我國小麥和玉米施用腐植酸效果的整合分析

關鍵詞：Meta分析；腐植酸肥料；產量構成因素；隨機森林模型；肥料效應

小麥和玉米是我國重要的糧食和飼料作物，提高小麥和玉米產量是提高糧食總產量、確保糧食安全的關鍵[1?2]。肥料在糧食增產中的作用占40%～50%，但我國化肥利用率低，不僅造成資源浪費，也帶來嚴重的環境問題，發展新型肥料是實現我國肥料產業質量替代數量的重要選擇[3]。腐植酸是動植物和微生物殘體等經過分解和轉化以及一系列地球生物化學過程后形成和積累的一類成分復雜的高分子有機物質[4]。腐植酸在農業上的應用十分廣泛，由于富含多種活性官能團，具有較高的物理、化學和生物活性，被認為具有改良土壤性質、促進植物生長、提高肥料施用效果等多種功能[5?6]。腐植酸可以與化肥配合制成含一定量腐植酸和無機養分的肥料，即腐植酸肥料。很多研究表明，腐植酸肥料可在不同程度上改善作物生長、提高肥料利用率，提升作物籽粒產量[7?12]。在華北棕壤上的研究表明，與施用普通尿素相比，腐植酸氮肥可以顯著提高單位面積玉米產量12.7%～26.8%[13]。在貴州黃壤上開展的研究表明，腐植酸尿素比普通尿素顯著提高玉米地上部生物量8.8%、提升產量14.3%[14]。也有研究表明，與常規復合肥相比，施用腐植酸復合肥對作物產量并無顯著提升，由于是在推薦施肥的基礎上添加腐植酸，從而過高估計了腐植酸的“增效”作用[15?16]。目前，關于腐植酸效果的研究多是基于單點試驗，受氣候條件、土壤性質、管理條件的影響，不同研究之間的效果存在很大差異。因此，在區域尺度上明確腐植酸在不同施用條件下的綜合效果以及關鍵影響因素，對于腐植酸合理施用和作物產量提升具有重要作用。整合分析（meta-analysis）是一種系統性的數據分析和研究方法，通過對多個獨立研究的結果進行整合，提高對特定研究問題的整體理解和結論的可信度[17?20]。本研究檢索近20年我國小麥和玉米施用腐植酸的相關文獻，采用meta分析結合隨機森林和結構方程模型方法，在全國范圍內系統研究不同氣候、土壤和施用方式下腐植酸對小麥和玉米產量及產量構成因素的影響，解析腐植酸影響產量的關鍵因素，為腐植酸的科學施用提供依據。

1材料與方法

1.1數據收集

本研究在中國知網、萬方數據、維普資訊等數據庫，以“腐植酸”、“腐殖酸”、“玉米”、“小麥”和“產量”為關鍵詞，檢索2000至2023年期間發表的關于腐植酸對作物產量和產量構成影響的相關文獻。對檢索到的文獻按以下標準進行篩選[17?18]：1）研究中同時包含施用腐植酸或腐植酸肥料與不施用腐植酸或腐植酸肥料處理，且其他條件保持一致；2）每個處理重復3次或3次以上，且數據可提取；3）供試材料中腐植酸或腐植酸肥料施用種類、用量必須明確；4）至少含有籽粒產量數據；5）試驗為我國境內開展的大田或盆栽試驗。基于這些篩選標準，一共獲取117篇相關文獻，可提取數據319組，獲取數據在全國的分布見圖1。

提取數據包括試驗地點、起止時間、試驗方式、種植方式、作物種類、作物產量（平均值、標準差SD或標準誤SE、樣本量n）、肥料類型、施用方式、施用量、土壤性質（土壤pH、有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀）和氣候信息（年平均降雨量、年平均氣溫）等[19]。

