菌渣施用对中国土壤理化性质的影响:基于Meta分析

2024-03-25 17:26周武李鸣雷
江苏农业科学 2024年2期
关键词:理化性质菌渣Meta分析

周武 李鸣雷

摘要: 菌渣作为有机肥不但可以解决因菌渣焚烧或堆积造成的环境污染问题,还可改良土壤、提高土壤生产力。本研究通过Meta分析的方法,整合了国内外发表的27篇文献的482条有效数据,量化分析了土壤理化性质对菌渣施用的响应,以及菌渣处理方式、菌渣碳氮比、菌渣施用方式、菌渣配施比例对土壤理化性质的影响。结果表明,与不施肥处理对比,菌渣施用可显著降低土壤容重,提高直径>0.200 cm的土壤水稳性团聚体质量分数,减少直径<0.025 cm 的土壤水稳性团聚体质量分数,增加土壤养分含量,小幅提升土壤pH值。菌渣施用下土壤重金属含量会少量累积,同时菌渣对土壤有效Pb、有效Cd表现出较强的吸附性。Meta回归结果显示,菌渣施用下部分土壤理化指标表现出显著的纬度变化特征,低纬度地区的土壤养分更易流失,高纬度地区土壤Cu、As含量更易累积。本研究结果可为循环与生态农业背景下化肥减施及高效利用菌渣提高土壤生产力提供参考。

关键词: 菌渣;土壤;理化性质;Meta分析

中图分类号:S141.5;S153  文献标志码:A

文章编号:1002-1302(2024)02-0205-08

我国是世界上最大的食用菌生产国、消费国和出口国,每年产量巨大,据报道每产出1 kg的食用菌,预计有5 kg的菌渣产生,大部分菌渣在被废弃或者焚烧的过程中会对周边的环境造成恶劣影响,同时也造成巨大的农业生产资源浪费,因此科学处理菌渣是解决农林废弃物循环利用的关键环节[1-2]。菌渣的理化性质与栽培基质的组成密切相关,食用菌的栽培基质主要包括木屑、秸秆、 棉籽壳、麸皮、米糠等复合成分,占培养基总量的98%~99%, 其次是硫酸钙、氧化钙、碳酸钙等矿质辅料,占培养基总量的1%~2%[3]。菌丝体在适宜的条件下通过分泌胞外酶降解培养基中的木质素、纤维素、半纤维素以满足自身的生理生化条件,当子实体采收结束之后,剩下的残留物即为菌渣[4]。菌渣中含有丰富的菌丝体蛋白、多糖以及未被完全利用的其他组分且结构疏松多孔,是可回收利用的天然有机物料,目前菌渣资源化利用的途径主要包括:制作食用菌培养基、生产有机肥、制作饲料、降解和吸附土壤污染物、制作生物炭和活性炭、生产沼气等[5-14]。

随着我国土壤问题日益突出,利用有机物料进行土壤改良是改善土壤生产力与发展生态农业的重要举措。菌渣作为广泛使用的有机物料,兼具防治土壤侵蚀和土壤退化、修复土壤重金属污染和土壤有机污染、土壤酸化改良和土壤盐碱化改良等多种用途[15]。作为有机肥,菌渣能够增加土壤有机质,促进土壤团粒结构形成,调节土壤pH值,长期施用菌渣能够改善因过度施用化肥而导致的土壤酸化、土壤板结与肥力资源流失等问题[16-18]。作为具有土壤修复功能的有机物料,菌渣可通过吸附作用或菌渣腐殖化与重金属形成稳定结构的配合物来降低重金属的有效性和流动性,和石灰、粉煤灰、沸石、海泡石、膨润土、赤泥、磷酸盐等传统无机钝化剂相比,菌渣具有成本低、环境友好的特點[19-20]。但值得关注的是,菌渣施用同样伴随风险,由于不同菌渣的性质差异极大,施用量较高可能会对土壤及作物带来不利影响[21]。梁涛等对重庆市不同菌渣的重金属含量进行调查,随机抽取84个菌渣样本检测,结果发现部分样品存在Cd超标的情况,长期施用可能会造成土壤重金属累积的风险[22]。除此之外,菌渣的含盐量通常较高,长期施用可能会导致土壤含盐量上升,进而对土壤和作物造成危害,因此从土壤物理、土壤养分、土壤重金属等多方面评估菌渣施用对土壤理化性质的影响具有重要意义[23]。受限于单个试验点的空间分布和不同菌渣的性质差异,菌渣施用对土壤理化性质的影响需要在更大的空间尺度展开全面讨论。本研究以中国境内多个省份开展的菌渣施用试验数据为样本,对收集到的27篇文献数据建立数据库,运用Meta分析的方法探究菌渣施用对土壤理化性质的影响,为揭示循环与生态农业背景下菌渣施用的影响和合理施用菌渣提高土壤生产力提供科学指示。

