有機農業對蔬菜產量和品質影響的Meta分析

孫銘 楊宏博 劉發波 程艷莉 梁濤 劉敦一 陳新平 王孝忠

摘 ? ?要：基于數據整合分析的方法，系統分析了有機農業對不同地區蔬菜生產產量和品質的影響，并揭示不同田間管理措施對其效果的影響。結果表明，與常規農業相比，有機農業能夠降低蔬菜產量14.5%，同時顯著提高蔬菜維生素C含量34.8%，提高可溶性糖含量39.5%，顯著降低硝酸鹽含量32.2%。露地栽培管理方式下有機農業提高可溶性糖含量46.3%，提高幅度高于設施栽培。與其他類型蔬菜相比，有機農業降低葉菜類蔬菜產量和硝酸鹽含量以及提高可溶性糖含量的幅度均最高，分別為23.9%、34.3%、53.9%；在不同施氮量條件下，氮肥施用量>250 kg·hm-2時，有機農業提高蔬菜產量和維生素C含量幅度均最高，分別為4.9%、33.2%。相比于其他區域，北美洲地區降低產量幅度最小，為11.4%。主成分分析表明，土壤全氮含量和有機質含量是有機農業條件下促進蔬菜產量形成的主要因素，土壤速效鉀含量和pH值是提升蔬菜品質的主要因素。綜上所述，有機農業是提高蔬菜品質，實現蔬菜綠色可持續發展的重要生產模式。

關鍵詞：蔬菜類型；有機農業；產量；品質；田間管理

中圖分類號：S63 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2023）06-091-07

Effects of organic agriculture on vegetable yield and quality： a Meta-analysis

SUN Ming1，2， YANG Hongbo1，2， LIU Fabo1，2， CHENG Yanli1，2， LIANG Tao3， LIU Dunyi1，2， CHEN Xinping1，2， WANG Xiaozhong1，2

（1. Agriculture Green Development Research Center of Yangtze River Economic Belt/College of Resources and Environment， Southwest University， Chongqing 400715， China; 2. Academy of Agricultural Sciences， Southwest University， Chongqing 400715， China; 3. Chongqing Academy of Agricultural Sciences， Chongqing 401329， China）

Abstract： In this study， we have conducted a meta-analysis to systematically analyze the effects of organic agriculture on vegetable production yield and quality among different regions， and indicated the effects of different field management measures. The results showed that organic agriculture could decrease vegetable yields （-14.5%）， significantly increase vegetable Vitamin C（VC） content （34.8%） and soluble sugar content （39.5%）， but significantly decrease nitrate content （-32.2%）. Organic agriculture increased soluble sugar（46.3%） under open-field cultivation， which were higher than those under the conditions of greenhouse. Compared with other vegetable types， organic agriculture had the highest effect on decreasing the yield（-23.9%）， nitrate content （-34.3%） and increasing soluble sugar content（53.9%）for leafy vegetables. Under different application amounts of nitrogen conditions， when application amounts of nitrogen were more than 250 kg·hm–2， organic agriculture had the highest effect on increasing vegetable yield （4.9%） and VC content （33.2%）. Compared to other regions， North America had the lowest yield reduction of 11.4%. Principal component analysis （PCA） showed that soil total nitrogen content and organic matter content were the main factors in promoting the increase of vegetable yields under organic agriculture， while soil available potassium content and soil pH were the main factors in promoting the increase of vegetable quality. In summary， organic agriculture is an important production model to improve the quality of vegetables and achieve the sustainable development of vegetables worldwide.

