Evaluating the effect of sludge application on soil aggregates based on Meta-analysis
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摘要:目的
利用Meta分析探讨污泥施用促进土壤团聚的效果，并挖掘其影响因素。
方法收集整理1990—2023年间已发表文献，在获取的568篇中、英文文献中精筛出36篇高度匹配文献，运用Meta分析总结污泥施用对土壤团聚体和土壤性质的影响，并利用线性拟合和随机森林模型等方法，分析污泥施用条件下土壤团聚体与土壤性质的关系。
结果污泥施用显著提高土壤大团聚体(粒径>0.25 mm)相对含量以及团聚体平均质量直径；与表施(0.20)相比，污泥混施大团聚体相对含量的效应值(0.84)更高；污泥施用显著提高表层(0~20 cm)和深层(20<~40 cm)土壤团聚体平均质量直径，但仅显著增加表层土壤大团聚体相对含量；土壤黏粒含量越低，污泥施用对大团聚体相对含量的效应值越高，土壤黏粒含量<15%、15%~25%和>25%的大团聚体相对含量效应值分别为0.26、0.13和0.05；针对不同污泥施用量，施用量为100<~200 t/hm2时大团聚体相对含量效应值最高(0.35)。线性拟合显示，污泥施用条件下土壤有机质、碳水化合物、全氮、碱解氮、总磷、速效磷含量和磷酸酶活性与大团聚体相对含量呈显著正相关，土壤碱化度和土壤电导率与大团聚体相对含量呈显著负相关。随机森林分析进一步确认，污泥施用提高土壤有机质和碳水化合物含量是促进土壤大团聚体形成的关键原因。Meta回归分析表明，有机质含量的增长可以解释93.79%的大团聚体相对含量效应值变异，碳水化合物含量的增长可以解释76.30%的大团聚体相对含量效应值变异。
结论污泥最佳施用条件是按100<~200 t/hm2混施于黏粒含量<15%的0~20 cm土壤中。污泥施用通过提高土壤有机质和碳水化合物含量促进土壤聚集。
Abstract:ObjectiveTo evaluate the effect of sludge application promoting soil aggregation by using Meta-analysis, and excavate the influencing factors.
MethodWe fine screened 36 highly matched papers from 568 papers published in international and domestic journals between 1990 and 2023. The effects of sludge application on soil aggregates and soil properties were evaluated by Meta-analysis. The relationships between soil aggregates and soil properties under sludge application were further analyzed by linear fitting analysis and random-forest model method.
ResultSludge application significantly increased the relative content of soil macroaggregate (particle diameter > 0.25 mm) and the mean weight diameter of aggregates. Compared with surface application (0.20), mixed application of sludge had a higher effect size (0.84) in the relative content of macroaggregate. Sludge application significantly increased the mean weight diameter of aggregates in both surface (0−20 cm) and deep (20<−40 cm) soil layers, but only significantly increased the relative content of macroaggregate in the surface soil layer. The effect size of the relative content of macroaggregate in soils with clay content <15%, 15%−25%, and >25% under sludge application was 0.26, 0.13, and 0.05, respectively, indicating that the higher effect size occurred in soils with lower clay content. For different sludge application rates, the highest effect size (0.35) of macroaggregate relative content was found in rate of 100<−200 t/hm2. Linear fitting analysis showed that the relative content of macroaggregate had significant and positive correlations with the contents of soil organic matter, carbohydrate, total nitrogen, alkaline hydrolyzable nitrogen, total phosphorus, available phosphorus, and phosphatase activity, while having significant and negative correlations with soil exchangeable sodium percentage and electrical conductivity. Random-forest analysis further indicated that the increase of soil organic matter and carbohydrate contents by sludge application was the main reason for the improvement of soil aggregation. Meta-regression analysis showed that the increase of organic matter content could explain 93.79% of the effect size of macroaggregate relative content, and the increase of carbohydrate content could explain 76.30%.
ConclusionThe optimal application condition of sludge is mixed in 0−20 cm depth soil with clay content <15% at the amount of 100<−200 t/hm2. The sludge application increases soil organic matter content and carbohydrate content, and then promotes soil aggregation.
