中国锌肥施用对甜菜产量和产糖量影响的Meta分析

刘丹阳,宋柏权

(1.黑龙江大学 现代农业与生态环境学院,哈尔滨 150080;2.国家糖料改良中心/黑龙江省甜菜工程技术研究中心/黑龙江省普通高等学校甜菜遗传育种重点实验室,哈尔滨 150080)

0 引言

甜菜(Beta vulgaris L.)属于苋科,甜菜属,是两年生的草本植物,第一年进行营养生长,经过春化后第二年进行生殖生长[1-2]。甜菜是世界上最具经济价值的糖料作物之一,在世界范围内发挥着重要的作用,在我国甜菜种植区域主要分布在东北、西北和华北地区。根据用途常分为糖用甜菜、叶用甜菜、食用甜菜和饲用甜菜[3]。甜菜的生长发育离不开必需矿质营养元素,而高产优质甜菜生产不仅需要氮、磷、钾等大量元素的供应,更需要锌、硼等微量元素的合理施用。锌是作物的必需微量元素,在植株光合作用和生理代谢过程中有重要作用[4]。缺锌会严重影响甜菜的产量和含糖,目前关于甜菜施肥的研究仍主要集中在氮、磷、钾等大量元素,而对锌肥合理施用研究的关注还不足。

我国已有许多学者在针对施锌影响甜菜产量和产糖量方面开展了许多田间试验,在不同因素条件下,施锌对甜菜的增产和增糖效应以及最佳施肥量的研究结果并不相同。如研究发现,当施用22.5 kg/hm2硫酸锌作基肥时,增产率为20.32%,增糖量为32.54%[5]。而当喷施硫酸锌450 L/hm2后增产率为4.78%,增糖量为4.89%[6]。表明在不同地区,采用不同的施肥方式,施用锌肥对甜菜增产增糖的效果差异较大。以往大量的试验研究都是基于特定的试验地点进行的田间试验,故研究结果往往受当地环境条件,如土壤条件、气候条件等的影响,且受试验区域和面积的限制,不能全面反映我国施锌对甜菜产量和产糖量影响的整体情况,对于我国甜菜产量和品质的改善指导意义有限。

因此,整合我国甜菜研究中的施用锌肥数据,以不施锌肥处理为对照,运用Meta分析方法定量分析施用锌肥对甜菜产量和产糖量的影响。明确施用锌肥对甜菜产量和产糖量的影响,阐明不同影响因素下甜菜对施锌肥的响应特性,对于中国甜菜种植水平提升以及锌肥营养管理具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究基于关键词“甜菜”和“锌”在中国知网、万方中文数据库进行检索,收集了1974-2021年发表的关于施锌肥对我国甜菜产量和产糖量影响的文献。为了确保分析的准确性,遵循以下几个筛选标准对收集到的文献进行筛选:

(1)试验处理包含施锌肥和对照处理(不施锌肥),试验材料为甜菜;

(2)各试验明确记录施肥量;

(3)各试验重复次数不低于3次;

(4)包含产量、含糖率、产糖量的平均值至少两项;

(5)包括各试验的基本信息,如试验地点、土壤理化性质等。

利用筛选后所得文献中表格和图表的数据创建一个新的数据库。数据库主要包括文献中的原始信息:试验时间、种植区域、土壤类型、土壤肥力、试验地点、供试土壤养分含量、重复次数、供试品种、供试肥料种类、施肥量、施肥方式、施用时期与次数、产量、含糖率、产糖量等。

1.2 数据分析

1.2.1 标准差计算

Meta分析中计算各数据权重时使用标准差(SD),若文献中提供的数据为标准误(SE),则SD可通过公式(1)进行转换[7]。

(1)

式中,n是试验重复数。但若文献中也没有列出SE,则使用全部数据计算平均变异系数(CV),再用CV计算缺失的SD[7],计算公式为:

SD=CV×X

(2)

式中,X为缺失SD的数据值。

1.2.2 效应值计算

采用效应值lnR分析施锌对甜菜产量和产糖量的影响[7],计算公式如下:

R=Xt/Xc

(3)

lnR=ln(Xt/Xc)=lnXt-lnXc

(4)

式中,R为效应比,Xc和Xt分别为对照组(不施锌)和处理组(施锌)的甜菜产量或产糖量。变异系数V、权重Wij、加权平均响应比R++、R++的标准误S以及95%CI计算公式如下[7-9]:

(5)

Wij=1/V

(6)

(7)

(8)

95%CI=R++±1.96S(R++)

(9)

式(5)中,Sc和St分别为对照组和处理组的标准差;Nc和Nt分别为对照组和处理组的样本数。95%CI可用于R++的假设检验:若95%CI下限大于0,说明施锌对甜菜的增产或增糖效应显著;若95%CI上限小于0,说明施锌对甜菜增产或增糖效应存在显著的负效应;如果95%CI与0重叠,则说明施锌对甜菜增产或增糖效应无明显影响[9]。为更好地解释施锌对产量或产糖量变化的影响,将lnR转换为相对变化率(E),计算公式如下[7]:

