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果園生草對中國果樹?土壤系統生產性能影響的Meta 分析

2024-06-28 22:22:23高麗敏顧澤辰貢雪菲崔聯明郭東森周影王琳魏啟舜
中國農業科技導報 2024年4期
關鍵詞:Meta分析產量

高麗敏 顧澤辰 貢雪菲 崔聯明 郭東森 周影 王琳 魏啟舜

摘要:果園生草在改善果園環境、土壤生態、果樹生理等方面具有重要作用。采用Meta 分析方法,搜集2000—2022年669組數據,定量分析了果園生草對果實產量、果實品質、果園發病率、土壤理化性狀及微生物多樣性等的影響。結果表明,果園生草能顯著提高果實產量(11.9%),但對處于低溫區域(年均氣溫低于10 ℃)、土壤偏堿(pH>7)、有效磷含量較低(<5 mg·kg?1)或偏高(>40 mg·kg?1)及土壤速效鉀含量較高(≥100 mg·kg?1)的果園無顯著影響。草種類、土壤速效鉀含量及果園類型是果園增產效應的關鍵影響因素,貢獻率達到17.4%、9.8%、9.7%。果園生草提高了果實品質,顯著降低了果園的發病率。果園生草顯著提高了果園土壤的有機質、全氮、堿解氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀、有效鋅、有效銅、有效猛、有效鎂含量。在果園0—20 cm土層,生草增加了土壤含水量、孔隙度,提升了土壤關鍵酶活性、微生物數量、碳氮量及群落多樣性。結果表明,果園生草在改善果樹-土壤系統生產性能中具有積極作用,是實現果園綠色可持續發展的有效措施。

關鍵詞:果園生草;產量;品質;土壤理化性質;土壤微生物;Meta分析

doi:10.13304/j.nykjdb.2024.0029

中圖分類號:S181 文獻標志碼:A 文章編號:10080864(2024)04018411

我國是世界上果樹種植面積較大、總產量較高的國家。中國統計年鑒數據顯示,2020年我國果樹種植面積為1 265萬hm2,總產量高達28 692萬t[1]。目前,土壤質量是影響我國果實產量的關鍵因素,果園立地條件差,土壤有機質水平低,會導致樹勢弱、果實產量低下等問題[2]。投入大量化肥雖然能夠維持果樹的高產,但誘發的樹體營養失衡、土壤酸化和板結等問題往往會引起產量不穩定[34]、果園病害頻發等問題[56]嚴重制約了我國果樹產業的發展與轉型。因此,通過果園土壤管理措施降低化學肥料的投入,改善果樹?土壤系統生產性能,進而提高土壤地力及果實產量,對實現我國果園綠色健康發展具有重要意義。

果園生草指在果園種植草本植物的一種管理方式,多用于成年期果樹土壤管理,種植的草種以禾本科、豆科為主,可直接翻壓或切割處理后作為綠肥施用在果園土壤中[7]。越來越多的研究證明,相較于傳統的清耕管理,果園生草在改善果園土壤生態等方面具有重要作用[2, 8?9]。秦秦等[10]研究表明,獼猴桃行間生草可以有效調控0—20 cm表層土壤理化性質;肖力婷等[11]研究表明,生草顯著增加了橘園土壤有機質及氮、磷、鉀的含量,提高了土壤肥力及果實產量;段志龍等[12]研究表明,蘋果園種植豆科綠肥可以顯著降低土壤容重,提高果實產量;王燕和白崗栓[13]研究認為,自然生草可提高0—40 cm 土層中土壤全氮、有效磷、速效鉀含量。此外,也有部分研究結果認為果園生草對果實產量并無顯著的正向效應:胡斌等[14]研究表明,與清耕相比,黑麥草、光葉紫花苕、紫花苜蓿種植對芒果產量的提升效應不顯著;樊巍等[15]研究表明,全園生草間作紫花苜蓿導致單株產量、平均單果重均有所下降。

關于果園生草對果實產量及土壤特性影響的研究目前尚未有一致的結論,這可能與生草種類、果園類別、地理條件、土壤基礎地力等因素有關,所得結論也僅適用于特定試驗點。近年來,相關研究逐年增多,為從宏觀角度分析果園生草對土壤肥力及產量的影響奠定了良好的基礎。Meta分析是一種基于大量數據的定量分析方法,其通過提取同一主題、相互獨立的研究文獻數據并進行深度分析,可以定量回答獨立研究所無法回答的問題,形成更為準確、可靠和普適性的研究結論,并為后續研究提供參考。因此,本文運用Meta 分析的方法,定量研究果園生草對果實產量、土壤特性的影響并確定相關影響因素,探討果園生草影響果實產量的可能機制,研究結果可為果園綠色可持續生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

