基于Meta分析的灌溉模式對溫室番茄產量和水分生產力的影響

姜言嬌，袁園園，薛 麗，武術蘭，黃 峰

(1.中國農業(yè)大學土地科學與技術學院/農業(yè)部華北耕地保育重點實驗室，北京 100193；2.山東省諸城市農業(yè)技術推廣服務中心，山東 諸城 262200；3.山東省諸城市農村綜合改革服務中心，山東 諸城 262200)

0 引 言

水是人類最寶貴的自然資源，水資源已經(jīng)成為我國乃至全球關注的重點話題。我國是一個農業(yè)用水大國，農業(yè)用水量大，占全國總用水量的63.5%，其中灌溉用水高達90%[1]。蔬菜是我國除糧食作物外栽培面積最廣、經(jīng)濟地位最重要的農作物，在農作物種植結構中的比例正逐漸增加，我國大多數(shù)地區(qū)都利用灌溉發(fā)展蔬菜種植，蔬菜灌溉用水占據(jù)了我國農業(yè)用水相當一部分的比例。目前我國蔬菜灌水中存在用水不合理的情況，這導致了嚴重的水資源浪費[2]，同時，蔬菜種植的合理用水缺乏有效指導。番茄作為北方地區(qū)溫室栽培的主要蔬菜作物，在蔬菜種植業(yè)中占據(jù)很大比例。作為世界第一的番茄生產國，中國番茄常年產量在5 000 萬t以上，占到全球約1/3的總產值[3]。在蔬菜種植用水量大、水資源損失嚴重的情況下，研究溫室番茄的灌溉量和灌溉方式以及水分生產力對探究番茄的節(jié)水種植具有非常重要的現(xiàn)實意義。

孫振榮等人通過田間試驗的方法研究設施番茄節(jié)水模式對產量和品質的影響，發(fā)現(xiàn)適宜的節(jié)水模式可以提高番茄產量和水分利用效率[4]。張芳園等人以研究區(qū)經(jīng)驗施肥灌水為對照，探究提高作物水肥利用效率的模式，田間試驗結果證明：只要用80%的經(jīng)驗灌水量就可以在不降低產量的情況下提高水分利用效率[5]。研究證明合適的節(jié)水模式可以在不影響產量的情況下提高番茄的水分生產力，但是大多數(shù)研究都是基于田間試驗的基礎上，Meta分析方法尚未被運用到研究番茄產量和水分生產力方面。

本文運用Meta分析研究溫室番茄的產量和水分生產力。Meta分析是一種對某一科學主題所發(fā)表的文獻數(shù)據(jù)定量分析的統(tǒng)計方法，可以通過對一系列的試驗數(shù)據(jù)效應值進行計算，分析不同試驗研究的差異，從而歸納出更為可靠和科學的結論[6]。與普通的文獻綜述相比，Meta分析可以達到系統(tǒng)評價、定量分析、預測研究趨勢和結果的目的，具有很大的優(yōu)勢[7]。Meta分析在誕生之初主要應用于醫(yī)學領域，近年來才被廣泛應用到農業(yè)、心理學研究等方面[8]，Philibert等人分析總結了2012年以前公開發(fā)表的73篇在農學研究領域中應用Meta分析的論文，提出了Meta分析在農學研究中的操作標準，此后，Meta分析在農學研究領域得到了更廣泛的應用[9]。目前，Meta分析已經(jīng)在農業(yè)田間尺度和田間試驗的研究中取得很大進展。武亞梅等人利用Meta分析研究了灌溉對冬小麥產量和水分利用效率的影響，發(fā)現(xiàn)：灌溉可以提高冬小麥產量，在豐水年和枯水年適度灌溉還可以提高冬小麥水分利用效率[10]。楊麗麗等人對畦灌灌水質量的影響研究進行Meta分析，發(fā)現(xiàn)：畦長、畦寬和坡度都是影響灌溉效率的重要因素[11]。趙愛琴等人運用Meta分析收集馬鈴薯的田間研究資料，探究馬鈴薯的增產和減產的時空特征和影響因素，結果表明地膜覆蓋可以增加馬鈴薯產量，但會受到氣候變暖的影響[12]。鄭健等人通過Meta分析發(fā)現(xiàn)沼液對農作物有增產作用，施用沼液可以增加番茄產量[13]。姜玲玲等人通過Meta分析研究了有機無機肥配施對番茄產量和品質的影響，發(fā)現(xiàn)有機無機配施可以提高番茄產量，改善番茄品質，且設施栽培效果優(yōu)于露天種植[14]。