Key words： Vegetable species; Organic agriculture; Yield; Quality; Field management

蔬菜生產發展十分迅速，2020年全球蔬菜播種面積達到2051萬hm2，總產量為2.96億t，是僅次于糧食的第二大農作物[1]。在傳統的栽培方式中，集約化蔬菜生產過量使用化肥導致表層土壤速效養分（氮、磷等）大量富集[2]、次生鹽漬化、養分損失量大、蔬菜品質和產量下降等一系列較為嚴重的問題[3-4]，嚴重制約著蔬菜產業的可持續發展[5-7]。因此，尋求有效措施以實現蔬菜品質提升和降低環境代價對實現蔬菜綠色可持續發展至關重要。

有機農業是一種建立和恢復農業生態系統的生物多樣性和養分循環、維持農業的可持續發展為核心的生產模式[8]。有機農業已成為國際上研究的熱點問題，已有大量研究結果表明，有機農業相比常規農業降低了蔬菜產量[9-11]。Ponisio等[12]研究表明，有機農業作物產量比傳統農業的作物產量低19.2%，并且對不同作物的效果不同。前人這些研究主要聚焦于糧食作物系統[13-15]，對蔬菜作物的系統研究相對較少。近年來，關于有機農業對蔬菜作物體系的田間研究越來越多，這為定量化系統評價提供了可能。有機農業中有機肥含有豐富的有機質，各種養分較全面，同時可以改善土壤理化性狀，能夠促進蔬菜品質提高[16-17]。Koh等[18]研究表明，有機農業菠菜抗壞血酸和類黃酮顯著高于常規農業，而硝酸鹽含量明顯低于常規農業。陳玉珍等[19]研究表明，有機農業栽培下的萵苣、芹菜中維生素C、可溶性糖、可溶性蛋白質含量均顯著高于常規農業。受田間管理方式、區域土壤特性、作物種類和氮肥用量等多種因素的影響，有機農業在蔬菜田間的應用效果有很大的差異。De Pascale等[20]研究表明，不施氮肥情況下，常規農業與有機農業的番茄產量沒有顯著差異，而隨著氮肥施用量的增加，有機農業番茄產量顯著降低。以前的研究重點基于田塊尺度，比較關注有機農業對產量或品質等單一指標的影響，對產量和品質的綜合影響以及在不同農業生產條件下的有機農業應用效果的探究尚不清楚。因此，亟需系統評價有機農業在蔬菜不同田間生產條件下的應用效果，對推廣有機蔬菜生產方式具有重要的指導意義。

筆者運用整合分析的方法，系統量化有機農業對不同地區蔬菜產量和品質的綜合影響，同時，闡明區域土壤特性、氮肥用量、栽培方式和蔬菜類型等因素對其應用效果的影響，進而明確其關鍵驅動因子，對指導有機農業在蔬菜生產系統合理應用有借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 數據收集及篩選

從中國知網、萬方數據庫和web of SCI 3個數據庫收集數據，以有機、常規、蔬菜、產量為關鍵詞，檢索了截至2022年3月之前公開發表的有機農業對蔬菜生長相關的文獻，并進行篩選，標準為：（1）文獻中必須包括了有機蔬菜和常規蔬菜對照處理；（2）試驗數據中必須含有蔬菜產量指標或者品質指標；（3）有機處理是經認證的有機處理或遵循有機認證標準；（4）有機和常規處理的時間尺度和空間尺度是一樣的；（5）有機和常規處理的試驗條件為田間試驗?；谝陨蠘藴使彩占?1篇期刊論文，其中405項研究數據符合標準。在收集數據過程中，如果數據是以圖的形式展示，則采用GetDate Graph Digitizer 2.24軟件來獲取。收集的內容包括：作者、標題、栽培類型、試驗時間、土壤類型、土壤pH值、有機質含量、土壤總氮含量、產量、施肥量、維生素Ｃ含量、硝酸鹽含量、可溶性糖含量等。維生素C含量、硝酸鹽含量及可溶性糖含量是衡量蔬菜品質的重要指標，其含量的高低決定蔬菜的口味和營養價值。

