基于Meta-analysis的施鎂對作物產(chǎn)量及礦質(zhì)元素吸收效應(yīng)分析

劉書池，胡玉福，舒向陽，何 佳，王 琴，李正青，李 智，陽 帆，李玥秋

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130）

鎂是葉綠素分子的中心原子，也是葉綠素中唯一的金屬元素，對維持葉綠體結(jié)構(gòu)具有舉足輕重的作用[1-3]。I.Cankmak 等[4]研究指出，植物缺鎂會對植物芽和根之間的干物質(zhì)及碳水化合物之間的分配產(chǎn)生重要影響；郝遒斌等[5-6]研究表明，植物鎂缺失還將直接降低植物葉綠體內(nèi)基粒數(shù)、類囊體數(shù)，進(jìn)而影響植物光合作用。如今鎂已經(jīng)被土肥學(xué)者看作是繼氮、磷、鉀之后植物的第四大必需的營養(yǎng)元素，鎂素對植物的營養(yǎng)和鎂肥的應(yīng)用也已成為國際農(nóng)學(xué)界和土肥界關(guān)心的熱點(diǎn)問題[7-11]。

近年來，大多數(shù)研究表明施用鎂肥能顯著提高作物產(chǎn)量并促進(jìn)作物對礦質(zhì)元素的吸收[12-18]。但也有部分研究結(jié)果不盡相同，如肖常沛等[19]的盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明，施鎂對黃瓜、小白菜、辣椒和番茄有明顯的增產(chǎn)效果，而A.Biesiada 等[20]的盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明，葉面噴施鎂肥對菠菜增產(chǎn)效果不明顯；就增產(chǎn)幅度而言，孫剛等[21]研究表明施鎂對烤煙的增產(chǎn)幅度為3.6%，而洪火奇[22]研究表明施鎂對烤煙的增產(chǎn)幅度可高達(dá)14.28%～19.19%。在施鎂對作物礦質(zhì)元素吸收影響方面，黃東風(fēng)等[8]研究表明施鎂能明顯提高蔬菜對N、K 的吸收量，而周世民等[23]研究發(fā)現(xiàn)施鎂會降低煙葉中N、K 的含量。A.Francker[24]通過3年田間試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，施鎂能促進(jìn)甜菜對Ca的吸收，而曾睿等[25]研究結(jié)果表明隨施鎂水平的增加，煙葉含Ca 量逐漸降低，Mg 和Ca 之間存在著一定的拮抗關(guān)系。