1 材料与分析

1.1 数据来源

本研究所纳入的文献通过以下数据库检索得到:中国知网(https://www.cnki.net/)、Web of Science(https://www.webofscience.com/)、Science Direct(https://www.sciencedirect.com/)。以“菌渣施用(mushroom residues application)”“土壤理化性质(soil physical and chemical properties)”等关键词进行检索,收集截止于2023年以来有关菌渣施用对土壤理化性质影响的相关文献,对初步检索到的相关文献按照以下原则进行筛选:(1)试验地点为中国境内,试验前已测定土壤背景值,试验方式为大田试验且常年耕作;(2)试验须至少设立菌渣施用和不施肥(对照组)2个处理,每个处理不少于3次重复,其他试验条件保持一致;(3)土壤样品采集深度为0~20 cm的耕层,栽培试验统计前茬作物采收后的土壤相关理化指标;(4)试验数据可提取内容包括样本均值、样本量、标准差或标准误。根据以上标准将筛选到的文献进行整理分类,建立文献信息数据库,如果文献中的数据形式为统计图,则利用GetData Graph Digitizer 2.26对图片进行数字化,最后将符合条件的27篇文献的482条有效数据进行分类汇总,构成本研究的数据库。

1.2 数据分组

为了保证结果的准确性,每个亚组内的数据点至少在3组以上。数据库包含的土壤理化指标主要有:土壤有机质含量、容重、水稳性团聚体(按直径分为大团粒:直径>0.200 cm、中团粒:直径为0.025~0.200 cm、微团粒:直径<0.025 cm)含量分数、全氮含量、全磷含量、全钾含量、碱解氮含量、有效磷含量、有效钾含量、pH值;土壤全Cu、全Cd、全Pb、全Zn、全As、全Cr、有效Pb、有效Cd含量。

根据菌渣的处理方式将其分为菌渣直接施用和菌渣腐熟施用2个亚组; 根据菌渣的碳氮比,将其分为碳氮比<15和碳氮比>15 2个亚组;根据菌渣的施用方式将其分为菌渣单施和菌渣化肥配施2个亚组;根据菌渣配施比例(按纯氮计算)将其分为配施比例<0.5和配施比例>0.5 2个亚组, 菌渣配施比例=菌渣总氮含量/(菌渣总氮含量+化肥总氮含量),其中:菌渣总氮含量=菌渣施用量×菌渣含氮百分比, 化肥总氮含量=化肥施用量×化肥含氮百分比。

1.3 数据分析

纳入研究的数据应包含样本均值X 、样本量n、样本标准差SD,如果文献中提供标准误SE,那么标准差与标准误的转换关系为

SD=SE× n 。  (1)

如果土壤pH值的测定方法采用的是CaCl2溶液方法测定的,统一将其转换为用水测定的pH值[24]:

pH值(H2O)=1.65+0.86pH值(CaCl2)。  (2)

土壤有机质和有机碳指标不一的情况,通过Bemmelen指数进行转化,统一将土壤有机碳含量转换为土壤有机质含量[25]:

SOM=SOC×1.724。  (3)

为了消除不同研究之间试验指标量级上的差异,可以更加直观地比较处理效应,采用响应比作为衡量效应大小的方法:

RRi=ln(X t/X c)=ln(X t)-ln(X c)。  (4)

式中:RRi为第i个研究的响应比;X t为菌渣施用处理对应指标的平均值;X c为不施肥处理对应指标的平均值。RRi的方差由公式(5)计算:

