有机肥施用对黄瓜产量影响的整合分析

康 敏，聂园军，张晨阳，王 媛

（1.山西农业大学农业经济管理学院 太原 030006； 2.山西农业大学生态环境产业技术研究院 太原 030031；3.山西农业大学资源环境学院 山西太谷 030800）

黄瓜种植范围广，宜生食宜熟食，是我国居民的常年食用蔬菜。农户为了获得高产，盲目过量施用化肥，引起菜地土壤板结，影响黄瓜的产量和品质，并可能引发环境污染[1]。2017 年以来，农业农村部全面开展“果菜茶有机肥替代”试点工作，2022 年在《到2025 年化肥减量化行动方案》中提出进一步强化蔬菜种植中减氮、控磷、稳钾，增施有机肥。

干物质积累是作物产量形成的物质基础，施肥影响土壤养分积累、作物养分吸收和干物质积累分配，从而影响产量[2-3]。无机肥所含速效养分能有效提高作物产量；有机肥的增产机制与无机肥有所不同，有机肥在改善土壤理化性质、优化土壤水气条件、提高土壤微生物活性、提高作物抗病能力方面有着不可替代的作用，可促进作物优质高产[4-5]。有机肥类型不同，产量效应也不同，尤彩霞[6]的试验表明，不同类型的有机肥均能提高黄瓜产量15.56%以上，其中牛粪配施化肥的增产效果更加显著；李子双等[7]研究表明，生物有机肥配施无机肥优于纯有机肥与无机肥配施，生物有机肥在微生物分解下，养分释放能更好地满足黄瓜生长的需要，增产率达到64.08%。另外，张洋等[8]通过有机肥配施等量无机肥的试验发现，随着有机肥施用量的增加，黄瓜产量表现出增长趋势，但增产效果不大，与单施化肥相比，有机肥施用量达到3750 kg·hm-2时增产率最高，但也仅为3.80%；王明文等[9]在有机肥替代化肥的试验中发现，与单施化肥相比，施用有机肥3075 kg·hm-2时，黄瓜产量提高8.7%，施用有机肥6150 kg·hm-2时，增产率最高，为23.6%，而100%施用有机肥（30 750 kg·hm-2）反而减产22.5%。

综上可以看出，不同类型、不同用量的有机肥对黄瓜的增产作用不同，相同类型或相同用量的有机肥在不同试验中的增产效果也不同。虽然很多学者通过田间试验分析了有机肥对黄瓜产量的影响，积累了大量的试验数据，但田间试验往往强调单一变量对照，随机因素的影响较大，研究结论存在一定局限性。有机肥增产效果还可能受种植环境、施肥管理等因素的影响[10-13]，具体原因有待进一步研究。

整合分析（Meta-analysis）汇总多个同类试验，不仅能扩大研究样本量，提高检验效能，尤其当多个研究结论出现不一致或者没有统计学意义时，Meta 分析结果更加接近真实统计[14-15]。因此，笔者收集整理近18 年（2004 年7 月至2022 年7 月）公开发表的试验数据，利用Meta 分析方法研究国内有机肥对黄瓜产量的影响，并进一步讨论有机肥类型、施肥管理、环境因素对黄瓜产量的影响程度，旨在为黄瓜高产稳产以及有机肥合理施用提供科学依据。

1 研究方法

1.1 数据来源

以黄瓜、产量、有机肥为关键词在中国知网、百度文库、Sci-hub、NCBI 搜集截止到2023 年1 月之前公开发表的相关研究资料。数据筛选条件如下：（1）试验地点位于中国地区；（2）按照Meta 分析原则，文中必须有“不施肥”与“单施有机肥”或者“单施化肥”与“有机无机配施”的对比试验处理；（3）文中必须说明各试验处理的重复数以及黄瓜产量均值；（4）对于信息不全的文献，通过联系作者或者查阅资料补全信息；（5）相同试验结论如出现在不同文献中，不重复统计，保证数据的相互独立性。最终，获得41 篇文献、样本量为116 的独立试验数据库。