E=exp(lnR++-1)×100%

(10)

1.2.3 异质性检验

本研究数据分析前,需确定不同试验结果间是否存在异质性,并根据异质性情况来选择分析模型。若显著性检验结果为P>0.05,说明不同试验结果间无明显差异,即说明不同结果间具有同质性,则选择固定效应模型(Fixed effect model,FEM);若显著性检验结果为P<0.05,则说明不同试验结果间存在明显异质性,故选择随机效应模型(Random effect model,REM)[9]。

1.2.4 Meta回归和亚组分析

将原文献按照一定标准划分为不同组别,并对其进行Meta回归分析以明确不同研究间异质性的来源。为了进一步阐明不同影响因素下施锌对甜菜的产量或产糖量影响效应,对不同的影响因素进行亚组分析。按照不同影响因素的分组情况(表1),进行亚组分析和Meta回归分析[10]。

表1 影响因素及分组Tab.1 Influencing factors and grouping

1.2.5 数据处理

运用Excel 2021构建数据库,进行数据汇总、分类以及相关指标的计算,采用MetaWin软件进行Meta分析,采用Stata14进行异质性检验、回归分析和亚组分析,采用Graphpad Pism9.5软件进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 影响甜菜产量和产糖量的因素分析

不同影响因素的分组情况如表1所示,土壤养分中土壤有效锌、有机质和全氮指标参考全国第二次土壤普查时土壤养分分级标准划分,其他影响因素按照查阅的参考文献以及收集的数据情况进行分组。

由表2可知,施用锌肥对甜菜产量的综合效应受种植区域、施肥方式、施肥量、土壤有机质含量和土壤有效锌含量等因素的影响达到了极显著的水平(P<0.001),受土壤全氮含量影响达到显著水平(P<0.01)。

表2 甜菜产量主要影响因素的Meta回归分析Tab.2 Meta regression analysis of the main factors influencing sugar beet yield

由表3可知,施用锌肥对甜菜产糖量的综合效应受到种植区域、施肥方式、施肥量、土壤有机质含量和有效锌含量等因素的影响达到了极显著的水平(P<0.001),受土壤全氮含量影响有较显著水平(P<0.05)。

表3 甜菜产糖量主要影响因素的Meta回归分析Tab.3 Meta-regression analysis of the main factors affecting sugar yield of sugar beet

2.2 在不同种植区域条件下施锌肥对甜菜产量和产糖量的影响

不同种植地区下施锌肥对甜菜增产效果不同(图1A)。西北地区施肥后增产效果最佳为10.09%;东北地区次之为7.39%;华北地区施用锌肥后增产效果最小为6.16%,且施肥后对产量的增产影响表现为不显著。

图1 不同种植区域条件下施锌对甜菜产量(A)和产糖量(B)效应值的影响Fig.1 Effect of zinc application on effect values of sugar beet yield (A) and sugar yield (B) under different growing area conditions

在不同种植区域施用锌肥对增糖效果也表现出显著差异(图1B)。西北地区施用锌肥后产糖量的增产幅度最大为15.25%;其次为东北地区其产量量增产幅度为12.85%;施用锌肥对华北地区产糖量的增产幅度最小为10.12%,且施肥后对增产影响表现为不显著。

2.3 在不同施肥方式和施肥量条件下施锌肥对甜菜产量和产糖量的影响

施用锌肥的量和施肥方式的不同对甜菜增产效应有明显的影响(图2A)。甜菜产量在施用锌肥量为15、1 530和30 kg/hm2时,随施肥量的增加呈现先增加后降低的趋势。施肥量为1 530 kg/hm2时增产幅度最大为13.21%;其次是施肥量为15 kg/hm2增产幅度为8.59%;施肥量为30 kg/hm2增产幅度最小为3.66%,并且对产量增产效应不显著。在不同的施肥方式下施用锌肥,基施对甜菜产量的增产效应较叶喷对甜菜产量增产效应更佳,其中在基施的施肥方式下施用锌肥增产幅度为9.40%,而叶喷为5.93%。

图2 不同施肥方式和施肥量条件下施锌对甜菜产量(A)和产糖量(B)效应值的影响Fig.2 Effect of zinc application on effect values of sugar beet yield (A) and sugar yield (B) under different fertilization methods and application rates

整合分析不同锌肥用量和施肥方式对甜菜产糖量的影响(图2B)。在施肥量为15、1 530和30 kg/hm2中,施肥量为1 530 kg/hm2的增糖效应最佳为20.14%;施肥量为15 kg/hm2增糖效应次之为12.83%;施肥量为30 kg/hm2增糖效应最小为8.40%,并且对产糖量增产效应不显著。施肥方式中,在基施方式下增糖幅度较大为15.97%,叶喷方式下增糖幅度较小为10.05%。

