劉丹陽,宋柏權(quán)

(1.黑龍江大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院,哈爾濱 150080;2.國家糖料改良中心/黑龍江省甜菜工程技術(shù)研究中心/黑龍江省普通高等學(xué)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(jìn)行營養(yǎng)生長,經(jīng)過春化后第二年進(jìn)行生殖生長[1-2]。甜菜是世界上最具經(jīng)濟(jì)價值的糖料作物之一,在世界范圍內(nèi)發(fā)揮著重要的作用,在我國甜菜種植區(qū)域主要分布在東北、西北和華北地區(qū)。根據(jù)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(fā)育離不開必需礦質(zhì)營養(yǎng)元素,而高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)甜菜生產(chǎn)不僅需要氮、磷、鉀等大量元素的供應(yīng),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(yán)重影響甜菜的產(chǎn)量和含糖,目前關(guān)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(guān)注還不足。

我國已有許多學(xué)者在針對施鋅影響甜菜產(chǎn)量和產(chǎn)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(chǎn)和增糖效應(yīng)以及最佳施肥量的研究結(jié)果并不相同。如研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)施用22.5 kg/hm2硫酸鋅作基肥時,增產(chǎn)率為20.32%,增糖量為32.54%[5]。而當(dāng)噴施硫酸鋅450 L/hm2后增產(chǎn)率為4.78%,增糖量為4.89%[6]。表明在不同地區(qū),采用不同的施肥方式,施用鋅肥對甜菜增產(chǎn)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(jìn)行的田間試驗,故研究結(jié)果往往受當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件,如土壤條件、氣候條件等的影響,且受試驗區(qū)域和面積的限制,不能全面反映我國施鋅對甜菜產(chǎn)量和產(chǎn)糖量影響的整體情況,對于我國甜菜產(chǎn)量和品質(zhì)的改善指導(dǎo)意義有限。

因此,整合我國甜菜研究中的施用鋅肥數(shù)據(jù),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(chǎn)量和產(chǎn)糖量的影響。明確施用鋅肥對甜菜產(chǎn)量和產(chǎn)糖量的影響,闡明不同影響因素下甜菜對施鋅肥的響應(yīng)特性,對于中國甜菜種植水平提升以及鋅肥營養(yǎng)管理具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究基于關(guān)鍵詞“甜菜”和“鋅”在中國知網(wǎng)、萬方中文數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,收集了1974-2021年發(fā)表的關(guān)于施鋅肥對我國甜菜產(chǎn)量和產(chǎn)糖量影響的文獻(xiàn)。為了確保分析的準(zhǔn)確性,遵循以下幾個篩選標(biāo)準(zhǔn)對收集到的文獻(xiàn)進(jìn)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(fù)次數(shù)不低于3次;

(4)包含產(chǎn)量、含糖率、產(chǎn)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(zhì)等。

利用篩選后所得文獻(xiàn)中表格和圖表的數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個新的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫主要包括文獻(xiàn)中的原始信息:試驗時間、種植區(qū)域、土壤類型、土壤肥力、試驗地點、供試土壤養(yǎng)分含量、重復(fù)次數(shù)、供試品種、供試肥料種類、施肥量、施肥方式、施用時期與次數(shù)、產(chǎn)量、含糖率、產(chǎn)糖量等。

1.2 數(shù)據(jù)分析

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)差計算

Meta分析中計算各數(shù)據(jù)權(quán)重時使用標(biāo)準(zhǔn)差(SD),若文獻(xiàn)中提供的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)誤(SE),則SD可通過公式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)換[7]。

(1)

式中,n是試驗重復(fù)數(shù)。但若文獻(xiàn)中也沒有列出SE,則使用全部數(shù)據(jù)計算平均變異系數(shù)(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(shù)據(jù)值。

1.2.2 效應(yīng)值計算

采用效應(yīng)值lnR分析施鋅對甜菜產(chǎn)量和產(chǎn)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(yīng)比,Xc和Xt分別為對照組(不施鋅)和處理組(施鋅)的甜菜產(chǎn)量或產(chǎn)糖量。變異系數(shù)V、權(quán)重Wij、加權(quán)平均響應(yīng)比R++、R++的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)差;Nc和Nt分別為對照組和處理組的樣本數(shù)。95%CI可用于R++的假設(shè)檢驗:若95%CI下限大于0,說明施鋅對甜菜的增產(chǎn)或增糖效應(yīng)顯著;若95%CI上限小于0,說明施鋅對甜菜增產(chǎn)或增糖效應(yīng)存在顯著的負(fù)效應(yīng);如果95%CI與0重疊,則說明施鋅對甜菜增產(chǎn)或增糖效應(yīng)無明顯影響[9]。為更好地解釋施鋅對產(chǎn)量或產(chǎn)糖量變化的影響,將lnR轉(zhuǎn)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(zhì)性檢驗