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Keywords:
- Soil improvement /
- Soil structure /
- Sludge recycling /
- Soil aggregate /
- Soil organic matter
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土壤团聚体作为土壤结构的基本单位，在调节土壤物理、化学和生物过程特别是养分循环和土壤碳储存中起重要作用[1]，是评价土壤质量的重要参数[2]；提高土壤团聚体的数量和稳定性可以有效改善土壤结构性能。土壤团聚体的形成是一个复杂过程；根据粒径大小，主要将团聚体划分为大团聚体(Macroaggregate，粒径>0.25 mm)和微团聚体(Microaggregate，粒径≤0.25 mm)。团聚体的形成过程是渐进的，不同粒级团聚体存在不同的形成机制[3]。根据Edwards等[4]的理论，土壤大团聚体通过微团聚体弱结合形成，而弱结合主要是通过有机−无机复合进行。团聚体的结合依赖于胶结物质的作用，土壤颗粒通过多价阳离子或有机分子的黏合形成微团聚体，微团聚体在土壤动物、微生物、根系、无机物和物理过程的作用下形成大团聚体[5]。污泥富含的有机质和养分物质是土壤团聚体形成的有效胶结物质[6]；除了直接胶结土壤颗粒，它们还促进植物根系生长以进一步促进土壤团聚[7]。污泥施用为土壤带来大量微生物与各种形式的有机质，提高土壤酶活性，在土壤改良和地力维持方面具有良好效果[8]。污泥还含有丰富的细胞外高分子物质(Extracellular polymeric substances，EPS)，如多糖、球囊霉素蛋白、核酸、磷脂和腐殖质等[9]；这些物质是团聚形成的重要胶结物，在促进土壤团聚和维持土壤结构稳定中扮演重要角色[10]。值得注意的是，我国污泥产量巨大，其中2021年我国污泥产生量达4.59×107 t[11]；而且随着我国城镇污水处理量加大，污泥产量也在不断增加，科学处置污泥成为我国生态环境建设的难题。很多研究报道污泥施用促进大团聚体形成与稳定的效果良好[12]，但其具体作用机理尚不清楚，并且如何科学、有效运用污泥促进土壤团聚也尚未得到系统探究。
Meta分析是对同一主题的个别研究进行定量和科学综合以得出一般结论的调查研究形式，其中调查的是研究报告(试验结果)[13]。Meta分析的适用性很强，张娜娜等[14]与孟艳等[15]均在土壤相关研究中使用过Meta分析。
污泥施用影响土壤团聚体的因素有很多，且不同施用情况对土壤团聚体的影响也不同。基于上述对团聚体形成的理解，我们猜测污泥施用改变土壤的化学和生物性质是促进土壤团聚的重要原因。因此，我们从568篇文献中精筛出36篇高度匹配文献，运用Meta分析总结污泥施用方式、施用量、施用深度以及在不同黏粒含量土壤中施用污泥条件下土壤团聚体的形成效果，分析这些不同污泥施用条件对土壤性质的影响以及这些性质变化与团聚体形成的关系，并用随机森林模型挖掘污泥施用影响团聚体形成的关键因素，进而总结出促进土壤团聚的、合理的污泥施用方式，以期为科学合理利用污泥改良土壤结构性能提供科学依据。
1. 材料与方法
1.1 数据收集与筛选
本研究通过Web of Science (WoS)、中国知网、Science Direct、万方和X-mol共5个数据库搜索相关论文。以土壤团聚体(Soil aggregate)为主题、污泥(Sludge)为摘要精准检索截至2023年3月31日污泥施用影响土壤团聚体的已发表中、英文文献。以WoS为例，其检索式为TS=(Soil aggregate) and AB=(Sludge) not综述。依据以下原则精筛检索到的文献：1)必须含有处理组与对照组；2)研究中必须含有土壤团聚体数据及相关影响因素的数据，每个因素都视为独立系统；3)试验数据具有相关统计学数据(重复数n、平均值Mean及标准差SD)；4)中文文献选取核心期刊文献，英文文献选取SCI数据库收录文献；5)土壤团聚体筛分方式、污泥添加方式、土壤深度、土壤黏粒含量及污泥添加量明确。为避免发表偏移、保证每一项研究的完整性和科学性，本文不仅尽最大可能收集与研究主题相关的文献，并收集所得文献的参考文献和同一作者或研究团队的其他相关文献。经按以上标准严格筛选，最终纳入32篇英文文献与4篇中文文献中213组团聚体因子和557组土壤指标因子。
从符合标准的文献中提取土壤大团聚体相对含量、微团聚体相对含量、团聚体平均质量直径、有机质含量、微生物碳含量、总氮含量、总磷含量、碱解氮含量、速效磷含量、碱化度、碳水化合物含量、电导率、磷酸酶活性和pH共14个指标。
将收集的数据按污泥施用方式、土壤深度、土壤黏粒含量和污泥施用量分组(表1)。为了挖掘污泥施用影响土壤团聚的原因，本研究进一步分析污泥施用对土壤性质的影响，分析仅限于获取的污泥施用影响土壤团聚的36篇文献。综合文献结果，本文主要分析污泥施用对土壤总氮含量、碱解氮含量、总磷含量、速效磷含量、碳水化合物含量、pH、电导率、碱化度、有机质含量、磷酸酶活性和微生物碳含量共11个指标的影响。用Excel 2019处理收集的数据，计算效应值和标准差，本研究以土壤团聚体指标与环境因子的反应比(R)为效应量、其对数(lgR)为效应值(Effect size)。采用SPSS 21.0单个样本Kolmogorov-Smirnov法检验14个指标的增加百分比、lnR和lgR在0.05水平的正态性，发现只有lgR所有数据满足正态性(表2)，故本研究的Meta分析主要选择lgR作为效应值。
表 1 数据分组Table 1. Data grouping类别 Category 数据分组 Data grouping 污泥施用方式1) Sludge application method 表施 Surface application 混施 Mixed application 土壤深度/cm Soil depth 0~20 20<~40 土壤黏粒含量/% Soil clay content <15 15~25 >25 污泥施用量/(t·hm−2) Sludge application amount <50 50~100 100<~200 >200 1)表施：污泥直接铺撒在土壤表面，没有与土壤进行混合；混施：污泥与土壤充分混合。
1) Surface application: Sludge is spread directly on the soil surface without mixing with the soil; Mixed application: Sludge is well mixed with the soil.表 2 正态性检验1)Table 2. Normality test指标
Indicatorn P R−1 lnR lgR MaC 106 0.00 0.19 0.14 OMC 109 0.00 0.04 0.06 MWD 74 0.01 0.11 0.10 MCC 41 0.01 0.36 0.36 MiC 38 0.52 0.55 0.51 TNC 34 0.00 0.17 0.17 ESP 30 0.15 0.35 0.35 CC 28 0.77 0.98 0.97 EC 22 0.48 0.82 0.82 APC 19 0.22 0.34 0.36 PA 15 0.03 0.14 0.14 TPC 12 0.53 0.79 0.79 ANC 10 0.42 0.95 0.95 pH 14 0.86 0.83 0.81 1) MaC：大团聚体相对含量，OMC：有机质含量，MWD：团聚体平均质量直径，MCC：微生物碳含量，MiC：微团聚体相对含量，TNC：总氮含量，ESP：碱化度，CC：碳水化合物含量，EC：电导率，APC：速效磷含量，PA：磷酸酶活性，TPC：总磷含量，ANC：碱解氮含量；n指纳入的研究组数，P>0.05指数据呈正态性。
