叶面施硒对冬小麦籽粒产量、蛋白质含量和硒富集影响的Meta 分析*

聂浩亮,黄少辉,杨军芳,杨云马,张 静,杨慧敏,杨文方,邢素丽,贾良良 ,岳增良

(河北省农林科学院农业资源环境研究所 石家庄 050051)

硒元素(Se)是人体必需的矿物质元素之一,对人体生理机能正常运转有重要作用,具有抗氧化、抗病菌病毒及预防癌症等功效[1]。缺硒会诱发克山病、心脑血管疾病、癌症等一系列疾病[2]。近年来,我国居民缺硒状况有所改善,2020 年《中国居民营养与慢性病状况报告》显示,成人每日硒摄入量提高为41.6 μg,但也仅为世卫组织推荐最低标准摄入量的2/3[3]。无机硒毒副反应较大且会对人体肠胃产生刺激,不易被人体吸收利用,而经过生物转化形成有机硒,通过食物尤其是粮食作物,摄取至人体内是更加安全有效且廉价可行的补硒途径[4]。因此,施用硒肥是提高作物硒含量,进而提升国民硒摄入量的重要途径。明确硒肥施用对作物产量、品质和硒含量的提升效应显得尤为重要。小麦(Triticum aestivumL.)是我国主要的粮食作物之一,是典型的喜硒作物,对施硒的敏感性较强,对硒的富集、生物强化能力也较为有效[5-7]。通过种植生产富硒小麦,将无机硒转化为有机硒,进而提高我国人均硒摄入量,是安全且能大面积推广的补硒方式。同时,硒元素可以提高植物的光合效率,增强植物的抗氧化性和抗逆性,是小麦提质增产的重要元素[8-9],发展富硒小麦产业对保障国家粮食安全和提高国民健康膳食结构具有重要意义。硒元素来源主要有土壤供应和硒肥施用两个方面,而我国小麦主产区缺硒(<0.2 mg·kg-1)面积近2/3,富硒(>0.4 mg·kg-1[10])地区面积仅不到1/10[11],所以,通过施用硒肥是小麦达到富硒品质的主要方法。叶面施硒是一种高效且安全的施硒方式,对农作物生长和品质提高有重要作用[12],近年来无人机在农业领域的应用使叶面施硒更加精准便捷[13]。虽然叶面施硒可以促进作物的生长发育,但不合理的施硒措施不仅会阻碍作物的正常生长,也会造成环境问题甚至引发毒害[14]。合理叶面施硒对于提高硒肥利用率,降低因施硒造成的土壤污染以及实现小麦产量与品质的协同提升、达到富硒品质具有重要作用。目前,叶面施硒对小麦提质增产的影响已有许多研究。在叶面喷施时期研究方面,史芹等[15]研究表明,在灌浆前期叶面喷施效果最佳;刘慧等[11]对全国不同麦区进行的研究表明,拔节中、末期叶面施硒效果较好,有利于硒的积累。在叶面施硒用量方面,匡恩俊等[16]认为叶面施硒量范围在11.25～22.50 g·hm-2时效果最佳;冯魁等[17]却得出小麦最优施硒量为45 g·hm-2。不同研究结果在叶面施硒措施方面差距较大[18-20],且对小麦产量品质的影响也不尽相同[12]。这是因为大部分研究集中于单一农艺措施或单一因素,且容易受到试验所在地气候、土壤条件等的影响,不能准确反映我国叶面施硒对小麦影响的整体状况,缺乏整合分析以明确最优的小麦硒肥管理方式。

Meta 分析是通过系统量化统计法,对已有的同类研究进行收集、整合、汇总分析,能弥补单一研究的不足,更好地研究差异特征,提高效应值估算的准确性[21]。姜玲玲等[22]运用Meta 分析方法对番茄(Solanum lycopersicumL.)产量及品质进行整合分析,结果表明有机无机配施能显著提高番茄产量和品质。孟轶等[23]运用Meta 分析方法定量分析了施石膏对水稻(Oryza sativaL.)产量和甲烷排放的影响。目前,关于叶面施硒对小麦籽粒产量、品质及硒富集效应的研究大多从单一试验角度出发,基于特定试验点,结果也只能代表特定环境下的叶面施硒效果,而国内还鲜见相关全国区域的定量分析综述性报道。为了定量分析全国区域内叶面施硒对小麦影响效应,需要整合全国范围内符合要求的叶面施硒试验,运用Meta 方法进行系统分析。因此,本研究对我国近20 年来开展的叶面施硒大田试验数据进行了搜集整理,运用Meta 分析手段,解析叶面施硒对我国冬小麦籽粒产量、品质和硒富集的影响,阐明地理区域、叶面施硒方式以及土壤肥力等因素对叶面施硒效应的影响,进而运用决策树分析评价和量化不同施硒条件下籽粒硒含量的未达标率,确定影响冬小麦硒含量达标的关键因素,构建预测模型,以期为我国小麦籽粒富硒、提质、增产以及高质量发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源和收集

