中國鋅肥施用對甜菜產量和產糖量影響的Meta分析

劉丹陽,宋柏權

(1.黑龍江大學 現代農業與生態環境學院,哈爾濱 150080;2.國家糖料改良中心/黑龍江省甜菜工程技術研究中心/黑龍江省普通高等學校甜菜遺傳育種重點實驗室,哈爾濱 150080)

0 引言

甜菜(Beta vulgaris L.)屬于莧科,甜菜屬,是兩年生的草本植物,第一年進行營養生長,經過春化后第二年進行生殖生長[1-2]。甜菜是世界上最具經濟價值的糖料作物之一,在世界范圍內發揮著重要的作用,在我國甜菜種植區域主要分布在東北、西北和華北地區。根據用途常分為糖用甜菜、葉用甜菜、食用甜菜和飼用甜菜[3]。甜菜的生長發育離不開必需礦質營養元素,而高產優質甜菜生產不僅需要氮、磷、鉀等大量元素的供應,更需要鋅、硼等微量元素的合理施用。鋅是作物的必需微量元素,在植株光合作用和生理代謝過程中有重要作用[4]。缺鋅會嚴重影響甜菜的產量和含糖,目前關于甜菜施肥的研究仍主要集中在氮、磷、鉀等大量元素,而對鋅肥合理施用研究的關注還不足。

我國已有許多學者在針對施鋅影響甜菜產量和產糖量方面開展了許多田間試驗,在不同因素條件下,施鋅對甜菜的增產和增糖效應以及最佳施肥量的研究結果并不相同。如研究發現,當施用22.5 kg/hm2硫酸鋅作基肥時,增產率為20.32%,增糖量為32.54%[5]。而當噴施硫酸鋅450 L/hm2后增產率為4.78%,增糖量為4.89%[6]。表明在不同地區,采用不同的施肥方式,施用鋅肥對甜菜增產增糖的效果差異較大。以往大量的試驗研究都是基于特定的試驗地點進行的田間試驗,故研究結果往往受當地環境條件,如土壤條件、氣候條件等的影響,且受試驗區域和面積的限制,不能全面反映我國施鋅對甜菜產量和產糖量影響的整體情況,對于我國甜菜產量和品質的改善指導意義有限。

因此,整合我國甜菜研究中的施用鋅肥數據,以不施鋅肥處理為對照,運用Meta分析方法定量分析施用鋅肥對甜菜產量和產糖量的影響。明確施用鋅肥對甜菜產量和產糖量的影響,闡明不同影響因素下甜菜對施鋅肥的響應特性,對于中國甜菜種植水平提升以及鋅肥營養管理具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究基于關鍵詞“甜菜”和“鋅”在中國知網、萬方中文數據庫進行檢索,收集了1974-2021年發表的關于施鋅肥對我國甜菜產量和產糖量影響的文獻。為了確保分析的準確性,遵循以下幾個篩選標準對收集到的文獻進行篩選:

(1)試驗處理包含施鋅肥和對照處理(不施鋅肥),試驗材料為甜菜;

(2)各試驗明確記錄施肥量;

(3)各試驗重復次數不低于3次;

(4)包含產量、含糖率、產糖量的平均值至少兩項;

(5)包括各試驗的基本信息,如試驗地點、土壤理化性質等。

利用篩選后所得文獻中表格和圖表的數據創建一個新的數據庫。數據庫主要包括文獻中的原始信息:試驗時間、種植區域、土壤類型、土壤肥力、試驗地點、供試土壤養分含量、重復次數、供試品種、供試肥料種類、施肥量、施肥方式、施用時期與次數、產量、含糖率、產糖量等。

1.2 數據分析

1.2.1 標準差計算

Meta分析中計算各數據權重時使用標準差(SD),若文獻中提供的數據為標準誤(SE),則SD可通過公式(1)進行轉換[7]。

(1)

式中,n是試驗重復數。但若文獻中也沒有列出SE,則使用全部數據計算平均變異系數(CV),再用CV計算缺失的SD[7],計算公式為:

SD=CV×X

(2)

式中,X為缺失SD的數據值。

1.2.2 效應值計算

采用效應值lnR分析施鋅對甜菜產量和產糖量的影響[7],計算公式如下:

R=Xt/Xc

(3)

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

(4)

式中,R為效應比,Xc和Xt分別為對照組(不施鋅)和處理組(施鋅)的甜菜產量或產糖量。變異系數V、權重Wij、加權平均響應比R++、R++的標準誤S以及95%CI計算公式如下[7-9]:

(5)

Wij=1/V

(6)

(7)

(8)

95%CI=R++±1.96S(R++)

(9)

式(5)中,Sc和St分別為對照組和處理組的標準差;Nc和Nt分別為對照組和處理組的樣本數。95%CI可用于R++的假設檢驗:若95%CI下限大于0,說明施鋅對甜菜的增產或增糖效應顯著;若95%CI上限小于0,說明施鋅對甜菜增產或增糖效應存在顯著的負效應;如果95%CI與0重疊,則說明施鋅對甜菜增產或增糖效應無明顯影響[9]。為更好地解釋施鋅對產量或產糖量變化的影響,將lnR轉換為相對變化率(E),計算公式如下[7]:

E=exp(lnR++-1)×100%

(10)

1.2.3 異質性檢驗

本研究數據分析前,需確定不同試驗結果間是否存在異質性,并根據異質性情況來選擇分析模型。若顯著性檢驗結果為P>0.05,說明不同試驗結果間無明顯差異,即說明不同結果間具有同質性,則選擇固定效應模型(Fixed effect model,FEM);若顯著性檢驗結果為P<0.05,則說明不同試驗結果間存在明顯異質性,故選擇隨機效應模型(Random effect model,REM)[9]。

1.2.4 Meta回歸和亞組分析

將原文獻按照一定標準劃分為不同組別,并對其進行Meta回歸分析以明確不同研究間異質性的來源。為了進一步闡明不同影響因素下施鋅對甜菜的產量或產糖量影響效應,對不同的影響因素進行亞組分析。按照不同影響因素的分組情況(表1),進行亞組分析和Meta回歸分析[10]。

表1 影響因素及分組Tab.1 Influencing factors and grouping

1.2.5 數據處理

運用Excel 2021構建數據庫,進行數據匯總、分類以及相關指標的計算,采用MetaWin軟件進行Meta分析,采用Stata14進行異質性檢驗、回歸分析和亞組分析,采用Graphpad Pism9.5軟件進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 影響甜菜產量和產糖量的因素分析

不同影響因素的分組情況如表1所示,土壤養分中土壤有效鋅、有機質和全氮指標參考全國第二次土壤普查時土壤養分分級標準劃分,其他影響因素按照查閱的參考文獻以及收集的數據情況進行分組。

由表2可知,施用鋅肥對甜菜產量的綜合效應受種植區域、施肥方式、施肥量、土壤有機質含量和土壤有效鋅含量等因素的影響達到了極顯著的水平(P<0.001),受土壤全氮含量影響達到顯著水平(P<0.01)。

表2 甜菜產量主要影響因素的Meta回歸分析Tab.2 Meta regression analysis of the main factors influencing sugar beet yield

由表3可知,施用鋅肥對甜菜產糖量的綜合效應受到種植區域、施肥方式、施肥量、土壤有機質含量和有效鋅含量等因素的影響達到了極顯著的水平(P<0.001),受土壤全氮含量影響有較顯著水平(P<0.05)。

表3 甜菜產糖量主要影響因素的Meta回歸分析Tab.3 Meta-regression analysis of the main factors affecting sugar yield of sugar beet

2.2 在不同種植區域條件下施鋅肥對甜菜產量和產糖量的影響

不同種植地區下施鋅肥對甜菜增產效果不同(圖1A)。西北地區施肥后增產效果最佳為10.09%;東北地區次之為7.39%;華北地區施用鋅肥后增產效果最小為6.16%,且施肥后對產量的增產影響表現為不顯著。

圖1 不同種植區域條件下施鋅對甜菜產量(A)和產糖量(B)效應值的影響Fig.1 Effect of zinc application on effect values of sugar beet yield (A) and sugar yield (B) under different growing area conditions

在不同種植區域施用鋅肥對增糖效果也表現出顯著差異(圖1B)。西北地區施用鋅肥后產糖量的增產幅度最大為15.25%;其次為東北地區其產量量增產幅度為12.85%;施用鋅肥對華北地區產糖量的增產幅度最小為10.12%,且施肥后對增產影響表現為不顯著。

2.3 在不同施肥方式和施肥量條件下施鋅肥對甜菜產量和產糖量的影響

施用鋅肥的量和施肥方式的不同對甜菜增產效應有明顯的影響(圖2A)。甜菜產量在施用鋅肥量為15、1 530和30 kg/hm2時,隨施肥量的增加呈現先增加后降低的趨勢。施肥量為1 530 kg/hm2時增產幅度最大為13.21%;其次是施肥量為15 kg/hm2增產幅度為8.59%;施肥量為30 kg/hm2增產幅度最小為3.66%,并且對產量增產效應不顯著。在不同的施肥方式下施用鋅肥,基施對甜菜產量的增產效應較葉噴對甜菜產量增產效應更佳,其中在基施的施肥方式下施用鋅肥增產幅度為9.40%,而葉噴為5.93%。

圖2 不同施肥方式和施肥量條件下施鋅對甜菜產量(A)和產糖量(B)效應值的影響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

整合分析不同鋅肥用量和施肥方式對甜菜產糖量的影響(圖2B)。在施肥量為15、1 530和30 kg/hm2中,施肥量為1 530 kg/hm2的增糖效應最佳為20.14%;施肥量為15 kg/hm2增糖效應次之為12.83%;施肥量為30 kg/hm2增糖效應最小為8.40%,并且對產糖量增產效應不顯著。施肥方式中,在基施方式下增糖幅度較大為15.97%,葉噴方式下增糖幅度較小為10.05%。