1.2數據分類

當試驗處理為施用腐植酸時，以不施用腐植酸處理為對照；當試驗處理為施用添加腐植酸的肥料時，以施用不添加腐植酸的肥料為對照。為了確定因素對腐植酸施用效果的影響，將提取到的數據按照作物種類（小麥、玉米）、試驗方式（大田試驗、盆栽試驗）、施用方式（基施、追施、基施+追施、葉面噴施）、施用年限（1季、2季、gt;2季）、肥料種類（腐植酸氮肥、腐植酸磷肥、腐植酸鉀肥、腐植酸鹽類、腐植酸復合肥、腐植酸有機肥、腐植酸葉面肥、其他）、施用量（lt;15、15～50、50～150、gt;150kg/hm2）等進行整合分類。在以上分類過程中，大田試驗數據以冬小麥和夏玉米為主，不再按種植季節劃分；腐植酸肥料種類按照最新國家標準GB/T38073—2019（腐植酸原料及肥料術語）劃分[21]；以腐植酸肥料形式施用時，腐植酸的施用量通過腐植酸肥料施用量和腐植酸質量分數進行換算；為保證數據的穩健性，腐植酸肥料類型進行分類時樣本量少于3個的類別不進行分類。

1.3數據分析

本研究采用響應比（responseratio，RR）作為效應量（effectsize）來評估施用腐植酸較不施用腐植酸對小麥和玉米產量和產量構成因素的影響。RR以處理組產量（Xt）與對照組產量（Xc）平均值比值的自然對數計算。整合分析通過對每個獨立樣本進行加權，計算出平均效應（RR++），此外平均值變異系數（V）、權重系數wi、RR++、RR++的標準差（S）和95%置信區間（CI）可通過下式計算[17]：

式中：Xt表示施用腐植酸或腐植酸肥料時作物產量或產量構成因素的平均值，Xc表示不施用腐植酸或腐植酸肥料時作物產量或產量構成因素的平均值，和分別表示施用腐植酸或腐植酸肥料時作物產量或產量構成要素的標準差和不施用腐植酸或腐植酸肥料時作物產量或產量構成的標準差；nt和nc分別表示施用腐植酸或腐植酸肥料時作物產量或產量構成要素的樣本數和不施用腐植酸或腐植酸肥料時作物產量或產量構成的樣本數；m為分組數（例如，不同腐植酸肥料種類），ki是第i分組處理和對照的比較對數。若響應比RR的95%置信區間未與橫坐標零線相交，表明施用腐植酸相比不施用腐植酸處理差異顯著（增加或降低），若各組響應比RR的95%置信區間在橫坐標值域上無重合，則表明各組之間差異顯著[22]。

在計算效應量過程中，計算每組數據的平均數（mean，M）、標準差（standarddeviation，SD）和樣本量（samplesize，n），若文獻中給出的是標準誤（standarderrors，SE）則采用公式（7）進行計算[22]：

計算平均效應量和95%置信區間（95%confidenceinterval，95%CI）時，為了更加直觀的觀察施用腐植酸對作物產量及產量構成因素的增效作用，通過[exp（RR）?1]×100%，將平均效應量轉換為百分比表示[17]。在計算平均效應量前，通過發表偏倚判斷數據整體的分布情況，使用漏斗圖進行可視化[23]。如圖2所示，響應比數據值在中心線周圍均勻分布，表明無發表偏倚；同時使用卡方檢驗（Chi-squaretest）進行異質性檢驗，假如檢驗結果Pgt;0.05則采用固定效應模型，否則采用隨機效應模型[24]。

隨機森林模型中，各因素影響腐植酸施用效果的重要性（importance）用均方誤差增加的百分比表示[increaseinMSE（%）][19]。采用結構方程模型（SEM）分析氣候和土壤性質影響腐植酸產量效應的路徑。在結構方程模型分析中，基于變量間協方差矩陣的統計方法，采用極大似然估計模型對結構方程的路徑系數進行分析；刪除最不顯著的路徑，直到保留在SEM中的路徑都是顯著的。根據相對卡方值（χ2/df）、擬合優度指數（GFI）和近似均方根誤差（RMSEA）對SEM的適用性進行評價。

