有机物料输入对作物土传病害防控作用的Meta 分析

申云鑫，施竹凤，唐加菜，莫艳芳，李铭刚，周旭东，赵江源，杨明英，陈齐斌，杨佩文*

（1 云南农业大学植物保护学院，云南昆明 650201；2 云南省农业科学院农业环境资源研究所，云南昆明 650205；3 云南大学，云南昆明 650091）

作物土传病害的发生是制约其产量和质量的主要障碍因子，也是制约农业绿色发展的关键因素[1]。现代农业系统主要采取选育抗病品种、开展轮作栽培、施用化学农药或生物制剂等途径防治土传病害[2-4]。其中，选育抗病品种具有难度大且不能同时抵抗多重病原物等问题[5]，轮作则因为不能迅速减少病原物数量而见效较慢[6]，而施用药剂尽管可在短时间内快速杀灭病原菌，但同时也会降低土壤有益微生物量，无法长期应对病害，且过量施用药剂易造成土壤环境污染[7]。因此，探寻高效且环境友好的防治措施，明确加剧作物土传病害的主要因素及其相互关系，并通过构建健康土壤微生态提升耕地抑病能力，是促进作物生长和降低作物土传病害发病率的根本途径[8]。

通过科学施肥优化土壤内部调节过程，从而防控作物土传病害是农业绿色发展背景下的有效措施[1]。与化肥相比，有机物料具有高碳氮比和肥效全面的特点，其对土壤理化性质具有较好改良效果，可提高土壤微生物活性，以及提高土壤肥力和农作物产量和品质，在环境保护和促进土壤物质循环方面有着重要的意义[9-11]。前人研究表明，有机物料输入可提高土壤pH 以及有机碳等的含量，且可一定程度上调控土壤微生物活性及其群落结构[12]。因为有机物料中不仅含有大量有机碳和多样化的矿质营养，而且具有较高的有益微生物种类和丰度，可起到调节土壤养分状况、提高土壤有益微生物活性以及提高作物的抗病能力的作用，并对构建健康土壤微生态以及降低作物土传病害发病率有很大帮助[13-16]，但其作用过程和机制缺乏系统的研究。针对有机物料输入对作物土传病害防控作用过程和机制的阐明，可为区域土壤保护和可持续利用及作物土传病害防控提供科学依据，是推进农业可持续发展的重要内容。

本研究运用对同类研究结果进行定量评估的Meta 分析方法[17-18]，以不施肥和施用无机肥作为有机物料输入的对照，通过收集现有文献的相关田间试验数据以及田间调查数据，探究有机物料输入对土壤理化性质和生物学性质的影响；并分析有机物料输入对作物土传病害发病率的影响及其关键影响因子。将文献数据与田间数据相结合，通过相关性分析探究作物土传病害的关键影响因子及各因子之间的相互关系。旨在明确有机物料输入-土壤化学和生物学性质-作物土传病害之间的相互关系，为作物土传病害的有效防控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

通过Web of Science、Springer、中国知网(CNKI)、万方、维普、Google Scholar 等中英文数据库，按照以下分组进行文献检索。分组1 为施用有机物料对作物土传病害发病率的影响及其影响因素，分别输入有机物料(organic material)，牛粪(cow manure)，猪粪(pig manure)，鸡粪(chicken manure)，羊粪(sheep manure)，秸秆(straw)，生物炭(bio-char)；土传病害(soil-borne disease)，根腐病(root rot disease)，青枯病(bacterial wilt)，黄萎病(verticillium wilt)，枯萎病(fusarium wilt)，线虫病(nematodosis)等以及中国(China)。分组2 为施用有机物料对土壤化学指标和生物学指标的影响，拟探究有机物料与土传病害发病率影响因素的关系，分别输入有机物料(organic material)，有机肥(organic fertilizer)，牛粪(cow manure)，猪粪(pig manure)，鸡粪(chicken manure)，羊粪(sheep manure)，秸秆(straw)，生物炭(biochar)等；土壤化学指标(soil chemical index)，土壤化学性质(soil chemistry properties)，土壤理化指标(soil physicochemical index)，土壤中微量元素(soiltrace elements)，土壤酶活(soil enzyme activity)，土壤微生物生物量碳(soil microbial biomass carbon)，土壤微生物生物量氮(soil microbial biomass nitrogen)和中国(China)等。此外，于云南省保山市30 个乡(镇)、云南省丽江市5 个县(区)和云南省石林县等3 地采集田间土壤样品，测定土壤理化性质、土壤有效态中微量元素含量以及土壤微生物生物量碳氮，并将所采集的209 组田间土壤养分含量数据、72 组田间土壤微生物生物量碳氮数据以及16 组田间土壤酶活性数据作为辅助数据，共同进行土壤pH 与土壤化学指标和生物学指标之间的相互关系分析。