綜上，盡管Meta分析在農業(yè)灌溉領域和番茄種植上有所運用，但還沒有被運用到灌溉模式對溫室番茄的產量和水分生產力的影響研究中。因此，本研究的目的是：第一，系統(tǒng)收集整理近年來我國北方溫室番茄種植研究的文獻，并篩選出有關溫室番茄灌溉的研究。第二，利用規(guī)范的Meta分析方法研究灌溉量和灌溉方式對溫室番茄產量和水分生產力的影響。第三，探討溫室番茄節(jié)水種植的方式。本研究將為我國溫室番茄的高效用水種植提供科學依據(jù)和實踐指導。

1 材料和方法

1.1 Meta分析的定義和步驟

Meta分析也稱為元分析、薈萃分析和整合分析，Cochrane協(xié)作網(wǎng)評價Meta分析為采取統(tǒng)計方法將不同研究的數(shù)據(jù)合并，通過充分收集的信息增加統(tǒng)計檢驗的效能，在這種統(tǒng)計方法下合并相似研究，可以提高結果精確性[15]。當然，不同的研究領域和學者對于Meta分析也有不同的定義解釋。作為一種對某一研究對象進行定量化綜述性分析的統(tǒng)計研究方法，Meta分析依托于學者以往的大量研究數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行收集、提取和處理后進行嚴密統(tǒng)計分析，這就要求Meta分析有合理可行的研究方案和步驟，這會關系到最終的分析結果的科學性和可靠性。Meta分析的一般步驟為：①確定研究目的，制定研究標準；②進行數(shù)據(jù)收集、提取和處理，計算數(shù)據(jù)對照組和研究組的樣本數(shù)、均值、標準差等指標，得出效應值，進行同質分析；③選定合適的效應值和計算模型后選擇合適軟件進行分析；④整理Meta分析軟件的結果，總結討論。

1.2 Meta分析效應值和效應值計算模型

Meta分析效應值可以反映兩個相關變量的緊密程度，是反映試驗處理影響效應的重要參數(shù)。選擇高精確度的效應值可以提高Meta分析研究的權重，所以為研究選擇一個合適的效應值對分析結果有很大的意義。在農學類研究中，標準均值差(SMD)應用十分廣泛，SMD可簡單理解為兩均數(shù)的差值再除以合并標準差的商，不僅消除了多個亞組間絕對值大小的影響，還消除了多個研究測量單位不同的影響，適用于單位不同或者均數(shù)相差較大的資料匯總分析。為更好展現(xiàn)試驗處理對結果的影響，本文選擇標準均值差(SMD)作為效應值進行Meta分析。

SMD=(Xt-Xc)/S

(1)

(2)

式中：Xc、Xt分別為對照組和實驗組的平均值；Nc、Nt分別為對照組和實驗組的樣本數(shù)；Sc、St分別為對照組和實驗組的標準差。

對同質性較好的研究宜采用固定效應模型，對存在較明顯異質性的研究，應使用隨機效應模型合并[16]。但事實上無論存不存在異質性，現(xiàn)在都趨向于采用隨機效應模型，因為隨機效應模型計算所得可信區(qū)間較固定模型大，結果更為嚴謹。本研究所用數(shù)據(jù)來自于不同的文獻，研究數(shù)據(jù)均是單獨的試驗所得，不是同一次研究的數(shù)據(jù)，甚至不是同一個時期的，因此，應該選擇更適合本次研究的隨機效應模型來進行 Meta分析。

1.3 Meta分析的異質性檢驗

由于檢索出的文獻來源于不同的試驗研究，在研究對象、研究設計、干預措施、測量結果等很多方面都存在差異，所以必須進行異質性檢驗，然后對研究結果中存在的異質性進行分析解釋，并采取適當方法加以控制。Meta分析中經(jīng)常采用Q、p、τ2、τ和I2幾種檢驗異質性的統(tǒng)計量進行異質性檢驗。在制定嚴格、統(tǒng)一的原始研究排除標準后，才可以保證研究的可靠性，然后進行Meta分析。

I2可以反映真實異質性在效應值總體的變異中占的比重，多數(shù)學者認為I2統(tǒng)計量較為敏感，特別是樣本量小的時候，所以本文選擇I2進行異質性檢驗。當I2值超過25%、50%、75%時，分別認為研究間具有低度、中度及高度異質性。I2>75%時，認為研究存在不可忽略的異質性[17]。此時最常用的方法是進行描述性系統(tǒng)評價，或者使用亞組分析，或Meta回歸等方法探討異質性來源。由于使用I2進行異質性檢驗已經(jīng)對自由度進行校正，所以I2不會受到樣本數(shù)變化影響，異質性檢驗效果比較客觀。以上指標的計算公式如式(3)所示：

