分别增加了 81.5%（95%CI：66.57%～97.92%）、72.93% （95%CI：53.16 %～95.25%），另外，施用动物源的马粪对土壤微生物量碳含量的正效应最弱为2 8.8%（95%CI：22.55%～35.52%），施用商品有机肥对土壤微生物量氮含量正效应最弱，为 20.2% （95%CI：15.59%～25.05%）；另外，合理施用生物炭后对作物产量增加最显著，为 54.76%（95%CI： 14.81%～108.59%）。

2.5 不同作物类型下施用有机肥对土壤微生物量碳、氮含量及作物产量的影响

不同作物类型对有机肥施用的响应特征不同（图5），旋花科、山茶科、十字花科、茄科、豆科、禾本科的微生物量碳、氮含量及产量对有机肥的施用的响应均呈显著正向效应（P<0.05），其中山茶作物对土壤微生物量碳、氮含量提高最为显著，分别提高了 201.1%（95%CI：117.75%～316.33%）、214.9%（95%CI： 75.96%～463.39%）。其次为茄科和豆科微生物量碳、氮含量分别提高了 63.1%（95%CI：29.46%～105.53%）、 54.2%（95%CI：35.62%～75.51%）和 51.5 %（95%CI： 35.89%～69.10%）、84.12%（95%CI：57.00%～115.93%）； 旋花科中作物产量增加最显著为 34.68%（95%CI： 16.80%～55.27%）。

2.6 不同氮肥施用量下施用有机肥对土壤微生物量碳、氮含量及作物产量的影响

有机无机配施下，氮肥的配施对土壤微生物量碳、氮含量具有显著促进作用（P<0.05）（图6），在施氮量 >350 kg/hm² 时，土壤微生物量碳含量增加最显著，为 56.0%（95%CI：36.47%～78.30%）； 在施氮量≤ 180 kg/hm² 时，土壤微生物量氮含量则增加最显著，为 46.7%（95%CI：41.65%～52.00%）； 施氮量 >350 kg/hm² 时，作物产量增加最显著，为 30.26%（95%CI：20.68%～40.61%）。

2.7 不同土壤类型及 pH 下施用有机肥对土壤微生物量碳、氮含量及作物产量的影响

施用有机肥能显著提高微生物量碳、氮含量及作物产量（P<0.05），在不同土壤类型（图7）下施用有机肥对土壤微生物量碳、氮含量的影响不同。在不同土壤类型背景下施用有机肥对土壤微生物量碳、氮含量的影响为在潮土的土壤下施用有机肥能显著提高微生物量碳含量（P<0.05），微生物量碳含量增加达到 97.6%（95%CI：75.48%～122.55%），土壤微生物量氮含量则在黄壤的土壤下显著增加，为 102.9%（95%CI：80.6%～128.02%）；有机肥施用后，在褐土和灰钙土中对土壤微生物量氮含量无显著影响，分别为 8.26%（95%CI：-1.58%～19.09%） 和 8.26%（95%CI：-8.64%～34.93%）；在潮土中作物产量增加最显著，为 43.98 %（95%CI：33.08%～55.77%）。不同土壤 pH 下施用有机肥对土壤微生物量碳、氮含量的影响见图8，在碱性土壤下施用有机肥能显著提高微生物量碳含量（P<0.05），微生物量碳含量增加达到 48.57%（95%CI：40.54%～57.07%），土壤微生物量氮含量则在酸性土壤中显著增加，为 51.09%（95%CI： 42.32%～60.38%），作物产量则在中性土壤中增加最显著，增加了 50.14%（95%CI：27.11%～77.34%）。

注：酸性为 pH ≤ 6.5，中性为 pH 6.5～7.5，碱性为 pH>7.5。

2.8 不同区域气候条件下施用有机肥对土壤微生物量碳、氮含量及作物产量的影响

基于不同区域分析，施用有机肥对华南、西南、西北、东北、华北、华中、华东均具有显著促进作用（P<0.05）（图9），其中华南地区促进作用最强，微生物量碳、氮含量分别为 120.4% （95%CI：25.24%～287.91%）、115.39%（95%CI： 75.45%～164.43%），华北地区增加最弱，分别为 26.9% （95%CI：21.65%～32.43%）、23.95%（95%CI： 12.01%～37.16%）；作物产量则于西北地区增加最显著，为 98.91%（95%CI：34.10%～195.06%）。