所选文章基于以下标准：1)试验区域选择中国地区；2)对照包含不施用有机物料(no organic material，NOF)，试验组为施用有机物料(organic material，OF)；3)研究点的背景条件、研究方法明确；4)相同的试验数据发表在不同期刊时，选择信息描述较为全面的文献；5)试验研究必须针对土壤传播疾病，包括根腐病、青枯病、黄萎病和枯萎病；6)试验参数包括有机物料类型、水解性氮(AN)、有效磷(AP)、速效钾(AK)、有机质(OM)、pH 及土壤酶活包含脲酶(S-UE)、酸性磷酸酶(ACP)、蔗糖酶(S-SC)、β-葡萄糖苷酶(CB)、过氧化氢酶(CAT)、土壤荧光素二乙水解酶(FDA)活性，微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)、交换性钙(EX-Ca)、交换性铝(EX-Al)、交换性镁(EX-Mg)、有效锌(AV-Zn)、有效铜(AV-Cu)、有效铁(AV-Fe)、有效锰(AV-Mn)和有效硼(AV-B)以及土传病害发病率；7)含平均值、标准差 (SD)。

检索数据库共得文献320 篇，通过EndNote 剔除试验地点、试验年份、作物类型和试验数据结果相同的文献。共筛选得具有代表性的论文128 篇，数据点分布如图1 所示，共提取有效田间数据953组，分别纳入Meta 分析。数据来自各项纳入研究的表格和图，当数据以图的形式呈现时，通过Web Plot Digitizer 软件提取。用文献直接报告的标准差或者根据标准误和样本量计算标准差，论文未给出标准差或者无法计算时，以平均值的10%作为标准差(文中所提取的大部分数据的标准差均符合10% 的计算标准，且原始数据的标准差始终低于平均值的10%)[19]。因为Meta 分析的一个假设为所有研究之间相互独立，故提取过程中如遇不同时期测定多个数据的研究，仅取采样日最近的数据[20]。

图1 Meta 分析数据点文献分布图Fig.1 Distribution of literatures used in meta-analysis

1.2 数据分类

土壤养分根据第二次全国土壤普查(中国)养分分类标准进行分类，AN 数据分为3 个数据集：≤60 mg/kg，60～120 mg/kg 和≥120 mg/kg。AP 数据分为3 个数据集：≤100 mg/kg，100～200 mg/kg 和≥200 mg/kg。AK 数据分为3 个数据集：≤200 mg/kg，200～500 mg/kg 和≥500 mg/kg。OM 数据分为3 个数据集：≤10 g/kg、10～30 g/kg 和≥30 g/kg。将pH 数据分为3 组：酸性(pH＜6.5)、中性(pH 6.5～7.5) 和碱性(pH＞7.5)。收集数据统一单位：AN、AP 和AK 的单位是mg/kg，OM 的单位为g/kg，土壤酶活的单位是mg/(g·h)，EX-Ca、EX-Mg、EXAl、AV-Zn、AV-Cu、AV-Fe、AV-Mn 和AV-B 等中微量元素的单位为mg/kg，发病率以分数形式表示。此外，每个分组至少纳入10 组数据进行分组研究，若分组数据n＜10，则各数据应分别来自完全相互独立的3 个或3 个以上研究[21]。

1.3 统计分析

对所提取的数据按分组进行Meta 分析，若文献只提供标准误，标准差可使用公式(1)计算：

式中：SD，标准差；SE，标准误；n，重复数。

计算95%的置信区间(confidence interval，CI)。如果95%置信区间(CI)包含0，则处理组与对照组差异不显著；若不包含0，即差异显著(P＜0.05)[22]。