Yi=μ+ζi+εi

(3)

式中：Yi是每個獨立研究的效應值；μ是所有研究的效應平均值；ζi是每項獨立研究的變異值；εi是每項獨立研究的取樣誤差。

(4)

I2=[(Q-df)/Q]×100%

(5)

式中：df為自由度；k為研究個數(shù)；Wi為每項研究的權重，由每個獨立研究的效應值Yi的倒數(shù)獲得。

2 數(shù)據(jù)來源和處理

本文對中國知網(wǎng)和萬方數(shù)據(jù)知識服務平臺兩大數(shù)據(jù)庫中，研究我國溫室番茄水分利用影響因素研究的相關文獻進行分別檢索。檢索關鍵詞為“溫室番茄/西紅柿”、“水分生產力/水分利用效率/水分生產率”，檢索的時間范圍為 2000 年 1 月 1 日到 2015 年 12 月 31 日，下載在此期間發(fā)表在兩大數(shù)據(jù)庫中的所有文獻，在經(jīng)過檢索、初篩后，共獲得110篇符合標準的文獻，然后通過文獻納入和排除質量評估系統(tǒng)制定4個標準進行進一步篩選：①研究區(qū)域位于中國大陸；②試驗番茄/西紅柿為溫室種植方式；③文獻中詳細記錄了番茄產量和灌溉量的樣本數(shù)、均值等指標，標準差可通過文獻數(shù)據(jù)進行計算；④文獻中試驗地、試驗設計和田間管理措施等基本信息明確詳細。

通過文獻納入和排除的標準和質量評估系統(tǒng)排除了不符合要求的68篇，最終有43篇文獻納入Meta分析。43篇文獻共涉及48項田間試驗研究(具體數(shù)據(jù)集分類如表1所示)，研究地點主要分布在我國東北、華北和西北，其中北京市12個，陜西省10個，遼寧省7個，少數(shù)試驗研究在天津市、河南省、山東省、甘肅省、寧夏自治區(qū)和山西省。通過對43篇文獻中試驗數(shù)據(jù)進行提取，應用Excel進行基本數(shù)據(jù)處理獲得試驗組、對照組的樣本數(shù)、均值、標準差等信息，然后，應用R語言軟件[18,19]中的meta包[20,21]進行Meta分析獲得相應的森林圖。很多學者進行Meta分析選用的是Meta Win、Stata和SPSS等軟件，使用R語言軟件的很少，但是R語言中的meta、metafor等很多程序包都可以實現(xiàn)Meta分析，R語言包容性強，所得森林圖清晰[22]，是進行Meta分析可以放心選用的軟件。

3 結果分析

3.1 灌溉量對溫室番茄水分利用的影響

為探討溫室番茄水分高效利用的灌溉量水平，對文獻提取數(shù)據(jù)集中關于番茄灌溉量的數(shù)據(jù)進行分組，計算在不同灌溉量水平下溫室番茄的水分利用效應值，尋找溫室番茄最適宜的灌溉量范圍。對文獻提取數(shù)據(jù)進行整理，按照頻率分布直方圖分成G1：≤1 500 m3/hm2、G2：1 500～2 500 m3/hm2、G3：2 500～3 500 m3/hm2、G4：3 500～4 500 m3/hm2、G5：≥4 500 m3/hm2五組，具體分組和數(shù)據(jù)集情況如表2所示。

表2 不同灌溉量水平番茄的產量和水分生產力數(shù)據(jù)Tab.2 Data on yield and water productivity of tomato at different irrigation levels

以高灌溉量水平G5(≥4 500 m3/hm2)數(shù)據(jù)組為對照，探究其余四組灌溉量水平對番茄產量和水分生產力影響，運用R語言中meta包制作森林圖研究不同組灌溉水平對溫室番茄生長產量和水分生產力影響的正負效應，得到最適宜溫室番茄生長的灌溉量。

G1、G2、G3、G4四種灌溉水平以G5為對照得到的森林圖如圖1所示，整理后得到表3數(shù)據(jù)，對Meta分析的統(tǒng)計學意義進行描述。在灌溉量對產量的效應方面，4個灌溉量分組的合并效應值SMD=-0.63<0，效應菱形在中線左側代表負效應，與G5(≥4 500 m3/hm2)灌溉水平相比，灌溉量在G1-G4(即1 500～4 500 m3/hm2)范圍內的SMD均比較小，說明番茄產量受到灌溉量的影響。其中 G4研究項的獨立效應值最大，SMD=0.11

