我国沼肥施用对作物产量效应的Meta分析

陈 理， 赵 凯， 周宇光， 柳 珊,2

(1.中国农业大学 工学院生物能源环境科学与技术研究室， 北京 100083； 2.中国农业大学 烟台研究院， 山东 烟台 264670)

沼气发酵是厌氧微生物在厌氧条件下将发酵底物中的有机物转化为以甲烷和二氧化碳为主要成分的沼气产品，同时生成沼液和沼渣的生物化学过程[1]。研究表明，长期施用无机化肥会影响土壤的理化性质，破坏土壤结构的稳定性，造成土壤板结、土壤酸化、降低土壤肥力，影响作物的产量和品质[2-3]。沼肥除含有氮、磷、钾等植物生长所必需的营养元素外，还含有铁、锰、锌等矿物质元素以及各类氨基酸，B族维生素，腐殖酸，植物生长激素等活性物质[4]。科学的施用沼肥能够提高作物产量和抗逆能力[5]，沼肥能够促进土壤团粒结构的形成，改善土壤的孔隙度，提高土壤的透气性和透水性，增强土壤的供肥保肥能力[6-7]。2018年农业农村部推广的十大生态农业模式中，有四种模式与“三沼”的综合利用有关[8]，可见沼肥的应用前景十分光明。

二十世纪七十年代，我国开始推广沼气技术[9]。研究表明，沼肥具有显著的增产效果，祁连弟[10]发现沼液浸种能明显提高种子发芽势和发芽率，促进玉米经济性状，提高产量；郭四拜[11]认为沼肥的肥效全面，能促进小麦养分的积累和产量的形成，增产显著。

Meta分析是一种对同类研究结果进行统计分析的方法，弥补了传统文献综述的不足[12-13]，起初广泛应用于医学领域。1998年彭少麟等首次将Meta分析应用于国内生态领域[14]。该方法可以定量化综合现有试验数据，系统分析某种措施的综合效应及其影响因素[15]，曾被应用于分析湖南省双季稻田甲烷排放影响因素[16]以及有机肥施用对中国北方农田土壤二氧化碳排放的影响[17]等。本研究收集了中国大陆沼肥施用的相关文献，从中提取所需要的试验数据，利用Meta分析法，探究施用沼肥对作物产量效应的影响，为沼肥在国内农业领域的推广应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源与分类

通过对中国知网、万方、维普、Web of Science等中英文数据库进行检索，收集了2000年～2020年间国内外公开发表的的有关中国沼肥对玉米、小麦、水稻、番茄及黄瓜产量影响的文献，对收集到的文献按照以下标准进行筛选。

(1)试验区域位于中国大陆农田(不包括盆栽和室内试验)，试验地点与重复次数明确；

(2)施用化肥为对照组，单施沼肥或沼肥配施化肥为试验组；

(3)文中列有相关处理产量的均值及标准差，或提供了相关处理各重复的产量；

(4)对于不同文献中出现的同一试验数据只纳入一次。

基于以上标准筛选，获得论文129篇，提取到431组关于作物产量的数据，同时提取了土壤理化性质(有机质含量、pH值、全氮含量、速效磷含量和速效钾含量)、试验地点、气候条件等试验背景参数，数据基本信息如表1所示。结合本文的研究内容和收集的数据情况进行分组，研究涉及玉米、小麦、水稻、番茄、黄瓜五类作物；根据种植制度将区域划分为东北、华北、西北以及南方地区；参考干旱、半干旱地区以及半湿润、湿润地区的划分，将年降水量分为：≤800 mm，800～1200 mm,≥1200 mm；年均气温分为：≤15℃,>15℃；土壤养分指标的分组主要是依据我国第二次土壤普查时土壤养分分级标准[18]并结合收集到的数据分布范围进行划分。

1.2 数据分析

Meta分析时，标准差是十分重要的参数，用来反映各研究结果的重要程度[9]。当原文中提供了产量标准差时，可以直接使用；当原文中只提供各试验小区产量时，可利用常规方法计算产量标准差；当原文中既没有提供产量标准差也没有提供各试验小区产量，但有多年试验数据时，可将多年试验看做重复，进而计算标准差；当原文只提供了产量的平均值，标准差的计算方法为平均值乘以0.1[19]。