不同气候条件下施用有机肥对土壤微生物量碳、氮含量具有显著促进作用（P<0.05），其中，不同降水量（图10）下施用有机肥对土壤微生物量碳、氮含量具有显著促进作用（P<0.05），与其他降水量（500～1000、1000～1500、>1500 mm） 相比，在降水量≤ 500 mm 时，施用有机肥后对土壤微生物量碳、氮含量促进作用最强（P<0.05），分别为 91.44%（95%CI：63.98%～123.49%）、113.6% （95%CI：76.44%～158.70%）；作物产量则于降水量 500～1000 mm 下增加最显著，为 32.64%（95%CI： 25.85%～39.82%）。不同年均温度（图11）下施用有机肥对土壤微生物量碳、氮含量及作物产量具有显著促进作用（P<0.05），其中，年平均温度 >20℃时，土壤微生物量碳、氮含量显著促进作用最强，分别为 85.6%（95%CI：30.65%～163.76%）、 105.7%（95%CI：77.52%～138.45%），作物产量于年均温度 10～15℃下增加最显著，为 44.1% （95%CI：33.83%～55.185%）。

2.9 土壤微生物量碳、氮含量及作物产量的影响因素分析

相关性分析结果（图12）表明，微生物量碳含量主要受土壤初始 pH 和年均温度的影响，即土壤初始 pH 和年均温度越高，微生物量碳含量越大； 土壤微生物量氮含量与土壤初始 pH 和氮肥施用量呈显著正相关；土壤微生物量碳氮比与年均温度呈显著正相关，即年均温度越高，土壤微生物量碳氮比越大；此外，作物产量也受土壤初始 pH 的影响，土壤初始 pH 越大（pH 7～7.6），作物产量越高； 而本研究中的土壤微生物量碳、氮含量和作物产量呈显著正相关，即作物产量随着土壤微生物量碳、氮含量的增加而增加。

3 讨论

3.1 施用有机肥对土壤微生物量碳、氮含量及作物产量的影响

本文以施用有机肥对土壤微生物量碳、氮含量及作物产量的影响因子进行 Meta 分析，结果表明施用有机肥对土壤微生物量碳、氮含量及作物产量具有显著正效应，这与张毅博等^[24]、胡一民等^[25]研究结果相一致。在农业生产过程中施用有机肥不仅带入了大量活体微生物，还提供了大量的有效碳源，对土壤中各种有益微生物的生长发育均具有良好的促进作用，提高了土壤的生物活性，有利于土壤的可持续利用^[26]，在国内外，施用有机肥以提高农业土壤质量及作物产量的措施已得到广泛应用，有机肥通过提高土壤有机质、全氮含量及土壤基础呼吸强度来提高土壤微生物量，因有机肥中含有丰富的有机质，长期施用有机肥可以提高土壤有机质含量^[5]，并通过增加归还土壤有机氮量提高土壤全氮含量^[26]，而土壤有机质和全氮含量的增加与土壤微生物量碳、氮含量又具正相关关系，因此，施用有机肥通过增加土壤有机质、全氮含量促进了土壤微生物量碳、氮含量的增加。而土壤微生物量碳、氮含量是土壤肥力的重要指标，施用有机肥能增加土壤肥力，进而增加作物产量。

3.2 施用有机肥对土壤微生物量碳、氮含量及作物产量的影响因素

在本研究中，施用有机肥后土壤微生物量碳、氮含量及作物产量显著增加，并受施肥方式及施氮量、有机肥种类、土壤类型及 pH、气候条件等因素的影响。

单施有机肥和有机肥与无机肥配施均可提高土壤微生物量碳、氮含量及作物产量，与不施肥相比单施有机肥和有机肥配施无机肥土壤微生物量碳、氮含量均显著增加，在有机肥与无机肥配施的施肥方式下作物产量增加最显著，分析土壤微生物量增加的原因可能是有机肥施用后增加土壤有机质含量，提高土壤养分有效性，增大土壤孔隙度，促进微生物的活性和代谢等有关^[26]；而在有机肥与无机肥配施下，作物产量增加最显著，结合施肥方式、氮肥施用量及作物类型分析，在不同作物下施用有机肥后均显著提高土壤微生物量碳、氮含量及作物产量，但各作物响应程度不同^[27-30]，施用有机肥后旋花科的产量增加最显著。在施氮量大于 350 kg/hm² 时作物产量增加最显著，前人研究结果表明当施入适量氮肥时，可以促进土壤中矿质养分的释放，增加土壤可利用养分的含量，进而促进土壤微生物的繁殖和生长，从而提高土壤微生物量碳、氮含量，提高土壤肥力，增加作物产量^[31]。结合以上结果分析，不同有机肥所含养分组成及比例不一样，不同作物需肥量不一样，在施肥时综合考虑作物类型、需肥量、施肥方式等进行合理施肥。进行合理的有机无机配施，有机肥改善土壤结构的同时无机肥补足有机肥不足的养分元素，如氮、磷、钾、铁、锰、锌、铜等，通过补充有机肥中不足的养分元素部分为植物生长提供完整的营养来源，从而提高作物的产量和品质。