1) MaC: Macroaggregate relative content, OMC: Organic matter content, MWD: Mean weight diameter of aggregate, MCC: Microbial carbon content, MiC: Microaggregate relative content, TNC: Total nitrogen content, ESP: Exchangeable sodium percentage, CC: Carbohydrate content, EC: Electrical conductivity, APC: Available phosphorus content, PA: Phosphatase activity, TPC: Total phosphorus content, ANC: Alkaline hydrolyzable nitrogen content; n refers to the number of study groups included, P>0.05 indicates data are normal.1.2 Meta分析
使用Stata 12.0软件Meta包，基于效应值进行Meta分析。依据Meta分析中连续性数据的深度提取方法[16]，转换没有直接表示平均值与标准差的数据。通过显著差异直接获取合并后标准差(SD合并)，以倒方差法计算加权因子(W)(去除>1 000的异常值)、效应值lgR的标准误差(SElgR)及其95%置信区间(95% CI)[17-18]。当某指标效应值的95% CI与y=0有交点，认为该指标对结局指标无统计学意义；位于y=0下方时，认为该指标对结局指标具有显著负效应；位于y=0上方时，认为该指标对结局指标具有显著正效应。相关计算公式如下。
$$ {{\mathrm{SD}}}_{合并}=\dfrac{\left|{X}_{1}-{X}_{2}\right|}{t \sqrt{\dfrac{1}{{{n}}_{1}}+\dfrac{1}{{{n}}_{2}}}} {\text{，}} $$ (1) $$ R = \dfrac{{{X_1}}}{{{X_2}}} \text{，} $$ (2) $$ {\mathrm{l}}{\text{g}}R = {\mathrm{l}}{\text{g}}{X_1} - {\mathrm{l}}{\text{g}}{{{X}}_{\text{2}}} \text{，} $$ (3) $$ {{\mathrm{SD}}}_{合并}=\sqrt{\dfrac{{{\mathrm{SD}}}_{1}^{2}+{{\mathrm{SD}}}_{2}^{2}}{2}} \text{，} $$ (4) $$ {V}_{{\mathrm{l}}\text{g}R}={{\mathrm{SD}}}_{合并}^{2}\left[\dfrac{1}{{{n}}_{1}{X}_{1}^{2}}+\dfrac{1}{{{n}}_{2}{X}_{2}^{2}}\right] \text{，} $$ (5) $$ W = \dfrac{1}{{{V_{{\mathrm{l}}{\text{g}}R}}}} \text{，} $$ (6) $$ {{\mathrm{SE}}_{{\mathrm{l}}{\text{g}}R}} = \sqrt {{V_{{\mathrm{l}}{\text{g}}R}}} \text{，} $$ (7) $$ {\text{95{\text{%}} CI }} = {\mathrm{l}}{\text{g}}R \pm {{\mathrm{SE}}_{{\text{lg}}R}} \text{，} $$ (8) $$ {\text{PC}} = {\text{(1}}{{\text{0}}^{{\mathrm{l}}{\text{gR}}}} - {\text{1)}} \times {\text{100{\text{%}} }} \text{，} $$ (9) 式中，t通过合并自由度(n1+n2−2)及概率P值查表得到[19]；X1、X2分别为处理和对照的平均值；n1、n2分别为处理和对照的重复组数；SD1、SD2分别为处理与对照的标准差；VlgR为效应值的方差；PC为均方差增加百分比，%。
进行异质性检验：当异质性(I2)<50时，数据之间异质性不高，可直接合并；I2>50的数据需要寻找其异质来源。进行发表偏倚检验：本文采用Egger分析验证发表偏倚，P>0.1时需要进行剪补[20]；剪补后，P始终>0.1或者<0.1，表明数据合并后的结论可靠。
1.3 线性拟合、随机森林与Meta回归分析
使用SPSS 21.0软件、Origin 2021软件对数据组进行拟合分析与作图。基于最小二乘法进行线性回归拟合，在0.05水平对回归方程与回归系数进行显著性检验，P<0.05指显著相关。采用Pearson法进行相关性分析，评估每个预测变量(总磷含量、速效磷含量、总氮含量、碱解氮含量、碳水化合物含量、土壤电导率、土壤碱化度、磷酸酶活性、微生物碳含量和pH)与响应变量(大团聚体相对含量)之间的相关关系。使用R 4.2.3软件RandomForest包进行随机森林分析，评估这些预测变量对大团聚体相对含量的重要性，并通过A3包获得显著性信息。使用Stata 12.0软件Meta-Analysis包中Regression进行Meta回归，解释变量对大团聚体相对含量效应值变异的贡献度。
2. 结果与分析
2.1 污泥施用对土壤团聚体影响结果的发表偏倚与整体效果
检验Meta分析总体异质性，其中，平均质量直径与大团聚体相对含量P<0.01，I2>50，说明异质性极强，需要引入解释变量来分析其来源；采用剪补法对Meta分析结果进行发表偏倚检验，平均质量直径和大团聚体剪补前后皆有P<0.01，表明本研究Meta分析结果可靠，无发表偏倚(表3)。
表 3 异质性与稳健性分析1)Table 3. Heterogeneity and robustness analysis指标
IndicatorP I2 P 补充 Supplementation 剪补前 Before clipping 剪补后 After clipping MiC 0.16 19.30 <0.01 <0.01 4(11) MWD <0.01 96.60 <0.01 <0.01 3(31) MaC <0.01 69.00 <0.01 <0.01 5(39) 1) MiC：微团聚体相对含量，MWD：团聚体平均质量直径，MaC：大团聚体相对含量；P>0.05表示数据无异质性，I2<50表示数据间无异质性；剪补前后P<0.01表示研究结果无发表偏倚；补充指剪补次数，括号中指剪补数据组数。
1) MiC: Microaggregate relative content, MWD: Mean weight diameter of aggregate, MaC: Macroaggregate relative content; P>0.05 indicates no heterogeneity in data, I2<50 means no heterogeneity between data; P<0.01 before and after clipping implies no publication bias in the findings; Supplementation refers to the number of clippings, and data in parentheses refer to the number of clipping data groups.由图1可以看出，污泥施用整体增加了大团聚体相对含量与团聚体平均质量直径，降低了微团聚体相对含量。对比表施和混施2种不同污泥施用方式对团聚体的影响，发现2种方式均显著提高了大团聚体相对含量，且混施处理的大团聚体相对含量效应值(表施0.20、混施0.84)更高；仅混施显著提高了团聚体平均质量直径，其效应值为0.06(图1A)。