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

1.2.4 Meta回歸和亞組分析

將原文獻(xiàn)按照一定標(biāo)準(zhǔn)劃分為不同組別,并對其進(jìn)行Meta回歸分析以明確不同研究間異質(zhì)性的來源。為了進(jìn)一步闡明不同影響因素下施鋅對甜菜的產(chǎn)量或產(chǎn)糖量影響效應(yīng),對不同的影響因素進(jìn)行亞組分析。按照不同影響因素的分組情況(表1),進(jìn)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(shù)據(jù)處理

運用Excel 2021構(gòu)建數(shù)據(jù)庫,進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、分類以及相關(guān)指標(biāo)的計算,采用MetaWin軟件進(jìn)行Meta分析,采用Stata14進(jìn)行異質(zhì)性檢驗、回歸分析和亞組分析,采用Graphpad Pism9.5軟件進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響甜菜產(chǎn)量和產(chǎn)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(yǎng)分中土壤有效鋅、有機(jī)質(zhì)和全氮指標(biāo)參考全國第二次土壤普查時土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)劃分,其他影響因素按照查閱的參考文獻(xiàn)以及收集的數(shù)據(jù)情況進(jìn)行分組。

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

表2 甜菜產(chǎn)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(chǎn)糖量的綜合效應(yīng)受到種植區(qū)域、施肥方式、施肥量、土壤有機(jī)質(zhì)含量和有效鋅含量等因素的影響達(dá)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(chǎn)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(qū)域條件下施鋅肥對甜菜產(chǎn)量和產(chǎn)糖量的影響

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

圖1 不同種植區(qū)域條件下施鋅對甜菜產(chǎn)量(A)和產(chǎn)糖量(B)效應(yīng)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(qū)域施用鋅肥對增糖效果也表現(xiàn)出顯著差異(圖1B)。西北地區(qū)施用鋅肥后產(chǎn)糖量的增產(chǎn)幅度最大為15.25%;其次為東北地區(qū)其產(chǎn)量量增產(chǎn)幅度為12.85%;施用鋅肥對華北地區(qū)產(chǎn)糖量的增產(chǎn)幅度最小為10.12%,且施肥后對增產(chǎn)影響表現(xiàn)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(chǎn)量和產(chǎn)糖量的影響

施用鋅肥的量和施肥方式的不同對甜菜增產(chǎn)效應(yīng)有明顯的影響(圖2A)。甜菜產(chǎn)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(xiàn)先增加后降低的趨勢。施肥量為1 530 kg/hm2時增產(chǎn)幅度最大為13.21%;其次是施肥量為15 kg/hm2增產(chǎn)幅度為8.59%;施肥量為30 kg/hm2增產(chǎn)幅度最小為3.66%,并且對產(chǎn)量增產(chǎn)效應(yīng)不顯著。在不同的施肥方式下施用鋅肥,基施對甜菜產(chǎn)量的增產(chǎn)效應(yīng)較葉噴對甜菜產(chǎn)量增產(chǎn)效應(yīng)更佳,其中在基施的施肥方式下施用鋅肥增產(chǎn)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(chǎn)量(A)和產(chǎn)糖量(B)效應(yīng)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(chǎn)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(yīng)最佳為20.14%;施肥量為15 kg/hm2增糖效應(yīng)次之為12.83%;施肥量為30 kg/hm2增糖效應(yīng)最小為8.40%,并且對產(chǎn)糖量增產(chǎn)效應(yīng)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(yǎng)分條件下施鋅肥對甜菜產(chǎn)量和產(chǎn)糖量的影響

不同土壤養(yǎng)分條件下,施鋅對甜菜的產(chǎn)量和產(chǎn)糖量增產(chǎn)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(chǎn)量的影響表現(xiàn)為,有效鋅含量0.5 mg/kg時施用鋅肥增產(chǎn)效果最佳為10.99%,當(dāng)有效鋅含量0.5 mg/kg時增產(chǎn)效果較小為8.21%;土壤有機(jī)質(zhì)含量為16 g/kg時較土壤有機(jī)質(zhì)16 g/kg時增產(chǎn)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(chǎn)效果更佳為10.11%,當(dāng)含量0.9 g/kg時增產(chǎn)效果較小為4.85%,且全氮0.9 g/kg時對甜菜產(chǎn)量的影響不顯著(圖3A)。