眾多研究者均是基于某一種單一作物在某一地區(qū)進(jìn)行單個試驗(yàn)分析，因而其結(jié)果均依賴于特定的作物、環(huán)境和土壤屬性。為了整體認(rèn)識不同條件下施鎂對作物產(chǎn)量及礦質(zhì)元素吸收的影響，須利用這些相對獨(dú)立的研究進(jìn)行大樣本數(shù)據(jù)的綜合分析。Meta-analysis 方法可以定量化地綜合現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析某種措施的綜合效應(yīng)，已被應(yīng)用于分析深松對小麥玉米產(chǎn)量的影響[26]、馬鈴薯地膜覆蓋產(chǎn)量效應(yīng)分析[27]等。因此，本文基于1990—2016年鎂肥施用對作物產(chǎn)量及礦質(zhì)元素吸收的研究數(shù)據(jù)，應(yīng)用Meta-analysis 方法定量分析鎂肥施用對作物產(chǎn)量及礦質(zhì)元素吸收的影響，旨在揭示和明確鎂肥施用對作物的綜合效應(yīng)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)review articles 的不足，并為提高作物施肥管理和營養(yǎng)元素調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)從中國知網(wǎng)和Google Scholar 文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫，通過設(shè)置檢索時間“1990—2016年”以及“鎂”和“植物”這2 個關(guān)鍵詞，搜集了國內(nèi)外公開發(fā)表的有關(guān)施鎂對作物產(chǎn)量及礦質(zhì)元素吸收影響的田間試驗(yàn)研究論文。由于應(yīng)用Meta-analysis 方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時，需要輸入標(biāo)準(zhǔn)差等信息，本研究基于以下4 個標(biāo)準(zhǔn)對研究數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選：①同一試驗(yàn)必須包括配對的處理組和對照組，對照為不施肥；②文中明確給出施肥肥料類型；③試驗(yàn)為長期定位的田間試驗(yàn)；④試驗(yàn)地、試驗(yàn)?zāi)攴?、試?yàn)作物等基本信息清晰?；谝陨? 個篩選標(biāo)準(zhǔn)，共獲得符合標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)43 篇（見表1）。采用Microsoft Excel 2010 軟件建立了相關(guān)數(shù)據(jù)庫，內(nèi)容主要包括：作者、試驗(yàn)點(diǎn)概況、種植概況、試驗(yàn)點(diǎn)土壤理化性質(zhì)、作物品種等。數(shù)據(jù)庫中收錄有水稻、烤煙、小白菜、玉米、馬鈴薯、番茄等十一種作物，種植區(qū)土壤為酸性至微堿性，施用鎂肥類型多為硫酸鎂和氧化鎂。在數(shù)據(jù)搜集過程中，如果數(shù)據(jù)是以圖的形式展示，則采用GetData Graph Digitizer 2.26.0.20 軟件來獲得。在Meta-analysis 分析中，各研究的標(biāo)準(zhǔn)偏差是一個重要的參數(shù)，反映各研究結(jié)果的重要程度。按照文獻(xiàn)提供的信息，若原文獻(xiàn)提供標(biāo)準(zhǔn)偏差時，直接采用文獻(xiàn)中的值；當(dāng)原文獻(xiàn)沒有提供標(biāo)準(zhǔn)偏差但列出多個重復(fù)試驗(yàn)的產(chǎn)量值時，根據(jù)常用方法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差；當(dāng)原文獻(xiàn)既沒有列出標(biāo)準(zhǔn)偏差也沒有試驗(yàn)重復(fù)的產(chǎn)量值，但包含了多年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)時，將多年產(chǎn)量數(shù)據(jù)看作試驗(yàn)重復(fù)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算[28-29]。

1.2 Meta-analysis 分析

使用反應(yīng)比R 的自然對數(shù)（ln R）作為效應(yīng)值[30-31]：

ln R=ln（Xe/Xc)

式中，Xe 和Xc 是試驗(yàn)組和對照組的產(chǎn)量或礦質(zhì)元素吸收的平均值。利用R 軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到平均效應(yīng)值。若效應(yīng)值ln R＞0，則說明產(chǎn)生了正效應(yīng)，表明鎂肥的施用引起了作物產(chǎn)量及對礦質(zhì)元素的吸收量的增加；若效應(yīng)值ln R＜0，則說明產(chǎn)生了負(fù)效應(yīng)，表明鎂肥的施用引起了作物產(chǎn)量以及對礦質(zhì)元素的吸收量的減少。

1.3 相關(guān)分析

皮爾森相關(guān)系數(shù)（Pearson correlation coefficient)也稱皮爾森積矩相關(guān)系數(shù)（Pearson product-moment correlation coefficient），是一種線性相關(guān)系數(shù)[32]。皮爾森相關(guān)系數(shù)是用來反映2 個變量線性相關(guān)程度的統(tǒng)計(jì)量。相關(guān)系數(shù)用r 表示，r 描述的是兩個變量間線性相關(guān)強(qiáng)弱的程度。r 的絕對值越大表明相關(guān)性越強(qiáng)。

表1 符合篩選標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)Table 1 Documents that match the filter criteria

2 結(jié)果與分析

2.1 鎂肥施用對作物產(chǎn)量的影響

與不施鎂肥相比，施用鎂肥能提高水稻、烤煙、小白菜、番茄等作物的產(chǎn)量。本研究綜合了135 組關(guān)于鎂肥施用對作物產(chǎn)量影響的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析結(jié)果表明，鎂肥施用對作物產(chǎn)量的綜合效應(yīng)值呈現(xiàn)出正態(tài)分布特征，其分布范圍為-0.426 1～0.266 8，均值為0.063 4（圖1）。

圖1 施鎂對作物產(chǎn)量的綜合效應(yīng)值Figure 1 The combined effect of magnesium application on crop yield

