整合分析中国农田腐秆剂施用对秸秆腐解和作物产量的影响

奥鹏网院作业

整合分析中国农田腐秆剂施用对秸秆腐解和作物产量的影响
杨欣润，许邶，何治逢，吴婧，庄睿花，马超，柴如山，Yusef Kianpoor Kalkhajeh，叶新新，朱林

（安徽农业大学资源与环境学院/农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室，合肥 230036）

摘要：【目的】农田中施用腐秆剂能否有效地促进秸秆腐解和养分释放，进而提高作物产量一直存在争议。在全国尺度上，整合分析腐秆剂田间施用的秸秆促腐和作物增产效果，探明不同气候和土壤状况、秸秆特征以及还田条件下腐秆剂施用对还田秸秆降解和作物产量的影响，为科学合理地使用腐秆剂提供指导。【方法】本研究利用整合分析的方法（meta-analysis），系统分析了2001—2019年公开发表的腐秆剂田间应用相关研究论文（共89篇，含腐秆剂促腐秸秆数据63条、腐秆剂提高作物产量数据207条），探讨了气候类型、还田条件、秸秆种类、还田初始碳氮比（C/N）、土壤pH和土壤有机质（SOM）含量等6方面因素对腐秆剂促腐和增产作用的影响。【结果】研究发现，与不施腐秆剂相比，施用腐秆剂总体上可有效促进还田秸秆的降解，但在温带大陆性气候地区，秸秆还田初始C/N≤15以及土壤为中性时，腐秆剂的促腐效应却不显著，效应值的范围分别为-0.010—0.716、-0.302—0.568和-1.01—0.475；还田条件、秸秆种类和SOM含量会显著影响腐秆剂的促腐作用强度。类似地，腐秆剂的田间施用对作物产量的作用总体也表现为显著提升，但在土壤为中性时腐秆剂的增产作用并不稳定，其效应值范围为-0.284—0.751；除了还田环境、SOM含量外，其余4方面因素均会显著改变腐秆剂的增产幅度。此外，线性拟合结果显示秸秆促腐率与作物增产率之间呈现显著正相关关系（R2=0.307，P＜0.0001）。【结论】施用腐秆剂可有效促进秸秆腐解和增加作物产量，且在温带季风性气候条件下，将玉米秸秆于旱地条件下还田，在还田初始C/N大于30以及土壤呈酸或碱性时配施腐秆剂效果最佳。

关键词：秸秆还田；腐秆剂；秸秆腐解；作物产量；整合分析

0 引言
【研究意义】当前，秸秆还田因其腐解缓慢易造成作物产量下降而难以推广[1]。腐秆剂作为一种新型微生物产品，近来被广泛应用于加速还田秸秆降解[2-3]。然而，对腐秆剂的田间使用效果还存在一定的争议[4]。整合分析秸秆还田配施腐秆剂对秸秆腐解和作物产量的影响，将有助于明确腐秆剂的田间应用效果，指导腐秆剂的科学使用。【前人研究进展】有研究表明，秸秆还田配施腐秆剂可不同程度地提高秸秆的腐解速率以及作物的产量[5-6]。LI等[5]在安徽合肥黄褐土上的研究结果表明，腐秆剂施用后小麦秸秆腐解速率和玉米产量分别提高了20.5%和21.6%。张莹莹等[6]在山东齐河潮土上的试验也得出，施用腐秆剂相比不施腐秆剂处理的玉米秸秆腐解率和小麦产量分别提高了18.5%和10.7%。然而，也有研究发现，施用腐秆剂既不能促进秸秆腐解也不能实现作物增产[7]。杨春等[7]在重庆铜梁水稻田的研究发现，施用腐秆剂后稻草的腐解率和水稻产量分别下降了1.81%和1.97%。此外，还有一些研究发现，施用腐秆剂可促进秸秆腐解但未能提高作物产量[8-9]。例如，杨光海等[8]指出施用腐秆剂处理较不施腐秆剂处理的水稻秸秆的腐解率提高了2.21%，但是油菜的产量却减少了0.714%。综上，还田秸秆的降解和养分转化在区域气候、秸秆种类、还田条件和土壤状况等不同时，腐秆剂施用的响应会有所差别。因此，在全国范围内系统分析秸秆还田配施腐秆剂对秸秆腐解和作物产量的影响十分必要及迫切。【本研究切入点】目前，关于秸秆还田配施腐秆剂对秸秆腐解和作物产量影响的研究大多从单一试验角度出发，并且多是基于某些特定试验点，研究结果只能回答特定条件下施用腐秆剂的效果。本研究拟采用整合分析方法（meta-analysis），对全国范围的田间施用腐秆剂独立试验结果进行综合分析。【拟解决的关键问题】本研究在检索我国在国内外期刊上发表的腐秆剂促腐和增产研究论文基础上，对我国不同气候类型、还田条件、秸秆种类、还田初始碳氮比（C/N）、土壤pH和土壤有机质（SOM）含量下腐秆剂的促腐和增产效应进行定量分析，并探究秸秆促腐效果与作物增产幅度之间的关系，期望明确腐秆剂田间应用时的秸秆促腐和增产效果及其在不同气候类型、土壤状况、秸秆种类和还田条件下的差异，揭示腐秆剂促腐与增产效应之间的关系，为我国农田秸秆还田微生物促腐产品的科学使用提供理论依据。

