我國沼肥施用對作物產(chǎn)量效應(yīng)的Meta分析

陳 理， 趙 凱， 周宇光， 柳 珊,2

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院生物能源環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究室， 北京 100083； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙臺研究院， 山東 煙臺 264670)

沼氣發(fā)酵是厭氧微生物在厭氧條件下將發(fā)酵底物中的有機物轉(zhuǎn)化為以甲烷和二氧化碳為主要成分的沼氣產(chǎn)品，同時生成沼液和沼渣的生物化學(xué)過程[1]。研究表明，長期施用無機化肥會影響土壤的理化性質(zhì)，破壞土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，造成土壤板結(jié)、土壤酸化、降低土壤肥力，影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[2-3]。沼肥除含有氮、磷、鉀等植物生長所必需的營養(yǎng)元素外，還含有鐵、錳、鋅等礦物質(zhì)元素以及各類氨基酸，B族維生素，腐殖酸，植物生長激素等活性物質(zhì)[4]?？茖W(xué)的施用沼肥能夠提高作物產(chǎn)量和抗逆能力[5]，沼肥能夠促進土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成，改善土壤的孔隙度，提高土壤的透氣性和透水性，增強土壤的供肥保肥能力[6-7]。2018年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部推廣的十大生態(tài)農(nóng)業(yè)模式中，有四種模式與“三沼”的綜合利用有關(guān)[8]，可見沼肥的應(yīng)用前景十分光明。

二十世紀七十年代，我國開始推廣沼氣技術(shù)[9]。研究表明，沼肥具有顯著的增產(chǎn)效果，祁連弟[10]發(fā)現(xiàn)沼液浸種能明顯提高種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率，促進玉米經(jīng)濟性狀，提高產(chǎn)量；郭四拜[11]認為沼肥的肥效全面，能促進小麥養(yǎng)分的積累和產(chǎn)量的形成，增產(chǎn)顯著。

Meta分析是一種對同類研究結(jié)果進行統(tǒng)計分析的方法，彌補了傳統(tǒng)文獻綜述的不足[12-13]，起初廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。1998年彭少麟等首次將Meta分析應(yīng)用于國內(nèi)生態(tài)領(lǐng)域[14]。該方法可以定量化綜合現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析某種措施的綜合效應(yīng)及其影響因素[15]，曾被應(yīng)用于分析湖南省雙季稻田甲烷排放影響因素[16]以及有機肥施用對中國北方農(nóng)田土壤二氧化碳排放的影響[17]等。本研究收集了中國大陸沼肥施用的相關(guān)文獻，從中提取所需要的試驗數(shù)據(jù)，利用Meta分析法，探究施用沼肥對作物產(chǎn)量效應(yīng)的影響，為沼肥在國內(nèi)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與分類

通過對中國知網(wǎng)、萬方、維普、Web of Science等中英文數(shù)據(jù)庫進行檢索，收集了2000年～2020年間國內(nèi)外公開發(fā)表的的有關(guān)中國沼肥對玉米、小麥、水稻、番茄及黃瓜產(chǎn)量影響的文獻，對收集到的文獻按照以下標(biāo)準進行篩選。

(1)試驗區(qū)域位于中國大陸農(nóng)田(不包括盆栽和室內(nèi)試驗)，試驗地點與重復(fù)次數(shù)明確；

(2)施用化肥為對照組，單施沼肥或沼肥配施化肥為試驗組；

(3)文中列有相關(guān)處理產(chǎn)量的均值及標(biāo)準差，或提供了相關(guān)處理各重復(fù)的產(chǎn)量；

(4)對于不同文獻中出現(xiàn)的同一試驗數(shù)據(jù)只納入一次。

基于以上標(biāo)準篩選，獲得論文129篇，提取到431組關(guān)于作物產(chǎn)量的數(shù)據(jù)，同時提取了土壤理化性質(zhì)(有機質(zhì)含量、pH值、全氮含量、速效磷含量和速效鉀含量)、試驗地點、氣候條件等試驗背景參數(shù)，數(shù)據(jù)基本信息如表1所示。結(jié)合本文的研究內(nèi)容和收集的數(shù)據(jù)情況進行分組，研究涉及玉米、小麥、水稻、番茄、黃瓜五類作物；根據(jù)種植制度將區(qū)域劃分為東北、華北、西北以及南方地區(qū)；參考干旱、半干旱地區(qū)以及半濕潤、濕潤地區(qū)的劃分，將年降水量分為：≤800 mm，800～1200 mm,≥1200 mm；年均氣溫分為：≤15℃,>15℃；土壤養(yǎng)分指標(biāo)的分組主要是依據(jù)我國第二次土壤普查時土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準[18]并結(jié)合收集到的數(shù)據(jù)分布范圍進行劃分。