圖3 不同土壤養(yǎng)分條件下施鋅對甜菜產(chǎn)量(A)和產(chǎn)糖量(B)效應(yīng)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(chǎn)糖量的影響表現(xiàn)為,當(dāng)土壤有效鋅含量0.5 mg/kg和0.5 mg/kg時施用鋅肥對產(chǎn)糖量的增產(chǎn)效應(yīng)相似分別為15.35%和15.03%;當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)含量16 g/kg時施用鋅肥對產(chǎn)糖量的增產(chǎn)效應(yīng)較大為12.72%;當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量為16 g/kg時施用鋅肥對產(chǎn)糖量增產(chǎn)效應(yīng)較小為9.50%,且對產(chǎn)糖量的增產(chǎn)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(chǎn)糖量的增產(chǎn)效應(yīng)較為相似分別為13.78%和13.42%(圖3B)。

3 討論

3.1 種植區(qū)域?qū)μ鸩耸╀\肥增產(chǎn)和增糖的影響

我國甜菜種植區(qū)域分別廣闊,不同種植區(qū)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(fā)現(xiàn),華北土壤有效鋅含量最多,東北地區(qū)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(jié)果也表明,施鋅肥后對西北地區(qū)甜菜產(chǎn)量和產(chǎn)糖量的影響最顯著,東北地區(qū)次之。說明西北地區(qū)甜菜種植區(qū)域土壤缺鋅相對嚴(yán)重,施肥正效應(yīng)更明顯,在甜菜栽培生產(chǎn)中該地區(qū)更應(yīng)該注重鋅肥的應(yīng)用。

3.2 施肥方式和施肥量對甜菜施鋅增產(chǎn)和增糖的影響

適宜的田間管理措施能夠為甜菜的生長發(fā)育提供良好的外部環(huán)境條件,是提高甜菜產(chǎn)量和質(zhì)量的有效管理手段。本研究通過亞組分析發(fā)現(xiàn),不同的施肥方法會影響甜菜的產(chǎn)量和產(chǎn)糖量,整體上以基施鋅肥提高甜菜的增產(chǎn)和增糖效應(yīng)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(fēng)速等影響施肥效果,相比較基施可為甜菜提供更充足的養(yǎng)分[12-13]。

施鋅肥量同樣也會影響甜菜的增產(chǎn)和增糖效應(yīng),隨著施肥量的增加,增產(chǎn)和增糖效應(yīng)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(chǎn)中根據(jù)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(chǎn)中應(yīng)結(jié)合產(chǎn)區(qū)土壤特點、主栽品種特性,將基肥和葉面噴施結(jié)合,最終促進(jìn)蔗糖的合成和積累,提高塊根產(chǎn)糖量。

3.3 土壤條件對甜菜施鋅增產(chǎn)和增糖的影響

眾多的研究結(jié)果表明,土壤基礎(chǔ)條件會影響到肥料施用的效果[15-17];當(dāng)土壤養(yǎng)分不足的情況下,施肥效果往往更加明顯[18]。如不同土壤養(yǎng)分條件下施用氮肥的玉米增產(chǎn)效應(yīng)的研究表明,當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)10 g/kg時,較土壤有機(jī)質(zhì)含量為10～30 g/kg和30 g/kg的情況下的施肥增產(chǎn)效果更佳;當(dāng)土壤全氮含量1 g/kg時的施肥增產(chǎn)效應(yīng)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(dāng)前的研究結(jié)果表明,當(dāng)土壤有效鋅含量為0.5 mg/kg時增糖幅度最佳;而土壤有機(jī)質(zhì)含量16 mg/kg時施用鋅肥對甜菜產(chǎn)量和產(chǎn)糖量效果最佳;在土壤全氮為0.9 g/kg時產(chǎn)量增產(chǎn)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(jī)質(zhì)、全氮含量等其他養(yǎng)分情況而綜合考慮施鋅措施。

4 結(jié)論

施鋅肥可以提高中國不同主產(chǎn)區(qū)甜菜塊根產(chǎn)量和產(chǎn)糖量;因種植區(qū)域土壤有效鋅含量差異,西北甜菜產(chǎn)區(qū)的施鋅增產(chǎn)和增糖效應(yīng)最好。施肥量為1 530 kg/hm2時增產(chǎn)幅度最大為13.21%,產(chǎn)糖量增產(chǎn)幅度為20.14%;且以基施方式效果更佳。土壤理化性質(zhì)中的有效鋅、有機(jī)質(zhì)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(chǎn)中具有重要作用,鋅肥養(yǎng)分管理要結(jié)合甜菜產(chǎn)區(qū)土壤養(yǎng)分情況、栽培方式及生產(chǎn)水平綜合考慮。