為明確影響有機農業應用效果的主要驅動因素，筆者將這些驅動因子劃分為地區、蔬菜類型、田間管理措施（栽培類型、氮肥用量），具體分類見表1。其中地區分為亞洲、北美洲、南美洲、歐洲和非洲。蔬菜類型主要分成葉菜類、瓜果類、塊根類、茄果類和其他蔬菜類這5類。葉菜類蔬菜主要包括菠菜、生菜和白菜等；瓜果類蔬菜主要包括黃瓜、苦瓜和南瓜等；塊根類蔬菜主要是馬鈴薯、胡蘿卜和蘿卜等；茄果類蔬菜主要包括番茄、辣椒和茄子等；其他蔬菜類主要包括西藍花、菜豆和花椰菜等。

式中，Xt表示有機農業處理（處理組）的平均值，Xc表示常規農業處理（對照組）的平均值。

另外，權重（ω）、權重響應比（meanRR）、meanRR的標準誤、95%的置信區間（CI）和由有機農業引起既定變量的變化率（C）可通過下計算：

式中，St和Sc分別表示處理組的標準差和對照組的標準差；nt和nc分別表示處理組和對照組的樣本量；如果一些研究中沒有給出相應的標準差，則以公式（3）計算權重。并運用Prism 9作隨機森林圖。若效應值95%的置信區間大于0，則說明產生了正效應，表明有機農業顯著提高了蔬菜的產量或品質；若效應值95%的置信區間小于0，則說明產生了負效應，表明有機農業顯著降低了蔬菜的產量或品質；若置信區間包含0，則說明有機農業對蔬菜的產量或品質無顯著影響。利用主成分分析（PCA），采用Origin2018軟件分析了土壤理化性質與蔬菜品質和產量的關系。

2 結果與分析

2.1 蔬菜產量和品質綜合效應

由圖1可以看出，與常規農業相比，有機農業蔬菜產量顯著降低14.5%（95%置信區間：-23.2%～-4.9%），蔬菜維生素C含量顯著提高34.8%（95%置信區間：10.6%～64.4%），可溶性糖含量顯著提高39.5%（95%置信區間：13.9%～71.0%），同時蔬菜中硝酸鹽含量顯著降低32.2%（95%置信區間：-43.0%～-19.4%）。

2.2 不同生產條件下有機農業對蔬菜產量效應的影響

由圖2可以看出，與常規農業相比，有機農業在設施和露地兩種管理方式下分別降低蔬菜產量15.5%和14.4%，設施和露地間差異不明顯。就蔬菜類型而言，有機農業分別降低葉菜類、瓜菜類、塊根類、茄果類、其他蔬菜類蔬菜產量23.9%、10.9%、10.7%、12.5%、2.3%，其中葉菜類和茄果類蔬菜降低產量幅度較高。在不同施氮量條件下，當施氮量<150 kg·hm–2和150～250 kg·hm–2時，分別顯著降低蔬菜產量24.1%和22.7%，而當氮肥施用量>250 kg·hm–2時，蔬菜增產幅度為4.9%。在不同地區，有機農業分別降低歐洲、亞洲、北美洲和非洲地區產量21.7%、12.4%、11.4%、36.5%。

2.3 不同生產條件下有機農業對蔬菜品質效應的影響

由圖3-A可以看出，與常規農業相比，有機農業在設施和露地兩種管理方式下，蔬菜維生素C含量分別提高51.2%和32.9%。就蔬菜類型而言，有機農業分別提高葉菜類、瓜果類、茄果類、其他蔬菜類蔬菜維生素C含量41.4%、55.7%、20.1%、24.5%，其中對瓜果類提升效果最好。當施氮量<150 kg·hm-2、150～250 kg·hm-2和>250 kg·hm-2時，蔬菜維生素C含量分別提高25.0%、24.3%和33.2%。

