基于Meta分析的灌溉模式对温室番茄产量和水分生产力的影响

姜言娇，袁园园，薛 丽，武术兰，黄 峰

(1.中国农业大学土地科学与技术学院/农业部华北耕地保育重点实验室，北京 100193；2.山东省诸城市农业技术推广服务中心，山东 诸城 262200；3.山东省诸城市农村综合改革服务中心，山东 诸城 262200)

0 引 言

水是人类最宝贵的自然资源，水资源已经成为我国乃至全球关注的重点话题。我国是一个农业用水大国，农业用水量大，占全国总用水量的63.5%，其中灌溉用水高达90%[1]。蔬菜是我国除粮食作物外栽培面积最广、经济地位最重要的农作物，在农作物种植结构中的比例正逐渐增加，我国大多数地区都利用灌溉发展蔬菜种植，蔬菜灌溉用水占据了我国农业用水相当一部分的比例。目前我国蔬菜灌水中存在用水不合理的情况，这导致了严重的水资源浪费[2]，同时，蔬菜种植的合理用水缺乏有效指导。番茄作为北方地区温室栽培的主要蔬菜作物，在蔬菜种植业中占据很大比例。作为世界第一的番茄生产国，中国番茄常年产量在5 000 万t以上，占到全球约1/3的总产值[3]。在蔬菜种植用水量大、水资源损失严重的情况下，研究温室番茄的灌溉量和灌溉方式以及水分生产力对探究番茄的节水种植具有非常重要的现实意义。

孙振荣等人通过田间试验的方法研究设施番茄节水模式对产量和品质的影响，发现适宜的节水模式可以提高番茄产量和水分利用效率[4]。张芳园等人以研究区经验施肥灌水为对照，探究提高作物水肥利用效率的模式，田间试验结果证明：只要用80%的经验灌水量就可以在不降低产量的情况下提高水分利用效率[5]。研究证明合适的节水模式可以在不影响产量的情况下提高番茄的水分生产力，但是大多数研究都是基于田间试验的基础上，Meta分析方法尚未被运用到研究番茄产量和水分生产力方面。

本文运用Meta分析研究温室番茄的产量和水分生产力。Meta分析是一种对某一科学主题所发表的文献数据定量分析的统计方法，可以通过对一系列的试验数据效应值进行计算，分析不同试验研究的差异，从而归纳出更为可靠和科学的结论[6]。与普通的文献综述相比，Meta分析可以达到系统评价、定量分析、预测研究趋势和结果的目的，具有很大的优势[7]。Meta分析在诞生之初主要应用于医学领域，近年来才被广泛应用到农业、心理学研究等方面[8]，Philibert等人分析总结了2012年以前公开发表的73篇在农学研究领域中应用Meta分析的论文，提出了Meta分析在农学研究中的操作标准，此后，Meta分析在农学研究领域得到了更广泛的应用[9]。目前，Meta分析已经在农业田间尺度和田间试验的研究中取得很大进展。武亚梅等人利用Meta分析研究了灌溉对冬小麦产量和水分利用效率的影响，发现：灌溉可以提高冬小麦产量，在丰水年和枯水年适度灌溉还可以提高冬小麦水分利用效率[10]。杨丽丽等人对畦灌灌水质量的影响研究进行Meta分析，发现：畦长、畦宽和坡度都是影响灌溉效率的重要因素[11]。赵爱琴等人运用Meta分析收集马铃薯的田间研究资料，探究马铃薯的增产和减产的时空特征和影响因素，结果表明地膜覆盖可以增加马铃薯产量，但会受到气候变暖的影响[12]。郑健等人通过Meta分析发现沼液对农作物有增产作用，施用沼液可以增加番茄产量[13]。姜玲玲等人通过Meta分析研究了有机无机肥配施对番茄产量和品质的影响，发现有机无机配施可以提高番茄产量，改善番茄品质，且设施栽培效果优于露天种植[14]。