1.2 數(shù)據(jù)分析

Meta分析時，標(biāo)準差是十分重要的參數(shù)，用來反映各研究結(jié)果的重要程度[9]。當(dāng)原文中提供了產(chǎn)量標(biāo)準差時，可以直接使用；當(dāng)原文中只提供各試驗小區(qū)產(chǎn)量時，可利用常規(guī)方法計算產(chǎn)量標(biāo)準差；當(dāng)原文中既沒有提供產(chǎn)量標(biāo)準差也沒有提供各試驗小區(qū)產(chǎn)量，但有多年試驗數(shù)據(jù)時，可將多年試驗看做重復(fù)，進而計算標(biāo)準差；當(dāng)原文只提供了產(chǎn)量的平均值，標(biāo)準差的計算方法為平均值乘以0.1[19]。

SD=AVG×0.1

(1)

數(shù)據(jù)處理與分析使用Metawin2.0和Excel 2019，森林圖的繪制采用Origin 2018。

將對照組與試驗組作物產(chǎn)量的平均值、標(biāo)準差以及樣本數(shù)輸入到Metawin2.0中，計算效應(yīng)量lnR[20]，應(yīng)用Bootstrapping方法進行4999次迭代計算得到95%的置信區(qū)間[21]。

lnR=lnYe-lnYc

(2)

式中：R為響應(yīng)比；為效應(yīng)值；和分別為試驗組作物產(chǎn)量的平均值和對照組作物產(chǎn)量的平均值， kg·667m-2。

為了便于解釋施用沼液對作物產(chǎn)量的影響，將效應(yīng)量轉(zhuǎn)化為增產(chǎn)Z[22]。

Z=(R-1)×100%

(3)

增產(chǎn)率Z的95%置信區(qū)間若全部大于0，說明施用沼肥對作物產(chǎn)量具有顯著正效應(yīng)；若全部小于0，說明施用沼肥對作物產(chǎn)量具有負效應(yīng)；若包含0，則施用沼肥對作物產(chǎn)量無顯著影響。

表1 數(shù)據(jù)基本信息描述

1.3 異質(zhì)性檢驗

根據(jù)異質(zhì)性檢驗結(jié)果選擇固定效應(yīng)模型或隨機效應(yīng)模型。如果異質(zhì)性顯著(p<0.05)，則應(yīng)該對數(shù)據(jù)進行分組，若分組后，組間異質(zhì)性顯著(pm<0.05)，說明分組具有意義，組內(nèi)異質(zhì)性顯著(pe<0.05)，說明分組不徹底[22]。因此，為避免組內(nèi)異質(zhì)性的存在，本研究選擇隨機效應(yīng)模型進行數(shù)據(jù)的計算。組間異質(zhì)性的檢驗結(jié)果如表2所示。由表2數(shù)據(jù)可以看出，根據(jù)作物類型、區(qū)域、年降水量、年均氣溫和土壤速效鉀進行分組時，pm<0.05，說明分組具有意義。根據(jù)土壤pH值、土壤有機質(zhì)、土壤全氮和土壤速效磷進行分組時，pm>0.05，說明組間異質(zhì)性并不顯著，但是為了全面比較沼肥對作物的產(chǎn)量效應(yīng)，故保留組別。

表2 隨機效應(yīng)模型組間異質(zhì)性檢驗結(jié)果

2 結(jié)果與分析

2.1 沼肥對不同作物產(chǎn)量影響

如圖1所示，與施用化肥相比，施用沼肥對玉米、小麥、水稻、番茄和黃瓜的產(chǎn)量均有顯著影響。產(chǎn)量分別增加9.87%，11.48%，3.84%，13.81%，12.72%，置信區(qū)間分別為7.92%～11.85%，8.95%～14.31%，2.14%～5.41%，9.3%～19.14%，7.549%～18.29%。其中番茄增產(chǎn)率最高，水稻增產(chǎn)率最低。