1 材料与方法
1.1 数据收集
为了系统全面地揭示秸秆还田施用腐秆剂对秸秆腐解和作物产量的影响，本研究基于中国知网、Web of Science等文献数据库，设定“秸秆还田、Straw returning”和“腐熟剂、腐秆剂、腐解菌、Decomposition agent、decomposing microorganism”2套关键词用于文献检索。检索出的文献使用以下标准来进行筛选：（1）中国范围内进行的田间试验；（2）同一试验需包含配对的处理组（施腐秆剂）和对照组（不施腐秆剂），且处理组和对照组除腐秆剂施用之外，其他试验条件全部一致；（3）试验处理的重复数≥3；（4）结果中直接给出或可用于计算秸秆腐解率或作物产量的数据。对于每个独立试验，同时获取了以下信息：试验点气候类型、还田条件、秸秆种类、还田初始C/N、土壤pH和土壤有机质（SOM）含量。经筛选后，符合条件的研究论文共89篇，含腐秆剂促腐秸秆数据63条和提高作物产量数据207条。

1.2 研究方法
本研究中的数据均来自检索到的文献。在进行文献数据搜集时，如果文献中的数据是用图的形式表示，则用GetData Graph Digitizer 2.24[10]软件来提取。若文献中提供的数据为标准误（SE），则标准差（SD）可通过公式（1）进行转换：

SD= SEwidth=14.8,height=13.9 （1）

式中，n是重复次数。

统计学指标采用响应比（Response ratios，RR）表示，并计算其95%的置信区间（95% CI）。其计算公式为：

RR = Xt / Xc （2）

式中，Xt和Xc分别是处理组和对照组变量x的平均值。在分析过程中，需要将RR对数化，采用自然对数响应比（lnRR）来反映施用腐秆剂对秸秆腐解和作物产量影响的效应值，计算公式如下[11]：

lnRR = ln(Xt / Xc) = ln(Xt) - ln(Xc) （3）

1.3 数据分析
在整合分析合并计数资料的响应比得出加权平均响应前，需明确试验处理间及各试验结果是否存在异质性（偏倚性）[12]，本研究采用Egger tests和Nfs进行异质性检验[13-14]。整合分析由MetaWin 2.1软件实现[15]，并针对不同气候类型、还田条件、秸秆种类、还田初始C/N、土壤pH和SOM含量等，使用效应值来评估田间腐秆剂施用促腐和增产作用的影响[16-17]。秸秆促腐率和作物增产率之间的线性拟合以及全文的图形制作均是由Origin 9.0完成。

2 结果
2.1 数据收集情况
本文通过中国知网（CNKI）和Web of Science等文献数据库，共收集到符合相关要求的研究论文89篇，得到腐秆剂促腐秸秆数据63条、腐秆剂提高作物产量数据207条（表1）。经Egger tests和Nfs分析得到腐解率和产量数据的相关检验结果分别为P＜0.01，Nfs= 13 788（＞5n+10，325）；P=0.04853＜0.05，Nfs=13 788（＞5n+10，1 045），即本研究所用数据不存在偏倚。

表1 数据库样本分布情况

Table 1 Database sample distribution


NTC：温带大陆气候； NTM：温带季风气候； STM：亚热带季风气候。括号内为样本数。下同

NTC: Temperate continental climate; NTM: Temperate monsoon climate; STM: Subtropical monsoon climate. Number of samples in brackets. The same as below

2.2 施用腐秆剂对秸秆促腐的影响
总体上看，与不施腐秆剂相比，施用腐秆剂能够显著促进秸秆的腐解（P＜0.05）（图1）。然而，在不同气候类型、还田条件、秸秆种类、土壤pH和SOM含量水平下，腐秆剂施用对秸秆腐解促进作用的显著性和强度存在差异。与不施腐秆剂相比，施用腐秆剂在温带季风气候区和亚热带季风气候区均可显著促进还田秸秆腐解，而在温带大陆气候区施用效果不显著；施用腐秆剂对还田秸秆腐解率的提高幅度在温带季风气候区（效应值范围为0.716—2.24，下同）最大，与温带大陆气候区的（-0.010—0.716）存在显著差异。秸秆还田初始C/N和施用地土壤酸碱性也会影响腐秆剂的田间促腐效果，还田初始C/N≤15（-0.302—0.568）或土壤为中性时（-1.01—0.475），腐秆剂的促腐作用不显著（P＞0.05）；而还田初始C/N为15—30或土壤呈酸/碱性时，能显著提高还田秸秆的腐解率（P＜0.05）。与不施腐秆剂相比，腐秆剂施用无论在旱地还是水田中均会显著促进还田秸秆的腐解，腐秆剂在旱地（1.17—2.61）对还田秸秆的促腐效果要显著高于水田（0.253—1.12）。在3种作物秸秆上，施用腐秆剂都会显著提升还田秸秆的腐解率，但小麦秸秆（1.54—3.29）对于腐秆剂施用的响应最好，显著高于水稻秸秆（0.141—1.02）。比较不同土壤SOM含量腐秆剂田间促腐效果时，发现施用腐秆剂在肥力较低土壤上的效果（1.96—5.11）要显著好于肥力较高的土壤（0.375—1.36）。