综上，尽管Meta分析在农业灌溉领域和番茄种植上有所运用，但还没有被运用到灌溉模式对温室番茄的产量和水分生产力的影响研究中。因此，本研究的目的是：第一，系统收集整理近年来我国北方温室番茄种植研究的文献，并筛选出有关温室番茄灌溉的研究。第二，利用规范的Meta分析方法研究灌溉量和灌溉方式对温室番茄产量和水分生产力的影响。第三，探讨温室番茄节水种植的方式。本研究将为我国温室番茄的高效用水种植提供科学依据和实践指导。

1 材料和方法

1.1 Meta分析的定义和步骤

Meta分析也称为元分析、荟萃分析和整合分析，Cochrane协作网评价Meta分析为采取统计方法将不同研究的数据合并，通过充分收集的信息增加统计检验的效能，在这种统计方法下合并相似研究，可以提高结果精确性[15]。当然，不同的研究领域和学者对于Meta分析也有不同的定义解释。作为一种对某一研究对象进行定量化综述性分析的统计研究方法，Meta分析依托于学者以往的大量研究数据，对数据进行收集、提取和处理后进行严密统计分析，这就要求Meta分析有合理可行的研究方案和步骤，这会关系到最终的分析结果的科学性和可靠性。Meta分析的一般步骤为：①确定研究目的，制定研究标准；②进行数据收集、提取和处理，计算数据对照组和研究组的样本数、均值、标准差等指标，得出效应值，进行同质分析；③选定合适的效应值和计算模型后选择合适软件进行分析；④整理Meta分析软件的结果，总结讨论。

1.2 Meta分析效应值和效应值计算模型

Meta分析效应值可以反映两个相关变量的紧密程度，是反映试验处理影响效应的重要参数。选择高精确度的效应值可以提高Meta分析研究的权重，所以为研究选择一个合适的效应值对分析结果有很大的意义。在农学类研究中，标准均值差(SMD)应用十分广泛，SMD可简单理解为两均数的差值再除以合并标准差的商，不仅消除了多个亚组间绝对值大小的影响，还消除了多个研究测量单位不同的影响，适用于单位不同或者均数相差较大的资料汇总分析。为更好展现试验处理对结果的影响，本文选择标准均值差(SMD)作为效应值进行Meta分析。

SMD=(Xt-Xc)/S

(1)

(2)

式中：Xc、Xt分别为对照组和实验组的平均值；Nc、Nt分别为对照组和实验组的样本数；Sc、St分别为对照组和实验组的标准差。

对同质性较好的研究宜采用固定效应模型，对存在较明显异质性的研究，应使用随机效应模型合并[16]。但事实上无论存不存在异质性，现在都趋向于采用随机效应模型，因为随机效应模型计算所得可信区间较固定模型大，结果更为严谨。本研究所用数据来自于不同的文献，研究数据均是单独的试验所得，不是同一次研究的数据，甚至不是同一个时期的，因此，应该选择更适合本次研究的随机效应模型来进行 Meta分析。

1.3 Meta分析的异质性检验

由于检索出的文献来源于不同的试验研究，在研究对象、研究设计、干预措施、测量结果等很多方面都存在差异，所以必须进行异质性检验，然后对研究结果中存在的异质性进行分析解释，并采取适当方法加以控制。Meta分析中经常采用Q、p、τ2、τ和I2几种检验异质性的统计量进行异质性检验。在制定严格、统一的原始研究排除标准后，才可以保证研究的可靠性，然后进行Meta分析。

I2可以反映真实异质性在效应值总体的变异中占的比重，多数学者认为I2统计量较为敏感，特别是样本量小的时候，所以本文选择I2进行异质性检验。当I2值超过25%、50%、75%时，分别认为研究间具有低度、中度及高度异质性。I2>75%时，认为研究存在不可忽略的异质性[17]。此时最常用的方法是进行描述性系统评价，或者使用亚组分析，或Meta回归等方法探讨异质性来源。由于使用I2进行异质性检验已经对自由度进行校正，所以I2不会受到样本数变化影响，异质性检验效果比较客观。以上指标的计算公式如式(3)所示：