本研究收集了2000-2022 年在中国知网和Web of Science 上发表的有关叶面施硒的冬小麦产量和品质效应期刊文献并建立数据库,搜索关键词包括“硒”“小麦”“蛋白质”及其组合。品质指标选择籽粒蛋白质,这是因为: 其一,施硒主要通过影响小麦籽粒的氨基酸组分,提高赖氨酸含量,降低苯丙氨酸含量,通过对蛋白质的影响进而提高冬小麦籽粒的品质,蛋白质与其他品质指标存在很高的相关性,对小麦品质指标有较高的代表性;其二,本文作为综述性论文,数据的翔实丰富是确保结论准确的关键,蛋白质作为小麦品质的关键性指标,在相关文献中使用频率较高,而其他小麦品质指标数据量较少。

为实现研究目的及满足Meta 分析的数据要求,设定筛选标准如下: 1)试验地点在中国,种植作物为冬小麦;2)试验均在大田条件下进行,并取得实测数据;3)试验处理必须包含叶面施硒处理及对照处理(不施硒肥);4)文中需有明确的硒肥用量及施用方式;5)试验测得相关数据应有标准差(或标准误)及样本数,或重复数至少为3 次;6)取得数据至少包括小麦产量、籽粒硒含量或蛋白质含量中的一项,且仅用冬小麦数据。共筛选出符合要求的文献41 篇,其中,中文文献36 篇,英文文献5 篇,共收集379 组试验数据。

1.2 数据分类

将文献中采集的数据进行统计和分类,参考各项数据分级标准,及数据库中的数据分布情况对变量的分组如表1 所示。其中,年平均降水量和年平均气温缺失的,根据试验地和试验进行年份查阅资料补齐。

表1 施硒对冬小麦产量、蛋白质含量及硒富集效应数据库解释变量分类分组Table 1 Classification and grouping of explanatory variables for effects of foliar Se application on winter wheat grain yield,protein content,and Se accumulation database

1.3 数据分析

1.3.1 Meta 分析

将整合的数据建立数据库,进行Meta 分析,基于本研究的目的,使用响应比(response ratio,RR)的自然对数作为效应值(lnR)描述叶面施硒对冬小麦的不同反应变量(产量、籽粒硒含量和籽粒蛋白质含量)的影响,计算公式如下:

式中:Xt为叶面施硒的试验组处理指标的均值,Xc为不施硒肥的对照处理指标的均值。通过计算每项独立研究的对数反应比方差(V)、权重(W),进而可以求得总体的加权平均响应比(lnR++),各项计算公式如下:

式中:St与Sc为试验组与对照组处理指标的标准差,nt与nc为试验组与对照组处理指标的样本,lnRi为第i项研究的效应值,Wi为第i项研究的权重值,m为指标个数。

通过计算加权平均响应比(lnR++)的标准误以及95%置信区间(95%CI)来反映效应值(lnR)的具体变异状况,计算公式如下:

因同一研究中叶面施硒会对冬小麦的产量及品质产生一定差异,同时不同研究间的地域因素、气候条件、田间管理措施、土壤肥力等因素的差异,研究结果之间存在很大的变异,因此选择随机效应模型计算综合效应值。若lnR的95%置信区间下限大于0,则说明叶面施硒有正效应;若lnR的95%置信区间上限小于0,则说明叶面施硒有负效应;若lnR的95%置信区间与0 重叠,则说明叶面施硒无明显作用。

为更好地解释叶面施硒对不同反应变量的影响,将lnR++转换为相对变化率(E),计算公式如下:

数据异质性包括总体异质性(total heterogeneity)、组间异质性(heterogeneity between-group)和组内异质性 (heterogeneity within-group),数值越大代表数据异质性越大。本研究通过组间异质性,检验同一指标的效应量在不同亚组之间的差异,分析各分组的组间异质性。如果P<0.05,则认为组间异质性显著,反之则不显著。

本研究运用图形分析法绘制频率分布直方图检验收集数据是否符合正态性。分析发表性偏倚使用罗森博格(Roseberg’s method)失安全数(fail-safe number,Nfs)和Egger’s 法对数据进行检验,如果Nfs>5n+10 (n为样本数)或Egger’s 回归结果P>0.05 则认为数据可靠。

1.3.2 决策树分析

决策树分析模型能够对非参数进行合理分类,对缺失数据容忍度较高,进行决策树分析可以确定影响小麦硒含量达标的关键因素,进而为优化施硒策略提供参考。本研究使用二分类变量作为自变量,选择CART (classification and regression trees)算法进行决策树分析,选取最小基尼系数特征对应的取值作为最优特征及最优切分点,数据集分为两类,同时生成当前节点的两个子节点,递归建立CART 分类树。随机抽取75%的数据作为决策树的测试组,剩余25%的数据用于决策树的检验。