通過中國知網(CNKI)、Web of Science 等數據庫,以“果園(orchard)”和(and)“‘綠肥(greenmanure)或(or)‘生草(grass) ”為主要關鍵詞,檢索2000年8月至2022年1月期間發表的關于果園生草的同行評審文獻。根據研究目的,文獻篩選標準如下:①試驗必須設有對照組(清耕)與試驗組(生草),且至少3次重復;②對照組與試驗組均有明確的處理重復數;③處理組需注明確切的草種數量;④數據至少含有產量、品質、土壤理化性質、土壤酶活性、微生物多樣性等指標中的1項;⑤不同發表文獻中的同一試驗數據只納入1次;⑥一篇文獻中包含不同采樣日期的結果,使用最終采樣時間點的數據。最終通過標準篩選出226 篇符合要求的試驗性研究文獻,共計提取669組數據。

基于搜集的數據,建立果園生草對果樹?土壤生態系統影響的數據庫,所有相關數據均直接從文獻中獲取。若數據以柱狀圖或折線圖的形式呈現,則采用圖形數字化軟件GetData GraphDigitizer 2.24進行數字轉化后提取??紤]到生草對果園產量的影響可能受到草種、果樹種類、氣候、土壤及種植年限的調控,根據文獻中的相關信息對以上影響因子進行歸納分組,整理得到以下影響因素:草種數及種類、果樹種類、種植年限、緯度、經度、海拔、年均氣溫、土壤pH、土壤有機質、土壤堿解氮、土壤有效磷及土壤速效鉀。

1.2 Meta 分析

采用響應比(response ratio,RR)的自然對數(lnRR)作為果園生草對果樹?土壤系統相關指標影響的效應值(L)。

L=lnRR=ln(Xt/Xc) (1)

式中,Xt和Xc分別為某一指標試驗組和對照組的平均值。

采用下式計算加權累積效應值(RR++)。

RR++=Σi = 1j wi Li /Σi = 1j wi (2)

式中,j 為試驗組和對照組成對比較的總數,wi 為第i 個數據對效應值的權重,Li 為第i 個數據效應值。

由于本研究所搜集的文獻絕大多數均未展示標準差或者標準誤,因此,本研究中,效應值的權重(w)依據樣本重復數進行計算。

w=(Nt×Nc)/(Nt+Nc) (3)

式中,Nt和Nc分別為試驗組和對照組的樣本重復數。

本研究采用MetaWin 2.1 中的重取樣(resampling tests)及拔靴法(bootstrap CI)(4 999次迭代次數)確定95%置信區間(confidence interval,CI),采用偏差校正法(bias-corrected method)進行校正,采用隨機檢驗法判斷組間差異的顯著性。

為使分析結果便于解釋,本研究將lnRR 轉化為影響效應。

影響效應=(RR-1)×100% (4)

RR=1,影響效應為0,表明試驗組和對照組間無差異;RR>1,表明產生正效應,果園生草導致相關指標顯著增加;RR<1,表明產生負效應,果園生草導致相關指標顯著降低。

1.3 統計分析

本研究利用 Microsoft Excel 2013進行數據統計,分別使用SPSS 26 軟件、Origin 9 軟件及Metawin軟件進行數據分析和作圖。結合R 4.2.1軟件并采用“gbmplus”統計包進行聚類推進樹(aggregated boosted tree,ABT)分析,定量評價不同因素對果園增產效應的相對影響。

2 結果與分析

2.1 果園生草對果實產量的影響

如圖1所示,與對照相比,果園生草能顯著提高果實產量,增幅為11.9%(CI=9.1%~15.4%)。不同果園中,生草對果實的增產效應不同,其中以桃園增產效應最高(20.0%),生草對葡萄園的增產效應不顯著(CI=?2.6%~10.3%)。禾本科及豆科生草均能顯著增加果實產量,兩者之間無顯著性差異。氣候條件會影響果園生草的增產效應,隨年均氣溫的增加,生草的增產效應增加,當年均氣溫低于10 ℃時,增產效應不顯著(CI=?2.4%~3.2%);當年均氣溫高于15 ℃時,增產效應最大(12.6%)。全年日照時數低于2 500 h時,果園生草能顯著提高果實產量(CI=2.5%~26.2%);當全年日照時間高于2 500 h時,增產效應不顯著(CI=?1.0%~13.3%);當年均降雨量為1 000~1 500 mm時,果園生草增產效應最高(16.3%)。