1.4數據處理

本研究數據提取時，對于以數值形式展示的數據直接提取，對于圖形數據使用GetDataGraphDigitizer2.25軟件提取，利用MicrosoftExcel2016軟件建立數據庫；用MetaWin2.1軟件進行Meta分析相關計算；使用R語言（4.3.2）中隨機森林模型（RandomForest）軟件包計算影響因素重要性并進行作圖；使用Amos進行結構方程模型分析，并用Adobeillustrator2024進行繪圖。

2結果與分析

2.1小麥和玉米產量及其構成因素效應值的總體分布

從施用腐植酸相對不施用腐植酸時，小麥和玉米籽粒產量及產量構成響應比（即相對增加幅度）的頻率分布情況（圖3）可以看出，92.7%的樣本表現出增產效應（虛線右側樣本），平均增產8.0%；82.6%的樣本單位面積穗數表現出增加效應，平均增加17.4%；80.1%的樣本穗粒數表現出增加效應，平均增加5.2%；81.2%的樣本千粒重表現出增加效應，平均增加4.3%。

2.2施用腐植酸對小麥和玉米產量的影響

由圖4可知，小麥施用腐植酸的增產效果（8.9%）高于玉米（7.1%）；在試驗方式上，盆栽試驗增產效果（9.1%）高于大田試驗（7.7%）；從腐植酸肥料種類來看，腐植酸氮肥的增產效果（11.9%）最高，其次為腐植酸有機肥（11.1%），腐植酸磷肥的增產效果（6.4%）次之（6.4%）；在施用方式上，基肥和追肥配合施用腐植酸的增產幅度較大，達12.0%；在施用量上，隨著施用量的增加腐植酸增產效果反而呈現遞減趨勢，在施用量lt;15kg/hm2時增產幅度較高（21.9%）；在施用年限上，連續2季施用腐植酸使小麥和玉米的平均產量提升了9.6%。

2.3施用腐植酸對小麥和玉米單位面積穗數的影響

施用腐植酸小麥和玉米單位面積穗數分別顯著增加15.5%和18.6%（圖5）。其中，大田試驗比盆栽結果穩定；從肥料種類來看，腐植酸氮肥、復合肥、葉面肥分別提高小麥和玉米平均單位面積穗數4.3%、11.0%、19.7%，腐植酸復合肥和葉面肥提升效果顯著；施用方式上，葉面噴施腐植酸可顯著提升小麥和玉米的平均單位面積穗數20.4%；總體上，小麥和玉米平均單位面積穗數隨腐植酸施用量增加呈增加趨勢；在施用年限上，腐植酸施用年限越高，單位面積穗數增加幅度反而下降。

2.4施用腐植酸對小麥和玉米穗粒數的影響

如圖6所示，施用腐植酸分別提升小麥和玉米穗粒數12.9%和10.5%。其中，腐植酸氮肥、復合肥、葉面肥分別提高穗粒數0.6%、6.7%、6.1%；腐植酸基施提高穗粒數18.3%，提高幅度顯著大于基追配合和葉面噴施方式；施用量gt;150kg/hm2增加穗粒數19.9%，顯著高于其他用量。從施用年限來看，施用2季可增加穗粒數12.2%，高于其他施用年限。

2.5施用腐植酸對小麥和玉米千粒重的影響

由圖7可知，腐植酸分別顯著增加小麥和玉米的千粒重5.7%和4.0%。大田試驗顯著增加千粒重，而盆栽試驗效果不顯著。腐植酸氮肥顯著提高千粒重4.3%，其次為葉面肥提高3.2%。基施、基追配合、葉面噴施可顯著提高千粒重2.6%～3.2%，施用方式之間差異不顯著。從施用量來看，施用量為50～150kg/hm2時效果不顯著，其余施用量顯著提高千粒重4.1%～4.7%。隨著施用年限的增加，腐植酸提高千粒重的效果呈遞減趨勢。