污泥施用后不同土层土壤团聚体平均质量直径均显著提高，相较于表层(0~20 cm)，深层(20<~40 cm)土壤团聚体平均质量直径效应值更高(表层0.12、深层0.03)；污泥施用仅显著增加了0~20 cm土壤大团聚体相对含量效应值(0.16)(图1B)。污泥施用提高了3种黏粒含量土壤的大团聚体相对含量，土壤黏粒含量<15%和15%~25%条件下达到显著水平，且黏粒含量越低土壤的大团聚体相对含量的效应值越高，分别为0.26、0.13和0.05；污泥施用仅显著增加了黏粒含量15%~25%土壤团聚体平均质量直径效应值(0.08)(图1C)。不同污泥施用量均显著提高大团聚体相对含量，施用量为100<~200 t/hm2时效应值最高(0.35)；施用量<50 t/hm2和50~100 t/hm2时，平均质量直径的效应值分别为0.07和0.21(图1D)。总体来看，施用方式为混施、土壤深度为0~20 cm、土壤黏粒含量<15%、污泥施用量为100<~200 t/hm2时，大团聚体相对含量对污泥施用所产生的合并效应值最高，分别为0.20(增加51%~67%)、0.16(增加39%~51%)、0.26(增加69%~93%)和0.35(增加100%~154%)。可见，施用污泥促进土壤大团聚体形成的最佳条件为：按100<~200 t/hm2将污泥混施于黏粒含量<15%土壤的0~20 cm层。
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图 1 不同类别下土壤团聚体对污泥施用的响应各小图中，括号内数字为样本数量；各个数据块的正负误差线表示95% CI，若95% CI与y=0有交点，则效应在统计学意义上不显著。Figure 1. Response of soil aggregates to sludge application under different conditionsIn each figure, numbers in parentheses are sample sizes; The positive and negative error lines of each data block indicate 95% CI, if 95% CI intersects with y=0, effects are not statistically significant.2.2 污泥施用对土壤性质的影响
2.2.1 不同污泥施用方式产生的影响
表施条件下，磷酸酶活性的效应值增加最多，为0.31(增加76%~135%)，其次是有机质、总氮和微生物碳含量，增加的效应值分别为0.20(增加43%~77%)、0.17(增加21%~81%)和0.17(增加31%~63%)(图2A)。污泥混施时，碱解氮含量产生的效应最大，效应值为0.64(增加211%~522%)；速效磷、碳水化合物和有机质含量产生的效应次之，效应值分别为0.29(增加55%~145%)、0.26(增加33%~151%)和0.20(增加50%~67%)；pH和土壤碱化度产生负效应，效应值分别为−0.04(降低3%~16%)和−0.05(降低6%~11%)(图2B)。
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图 2 土壤性质对污泥施用方式的响应CC：碳水化合物含量，ANC：碱解氮含量，TPC：总磷含量，ESP：碱化度，EC：电导率，APC：速效磷含量，MCC：微生物碳含量，TNC：总氮含量，OMC：有机质含量，PA：磷酸酶活性；括号内数字为样本数量；各个数据块的正负误差线表示95% CI，若95% CI与y=0有交点，则效应在统计学意义上不显著。Figure 2. Response of soil properties to sludge application methodCC: Carbohydrate content, ANC: Alkaline hydrolyzable nitrogen content, TPC: Total phosphorus content, ESP: Exchangeable sodium percentage, EC: Electrical conductivity, APC: Available phosphorus content, MCC: Microbial carbon content, TNC: Total nitrogen content, OMC: Organic matter content, PA: Phosphatase activity; Numbers in parentheses are sample sizes; The positive and negative error lines of each data block indicate 95% CI, if 95% CI intersects with y=0, effects are not statistically significant.2.2.2 污泥施用对不同深度土壤性质的影响
分析污泥施用对不同深度土壤性质的影响，发现污泥施用对深度为0~20 cm土壤碱化度产生显著负效应，效应值为−0.04(降低3%~16%)；其余10个指标产生正效应，其中碱解氮含量产生的效应值最大，为0.64(增加210%~523%)；其次是碳水化合物含量、磷酸酶活性、总氮和有机质含量，分别为0.26(增加33%~151%)、0.24(增加55%~93%)、0.19(增加40%~70%)和0.16(增加37%~52%)(图3A)。污泥施用显著增加20<~40 cm土壤有机质含量效应值(0.43，增加137%~203%)，显著降低pH效应值(−0.04，降低6%~12%)；对其余指标的影响未达显著水平(图3B)。
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图 3 不同深度土壤性质对污泥施用的响应ESP：碱化度，EC：电导率，TPC：总磷含量，MCC：微生物碳含量，APC：速效磷含量，OMC：有机质含量，TNC：总氮含量，PA：磷酸酶活性，CC：碳水化合物含量，ANC：碱解氮含量；括号内数字为样本数量；各个数据块的正负误差线表示95% CI，若95% CI与y=0有交点，则效应在统计学意义上不显著。Figure 3. Response of soil properties to sludge application under different soil layersESP: Exchangeable sodium percentage, EC: Electrical conductivity, TPC: Total phosphorus content, MCC: Microbial carbon content, APC: Available phosphorus content, OMC: Organic matter content, TNC: Total nitrogen content, PA: Phosphatase activity, CC: Carbohydrate content, ANC: Alkaline hydrolyzable nitrogen content; Numbers in parentheses are sample sizes; The positive and negative error lines of each data block indicate 95% CI, if 95% CI intersects with y=0, effects are not statistically significant.2.2.3 土壤黏粒含量差异条件下污泥施用产生的影响