以水稻為例，施用鎂肥對水稻的粒重、結(jié)實(shí)率和穗數(shù)均有所提高（圖2）。在搜集的30 組粒重數(shù)據(jù)，24 組結(jié)實(shí)率數(shù)據(jù)和18 組穗數(shù)數(shù)據(jù)中，鎂肥施用對水稻粒重、結(jié)實(shí)率和穗數(shù)的綜合效應(yīng)值均呈現(xiàn)出正態(tài)分布特征。其中，對粒重的綜合效應(yīng)值的分布范圍為-0.003 6～0.082 7，平均值為0.020 2（圖2a）；對結(jié)實(shí)率的綜合效應(yīng)值的分布范圍為-0.069 7～0.111 2，平均值為0.019 7（圖2b）；對穗數(shù)的綜合效應(yīng)值的分布范圍為-0.066 1～0.094 4，平均值為0.028 9（圖2c）。而粒重、結(jié)實(shí)率與穗數(shù)都是反應(yīng)水稻產(chǎn)量的重要指標(biāo)，故施用鎂肥可以提高水稻的產(chǎn)量。

2.2 鎂肥施用對作物礦質(zhì)元素吸收的影響

圖2 施鎂對水稻產(chǎn)量的綜合效應(yīng)值Figure 2 The combined effect of magnesium application on rice yield

如圖3所示，整合分析結(jié)果表明施用鎂肥均能在一定程度上促進(jìn)作物對N、P、K、Mg 的吸收，但對Ca 吸收的整體影響效應(yīng)為負(fù)。在搜集的55組N 吸收數(shù)據(jù)，17 組P 吸收數(shù)據(jù)，49 組K 吸收數(shù)據(jù)，47 組Mg 吸收數(shù)據(jù)以及20 組Ca 吸收數(shù)據(jù)中，鎂肥施用對作物對N 吸收的綜合效應(yīng)值的分布范圍為-0.390 4～1.045 7，平均值為0.021 1；對P 吸收的綜合效應(yīng)值的分布范圍為-0.079 6～0.438 3，平均值為0.079 4；對K 吸收的綜合效應(yīng)值的分布范圍為-0.237 4～0.575 5，平均值為0.007 6；對Mg 吸收的綜合效應(yīng)值的分布范圍為-0.550 0～0.602 5，平均值為0.165 1；而對Ca 吸收的綜合效應(yīng)值的分布范圍為-0.405 5～0.164 3，平均值為-0.106 9。

2.3 相關(guān)分析

本研究特別分析了施鎂后作物對Mg 吸收的綜合效應(yīng)值與施鎂后作物對Ca 吸收的綜合效應(yīng)值的相關(guān)性。如圖4所示，整合分析結(jié)果表明，施鎂后作物對Mg 吸收的綜合效應(yīng)值與施鎂后作物對Ca 吸收的綜合效應(yīng)值呈現(xiàn)出顯著的負(fù)線性相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），這表明隨著作物對Mg 吸收的增加，作物對Ca 的吸收會明顯降低，說明作物對Mg 與Ca 的吸收之間存在著一定的拮抗關(guān)系，施鎂不利于作物對Ca 的吸收。

圖3 施鎂對作物礦質(zhì)元素（N、P、K、Mg、Ca）吸收的綜合效應(yīng)值Figure 3 The combined effect of magnesium application on the absorption of crop mineral elements （N,P,K,Mg,Ca)

圖4 施鎂后作物對Mg 吸收的綜合效應(yīng)值與對Ca 吸收的綜合效應(yīng)值的相關(guān)分析Figure 4 Correlation analysis of combined effect of Mg uptake and total effect on Ca uptake after application of magnesium

3 討論

本研究數(shù)據(jù)庫中收錄有水稻、烤煙、小白菜、玉米、馬鈴薯、番茄等11 種作物，其中多數(shù)作物對鎂元素的敏感性較強(qiáng)[33]。種植區(qū)土壤為酸性至微堿性，而酸性土壤中鎂元素淋失較多，有效鎂含量較低。除此以外，H+、Al3+等的拮抗作用也是造成缺鎂的原因之一[34]。試驗(yàn)中施用鎂肥類型多為硫酸鎂和氧化鎂，施用操作簡單易行。

