基于Meta-analysis的施镁对作物产量及矿质元素吸收效应分析

刘书池，胡玉福，舒向阳，何 佳，王 琴，李正青，李 智，阳 帆，李玥秋

（四川农业大学资源学院，成都 611130）

镁是叶绿素分子的中心原子，也是叶绿素中唯一的金属元素，对维持叶绿体结构具有举足轻重的作用[1-3]。I.Cankmak 等[4]研究指出，植物缺镁会对植物芽和根之间的干物质及碳水化合物之间的分配产生重要影响；郝遒斌等[5-6]研究表明，植物镁缺失还将直接降低植物叶绿体内基粒数、类囊体数，进而影响植物光合作用。如今镁已经被土肥学者看作是继氮、磷、钾之后植物的第四大必需的营养元素，镁素对植物的营养和镁肥的应用也已成为国际农学界和土肥界关心的热点问题[7-11]。

近年来，大多数研究表明施用镁肥能显著提高作物产量并促进作物对矿质元素的吸收[12-18]。但也有部分研究结果不尽相同，如肖常沛等[19]的盆栽试验结果表明，施镁对黄瓜、小白菜、辣椒和番茄有明显的增产效果，而A.Biesiada 等[20]的盆栽试验结果表明，叶面喷施镁肥对菠菜增产效果不明显；就增产幅度而言，孙刚等[21]研究表明施镁对烤烟的增产幅度为3.6%，而洪火奇[22]研究表明施镁对烤烟的增产幅度可高达14.28%～19.19%。在施镁对作物矿质元素吸收影响方面，黄东风等[8]研究表明施镁能明显提高蔬菜对N、K 的吸收量，而周世民等[23]研究发现施镁会降低烟叶中N、K 的含量。A.Francker[24]通过3年田间试验研究发现，施镁能促进甜菜对Ca的吸收，而曾睿等[25]研究结果表明随施镁水平的增加，烟叶含Ca 量逐渐降低，Mg 和Ca 之间存在着一定的拮抗关系。

众多研究者均是基于某一种单一作物在某一地区进行单个试验分析，因而其结果均依赖于特定的作物、环境和土壤属性。为了整体认识不同条件下施镁对作物产量及矿质元素吸收的影响，须利用这些相对独立的研究进行大样本数据的综合分析。Meta-analysis 方法可以定量化地综合现有试验数据，系统分析某种措施的综合效应，已被应用于分析深松对小麦玉米产量的影响[26]、马铃薯地膜覆盖产量效应分析[27]等。因此，本文基于1990—2016年镁肥施用对作物产量及矿质元素吸收的研究数据，应用Meta-analysis 方法定量分析镁肥施用对作物产量及矿质元素吸收的影响，旨在揭示和明确镁肥施用对作物的综合效应，弥补传统review articles 的不足，并为提高作物施肥管理和营养元素调控提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 数据来源

本研究数据从中国知网和Google Scholar 文献数据库，通过设置检索时间“1990—2016年”以及“镁”和“植物”这2 个关键词，搜集了国内外公开发表的有关施镁对作物产量及矿质元素吸收影响的田间试验研究论文。由于应用Meta-analysis 方法进行数据分析时，需要输入标准差等信息，本研究基于以下4 个标准对研究数据进行了筛选：①同一试验必须包括配对的处理组和对照组，对照为不施肥；②文中明确给出施肥肥料类型；③试验为长期定位的田间试验；④试验地、试验年份、试验作物等基本信息清晰。基于以上4 个筛选标准，共获得符合标准的文献43 篇（见表1）。采用Microsoft Excel 2010 软件建立了相关数据库，内容主要包括：作者、试验点概况、种植概况、试验点土壤理化性质、作物品种等。数据库中收录有水稻、烤烟、小白菜、玉米、马铃薯、番茄等十一种作物，种植区土壤为酸性至微碱性，施用镁肥类型多为硫酸镁和氧化镁。在数据搜集过程中，如果数据是以图的形式展示，则采用GetData Graph Digitizer 2.26.0.20 软件来获得。在Meta-analysis 分析中，各研究的标准偏差是一个重要的参数，反映各研究结果的重要程度。按照文献提供的信息，若原文献提供标准偏差时，直接采用文献中的值；当原文献没有提供标准偏差但列出多个重复试验的产量值时，根据常用方法计算标准差；当原文献既没有列出标准偏差也没有试验重复的产量值，但包含了多年的试验数据时，将多年产量数据看作试验重复，进行标准偏差计算[28-29]。