将分析结果转化为相对变化率(Y)，可更加直观地解释作物土传病害发病率，以及土壤养分含量对有机物料施用的响应特征，可使用公式(3)[23]进行计算：

异质性检验及发表偏倚检验：通过使用Q统计量进行异质性检验，Q服从于自由度为k-1 的卡方分布，当异质性检验结果显著时(P＜0.05)表明研究间存在异质性，故选择随机效应模型，反之选择固定效应模型。此外，本研究采用失安全系数法(Rosenthal’s method)进行文献的发表偏倚检验，若潜在值大于临界值即不存在发表偏倚[23]。

1.4 数据处理

使用软件ArcGIS 10.7 对所提取数据研究地点进行地图标记；使用Web Plot Digitizer 和Microsoft Office 2010 进行数据收集提取和数据集建立，以及常规的数据计算；利用Metawin 2.1 进行Meta 分析[24]，确定有机物料施用是否对作物土传病害的发生以及土壤养分含量等具有显著影响；应用Duncan 氏新复极差法检验不同处理间差异显著性；使用软件AMOS 24.0 构建结构方程模型(SEM)，探究作物土传病害发生的主要影响因素、影响路径和影响程度。此外，利用GraphPad Prism 8 软件进行相关性分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 异质性检验和发表偏倚检验

如表1 所示，施用有机物料与对照组的异质性检验在土壤pH、中微量元素含量、酶活性及微生物生物量碳氮及土传病害发病率等指标上均有显著差异(P＜0.05)，故采用随机效应模型。且发表偏倚检验各分组潜在效应值均大于临界值，表明各组合数据间均不存在发表偏倚。

表1 各分组数据的异质性及发表偏倚检验Table 1 The heterogeneity and publication bias test of each group data

2.2 施用有机物料对土壤化学性状、酶活性和微生物生物量碳氮的影响

由图2 可知，与不施有机物料相比，施用有机物料可显著提高酸性土壤pH 8.15% (95%CI: 5.19%～11.17%)，亦可降低碱性土壤pH 1.84% (95%CI:1.21%～2.46%)；可提高低肥力土壤(OM≤10 g/kg、AP≤100 mg/kg、AK≤200 mg/kg 和AN≤60 mg/kg)各养分指标的含量，OM、AP、AK 和AN 分别提高54.39% (95%CI: 47.18%～61.96%)、130.04% (95%CI:114.23%～147.05%)、48.13% (95%CI: 42.78%～53.68%)和59.04% (95%CI: 58.73%～59.36%)；对土壤交换性金属(Ca、Mg 和Al)以及有效态金属元素(Zn、Cu、Fe、Mn)含量具有调节作用，可显著提高交换性Ca 53.94% (95%CI: 36.94%～73.05%)、有效Zn 43.35%(95%CI: 27.72%～60.88%)、交换性Mg 28.41%(95%CI: 20.76%～36.54%)、有效Fe 22.77% (95%CI:13.47%～32.84%)，显著降低交换性Al 83.99%(95%CI: 77.58%～88.57%)。

图2 有机物料施用对土壤化学性状的影响Fig.2 Effects of organic material application on soil chemical properties

从对土壤酶活性的影响来看(图3)，酸性磷酸酶(ACP) 活性提升最显著，达34.19% (95%CI:25.85%～43.09%)，其次是脲酶(S-UE)和蔗糖酶(SSC)，分别达33.42% (95%CI: 24.09%～43.46%)和24.95% (95%CI: 14.81%～35.98%)，而荧光素二乙水解酶(FDA)变化不显著。土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)亦有显著提升，分别提高62.35% (95%CI:54.44%～70.69%)和45.85% (95%CI: 26.10%～68.71%)。

图3 有机物料施用对土壤酶活性及微生物生物量碳、氮含量的影响Fig.3 Effects of organic material application on soil enzyme activity and microbial biomass carbon,nitrogen contents