SD=AVG×0.1

(1)

数据处理与分析使用Metawin2.0和Excel 2019，森林图的绘制采用Origin 2018。

将对照组与试验组作物产量的平均值、标准差以及样本数输入到Metawin2.0中，计算效应量lnR[20]，应用Bootstrapping方法进行4999次迭代计算得到95%的置信区间[21]。

lnR=lnYe-lnYc

(2)

式中：R为响应比；为效应值；和分别为试验组作物产量的平均值和对照组作物产量的平均值， kg·667m-2。

为了便于解释施用沼液对作物产量的影响，将效应量转化为增产Z[22]。

Z=(R-1)×100%

(3)

增产率Z的95%置信区间若全部大于0，说明施用沼肥对作物产量具有显著正效应；若全部小于0，说明施用沼肥对作物产量具有负效应；若包含0，则施用沼肥对作物产量无显著影响。

表1 数据基本信息描述

1.3 异质性检验

根据异质性检验结果选择固定效应模型或随机效应模型。如果异质性显著(p<0.05)，则应该对数据进行分组，若分组后，组间异质性显著(pm<0.05)，说明分组具有意义，组内异质性显著(pe<0.05)，说明分组不彻底[22]。因此，为避免组内异质性的存在，本研究选择随机效应模型进行数据的计算。组间异质性的检验结果如表2所示。由表2数据可以看出，根据作物类型、区域、年降水量、年均气温和土壤速效钾进行分组时，pm<0.05，说明分组具有意义。根据土壤pH值、土壤有机质、土壤全氮和土壤速效磷进行分组时，pm>0.05，说明组间异质性并不显著，但是为了全面比较沼肥对作物的产量效应，故保留组别。

表2 随机效应模型组间异质性检验结果

2 结果与分析

2.1 沼肥对不同作物产量影响

如图1所示，与施用化肥相比，施用沼肥对玉米、小麦、水稻、番茄和黄瓜的产量均有显著影响。产量分别增加9.87%，11.48%，3.84%，13.81%，12.72%，置信区间分别为7.92%～11.85%，8.95%～14.31%，2.14%～5.41%，9.3%～19.14%，7.549%～18.29%。其中番茄增产率最高，水稻增产率最低。

注：玉米、小麦、水稻、番茄、黄瓜分别采用183组，100组，108组，31组，9组数据进行分析。图1 沼肥对不同作物产量影响

2.2 不同种植区域沼肥对作物产量的影响

不同区域施用沼肥对作物产量的影响如图2所示。在中国东北地区、华北地区、西北地区以及南方地区，作物增产率的95%置信区间均大于0。由此可见，沼肥对4个区域的作物具有显著的增产效应。在4个地区沼肥对作物的增产效应是不同的，其中西北地区的作物增产效果最优，施用沼肥后作物产量可提高19.71%；南方地区的作物增产率最低，为5.62%；东北地区和华北地区的作物增产率差别大，分别为10.98%与10.87%。

注：东北地区、华北地区、西北地区、南方地区分别采用25组，57组，74组，275组数据进行分析。图2 沼肥对不同区域作物产量影响

2.3 不同气候条件下沼肥对作物产量的影响

沼肥对作物的增产效果受到降水量和温度的影响，如图3、图4所示。沼肥对作物的增产效果在年降水量≤800 mm的地区最显著，作物产量可提高15.34%；在年降水量≥1200 mm的地区的增产效果较差，但也可提高4.54%；在年降水量800～1200 mm的地区，作物增产率为7.09%。

