施用有機(jī)肥對生菜產(chǎn)量和品質(zhì)影響的Meta分析

夏思瑤，王 沖*，王新宇

（1．中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/生物多樣性與有機(jī)農(nóng)業(yè)北京市重點實驗室，北京 100193；2．農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測保護(hù)中心，北京 100125）

生菜葉片中富含維生素C、維生素A、胡蘿卜素、膳食纖維素、有機(jī)酸、苦苣素和微量元素等多種營養(yǎng)物質(zhì)［1］，能夠促進(jìn)蛋白質(zhì)和脂肪在人體腸胃道里的消化和吸收，改善人體腸胃的血液循環(huán)［2］。隨著生菜需求量的日益增加，菜農(nóng)為提高生菜產(chǎn)量，濫用化肥和偏施氮肥，不僅會造成設(shè)施土壤次生鹽漬化日趨嚴(yán)重，而且會導(dǎo)致生菜生長過程中所需的磷、鉀及微量元素缺乏，造成生菜硝酸鹽富集和營養(yǎng)品質(zhì)下降［3］，大量施用化肥也會使生菜口感較差，降低其經(jīng)濟(jì)效益，因此有必要開展相關(guān)研究，指導(dǎo)種植戶科學(xué)合理使用肥料，在保證穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)上，提高生菜品質(zhì)，增加種植收入［4］。

有機(jī)肥具有營養(yǎng)全面和有機(jī)質(zhì)豐富等特點［5］，科學(xué)施用能有效增加、更新土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤酸堿緩沖性能，促進(jìn)微生物繁殖［6-9］。相同施肥量條件下，有機(jī)肥替代可增加肥料利用率［10］。有機(jī)肥替代可以增加蔬菜產(chǎn)量，增加土壤微生物種群數(shù)量、豐度，提高酶活性，從而加速氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的活化，增強(qiáng)蔬菜對氮、磷的吸收能力，從而增加養(yǎng)分利用率［11-12］。施加生物有機(jī)肥有利于根際細(xì)菌、真菌和放線菌的增殖，提高土壤代謝強(qiáng)度，促進(jìn)植物吸收［13］。研究表明生菜可溶性糖含量、維生素C含量會隨著有機(jī)肥替代化肥幅度加大而增加，能顯著降低生菜硝酸鹽的累積［14］。有機(jī)肥對生菜的提質(zhì)增效作用顯著，但以往的研究都是對生菜產(chǎn)量或品質(zhì)進(jìn)行單因素分析，所以本研究使用整合分析方法，定量分析施用有機(jī)肥對生菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，明確有機(jī)肥對生菜生長的綜合效應(yīng)，以期為有機(jī)肥在生菜種植過程中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究收集的數(shù)據(jù)是通過在中國知網(wǎng)（CNKI）、萬方、維普和Web of Science等數(shù)據(jù)庫，分別輸入“生菜（lettuce）”或（or）“葉用萵苣（lettuce）”和（and）“有機(jī)肥（organic fertilizer）”為主要關(guān)鍵詞，檢索了截至2020年4月20日公開發(fā)表的有機(jī)肥對生菜生長相關(guān)的文獻(xiàn)，根據(jù) Meta-analysis方法對數(shù)據(jù)整合的要求和本研究的目的，對檢索到的文獻(xiàn)按照如下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選：（1）研究區(qū)域位于中國；（2）試驗中包含對照組，對照組為不施有機(jī)肥；（3）試驗數(shù)據(jù)中必須含有生菜產(chǎn)量指標(biāo)或者品質(zhì)指標(biāo)；（4）試驗處理重復(fù)數(shù)必須大于或等于3?；谝陨虾Y選標(biāo)準(zhǔn)，共獲得符合條件的文獻(xiàn)50篇。