不同土壤理化條件下,生草對果實產量的響應不同:酸性土壤上,果園生草能顯著提升果實產量(12.5%),而在堿性土壤上增產效應不顯著(CI=?2.0%~9.0%);不同土壤有機質含量下,果園生草對果實產量均有顯著正效應,當有機質含量大于20 g·kg?1時,增產效應最大(12.4%);在所有土壤堿解氮范圍內,果園生草均顯著提高了果實產量;隨土壤有效磷含量的增加,果園生草對果實產量的增產效應先增加后降低,當土壤有效磷含量為20~40 mg·kg?1時,增產效應最大(15.7%),而當土壤有效磷含量低于5 mg·kg?1或高于40 mg·kg?1時,生草對果實產量無顯著影響;當土壤速效鉀含量低于100 mg·kg?1時,果園生草能顯著提高果實產量,而當土壤速效鉀含量高于100 mg·kg?1時,生草對果實產量無顯著影響。

ABT模型分析結果(圖2)表明,豆科/禾本科是影響果園增產效應的首要因子,相對貢獻率為17.4%,其次為土壤速效鉀含量、果園類型、土壤堿解氮含量,相對貢獻率分別為9.8%、9.7%、9.7%。氣候因素包括年均氣溫、年均降雨量、全年日照時間對果園增產效應的影響最小,分別為8.9%、8.4%、8.3%。

2.2 果園生草對果實品質及發病率的影響

如圖3所示,除單果體積與可滴定酸含量外,果園生草對其他果實品質指標均存在顯著影響。就外觀品質而言,果園生草對果實縱徑、果實橫徑、單果質量、果形指數、果實硬度均存在顯著正效應,增加比例分別為5.4%、4.5%、19.3%、4.2%、13.7%。同時,果皮厚度與果點數在生草模式下均顯著降低,降低比例分別為15.0%、11.3%。就風味品質而言,可溶性固形物、糖酸比、可溶性糖含量均顯著增加,增加比例分別為6.6%、27.2%、5.0%。對營養品質而言,果園生草顯著增加果實中可溶性蛋白含量及Vc 含量,增加比例分別為8.1%、8.7%。生草對果樹發病率具有顯著抑制作用,降低比例為20.7%(圖3)。

2.3 果園生草對果園土壤理化性狀的影響

果園生草可以顯著提高0—20及20—40 cm土層土壤含水量,對40—60 cm土壤含水量無顯著影響(圖4~6)。對不同土層而言,生草均顯著降低土壤容重,同時增加土壤孔隙度。生草對果園土壤pH的影響較小。生草顯著提高了土壤有機質含量,與對照相比,0—20、20—40、40—60 cm土層土壤有機質含量分別提高22.8%、20.7%、12.3%。就大量元素含量而言,果園生草顯著提高了各土層土壤全氮與堿解氮含量,與對照相比,0—20、20—40、40—60 cm 土層土壤全氮含量分別提高14.5%、29.6%、6.6%,土壤堿解氮含量分別提高22.3%、21.5%、15.0%。果園生草對0—20 及40—60 cm土層土壤全磷及全鉀含量存在顯著正效應,對20—40 cm土層全磷及全鉀含量無顯著影響。此外,果園生草顯著提升了0—20及40—60 cm土層土壤有效磷含量,提升比例分別為23.3%、9.1%。各土層土壤速效鉀含量在果園生草種植后均顯著提升,0—20、20—40、40—60 cm土層土壤速效鉀含量分別提高了24.2%、14.4%、16.2%。果園生草對土壤中有效鋅、有效銅、有效猛、有效鎂含量存在顯著正效應,對其他元素含量的影響不顯著。

2.4 果園生草對土壤酶活性及微生物多樣性的影響

如圖7所示,果園生草顯著提高了0—20 cm土層中土壤蔗糖酶及脲酶活性,提高比例分別為25.4%、40.2%,對20—60 cm處蔗糖酶及脲酶活性無顯著影響。與對照相比,生草模式下0—20、20—40、40?60 cm土層土壤過氧化氫酶活性分別提高8.3%、15.5%、18.8%,0—20 cm土層土壤葡萄糖苷酶、蛋白酶、酸性磷酸酶及磷酸酶活性分別提高43.3%、77.1%、46.6%、37.9%。

如圖8所示,與對照相比,果園生草顯著提高了土壤微生物碳氮,提高比例分別為66.8%、40.0%,同時,0—20 cm 土層土壤細菌、真菌及放線菌數在生草管理下均顯著增加,20—60 cm 土層土壤微生物數量的響應不顯著。此外,果園生草顯著提升了各土層土壤微生物群落香農指數、0—20 cm土壤微生物群落豐富度及20—40 cm土層土壤微生物群落均勻度。