VRRi=S2t/NtX 2t+S2c/NcX 2c。  (5)

式中:VRRi为第i个研究响应比的方差;Nt、X t、St分别为菌渣施用处理对应指标的样本量、平均值、标准差;Nc、X c、Sc为不施肥处理对应指标的样本量、平均值、标准差。

异质性检验结果是选择固定效应模型或随机效应模型计算响应比的参考依据之一,在k个研究中,Q统计量服从自由度为k-1的卡方分布,若 P<0.05,I2>50%,则表明各研究间的真实效应不等,可考虑采用随机效应模型计算效应值,因此本研究结合异质性检验结果,选择随机效应模型进行数据合成相对合理,采用D-L法计算不同研究间的方差τ2[26-29]:

Wi=1/VRRi;  (6)

RRW=∑ n i=1 WiRRi/∑ n i=1 Wi;  (7)

τ2=max{0,[∑ n i=1 Wi(RRi-RRw)2-(n-1)]/(∑ n i=1 Wi-∑ n i=1 W2i/∑ n i=1 Wi)}。 (8)

式中:Wi为第i个研究的权重;RRW为RRi的加权响应比;n为研究数量;τ2为研究间的方差。最后利用随机效应模型计算RRi的加权响应比RR 和标准误SE(RR ),将不同研究间的方差τ2用于重新分配权重:

W*i=1/(VRRi+τ2);  (9)

RR =∑ n i=1 W*iRRi/∑ n i=1 W*i;  (10)

SE(RR )= 1/∑ n i=1 W*i 。  (11)

式中:W*i為第i个研究根据随机效应模型计算的权重;RR 的95%置信区间(CI)为:RR ±1.96SE(RR ),1.96为标准正态分布的双尾临界值(P=0.05),为了更好地比较处理效应,将RR 转换为百分比:效应量(lnRR%)=[exp(RR )-1]×100%。如果RR 的95%CI不与零线相交,则推断真实响应比为零的原假设不成立(P<0.05),即对应指标的处理效应是显著的[30-31]。

本研究通过计算失安全系数(Fail-Safe N)来分析发表偏倚性,如果N远远大于样本量(N>5k+10),那么认为纳入研究的分析结果是可靠的[32]。采用Meta回归的方法研究不同土壤理化指标与各个试验点的纬度、年平均温度(mean annual temperature,mat)、年平均降水量(mean annual precipitation,map)之间的关系,Meta分析使用软件OpenMEE完成。

2 结果与分析

2.1 菌渣施用对土壤理化性质的影响

由表1可知,菌渣施用对土壤容重、有机质含量、全氮含量、全磷含量、全钾含量、碱解氮含量、有效磷含量、有效钾含量、pH值的影响均显著(P<0.05),各项指标效应量的95%CI均不包含无效假设。菌渣施用能够显著降低土壤容重(-9.1%),提高土壤有机质和土壤氮、磷、钾的含量,其中对土壤有机质的增幅最为显著(37.4%)。菌渣施用能够显著提高土壤的速效养分含量,对土壤有效钾的增幅最大(31.7%),其次是土壤碱解氮(18.7%),对土壤有效磷的增幅最小(14.9%)。菌渣施用对土壤pH值也有一定的影响,总体趋势是使得土壤pH值小幅上升(1.6%)。菌渣施用可显著提高土壤水稳性大团粒的质量分数(16.5%),对土壤水稳性中团粒的增幅不显著(2.6%),同时会显著减少土壤水稳性微团粒的质量分数(-8.5%)。菌渣施用使土壤全Cu、全Pb、全Zn的含量有小幅增加趋势,增幅分别为0.7%、0.6%、0.4%,土壤全Cd、全As、全Cr含量的增幅较大,分别为2.8%、10.4%、4.6%;菌渣施用能显著降低土壤有效Pb、有效Cd的含量,与不施用菌渣相比,分别减少土壤有效Pb含量7.7%、减少土壤有效Cd含量13.9%。