注：玉米、小麥、水稻、番茄、黃瓜分別采用183組，100組，108組，31組，9組數(shù)據(jù)進行分析。圖1 沼肥對不同作物產(chǎn)量影響

2.2 不同種植區(qū)域沼肥對作物產(chǎn)量的影響

不同區(qū)域施用沼肥對作物產(chǎn)量的影響如圖2所示。在中國東北地區(qū)、華北地區(qū)、西北地區(qū)以及南方地區(qū)，作物增產(chǎn)率的95%置信區(qū)間均大于0。由此可見，沼肥對4個區(qū)域的作物具有顯著的增產(chǎn)效應(yīng)。在4個地區(qū)沼肥對作物的增產(chǎn)效應(yīng)是不同的，其中西北地區(qū)的作物增產(chǎn)效果最優(yōu)，施用沼肥后作物產(chǎn)量可提高19.71%；南方地區(qū)的作物增產(chǎn)率最低，為5.62%；東北地區(qū)和華北地區(qū)的作物增產(chǎn)率差別大，分別為10.98%與10.87%。

注：東北地區(qū)、華北地區(qū)、西北地區(qū)、南方地區(qū)分別采用25組，57組，74組，275組數(shù)據(jù)進行分析。圖2 沼肥對不同區(qū)域作物產(chǎn)量影響

2.3 不同氣候條件下沼肥對作物產(chǎn)量的影響

沼肥對作物的增產(chǎn)效果受到降水量和溫度的影響，如圖3、圖4所示。沼肥對作物的增產(chǎn)效果在年降水量≤800 mm的地區(qū)最顯著，作物產(chǎn)量可提高15.34%；在年降水量≥1200 mm的地區(qū)的增產(chǎn)效果較差，但也可提高4.54%；在年降水量800～1200 mm的地區(qū)，作物增產(chǎn)率為7.09%。

注：≤800 mm，800～1200 mm，≥1200 mm降水量分別采用159組，138組，134組數(shù)據(jù)進行分析。圖3 不同年降水量條件下沼肥對作物產(chǎn)量的影響

注：≤15℃，>15 ℃年均氣溫分別采用215組，216組數(shù)據(jù)進行分析。圖4 不同溫度下沼肥對作物產(chǎn)量的影響

沼肥在年平均氣溫≤15℃時對作物產(chǎn)量的影響較大，可使作物產(chǎn)量增加12.39%，而在年平均氣溫>15℃時影響較小，可使作物產(chǎn)量增加7.09%。

2.4 土壤理化性質(zhì)對沼肥效用的影響

土壤理化性質(zhì)與沼肥的增產(chǎn)效應(yīng)密切相關(guān)。在pH值≥7.5和pH值≤6.5的土壤上，沼肥的增產(chǎn)效應(yīng)較好，作物增產(chǎn)率分別為7.31%和6.33%，在偏中性(6.5～7.5)的土壤上提高幅度為5.68%(見圖5)。隨著土壤有機質(zhì)(SOM)含量的增加，作物增產(chǎn)率呈現(xiàn)降低趨勢，當(dāng)SOM≤30 g·kg-1時作物增產(chǎn)率為6.87%，當(dāng)SOM>30 g·kg-1時作物增產(chǎn)率為6.54%(見圖6)。隨著土壤全氮(TN)含量的增加，作物增產(chǎn)率有降低的趨勢，當(dāng)TN≤1 g·kg-1時作物增產(chǎn)率為4.73%，當(dāng)TN>1 g·kg-1時作物增產(chǎn)率為3.83%(見圖7)。就土壤速效磷(AP)和速效鉀(AK)而言，在含量較低的土壤上作物增產(chǎn)效果較好，增產(chǎn)率分別為8.82%和8.92%(見圖8和圖9)。

注：土壤pH值≤6.5，6.5～7.5，≥7.5分別采用65，35，62組數(shù)據(jù)進行分析。圖5 不同土壤pH值下沼肥對作物產(chǎn)量的影響

注：土壤有機質(zhì)≤30 g·kg-1，>30 g·kg-1分別采用67，92組數(shù)據(jù)進行分析。圖6 不同土壤有機質(zhì)含量對作物產(chǎn)量的影響

