施用有机肥对生菜产量和品质影响的Meta分析

夏思瑶，王 冲*，王新宇

（1．中国农业大学资源与环境学院/生物多样性与有机农业北京市重点实验室，北京 100193；2．农业农村部耕地质量监测保护中心，北京 100125）

生菜叶片中富含维生素C、维生素A、胡萝卜素、膳食纤维素、有机酸、苦苣素和微量元素等多种营养物质［1］，能够促进蛋白质和脂肪在人体肠胃道里的消化和吸收，改善人体肠胃的血液循环［2］。随着生菜需求量的日益增加，菜农为提高生菜产量，滥用化肥和偏施氮肥，不仅会造成设施土壤次生盐渍化日趋严重，而且会导致生菜生长过程中所需的磷、钾及微量元素缺乏，造成生菜硝酸盐富集和营养品质下降［3］，大量施用化肥也会使生菜口感较差，降低其经济效益，因此有必要开展相关研究，指导种植户科学合理使用肥料，在保证稳产的基础上，提高生菜品质，增加种植收入［4］。

有机肥具有营养全面和有机质丰富等特点［5］，科学施用能有效增加、更新土壤有机质，改善土壤理化性质，提高土壤酸碱缓冲性能，促进微生物繁殖［6-9］。相同施肥量条件下，有机肥替代可增加肥料利用率［10］。有机肥替代可以增加蔬菜产量，增加土壤微生物种群数量、丰度，提高酶活性，从而加速氮、磷等营养物质的活化，增强蔬菜对氮、磷的吸收能力，从而增加养分利用率［11-12］。施加生物有机肥有利于根际细菌、真菌和放线菌的增殖，提高土壤代谢强度，促进植物吸收［13］。研究表明生菜可溶性糖含量、维生素C含量会随着有机肥替代化肥幅度加大而增加，能显著降低生菜硝酸盐的累积［14］。有机肥对生菜的提质增效作用显著，但以往的研究都是对生菜产量或品质进行单因素分析，所以本研究使用整合分析方法，定量分析施用有机肥对生菜产量和品质的影响，明确有机肥对生菜生长的综合效应，以期为有机肥在生菜种植过程中的应用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究收集的数据是通过在中国知网（CNKI）、万方、维普和Web of Science等数据库，分别输入“生菜（lettuce）”或（or）“叶用莴苣（lettuce）”和（and）“有机肥（organic fertilizer）”为主要关键词，检索了截至2020年4月20日公开发表的有机肥对生菜生长相关的文献，根据 Meta-analysis方法对数据整合的要求和本研究的目的，对检索到的文献按照如下标准进行筛选：（1）研究区域位于中国；（2）试验中包含对照组，对照组为不施有机肥；（3）试验数据中必须含有生菜产量指标或者品质指标；（4）试验处理重复数必须大于或等于3。基于以上筛选标准，共获得符合条件的文献50篇。

1.2 数据库建立与分类

对符合标准的文献采用Excel 2010建立相关数据库，内容主要包括对照组成分、处理组所用有机肥养分含量、有机肥施用量、试验时间、种植天数、生菜产量、品质等指标。数据库中收录了来自东北、华北、华东、华南、华中、西北、西南7个区域内的试验数据，对照组采用施用有机肥处理。在收集数据的过程中，如果数据是以图的形式展示，则采用GetData Graph Digitizer 2.26.0.20来获得。

对所有收集到的独立试验数据，按照施用有机肥（对照组）与不施用有机肥（试验组）处理，提取每篇文献中各指标的数据。将不施用有机肥处理分为不施用肥料处理和施用化肥处理。

1.3 数据分析

试验中的效应值使用自然对数的反应比（RR）进行［15］。

2 结果与分析

2.1 施用有机肥对生菜地土壤养分的影响

有机肥的施用显著影响了生菜地的土壤养分（图1）。相较于不施用肥料，施用有机肥对土壤的有机质、有效磷和速效钾存在显著的正向效应（图1a），对土壤的全氮、碱解氮以及土壤酶活性有显著的正向效应（图1b）。而与施用化肥相比，施用有机肥对土壤的有效磷、速效钾、全氮、碱解氮、土壤酶（土壤过氧化氢酶和脲酶）活性产生显著的正效应。结果表明，有机肥的施用能够显著提高土壤的速效养分（有效磷和速效钾）含量以及土壤酶活性。