Yi=μ+ζi+εi

(3)

式中：Yi是每个独立研究的效应值；μ是所有研究的效应平均值；ζi是每项独立研究的变异值；εi是每项独立研究的取样误差。

(4)

I2=[(Q-df)/Q]×100%

(5)

式中：df为自由度；k为研究个数；Wi为每项研究的权重，由每个独立研究的效应值Yi的倒数获得。

2 数据来源和处理

本文对中国知网和万方数据知识服务平台两大数据库中，研究我国温室番茄水分利用影响因素研究的相关文献进行分别检索。检索关键词为“温室番茄/西红柿”、“水分生产力/水分利用效率/水分生产率”，检索的时间范围为 2000 年 1 月 1 日到 2015 年 12 月 31 日，下载在此期间发表在两大数据库中的所有文献，在经过检索、初筛后，共获得110篇符合标准的文献，然后通过文献纳入和排除质量评估系统制定4个标准进行进一步筛选：①研究区域位于中国大陆；②试验番茄/西红柿为温室种植方式；③文献中详细记录了番茄产量和灌溉量的样本数、均值等指标，标准差可通过文献数据进行计算；④文献中试验地、试验设计和田间管理措施等基本信息明确详细。

通过文献纳入和排除的标准和质量评估系统排除了不符合要求的68篇，最终有43篇文献纳入Meta分析。43篇文献共涉及48项田间试验研究(具体数据集分类如表1所示)，研究地点主要分布在我国东北、华北和西北，其中北京市12个，陕西省10个，辽宁省7个，少数试验研究在天津市、河南省、山东省、甘肃省、宁夏自治区和山西省。通过对43篇文献中试验数据进行提取，应用Excel进行基本数据处理获得试验组、对照组的样本数、均值、标准差等信息，然后，应用R语言软件[18,19]中的meta包[20,21]进行Meta分析获得相应的森林图。很多学者进行Meta分析选用的是Meta Win、Stata和SPSS等软件，使用R语言软件的很少，但是R语言中的meta、metafor等很多程序包都可以实现Meta分析，R语言包容性强，所得森林图清晰[22]，是进行Meta分析可以放心选用的软件。

3 结果分析

3.1 灌溉量对温室番茄水分利用的影响

为探讨温室番茄水分高效利用的灌溉量水平，对文献提取数据集中关于番茄灌溉量的数据进行分组，计算在不同灌溉量水平下温室番茄的水分利用效应值，寻找温室番茄最适宜的灌溉量范围。对文献提取数据进行整理，按照频率分布直方图分成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/hm2五组，具体分组和数据集情况如表2所示。

表2 不同灌溉量水平番茄的产量和水分生产力数据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)数据组为对照，探究其余四组灌溉量水平对番茄产量和水分生产力影响，运用R语言中meta包制作森林图研究不同组灌溉水平对温室番茄生长产量和水分生产力影响的正负效应，得到最适宜温室番茄生长的灌溉量。

G1、G2、G3、G4四种灌溉水平以G5为对照得到的森林图如图1所示，整理后得到表3数据，对Meta分析的统计学意义进行描述。在灌溉量对产量的效应方面，4个灌溉量分组的合并效应值SMD=-0.63<0，效应菱形在中线左侧代表负效应，与G5(≥4 500 m3/hm2)灌溉水平相比，灌溉量在G1-G4(即1 500～4 500 m3/hm2)范围内的SMD均比较小，说明番茄产量受到灌溉量的影响。其中 G4研究项的独立效应值最大，SMD=0.11

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

图1 番茄产量(Y)和水分生产力(WP)对不同灌溉水平的响应森林图Fig. 1 Response of tomato yield (Y) and water productivity (WP) to different irrigation levels