比较污泥施用对不同黏粒含量土壤的团聚体的影响，当黏粒含量<15%时，污泥施用对碱解氮、碳水化合物、速效磷、有机质、总氮、微生物碳、总磷含量与磷酸酶活性产生正效应；其中碱解氮(0.65，增加205%~549%)、碳水化合物(0.55，增加27%~887%)、速效磷(0.32，增加60%~173%)和有机质(0.29，增加72%~122%)含量效应值高于其他指标(图4A)。在黏粒含量为15%~25%的土壤中，污泥施用没有显著影响碳水化合物含量、pH和电导率，对其余指标产生显著正效应；其中碱解氮含量、碱化度、磷酸酶活性和有机质含量效应强于其他指标，效应值分别为0.62(增加70%~926%)、0.29(增加16%~235%)、0.23(增加50%~93%)和0.19(增加47%~65%)(图4B)。在黏粒含量>25%的土壤中，污泥施用对碳水化合物含量、有机质含量和电导率产生正效应，效应值分别为0.27(增加24%~181%)、0.16(增加31%~62%)和0.12(增加12%~56%)；而对pH和碱化度产生负效应，效应值分别为−0.02(降低2%~7%)和−0.04(降低1%~15%)(图4C)。
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图 4 不同土壤黏粒含量条件下土壤性质对污泥施用的响应ESP：碱化度，EC：电导率，TPC：总磷含量，MCC：微生物碳含量，PA：磷酸酶活性，TNC：总氮含量，OMC：有机质含量，APC：速效磷含量，CC：碳水化合物含量，ANC：碱解氮含量；括号内数字为样本数量；各个数据块的正负误差线表示95% CI，若95% CI与y=0有交点，则效应在统计学意义上不显著。Figure 4. Response of soil properties to sludge application under different soil clay content conditionsESP: Exchangeable sodium percentage, EC: Electrical conductivity, TPC: Total phosphorus content, MCC: Microbial carbon content, PA: Phosphatase activity, TNC: Total nitrogen content, OMC: Organic matter content, APC: Available phosphorus content, CC: Carbohydrate content, ANC: Alkaline hydrolyzable nitrogen content; Numbers in parentheses are sample sizes; The positive and negative error lines of each data block indicate 95% CI, if 95% CI intersects with y=0, effects are not statistically significant.2.2.4 污泥施用量不同产生的影响
对比不同污泥施用量对土壤团聚体的影响，发现当污泥施用量<50 t/hm2时，除了对碳水化合物含量、电导率、pH和碱氏度的效应不显著外，对其余指标均产生显著正效应；其中碱解氮含量、磷酸酶活性、有机质含量和总氮含量的效应值高于其他指标，分别为0.54(增加128%~416%)、0.23(增加49%~92%)、0.18(增加40%~63%)和0.15(增加21%~63%)(图5A)。污泥施用量在50~100 t/hm2时，对碳水化合物、有机质和微生物碳含量产生正效应，效应值分别为0.31(增加39%~197%)、0.21(增加49%~73%)和0.09(增加12%~36%)；对pH产生负效应，效应值为−0.05(降低8%~14%)；对其余指标的效应不显著(图5B)。污泥施用量在100<~200 t/hm2时，对土壤pH和总磷含量的效应不明显；对碱化度产生负效应，效应值为−0.05(降低1%~19%)；对其余指标均产生正效应，其中碱解氮含量、磷酸酶活性、总氮含量和有机质含量效应值高于其他指标，分别为0.88(增加263%~
1461 %)、0.27(增加47%~141%)、0.22(增加45%~87%)和0.21(增加42%~83%)(图5C)。污泥施用量>200 t/hm2时，对碱化度和碳水化合物含量的效应不显著；对电导率产生显著负效应，效应值为−0.29(降低36%~59%)；对其余指标均产生正效应，其中速效磷含量、碱解氮含量和总氮含量效应值均高于其他指标，分别为1.17、1.09和0.88(图5D)。![]()
图 5 土壤性质对不同污泥施用量的响应ESP：碱化度，EC：电导率，MCC：微生物碳含量，TPC：总磷含量，APC：速效磷含量，TNC：总氮含量，CC：碳水化合物含量，OMC：有机质含量，PA：磷酸酶活性，ANC：碱解氮含量；括号内数字为样本数量；各个数据块的正负误差线表示95% CI，若95% CI与y=0有交点，则效应在统计学意义上不显著。Figure 5. Response of soil properties to different sludge application ratesESP: Exchangeable sodium percentage, EC: Electrical conductivity, MCC: Microbial carbon content, TPC: Total phosphorus content, APC: Available phosphorus content, TNC: Total nitrogen content, CC: Carbohydrate content, OMC: Organic matter content, PA: Phosphatase activity, ANC: Alkaline hydrolyzable nitrogen content; Numbers in parentheses are sample sizes; The positive and negative error lines of each data block indicate 95% CI, if 95% CI intersects with y=0, effects are not statistically significant.2.3 污泥施用条件下土壤性质对土壤大团聚体的影响
2.3.1 污泥施用条件下土壤性质与大团聚体相对含量的线性拟合
为深入了解污泥施用引起的土壤性质变化对土壤团聚体的影响，本研究进一步分析污泥施用条件下土壤性质与大团聚体相对含量的线性关系。由图6可以看出，土壤总磷含量(R2=0.64、P=0.02)，碳水化合物含量(R2=0.63、P<0.01)，有机质含量(R2=0.58、P<0.01)，碱解氮含量(R2=0.53、P=0.03)，磷酸酶活性(R2=0.71、P=0.02)，全氮含量(R2=0.45、P=0.01)和速效磷含量(R2=0.50、P<0.01)均与土壤大团聚体相对含量呈显著正线性相关关系；土壤碱化度(R2=0.20、P=0.03)和土壤电导率(R2=0.40、P<0.01)与土壤大团聚体相对含量呈显著负线性相关关系；土壤pH和微生物碳含量与大团聚体相对含量无显著线性相关关系。
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图 6 土壤大团聚体相对含量与土壤性质的相关关系Figure 6. Correlation between relative content of macroaggregate and soil indicators2.3.2 污泥施用影响土壤大团聚体相对含量的随机森林分析
采用随机森林分析法计算不同指标对土壤大团聚体相对含量的重要值，在收集到的所有研究中，有机质和碳水化合物含量对土壤大团聚体相对含量的增加有显著影响，总磷、速效磷、微生物碳、碱解氮、总氮含量，电导率，磷酸酶活性，碱化度与pH对大团聚体的形成有影响，但不显著(图7)。