2.2 施用有机肥对生菜生长的影响

施用有机肥对生菜的生长存在显著影响（图2）。相较于施用化肥，有机肥的施用对生菜的根长存在显著的正向效应，且正向效应最为显著，但对生菜的叶宽以及叶片数的正向效应低于施用化肥的处理，对生菜的株高和叶绿素含量没有产生显著影响。而相较于不施用肥料，有机肥的施用对生菜的形态指标（叶片数和叶宽）以及叶绿素含量存在显著的正向效应，但对生菜的株高和根长无显著影响。

2.3 施用有机肥对生菜产量的影响

图3 显示，相较于不施用化肥的处理，施用有机肥对生菜的产量（地上鲜重、地下鲜重、干重和鲜重）均产生显著的正向效应，地上鲜重增加最为显著；而相较于施用化肥，有机肥的存在对生菜的鲜重和地上部鲜重产生显著的负向效应，但对生菜的干重和地下部鲜重未产生显著影响。

2.4 施用有机肥对生菜品质的影响

施用有机肥对生菜的品质存在显著影响（图4）。与不施用肥料相比，有机肥的存在对生菜的硝酸盐、还原糖、可溶性糖、可溶性蛋白、维生素C、氨基酸以及生菜养分含量（N、P、K）存在显著的正向效应，且对氨基酸含量的正向效应最显著。与施用化肥相比，有机肥的存在对生菜的还原糖、可溶性糖、维生素C含量以及生菜养分含量（N、P）存在显著的正向效应；对生菜的硝酸盐、亚硝酸盐含量以及氨基酸含量存在显著的负向效应（图4）。

2.5 施用有机肥对土壤-生菜系统的综合效应

有机肥的施用改善了土壤的物理结构，使土壤容重降低27.04%，从而使土壤中硝态氮含量提高了24.12%。土壤中蔗糖酶、过氧化氢酶以及脲酶的含量分别增加了80.49%、33.92%和23.04%，增强了土壤的微生物活性，从而使土壤中有机质含量提高了44.67%。土壤酶活性的提高以及叶绿素含量的增加，使生菜的可溶性糖、总糖以及可溶性蛋白含量分别增加了24.85%、83.45%和24.1%。土壤中硝态氮含量的提高使生菜的氨基酸含量显著增加了192.89%，提升了生菜的品质。生菜地施用有机肥，使土壤的全氮以及有效磷含量分别增加了75.69%和91.47%，从而促进了生菜的生长（图5）。

3 讨论

3.1 有机肥对生菜地的土壤理化性质的影响

土壤速效养分是土壤中直接被植物吸收利用的营养元素，是评价土壤供应养分的强度指标之一，过低会造成作物生长不良，过高会造成养分浪费和环境污染等问题［4］。施用有机肥显著提高了土壤硝态氮含量（图1），原因是有机肥可改善土壤结构，降低土壤容重［16］，增加土壤孔隙度，进一步增加土壤通气性，有利于土壤中微生物的生长和繁殖，微生物通过生命活动产生的酶或酸性物质可促进土壤中难溶解的养分转化，从而提高了土壤中硝态氮含量［17］。

施用有机肥可以提高土壤碱解氮、有效磷、速效钾等多种有效养分含量（图1），主要是由于有机肥的施用可以增加土壤有机酸含量，而有机酸能促进矿物质的有效化和释放［18-19］，从而提高土壤中速效养分的含量。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，且可作为评价土壤肥力的重要指标［20］。土壤脲酶是催化尿素水解的酶，是土壤中决定氮转化的关键酶，其活性高低可反映土壤无效态氮向有效态氮转化及供应无机态氮的能力［21］；土壤蔗糖酶是参与土壤有机碳循环的酶，其活性反映了土壤的熟化程度和肥力水平，对增加土壤中易溶性营养物质起到非常重要的作用［22］；土壤过氧化氢酶是微生物或植物产生的一类氧化还原酶，是土壤中的重要酶类，能催化很多反应，以过氧化氢为底物可快速将土壤代谢产生的废物转化为无害或毒性较小的物质，同时释放出氧气［23］。有机肥的施用提高了土壤的蔗糖酶、过氧化氢酶以及脲酶的含量，提高土壤的氧气利用率，为微生物提供更好的条件，改善了土壤的微生物群落结构，提高了土壤肥力。土壤有机质是土壤中各种营养元素特别是氮、磷的主要来源，具有改善土壤物理性状的功能［24］，在保蓄土壤水分、增加土壤阳离子交换量、改善土壤结构、缓冲土壤pH变化方面都起到极重要的作用［25-27］。有机肥的施用不仅可在一定程度上改善土壤容重等物理性状，提高土壤透气性及其保水保肥能力，还可以增加作物根系生物量和根系分泌物的分泌量，从而提升土壤微生物活性并改善其群落结构组成［28-30］。