2.4 在不同土壤养分条件下施锌肥对甜菜产量和产糖量的影响

不同土壤养分条件下,施锌对甜菜的产量和产糖量增产的效果也不尽相同(图3),其中土壤有效锌含量对施肥的效果影响最为明显。对产量的影响表现为,有效锌含量0.5 mg/kg时施用锌肥增产效果最佳为10.99%,当有效锌含量0.5 mg/kg时增产效果较小为8.21%;土壤有机质含量为16 g/kg时较土壤有机质16 g/kg时增产效果更佳,分别为10.07%和1.39%;在土壤全氮含量为0.9 g/kg时增产效果更佳为10.11%,当含量0.9 g/kg时增产效果较小为4.85%,且全氮0.9 g/kg时对甜菜产量的影响不显著(图3A)。

图3 不同土壤养分条件下施锌对甜菜产量(A)和产糖量(B)效应值的影响Fig.3 Effect of zinc application on effect values of yield (A) and sugar yield (B) of sugar beet under different soil nutrient conditions

对产糖量的影响表现为,当土壤有效锌含量0.5 mg/kg和0.5 mg/kg时施用锌肥对产糖量的增产效应相似分别为15.35%和15.03%;当土壤有机质含量16 g/kg时施用锌肥对产糖量的增产效应较大为12.72%;当有机质含量为16 g/kg时施用锌肥对产糖量增产效应较小为9.50%,且对产糖量的增产影响不显著;不同土壤全氮条件下,土壤全氮为0.9 g/kg和0.9 g/kg时施用锌肥对产糖量的增产效应较为相似分别为13.78%和13.42%(图3B)。

3 讨论

3.1 种植区域对甜菜施锌肥增产和增糖的影响

我国甜菜种植区域分别广阔,不同种植区域的土壤条件和气候状况差别较大,特别是土壤有效锌含量的不同会直接影响甜菜的锌肥施用效果。研究发现,华北土壤有效锌含量最多,东北地区次之,西北土壤有效锌平均含量最少[11]。在本研究中,Meta分析结果也表明,施锌肥后对西北地区甜菜产量和产糖量的影响最显著,东北地区次之。说明西北地区甜菜种植区域土壤缺锌相对严重,施肥正效应更明显,在甜菜栽培生产中该地区更应该注重锌肥的应用。

3.2 施肥方式和施肥量对甜菜施锌增产和增糖的影响

适宜的田间管理措施能够为甜菜的生长发育提供良好的外部环境条件,是提高甜菜产量和质量的有效管理手段。本研究通过亚组分析发现,不同的施肥方法会影响甜菜的产量和产糖量,整体上以基施锌肥提高甜菜的增产和增糖效应更佳。其原因可能硫酸锌作为叶片追肥时虽然利用效率高,但施用量有限,也容易受温度、风速等影响施肥效果,相比较基施可为甜菜提供更充足的养分[12-13]。

施锌肥量同样也会影响甜菜的增产和增糖效应,随着施肥量的增加,增产和增糖效应先增加后降低。锌肥作为微量元素肥料,并非用量越多越好,生产中根据土壤有效锌含量和作物需锌特性来综合确定用量[14]。因此,甜菜生产中应结合产区土壤特点、主栽品种特性,将基肥和叶面喷施结合,最终促进蔗糖的合成和积累,提高块根产糖量。

3.3 土壤条件对甜菜施锌增产和增糖的影响

众多的研究结果表明,土壤基础条件会影响到肥料施用的效果[15-17];当土壤养分不足的情况下,施肥效果往往更加明显[18]。如不同土壤养分条件下施用氮肥的玉米增产效应的研究表明,当土壤有机质10 g/kg时,较土壤有机质含量为10～30 g/kg和30 g/kg的情况下的施肥增产效果更佳;当土壤全氮含量1 g/kg时的施肥增产效应较土壤全氮为1.0～1.5 g/kg和1.5 g/kg时的效果更佳[9]。当前的研究结果表明,当土壤有效锌含量为0.5 mg/kg时增糖幅度最佳;而土壤有机质含量16 mg/kg时施用锌肥对甜菜产量和产糖量效果最佳;在土壤全氮为0.9 g/kg时产量增产幅度较大。说明,施用锌肥时不但要考虑土壤中锌含量的丰缺,还要考虑土壤有机质、全氮含量等其他养分情况而综合考虑施锌措施。

4 结论

施锌肥可以提高中国不同主产区甜菜块根产量和产糖量;因种植区域土壤有效锌含量差异,西北甜菜产区的施锌增产和增糖效应最好。施肥量为1 530 kg/hm2时增产幅度最大为13.21%,产糖量增产幅度为20.14%;且以基施方式效果更佳。土壤理化性质中的有效锌、有机质和全氮含量对施锌效果具有显著影响。总之,锌肥在我国甜菜生产中具有重要作用,锌肥养分管理要结合甜菜产区土壤养分情况、栽培方式及生产水平综合考虑。