2.3 施用腐秆剂对作物产量的影响
与秸秆腐解类似，腐秆剂的田间施用对作物产量的作用总体上也表现为显著提升（P＜0.05），且其效应的显著性和强度也会因试验点气候、土壤、秸秆特征以及还田条件等的不同而有所差别（图2）。腐秆剂施用在不同气候类型下均可显著提高作物的产量，但腐秆剂施用对作物产量的提高幅度在温带季风气候区（1.53—2.42）要显著高于亚热带季风气候区（1.06—1.40）。相比不施腐秆剂，施用腐秆剂在土壤为酸或碱性时均可显著提高作物产量（P＜0.05），但在土壤呈中性时腐秆剂的增产作用不明显（P＞0.05）。施用腐秆剂在不同还田条件、秸秆类型、SOM含量情况下均能显著提高作物产量，其中玉米秸秆（1.44—2.81）对腐秆剂施用的增产效应要显著高于水稻秸秆（0.829—1.22）。比较不同还田初始C/N对腐秆剂田间增产效果发现，施用腐秆剂较不施用处理能显著提高作物产量，C/N＞30时（1.32—2.68）对作物产量的提高幅度最大，显著高于C/N≤15时（0.562—1.11）的增产幅度。

2.4 秸秆还田施用腐秆剂秸秆腐解与作物增产的相互关系
线性拟合结果显示，秸秆促腐率与作物增产率之间呈极显著正相关关系（R2=0.307，P＜0.0001，图3）。二者线性拟合的斜率为0.40，表明当秸秆腐解率每提高1.00%时，作物的产量可增加0.40%。

width=379.2,height=284.7
点和误差线分别代表效应值及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；括号内的数值代表样本数。● 表示施用腐秆剂处理相比不施腐秆剂处理对秸秆腐解的影响。NTC：温带大陆气候； NTM：温带季风气候；STM：亚热带季风气候。下同

Dots with error bars denote the effect size and 95% CI, respectively. The 95% CI that do not overlap zero line means significant difference between treatment and control. If there is no overlap between the horizontal lines of 95% CI in a given group, it can be considered that there are statistical correlations with significant differences among the factors studied. Numbers are the pairs of comparisons. ● represents the impact of applying SDMI on straw decomposition compared with that of applying SDMI. NTC: Temperate continental climate; NTM: Temperate monsoon climate; STM: Subtropical monsoon climate. The same as below

图1 整合分析腐秆剂施用对秸秆腐解的影响

Fig. 1 Meta-analysis of the effect of application of decomposing agent on the decomposition of straw

width=386.4,height=293.55
图2 整合分析施用腐秆剂对作物产量的影响

Fig. 2 Meta-analysis of the effect of application of decomposing agent on the crop yield

width=222.85,height=169.1
秸秆促腐率：处理组与对照组之间最终腐解率的差值；作物增产率：（处理组产量-对照组产量）/对照组产量

The transverse coordinate data of straw decay promotion rate is the decrease of final decomposition rate between treatment group and the control group, while the vertical coordinate data of crop yield increase is calculated according to the formula (treatment group yield-control group yield)/control group yield

图3 秸秆腐解和作物增产的关系

Fig. 3 The relationship between straw decomposition and crop yield increase

3 讨论
整合分析结果显示，腐秆剂田间施用对秸秆腐解和作物产量的作用总体上均表现为显著提升（图1—2）。这主要是由于腐秆剂富含功能微生物，能够加速秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的降解。秸秆快速腐解的同时也促进了秸秆中有效养分的释放，从而为作物增产提供肥力支持[18-20]。相关性分析显示，秸秆促腐率和作物增产率具有协同增加的趋势，并呈极显著的线性关系（P＜0.0001，图3）。然而，腐秆剂田间施用对秸秆腐解和作物产量的提升作用在不同气候类型、还田条件、秸秆种类、还田初始C/N以及土壤pH和SOM含量时会有所差异（图1—2）。