2.3 施用有机物料对作物土传病害发病率的影响

由图4 可知，与不施有机物料相比，施用有机物料可显著降低作物土传病害发病率49.69% (95%CI:44.69%～54.22%)。此外，与其他指标相比，有机物料输入对作物土传病害的抑制效果受土壤pH 的影响最大，其中酸性条件甚至可降低63.39% (95%CI:57.38%～68.55%)。而施用有机物料对不同类型土传病害的影响也有差异，对细菌性和真菌性土传病害的防治效果显著高于对线虫性土传病害(图5)，其中对真菌性和细菌性土传病害的抑制效果较好，发病率分别降低51.3% (95%CI: 44.99%～56.88%)和51.54% (95%CI: 31.33%～65.8%)，而对线虫性土传病害的抑制率为14.23% (95%CI: 4.94%～22.61%)。

图4 有机物料施用条件下各土壤指标对作物土传病害发病率的影响Fig.4 Effects of different soil indices on the incidence of soil-borne diseases of crops under the application of organic material

图5 有机物料施用对不同类型土传病害发病率的影响Fig.5 Effects of organic material application on the incidence of different soil-borne disease

2.4 土传病害发病率与土壤pH 关系的影响因素分析

有机物料输入情形下，土传病害发病率降低的效应值与土壤pH 呈显著正相关(P＜0.05)，土壤pH越低、发病率降幅越大(图6)，表明酸性土壤条件下有机物料的抑病效果更好。结构方程模型(P=0.93，GFI=0.84，RMSEA＜0.001)表明，土壤pH 对土传病害发病率影响的路径系数为-0.614，表明土壤酸化会加重土传病害发生；土壤全氮和水解性氮含量对土壤pH 影响的路径系数分别为-0.631 和-0.548，即氮含量过高会促进土壤pH 降低；土壤有机质含量对土壤pH 影响的路径系数为0.773，即提高土壤有机质含量可抑制土壤pH 降低(图7)。鉴此，提高土壤有机质含量和控制土壤氮含量可预防土壤酸化和抑制土传病害发生。回归分析(图8)表明，土壤pH 与土壤EX-Al、TN、AN、AV-Fe、AV-Zn 以及AV-B 含量呈显著负相关(P＜0.05)，与土壤OM、AP、EXCa 和EX-Mg 含量以及CB 和S-SC 活性呈显著正相关(P＜0.05)，而与土壤TP、TK、AV-Cu、FDA、ACP 以及MBC 和MBN 相关性不显著。综上，土壤EX-Al、TN 和AN 含量过高对土壤酸化具有显著促进作用，而提高土壤OM、AP、EX-Ca、EX-Mg、CB 和S-SC 等的含量是抑制土壤酸化的有效措施。

图6 土传病害发病率效应值影响因素分析Fig.6 Analysis of influencing factors of effect value of incidence of soil-borne diseases

图7 土传病害影响因素的结构方程模型(SEM)分析Fig.7 Structural equation model (SEM) analysis of influencing factors of soil-borne diseases

3 讨论

土壤环境恶化是加重土壤传播疾病发生的主要原因，如土壤中氮素的不完全循环利用或者过量施用氮肥会促使土壤pH 降低[25-26]，影响土壤微生物群落的稳定性和多样性，提高病原物的相对丰度，导致土壤环境恶化并加重土传病害的发生[27-28]。相关性分析结果表明，土壤pH 与发病率的效应值之间呈显著负相关，结构方程模型结构也发现土壤pH 降低是土壤传播疾病发生的关键驱动因素，即土壤pH 降低加剧土传病害的发生[4]。许多研究表明，交换性Ca、Mg 和Al 等的含量是影响土壤pH 变化的重要因子，在缓冲土壤酸化与维持土壤养分中起重要作用[29]。相关性分析结果显示，EX-Ca 和EX-Mg 与土壤pH 之间呈显著正相关，EX-Al 的含量与土壤pH 呈显著负相关；Meta 分析结果表明，施用有机物料对土壤EX-Ca 和EX-Mg 含量具有显著的提高作用，同时可降低土壤中EX-Al 含量。前人研究表明，EX-Ca 和EXMg 是土壤pH 升高的主要驱动因素，对提高酸化土壤pH 具有显著促进作用[30-32]，施用有机物料可通过提高EX-Ca 和EX-Mg 含量，降低土壤EX-Al 含量，减少土壤交换性H+的含量，抑制土壤pH 下降，降低土传病害发病率[33]。与鲁艳红等[34]的研究结果相符，施用有机物料可抑制Ca 和Mg 淋失，进而提高土壤对酸的缓冲能力。此外，Meta 分析结果表明，施用有机物料可显著提高土壤OM 含量，Evans 等[35]的研究指出，土壤OM 会与EX-Al 等形成复合物，起到降低其含量的作用，同时可促进EX-Al 发生交换反应，转化为氢氧化铝或羟基铝等惰性组分，进一步减缓土壤酸化。