3.1 鎂肥施用對作物產(chǎn)量的影響

高菊生等研究表明，施用鎂肥能促進(jìn)水稻分蘗，有利于水稻生長發(fā)育，提高植株抗病性，從而增加水稻的產(chǎn)量[35]。吳正舉等[36]研究發(fā)現(xiàn)施鎂能改善烤煙的生長狀況，提高煙株葉片的葉綠素含量，增強(qiáng)煙株的抗病性，提高煙葉的產(chǎn)量和產(chǎn)值，這可能與施鎂可以增強(qiáng)煙株光合作用，促進(jìn)根系發(fā)育，而發(fā)達(dá)根系又有利于煙株對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收有關(guān)。因此，在一定范圍內(nèi)施用Mg 肥可顯著促進(jìn)烤煙的生長發(fā)育和干物質(zhì)積累，從而提高烤煙的產(chǎn)量[37-41]。潘住財研究表明施鎂能夠有效地增加小白菜的生物產(chǎn)量，與常規(guī)化肥施用相比可增加小白菜產(chǎn)量20.4%～31.7%[42]。韋啟光等[43]研究發(fā)現(xiàn)施鎂能促進(jìn)番茄生長，顯著提高結(jié)果數(shù)，增加果重，緩解爛果情況，故對番茄產(chǎn)量的提高有明顯作用。本研究整合分析結(jié)果表明，施用鎂肥能夠提高水稻、烤煙、小白菜、番茄等作物的產(chǎn)量，其綜合效應(yīng)均值為0.063 4，這與當(dāng)前大多數(shù)研究結(jié)果相符。

3.2 鎂肥施用對作物礦質(zhì)元素吸收的影響

Ding Y.C.等[44]研究結(jié)果表明，馬鈴薯莖部對N、P和Mg 的吸收量隨著鎂肥施用量（0、75、300 kg/hm2）的提高而增加。黃東風(fēng)等試驗(yàn)結(jié)果顯示，施鎂能明顯提高小白菜對N、P、K、Mg 等營養(yǎng)元素的吸收量[8]。汪洪等[5]研究發(fā)現(xiàn)缺鎂會影響烤煙對P 的吸收，原因主要在于缺鎂會導(dǎo)致葉綠體中的光合磷酸化和羧化反應(yīng)受影響，蛋白質(zhì)的合成減少，從而破壞生物膜的穩(wěn)定性，致使煙草根系吸收PO43-能力下降。大量田間試驗(yàn)表明，隨著施鎂水平的增加，煙葉含Ca 量逐漸降低，說明施Mg 不利于Ca 的吸收。因此，在調(diào)整施肥措施的同時，應(yīng)考慮到Mg 與Ca 的拮抗關(guān)系，確定適宜的施鎂水平，調(diào)節(jié)Ca/Mg 以提高煙葉質(zhì)量[25]。這也與介曉磊等[45]開展的不同Ca 水平對煙葉Mg 含量研究結(jié)果一致。本研究整合分析結(jié)果顯示，施鎂對作物對N 吸收的綜合效應(yīng)均值為0.021 1，對P 吸收的綜合效應(yīng)均值為0.079 4，對K吸收的綜合效應(yīng)均值為0.007 6，對Mg 吸收的綜合效應(yīng)均值為0.165 1，而對Ca 吸收的綜合效應(yīng)均值為-0.106 9。結(jié)果說明施鎂能普遍促進(jìn)作物對N、P、K、Mg 等礦質(zhì)元素的吸收，但對Ca 吸收的整體影響效應(yīng)為負(fù)，這也與當(dāng)前大多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)果相一致。

4 結(jié)論

本研究探討鎂肥施用對作物產(chǎn)量及礦質(zhì)元素吸收的影響，整合分析結(jié)果表明：

①與不施鎂肥相比，施鎂能提高酸性至微堿性土壤上水稻、烤煙、小白菜、玉米、馬鈴薯、番茄等作物的產(chǎn)量，其綜合效應(yīng)均值為0.063 4。

②施鎂能普遍促進(jìn)作物對N、P、K、Mg 等礦質(zhì)元素的吸收，其綜合效應(yīng)均值分別為0.021 1、0.079 4、0.007 6、0.165 1；對Ca 吸收的整體影響效應(yīng)為負(fù)，綜合效應(yīng)均值為-0.106 9。

因此，酸性至微堿性土壤上鎂肥的施用對于提高作物產(chǎn)量，促進(jìn)作物對礦質(zhì)元素的吸收具有重大意義。