3.1 气候类型和还田条件对秸秆腐解和作物产量的影响
腐秆剂田间促腐和增产作用的显著性和强度会因区域气候类型和还田条件等不同而变化。腐秆剂的促腐效果在温带季风气候和亚热带季风气候下均显著，而在温带大陆气候区不显著。这可能由下述2种原因引起：第一，温带大陆气候区的水热条件相对较差，腐秆剂中的功能性微生物受气候条件限制，存活量和活性均较差[21]；第二，温度和降水会改变土壤养分含量及土壤结构，长期干燥会导致微生物群落结构改变，微生物呼吸和生物量降低，使功能菌受到抑制[22]。区域气候的差异不会改变腐秆剂增产作用的显著性，均为显著促进，但却会显著影响其作用强度。其中，腐秆剂施用在温带季风气候区的增产效应显著高于亚热带季风气候区。这可能一方面是因为亚热带季风气候区水热条件充足，可为微生物提供良好的外界环境，促进土著微生物转化还田秸秆养分[23-25]；而温带季风气候区水热条件相对较差，土著微生物对还田秸秆养分元素释放的驱动较弱[26-27]。另一方面，温带季风气候区土壤温度和湿度较亚热带季风气候区的要低，会造成养分的净释放量降低[28]，而腐秆剂施用后可加速秸秆养分的释放，最终使得温带季风气候区的增产效应显著大于亚热带季风气候区。值得注意的是，温带季风气候与亚热带季风气候之间腐秆剂的促腐作用相近而增产作用却相左。这可能是温带季风气候区和亚热带季风气候区水热状况均较好，腐秆剂中功能性微生物受气候条件限制不大[23]，因而促腐作用差异不大；但亚热带季风气候温度较高、降雨量较大，土壤温度和湿度的增加会显著提高秸秆中氮素的释放速率，进而掩盖了腐秆剂的培肥增产作用[28]。与气候类型的影响不同，腐秆剂无论在水田还是旱地上施用均能显著促进秸秆腐解和作物增产，且促腐作用强度在旱地上显著高于水田，增产作用上二者无差异。这一现象或许是由于旱地环境下的好气条件更有利于纤维素、半纤维素和木质素等的降解菌发挥作用[29-30]，因而促腐作用差异显著；而增产作用差异不大则可能是由于大量秸秆在短期内分解会产生有机酸、酚类等化感物质积累，从而影响旱地作物幼苗生长[31]，使得腐秆剂对于旱地作物产量提升水平受限。

3.2 秸秆种类和秸秆还田初始碳氮比对秸秆腐解和作物产量的影响
腐秆剂促腐和增产作用的显著性与强度同秸秆种类、还田初始碳氮比有关。腐秆剂施用对于任何种类的秸秆均表现为显著促腐和增产效果，其中促腐效用最显著的是小麦秸秆，而增产效果最好的是玉米秸秆。与小麦秸秆相比，玉米秸秆促腐过程中纤维素降解表现为速效慢、降解率低等特点，这可能会造成其腐解率较低[32]；而玉米增产效应显著或是由于玉米秸秆中氮养分含量高且与土壤混合后有机碳、微生物量氮及全氮含量的提升幅度均高于小麦秸秆，会使其增产效应显著[33-34]。研究结果还显示，腐秆剂的促腐效果在还田初始C/N为15—30时显著，而C/N≤15时不显著。其原因可能是低C/N条件下秸秆往往降解比较快，并且能够提高微生物生物量和活性，因而C/N≤15时腐秆剂的促腐效果难以得到体现[35-36]。与促腐作用不同，腐秆剂的增产作用不会因秸秆还田初始C/N的变化而改变。至于还田初始C/N＞30腐秆剂的增产效果显著高于还田初始C/N≤15，这可能归因于以下两点：一是由于C/N较大时，秸秆还田过程中微生物会与作物争氮，造成作物不同程度的减产，施用腐秆剂后可显著促进秸秆腐解以及养分释放[37]；二是C/N低也以为可供作物吸收利用的速效氮含量高[38]，作物生产所需的养分能够被充分满足，使得腐秆剂施用对于作物产量的提升幅度较小。

3.3 土壤pH和SOM含量对秸秆腐解和作物产量的影响
腐秆剂的促腐和增产作用还会受到土壤pH和SOM含量状况的调控。其中，酸性或碱性土壤上施用腐秆剂后促腐和增产效果均显著，但在中性土壤上的效果则均不显著。这或归因于以下两点：第一，当土壤呈酸或碱性时，土壤自身的木质纤维素降解菌数量和活性有可能受到抑制，腐秆剂的施用为土壤提供了较多功能性微生物，可弥补土著微生物功能的不足[18-19,39]。第二，腐秆剂中功能性微生物进入土壤后会与土著微生物群落产生竞争，中性土壤中繁盛的土著微生物种群较酸性或碱性土壤对外源腐秆菌的竞争作用更大，容易导致促腐菌的功能发挥受阻，养分释放也受限[40-41]。与土壤pH作用不同，不论土壤有机质含量高或低，腐秆剂施用后均表现出显著促腐和增产作用，但土壤有机质含量的高低却会显著改变腐秆剂的促腐强度。当土壤有机碳含量较高时，通常土壤的微生物量及基础呼吸也会较高，因此土壤中发挥降解功效的微生物活性会较多、降解能力较强进而可能使腐秆剂的秸秆促腐效果难以体现，而有机质含量低时，土壤则不会因自身秸秆降解能力强大而弱化腐秆剂的效果[42-43]；至于土壤有机质高低不会影响腐秆剂的增产作用，则可能由于土壤有机质含量低时，土壤本身肥力较低，作物养分需求受限，腐秆剂的增产作用比较有限；而有机质含量高时，又因为土壤可供给作物充足养分，掩盖了腐秆剂的增产效应[4]。值得注意的是，腐秆剂对还田秸秆腐解和作物生产的作用还可能会受到腐秆剂种类、腐秆剂用量、耕作模式等因素的调控，所以今后还需继续整合分析上述因素对腐秆剂田间应用效果的影响。