1.3.3 小麦富硒标准选择

目前,小麦并没有明确的国家富硒标准,其中“GB/T 22499-2008 富硒稻谷”中规定稻谷类作物的富硒含量为0.04～0.30 mg·kg-1,标准在目前看来明显偏低;而河北省地方标准“DB13/T 2230-2015 富硒小麦生产技术规程”中规定小麦硒含量达到0.5 mg·kg-1以上,该标准并未设置上限;中国农业技术推广协会试行的团体标准“T/CATEA 003-2022 富硒农产品硒含量标准”规定粮食类作物富硒含量为0.15～1.00 mg·kg-1,结合成人每日硒摄入量看,此标准较为合理,本研究以此为富硒标准,对产量、蛋白质含量进行分析。

1.4 数据处理

本研究利用Getdata Graph Digitizer 2.26 软件进行图形数据数字化转换;MetaWin2.1 软件进行Meta-数据分析和异质性检验;Microsoft Excel 2019 软件建立数据库,进行数据汇总分类;Stata 17 软件进行发表性偏倚检验;Origin Pro 2022 和GraphPad Prism 9 软件进行正态分布图及森林图绘制;R 语言4.3.1“rpart”程序包进行决策树二分类模型分析。

2 结果与分析

2.1 叶面施硒对我国冬小麦产量、籽粒硒含量与蛋白质含量的综合效应

对收集的我国叶面施硒冬小麦产量、籽粒硒含量与蛋白质含量数据进行汇总分析,得出冬小麦产量、籽粒硒含量与蛋白质含量均符合正态分布(图1,P<0.01),叶面施硒冬小麦的产量、籽粒硒含量与蛋白质含量的平均值分别为6810 kg·hm-2、0.60 mg·kg-1和13.96%。

图1 叶面施硒条件下冬小麦产量(A)、硒含量(B)以及蛋白质含量(C)频率分布Fig.1 Distribution frequency of winter wheat yield (A),Se content (B) and protein content (C) with foliar Se application

对叶面施硒冬小麦产量、籽粒硒含量与蛋白质含量分别计算其异质性和发表偏倚检验(表2)。其中,与不施用硒肥相比,叶面施硒对产量有正效应,为3.80% (置信区间3.30%～4.35%),但增产效应不显著(PQ>0.05);对籽粒蛋白质含量提质效应影响显著,为2.44% (置信区间1.97%～3.01%,PQ<0.01);对籽粒硒富集效应影响显著,为764.56% (置信区间655.40%～900.01%,PQ<0.05)。而发表偏倚性检验结果显示,3个指标的失安全系数(Nfs)均大于最低阈值,且Egger’s 回归结果均P>0.05,不存在发表偏倚,即所收集的研究数据可靠。筛选达到富硒标准的数据进行处理,达到富硒标准的占比为74.4%,冬小麦籽粒硒含量未达标的占比为12.7%,超标的占比为12.9%。以达到富硒标准的数据组进行Meta 分析,得出叶面施硒对冬小麦产量有正效应,为3.86% (置信区间3.30%～4.47%,PQ>0.05),对籽粒蛋白质含量效应值为2.54% (置信区间2.08%～3.34%,PQ<0.05),与全部数据组得出的结果虽略有增长但差异不大,说明所收集的研究数据结果在富硒标准范围内依然可靠。

表2 叶面施硒对冬小麦产量和品质的综合效应量Table 2 Comprehensive effect size of foliar Se application on yield and quality of winter wheat

2.2 叶面施硒对冬小麦产量的影响因素分析

Meta 分析结果显示(表3),不同农田区域下,叶面施硒对冬小麦产量效应影响显著(PQ<0.01),从图2A可以看出,95%置信区间的效应值下限均大于0,说明叶面施硒对冬小麦增产有正效应;其中华东地区的小麦增产率最高,达6.48%。在气候环境方面,随年平均降水量的增加,小麦增产率呈先降低后上升趋势(PQ<0.01),在平均降水量<400 mm 时增产率最高,达7.22%;年平均气温与年平均降水量变化趋势类似(PQ<0.01),在年平均气温<10℃时产量提升最高,为5.56%。

对叶面施硒管理进行分类分析(图2B),结合表3 可知,不同施硒量条件下,叶面施硒对冬小麦产量效应影响显著(PQ<0.05),在施硒量10～30 g·hm-2时,叶面施硒对冬小麦增产率最高,为4.67%;而施硒时期(PQ=0.09)及施硒次数(PQ=0.87)对冬小麦增产效应影响不显著,其中,拔节期叶面施硒增产率最高,为5.85%;在喷施次数上,喷施两次的增产率3.81%与喷施一次的增产率3.77%无明显差异。