1.2 数据库建立

1.2.1 文献信息 提取作者姓名、作者单位、论文题目、发表时间、发表刊物等文献信息作为发表偏倚性分析的参考。

1.2.2 指标数据 笔者分析的指标是黄瓜产量，是指各试验处理累计采收的黄瓜总产量的均值。提取对照组（CK）和处理组（T）的黄瓜产量值，以及相应的标准差、处理重复次数（n），并把产量、标准差的单位统一换算为kg·hm-2。文献中的数值型数据直接摘录，图表数据用Getdata 软件提取。

如果文献中用标准误表示离散程度，根据公式（1）转换为标准差；当文献中无法获得标准差或标准误时，用产量的5%作为标准差，采用这种方法计算标准差的样本量不超过总样本的10%。

1.2.3 亚组分析因子 Meta 分析的基础假设是研究对象及影响因素具有相似性，但实际试验过程中可能会存在异质性干扰[16]。在黄瓜生产中，有机肥类型、施肥管理、环境因素可能是形成有机肥产量效应差异的来源。因此，按照一定特征对这些因素进行分组分析，即通过亚组分析（Sub‐group-analysis）比较各亚组的效应值差异，从而探索异质性来源。

参照NY/T 525—2021《有机肥料》[17]以及有机肥养分特征[18-19]对有机肥类型进行分组；施肥管理的分组，主要根据黄瓜需肥特点[20-21]，设定有机肥施用量、施氮折纯量（N）、施磷折纯量（P2O5）、施钾折纯量（K2O）以及施肥次数的分组；环境因素主要选择土壤特性、种植环境、种植区域3 个因子，其中，结合菜地土壤肥力特征[22-25]确定土壤全氮含量、土壤pH 的区间。具体的亚组因子及分组见表1。

表1 亚组因子及分组Table 1 Subgroup factors and grouping

1.3 数据分析

利用Meta 分析可以定量分析在不同条件下施用有机肥对黄瓜产量的影响程度，这一影响程度可以用效应值衡量。笔者采用Metawin 2.1 软件进行数据整合分析。

1.3.1 计算各试验的效应值及其权重 选用响应比（Response Ratios，RRi）的自然对数（lnRRi）作为第i组试验的效应值[26]。响应比是指处理试验产量Ti与对照试验产量CKi的比值；其中，“单施有机肥”的对照是“不施肥”，“有机无机配施”的对照是“单施化肥”。权重（Wi）是第i组试验在总体结果中的占比，通过方差（Vi）计算。具体公式[27]如下：

式中，RRi，lnRRi分别是第i组试验的响应比和效应值；Ti、sTi、nTi分别为第i组处理试验的产量均值、标准差、重复数；CKi、sCKi、nCKi分别为第i组对照试验的产量均值、标准差、重复数。

1.3.2 发表偏倚性及异质性检验 通过正态分布检验、I2检验，分析研究样本的发表偏倚性和异质性[28]。如果效应值（lnRRi）服从正态分布，说明样本不存在明显的偏倚。如果I2＜50%且p≥0.1，说明不存在异质性；如果I2≥50% 且p＜0.1，说明存在异质性。统计量I2计算公式如下：

其中，Q为异质性检验的统计量，df为自由度。笔者运用SPSS 26.0 软件进行正态分布检验，效应值呈现正态分布（见图1），说明纳入研究的样本不存在明显的偏倚性，符合Meta 分析的要求。Metawin 2.1 软件I2检验结果p=0.000、I2=55.9%，表明研究存在异质性，也进一步说明亚组分析的必要性。

图1 施用有机肥后黄瓜产量效应值的分布Fig.1 Distribution of cucumber yield response to fertilizer application

1.3.3 计算综合效应值及置信区间 综合效应值（lnRR++）是整体样本或亚组样本的平均效应值[29]。因存在异质性，笔者采用随机效应模型（Random Ef‐fect Model，REM）计算综合效应值及其95%置信区间（95% Confidence Interval，95%CI），计算公式如下：

若lnRR++大于0，且其置信区间全部落在大于0的区间，说明有机肥对黄瓜有显著增产作用；否则，若置信区间包含0，说明无显著增产作用。同理，若lnRR++小于0，且置信区间全部落在小于0 的区间，说明有机肥对黄瓜有显著减产作用；否则，认为减产效应不显著。