4 结论
施用腐秆剂能有效促进秸秆腐解和提升作物产量，但是当气候类型、还田条件、秸秆种类、还田初始C/N以及土壤pH和SOM含量等不同时，腐秆剂的作用显著性和强度会有所差别。总体来看，在温带季风性气候条件下，将玉米秸秆于旱地条件下还田，在还田初始C/N大于30以及土壤呈酸或碱性时，具有较好的应用前景；秸秆促腐率和作物增产率具有协同增加的趋势，呈极显著的线性关系。

References

[1] 石祖梁, 邵宇航, 王飞, 王久臣, 孙仁华, 宋成军, 李想. 我国秸秆综合利用面临形势与对策研究. 中国农业资源与区划, 2018, 39(10): 30-36.

SHI Z L, SHAO Y H, WANG F, WANG J C, SUN R H, SONG C J, LI X. Study on the situation and countermeasures of straw comprehensive utilization in China. Journal of Chinese Agricultural Resources and Regional Planning, 2018, 39(10): 30-36. (in Chinese)

[2] 马超, 周静, 刘满强, 郑学博, 崔键, 李辉信, 康炳龙. 秸秆促腐还田对土壤养分及活性有机碳的影响. 土壤学报, 2013, 50(5): 915-921.

MA C, ZHOU J, LIU M Q, ZHENG X B, CUI J, LI H X, KANG B L. Effects of incorportion of pre-treated straw into field on soil nutrients and labile organic carbon in Shajiang black soil. Acta Pedologica Sinica, 2013, 50(5): 915-921. (in Chinese)

[3] 马超, 周静, 郑学博, 刘满强, 李辉信, 姜中山, 王维国. 秸秆促腐还田对土壤养分和小麦产量的影响. 土壤, 2012, 44(1): 30-35.

MA C, ZHOU J, ZHENG X B, LIU M Q, LI H X, JIANG Z S, WANG W G. Effects of returning rice straw into field on soil nutrients and wheat yields under promoting decay condition. Soils, 2012, 44(1): 30-35. (in Chinese)

[4] 马超, 周静, 朱远芃, 柴如山, 汪满照, 郜红建. 秸秆还田配伍腐秆剂对小麦生长发育和肥料利用率的影响. 安徽农业大学学报, 2018, 45(3): 532-537.

MA C, ZHOU J, ZHU Y P, CHAI R S, WANG M Z, GAO H J. Effects of returning maize straw into field on the growth and nitrogen efficiency of winter wheat under promoting decay condition. Journal of Anhui Agricultural University, 2018, 45(3): 532-537. (in Chinese)

[5] LI M H, TANG C G, CHEN X, HUANG S W, ZHAO W W, CAI D Q, WU Z Y, WU L F. High performance bacteria anchored by nanoclay to boost straw degradation. Materials, 2019, 12(7): 1148-1162.

[6] 张莹莹, 曹慧英. 秸秆腐熟剂对玉米秸秆腐解及下茬小麦生长的影响. 中国农技推广, 2019, 35(5): 57-59.

ZHANG Y Y, CAO H Y. Effects of straw decomposition microorganism inoculum on decay of corn straw and the growth of next wheat. China Agricultural Technology Extension, 2019(5). (in Chinese)

[7] 杨春, 李刚, 吴永红. 不同秸秆腐熟剂品种在翻耕模式下使用效果研究. 现代农业科技, 2015(15): 214.

YANG C, LI G, WU Y H. Studies of different straw decomposing microorganism inoculum under plough mode. Modern Agricultural Science and Technology, 2015(15): 214. (in Chinese)

[8] 杨光海, 张居菊, 杨光兰. 稻油两熟田应用秸秆腐熟剂的效果初探. 耕作与栽培, 2013(4): 20-22.

YANG G H, ZHANG J J, YANG G L. Preliminary study on effect of straw decomposition additive in Rice/Rape pattern. Tillage and Cultivation, 2013(4): 20-22. (in Chinese)

[9] 李继福, 鲁剑巍, 李小坤, 任涛, 丛日环, 杨文兵, 鲁明星, 刘克芝. 麦秆还田配施不同腐秆剂对水稻产量、秸秆腐解和土壤养分的影响. 中国农学通报, 2013, 29(35): 270-276.