田间施用有机肥后土壤微生物量碳、氮含量及作物产量增加可能受土壤类型及 pH、气候条件等因素的影响。研究表明与其他地区相比，华南和西南地区施用有机肥后土壤微生物量碳、氮含量和作物产量增加最显著，分析其原因可能是，华南地区是我国主要农业产区之一，气候条件湿润，有机肥施用后得到充分分解利用，进而提高土壤肥力^[32]，西南地区土地相对贫瘠，施用有机肥后补充土壤供肥的不足，作物产量增加较明显。不同土壤类型对有机肥施用的响应不一致，分析结果表明在潮土中土壤微生物量碳含量和作物产量增加最显著，而土壤微生物量碳、氮含量与土壤 pH 的关系一直存在争议，Taylor 等^[33]的研究表明土壤微生物量碳、氮含量与土壤 pH 呈显著负相关性，也有学者认为微生物量与 pH 之间存在显著正相关^[34]，或相关性不显著^[35]。而此次分析结果显示，在偏碱性的土壤中土壤微生物量碳含量增加最显著，在偏酸性的土壤中土壤微生物量氮含量增加更显著，出现以上不同结论的原因可能是微生物的繁殖生存所需的 pH 范围不同，因而表现出差异，而作物产量则在中性土壤中增加最显著。结合有机肥种类、土壤类型及土壤 pH 分析施用有机肥后与土壤微生物量碳、氮含量及作物产量的关系，其中不同种类的有机肥所含营养成分及矿质元素不同，在施用过程中适合不同类型的土壤，植物源有机肥中富含蛋白质、碳水化合物和较高的钾元素等，能够中和土壤过多的碳酸盐，降低土壤 pH，适合在碱性土壤中施用；而动物源有机肥富含有机氮、磷、钾和有机酸等，有机酸能够中和土壤中高酸物质，降低土壤酸度，适合在酸性土壤中使用^[36]。不同气候条件影响土壤微生物量碳、氮的含量和分布^[37-38]，分析结果表明土壤微生物量碳、氮含量受气候条件影响，在年降水量小于 500 mm 年均温度大于 20℃条件下增加最显著，分析其可能的原因是降水量小于 500 mm 地区相对干旱，土壤肥力差，在施用有机肥后土壤微生物量碳、氮含量增加较其他地区显著；大于 20℃条件下微生物量碳、氮含量增加较显著的原因可能是微生物生长需要合适的温度。作物产量则在年降水量为 500～1000 mm 和温度为 10～15℃下增加最显著，分析其原因可能是作物生长过程中需要充足的降水与适宜的温度才能生长良好，增加产量。因此，深入研究不同措施下施用有机肥土壤微生物量碳、氮含量变化的主要影响因子，明确其影响方式，为有机肥的施用提高土壤肥力，进而增进作物健康，减少病虫害，达到化肥农药减量施用、提高粮食产量和品质的目的。

综上所述，田间施用有机肥后，能显著增加土壤微生物量碳、氮含量和作物产量。然而，由于我国不同区域在施肥习惯、水肥管理、土壤类型、气候条件等方面差异较大，施用有机肥后对土壤及作物的影响具有较大不确定性，因此对施肥方式、土壤类型及气候等影响因素进行分析。值得指出的是，本研究中仅搜集了国内有机肥施用后对土壤微生物量碳、氮含量及作物产量的相关研究，所构建数据库中样本相对较少，也可能会影响分析结果的代表性。

4 结论

施用有机肥对土壤微生物量碳、氮含量及作物产量具有显著促进作用，结合施肥方式、有机肥种类、作物类型、施氮量、土壤 pH、气候等进一步分析表明，以下几方面有助于提高微生物量碳、氮含量及作物产量：（1）根据氮肥施用量进行有机肥单施或合理的与无机肥配施；（2）结合作物类型、有机肥种类进行绿肥还田、施用猪粪、生物炭等有机肥；（3）根据当地气候类型、土壤肥力合理选择施用有机肥的种类和施用方式。结合以上分析在田间施肥过程中建议结合施氮量对土壤微生物量碳、氮含量及作物产量的影响合理进行有机无机配施，结合当地年均温度、降水量以及土壤肥力情况在山茶科、豆科和旋花科等作物上构建以单施或配施猪粪、生物炭和绿肥还田等有机肥施用技术，因地制宜选择合适的施肥方式。

参考文献