为了更加直观地了解有机肥对黄瓜产量的影响，将对数形式的综合效应值变换为产量变化率R，转换公式为：R=（EXP lnRR++-1）×100%。

2 结果与分析

2.1 有机肥产量效应的整体分析

通过计算整体样本的综合效应值及其置信区间（表2），可以看出，施用有机肥能显著提高黄瓜产量，平均增产率为15.5%，95%置信区间为（10.7%～18.1%）。

表2 黄瓜产量的整体平均效应值Table 2 The average effect value of cucumber yield

2.2 有机肥产量效应的亚组分析

亚组分析将数据分为更小的单元，分别计算有机肥类型、施肥管理、环境因素的亚组综合效应值及其置信区间，进而判断亚组因子对有机肥产量效应的影响。

2.2.1 有机肥类型对黄瓜产量的影响 如图2 所示，不同类型有机肥对黄瓜产量的影响具有显著差异性（p=0.049）。其中，沼肥增产率最高，为35.9%，显著高于生物有机肥（18.9%）、商品有机肥（17.3%）、农家肥（10.3%）的增产率，而有机无机复合肥与单施化肥相比无显著增产效果；数据库中蚯蚓肥样本量较少（5 个），增产率的变异较大。

图2 不同类型有机肥对黄瓜的增产效果Fig.2 Yield enhancement effect of different types organic fertilizer on cucumber

2.2.2 施肥管理对黄瓜产量的影响 除磷肥外（p＞0.05），有机肥、氮肥、钾肥施用量对有机肥的产量效应均具有显著影响（分别为：p=0.004、p=0.003、p=0.022）。如图3 所示，有机肥施用量小于2 t·hm-2时，增产效果不显著；有机肥施用量大于5 t·hm-2后，黄瓜增产率随着有机肥投入量增加而提高。当有机肥施用量大于30 t·hm-2后，增产率达到40.8%。同样，当施氮折纯量大于150 kg·hm-2后，黄瓜产量对有机肥的响应表现出显著增产性，并随着氮投入量的增加黄瓜增产率不断提高，施氮量大于400 kg·hm-2时，增产率达到31.4%。施钾折纯量表现出与施氮折纯量相似的产量效应，当钾肥投入量大于400 kg·hm-2时，增产率为33.4%。

图3 不同施肥量下有机肥的产量效应Fig.3 Yield effect of manure with different application rates

施肥次数对黄瓜增产率的影响显著（p=0.002）。仅基施有机肥的增产率为18.6%；施肥2～4 次的增产率最高，为19.7%；而施肥5 次以上的数据量较少（n=11），增产效果不显著（图4）。

图4 不同施肥次数下有机肥的产量效应Fig.4 Yield effect of manure with different fertilization times

2.2.3 环境因素对黄瓜产量的影响 在不同种植地区施用有机肥后，黄瓜的平均增产率为17.0%（p=0.023）。如图5 所示，除华南地区外，西北、华北、华东施用有机肥都显著提升了黄瓜产量。华北增产率最高，为26.6%，西北、华东增产率分别为21.1%、14.2%。该结果表明，有机肥对黄瓜的增产效果存在区域差异性。

图5 不同种植地区有机肥的产量效应Fig.5 Yield effect of manure in different planting areas

不同种植环境下，施用有机肥均显著提升了黄瓜的产量（p=0.009）。如图6 所示，日光温室对黄瓜的增产率（17.3%）显著高于塑料大棚（增产率14.3%）和大田（增产率12.7%）。可以看出，两种设施黄瓜的增产率也有差异，日光温室增产率显著高出塑料大棚3.0 个百分点。

图6 不同种植环境下有机肥的增产效应Fig.6 Yield effect of manure under different planting environments

如图7 所示，土壤pH、土壤全氮对有机肥的产量效应均表现出显著性影响（分别为：p=0.014、p=0.005）。在酸性土壤条件下（pH 低于6.5），施用有机肥对黄瓜没有显著增产效果；在中性土壤条件下（pH 6.5～7.5），施用有机肥的增产率最高，达到26.6%；而在碱性土壤中（pH＞7.5）黄瓜增产率有所降低，为17.8%。土壤全氮含量大于1.5 g·kg-1时，有机肥施用表现出显著增产性，增产率为24.3%。