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图 7 污泥施用条件下驱动大团聚体形成的潜在土壤因素OMC：有机质含量，CC：碳水化合物含量，TPC：总磷含量，APC：速效磷含量，PA：磷酸酶活性，MCC：微生物碳含量，ANC：碱解氮含量，EC：电导率，TNC：总氮含量，ESP：碱化度；“*”表示在P<0.05水平影响显著(A3包)。Figure 7. Potential drivers of soil indicators in macroaggregate formation under sludge applicationOMC: Organic matter content, CC: Carbohydrate content, TPC: Total phosphorus content, APC: Available phosphorus content, PA: Phosphatase activity, MCC: Microbial carbon content, ANC: Alkaline hydrolyzable nitrogen content, EC: Electrical conductivity, TNC: Total nitrogen content, ESP: Exchangeable sodium percentage; “*” indicates significant differences at P<0.05 (A3 package).2.3.3 土壤有机质和碳水化合物对土壤团聚体的影响
合并效应值发现，大团聚体相对含量对土壤有机质与碳水化合物含量的增加均产生正响应(图8)。Meta回归结果表明，大团聚体相对含量效应值随有机质与碳水化合物含量效应值增加而增加，有机质含量效应值的增长能解释93.79%的大团聚体相对含量效应值变异，碳水化合物含量效应值的增长能解释76.30%的大团聚体相对含量效应值变异(图9)。
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图 8 大团聚体相对含量对有机质与碳水化合物含量增加的响应括号内数字为样本数量。Figure 8. Response of macroaggregate relative content to increase of organic matter and carbohydrate contentsNumbers in parentheses are sample sizes.![]()
图 9 土壤大团聚体相对含量与有机质、碳水化合物含量的Meta回归分析各小图中，圆圈大小指该数据在整组分析数据中所占的权重。Figure 9. Meta-regression analysis of soil macroaggregate relative content with organic matter and carbohydrate contentsIn each figure, the circle size refers to the weight of that individual in the whole set of analyzed data.3. 讨论与结论
3.1 污泥施用促进土壤团聚
本研究整合已发表文献数据，通过Meta分析发现，污泥施用整体提高土壤大团聚体相对含量和团聚体平均质量直径，降低微团聚体相对含量。结合团聚体形成特点[3-6]，本研究推测施用污泥通过提高土壤中胶结物质含量，促使微团聚体黏合成大团聚体，进而提高大团聚体相对含量。
表施和混施是污泥土地施用的2种常见方式。与表施相比，混施污泥对原有土壤的扰动程度更高，并且施入的污泥与土壤的接触更加充分，进而可能表现出更优的促进土壤团聚效果[21]。本研究Meta分析进一步检验该结果：表施和混施均显著促进土壤团聚，大团聚体相对含量效应值分别为0.08(增加21%)和0.20(增加59%)，混施的效果更好，表现为大团聚体相对含量的增幅更大，且显著提高团聚体平均质量直径。无论表施还是混施，污泥主要接触0~20 cm表层土壤，故通常认为污泥施用主要促进表层土壤团聚体形成。本研究的Meta分析也表明污泥施用只显著提高表层土壤大团聚体的相对含量。有趣的是，污泥施用后，表层和深层土壤的团聚体平均质量直径均显著提高，表明污泥中一些可溶性胶结物质可能向深层土壤迁移并促进细颗粒的胶结；但由于深层土壤受到的外界扰动较表层土壤弱，污泥促进土壤大团聚体形成的效果也较表层土壤差[22]。
黏粒本身具有较大比表面积，是参与土壤颗粒聚集的主要活性组分。通常认为黏粒含量越低的土壤，自身黏结形成的团聚体也越少，而借助有机黏结物形成团聚体的相对含量较高，故在黏粒含量相对较低的偏砂质土壤上施用污泥促进土壤团聚的效果较好[8]。本研究Meta分析也发现，随着黏粒含量的增加，污泥对土壤团聚的促进效果逐渐减弱；值得注意的是，只有在黏粒含量中等(15%~25%)的土壤中施用污泥才显著提高团聚体平均质量直径。上述结果表明，黏粒含量低的土壤中污泥作用形成的大团聚体较多但稳定性不强，而作用于黏粒含量中等土壤形成的大团聚体数量适中且稳定。值得注意的是，并非污泥施用量越大促进土壤团聚的效果越好。Meta分析表明，折算施用量为100<~200 t/hm2时，污泥促进土壤大团聚体形成的效果最佳；折算污泥施用量为50~100 t/hm2时，土壤团聚体平均质量直径效应值最大。新鲜有机物的输入有助于促进大团聚体形成，但这些有机物也容易被微生物分解，进而导致大团聚体被分解成为微团聚体[23]。污泥施用量加大是否也会带来抑制土壤团聚的物质或者诱导土壤微生物分解大团聚体有待更深入的分析。
3.2 污泥施用改变土壤性质进而影响大团聚体形成
污泥富含有机质和养分物质，这些物质随污泥施用进入土壤，进而影响土壤相关性质。针对获取的污泥施用影响土壤团聚的36篇文献的Meta分析结果表明，不同污泥施用条件均显著提高土壤有机质含量；说明污泥提高土壤有机质含量的效果受污泥施用条件的影响相对较小。除了个别污泥施用条件下没有相关信息，本研究Meta分析显示不同污泥施用条件均显著提高土壤微生物碳含量、碳水化合物含量和磷酸酶活性，表明污泥施用对微生物和土壤酶等土壤生物的性质也产生影响。这可能与污泥自身微生物多样性和含有丰富微生物碳源物质有关[9]。尽管污泥也含有较高含量的氮和磷，但不同施用条件对土壤氮和磷含量的影响不同。表施污泥未能显著提高土壤碱解氮含量，其原因可能与表施污泥容易导致铵态氮挥发有关[24]。值得注意的是，本研究的Meta分析发现污泥施用在大部分情况下降低了土壤pH和碱化度；这与本研究前期工作中施用污泥提高土壤pH的研究结果不太一致[7, 25]。污泥pH多为7~8，如果将污泥施用于偏酸性土壤中，将提高土壤pH；相反，将污泥施用于pH高于9的土壤，将降低土壤pH。本研究纳入Meta分析的文献大多是将污泥施用于pH高于9的土壤，故出现施用污泥降低土壤pH的结果[26]。
污泥施用增加有机质、总磷、碳水化合物、碱解氮、全氮和速效磷含量以及磷酸酶活性等相关土壤指标，且这些指标与大团聚体相对含量呈显著正相关；相反，施用污泥降低土壤碱化度，且碱化度与大团聚体相对含量呈显著负相关。随机森林分析法的预测结果则显示，污泥施用引起的土壤有机质和碳水化合物含量的变化在促进大团聚体形成中扮演更加重要的角色。Meta回归进一步确认污泥施用带来的有机质与碳水化合物含量的增加对大团聚体含量增加作较大贡献。有机质和碳水化合物(糖和胞外高分子物质等)一方面可以作为有机胶合剂促进大团聚体的形成，另一方面作为微生物的主要碳源和能源显著影响微生物活性[27]。另外，土壤磷和氮的增加均可以增加细菌丰富度[28]，而细菌和真菌等土壤微生物可以通过分泌黏液与碳水化合物来促进土壤微团聚体和大团聚体的形成[29]。特别是这些微生物可以产生丰富的球囊霉素来促进大团聚体形成[30]。上述结果验证了本文推测，即施用污泥提高了土壤中胶结物质含量进而促使微团聚体黏合形成大团聚体。这些胶结物质可能是污泥施用直接带入，也可能是污泥施用提高微生物代谢产生的。值得注意的是，有机质、黏粒以及多价阳离子的共同作用是团聚体形成的重要机制，且团聚体的稳定性与这些物质的黏结性能密切相关。土壤中钠离子含量增加将导致多价阳离子的饱和度和黏结性能下降，进而导致团聚体稳定性下降和分解[31]。综合相关结果，本研究推测污泥施用补充了土壤有机质、碳水化合物和氮磷等，提高团聚体胶结物质含量进而促进土壤团聚，形成更多大团聚体；污泥施用进一步降低土壤碱化度和土壤电导率，维持团聚体的稳定性。