>0，但其研究可信区间95%-CI与零线相交(研究可信区间95%-CI=[-0.30;0.53])，说明灌溉水平G4(3 500～4 500 m3/hm2)番茄产量与G5相比较高。在灌溉量对水分生产力的效应方面，G1-G4(即1 500～4 500 m3/hm2)灌溉量范围内的整体效应值SMD=1.23>0，菱形在中线右侧代表正效应，说明与G5(≥4 500 m3/hm2)相比，1 500～4 500 m3/hm2低灌溉范围的水分生产力相对较高。

由于不同灌溉水平的Meta分析异质性I2均超过75%，异质性较高，无法准确判断温室番茄种植的最佳灌溉范围，所以选择对G4进行更细致准确划分，将G4水平数据分为12个亚组，12项数据整理如表4所示。

表4 G4灌溉范围的12个亚组数据Tab.4 12 subgroup data for the G4 irrigation range

对表4数据进行更为准确具体的Meta分析，得到G4水平12个亚组不同灌水量对番茄产量和水分生产力的影响结果，如图2和表5所示，对其统计学意义和异质性检验进行讨论。

图2 番茄产量(Y)和水分生产力(WP)在G4水平12个亚组不同灌水量的响应森林图Fig.2 Tomato yield (Y) and water productivity (WP) G4 level Response to forest map of 12 subgroups with different irrigation amounts

对G4(3 500～4 500 m3/hm2)灌溉水平12个亚组不同灌水量影响番茄产量和水分生产力的Meta分析统计学意义显示，合并研究为正效应。在番茄产量方面，G4(3 500～4 500 m3/hm2)灌溉水平的总体合并效应值SMD=1.18>0，研究可信区间95%-CI为[0.48；1.89]，说明与G5(≥4 500 m3/hm2)相比，灌水量G4(3 500～4 500 m3/hm2)灌溉水平时番茄产量更高。在番茄水分生产力方面，G4(3 500～4 500 m3/hm2)灌溉水平总体合并效应值SMD=3.9>0，研究可信区间95%-CI为[2.80；5.00]，说明灌水量从G5(≥4 500 m3/hm2)降到G4(3 500～4 500 m3/hm2)范围有利于提高番茄水分生产力。在表5的异质性检验中，G4灌溉水平对番茄产量影响的Meta分析中I2=37.8%<50%，表示研究间异质性不显著；对番茄水分生产力影响的Meta分析的I2=17.3%<25%，研究异质性小，Meta分析有统计学意义。

表5 G4水平12个亚组不同灌水量相关统计值Tab.5 Statistic values of different irrigation amounts in 12 subgroups at G4 level

综上所述，当灌溉量为3 500～4 500 m3/hm2时温室番茄产量相对较高，水分生产力也相对较高。

3.2 灌溉方式对温室番茄水分利用的影响

对43篇文献中关于番茄灌溉方式的数据进行整理，统计分类后大体把温室番茄灌溉方式分为普通漫灌、沟灌、管灌、滴灌、渗灌5种，对不同灌溉方式下温室番茄产量和水分生产力数据整理计算，得出相应均值和标准差，具体整理试验数据如表6所示。

表6 不同灌溉方式下番茄产量和水分生产力数据Tab.6 Tomato yield and water productivity data under different irrigation methods

本文选择传统蔬菜种植中的普通漫灌为对照，分析其余4种灌溉方式的节水效果，以标准均值差SMD为效应值进行Meta分析，具体结果如图3所示。

图3 不同灌溉方式下对番茄产量(Y)和水分生产力(WP)影响的森林图Fig.3 Forest map on the effects of different irrigation methods on tomato yield (Y) and water productivity (WP)