1.2 數(shù)據(jù)庫建立與分類

對符合標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)采用Excel 2010建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫，內(nèi)容主要包括對照組成分、處理組所用有機(jī)肥養(yǎng)分含量、有機(jī)肥施用量、試驗時間、種植天數(shù)、生菜產(chǎn)量、品質(zhì)等指標(biāo)。數(shù)據(jù)庫中收錄了來自東北、華北、華東、華南、華中、西北、西南7個區(qū)域內(nèi)的試驗數(shù)據(jù)，對照組采用施用有機(jī)肥處理。在收集數(shù)據(jù)的過程中，如果數(shù)據(jù)是以圖的形式展示，則采用GetData Graph Digitizer 2.26.0.20來獲得。

對所有收集到的獨立試驗數(shù)據(jù)，按照施用有機(jī)肥（對照組）與不施用有機(jī)肥（試驗組）處理，提取每篇文獻(xiàn)中各指標(biāo)的數(shù)據(jù)。將不施用有機(jī)肥處理分為不施用肥料處理和施用化肥處理。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗中的效應(yīng)值使用自然對數(shù)的反應(yīng)比（RR）進(jìn)行［15］。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用有機(jī)肥對生菜地土壤養(yǎng)分的影響

有機(jī)肥的施用顯著影響了生菜地的土壤養(yǎng)分（圖1）。相較于不施用肥料，施用有機(jī)肥對土壤的有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀存在顯著的正向效應(yīng)（圖1a），對土壤的全氮、堿解氮以及土壤酶活性有顯著的正向效應(yīng)（圖1b）。而與施用化肥相比，施用有機(jī)肥對土壤的有效磷、速效鉀、全氮、堿解氮、土壤酶（土壤過氧化氫酶和脲酶）活性產(chǎn)生顯著的正效應(yīng)。結(jié)果表明，有機(jī)肥的施用能夠顯著提高土壤的速效養(yǎng)分（有效磷和速效鉀）含量以及土壤酶活性。

2.2 施用有機(jī)肥對生菜生長的影響

施用有機(jī)肥對生菜的生長存在顯著影響（圖2）。相較于施用化肥，有機(jī)肥的施用對生菜的根長存在顯著的正向效應(yīng)，且正向效應(yīng)最為顯著，但對生菜的葉寬以及葉片數(shù)的正向效應(yīng)低于施用化肥的處理，對生菜的株高和葉綠素含量沒有產(chǎn)生顯著影響。而相較于不施用肥料，有機(jī)肥的施用對生菜的形態(tài)指標(biāo)（葉片數(shù)和葉寬）以及葉綠素含量存在顯著的正向效應(yīng)，但對生菜的株高和根長無顯著影響。

2.3 施用有機(jī)肥對生菜產(chǎn)量的影響

圖3 顯示，相較于不施用化肥的處理，施用有機(jī)肥對生菜的產(chǎn)量（地上鮮重、地下鮮重、干重和鮮重）均產(chǎn)生顯著的正向效應(yīng)，地上鮮重增加最為顯著；而相較于施用化肥，有機(jī)肥的存在對生菜的鮮重和地上部鮮重產(chǎn)生顯著的負(fù)向效應(yīng)，但對生菜的干重和地下部鮮重未產(chǎn)生顯著影響。

2.4 施用有機(jī)肥對生菜品質(zhì)的影響

施用有機(jī)肥對生菜的品質(zhì)存在顯著影響（圖4）。與不施用肥料相比，有機(jī)肥的存在對生菜的硝酸鹽、還原糖、可溶性糖、可溶性蛋白、維生素C、氨基酸以及生菜養(yǎng)分含量（N、P、K）存在顯著的正向效應(yīng)，且對氨基酸含量的正向效應(yīng)最顯著。與施用化肥相比，有機(jī)肥的存在對生菜的還原糖、可溶性糖、維生素C含量以及生菜養(yǎng)分含量（N、P）存在顯著的正向效應(yīng)；對生菜的硝酸鹽、亞硝酸鹽含量以及氨基酸含量存在顯著的負(fù)向效應(yīng)（圖4）。

2.5 施用有機(jī)肥對土壤-生菜系統(tǒng)的綜合效應(yīng)