在土壤肥力方面,不同土壤肥力下叶面施硒对冬小麦的增产效果不尽相同(图2C),结合表3 发现,仅有土壤全硒含量(PQ<0.05)与土壤全氮含量(PQ<0.01)对冬小麦增产效应影响显著,在土壤硒含量0.2～0.4 mg·kg-1时叶面施硒冬小麦增产率最高,为5.20%。随土壤全氮含量增加,增产率逐渐降低,在土壤全氮含量<1.0 g·kg-1时增产率最高,为5.38%;而在土壤全氮含量>1.5 g·kg-1时对冬小麦产量呈负效应(-0.65%)。土壤有机质(PQ=0.11)、土壤有效磷(PQ=0.70)、土壤速效钾(PQ=0.17)对冬小麦增产效应影响均不显著,除土壤速效钾<100 mg·kg-1时无明显作用外,其他土壤条件下,95%置信区间的下限均大于0,叶面施硒对冬小麦产量均为正效应。叶面施硒的增产效应随土壤全氮增加而下降,并不是土壤全氮自身作用的影响,而是在同一土壤全氮条件下,与同组不施硒的对照组相比,叶面施硒对冬小麦产量的效应值,再与其他土壤全氮水平下的效应值进行对比。空白组与试验组的土壤全氮含量是相同的,并不对产量高低造成影响,而不同的土壤全氮条件下,叶面施硒的效果却有差异,此差异导致了对产量的影响,同理土壤有机质也是此原因。

2.3 叶面施硒对冬小麦籽粒蛋白质含量的影响因素分析

冬小麦籽粒蛋白质含量不仅是冬小麦营养、食用、加工品质的重要指标之一,且与湿面筋含量等其他品质指标存在很高的相关性,同时使用Meta 分析对数据进行处理可以有效剔除水肥管理等因素对蛋白质的影响,因此本研究整合分析了叶面施硒对冬小麦籽粒蛋白质含量的影响。通过分析不同区域下,叶面施硒对籽粒蛋白质含量的效应关系(表3,图3A)可知,叶面施硒显著提高了各区域小麦籽粒蛋白质含量(PQ<0.01),其中华东地区冬小麦籽粒蛋白质含量提高效应最为显著,可达10.3%;不同气候条件下,叶面施硒对籽粒蛋白质含量效应影响显著,随年平均降水量的增加,叶面施硒对籽粒蛋白质含量的提高率逐渐下降(PQ<0.01),在平均降水量<400 mm 时提高率最高,达6.79%;而随着年平均气温升高,小麦提质率呈先降低后上升的趋势(PQ<0.01),在年平均气温>14 ℃时效应值最高,为4.11%。

图3 不同区域(A)、施硒措施(B)和土壤肥力(C)对叶面施硒的冬小麦籽粒蛋白质效应值的影响Fig.3 Effects of region (A),Se application measure (B) and soil fertility (C) on the response of winter wheat grain protein content to foliar Se application

由表3 和图3B 可以看出,施硒量(PQ<0.01)、施硒时期(PQ<0.01)和施硒次数(PQ<0.05)对小麦籽粒蛋白质含量提高的效应均显著(表3)。从图3B 可以看出,冬小麦籽粒蛋白质含量对叶面施硒量的响应程度先上升后下降,在施硒量60～100 g·hm-2时,叶面施硒对籽粒蛋白质提升效应最高(5.02%);不同小麦生育期,叶面施硒对籽粒蛋白质的影响程度存在一定差异,在孕穗期与灌浆前期喷施效果最佳,增长率分别为4.08%、4.38%,拔节期叶面施硒对籽粒蛋白质含量无明显作用;在喷施次数上,喷施两次的增长率(3.10%)高于喷施一次的增长率(2.15%)。

由表3 可知,除土壤有机质(PQ=0.64)外,土壤全硒含量(PQ<0.01)、土壤全氮(PQ<0.01)、土壤有效磷(PQ<0.01)和土壤速效钾含量(PQ<0.05)对冬小麦施硒提质效应均影响显著,从图3C 可以看出,95%置信区间的下限均大于0,说明不同土壤肥力条件下,叶面施硒对冬小麦籽粒蛋白质含量提高有正效应;不同土壤硒含量下,籽粒蛋白质含量对叶面施硒的响应程度先上升后下降,在0.2～0.4 mg·kg-1时,效应值最高(5.35%);土壤速效钾、土壤有机质与土壤硒含量变化趋势类似,土壤速效钾100～200 mg·kg-1时效应值最高(3.02%),土壤有机质在10～15 g·kg-1时效应值最高(2.63%);土壤有效磷含量在>20 mg·kg-1和土壤全氮含量在>1.5 g·kg-1的较高水平时,效应值最高,分别为3.61%、4.15%。