有机物料自身有机质含量较高，同时含有多种中微量元素和有效态金属元素等，具有功能协调性和较强的养分供给能力[36-37]。Meta 分析结果表明，有机物料施用对土壤AN、AP、AK、EX-Ca、EXMg 以及有效态金属元素等的含量具有一定的促进作用。即施用不同类型和用量的有机物料可以改善土壤理化性质，提高养分的有效持续性[38]。同时分析结果表明，有机物料施用可显著提高土壤ACP、S-UE和S-SC 等酶的活性，这与林新坚等[39]的研究结果相似，施用有机物料处理下土壤酶活性显著高于不施肥处理，较强的土壤酶活性对抑病性土壤的构建具有促进作用[40]。土壤微生物量碳氮是土壤养分重要的“源”和“汇”，可反映微生物在土壤中的实际含量、作用潜力以及土壤有效养分状况和生物活性[41]。Meta分析结果表明，有机物料施用后土壤MBC 和MBN含量得以显著提高，但相关性分析结果显示土壤MBC 和MBN 含量与土壤pH 之间无显著相关性，即二者另有对作物土传病害的防控机制。前人研究表明，有机物料施用后，可通过增加根系生物量及根系分泌物，从而促进微生物生长，同时为微生物提供充足的碳源，使土壤MBC 和MBN 含量显著提高，从而起到改善土壤质量以及抑制作物土传病害发病率的作用[42]。

Meta 分析结果表明，有机物料施用可以有效控制土壤传播疾病的发生，且对细菌性和真菌性土传病害的抑制效果较好。相关研究表明，有机物料中含有大量的氮、磷、钾及中微量营养元素，可在一定程度上弥补农田矿质元素，且对土壤有机质的改良效果更好[43]。大量研究表明，有机物料输入是土壤微生物最为适应的方式，可调控土壤的C/N 值，可增加土壤中有益微生物群落的丰富性及其代谢活性，促进根际微生物分泌次生代谢物质从而促进植物生长，同时还能募集假单胞杆菌、芽孢杆菌和克雷伯菌等拮抗有益微生物，为植物生长创造优异生境，进而抑制土传病害的发生[44-45]。

综上，施用有机物料可通过多种途径起到防控作物土传病害的效果，一方面消除构建健康土壤的主要障碍因子，即抑制土壤酸化，消除土壤酸化的潜在影响因素，促进土壤向健康状态发展；另一方面加强土壤的生物学过程，即提高土壤酶活性以及微生物生物量碳氮含量等，加强作物-土壤-微生物之间的互作效应，提高作物的系统抗性和土壤的免疫力和抵抗力；此外，亦可通过改善土壤养分结构，促进土壤元素循环。

4 结论

1)有机物料输入可显著提高酸性土壤pH、有机质、有效磷、速效钾和水解性氮含量，降低盐碱化土壤pH；提高交换性钙、交换性镁、有效锌、有效铜、有效铁、有效锰、有效硼等中微量元素含量，降低交换性铝含量；显著提高脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、过氧化氢酶等土壤酶活性以及土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮含量。

2)土壤pH 降低是作物土传病害发生的关键影响因素，有机物料输入可通过降低土壤交换性铝含量，提高土壤有机质、有效磷、交换性钙、交换性镁含量以及蔗糖酶和 β -葡萄糖苷酶活性，有效提高酸性土壤pH，从而抑制作物土传病害发生；且对细菌性和真菌性土传病害发病率的降低效果强于对线虫性土传病害。