2.6腐植酸影響產量和產量構成因素的效應值與環境因子的相關性

相關性分析結果（圖8）表明，腐植酸影響產量的效應值與土壤pH呈顯著正相關（Plt;0.05），與有機質、年平均氣溫呈顯著負相關（Plt;0.05），與年平均降雨量呈極顯著負相關（Plt;0.01）。腐植酸影響單位面積穗數的效應值與土壤pH和速效鉀呈極顯著負相關（Plt;0.01）；腐植酸影響穗粒數的效應值與年平均降雨量呈顯著負相關（Plt;0.05）；腐植酸影響千粒重的效應值與土壤速效鉀和年平均氣溫呈極顯著正相關（Plt;0.01），與土壤有機質和有效磷呈顯著負相關（Plt;0.05）。

2.7不同因素對腐植酸施用效應的重要性

由圖9可知，總的來看，土壤因素、腐植酸肥料種類和腐植酸用量在腐植酸施用效應中具有較高的重要性，氣候因素的重要性相對較低。各因素對腐植酸施用產量效應變異的貢獻率大小依次為速效鉀、有效磷、腐植酸肥料類型、有機質和堿解氮，對單位面積穗數效應變異的貢獻率大小依次為土壤有機質、腐植酸肥料種類、堿解氮、速效鉀、腐植酸用量、有效磷和pH，對穗粒數效應變異的貢獻率大小依次為腐植酸肥料種類、腐植酸用量、土壤pH和堿解氮，對千粒重效應變異的貢獻率大小依次為速效鉀、腐植酸肥料種類、有效磷和pH。

2.8不同因素對腐植酸產量效應的影響路徑

由結構方程模型結果（圖10）可知，年平均降雨量（?0.34）和年平均氣溫（?0.23）對腐植酸施用產量效應存在直接的顯著負影響；同時年平均降雨量（?0.92）和年平均氣溫（0.84）顯著影響土壤pH，而土壤pH對產量效應有顯著負作用（?0.24）。年平均降雨量對土壤有機質、全氮、有效磷和速效鉀存在負效應，而年平均氣溫對土壤有效磷和速效鉀有顯著正影響。土壤有機質和全氮對產量效應有負影響，土壤有效磷和速效鉀對產量效應是正影響，但均不顯著。

3討論

3.1施用方式對腐植酸施用效應的影響

本研究發現，施用腐植酸可以顯著提高小麥和玉米產量，其中小麥增產幅度高于玉米，在產量構成上穗粒數和千粒重的增加幅度均顯著高于玉米。腐植酸具有促進作物生長、改善土壤環境、調控養分釋放、提高抗逆性等功能[4?5]，對于生育期較長的小麥，腐植酸在生育后期促進穗粒數和千粒重大幅度增加可能與其對土壤微環境（土壤結構、微生物多樣性）的影響進而調控土壤養分活性與釋放有關[25?26]。腐植酸氮肥增產效果高于其他類型，這與很多研究[27?28]結果一致。腐植酸作為增效劑添加時，對尿素有較好的增效作用，腐植酸尿素可顯著提高玉米籽粒產量，同時提高土壤對尿素的保持力，減少氮素流失，因此提高養分利用效率[29?32]。此外，腐植酸用量也會顯著影響其施用效果，本研究中腐植酸增產作用隨著用量的增加呈降低趨勢，腐植酸添加量lt;15kg/hm2時增產幅度相對較高。有研究表明，腐植酸添加量在0～25kg/hm2遞增時，土壤中有效磷和速效鉀含量以及玉米產量都呈現先增后減的趨勢，并在15kg/hm2時達到最大，說明腐植酸添加量并不是越高越好[33?34]，過量腐植酸施用甚至導致根莖病害發生率的增加[35]。此外，腐植酸對作物生長發育的作用受到腐植酸分子結構和分子量的影響，研究表明小分子量（lt;1000Da）的腐植酸促進植物根系生長的效果顯著優于分子量大（gt;50000Da）的腐植酸[36]；在腐植酸適宜濃度下，高分子量腐植酸（gt;50000Da）更有利于促進玉米根系對大中量元素的吸收，低分子量腐植酸（lt;1000Da）在促進微量元素吸收方面更具有優勢[37]。施用腐植酸肥料時采用基、追配合的施肥方式對于小麥、玉米的增產效果最優，這種施肥方式在前期可以調控根系生長，而在后期通過改善土壤環境、調控養分釋放，滿足作物后期對養分的需求[38?39]；葉面噴施方式也表現出較好的增產效果，可以有效緩解作物后期的養分不足和高溫、干旱等環境脅迫[40]。