有機(jī)肥的施用改善了土壤的物理結(jié)構(gòu)，使土壤容重降低27.04%，從而使土壤中硝態(tài)氮含量提高了24.12%。土壤中蔗糖酶、過氧化氫酶以及脲酶的含量分別增加了80.49%、33.92%和23.04%，增強(qiáng)了土壤的微生物活性，從而使土壤中有機(jī)質(zhì)含量提高了44.67%。土壤酶活性的提高以及葉綠素含量的增加，使生菜的可溶性糖、總糖以及可溶性蛋白含量分別增加了24.85%、83.45%和24.1%。土壤中硝態(tài)氮含量的提高使生菜的氨基酸含量顯著增加了192.89%，提升了生菜的品質(zhì)。生菜地施用有機(jī)肥，使土壤的全氮以及有效磷含量分別增加了75.69%和91.47%，從而促進(jìn)了生菜的生長（圖5）。

3 討論

3.1 有機(jī)肥對生菜地的土壤理化性質(zhì)的影響

土壤速效養(yǎng)分是土壤中直接被植物吸收利用的營養(yǎng)元素，是評價土壤供應(yīng)養(yǎng)分的強(qiáng)度指標(biāo)之一，過低會造成作物生長不良，過高會造成養(yǎng)分浪費和環(huán)境污染等問題［4］。施用有機(jī)肥顯著提高了土壤硝態(tài)氮含量（圖1），原因是有機(jī)肥可改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤容重［16］，增加土壤孔隙度，進(jìn)一步增加土壤通氣性，有利于土壤中微生物的生長和繁殖，微生物通過生命活動產(chǎn)生的酶或酸性物質(zhì)可促進(jìn)土壤中難溶解的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，從而提高了土壤中硝態(tài)氮含量［17］。

施用有機(jī)肥可以提高土壤堿解氮、有效磷、速效鉀等多種有效養(yǎng)分含量（圖1），主要是由于有機(jī)肥的施用可以增加土壤有機(jī)酸含量，而有機(jī)酸能促進(jìn)礦物質(zhì)的有效化和釋放［18-19］，從而提高土壤中速效養(yǎng)分的含量。土壤酶活性可在一定程度上反映土壤熟化程度和肥力水平，且可作為評價土壤肥力的重要指標(biāo)［20］。土壤脲酶是催化尿素水解的酶，是土壤中決定氮轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶，其活性高低可反映土壤無效態(tài)氮向有效態(tài)氮轉(zhuǎn)化及供應(yīng)無機(jī)態(tài)氮的能力［21］；土壤蔗糖酶是參與土壤有機(jī)碳循環(huán)的酶，其活性反映了土壤的熟化程度和肥力水平，對增加土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)起到非常重要的作用［22］；土壤過氧化氫酶是微生物或植物產(chǎn)生的一類氧化還原酶，是土壤中的重要酶類，能催化很多反應(yīng)，以過氧化氫為底物可快速將土壤代謝產(chǎn)生的廢物轉(zhuǎn)化為無害或毒性較小的物質(zhì)，同時釋放出氧氣［23］。有機(jī)肥的施用提高了土壤的蔗糖酶、過氧化氫酶以及脲酶的含量，提高土壤的氧氣利用率，為微生物提供更好的條件，改善了土壤的微生物群落結(jié)構(gòu)，提高了土壤肥力。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中各種營養(yǎng)元素特別是氮、磷的主要來源，具有改善土壤物理性狀的功能［24］，在保蓄土壤水分、增加土壤陽離子交換量、改善土壤結(jié)構(gòu)、緩沖土壤pH變化方面都起到極重要的作用［25-27］。有機(jī)肥的施用不僅可在一定程度上改善土壤容重等物理性狀，提高土壤透氣性及其保水保肥能力，還可以增加作物根系生物量和根系分泌物的分泌量，從而提升土壤微生物活性并改善其群落結(jié)構(gòu)組成［28-30］。