LI J F, LU J W, LI X K, REN T, CONG R H, YANG W B, LU M X, LIU K Z. Effects of wheat straw returning with different organic matter-decomposing inoculants (OMIs) on the yield of rice. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2013, 29(35): 270-276. (in Chinese)

[10] TAOVA S. GetData digitizing program code: description, testing, training. International Nuclear Data Committee, International Atomic Energy Agency, Vienna, 2013.

[11] HEDGES L V, GUREVITCH J, CURTIS P S. The meta-analysis of response ratios in experimental ecology. Ecology, 1999, 80(4): 1150-1156.

[12] 任凤玲, 张旭博, 孙楠, 徐明岗, 柳开楼. 施用有机肥对中国农田土壤微生物量影响的整合分析. 中国农业科学, 2018, 51(1): 119-128.

REN F L, ZHANG X B, SUN N, XU M G, LIU K L. A meta-analysis of manure application impact on soil microbial biomass across China’s croplands. Scientia Agricultura Sinica, 2018, 51(1): 119-128. (in Chinese)

[13] EGGER M, SMITH G D, SCHNEIDER M, MINDER C. Bias in meta-analysis detected by a simple, graphical test. British Medical Journal, 1997, 315(7109): 629-634.

[14] ROSENTHAL R. The file-drawer problem and tolerance of null result. Psychological Bulletin, 1979, 86(3): 638-641.

[15] ROSENBERG M S, ADAMS D C, GUREVITCH J. Metawin: Statistical Software for Meta-Analysis with Resampling Tests. America: Sinauer Associates Inc, 1997.

[16] Ma C, Li S P, PU Z C, TIAN J Q, LIU M Q, ZHOU J, LI H X, JIANG L. Different effects of invader-native phylogenetic relatedness on invasion success and impact: a meta-analysis of Darwin’s naturalizationhypothesis. Proceedings of the Royal of Society B-Biological Sciences, 2016, 283(1838): 20160663.

[17] 曾廷廷, 蔡泽江, 王小利, 梁文君, 周世伟, 徐明岗. 酸性土壤施用石灰提高作物产量的整合分析. 中国农业科学, 2017, 50(13): 2519-2527.

ZENG T T, CAI Z J, WANG X L, LIANG W J, ZHOU S W, XU M G. Integrated analysis of liming for increasing crop yield in acidic soils. Scientia Agricultura Sinica, 2017, 50(13): 2519-2527. (in Chinese)

[18] 于建光, 常志州, 黄红英, 叶小梅, 马艳, 钱玉婷. 秸秆腐熟剂对土壤微生物及养分的影响. 农业环境科学学报, 2010, 29(3): 563-570.

YU J G, CHANG Z Z, HUANG H Y, YE X M, MA Y, QIAN Y T. Effect of microbial inoculants for straw decomposing on soil microorganisms and the nutrients. Journal of Agro-environment Science, 2010, 29(3): 563-570. (in Chinese)

[19] 张经廷, 张丽华, 吕丽华, 董志强, 姚艳荣, 金欣欣, 姚海坡, 贾秀领. 还田作物秸秆腐解及其养分释放特征概述. 核农学报, 2018, 32(11): 2274-2280.

ZHANG J T, ZHANG L H, LV L H, DONG Z Q, YAO Y R, JIN X X, YAO H P, JIA X L. Overview of the characteristics of crop straw decomposition and nutrients release of returned field crops. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2018, 32(11): 2274-2280. (in Chinese)

[20] 丁文成, 李书田, 黄绍敏. 氮肥管理和秸秆腐熟剂对15N标记玉米秸秆氮有效性与去向的影响. 中国农业科学, 2016, 49(14): 2725-2736.

DING W C, LI S T, HUANG S M. Bioavailability and fate of nitrogen from 15N-labeled corn straw as affected by nitrogen management and straw microbial inoculants. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(14): 2725-2736. (in Chinese)

[21] 董志新, 孙波, 殷士学. 气候条件和作物对黑土和潮土固氮微生物群落多样性的影响. 土壤学报, 2012, 49(1): 130-138.

DONG Z X, SUN B, YIN S X. Impacts of climate and cropping on community diversity of diazotrophs in pachic udic agriboroll and fluventic ustochrept. Acta Pedologica Sinica, 2012, 49(1): 130-138. (in Chinese)

[22] SCHIMEL J P, GULLEDGE J M, CLEIN-CURLEY J S, LINDSTROM J E, BRADDOCK J F. Moisture effects on microbial activity and community structure in decomposing birch litter in the Alaskan taiga. Soil Biology and Biochemistry, 1999, 31(6): 831-838.

[23] 李昌明, 王晓玥, 孙波. 不同气候和土壤条件下秸秆腐解过程中养分的释放特征及其影响因素. 土壤学报, 2017, 54(5): 1206-1217.