1.2 Meta-analysis 分析

使用反应比R 的自然对数（ln R）作为效应值[30-31]：

ln R=ln（Xe/Xc)

式中，Xe 和Xc 是试验组和对照组的产量或矿质元素吸收的平均值。利用R 软件对原始数据进行分析，得到平均效应值。若效应值ln R＞0，则说明产生了正效应，表明镁肥的施用引起了作物产量及对矿质元素的吸收量的增加；若效应值ln R＜0，则说明产生了负效应，表明镁肥的施用引起了作物产量以及对矿质元素的吸收量的减少。

1.3 相关分析

皮尔森相关系数（Pearson correlation coefficient)也称皮尔森积矩相关系数（Pearson product-moment correlation coefficient），是一种线性相关系数[32]。皮尔森相关系数是用来反映2 个变量线性相关程度的统计量。相关系数用r 表示，r 描述的是两个变量间线性相关强弱的程度。r 的绝对值越大表明相关性越强。

表1 符合筛选标准的文献Table 1 Documents that match the filter criteria

2 结果与分析

2.1 镁肥施用对作物产量的影响

与不施镁肥相比，施用镁肥能提高水稻、烤烟、小白菜、番茄等作物的产量。本研究综合了135 组关于镁肥施用对作物产量影响的田间试验数据，分析结果表明，镁肥施用对作物产量的综合效应值呈现出正态分布特征，其分布范围为-0.426 1～0.266 8，均值为0.063 4（图1）。

图1 施镁对作物产量的综合效应值Figure 1 The combined effect of magnesium application on crop yield

以水稻为例，施用镁肥对水稻的粒重、结实率和穗数均有所提高（图2）。在搜集的30 组粒重数据，24 组结实率数据和18 组穗数数据中，镁肥施用对水稻粒重、结实率和穗数的综合效应值均呈现出正态分布特征。其中，对粒重的综合效应值的分布范围为-0.003 6～0.082 7，平均值为0.020 2（图2a）；对结实率的综合效应值的分布范围为-0.069 7～0.111 2，平均值为0.019 7（图2b）；对穗数的综合效应值的分布范围为-0.066 1～0.094 4，平均值为0.028 9（图2c）。而粒重、结实率与穗数都是反应水稻产量的重要指标，故施用镁肥可以提高水稻的产量。

2.2 镁肥施用对作物矿质元素吸收的影响

图2 施镁对水稻产量的综合效应值Figure 2 The combined effect of magnesium application on rice yield

如图3所示，整合分析结果表明施用镁肥均能在一定程度上促进作物对N、P、K、Mg 的吸收，但对Ca 吸收的整体影响效应为负。在搜集的55组N 吸收数据，17 组P 吸收数据，49 组K 吸收数据，47 组Mg 吸收数据以及20 组Ca 吸收数据中，镁肥施用对作物对N 吸收的综合效应值的分布范围为-0.390 4～1.045 7，平均值为0.021 1；对P 吸收的综合效应值的分布范围为-0.079 6～0.438 3，平均值为0.079 4；对K 吸收的综合效应值的分布范围为-0.237 4～0.575 5，平均值为0.007 6；对Mg 吸收的综合效应值的分布范围为-0.550 0～0.602 5，平均值为0.165 1；而对Ca 吸收的综合效应值的分布范围为-0.405 5～0.164 3，平均值为-0.106 9。

2.3 相关分析

本研究特别分析了施镁后作物对Mg 吸收的综合效应值与施镁后作物对Ca 吸收的综合效应值的相关性。如图4所示，整合分析结果表明，施镁后作物对Mg 吸收的综合效应值与施镁后作物对Ca 吸收的综合效应值呈现出显著的负线性相关关系（P＜0.01），这表明随着作物对Mg 吸收的增加，作物对Ca 的吸收会明显降低，说明作物对Mg 与Ca 的吸收之间存在着一定的拮抗关系，施镁不利于作物对Ca 的吸收。