2.4 叶面施硒对冬小麦籽粒硒富集的影响因素分析

不同试验间区域因素、叶面施硒管理措施及土壤肥力等因素对冬小麦籽粒硒的富集效应影响不同(表3,图4)。从图4 可以看出,95%置信区间的下限均大于0,说明叶面施硒对小麦籽粒硒含量提高均有正效应。区域因素方面,叶面施硒对冬小麦籽粒硒富集效应影响不显著(PQ=0.41),其中西北地区的小麦籽粒硒含量提升最高,达8.87 倍;气候因素方面,不同年平均降水量影响下,叶面施硒对小麦籽粒硒富集效应影响不显著(PQ=0.17),随年平均降水量的增加,籽粒硒含量增长率呈逐渐下降的趋势,在平均降水量<400 mm 时增长率最高,达6.79 倍;而年平均气温对籽粒硒富集影响效应显著(PQ<0.05),在年平均气温10～14 ℃时,籽粒硒含量提升了8.11 倍。

图4 不同区域(A)、施硒措施(B)和土壤肥力(C)对叶面施硒的冬小麦籽粒硒含量效应值的影响Fig.4 Effects of region (A),Se application measure (B) and soil fertility (C) on the response of winter wheat grain Se content to foliar Se application

在叶面施硒管理因素方面,喷施次数(PQ<0.01)、喷施时期(PQ<0.01)和施硒量(PQ<0.01)对冬小麦籽粒硒富集效应均影响显著。在喷施次数上,喷施两次对籽粒硒含量增长率为11.38 倍,明显高于喷施一次的增长率(6.25 倍);施硒时期上,开花期喷施硒肥对籽粒硒含量提升最高(约11 倍),孕穗期和灌浆前期次之,分别为6.22 倍和6.25 倍,拔节期最低,为3.02 倍;施硒量与小麦籽粒硒含量的增长率呈正比,施硒量>100 g·hm-2时增长率最高,达17.35 倍,而施硒量<10 g·hm-2时增长率最低,仅为1.38 倍。

土壤肥力因素方面,土壤硒含量(PQ<0.01)、土壤有机质含量(PQ<0.01)和土壤速效钾含量(PQ<0.01)对冬小麦籽粒硒的富集效果显著。在土壤硒含量<0.2 mg·kg-1时籽粒硒提高率最高(11.15 倍),而土壤硒含量过高(>0.4 mg·kg-1)时,其籽粒硒富集效果仅为2.70 倍;随土壤有机质含量和土壤速效钾含量的提高,施硒对籽粒硒含量的增长效果呈先降低后上升趋势,土壤有机质>15 g·kg-1时,籽粒硒含量增长率最高(9.60 倍),在土壤速效钾>200 mg·kg-1时,籽粒硒含量增长率最高(11.35 倍);土壤有效磷(PQ=0.06)和土壤全氮含量(PQ=0.34)对小麦籽粒硒富集效应影响均不显著,土壤全氮含量<1.0 g·kg-1时,对籽粒硒含量的增长率最高(7.70 倍),土壤有效磷含量>20 mg·kg-1时,对籽粒硒含量的增长率最高(8.61 倍)。

2.5 冬小麦籽粒硒含量影响因素决策树分析

基于决策树分析探究不同因素对冬小麦籽粒富硒的影响,并建立预测模型如图5 所示。从331 个样点(籽粒硒含量为0～1.0 mg·kg-1)中随机挑选75%的数据用于模型构建,并使用剩余25%的样点数据进行模型检验。结果表明,影响冬小麦籽粒达到富硒标准的因素依次为施硒量、土壤硒含量以及土壤有机质含量。施硒量是影响冬小麦达到富硒标准的最主要因素,当施硒量<10 g·hm-2时,土壤硒含量为影响冬小麦籽粒富硒的主要因素;当施硒量<10 g·hm-2且土壤硒含量<0.3 mg·kg-1时,土壤有机质为影响冬小麦籽粒富硒的主要因素。当施硒量为10～30 g·hm-2时,土壤有机质为影响冬小麦籽粒富硒的主要因素;当施硒量≥30 g·hm-2时,预测冬小麦达到富硒标准的准确率为99%。

图5 冬小麦籽粒硒含量影响因素决策树分析Fig.5 Decision tree analysis of factors affecting Se content in winter wheat grains