LI C M, WANG X Y, SUN B. Characteristics of nutrient release and its affecting factors during plant residue decomposition under different climate and soil conditions. Acta Pedologica Sinica, 2017, 54(5): 1206-1217. (in Chinese)

[24] ZHAO M X, XUE K, WANG F, LIU S S, BAI S J, SUN B, ZHOU J Z, YANG Y F. Microbial mediation of biogeochemical cycles revealed by simulation of global changes with soil transplant and cropping. The ISME Journal, 2014, 8(10): 2045-2055.

[25] VERBURG P S J, DAM D V, HEFTING M M, TIETEMA A. Microbial transformations of C and N in a boreal forest floor as affected by temperature. Plant and Soil, 1999, 208(2): 187-197.

[26] BERGER T W, DUBOC O, DJUKIC I, TATZBER M, GERZABEK M H, ZEHETNER F. Decomposition of beech (Fagus sylvatica) and pine (Pinusnigra) litter along an Alpine elevation gradient：Decay and nutrient release. Geoderma, 2015, 251/252: 92-104.

[27] LIU S, WANG F, XUE K, SUN B, ZHANG Y G, HE Z L, VAN NOSTRAND J, ZHOU J Z, YANG Y F. The interactive effects of soil transplant into colder regions and cropping on soil microbiology and biogeochemistry. Environmental Microbiology, 2015, 17(3): 566-576.

[28] AGEHARA S, WARNCKE D D. Soil moisture and temperature effects on nitrogen release from organic nitrogen sources. Soil Science Society of America Journal, 2005, 69(6): 1844-1855.

[29] 王景. 厌氧和好气条件下作物秸秆的腐解特征研究[D]. 合肥: 安徽农业大学, 2015.

WANG J. Study on the decomposition characteristics of crop straw under anaerobic and aerobic conditions[D]. Hefei: Anhui Agricultural University, 2015. (in Chinese)

[30] 代文才, 高明, 兰木羚, 黄容, 王金柱, 王子芳, 韩晓飞. 不同作物秸秆在旱地和水田中的腐解特性及养分释放规律. 中国生态农业学报, 2017, 25(2): 188-199.

DAI W C, GAO M, LAN M L, HUANG R, WANG J Z, WANG Z F, HAN X F. Nutrient release patterns and decomposition characteristics of different crop straws in drylands and paddy fields. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(2): 188-199. (in Chinese)

[31] 马瑞霞, 刘秀芬, 袁光林, 孙思恩. 小麦根区微生物分解小麦残体产生的化感物质及其生物活性的研究. 生态学报, 1996, 16(6): 632-639.

MA R X, LIU X F, YUAN G L, SUN S E. Study on allelochemicals in the process of decomposition of wheat straw by microorganisms and their bioactivity. Acta Ecologica Sinica, 1996, 16(6): 632-639. (in Chinese)

[32] 宋芳芳. 主要粮食作物秸秆降解菌剂的制备及应用研究[D]. 郑州: 河南农业大学, 2015.

SONG F F. Studies on the stalk-degradable microbial preparation in main food crops and its application[D]. Zhengzhou: Henan Agricultural University, 2015. (in Chinese)

[33] 宋大利, 侯胜鹏, 王秀斌, 梁国庆, 周卫. 中国秸秆养分资源数量及替代化肥潜力. 植物营养与肥料学报, 2018, 24(1): 1-21.

SONG D L, HOU S P, WANG X B, LIANG G Q, ZHOU W. Nutrient resource quantity of crop straw and its potential of substituting. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2018, 24(1): 1-21. (in Chinese)

[34] 南雄雄, 田霄鸿, 张琳, 游东海, 吴玉红, 曹玉贤. 小麦和玉米秸秆腐解特点及对土壤中碳、氮含量的影响. 植物营养与肥料学报, 2010, 16(3): 626-633.

NAN X X, TIAN X H, ZHANG L, YOU D H, WU Y H, CAO Y X. Decomposition characteristics of wheat and maize straw and their effects on soil carbon and nitrogen content. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2010, 16(3): 626-633. (in Chinese)

[35] YANNI S F, WHALEN J K, SIMPSON M J, JANZEN H H. Plant lignin and nitrogen contents control carbon dioxide production and nitrogen mineralization in soils incubated with Bt and non-Bt corn residues. Soil Biology and Biochemistry, 2011, 43(1): 63-69.

[36] FANG M, MOTAVALLI P P, KREMER R J, NELSON K A. Assessing changes in soil microbial communities and carbon mineralization in Bt and non-Bt corn residue-amended soils. Applied Soil Ecology, 2007, 37(1/2): 150-160.

[37] SINGH B, RENGEL Z. The role of crop residues in improving soil fertility//Marschner P, Rengel Z. Nutrient Cycling in Terrestrial Ecosystems. Berlin Heidelberg: Springer, 2007: 183-214.

[38] 李涛, 何春娥, 葛晓颖, 欧阳竹. 秸秆还田施氮调节碳氮比对土壤无机氮、酶活性及作物产量的影响. 中国生态农业学报, 2016, 24(12): 1633-1642.