3.3 结论
利用Meta和线性拟合分析，本文评价了污泥施用对土壤团聚体的影响并挖掘作用机理。污泥施用显著提高土壤大团聚体相对含量和团聚体平均质量直径，最佳条件是按100<~200 t/hm2，将污泥混施于黏粒含量<15%的表层土壤中。污泥施用提高土壤有机质和碳水化合物含量是促进土壤大团聚体形成的关键原因；污泥中有机质含量越高，促进土壤团聚的效果越好。污泥施用引起的总磷、碱解氮、全氮和速效磷含量以及磷酸酶活性等土壤指标的增加在一定程度上促进土壤团聚。需要注意的是，上述污泥施用的效应分析受限于纳入Meta分析的文献大多为矿区土壤污泥施用的研究，普通土壤的污泥施用效果有待更多相关研究支撑。
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图 1 不同类别下土壤团聚体对污泥施用的响应
各小图中，括号内数字为样本数量；各个数据块的正负误差线表示95% CI，若95% CI与y=0有交点，则效应在统计学意义上不显著。
Figure 1. Response of soil aggregates to sludge application under different conditions
In each figure, numbers in parentheses are sample sizes; The positive and negative error lines of each data block indicate 95% CI, if 95% CI intersects with y=0, effects are not statistically significant.
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图 2 土壤性质对污泥施用方式的响应
CC：碳水化合物含量，ANC：碱解氮含量，TPC：总磷含量，ESP：碱化度，EC：电导率，APC：速效磷含量，MCC：微生物碳含量，TNC：总氮含量，OMC：有机质含量，PA：磷酸酶活性；括号内数字为样本数量；各个数据块的正负误差线表示95% CI，若95% CI与y=0有交点，则效应在统计学意义上不显著。
Figure 2. Response of soil properties to sludge application method
CC: Carbohydrate content, ANC: Alkaline hydrolyzable nitrogen content, TPC: Total phosphorus content, ESP: Exchangeable sodium percentage, EC: Electrical conductivity, APC: Available phosphorus content, MCC: Microbial carbon content, TNC: Total nitrogen content, OMC: Organic matter content, PA: Phosphatase activity; Numbers in parentheses are sample sizes; The positive and negative error lines of each data block indicate 95% CI, if 95% CI intersects with y=0, effects are not statistically significant.
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图 3 不同深度土壤性质对污泥施用的响应
ESP：碱化度，EC：电导率，TPC：总磷含量，MCC：微生物碳含量，APC：速效磷含量，OMC：有机质含量，TNC：总氮含量，PA：磷酸酶活性，CC：碳水化合物含量，ANC：碱解氮含量；括号内数字为样本数量；各个数据块的正负误差线表示95% CI，若95% CI与y=0有交点，则效应在统计学意义上不显著。
Figure 3. Response of soil properties to sludge application under different soil layers
ESP: Exchangeable sodium percentage, EC: Electrical conductivity, TPC: Total phosphorus content, MCC: Microbial carbon content, APC: Available phosphorus content, OMC: Organic matter content, TNC: Total nitrogen content, PA: Phosphatase activity, CC: Carbohydrate content, ANC: Alkaline hydrolyzable nitrogen content; Numbers in parentheses are sample sizes; The positive and negative error lines of each data block indicate 95% CI, if 95% CI intersects with y=0, effects are not statistically significant.
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图 4 不同土壤黏粒含量条件下土壤性质对污泥施用的响应
ESP：碱化度，EC：电导率，TPC：总磷含量，MCC：微生物碳含量，PA：磷酸酶活性，TNC：总氮含量，OMC：有机质含量，APC：速效磷含量，CC：碳水化合物含量，ANC：碱解氮含量；括号内数字为样本数量；各个数据块的正负误差线表示95% CI，若95% CI与y=0有交点，则效应在统计学意义上不显著。
Figure 4. Response of soil properties to sludge application under different soil clay content conditions
ESP: Exchangeable sodium percentage, EC: Electrical conductivity, TPC: Total phosphorus content, MCC: Microbial carbon content, PA: Phosphatase activity, TNC: Total nitrogen content, OMC: Organic matter content, APC: Available phosphorus content, CC: Carbohydrate content, ANC: Alkaline hydrolyzable nitrogen content; Numbers in parentheses are sample sizes; The positive and negative error lines of each data block indicate 95% CI, if 95% CI intersects with y=0, effects are not statistically significant.