注：≤800 mm，800～1200 mm，≥1200 mm降水量分别采用159组，138组，134组数据进行分析。图3 不同年降水量条件下沼肥对作物产量的影响

注：≤15℃，>15 ℃年均气温分别采用215组，216组数据进行分析。图4 不同温度下沼肥对作物产量的影响

沼肥在年平均气温≤15℃时对作物产量的影响较大，可使作物产量增加12.39%，而在年平均气温>15℃时影响较小，可使作物产量增加7.09%。

2.4 土壤理化性质对沼肥效用的影响

土壤理化性质与沼肥的增产效应密切相关。在pH值≥7.5和pH值≤6.5的土壤上，沼肥的增产效应较好，作物增产率分别为7.31%和6.33%，在偏中性(6.5～7.5)的土壤上提高幅度为5.68%(见图5)。随着土壤有机质(SOM)含量的增加，作物增产率呈现降低趋势，当SOM≤30 g·kg-1时作物增产率为6.87%，当SOM>30 g·kg-1时作物增产率为6.54%(见图6)。随着土壤全氮(TN)含量的增加，作物增产率有降低的趋势，当TN≤1 g·kg-1时作物增产率为4.73%，当TN>1 g·kg-1时作物增产率为3.83%(见图7)。就土壤速效磷(AP)和速效钾(AK)而言，在含量较低的土壤上作物增产效果较好，增产率分别为8.82%和8.92%(见图8和图9)。

注：土壤pH值≤6.5，6.5～7.5，≥7.5分别采用65，35，62组数据进行分析。图5 不同土壤pH值下沼肥对作物产量的影响

注：土壤有机质≤30 g·kg-1，>30 g·kg-1分别采用67，92组数据进行分析。图6 不同土壤有机质含量对作物产量的影响

注：土壤全氮≤1 g·kg-1，>1 g·kg-1分别采用37，61组数据进行分析。图7 不同土壤全氮含量对作物产量的影响

注：土壤速效磷≤20 mg·kg-1，>20 mg·kg-1分别采用72，98组数据进行分析。图8 不同土壤速效磷含量对作物产量的影响

注：土壤速效钾≤100 mg·kg-1，>100 mg·kg-1分别采用82，90组数据进行分析。图9 不同土壤速效钾含量对作物产量的影响

3 讨论

本文选择玉米、小麦、水稻、番茄和黄瓜这五类作物，仅因为这五类作物的研究较多且有足够的数据基数用于分析，并不是因为沼肥无法施用于其他作物，如张国听[23]的试验发现，沼液作为叶面肥可以显著地提高葡萄的甜度、产量和植株的抗病能力，沼渣作为基肥施用也可提高葡萄的品质；安金燕[24]认为，与施用化肥相比，施用沼肥有益于提高脐橙的产量和品质，施用沼肥后，脐橙的果皮厚度减小，糖度增高；杨再培[25]发现施用沼肥后，辣椒抗病能力增强，品质和产量明显提高。

本研究表明，沼肥可显著提高我国作物产量，在全国尺度上的增幅为8.88%(见图2)。这表明施用沼肥可以大大提高作物产量，重要的是，它可以替代无机化肥。

沼肥对玉米、小麦、水稻、番茄和黄瓜的增产程度不同(见图1)，但均呈现出显著的正效应。首先，施用沼肥可以改善土壤条件，这有利于作物的生长发育。其次，沼肥可以提高农作物中的维生素、糖分、蛋白质和矿物质[26]，降低硝酸盐的含量。魏章焕[27]等的研究发现，合理的施用沼肥能够不同程度的提高水稻、小麦、草莓、西瓜和柑橘的产量，且能降低西瓜和柑橘的皮厚，增加含糖量。旱地作物的产量增幅程度高于水稻，究其原因可能是旱地土壤较好的有氧环境加速了沼肥中氮的矿化。

