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        有機肥施用對黃瓜產量影響的整合分析

        2023-11-07 12:23:56聶園軍張晨陽
        中國瓜菜 2023年10期
        關鍵詞:增產率亞組黃瓜

        康 敏,聶園軍,張晨陽,王 媛

        (1.山西農業(yè)大學農業(yè)經濟管理學院 太原 030006; 2.山西農業(yè)大學生態(tài)環(huán)境產業(yè)技術研究院 太原 030031;3.山西農業(yè)大學資源環(huán)境學院 山西太谷 030800)

        黃瓜種植范圍廣,宜生食宜熟食,是我國居民的常年食用蔬菜。農戶為了獲得高產,盲目過量施用化肥,引起菜地土壤板結,影響黃瓜的產量和品質,并可能引發(fā)環(huán)境污染[1]。2017 年以來,農業(yè)農村部全面開展“果菜茶有機肥替代”試點工作,2022 年在《到2025 年化肥減量化行動方案》中提出進一步強化蔬菜種植中減氮、控磷、穩(wěn)鉀,增施有機肥。

        干物質積累是作物產量形成的物質基礎,施肥影響土壤養(yǎng)分積累、作物養(yǎng)分吸收和干物質積累分配,從而影響產量[2-3]。無機肥所含速效養(yǎng)分能有效提高作物產量;有機肥的增產機制與無機肥有所不同,有機肥在改善土壤理化性質、優(yōu)化土壤水氣條件、提高土壤微生物活性、提高作物抗病能力方面有著不可替代的作用,可促進作物優(yōu)質高產[4-5]。有機肥類型不同,產量效應也不同,尤彩霞[6]的試驗表明,不同類型的有機肥均能提高黃瓜產量15.56%以上,其中牛糞配施化肥的增產效果更加顯著;李子雙等[7]研究表明,生物有機肥配施無機肥優(yōu)于純有機肥與無機肥配施,生物有機肥在微生物分解下,養(yǎng)分釋放能更好地滿足黃瓜生長的需要,增產率達到64.08%。另外,張洋等[8]通過有機肥配施等量無機肥的試驗發(fā)現(xiàn),隨著有機肥施用量的增加,黃瓜產量表現(xiàn)出增長趨勢,但增產效果不大,與單施化肥相比,有機肥施用量達到3750 kg·hm-2時增產率最高,但也僅為3.80%;王明文等[9]在有機肥替代化肥的試驗中發(fā)現(xiàn),與單施化肥相比,施用有機肥3075 kg·hm-2時,黃瓜產量提高8.7%,施用有機肥6150 kg·hm-2時,增產率最高,為23.6%,而100%施用有機肥(30 750 kg·hm-2)反而減產22.5%。

        綜上可以看出,不同類型、不同用量的有機肥對黃瓜的增產作用不同,相同類型或相同用量的有機肥在不同試驗中的增產效果也不同。雖然很多學者通過田間試驗分析了有機肥對黃瓜產量的影響,積累了大量的試驗數(shù)據,但田間試驗往往強調單一變量對照,隨機因素的影響較大,研究結論存在一定局限性。有機肥增產效果還可能受種植環(huán)境、施肥管理等因素的影響[10-13],具體原因有待進一步研究。

        整合分析(Meta-analysis)匯總多個同類試驗,不僅能擴大研究樣本量,提高檢驗效能,尤其當多個研究結論出現(xiàn)不一致或者沒有統(tǒng)計學意義時,Meta 分析結果更加接近真實統(tǒng)計[14-15]。因此,筆者收集整理近18 年(2004 年7 月至2022 年7 月)公開發(fā)表的試驗數(shù)據,利用Meta 分析方法研究國內有機肥對黃瓜產量的影響,并進一步討論有機肥類型、施肥管理、環(huán)境因素對黃瓜產量的影響程度,旨在為黃瓜高產穩(wěn)產以及有機肥合理施用提供科學依據。

        1 研究方法

        1.1 數(shù)據來源

        以黃瓜、產量、有機肥為關鍵詞在中國知網、百度文庫、Sci-hub、NCBI 搜集截止到2023 年1 月之前公開發(fā)表的相關研究資料。數(shù)據篩選條件如下:(1)試驗地點位于中國地區(qū);(2)按照Meta 分析原則,文中必須有“不施肥”與“單施有機肥”或者“單施化肥”與“有機無機配施”的對比試驗處理;(3)文中必須說明各試驗處理的重復數(shù)以及黃瓜產量均值;(4)對于信息不全的文獻,通過聯(lián)系作者或者查閱資料補全信息;(5)相同試驗結論如出現(xiàn)在不同文獻中,不重復統(tǒng)計,保證數(shù)據的相互獨立性。最終,獲得41 篇文獻、樣本量為116 的獨立試驗數(shù)據庫。