注：土壤全氮≤1 g·kg-1，>1 g·kg-1分別采用37，61組數(shù)據(jù)進行分析。圖7 不同土壤全氮含量對作物產(chǎn)量的影響

注：土壤速效磷≤20 mg·kg-1，>20 mg·kg-1分別采用72，98組數(shù)據(jù)進行分析。圖8 不同土壤速效磷含量對作物產(chǎn)量的影響

注：土壤速效鉀≤100 mg·kg-1，>100 mg·kg-1分別采用82，90組數(shù)據(jù)進行分析。圖9 不同土壤速效鉀含量對作物產(chǎn)量的影響

3 討論

本文選擇玉米、小麥、水稻、番茄和黃瓜這五類作物，僅因為這五類作物的研究較多且有足夠的數(shù)據(jù)基數(shù)用于分析，并不是因為沼肥無法施用于其他作物，如張國聽[23]的試驗發(fā)現(xiàn)，沼液作為葉面肥可以顯著地提高葡萄的甜度、產(chǎn)量和植株的抗病能力，沼渣作為基肥施用也可提高葡萄的品質(zhì)；安金燕[24]認為，與施用化肥相比，施用沼肥有益于提高臍橙的產(chǎn)量和品質(zhì)，施用沼肥后，臍橙的果皮厚度減小，糖度增高；楊再培[25]發(fā)現(xiàn)施用沼肥后，辣椒抗病能力增強，品質(zhì)和產(chǎn)量明顯提高。

本研究表明，沼肥可顯著提高我國作物產(chǎn)量，在全國尺度上的增幅為8.88%(見圖2)。這表明施用沼肥可以大大提高作物產(chǎn)量，重要的是，它可以替代無機化肥。

沼肥對玉米、小麥、水稻、番茄和黃瓜的增產(chǎn)程度不同(見圖1)，但均呈現(xiàn)出顯著的正效應(yīng)。首先，施用沼肥可以改善土壤條件，這有利于作物的生長發(fā)育。其次，沼肥可以提高農(nóng)作物中的維生素、糖分、蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)[26]，降低硝酸鹽的含量。魏章煥[27]等的研究發(fā)現(xiàn)，合理的施用沼肥能夠不同程度的提高水稻、小麥、草莓、西瓜和柑橘的產(chǎn)量，且能降低西瓜和柑橘的皮厚，增加含糖量。旱地作物的產(chǎn)量增幅程度高于水稻，究其原因可能是旱地土壤較好的有氧環(huán)境加速了沼肥中氮的礦化。

因試驗條件和試驗方法的限制，前人的研究大多采用田間小區(qū)試驗，因而很難從大區(qū)域尺度出發(fā)揭示施用沼肥對作物產(chǎn)量的影響。本文應(yīng)用Meta分析，發(fā)現(xiàn)沼肥在東北地區(qū)、華北地區(qū)、西北地區(qū)和南方地區(qū)均能提高作物產(chǎn)量，在西北地區(qū)的作物增產(chǎn)率最為顯著，為19.71%。西北地區(qū)多高原山地，土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力差，施用沼肥可以快速補充土壤養(yǎng)分，沼肥的增產(chǎn)效果更加顯著。東北地區(qū)與華北地區(qū)作物施用沼肥的增產(chǎn)效果差異不大，作物增產(chǎn)效果僅次于西北地區(qū)，南方地區(qū)的作物增產(chǎn)率最低，僅為5.56%。我國東北地區(qū)、華北地區(qū)和西北地區(qū)水資源短缺且季節(jié)性差異明顯[28]，年均降水量集中在150～900 mm(見表1)，農(nóng)業(yè)區(qū)大多分布在干旱、半干旱和半濕潤地區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到水資源的剛性約束。沼液的含水量高達90%以上[29]，施用后可在一定程度上緩解干旱對作物生產(chǎn)造成的不良影響。沼渣中尚未發(fā)酵完全的原料，施入農(nóng)田后可繼續(xù)發(fā)酵[30]，養(yǎng)分供應(yīng)持久。施用沼肥不僅能提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，而且能改善土壤理化性質(zhì)，從根本上提高了土壤供肥保肥能力，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。南方地區(qū)的水熱條件優(yōu)越，高溫期與多雨期一致，因此相較于東北地區(qū)、華北地區(qū)和西北地區(qū)，南方地區(qū)更適宜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，因而沼肥在南方地區(qū)的增產(chǎn)效果低于東北地區(qū)、華北地區(qū)和西北地區(qū)。