3 讨论

3.1 叶面施硒对冬小麦生产的影响

本文通过整合分析中国大陆地区已发表的叶面施硒的冬小麦田间试验发现,与不施硒相比,叶面施硒提高了冬小麦产量(3.80%),但不显著,显著提高籽粒蛋白质含量(2.44%)及籽粒硒含量(764.56%) (表2)。其可能的原因主要是: 适量叶面施硒能促进禾谷类作物叶片气孔开放,减小叶片气孔阻力(相关机理尚不明确),促进二氧化碳吸收,提高光合作用,进而增加有效穗数,提高千粒重,增加小麦的产量[24-25];也有很多研究报道认为[26],叶面施硒对产量并无影响,这可能与叶面施硒管理、喷施浓度、小麦品种以及喷施时期等多种因素有关。叶面施硒可能会通过影响作物体内酶活性(如谷胱甘肽过氧化物酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶等),降低脂质过氧化物丙二醛和超氧阴离子自由基含量,增强小麦的抗氧化能力,增强抗逆性,从而提高产量和品质[27-28];叶面施硒也会改变小麦籽粒的氨基酸组分,提高赖氨酸含量,降低苯丙氨酸含量,进而提高小麦籽粒的品质[29-30];但也有相关研究认为,喷硒对小麦籽粒蛋白质含量没有影响或不显著[12,31],因此在施硒提高小麦蛋白质含量方面仍需开展进一步研究;已有大量研究表明,叶面喷施适量硒肥可以使小麦达到富硒水平[32],但富硒地区与缺硒地区补硒对小麦籽粒硒含量的提升效果各有不同[33-34],施硒量与施硒时期等也有较大差异。

3.2 区域因素影响下,叶面施硒对冬小麦产量、品质和籽粒硒富集影响差异

气温、降水等区域气候条件不仅对小麦的生长发育有重要的影响,同时也是影响叶面施硒效果的重要因素之一。本研究结果显示,受气温与降水影响,低温环境下,冬小麦叶面施硒的增产效应更好,而年平均气温较高时更有利于籽粒蛋白质和硒含量的提高,其原因可能是年平均气温低会使土壤有机质分解转化变缓,降低了土壤对有效硒的吸附作用,从而提高了土壤有效硒的移动性,有利于植物根系从土壤中获取硒元素,而生育后期是提高籽粒蛋白质和硒含量的关键时期,较高的温度,增加了叶片活性,进而增加了对外源硒的需求,使冬小麦的提质增产效应更加明显,这与Yu 等[35]的研究结果一致。在平均降水量<400 mm 的较低降雨环境下,叶面施硒对冬小麦的提质增产及籽粒硒富集效应达到最高,这是因为在年均降水量较低的干旱或半干旱地区,淋溶作用较差而水分蒸发作用较大,会将土壤溶液中的硒更多地聚集在地表,因而提高了硒的有效性,更利于植物根系对硒的吸收[36]。此外,小麦是耐旱作物,在年降水量较高的地区,土壤含水量高会影响小麦根系的发育,进而影响根系对硒素的吸收。

我国是典型的缺硒国家之一,全国土壤硒含量的地带性分布差异极大。东南部及西部土壤硒含量较高,而东北、华北、西南及四川盆地硒含量较低,展现出一条贯穿全国的由东北至西南走向的低硒带[37],硒的地带性分布差异决定了生长在不同地带性土壤上的植物的富硒效果的差异。本研究发现,在不同区域间叶面施硒对冬小麦产量与蛋白质含量存在显著差异,整体表现为东部高于西部,南部高于北部,华东地区叶面施硒提质增产效果显著高于其他地区,而冬小麦籽粒硒富集效应不显著但有正效应,整体表现为自西向东逐渐降低的趋势,西北地区最高。这与刘慧等[11]的研究结果一致,其推测小麦籽粒硒含量的区域差异可能与土壤有机质含量的区域差异有关。不同区域间,因气候、海拔、土壤肥力和适宜种植的小麦品种等因素间差异较大,在综合影响下,不同区域间叶面施硒效果差异明显。因此,在不同区域应因地制宜,结合各地区的自然条件,使用适宜的叶面施硒管理措施,能更好地发挥叶面施硒的效果。

3.3 叶面施硒管理因素影响下,叶面施硒对冬小麦产量、品质和籽粒硒富集影响差异

研究结果发现,叶面施硒对冬小麦的提质增产效应受硒施用量的影响显著,叶面施硒的增产效应在10～30 g·hm-2时达到最高,而提质效应需要在60～100 g·hm-2时才能达到峰值,原因可能是产量的提升主要在于籽粒主要成分淀粉积累,淀粉含量的提高进而会导致蛋白质含量的稀释[38];由此可见,冬小麦的提质和增产对硒的需求并不一致,蛋白质含量的提高对硒元素的需求更多。硒施用量也是影响冬小麦籽粒硒富集最直接的因素。籽粒硒含量随施硒量的增加而增加,这与王琪[39]的研究结论一致。但过高的硒浓度会对小麦产生毒害作用[14]。因此,叶面施硒并非是用量越高越好。结合本研究数据库汇总的379 组叶面施硒文献数据,计算得出每增加1 g·hm-2施硒量,冬小麦籽粒硒含量平均增加0.015 mg·kg-1,以及根据推荐成人每日硒摄入量“60～400 μg”进行换算,叶面施硒量范围在15～60 g·hm-2可以达到富硒标准并满足人体所需。应根据各地实际情况,合理优化施硒量,实现协同小麦提质增产及籽粒硒含量的最佳硒供应。