3.2環境因子對腐植酸施用效應的影響

施用腐植酸影響產量的效應與年平均降雨量和年平均氣溫呈顯著負相關；氣候因素對腐植酸產量效應的影響一方面是直接的負作用，溫度越高和降水越充足的區域，腐植酸的增產效果越低；也可以通過影響土壤環境對腐植酸施用效果產生間接影響，其中土壤pH是重要的因素，土壤pH與腐植酸影響產量的效應值呈正相關，而與單位面積穗數的效應值負相關。本研究對象小麥和玉米主要在我國北方地區，土壤以中性至堿性為主，包括很多鹽堿土，pH越高可能代表鹽堿脅迫嚴重[41]。腐植酸尿素施用可以顯著降低土壤pH，由于腐植酸本身含有多種酸性官能團，這些酸性官能團可以釋放出氫離子；此外腐植酸具有較強的離子交換能力，當腐植酸被施入土壤后，可以與土壤中的金屬陽離子（如鈣、鎂等）進行交換，釋放出更多的氫離子，在堿性土壤中達到中和酸堿度的作用[42]。年平均降雨量和溫度較高的區域土壤鹽基離子的流失較多，抑制鹽分在耕層土壤富集，降低土壤pH，因此土壤鹽堿脅迫程度較輕，而導致腐植酸通過緩解鹽堿脅迫而實現增產的效應降低[43?44]。

土壤養分供應能力是作物高產的重要限制因素，也是影響腐植酸施用效果的重要因素。腐植酸影響產量的效應與土壤有機質呈顯著負相關，土壤有機質含量越低，腐植酸的增產效果越高；土壤有效磷和速效鉀對于腐植酸提高產量和產量構成的效應也有較高的貢獻。腐植酸在影響土壤肥力方面具有很多作用：改善土壤結構，促進團聚體的形成，改善土壤的孔隙度和大小孔隙的搭配，從而提高土壤的蓄水保水能力[25，45]；腐植酸能夠調控土壤養分釋放，提高磷鉀的有效性[46]，減少氮肥養分損失，進而促進作物養分吸收，提高肥料利用效率[29?33]；同時施用腐植酸增加了玉米根部滲透活性溶質和內源激素的含量，提升了玉米的抗旱性[47?48]；在土壤酸化或鹽堿化的區域，作物出苗和前期生長會受到抑制，此時腐植酸能夠更好地發揮促苗促根、提高分蘗能力等作用，有效提高作物單位面積穗數[41?43]。土壤速效鉀是腐植酸影響千粒重效應貢獻最大的因子，腐植酸通過改善土壤鉀素供應和作物鉀素營養，促進光合產物向籽粒運輸，提高后期抗旱抗高溫脅迫能力；同時腐植酸可提高植物體內酶和土壤微生物的活性，增強植物的抗逆性，進而改善作物生育后期籽粒灌漿過程[26，39]。我國北方旱作農田土壤肥力尤其是有機質含量明顯偏低，腐植酸更能發揮改善土壤結構、養分含量和微生物活性等功能，在貧瘠土壤中腐植酸施用效果相對更好[25?27]。

4結論

施用腐植酸可顯著提高小麥和玉米產量，腐植酸提高小麥產量、穗粒數和千粒重的效應均高于玉米。腐植酸氮肥的增產幅度最大，腐植酸高施用量沒有促使產量進一步增加，基施和追施配合增產幅度更高。瘠薄土壤上施用腐植酸增產更明顯，增產效應與土壤有機質含量顯著負相關；有效磷和速效鉀是影響腐植酸產量和千粒重效應最重要的土壤因素，而有機質和速效氮是影響單位面積穗數和穗粒數較重要的土壤因素。年平均氣溫和年均降雨量與腐植酸的產量效應呈顯著負相關，其直接或通過土壤pH間接對腐植酸產量效應產生負作用。