由圖3-B可以看出，與常規農業相比，有機農業降低設施蔬菜硝酸鹽含量幅度（34.4%）高于露地蔬菜（31.8%）。就蔬菜類型而言，有機農業降低葉菜類、茄果類和其他蔬菜類蔬菜硝酸鹽含量效果顯著，分別降低34.3%、33.5%和29.3%。在不同施氮量條件下，當氮肥施用量<150 kg·hm-2和>250 kg·hm-2時，有機農業降低蔬菜硝酸鹽含量效果顯著，分別降低52.6%和32.1%。

由圖3-C可以看出，與常規農業相比，有機農業對提高露地蔬菜可溶性糖含量（46.3%）效果高于設施蔬菜（13.0%）。就蔬菜類型而言，有機農業顯著提高葉菜類蔬菜可溶性糖含量53.9%，提升效果高于瓜果類（38.4%）、茄果類（40.8%）和其他蔬菜類蔬菜（7.7%）。在不同施氮量條件下，當施氮量150～250 kg·hm–2時，有機農業提高蔬菜可溶性糖含量幅度最高（60.6%）。

2.4 蔬菜產量和品質因素分析

利用主成分（PCA）分析了在有機農業中，土壤pH值、土壤全氮含量（TN）、有機質含量（SOM）、速效磷、速效鉀和堿解氮含量與蔬菜產量的關系。由圖4可知，主成分分析篩選出前兩個主成分，累積方差為83.1%。通過主成分分析發現，土壤中的全氮含量和有機質含量是影響蔬菜產量的主要因素，并且全氮含量和有機質含量與蔬菜產量呈正相關性。但有機農業條件下速效磷含量和蔬菜產量的關系正相關性較弱。土壤中速效鉀含量、pH值、堿解氮含量與蔬菜產量都呈負相關關系。

利用主成分（PCA）分析了在有機農業中，土壤pH值、土壤全氮含量（TN）、有機質含量（SOM）、速效磷、速效鉀和堿解氮含量與蔬菜維生素C含量、硝酸鹽和可溶性糖含量的關系。由圖5可以看出，主成分分析篩選出前兩個主成分，累積方差分別為77.2%、81.8%和85.0%。通過主成分分析發現，土壤中的速效鉀含量和pH值是影響蔬菜維生素C、硝酸鹽和可溶性糖含量等品質的主要因素，且速效鉀含量和pH值與蔬菜維生素C、硝酸鹽和可溶性糖含量呈正相關性。然而，有機農業條件下速效磷與硝酸鹽和可溶性糖含量的關系正相關性較弱。土壤中全氮含量和有機質含量與蔬菜維生素C、硝酸鹽呈負相關關系。

3 討論與結論

3.1 有機農業對蔬菜產量和品質的影響

有機農業主要是通過有機肥以及與豆科作物的輪作等農業措施來維持和提高土壤肥力。有機肥的施用不僅可以為蔬菜生長提供相應的養分，同時可以改善土壤理化性狀、保持土壤養分平衡，從而促進蔬菜生長發育及品質性狀的改善[21]。筆者的研究結果表明，與常規農業相比，有機農業蔬菜產量降低了14.5%，這與前人研究結果一致[22]。Ponisio等[12]通過meta分析表明，有機農業蔬菜產量比傳統管理的蔬菜產量低20.7%。有機農業中有機肥養分含量相比化肥較低，肥力發揮較慢，蔬菜生長周期短且為高養分吸收作物，在植株旺盛生長時期，有機肥不能及時滿足作物的需求[23]，因此對蔬菜的產量存在一定的負向效應，導致了產量的下降[24]。