图3 施镁对作物矿质元素（N、P、K、Mg、Ca）吸收的综合效应值Figure 3 The combined effect of magnesium application on the absorption of crop mineral elements （N,P,K,Mg,Ca)

图4 施镁后作物对Mg 吸收的综合效应值与对Ca 吸收的综合效应值的相关分析Figure 4 Correlation analysis of combined effect of Mg uptake and total effect on Ca uptake after application of magnesium

3 讨论

本研究数据库中收录有水稻、烤烟、小白菜、玉米、马铃薯、番茄等11 种作物，其中多数作物对镁元素的敏感性较强[33]。种植区土壤为酸性至微碱性，而酸性土壤中镁元素淋失较多，有效镁含量较低。除此以外，H+、Al3+等的拮抗作用也是造成缺镁的原因之一[34]。试验中施用镁肥类型多为硫酸镁和氧化镁，施用操作简单易行。

3.1 镁肥施用对作物产量的影响

高菊生等研究表明，施用镁肥能促进水稻分蘖，有利于水稻生长发育，提高植株抗病性，从而增加水稻的产量[35]。吴正举等[36]研究发现施镁能改善烤烟的生长状况，提高烟株叶片的叶绿素含量，增强烟株的抗病性，提高烟叶的产量和产值，这可能与施镁可以增强烟株光合作用，促进根系发育，而发达根系又有利于烟株对营养物质的吸收有关。因此，在一定范围内施用Mg 肥可显著促进烤烟的生长发育和干物质积累，从而提高烤烟的产量[37-41]。潘住财研究表明施镁能够有效地增加小白菜的生物产量，与常规化肥施用相比可增加小白菜产量20.4%～31.7%[42]。韦启光等[43]研究发现施镁能促进番茄生长，显著提高结果数，增加果重，缓解烂果情况，故对番茄产量的提高有明显作用。本研究整合分析结果表明，施用镁肥能够提高水稻、烤烟、小白菜、番茄等作物的产量，其综合效应均值为0.063 4，这与当前大多数研究结果相符。

3.2 镁肥施用对作物矿质元素吸收的影响

Ding Y.C.等[44]研究结果表明，马铃薯茎部对N、P和Mg 的吸收量随着镁肥施用量（0、75、300 kg/hm2）的提高而增加。黄东风等试验结果显示，施镁能明显提高小白菜对N、P、K、Mg 等营养元素的吸收量[8]。汪洪等[5]研究发现缺镁会影响烤烟对P 的吸收，原因主要在于缺镁会导致叶绿体中的光合磷酸化和羧化反应受影响，蛋白质的合成减少，从而破坏生物膜的稳定性，致使烟草根系吸收PO43-能力下降。大量田间试验表明，随着施镁水平的增加，烟叶含Ca 量逐渐降低，说明施Mg 不利于Ca 的吸收。因此，在调整施肥措施的同时，应考虑到Mg 与Ca 的拮抗关系，确定适宜的施镁水平，调节Ca/Mg 以提高烟叶质量[25]。这也与介晓磊等[45]开展的不同Ca 水平对烟叶Mg 含量研究结果一致。本研究整合分析结果显示，施镁对作物对N 吸收的综合效应均值为0.021 1，对P 吸收的综合效应均值为0.079 4，对K吸收的综合效应均值为0.007 6，对Mg 吸收的综合效应均值为0.165 1，而对Ca 吸收的综合效应均值为-0.106 9。结果说明施镁能普遍促进作物对N、P、K、Mg 等矿质元素的吸收，但对Ca 吸收的整体影响效应为负，这也与当前大多数学者的研究结果相一致。

4 结论

本研究探讨镁肥施用对作物产量及矿质元素吸收的影响，整合分析结果表明：

①与不施镁肥相比，施镁能提高酸性至微碱性土壤上水稻、烤烟、小白菜、玉米、马铃薯、番茄等作物的产量，其综合效应均值为0.063 4。

②施镁能普遍促进作物对N、P、K、Mg 等矿质元素的吸收，其综合效应均值分别为0.021 1、0.079 4、0.007 6、0.165 1；对Ca 吸收的整体影响效应为负，综合效应均值为-0.106 9。

因此，酸性至微碱性土壤上镁肥的施用对于提高作物产量，促进作物对矿质元素的吸收具有重大意义。