表3 不同灌溉量水平的Meta 分析結果Tab.3 Meta-Analysis results for different irrigation levels

圖1 番茄產量(Y)和水分生產力(WP)對不同灌溉水平的響應森林圖Fig. 1 Response of tomato yield (Y) and water productivity (WP) to different irrigation levels

>0，但其研究可信區(qū)間95%-CI與零線相交(研究可信區(qū)間95%-CI=[-0.30;0.53])，說明灌溉水平G4(3 500～4 500 m3/hm2)番茄產量與G5相比較高。在灌溉量對水分生產力的效應方面，G1-G4(即1 500～4 500 m3/hm2)灌溉量范圍內的整體效應值SMD=1.23>0，菱形在中線右側代表正效應，說明與G5(≥4 500 m3/hm2)相比，1 500～4 500 m3/hm2低灌溉范圍的水分生產力相對較高。

由于不同灌溉水平的Meta分析異質性I2均超過75%，異質性較高，無法準確判斷溫室番茄種植的最佳灌溉范圍，所以選擇對G4進行更細致準確劃分，將G4水平數(shù)據(jù)分為12個亞組，12項數(shù)據(jù)整理如表4所示。

表4 G4灌溉范圍的12個亞組數(shù)據(jù)Tab.4 12 subgroup data for the G4 irrigation range

對表4數(shù)據(jù)進行更為準確具體的Meta分析，得到G4水平12個亞組不同灌水量對番茄產量和水分生產力的影響結果，如圖2和表5所示，對其統(tǒng)計學意義和異質性檢驗進行討論。

圖2 番茄產量(Y)和水分生產力(WP)在G4水平12個亞組不同灌水量的響應森林圖Fig.2 Tomato yield (Y) and water productivity (WP) G4 level Response to forest map of 12 subgroups with different irrigation amounts

對G4(3 500～4 500 m3/hm2)灌溉水平12個亞組不同灌水量影響番茄產量和水分生產力的Meta分析統(tǒng)計學意義顯示，合并研究為正效應。在番茄產量方面，G4(3 500～4 500 m3/hm2)灌溉水平的總體合并效應值SMD=1.18>0，研究可信區(qū)間95%-CI為[0.48；1.89]，說明與G5(≥4 500 m3/hm2)相比，灌水量G4(3 500～4 500 m3/hm2)灌溉水平時番茄產量更高。在番茄水分生產力方面，G4(3 500～4 500 m3/hm2)灌溉水平總體合并效應值SMD=3.9>0，研究可信區(qū)間95%-CI為[2.80；5.00]，說明灌水量從G5(≥4 500 m3/hm2)降到G4(3 500～4 500 m3/hm2)范圍有利于提高番茄水分生產力。在表5的異質性檢驗中，G4灌溉水平對番茄產量影響的Meta分析中I2=37.8%<50%，表示研究間異質性不顯著；對番茄水分生產力影響的Meta分析的I2=17.3%<25%，研究異質性小，Meta分析有統(tǒng)計學意義。

表5 G4水平12個亞組不同灌水量相關統(tǒng)計值Tab.5 Statistic values of different irrigation amounts in 12 subgroups at G4 level

綜上所述，當灌溉量為3 500～4 500 m3/hm2時溫室番茄產量相對較高，水分生產力也相對較高。

3.2 灌溉方式對溫室番茄水分利用的影響

對43篇文獻中關于番茄灌溉方式的數(shù)據(jù)進行整理，統(tǒng)計分類后大體把溫室番茄灌溉方式分為普通漫灌、溝灌、管灌、滴灌、滲灌5種，對不同灌溉方式下溫室番茄產量和水分生產力數(shù)據(jù)整理計算，得出相應均值和標準差，具體整理試驗數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 不同灌溉方式下番茄產量和水分生產力數(shù)據(jù)Tab.6 Tomato yield and water productivity data under different irrigation methods

本文選擇傳統(tǒng)蔬菜種植中的普通漫灌為對照，分析其余4種灌溉方式的節(jié)水效果，以標準均值差SMD為效應值進行Meta分析，具體結果如圖3所示。

圖3 不同灌溉方式下對番茄產量(Y)和水分生產力(WP)影響的森林圖Fig.3 Forest map on the effects of different irrigation methods on tomato yield (Y) and water productivity (WP)