图7 不同土壤特性下有机肥的产量效应Fig.7 Yield effect of manure under different soil characteristics

3 讨论与结论

有机肥不仅含有植物易于吸收利用的小分子有机化合物和无机态养分，还可以通过改善土壤性状、增加土壤离子交换位点以提高土壤养分供应能力[30-31]，促进作物增产。但不同类型的有机肥增产效果不同，本研究结果表明，沼肥增产效果优于普通有机肥。沼肥不仅营养元素全面，还有抑制有害菌虫繁殖、降低病害发生率的功效[32]，尤其是对设施黄瓜因土传病害、连作障碍带来的减产问题有较好的调控效果[33]。

黄瓜属于多茬采收作物，充足持续的养分供应才能保证生物量的积累[34]，黄瓜整个生育期需钾量最多，氮次之，需磷最少，每形成1 kg 黄瓜需要吸收N、P2O5、K2O 的质量比为1∶0.46∶1.16[35]。其中，磷主要影响黄瓜抗逆抗病性[36]，这可能是笔者发现在不同施磷量条件下，有机肥对黄瓜增产效果不显著的原因。此外，本试验结果表明，只有当有机肥、氮素、钾素的投入量达到一定水平后，有机肥才表现出增产效果，并且黄瓜产量随着投入量的增加而提高。当有机肥投入量大于30 t·hm-2且N、K2O 投入量大于400 kg·hm-2时，黄瓜增产率在31.4%以 上，与关天霞等[37]施用鸡粪30 t·hm-2且N 390 kg·hm-2、K2O 408 kg·hm-2以 上 时，黄 瓜 增 产26.4%～50.1% 的结论基本一致。但王明文等[9]在施用N 444 kg·hm-2、K2O 480 kg·hm-2的基础上仅配施有机肥6.15 t·hm-2，黄瓜就可以达到最高增产率（23.6%），其原因可能是该试验中的商品有机肥有机质含量较高（≥45%）；但也有研究认为，有机肥的产量效应与土壤肥力水平有关，在中等肥力的土壤条件下，仅基施有机肥22.5 t·hm-2，黄瓜增产率就可达到23.2%[38]，追施氮肥反而会降低黄瓜产量。徐明岗[39]通过30 多年长期试验发现，当土壤有机质含量达到30 g·kg-1时，再增施化肥对作物没有显著增产效果。本试验结果也表明，土壤全氮含量达到一定水平时（1.5 g·kg-1），施用有机肥才有显著增产效果，而SOM 与土壤全氮具有显著相关性[40]。另外，施肥次数影响肥料养分释放，在黄瓜生长后期每隔14 d 追施化肥1 次，单瓜质量有显著提高[41]，一般黄瓜盛果期为30～60 d，追肥2～4 次增产效果较优，与本研究结论基本一致。

环境与基因型的交互作用影响作物产量形成。黄瓜喜温喜光，不耐寒和高温，适宜生长的温度为18～32 ℃、土壤湿度为85%～90%、土壤pH 为5.5～7.6、昼夜温差为10～20 ℃，低温寡照、36 ℃以上的高温胁迫均会造成大量落花落果，影响产量[42-46]。因此，笔者发现华北地区的增产率高于西北、华东、华南地区，原因可能是华北地区属于温室一级适宜气候环境[47]，在保证养分供应条件下更易获得高产；日光温室对黄瓜的有机肥增产效应优于塑料大棚和大田，可能也是因为日光温室的空气温度湿度、土壤温度湿度以及昼夜温差更适合黄瓜生长[48]。另外，目前有机肥在不同设施种植环境下（塑料大棚与日光温室）产量效应差异的比较研究较少，笔者的研究定量地给出了两者的增产率。

综上所述，施用有机肥可以显著提升黄瓜产量，不同有机肥类型、施肥管理措施、环境因素均能显著影响有机肥对黄瓜的产量效应。施用有机肥不能仅仅关注施用量，还要综合考虑有机肥养分特征、与无机肥的配施方式、种植环境以及土壤特性等因素。