        1.2 數(shù)據庫建立

        1.2.1 文獻信息 提取作者姓名、作者單位、論文題目、發(fā)表時間、發(fā)表刊物等文獻信息作為發(fā)表偏倚性分析的參考。

        1.2.2 指標數(shù)據 筆者分析的指標是黃瓜產量,是指各試驗處理累計采收的黃瓜總產量的均值。提取對照組(CK)和處理組(T)的黃瓜產量值,以及相應的標準差、處理重復次數(shù)(n),并把產量、標準差的單位統(tǒng)一換算為kg·hm-2。文獻中的數(shù)值型數(shù)據直接摘錄,圖表數(shù)據用Getdata 軟件提取。

        如果文獻中用標準誤表示離散程度,根據公式(1)轉換為標準差;當文獻中無法獲得標準差或標準誤時,用產量的5%作為標準差,采用這種方法計算標準差的樣本量不超過總樣本的10%。

        1.2.3 亞組分析因子 Meta 分析的基礎假設是研究對象及影響因素具有相似性,但實際試驗過程中可能會存在異質性干擾[16]。在黃瓜生產中,有機肥類型、施肥管理、環(huán)境因素可能是形成有機肥產量效應差異的來源。因此,按照一定特征對這些因素進行分組分析,即通過亞組分析(Sub‐group-analysis)比較各亞組的效應值差異,從而探索異質性來源。

        參照NY/T 525—2021《有機肥料》[17]以及有機肥養(yǎng)分特征[18-19]對有機肥類型進行分組;施肥管理的分組,主要根據黃瓜需肥特點[20-21],設定有機肥施用量、施氮折純量(N)、施磷折純量(P2O5)、施鉀折純量(K2O)以及施肥次數(shù)的分組;環(huán)境因素主要選擇土壤特性、種植環(huán)境、種植區(qū)域3 個因子,其中,結合菜地土壤肥力特征[22-25]確定土壤全氮含量、土壤pH 的區(qū)間。具體的亞組因子及分組見表1。

        表1 亞組因子及分組Table 1 Subgroup factors and grouping

        1.3 數(shù)據分析

        利用Meta 分析可以定量分析在不同條件下施用有機肥對黃瓜產量的影響程度,這一影響程度可以用效應值衡量。筆者采用Metawin 2.1 軟件進行數(shù)據整合分析。

        1.3.1 計算各試驗的效應值及其權重 選用響應比(Response Ratios,RRi)的自然對數(shù)(lnRRi)作為第i組試驗的效應值[26]。響應比是指處理試驗產量Ti與對照試驗產量CKi的比值;其中,“單施有機肥”的對照是“不施肥”,“有機無機配施”的對照是“單施化肥”。權重(Wi)是第i組試驗在總體結果中的占比,通過方差(Vi)計算。具體公式[27]如下:

        式中,RRi,lnRRi分別是第i組試驗的響應比和效應值;Ti、sTi、nTi分別為第i組處理試驗的產量均值、標準差、重復數(shù);CKi、sCKi、nCKi分別為第i組對照試驗的產量均值、標準差、重復數(shù)。

        1.3.2 發(fā)表偏倚性及異質性檢驗 通過正態(tài)分布檢驗、I2檢驗,分析研究樣本的發(fā)表偏倚性和異質性[28]。如果效應值(lnRRi)服從正態(tài)分布,說明樣本不存在明顯的偏倚。如果I2<50%且p≥0.1,說明不存在異質性;如果I2≥50% 且p<0.1,說明存在異質性。統(tǒng)計量I2計算公式如下:

        其中,Q為異質性檢驗的統(tǒng)計量,df為自由度。筆者運用SPSS 26.0 軟件進行正態(tài)分布檢驗,效應值呈現(xiàn)正態(tài)分布(見圖1),說明納入研究的樣本不存在明顯的偏倚性,符合Meta 分析的要求。Metawin 2.1 軟件I2檢驗結果p=0.000、I2=55.9%,表明研究存在異質性,也進一步說明亞組分析的必要性。

        圖1 施用有機肥后黃瓜產量效應值的分布Fig.1 Distribution of cucumber yield response to fertilizer application

        1.3.3 計算綜合效應值及置信區(qū)間 綜合效應值(lnRR++)是整體樣本或亞組樣本的平均效應值[29]。因存在異質性,筆者采用隨機效應模型(Random Ef‐fect Model,REM)計算綜合效應值及其95%置信區(qū)間(95% Confidence Interval,95%CI),計算公式如下:

        若lnRR++大于0,且其置信區(qū)間全部落在大于0的區(qū)間,說明有機肥對黃瓜有顯著增產作用;否則,若置信區(qū)間包含0,說明無顯著增產作用。同理,若lnRR++小于0,且置信區(qū)間全部落在小于0 的區(qū)間,說明有機肥對黃瓜有顯著減產作用;否則,認為減產效應不顯著。

        為了更加直觀地了解有機肥對黃瓜產量的影響,將對數(shù)形式的綜合效應值變換為產量變化率R,轉換公式為:R=(EXP lnRR++-1)×100%。

        2 結果與分析

        2.1 有機肥產量效應的整體分析

        通過計算整體樣本的綜合效應值及其置信區(qū)間(表2),可以看出,施用有機肥能顯著提高黃瓜產量,平均增產率為15.5%,95%置信區(qū)間為(10.7%~18.1%)。

        表2 黃瓜產量的整體平均效應值Table 2 The average effect value of cucumber yield

        2.2 有機肥產量效應的亞組分析

        亞組分析將數(shù)據分為更小的單元,分別計算有機肥類型、施肥管理、環(huán)境因素的亞組綜合效應值及其置信區(qū)間,進而判斷亞組因子對有機肥產量效應的影響。

        2.2.1 有機肥類型對黃瓜產量的影響 如圖2 所示,不同類型有機肥對黃瓜產量的影響具有顯著差異性(p=0.049)。其中,沼肥增產率最高,為35.9%,顯著高于生物有機肥(18.9%)、商品有機肥(17.3%)、農家肥(10.3%)的增產率,而有機無機復合肥與單施化肥相比無顯著增產效果;數(shù)據庫中蚯蚓肥樣本量較少(5 個),增產率的變異較大。

        圖2 不同類型有機肥對黃瓜的增產效果Fig.2 Yield enhancement effect of different types organic fertilizer on cucumber

        2.2.2 施肥管理對黃瓜產量的影響 除磷肥外(p>0.05),有機肥、氮肥、鉀肥施用量對有機肥的產量效應均具有顯著影響(分別為:p=0.004、p=0.003、p=0.022)。如圖3 所示,有機肥施用量小于2 t·hm-2時,增產效果不顯著;有機肥施用量大于5 t·hm-2后,黃瓜增產率隨著有機肥投入量增加而提高。當有機肥施用量大于30 t·hm-2后,增產率達到40.8%。同樣,當施氮折純量大于150 kg·hm-2后,黃瓜產量對有機肥的響應表現(xiàn)出顯著增產性,并隨著氮投入量的增加黃瓜增產率不斷提高,施氮量大于400 kg·hm-2時,增產率達到31.4%。施鉀折純量表現(xiàn)出與施氮折純量相似的產量效應,當鉀肥投入量大于400 kg·hm-2時,增產率為33.4%。

        圖3 不同施肥量下有機肥的產量效應Fig.3 Yield effect of manure with different application rates

        施肥次數(shù)對黃瓜增產率的影響顯著(p=0.002)。僅基施有機肥的增產率為18.6%;施肥2~4 次的增產率最高,為19.7%;而施肥5 次以上的數(shù)據量較少(n=11),增產效果不顯著(圖4)。

        圖4 不同施肥次數(shù)下有機肥的產量效應Fig.4 Yield effect of manure with different fertilization times

        2.2.3 環(huán)境因素對黃瓜產量的影響 在不同種植地區(qū)施用有機肥后,黃瓜的平均增產率為17.0%(p=0.023)。如圖5 所示,除華南地區(qū)外,西北、華北、華東施用有機肥都顯著提升了黃瓜產量。華北增產率最高,為26.6%,西北、華東增產率分別為21.1%、14.2%。該結果表明,有機肥對黃瓜的增產效果存在區(qū)域差異性。

        圖5 不同種植地區(qū)有機肥的產量效應Fig.5 Yield effect of manure in different planting areas

        不同種植環(huán)境下,施用有機肥均顯著提升了黃瓜的產量(p=0.009)。如圖6 所示,日光溫室對黃瓜的增產率(17.3%)顯著高于塑料大棚(增產率14.3%)和大田(增產率12.7%)??梢钥闯?,兩種設施黃瓜的增產率也有差異,日光溫室增產率顯著高出塑料大棚3.0 個百分點。

        圖6 不同種植環(huán)境下有機肥的增產效應Fig.6 Yield effect of manure under different planting environments

        如圖7 所示,土壤pH、土壤全氮對有機肥的產量效應均表現(xiàn)出顯著性影響(分別為:p=0.014、p=0.005)。在酸性土壤條件下(pH 低于6.5),施用有機肥對黃瓜沒有顯著增產效果;在中性土壤條件下(pH 6.5~7.5),施用有機肥的增產率最高,達到26.6%;而在堿性土壤中(pH>7.5)黃瓜增產率有所降低,為17.8%。土壤全氮含量大于1.5 g·kg-1時,有機肥施用表現(xiàn)出顯著增產性,增產率為24.3%。