3.2 有機(jī)肥對生菜產(chǎn)量的影響

根系作為植物吸收養(yǎng)分和水分的主要器官，其發(fā)達(dá)程度直接影響作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成。根系生長發(fā)育受土壤質(zhì)地［31］、水分狀況［32］、營養(yǎng)水平［33］等因素影響。有機(jī)肥含有植物所必需的氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)，同時有機(jī)肥腐解后產(chǎn)生的一些酸性物質(zhì)和生理活性物質(zhì)，能夠促進(jìn)種子發(fā)芽和根系生長［34］，可以顯著促進(jìn)根系生長發(fā)育，提高根干物質(zhì)質(zhì)量，提升根系吸收能力［35］。這主要是因為施用有機(jī)肥改善了土壤結(jié)構(gòu)［36］，增加了微生物種群及活性，并增強(qiáng)了土壤持續(xù)供應(yīng)養(yǎng)分的能力［28］，促進(jìn)了根系的生長發(fā)育，進(jìn)而有利于作物生長。但有機(jī)肥養(yǎng)分含量相比化肥較低、肥效長且緩慢，在作物旺盛生長時期，有機(jī)肥不能及時滿足作物的需求［37］，并且過量的有機(jī)質(zhì)可能會對作物生長起到負(fù)面作用，從而抑制作物生長，因此對生菜的產(chǎn)量存在一定的負(fù)向效應(yīng)。

3.3 有機(jī)肥對生菜品質(zhì)的影響

作物硝酸鹽含量與土壤礦質(zhì)氮的含量呈正相關(guān)，有機(jī)肥料中含有較多的酚、糖、醛類化合物及羧基，可對肥料中的NH4+進(jìn)行吸附和固定，抑制NH4+的硝化作用，減少硝態(tài)氮的形成［38-39］。有機(jī)肥料中含有豐富的有機(jī)質(zhì)，各種養(yǎng)分較全面，而生物降解有機(jī)質(zhì)是個漸進(jìn)過程，養(yǎng)分釋放較為緩解，這有利于氮的礦化作用，從而有利于協(xié)調(diào)生菜氮素養(yǎng)分吸收與還原轉(zhuǎn)化不平衡以及氮吸收與生長不協(xié)調(diào)的矛盾，也有利于降低硝酸鹽的含量及利于維生素C的合成［40-41］。糖及其活化物通過提供底物、中間產(chǎn)物、能量、還原力等形式，參與果實多種代謝活動，是果實品質(zhì)形成的重要因素［42］。有機(jī)肥中豐富的有機(jī)質(zhì)、氨基酸、有益菌等［43］，可提高葉片光合色素含量［44-45］。葉綠素在植物光合作用過程中參與光能的吸收和傳遞，是植物進(jìn)行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)［46］。施用有機(jī)肥提高了生菜的可溶性蛋白含量（圖4），是因為有機(jī)肥促進(jìn)了生菜光合作用速率和碳水化合物的合成與代謝，提高了生菜的硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶等氮代謝相關(guān)酶活性，進(jìn)而促進(jìn)蛋白質(zhì)的同化［47-48］。而有機(jī)肥對蔗糖代謝相關(guān)酶活性的積極作用，影響了生菜對碳水化合物的吸收，從而提高了生菜的可溶性糖含量［49］。施用有機(jī)肥能夠顯著增加農(nóng)田土壤呼吸通量［50-52］，顯著促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)光合產(chǎn)物積累，增加土壤碳儲量［53］。已有研究也表明有機(jī)肥有改善土壤結(jié)構(gòu)、增加作物產(chǎn)量、優(yōu)化作物品質(zhì)的效果［54-56］。因此，有機(jī)肥的施用能夠通過改善土壤孔隙度、 有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分等土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)植物生長。

4 結(jié)論

有機(jī)肥的施用可以改善土壤的物理結(jié)構(gòu)，提高土壤酶活性，增加微生物活性，從而提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量。土壤容重的降低使硝態(tài)氮含量顯著增加，提高了生菜的氨基酸含量。土壤速效養(yǎng)分含量的提高增加了生菜的根系生物量，促進(jìn)了生菜的根系生長；土壤蔗糖酶含量的提高可以顯著提高生菜的可溶性固形物含量，提升了生菜品質(zhì)。有機(jī)肥的施用可以增加土壤中微生物數(shù)量，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)生菜的氮素吸收，增加生菜的可溶性固形物的含量，改善生菜的品質(zhì)。