3 討論

關于果園生草管理模式對果實產量影響的研究結果多有不同。Meta分析結果表明,生草可以顯著提升果實產量,溫度、土壤因素主導了生草對果園產量的提升效應,以往研究中果園類型及生草品種差異下的不同結論可能是由不同試驗地的氣候及土壤因素導致的。進一步分析結果表明,在氣溫低于10 ℃的地區,生草對果園的增產效應不顯著。溫度對果園增產效應的影響可能與其對微生物活動的調控有關。在一定溫度范圍內,生草組織的腐解及養分釋放需要一系列微生物的參與,溫度的提高有利于土壤微生物群體數量和活性的增加[16],進而提高養分轉化效率,促進果實產量的增加[17]。土壤pH是影響果園生草增產效應的另一個因素,酸性土壤條件下,生草能顯著提升果實產量,這可能與其對土壤養分有效性的提高有關[18]。當土壤有效磷含量過低(≤5 mg·kg?1)或過高(>40 mg·kg?1)時,生草對產量的影響較小。磷是植物尤其是豆科植物生長所需的大量元素,土壤磷含量過低會影響豆科草種的生長及其固氮過程[19];在土壤磷含量較高能滿足果樹生長需求的情況下,生草對產量增加的貢獻會降低。此外,生草通過調控土壤真菌群落結構,提高了土壤速效鉀含量[2021],在土壤速效鉀含量較低的果園采取生草管理,能顯著提高果園產量。

果園生草對土壤理化性質的改善是其提高產量的直接原因。以0—20 cm土層為例,生草通過增加光照反射率、降低地表蒸發、增強土壤持水率以提高土壤含水量,通過根系伸展牽拉作用降低土壤容重、增大土壤孔隙度[2,6,22]。生草對土壤化學性質的改善一方面與生草抑制地表徑流、降低了養分的流失有關[2324];另一方面,植株殘體在土壤中的腐解及養分釋放是提高土壤養分含量的關鍵。微生物在土壤生態系統中發揮著重要的作用,植株組織的腐解及土壤養分含量的提高與微生物活動息息相關。不同研究中關于生草對微生物的影響不同,Qian等[25]研究認為,蘋果園生草可以顯著增加土壤細菌及真菌多樣性;Zhong等[26]認為,柿園生草降低土壤細菌多樣性和數量。本研究結果表明,果園生草顯著提高了微生物碳氮含量,0—20 cm土壤細菌、真菌、放線菌數量及群落香農指數、豐富度。這一方面是由于植物殘體為微生物提供了物質能量來源,另一方面是由于土壤物理性質的改變有利于微生物各項活動的進行[7, 27]。微生物數量及群落結構的改變促進了土壤中多種酶(蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶葡萄糖苷酶、蛋白酶、酸性磷酸酶)的活性,這些酶活性的增加加速了土壤養分循環過程,促進了有機物分解和能量流動,最終提高了土壤有機質含量及土壤礦質養分的生物有效性[2829]。

果實品質是影響經濟效益指標的關鍵因素。果園生草對果實外觀品質、風味品質及營養品質均有一定的提升作用。果實品質的形成與生態因子及栽培措施息息相關,鄧麗娟等[30]和呼盼等[17]采用Meta分析的方法發現生草可以顯著降低土壤溫度,提高土壤含水量,同時增加土壤養分含量。結合本研究的結果推測果園生草可能是通過調控果園小氣候及果樹對養分的吸收從而改善果實品質。本研究進一步統計了果園生草對果樹發病情況的影響,結果表明,果園生草顯著降低了果樹發病率,根系分泌物的釋放及其對土壤通氣性、理化性質、微生物群落結構的調控是果園生草抑制病害發生的潛在機制[3132]。發病率的降低也是果園生草提高果實產量的原因之一。

綜上所述,果園生草可能通過殘體投入或根系分泌物及其對土壤物理性質等的影響調控土壤微生物數量及多樣性、土壤關鍵酶活性,提高土壤有機質含量及養分生物有效性,最終實現產量及品質的提升。然而,目前的大多研究僅集中于果園生草對某一土壤的影響,且由于樣本量的限制,本研究無法構建出果園生草影響果實產量及品質的機制模型,因此,在后續的研究中,可通過具體試驗設計及實測數據對Meta分析的結果及可能機制進行驗證,以提高研究的可靠性和準確性。此外,考慮到果園類型、氣候及土壤對果園增產效應的影響,未來的研究應集中于不同地域果園生草管理模式最優組合的篩選及其影響果實產量品質的內在機制,為推動優質果園綠色生態發展提供借鑒和參考。

果園生草有利于提升果實產量和品質。生草對果園產量的影響受果園類型、緯度、海拔、年平均氣溫、土壤酸堿度及土壤有效磷鉀含量的影響。生草通過影響土壤理化性質,包括提高土壤含水量與孔隙度、降低土壤容重等影響土壤中微生物數量及多樣性,導致土壤中多種酶活性的升高,從而促進有機質的積累與養分生物有效性的提高,最終影響果實產量與品質。因此,果園生草在改善果樹?土壤系統生產性能中具有顯著的積極作用,是實現果園提質增效及可持續發展有效措施之一。

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(責任編輯:溫小杰)

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