2.2 亚组分析结果

2.2.1 菌渣处理方式对土壤理化性质的影响 菌渣直接施用和菌渣腐熟施用对土壤理化指标的影响均显著(P<0.05)。菌渣直接施用对土壤有机质、碱解氮、有效磷、有效钾含量的增幅分别为45.4%、19.4%、19.6%、35.8%,对土壤有机质含量的增幅比菌渣腐熟施用高23.7%,对土壤碱解氮、有效磷、有效钾含量的增幅分别比菌渣腐熟施用低3.9%、59.5%、7.3%,菌渣腐熟施用对土壤有效磷的提升是菌渣直接施用的4倍以上(图1-a)。

2.2.2 菌渣碳氮比对土壤理化性质的影响 高碳氮比组(碳氮比>15)对土壤理化指标的影响均显著(P<0.05),低碳氮比组(碳氮比<15)对土壤pH值的影响不显著(P=0.161),其他指标均显著。低碳氮比组对土壤有机质含量、全氮含量、全磷含量、全钾含量、碱解氮含量、有效磷含量、有效钾含量、pH值的增幅分别为21.9%、8.0%、23.0%、13.2%、19.2%、6.4%、186.6%、0.4%,对土壤全磷、全钾、有效钾含量的增幅分别比高碳氮比组高15.1%、3.7%、159.5%,对土壤有机质含量、全氮含量、碱解氮含量、全磷含量、pH值的增幅分别比施用高碳氮比组低11.2%、9.7%、3.7%、42.9%、1.2%。低碳氮比组对土壤有效钾含量的增幅是高碳氮比组的近7倍,高碳氮比组对土壤有效磷含量的增幅则是低碳氮比组的近8倍(图1-b)。

2.2.3 菌渣施用方式对土壤理化性质的影响 菌渣单施与菌渣配施对土壤理化性质的影响均显著(P<0.05)。菌渣单施对土壤容重、有机质含量、全氮含量、碱解氮含量、有效磷含量、有效钾含量的增幅分别为-12%、42%、10%、17%、13%、25%,对土壤有机质、 全氮含量的增幅分别比菌渣化肥配施高10%、2%,对土壤容重、碱解氮含量、有效磷含量、有效钾含量的增幅比菌渣化肥配施低4%、5%、2%、15%。(图1-c)。

2.2.4 菌渣配施比例对土壤理化性质的影响 菌渣配施比例<0.5时对土壤pH值的影响不显著(P=0.577),对其他理化指标的影响均显著(P<0.05),菌渣配施比例>0.5时对土壤理化指标的影响均显著。菌渣配施比例<0.5时对土壤有机质含量、全氮含量、全磷含量、碱解氮含量、有效磷含量、有效钾含量、pH值的增幅分别为15.4%、6.2%、11.3%、12.6%、13.8%、20.2%、-0.8%,对土壤全磷、有效磷的增幅比菌渣配施比例>0.5时分别高11.3%、13.8%,对土壤有机质含量、全氮含量、碱解氮含量、有效磷含量、有效钾含量、pH值的增幅比菌渣配施比例>0.5时分别低12.3%、2.8%、9.9%、3.6%、4.5%、66.4%、5.3%(图1-d)。

2.3 菌渣施用下纬度、年平均降水量和年平均温度与土壤理化性质的关系

Meta回归结果显示,菌渣施用下土壤容重、有机质、全氮、碱解氮、有效钾、全Pb、全Zn的效应量与纬度的关系不显著,土壤水稳性中团粒和微团粒、全磷、全钾、有效磷、全Cu、全As的效应量与纬度存在显著的正相关关系,土壤水稳性大团粒、pH值的效应量与纬度存在显著的负相关关系(表2)。菌渣施用下土壤容重、水稳性大团粒的效应量与年平均温度呈显著的正相关关系,土壤pH值的效应量与年平均温度的关系不显著;土壤水稳性中团粒和微团粒、全磷、全钾、有效磷、全Cu、全As的效应量与年平均温度呈显著的负相关关系。土壤水稳性大团粒、pH值的效应量与年平均降水量呈显著的正相关关系,土壤水稳性中团粒和微团粒、全磷、有效磷、全As的效应量与年平均降水量呈显著的负相关关系,土壤容重、全钾、全Cu的效应量与年平均降水量的关系不显著(图2、图3)。