不同时期叶面施硒对冬小麦产量有正效应但不显著,对籽粒蛋白质和硒含量效果有显著正效应。对冬小麦产量而言,拔节期增产效果最好而后逐渐降低,分析原因可能与冬小麦不同生育期对硒的敏感性差异有关,其对硒素的吸收、无机硒转化为有机硒的能力以及对硒的转运水平均有影响[40]。叶面施硒能增加小麦籽粒产量的因素在于显著增加小麦穗数和粒重,但对穗粒数无显著影响[20,41-42]。拔节期作为决定小麦穗数的关键时期,通过叶面施硒对小麦产量提高有显著影响,而孕穗期、抽穗期作为穗粒数的决定期,叶面施硒增产效果一般,而生育后期增产效果较低可能与叶面喷施硒肥后,对硒的运输阻碍了养分向小麦籽粒的转移有关[43]。对籽粒蛋白质而言,孕穗期和灌浆前期喷施效果较好,硒含量在开花期及灌浆前期施用效果最高,这与刘庆等[30]、唐玉霞等[44]的研究结果一致。这可能与小麦对硒的吸收、储存与转运有关,营养生长与生殖生长并进时期叶面喷施硒肥后,小麦会将一部分硒转化固定到茎叶当中,而在生殖生长阶段,叶片吸收的硒能很快转运到小麦籽粒中,进而提高小麦籽粒蛋白质和硒含量[45]。植物开花期是植物的敏感期,喷施叶面肥会导致授粉不良,因此,叶面施硒的最佳时期在孕穗期和灌浆前期。

研究结果发现,对叶面施硒次数而言,分两次喷施较一次喷施对冬小麦产量无明显差异,对籽粒蛋白质和硒含量的提升效果较好,这与于丽敏等[46]的研究结果一致。有研究认为小麦对硒素耐受能力强[47],应采用浓度合适的硒溶液一次喷施,进而降低成本。综合来看,选择合适的叶面喷施次数应该因地制宜,若施硒量较高,建议分次喷施,降低喷施溶液浓度,减少因施硒肥造成的环境问题,提高硒肥利用率。若施硒量较低,可以单次喷施,以确保作物吸收到足够的硒,促进生长发育。

3.4 土壤肥力因素影响下,叶面施硒对冬小麦产量、品质和籽粒硒富集影响差异

土壤作为农作物生长发育、物质能量交换的主要场所,土壤质量的好坏决定了植物根系的发育以及养分的高效利用。冬小麦叶面施硒的提质增产及籽粒硒富集效应与土壤肥力密切相关,本文结果显示,土壤硒含量在0.2～0.4 g·hm-2范围时叶面施硒对小麦产量、尤其是蛋白质含量影响效应显著,而过高或过低均会使叶面施硒效果降低,而缺硒土壤条件下,叶面施硒效果远高于富硒土壤,其原因可能与硒的供应量有关。这与Statwick 等[48]的研究结果一致,其认为在缺硒土壤中,硒总量与有效态硒呈线性关系,而高硒土壤条件下无相关性;Lyons 等[49]同样认为土壤硒含量是决定植物籽粒硒含量的关键性因素。土壤硒含量作为植物获取硒素的重要来源,对小麦叶面施硒效果有重要的影响,应结合当地土壤硒含量水平,优化叶面施硒管理措施。

pH 也是影响叶面施硒的重要土壤因素之一,但因试验数据太少本文未作相关统计。但已有研究显示,土壤pH 会影响土壤中硒的复合物稳定性,随土壤pH 增大,土壤对硒的吸附固定作用降低,土壤硒的有效性提高。有研究提出在酸性土壤上,可以施用含磷酸盐肥料或碱性碳酸氢铵肥料来降低土壤对亚硒酸盐的吸附,从而更有利于作物吸收积累硒[50];Johnson 等[51]的研究表明,提高土壤pH 可以增加土壤有效硒含量;李永华等[52]的研究表明,土壤pH 与硒的甲基化呈正比,pH 高的地区硒的迁移性较强;另外也有研究认为提高土壤pH 可以显著减少硒被土壤固定的量[53-54]。