LI T, HE C E, GE X Y, OUYANG Z. Responses of soil mineral N contents, enzyme activities and crop yield to different C/N ratio mediated by straw retention and N fertilization. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2016, 24(12): 1633-1642. (in Chinese)

[39] 李飞, 张文丽, 刘菊, 夏会娟, 王建柱. 三峡水库泄水期消落带土壤微生物活性. 生态学杂志, 2013, 32(04): 968-974.

LI F, ZHANG W L, LIU J, XIA H J, WANG J Z. Soil microbial activities in the water-level-fluctuating zone of Three Gorges Reservoir area during discharging period. Chinese Journal of Ecology, 2013, 32(04): 968-974. (in Chinese)

[40] XIONG W, GUO S, JOUSSET A, ZHAO Q Y, WU H S, LI R, KOWALCHUK G A, SHEN Q R. Bio-fertilizer application induces soil suppressiveness against Fusarium wilt disease by reshaping the soil microbiome. Soil Biology Biochemistry, 2017, 114: 238-247.

[41] 史央. 红壤中秸秆降解的微生物演替及应用研究[D]. 南京: 南京师范大学. 2003.

SHI Y. Microbial succession and application of straw degradation in red soil[D]. Nanjing: Nanjing Normal University, 2003. (in Chinese)

[42] 刘秉儒. 贺兰山东坡典型植物群落土壤微生物量碳、氮沿海拔梯度的变化特征. 生态环境学报, 2010, 19(4): 883-888.

LIU B R. Changes in soil microbial biomass carbon and nitrogen under typical plant communities along an altitudinal gradient in east side of Helan Mountain. Ecology and Environment Sciences, 2010, 19(4): 883-888. (in Chinese)

[43] 黄靖宇, 宋长春, 张金波, 郭跃东, 廖玉静. 凋落物输入对三江平原弃耕农田土壤基础呼吸和活性碳组分的影响. 生态学报, 2008, 28(7): 3417-3424.

HUANG J Y, SONG C C, ZHANG J B, GUO Y D, LIAO Y J. Influence of litter importation on basal respiration and labile carbon in restored farmland in Sanjiang Plain. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(7): 3417-3424. (in Chinese)

Impacts of Decomposing Microorganism Inoculum on Straw Decomposition and Crop Yield in China: A Meta-Analysis

YANG XinRun, XU Bei, HE ZhiFeng, WU Jing, ZHUANG RuiHua, MA Chao, CHAI RuShan, Yusef Kianpoor Kalkhajeh, YE XinXin, ZHU Lin

(School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University/Anhui Province Key Laboratory of Farmland Ecological Conservation and Pollution Prevention, Hefei 230036)

Abstract: 【Objective】Whether the application of straw decomposing microorganism inoculum (SDMI) in cropland could significantly promote returning straw decomposition and their nutrients releasing, and thus improve crop yield is still on debate. Therefore, it is very necessary to meta-analysis the effects of the SDMI on returning straw decomposition and crop yield on a national scale, as well as explore the variation of the effect under different climates, straw characteristics and returning conditions providing guidance for SDMI application.【Method】The meta-analysis was performed involving 63 comparisons of straw decomposition and 207 comparisons of crop yield from 89 studies during 2001 and 2009 to identify site-specific factors, including regional climates, returning conditions, straw types, initial returning carbon-to-nitrogen ratio (C/N), soil pH, and soil organic matter (SOM). 【Result】 The results showed that SDMI application could significantly increase the decomposition rate of returning straw, except the study was designed at temperate continental climate areas (range of effect size was from -0.010 to 0.716, the same in below), or initial returning C/N was no more than 15 (-0.302 to 0.568), or tested soil was neutral (95% CI of effect size was from -1.01 to 0.475). In addition, the strength of SDMI application could be varied significantly under different returning conditions, straw types, and SOM. Similar to straw decomposition, SDMI application also could significantly increase the crop yield, except the study designed at neutral soil (-0.284 to 0.751). Regional climates, straw types, initial returning C/N, soil pH rather than returning conditions and SOM would regulate the increase rate of crop yield. Moreover, the linear fitting indicated the positive correlation between the rate of straw decomposition and crop yield (R2= 0.307, P＜0.0001). 【Conclusion】 This study revealed that SDMI application in Chinese farmland could significantly promote returning straw decomposition and crop yield increasing, especially in temperate monsoon climate area with dryland, maize straw returning, initial returning C/N≥30 and acidic or alkaline soil.

Key words:straw returning; straw decomposing agent; straw decomposition; crop yield; meta-analysis

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：width=42.5,height=42.5

doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2020.07.006

收稿日期：2019-08-27；

接受日期：2019-11-18

基金项目：国家自然科学基金（31700452，41877099）、安徽省自然科学基金（1808085MD97）、国家重点研发计划（2016YFD0200107）、安徽省重大科技专项（18030701188）、安徽省国际科技合作计划（1604b0602022)

联系方式：杨欣润，E-mail：yangxinrun8@163.com。通信作者马超，E-mail：chaoma@ahau.edu.cn

（责任编辑 杨鑫浩）