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图 5 土壤性质对不同污泥施用量的响应
ESP：碱化度，EC：电导率，MCC：微生物碳含量，TPC：总磷含量，APC：速效磷含量，TNC：总氮含量，CC：碳水化合物含量，OMC：有机质含量，PA：磷酸酶活性，ANC：碱解氮含量；括号内数字为样本数量；各个数据块的正负误差线表示95% CI，若95% CI与y=0有交点，则效应在统计学意义上不显著。
Figure 5. Response of soil properties to different sludge application rates
ESP: Exchangeable sodium percentage, EC: Electrical conductivity, MCC: Microbial carbon content, TPC: Total phosphorus content, APC: Available phosphorus content, TNC: Total nitrogen content, CC: Carbohydrate content, OMC: Organic matter content, PA: Phosphatase activity, ANC: Alkaline hydrolyzable nitrogen content; Numbers in parentheses are sample sizes; The positive and negative error lines of each data block indicate 95% CI, if 95% CI intersects with y=0, effects are not statistically significant.
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图 6 土壤大团聚体相对含量与土壤性质的相关关系
Figure 6. Correlation between relative content of macroaggregate and soil indicators
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图 7 污泥施用条件下驱动大团聚体形成的潜在土壤因素
OMC：有机质含量，CC：碳水化合物含量，TPC：总磷含量，APC：速效磷含量，PA：磷酸酶活性，MCC：微生物碳含量，ANC：碱解氮含量，EC：电导率，TNC：总氮含量，ESP：碱化度；“*”表示在P<0.05水平影响显著(A3包)。
Figure 7. Potential drivers of soil indicators in macroaggregate formation under sludge application
OMC: Organic matter content, CC: Carbohydrate content, TPC: Total phosphorus content, APC: Available phosphorus content, PA: Phosphatase activity, MCC: Microbial carbon content, ANC: Alkaline hydrolyzable nitrogen content, EC: Electrical conductivity, TNC: Total nitrogen content, ESP: Exchangeable sodium percentage; “*” indicates significant differences at P<0.05 (A3 package).
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图 8 大团聚体相对含量对有机质与碳水化合物含量增加的响应
括号内数字为样本数量。
Figure 8. Response of macroaggregate relative content to increase of organic matter and carbohydrate contents
Numbers in parentheses are sample sizes.
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图 9 土壤大团聚体相对含量与有机质、碳水化合物含量的Meta回归分析
各小图中，圆圈大小指该数据在整组分析数据中所占的权重。
Figure 9. Meta-regression analysis of soil macroaggregate relative content with organic matter and carbohydrate contents
In each figure, the circle size refers to the weight of that individual in the whole set of analyzed data.
表 1 数据分组
Table 1 Data grouping
类别 Category 数据分组 Data grouping 污泥施用方式1) Sludge application method 表施 Surface application 混施 Mixed application 土壤深度/cm Soil depth 0~20 20<~40 土壤黏粒含量/% Soil clay content <15 15~25 >25 污泥施用量/(t·hm−2) Sludge application amount <50 50~100 100<~200 >200 1)表施：污泥直接铺撒在土壤表面，没有与土壤进行混合；混施：污泥与土壤充分混合。
1) Surface application: Sludge is spread directly on the soil surface without mixing with the soil; Mixed application: Sludge is well mixed with the soil.
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表 2 正态性检验1)
Table 2 Normality test
指标
Indicatorn P R−1 lnR lgR MaC 106 0.00 0.19 0.14 OMC 109 0.00 0.04 0.06 MWD 74 0.01 0.11 0.10 MCC 41 0.01 0.36 0.36 MiC 38 0.52 0.55 0.51 TNC 34 0.00 0.17 0.17 ESP 30 0.15 0.35 0.35 CC 28 0.77 0.98 0.97 EC 22 0.48 0.82 0.82 APC 19 0.22 0.34 0.36 PA 15 0.03 0.14 0.14 TPC 12 0.53 0.79 0.79 ANC 10 0.42 0.95 0.95 pH 14 0.86 0.83 0.81 1) MaC：大团聚体相对含量，OMC：有机质含量，MWD：团聚体平均质量直径，MCC：微生物碳含量，MiC：微团聚体相对含量，TNC：总氮含量，ESP：碱化度，CC：碳水化合物含量，EC：电导率，APC：速效磷含量，PA：磷酸酶活性，TPC：总磷含量，ANC：碱解氮含量；n指纳入的研究组数，P>0.05指数据呈正态性。
1) MaC: Macroaggregate relative content, OMC: Organic matter content, MWD: Mean weight diameter of aggregate, MCC: Microbial carbon content, MiC: Microaggregate relative content, TNC: Total nitrogen content, ESP: Exchangeable sodium percentage, CC: Carbohydrate content, EC: Electrical conductivity, APC: Available phosphorus content, PA: Phosphatase activity, TPC: Total phosphorus content, ANC: Alkaline hydrolyzable nitrogen content; n refers to the number of study groups included, P>0.05 indicates data are normal.
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表 3 异质性与稳健性分析1)
Table 3 Heterogeneity and robustness analysis
指标
IndicatorP I2 P 补充 Supplementation 剪补前 Before clipping 剪补后 After clipping MiC 0.16 19.30 <0.01 <0.01 4(11) MWD <0.01 96.60 <0.01 <0.01 3(31) MaC <0.01 69.00 <0.01 <0.01 5(39) 1) MiC：微团聚体相对含量，MWD：团聚体平均质量直径，MaC：大团聚体相对含量；P>0.05表示数据无异质性，I2<50表示数据间无异质性；剪补前后P<0.01表示研究结果无发表偏倚；补充指剪补次数，括号中指剪补数据组数。
1) MiC: Microaggregate relative content, MWD: Mean weight diameter of aggregate, MaC: Macroaggregate relative content; P>0.05 indicates no heterogeneity in data, I2<50 means no heterogeneity between data; P<0.01 before and after clipping implies no publication bias in the findings; Supplementation refers to the number of clippings, and data in parentheses refer to the number of clipping data groups.
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