Meta分析的統(tǒng)計結果如圖3森林圖和表7所示，效應菱形位于中線右側，表示合并研究顯示正效應。在番茄產量方面，不同灌溉方式的合并效應值SMD=1.13>0，研究可信區(qū)間95%-CI為[0.54；1.72]，說明采用溝灌、管灌、滴灌、滲灌四種灌溉方式與普通漫灌相比，均有利于番茄產量提高，具體表現(xiàn)為管灌>滲灌>滴灌>溝灌>漫灌，其中管灌灌溉方式的獨立效應值(SMD=2.17)最大，說明較高番茄產量的最佳灌溉方式為管灌。在水分生產力方面，4種灌溉方式的合并效應值SMD=3.27>0，研究可信區(qū)間95%-CI為[2.15;4.39]，說明4種灌溉方式與普通漫灌相比，均可以提高溫室番茄水分生產力，具體表現(xiàn)為滲灌>管灌>溝灌>滴灌，其中滲灌處理的獨立效應值(SMD=4.86)最大，管灌的獨立效應值(SMD=3.86)次之，說明提高番茄水分生產力的效果最好是滲灌，考慮到前面番茄產量方面的分析結果，滲灌處理的番茄產量較低，而管灌則可以在保持番茄高產的基礎上很大程度地提高番茄的水分生產力，因此番茄高產節(jié)水的最佳灌溉方式是管灌。在表7的異質性檢驗中，番茄產量方面的研究中I2=52.6%<75%，水分生產力方面的研究中I2=72.3%<75%，表示研究有中度異質性，但Meta分析仍有統(tǒng)計學意義。

表7 不同灌溉方式的Meta分析結果Tab.7 Meta-analysis results of different irrigation methods

綜上所述，溝灌、管灌、滴灌、滲灌四種灌溉方式與普通漫灌相比，均可以提高番茄產量和水分生產力，其中管灌在提高番茄產量和水分生產力的效果上表現(xiàn)最佳，是值得推廣的溫室番茄灌溉方式。

3.3 討 論

Meta分析在農業(yè)領域運用日益廣泛，方法日益成熟。鄭健等人運用Meta分析研究分根交替灌溉下某些作物(小麥、玉米、番茄和棉花)的水分利用效率，研究不同灌溉方式下提高作物水分生產力的灌溉方式，得出控制性分根交替灌溉技術應用到地面畦灌、 固定灌溉、溝灌和滴灌后可以大大提高水分利用效率[23]。姜玲玲等人用Meta分析研究了有機無機肥配施對番茄產量和品質的影響，發(fā)現(xiàn)有機無機配施可以提高番茄產量，改善番茄品質[14]。Meta分析已經(jīng)開始被運用到作物灌溉和施肥等很多方面。吳洮男等人通過田間試驗的方法研究不同灌水上限和施氮量對番茄產量和品質影響，確定了最佳灌水量為3 686.691 m3/hm2，在這樣的灌水條件下配合合理施肥番茄的產量和品質最好[24]；通過多元回歸和空間分析方法，邢英英等人得出2 790 m3/hm2灌水量下番茄優(yōu)質高產，此灌水條件下番茄的產量、品質和水分生產力均較好[25]。李振華等人在田間試驗基礎上通過模型精準分析預測，發(fā)現(xiàn)灌溉下限為田間持水量的76%時番茄產量高品質好[26]。本文得出的最佳灌水量范圍在3 500～4 500 m3/hm2與上述研究接近。管灌是指管道輸水灌溉，把低壓管道埋設在地下或鋪設在地面，將灌溉水直接輸送到田間的一種灌水方式，管灌減少了水資源損失，價錢和安裝方式均容易被農民接受，尤其是干旱的農田推薦使用管灌技術。李文斌等人運用層次分析法研究山區(qū)糖料蔗灌溉方式適應性評價，發(fā)現(xiàn)管灌無論是在桂西南、桂南，還是桂中、桂北地區(qū)管灌的推薦順序均排在前列[27]。張會梅等人通過田間試驗研究不同灌溉方式對油葵水分利用效率影響時也發(fā)現(xiàn)管灌可以提高油葵的產量和水分利用效率[28]。因此，本文與上述研究得出的結論相近，但本文是在總結大量文獻基礎上，更具有普遍意義。

4 結 語

本文通過對檢索的43篇文獻通過R語言軟件進行Meta分析，探究溫室番茄的最佳灌溉量和灌溉方式，分析發(fā)現(xiàn)溫室番茄高產和高水分生產力的灌溉范圍為3 500～4 500 m3/hm2，最佳灌溉方式為管灌。與通過其他分析方法和田間試驗相比，Meta分析方法提供了一種新的研究方法，可以在今后研究中推廣使用。本文得出的最佳灌溉范圍和灌溉方式與以往研究比較一致，對于溫室番茄的節(jié)水和高產種植可以起到一定的指導作用，也可以為研究其他蔬菜的節(jié)水和高產種植提供理論依據(jù)和實踐參考價值。