3.2 有机肥对生菜产量的影响

根系作为植物吸收养分和水分的主要器官，其发达程度直接影响作物生长发育和产量形成。根系生长发育受土壤质地［31］、水分状况［32］、营养水平［33］等因素影响。有机肥含有植物所必需的氮、磷、钾等营养物质，同时有机肥腐解后产生的一些酸性物质和生理活性物质，能够促进种子发芽和根系生长［34］，可以显著促进根系生长发育，提高根干物质质量，提升根系吸收能力［35］。这主要是因为施用有机肥改善了土壤结构［36］，增加了微生物种群及活性，并增强了土壤持续供应养分的能力［28］，促进了根系的生长发育，进而有利于作物生长。但有机肥养分含量相比化肥较低、肥效长且缓慢，在作物旺盛生长时期，有机肥不能及时满足作物的需求［37］，并且过量的有机质可能会对作物生长起到负面作用，从而抑制作物生长，因此对生菜的产量存在一定的负向效应。

3.3 有机肥对生菜品质的影响

作物硝酸盐含量与土壤矿质氮的含量呈正相关，有机肥料中含有较多的酚、糖、醛类化合物及羧基，可对肥料中的NH4+进行吸附和固定，抑制NH4+的硝化作用，减少硝态氮的形成［38-39］。有机肥料中含有丰富的有机质，各种养分较全面，而生物降解有机质是个渐进过程，养分释放较为缓解，这有利于氮的矿化作用，从而有利于协调生菜氮素养分吸收与还原转化不平衡以及氮吸收与生长不协调的矛盾，也有利于降低硝酸盐的含量及利于维生素C的合成［40-41］。糖及其活化物通过提供底物、中间产物、能量、还原力等形式，参与果实多种代谢活动，是果实品质形成的重要因素［42］。有机肥中丰富的有机质、氨基酸、有益菌等［43］，可提高叶片光合色素含量［44-45］。叶绿素在植物光合作用过程中参与光能的吸收和传递，是植物进行光合作用的物质基础［46］。施用有机肥提高了生菜的可溶性蛋白含量（图4），是因为有机肥促进了生菜光合作用速率和碳水化合物的合成与代谢，提高了生菜的硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶等氮代谢相关酶活性，进而促进蛋白质的同化［47-48］。而有机肥对蔗糖代谢相关酶活性的积极作用，影响了生菜对碳水化合物的吸收，从而提高了生菜的可溶性糖含量［49］。施用有机肥能够显著增加农田土壤呼吸通量［50-52］，显著促进农田生态系统光合产物积累，增加土壤碳储量［53］。已有研究也表明有机肥有改善土壤结构、增加作物产量、优化作物品质的效果［54-56］。因此，有机肥的施用能够通过改善土壤孔隙度、 有机质和养分等土壤理化性质，促进植物生长。

4 结论

有机肥的施用可以改善土壤的物理结构，提高土壤酶活性，增加微生物活性，从而提高土壤的有机质含量。土壤容重的降低使硝态氮含量显著增加，提高了生菜的氨基酸含量。土壤速效养分含量的提高增加了生菜的根系生物量，促进了生菜的根系生长；土壤蔗糖酶含量的提高可以显著提高生菜的可溶性固形物含量，提升了生菜品质。有机肥的施用可以增加土壤中微生物数量，提高土壤有机质含量，促进生菜的氮素吸收，增加生菜的可溶性固形物的含量，改善生菜的品质。