3 讨论

3.1 菌渣施用对土壤容重、土壤团聚体的影响

土壤容重是土壤重要的肥力指标之一,它是土壤孔隙结构、保水能力的集中反映[33]。菌渣施用能显著降低土壤容重的原因主要有2点:一是菌渣自身质地较轻、孔隙度较大,因此投入到土壤中会降低土壤容重,二是菌渣养分丰富能够提高土壤微生物数量 和土壤酶活性,在土壤微生物的作用下通过腐殖化作用形成腐殖质,可改善土壤团粒结构从而间接降低土壤容重[34-37]。低纬度地区土壤容重的降低幅度较小,可能的原因是这些地区温度和降水量较高,菌渣分解较快,残留的菌渣逐渐减少,同时部分不稳定的有机胶结物被破坏,导致土壤团粒结构受损(图 2-a)。陈玉真等通过田间试验研究菌渣施用下茶园土壤团聚体的分布特征,结果发现菌渣施用会增加土壤水稳性大团粒(>0.20 cm)的质量分数,减少水稳性微团粒(<0.025 cm)的质量分数[38],本研究的结果与之一致。土壤团聚体的粒级分布同时受土壤肥力、气候条件等多种因素的影响,菌渣施用下温度和降水量较高的低纬度地区对土壤水稳性大团粒的增幅更加显著(图2-c、图2-d),而温度和降水量较低的高纬度地区土壤水稳性中团粒和微团粒的增幅更大(图2-e至图2-h)。

3.2 菌渣施用对土壤养分的影响

腐熟处理的菌渣对土壤速效养分的增加十分显著(图1-a),菌渣经过腐熟处理后有机质含量下降,碱解氮、有效磷、有效钾的释放更加充分,微生物丰度增加,pH值小幅上升,因此菌渣的处理方式对土壤理化性质的影响较大[39]。有研究表明,菌渣等有机物料的碳氮比与其矿化速率呈反比,菌渣碳氮比低时菌渣分解速率较快,低碳氮比组(碳氮比<15)处理下土壤中残留的有机质和高碳氮比组(碳氮比>15)相比相对较少(图1-b),特别对土壤有效钾的提升十分显著[40]。菌渣施用方式对土壤肥力的影响有所差异(图1-c), 菌渣化肥配施更有利于土壤微生物对菌渣碳素的转化分解,因此土壤有机质、土壤全氮的增幅低于菌渣單施,土壤碱解氮、有效磷、有效钾的增幅高于菌渣单施[41]。菌渣直接施用或菌渣配施比例>0.5时,土壤有机质的增幅较大,其原因主要是菌渣直接施用或比例较高时分解速率较慢,菌渣配施比例如果超过土壤的矿化速率,耕作结束后土壤中残余菌渣量较多,有机质会不断积累,从而提高土壤中的有机质含量[42]。菌渣配施比例<0.5时,土壤有机质的增幅较小,但土壤全磷、有效磷的增加更显著,因此菌渣的施用比例并不是越高越好(图1-d)。菌渣施用下土壤全磷、全钾、有效磷受气候条件的影响较大,在高纬度地区土壤的微生物活性低于低纬度地区,菌渣的养分释放缓慢,土壤中积累的全磷、全钾、有效磷随之增加(图3-a至图 3-f),而低纬度地区温度、降水量较高,淋溶作用加强,土壤中的养分积累逐渐减少[43]。

3.3 菌渣施用对土壤pH值的影响

菌渣对土壤pH值具有一定的调节作用,总体趋势是使得土壤pH值小幅上升(表1)。菌渣在酸化土壤改良和盐碱土改良中均有应用,在调节土壤酸碱度的机制中,菌渣残留的酸碱缓冲成分和土壤微生物承担着重要作用[44-45]。在调节土壤酸化中,因为食用菌培养基中通常会添加各种矿质元素,例如CaSO4、MgSO4、CaCO4等,菌渣施用下可增加土壤中的交换性Ca2+、Mg2+含量,从而达到中和土壤酸性的目的[46]。在调节土壤盐碱化中,谢修鸿等研究发现菌渣施用量与土壤中的交换性Na+呈显著负相关关系,施用菌渣可用于改善盐碱土的性质,但由于菌渣的含盐量较高,过多的施用菌渣可能会造成土壤的盐分累积,继而造成不利影响,因此过多的施用菌渣可能会进一步加深土壤盐碱化[47]。温度和降水量较高的低纬度地区,较强的淋溶作用会导致土壤交换性阳离子的大量流失,进而导致土壤酸化[48]。随着纬度的增加土壤pH值的增幅逐渐降低,甚至表现为负效应,菌渣施用对温度和降水量较高的低纬度地区土壤pH值的提升更显著(图3-g至图3-h)。