2.4 在不同土壤養分條件下施鋅肥對甜菜產量和產糖量的影響

不同土壤養分條件下,施鋅對甜菜的產量和產糖量增產的效果也不盡相同(圖3),其中土壤有效鋅含量對施肥的效果影響最為明顯。對產量的影響表現為,有效鋅含量0.5 mg/kg時施用鋅肥增產效果最佳為10.99%,當有效鋅含量0.5 mg/kg時增產效果較小為8.21%;土壤有機質含量為16 g/kg時較土壤有機質16 g/kg時增產效果更佳,分別為10.07%和1.39%;在土壤全氮含量為0.9 g/kg時增產效果更佳為10.11%,當含量0.9 g/kg時增產效果較小為4.85%,且全氮0.9 g/kg時對甜菜產量的影響不顯著(圖3A)。

圖3 不同土壤養分條件下施鋅對甜菜產量(A)和產糖量(B)效應值的影響Fig.3 Effect of zinc application on effect values of yield (A) and sugar yield (B) of sugar beet under different soil nutrient conditions

對產糖量的影響表現為,當土壤有效鋅含量0.5 mg/kg和0.5 mg/kg時施用鋅肥對產糖量的增產效應相似分別為15.35%和15.03%;當土壤有機質含量16 g/kg時施用鋅肥對產糖量的增產效應較大為12.72%;當有機質含量為16 g/kg時施用鋅肥對產糖量增產效應較小為9.50%,且對產糖量的增產影響不顯著;不同土壤全氮條件下,土壤全氮為0.9 g/kg和0.9 g/kg時施用鋅肥對產糖量的增產效應較為相似分別為13.78%和13.42%(圖3B)。

3 討論

3.1 種植區域對甜菜施鋅肥增產和增糖的影響

我國甜菜種植區域分別廣闊,不同種植區域的土壤條件和氣候狀況差別較大,特別是土壤有效鋅含量的不同會直接影響甜菜的鋅肥施用效果。研究發現,華北土壤有效鋅含量最多,東北地區次之,西北土壤有效鋅平均含量最少[11]。在本研究中,Meta分析結果也表明,施鋅肥后對西北地區甜菜產量和產糖量的影響最顯著,東北地區次之。說明西北地區甜菜種植區域土壤缺鋅相對嚴重,施肥正效應更明顯,在甜菜栽培生產中該地區更應該注重鋅肥的應用。

3.2 施肥方式和施肥量對甜菜施鋅增產和增糖的影響

適宜的田間管理措施能夠為甜菜的生長發育提供良好的外部環境條件,是提高甜菜產量和質量的有效管理手段。本研究通過亞組分析發現,不同的施肥方法會影響甜菜的產量和產糖量,整體上以基施鋅肥提高甜菜的增產和增糖效應更佳。其原因可能硫酸鋅作為葉片追肥時雖然利用效率高,但施用量有限,也容易受溫度、風速等影響施肥效果,相比較基施可為甜菜提供更充足的養分[12-13]。

施鋅肥量同樣也會影響甜菜的增產和增糖效應,隨著施肥量的增加,增產和增糖效應先增加后降低。鋅肥作為微量元素肥料,并非用量越多越好,生產中根據土壤有效鋅含量和作物需鋅特性來綜合確定用量[14]。因此,甜菜生產中應結合產區土壤特點、主栽品種特性,將基肥和葉面噴施結合,最終促進蔗糖的合成和積累,提高塊根產糖量。

3.3 土壤條件對甜菜施鋅增產和增糖的影響

眾多的研究結果表明,土壤基礎條件會影響到肥料施用的效果[15-17];當土壤養分不足的情況下,施肥效果往往更加明顯[18]。如不同土壤養分條件下施用氮肥的玉米增產效應的研究表明,當土壤有機質10 g/kg時,較土壤有機質含量為10～30 g/kg和30 g/kg的情況下的施肥增產效果更佳;當土壤全氮含量1 g/kg時的施肥增產效應較土壤全氮為1.0～1.5 g/kg和1.5 g/kg時的效果更佳[9]。當前的研究結果表明,當土壤有效鋅含量為0.5 mg/kg時增糖幅度最佳;而土壤有機質含量16 mg/kg時施用鋅肥對甜菜產量和產糖量效果最佳;在土壤全氮為0.9 g/kg時產量增產幅度較大。說明,施用鋅肥時不但要考慮土壤中鋅含量的豐缺,還要考慮土壤有機質、全氮含量等其他養分情況而綜合考慮施鋅措施。

4 結論

施鋅肥可以提高中國不同主產區甜菜塊根產量和產糖量;因種植區域土壤有效鋅含量差異,西北甜菜產區的施鋅增產和增糖效應最好。施肥量為1 530 kg/hm2時增產幅度最大為13.21%,產糖量增產幅度為20.14%;且以基施方式效果更佳。土壤理化性質中的有效鋅、有機質和全氮含量對施鋅效果具有顯著影響?？傊?鋅肥在我國甜菜生產中具有重要作用,鋅肥養分管理要結合甜菜產區土壤養分情況、栽培方式及生產水平綜合考慮。