        圖7 不同土壤特性下有機肥的產量效應Fig.7 Yield effect of manure under different soil characteristics

        3 討論與結論

        有機肥不僅含有植物易于吸收利用的小分子有機化合物和無機態(tài)養(yǎng)分,還可以通過改善土壤性狀、增加土壤離子交換位點以提高土壤養(yǎng)分供應能力[30-31],促進作物增產。但不同類型的有機肥增產效果不同,本研究結果表明,沼肥增產效果優(yōu)于普通有機肥。沼肥不僅營養(yǎng)元素全面,還有抑制有害菌蟲繁殖、降低病害發(fā)生率的功效[32],尤其是對設施黃瓜因土傳病害、連作障礙帶來的減產問題有較好的調控效果[33]。

        黃瓜屬于多茬采收作物,充足持續(xù)的養(yǎng)分供應才能保證生物量的積累[34],黃瓜整個生育期需鉀量最多,氮次之,需磷最少,每形成1 kg 黃瓜需要吸收N、P2O5、K2O 的質量比為1∶0.46∶1.16[35]。其中,磷主要影響黃瓜抗逆抗病性[36],這可能是筆者發(fā)現(xiàn)在不同施磷量條件下,有機肥對黃瓜增產效果不顯著的原因。此外,本試驗結果表明,只有當有機肥、氮素、鉀素的投入量達到一定水平后,有機肥才表現(xiàn)出增產效果,并且黃瓜產量隨著投入量的增加而提高。當有機肥投入量大于30 t·hm-2且N、K2O 投入量大于400 kg·hm-2時,黃瓜增產率在31.4%以 上,與關天霞等[37]施用雞糞30 t·hm-2且N 390 kg·hm-2、K2O 408 kg·hm-2以 上 時,黃 瓜 增 產26.4%~50.1% 的結論基本一致。但王明文等[9]在施用N 444 kg·hm-2、K2O 480 kg·hm-2的基礎上僅配施有機肥6.15 t·hm-2,黃瓜就可以達到最高增產率(23.6%),其原因可能是該試驗中的商品有機肥有機質含量較高(≥45%);但也有研究認為,有機肥的產量效應與土壤肥力水平有關,在中等肥力的土壤條件下,僅基施有機肥22.5 t·hm-2,黃瓜增產率就可達到23.2%[38],追施氮肥反而會降低黃瓜產量。徐明崗[39]通過30 多年長期試驗發(fā)現(xiàn),當土壤有機質含量達到30 g·kg-1時,再增施化肥對作物沒有顯著增產效果。本試驗結果也表明,土壤全氮含量達到一定水平時(1.5 g·kg-1),施用有機肥才有顯著增產效果,而SOM 與土壤全氮具有顯著相關性[40]。另外,施肥次數(shù)影響肥料養(yǎng)分釋放,在黃瓜生長后期每隔14 d 追施化肥1 次,單瓜質量有顯著提高[41],一般黃瓜盛果期為30~60 d,追肥2~4 次增產效果較優(yōu),與本研究結論基本一致。

        環(huán)境與基因型的交互作用影響作物產量形成。黃瓜喜溫喜光,不耐寒和高溫,適宜生長的溫度為18~32 ℃、土壤濕度為85%~90%、土壤pH 為5.5~7.6、晝夜溫差為10~20 ℃,低溫寡照、36 ℃以上的高溫脅迫均會造成大量落花落果,影響產量[42-46]。因此,筆者發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)的增產率高于西北、華東、華南地區(qū),原因可能是華北地區(qū)屬于溫室一級適宜氣候環(huán)境[47],在保證養(yǎng)分供應條件下更易獲得高產;日光溫室對黃瓜的有機肥增產效應優(yōu)于塑料大棚和大田,可能也是因為日光溫室的空氣溫度濕度、土壤溫度濕度以及晝夜溫差更適合黃瓜生長[48]。另外,目前有機肥在不同設施種植環(huán)境下(塑料大棚與日光溫室)產量效應差異的比較研究較少,筆者的研究定量地給出了兩者的增產率。

        綜上所述,施用有機肥可以顯著提升黃瓜產量,不同有機肥類型、施肥管理措施、環(huán)境因素均能顯著影響有機肥對黃瓜的產量效應。施用有機肥不能僅僅關注施用量,還要綜合考慮有機肥養(yǎng)分特征、與無機肥的配施方式、種植環(huán)境以及土壤特性等因素。

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