3.4 菌渣施用对土壤重金属的影响

本研究发现菌渣施用会显著增加土壤全Cd、全As、全Cr的含量,小幅增加土壤全Cu、全Pb、全Zn的含量,增加幅度是否達到污染标准需要进一步评估。同时菌渣施用能显著降低土壤有效Pb、有效Cd、有效Zn的含量(表2)。菌渣施用下土壤重金属含量增加可能是菌渣中残留的重金属所致,菌渣可通过直接吸附作用或腐殖化产生腐殖质与重金属发生配位作用钝化重金属,尤其是对土壤有效Cu、有效Cd、有效Pb、有效Zn具有强有力的吸附作用[49-50]。菌渣虽然对土壤有效态重金属具有良好的钝化作用,但是随着腐解过程的进行,其吸附效应会逐渐减弱,因此菌渣用于土壤重金属污染修复时需要考虑其长效性[51]。菌渣施用下纬度与土壤全Cu、全As的增幅呈显著的正相关关系(P<0.001),土壤全Cu受年平均温度的影响较大,土壤全As同时受年平平均温度和年 平均降水量的影响 (图3-i至图3-l),因此在高纬度地区施用菌渣需要防控土壤全Cu、全As的累积,需要根据当地的气候条件以及菌渣和土壤的理化性质制定施用方案。

4 结论

本研究通过Meta分析量化研究了菌渣施用对我国土壤理化性质的影响,整合分析了土壤理化性质对菌渣施用的响应,以及菌渣处理方式、菌渣碳氮比、菌渣施用方式、菌渣配施比例对土壤理化性质的影响,同时研究了菌渣施用下不同地区的纬度、年平均温度、年平均降水量与土壤理化性质的关系,得出以下结论:(1)本研究发现菌渣施用能显著降低土壤容重、增加直径>0.2 cm的水稳性团聚体质量分数、减少直径<0.025 cm的水稳性团聚体质量分数。菌渣施用可增加土壤养分,小幅提升土壤pH值,腐熟施用、配施比例小于0.5时更有利于提升土壤的速效养分;菌渣直接施用、碳氮比>15、单施或高配施比例时土壤有机质的积累较多。菌渣施用会显著增加土壤全Cu、全Cd、全Pb、全Zn、全As、全Cr的含量,其中对土壤全Cd、全As、全Cr的增幅较大, 对土壤全Cu、全Pb、全Zn的增幅较小,同时菌渣施用可显著降低土壤有效Cd、有效Pb的含量。(2)本研究发现部分土壤理化指标表现出显著的纬度变化特征,土壤水稳性中团粒和微团粒、全磷、全钾、有效磷、全Cu、全As的效应量与纬度存在显著的正相关关系,土壤水稳性大团粒和pH值的效应量与纬度存在显著的负相关关系。在温度和降水量较高的低纬度地区菌渣施用更有利于土壤水稳性大团粒的形成,但同时土壤养分的流失也更加严重。在温度和降水量较低的高纬度地区土壤中Cu和As的残留量更多,如施用菌渣需要评估其长效影响。

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收 稿日期:2023-04-12

基金项目:国家重点研发计划(编号:YFD1600401);中国科学院科技扶贫项目(编号:KFJ-FP-202005);陕西省农业科技创新计划[编号:NYKJ-2022-YL(XN)11]。

作者简介:周 武(1995—),男,四川成都人,硕士研究生,主要从事农林废弃物资源化利用研究。E-mail:zhou102194@163.com.

通信作者:李鸣雷,研究员,主要从事食用菌技术推广研究。E-mail:mlli@nwsuaf.edu.cn。

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