沼肥的增產(chǎn)效應(yīng)隨著降水量和溫度的增加而降低，沼肥在年降水量≤800 mm的地區(qū)增產(chǎn)效應(yīng)顯著，分別是800～1200 mm地區(qū)和≥1200 mm地區(qū)的2.05倍和3.2倍。沼液是一種優(yōu)質(zhì)的液態(tài)有機肥，施用后能在一定程度上緩解降水量不足帶來的負面影響，研究結(jié)果表明，在降水量不足的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)能充分發(fā)揮沼肥的增產(chǎn)效果。在降水量較多的地區(qū)容易發(fā)生土壤水蝕，土壤養(yǎng)分流失較快，保肥能力差，因此沼肥的“增效”幅度低。沼肥在年平均氣溫≤15℃時作物增產(chǎn)12.39%，比在年平均氣溫>15℃時提高5.3%。吳華山[31]等的試驗表明，沼液中的營養(yǎng)元素含量受到溫度變化的影響，在沼液貯存前期TN，TP下降幅度高于冬春季；丁京濤[32]等的研究發(fā)現(xiàn)，溫度越高，沼液營養(yǎng)成分損失率越大，夏季貯存時，TN含量損失50%，TP含量損失70%以上，TK含量損失超過33%；郭德杰[33]等也證明了，沼液的氨揮發(fā)量與氣溫密切相關(guān)，夏季沼液氨揮發(fā)量大于春季?；谝陨戏治?，沼肥的增產(chǎn)效果受到氣溫的影響，在年平均氣溫較低的地區(qū)能更好發(fā)揮沼肥的肥效。

除此之外，土壤理化性質(zhì)直接影響肥料增產(chǎn)效應(yīng)。本研究表明，在偏堿性和偏酸性的土壤上，沼肥對作物的增產(chǎn)效果較為顯著。這可能是由于在堿性土壤上會導(dǎo)致氨大量揮發(fā)，施用化肥會導(dǎo)致氮素損失嚴重，而沼肥是一種速緩兼?zhèn)涞挠袡C肥，可以提高氮的轉(zhuǎn)化率[34]，減少氮的損失。在酸性土壤上，作物對土壤養(yǎng)分利用率降低，施用沼肥可以有效地改善土壤理化性質(zhì)，提高養(yǎng)分的有效性。因此，在堿性和酸性土壤上，與施用化肥相比，沼肥對作物的增產(chǎn)作用更明顯。土壤有機質(zhì)和礦質(zhì)元素含量是表征土壤肥力的重要標(biāo)準[35]。土壤基礎(chǔ)肥力越低，施肥的增產(chǎn)效果越好。本研究表明，沼肥的增產(chǎn)效應(yīng)隨著土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀含量的升高而降低，這與前人[36]的研究基本一致。

沼肥對作物的產(chǎn)量效應(yīng)受到多因素的影響，由于缺少相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，最終只對數(shù)據(jù)較多的因素進行分析，如作物品種、施肥制度與灌溉方式等影響因素本研究并未涉及。雖然有一定局限，但是考慮到田間小區(qū)試驗難以體現(xiàn)沼肥對作物增產(chǎn)效果的時間和空間效應(yīng)，因此本研究對了解大區(qū)域尺度下沼肥的增產(chǎn)效果有一定的參考價值。當(dāng)針對某一特定的區(qū)域時，施用沼肥應(yīng)該綜合考慮當(dāng)?shù)氐臍夂?、土壤和灌溉條件等，根據(jù)不同的作物選擇恰當(dāng)?shù)氖┓史绞健⑹┓蕰r期和施肥量，充分發(fā)揮出沼肥的增產(chǎn)效果。

4 結(jié)論

(1)沼肥在西北地區(qū)的增產(chǎn)效果最顯著，在東北和華北地區(qū)差異不明顯，而在南方地區(qū)增產(chǎn)效果顯著低于上述3個地區(qū)；

(2)施用沼肥后，玉米、小麥、番茄和黃瓜等旱地作物的產(chǎn)量增幅顯著高于水稻；

(3)在年降水量≤800 mm,年平均氣溫≤15℃時施用沼肥比年降水量≥800 mm,年平均氣溫>15℃時更有利于作物增產(chǎn)；

(4)土壤基礎(chǔ)肥力影響沼肥的增產(chǎn)效果，作物增產(chǎn)幅度隨土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀含量的升高而降低。