Meta分析的统计结果如图3森林图和表7所示，效应菱形位于中线右侧，表示合并研究显示正效应。在番茄产量方面，不同灌溉方式的合并效应值SMD=1.13>0，研究可信区间95%-CI为[0.54；1.72]，说明采用沟灌、管灌、滴灌、渗灌四种灌溉方式与普通漫灌相比，均有利于番茄产量提高，具体表现为管灌>渗灌>滴灌>沟灌>漫灌，其中管灌灌溉方式的独立效应值(SMD=2.17)最大，说明较高番茄产量的最佳灌溉方式为管灌。在水分生产力方面，4种灌溉方式的合并效应值SMD=3.27>0，研究可信区间95%-CI为[2.15;4.39]，说明4种灌溉方式与普通漫灌相比，均可以提高温室番茄水分生产力，具体表现为渗灌>管灌>沟灌>滴灌，其中渗灌处理的独立效应值(SMD=4.86)最大，管灌的独立效应值(SMD=3.86)次之，说明提高番茄水分生产力的效果最好是渗灌，考虑到前面番茄产量方面的分析结果，渗灌处理的番茄产量较低，而管灌则可以在保持番茄高产的基础上很大程度地提高番茄的水分生产力，因此番茄高产节水的最佳灌溉方式是管灌。在表7的异质性检验中，番茄产量方面的研究中I2=52.6%<75%，水分生产力方面的研究中I2=72.3%<75%，表示研究有中度异质性，但Meta分析仍有统计学意义。

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

综上所述，沟灌、管灌、滴灌、渗灌四种灌溉方式与普通漫灌相比，均可以提高番茄产量和水分生产力，其中管灌在提高番茄产量和水分生产力的效果上表现最佳，是值得推广的温室番茄灌溉方式。

3.3 讨 论

Meta分析在农业领域运用日益广泛，方法日益成熟。郑健等人运用Meta分析研究分根交替灌溉下某些作物(小麦、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产力的灌溉方式，得出控制性分根交替灌溉技术应用到地面畦灌、 固定灌溉、沟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分析研究了有机无机肥配施对番茄产量和品质的影响，发现有机无机配施可以提高番茄产量，改善番茄品质[14]。Meta分析已经开始被运用到作物灌溉和施肥等很多方面。吴洮男等人通过田间试验的方法研究不同灌水上限和施氮量对番茄产量和品质影响，确定了最佳灌水量为3 686.691 m3/hm2，在这样的灌水条件下配合合理施肥番茄的产量和品质最好[24]；通过多元回归和空间分析方法，邢英英等人得出2 790 m3/hm2灌水量下番茄优质高产，此灌水条件下番茄的产量、品质和水分生产力均较好[25]。李振华等人在田间试验基础上通过模型精准分析预测，发现灌溉下限为田间持水量的76%时番茄产量高品质好[26]。本文得出的最佳灌水量范围在3 500～4 500 m3/hm2与上述研究接近。管灌是指管道输水灌溉，把低压管道埋设在地下或铺设在地面，将灌溉水直接输送到田间的一种灌水方式，管灌减少了水资源损失，价钱和安装方式均容易被农民接受，尤其是干旱的农田推荐使用管灌技术。李文斌等人运用层次分析法研究山区糖料蔗灌溉方式适应性评价，发现管灌无论是在桂西南、桂南，还是桂中、桂北地区管灌的推荐顺序均排在前列[27]。张会梅等人通过田间试验研究不同灌溉方式对油葵水分利用效率影响时也发现管灌可以提高油葵的产量和水分利用效率[28]。因此，本文与上述研究得出的结论相近，但本文是在总结大量文献基础上，更具有普遍意义。

4 结 语

本文通过对检索的43篇文献通过R语言软件进行Meta分析，探究温室番茄的最佳灌溉量和灌溉方式，分析发现温室番茄高产和高水分生产力的灌溉范围为3 500～4 500 m3/hm2，最佳灌溉方式为管灌。与通过其他分析方法和田间试验相比，Meta分析方法提供了一种新的研究方法，可以在今后研究中推广使用。本文得出的最佳灌溉范围和灌溉方式与以往研究比较一致，对于温室番茄的节水和高产种植可以起到一定的指导作用，也可以为研究其他蔬菜的节水和高产种植提供理论依据和实践参考价值。