本研究发现,叶面施硒的增产效应随土壤全氮含量上升而降低,而提质效应则随全氮含量上升而上升。一方面,土壤全氮含量较高时,叶面施硒对产量甚至达到了负效应,这可能是因为随着氮元素供应充足,硒促进了蛋白质的合成,从而稀释了淀粉积累导致产量下降;另一方面可能是土壤全氮与土壤有机质对有效态硒在土壤中的移动性会产生影响[55-56],进而产量效应下降,而蛋白质积累在生长后期硒供应充足,较高的土壤养分则更为关键。土壤有机质对叶面施硒的增产效果为正效应但不显著,其效应值表现为随土壤有机质增加呈先增长后降低的趋势。这可能是因为土壤有机质较低时,其含量增加会促进植物对硒的吸收,硒提高了植物对养分的吸收能力,进而达到增产的效果;而当土壤有机质高于某值时,会降低有效态硒在土壤中的移动性,且作物养分充足,所以降低了硒的增产效果。土壤有机质含量较高时,籽粒硒富集效果更好,这是土壤有机质含量较高时,能为小麦提供充足的养分,有利于硒元素向籽粒运输并吸收,硒富集效果更好。这与Fu 等[57]的研究结果相似,其认为土壤硒的有效性随土壤有机质的增加而增加;而Johnsson[58]的研究结果认为,土壤有机质含量低时,有利于作物对硒的吸收,而当土壤有机质高于某值时,作物对硒的吸收量会下降。

土壤有效磷与速效钾含量对冬小麦叶面施硒的增产效应影响不显著,对籽粒蛋白质有一定影响。土壤速效钾含量提高对籽粒硒富集有显著正效应,其原因为: 土壤中的磷酸根离子与亚硒酸根离子存在吸附竞争,导致硒的有效性增加;土壤钾含量的提高促进了植物根系的发育,提高了植物根系对硒的吸收转化[59]。Wang 等[60]的研究表明,土壤养分不足,尤其缺磷会导致籽粒硒含量的下降;而Hamdy 等[61]的研究显示,小麦籽粒硒含量与土壤中K2SO4-Se 有极显著相关性;还有研究报道,土壤有效磷能在一定程度上缓解硒浓度较高的毒害作用[62]。因此,小麦叶面施硒需要根据土壤养分情况合理补充,科学施用。

3.5 基于决策树分析的冬小麦叶面施硒策略

本文结合Meta 分析结果与决策树分析结果,发现最影响小麦籽粒达到富硒标准的因素依次为施硒量、土壤硒含量和土壤有机质含量。对于土壤硒含量较低的地区如华北、华中地区,可以使用有机富硒肥作为基肥,提高土壤硒含量与有机质含量,叶面喷施硒肥用量应>15 g·hm-2,以达到富硒标准;而土壤硒含量较高的地区如西北地区,应控制叶面喷施硒用量<60 g·hm-2,以避免硒含量超标,同时西北地区土壤较为贫瘠,有机质含量低,喷施硒肥时可配施腐殖酸等有机质,以提高硒肥利用率;华东地区土壤硒含量虽然较高,但其多为酸性土壤,土壤中硒有效性差,不易被植物吸收利用,增施硒肥又易造成土壤硒超标,可以少量多次叶面喷施硒肥,同时增施钾肥和有机质等,可以提高硒肥利用率。

4 结论

本研究通过对2000-2022 年间379 个样本的分析结果表明,与不施用硒肥相比,叶面施硒对冬小麦产量有正效应,为3.80% (置信区间3.30%～4.35%),但增产效应不显著;对小麦籽粒蛋白质及硒富集效应影响显著,分别为2.44% (置信区间1.97%～3.01%)和764.56% (置信区间655.40%～900.01%)。施硒效果受到区域、叶面施硒管理、土壤肥力等的影响。叶面施硒对冬小麦的提质增产效果表现为东部高于西部,南部高于北部,硒富集效应整体表现为自西向东逐渐降低;叶面施硒在灌浆前期喷施一次或孕穗期和灌浆前期喷施两次效果较好,叶面施硒量范围为15～60 g·hm-2,可以达到富硒标准及满足人体所需;土壤硒含量和土壤全氮含量对叶面施硒的增产效应有显著影响;土壤硒、全氮、有效磷、速效钾含量对叶面施硒提质效应具有显著影响;土壤硒、有机质和速效钾含量是影响叶面施硒对籽粒硒富集效果的重要肥力因素。决策树分析表明,影响小麦籽粒达到富硒标准的因素依次为施硒量、土壤硒含量和土壤有机质含量。在缺硒区域施硒量应>15 g·hm-2,并配施有机质,以确保达到富硒标准;在富硒区域施硒量应<60 g·hm-2,以避免硒含量超标。综上所述,冬小麦叶面施硒效果受多种因素综合影响,在实际生产中,应优化叶面施硒策略,因地制宜,制定最佳硒素管理措施,以减少污染,协同实现小麦产量与籽粒蛋白质含量的提升,达到高品质富硒标准。