因试验条件和试验方法的限制，前人的研究大多采用田间小区试验，因而很难从大区域尺度出发揭示施用沼肥对作物产量的影响。本文应用Meta分析，发现沼肥在东北地区、华北地区、西北地区和南方地区均能提高作物产量，在西北地区的作物增产率最为显著，为19.71%。西北地区多高原山地，土壤养分供应能力差，施用沼肥可以快速补充土壤养分，沼肥的增产效果更加显著。东北地区与华北地区作物施用沼肥的增产效果差异不大，作物增产效果仅次于西北地区，南方地区的作物增产率最低，仅为5.56%。我国东北地区、华北地区和西北地区水资源短缺且季节性差异明显[28]，年均降水量集中在150～900 mm(见表1)，农业区大多分布在干旱、半干旱和半湿润地区，农业生产受到水资源的刚性约束。沼液的含水量高达90%以上[29]，施用后可在一定程度上缓解干旱对作物生产造成的不良影响。沼渣中尚未发酵完全的原料，施入农田后可继续发酵[30]，养分供应持久。施用沼肥不仅能提高作物的产量和品质，而且能改善土壤理化性质，从根本上提高了土壤供肥保肥能力，实现农业生产的可持续发展。南方地区的水热条件优越，高温期与多雨期一致，因此相较于东北地区、华北地区和西北地区，南方地区更适宜农业生产活动，因而沼肥在南方地区的增产效果低于东北地区、华北地区和西北地区。

沼肥的增产效应随着降水量和温度的增加而降低，沼肥在年降水量≤800 mm的地区增产效应显著，分别是800～1200 mm地区和≥1200 mm地区的2.05倍和3.2倍。沼液是一种优质的液态有机肥，施用后能在一定程度上缓解降水量不足带来的负面影响，研究结果表明，在降水量不足的灌溉农业区能充分发挥沼肥的增产效果。在降水量较多的地区容易发生土壤水蚀，土壤养分流失较快，保肥能力差，因此沼肥的“增效”幅度低。沼肥在年平均气温≤15℃时作物增产12.39%，比在年平均气温>15℃时提高5.3%。吴华山[31]等的试验表明，沼液中的营养元素含量受到温度变化的影响，在沼液贮存前期TN，TP下降幅度高于冬春季；丁京涛[32]等的研究发现，温度越高，沼液营养成分损失率越大，夏季贮存时，TN含量损失50%，TP含量损失70%以上，TK含量损失超过33%；郭德杰[33]等也证明了，沼液的氨挥发量与气温密切相关，夏季沼液氨挥发量大于春季。基于以上分析，沼肥的增产效果受到气温的影响，在年平均气温较低的地区能更好发挥沼肥的肥效。

除此之外，土壤理化性质直接影响肥料增产效应。本研究表明，在偏碱性和偏酸性的土壤上，沼肥对作物的增产效果较为显著。这可能是由于在碱性土壤上会导致氨大量挥发，施用化肥会导致氮素损失严重，而沼肥是一种速缓兼备的有机肥，可以提高氮的转化率[34]，减少氮的损失。在酸性土壤上，作物对土壤养分利用率降低，施用沼肥可以有效地改善土壤理化性质，提高养分的有效性。因此，在碱性和酸性土壤上，与施用化肥相比，沼肥对作物的增产作用更明显。土壤有机质和矿质元素含量是表征土壤肥力的重要标准[35]。土壤基础肥力越低，施肥的增产效果越好。本研究表明，沼肥的增产效应随着土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾含量的升高而降低，这与前人[36]的研究基本一致。

沼肥对作物的产量效应受到多因素的影响，由于缺少相关试验数据，最终只对数据较多的因素进行分析，如作物品种、施肥制度与灌溉方式等影响因素本研究并未涉及。虽然有一定局限，但是考虑到田间小区试验难以体现沼肥对作物增产效果的时间和空间效应，因此本研究对了解大区域尺度下沼肥的增产效果有一定的参考价值。当针对某一特定的区域时，施用沼肥应该综合考虑当地的气候、土壤和灌溉条件等，根据不同的作物选择恰当的施肥方式、施肥时期和施肥量，充分发挥出沼肥的增产效果。

4 结论

(1)沼肥在西北地区的增产效果最显著，在东北和华北地区差异不明显，而在南方地区增产效果显著低于上述3个地区；

(2)施用沼肥后，玉米、小麦、番茄和黄瓜等旱地作物的产量增幅显著高于水稻；

(3)在年降水量≤800 mm,年平均气温≤15℃时施用沼肥比年降水量≥800 mm,年平均气温>15℃时更有利于作物增产；

(4)土壤基础肥力影响沼肥的增产效果，作物增产幅度随土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾含量的升高而降低。