盡管有機農業能夠降低蔬菜產量，但由于有機農業中有機肥養分含量豐富，可改善蔬菜品質。筆者的研究結果顯示，有機農業蔬菜維生素C含量和可溶性糖含量分別提高了34.8%和39.5%，同時，顯著降低蔬菜硝酸鹽含量32.2%，與前人的研究結果一致[25]。有機農業中有機肥除了含有作物生長所需的大量元素以外，還含有大量微量元素、有機物和微生物等，營養供給更加全面、均衡，可促進蔬菜維生素C、可溶性糖等物質的合成[26]?？扇苄蕴呛渴瞧焚|性狀的重要指標[27]，可溶性糖是許多植物的滲透調節劑[28]，也是碳水化合物貯藏的主要形式。有機農業中有機肥對蔗糖代謝相關酶活性的積極作用，影響了蔬菜對碳水化合物的吸收，從而提高了蔬菜的可溶性糖含量[29]。作物硝酸鹽含量與土壤礦質氮的含量呈正相關，有機肥料中含有較多的酚、糖、醛類化合物及羧基，可對肥料中的NH4+進行吸附和固定，抑制NH4+的硝化作用，減少硝態氮的形成[30-31]。

3.2 不同生產條件下有機農業對蔬菜產量和品質的影響

受田間管理方式、區域土壤特性、作物種類和氮肥用量等多種因素的影響，有機農業在蔬菜田間的應用效果有很大的差異。在不同氮肥用量下，有機農業對蔬菜的增產效應有所差異。筆者的研究結果表明，有機農業條件下，隨著氮肥用量增加，蔬菜增產效應呈增強的趨勢。Golubkina等[32]研究得出，有機農業洋蔥產量隨氮肥施用量的增加而不斷提高，這與筆者的研究結果相一致?？赡茉蛟谟?，隨著有機肥施用量的增加，土壤有機質含量不斷提高，同時改善土壤理化性狀并增強了土壤持續供應養分的能力，有利于蔬菜的生長發育。從不同蔬菜類型來看，有機農業條件下降低葉菜類蔬菜的產量效應高于其他蔬菜。葉菜類蔬菜較其他蔬菜種類生育期短，而有機農業中有機肥的氮素釋放則是一個較為緩慢的過程，前期養分濃度低，無法滿足葉菜類蔬菜營養需求，因此葉菜類蔬菜產量低于其他蔬菜種類。從不同地區來看，有機農業條件下，北美洲蔬菜產量降低幅度最小。這可能是由于北美洲地區國家先進的科學技術及管理經驗，在有機農業發展方面遙遙領先于其他洲的國家[33]。

在不同氮肥用量下，有機農業對提升蔬菜品質效應有所差異。筆者研究中施氮量<150 kg·hm–2時，降低硝酸鹽含量效應高于其他施氮量，而施氮量為150～250 kg·hm–2時提升可溶性糖含量效應高于其他施氮量。Golubkina等[32]研究得出，有機農業下隨著氮肥施用量的增加，洋蔥硝酸鹽含量呈現不斷增長的趨勢。王鳳文[34]的研究表明，有機肥用量為適量時，辣椒的可溶性糖含量最高，其后隨有機肥用量增加可溶性糖含量降低，這與筆者的研究結果相一致?？赡苁怯捎陔S著施氮量增加，有機農業降低蔬菜硝酸鹽含量和提升可溶性糖含量效果受到抑制。從不同蔬菜類型來看，有機農業條件下提升葉菜類蔬菜可溶性糖含量和降低硝酸鹽含量效應高于其他類蔬菜，這與馬超等[35]發現有機農業提高葉菜類蔬菜可溶性糖含量效應高于瓜果類蔬菜的結果相一致?？赡苁侨~菜類蔬菜土壤中pH值和速效鉀含量較其他蔬菜高。筆者的研究結果表明，有機農業條件下土壤速效鉀含量和pH值與蔬菜品質呈正相關關系。從不同栽培類型來看，有機農業在露地栽培中的提升可溶性糖含量效應要高于設施栽培，原因可能是設施蔬菜以茄果類蔬菜為主、露地蔬菜以葉菜類蔬菜為主。筆者的研究結果表明，有機農業對提高茄果類蔬菜可溶性糖含量效應低于葉菜類蔬菜。

3.3 不確定性分析

筆者基于Meta分析的研究方法，綜合量化了有機農業在不同生產條件下對蔬菜產量和品質的影響程度。然而，該研究也存在一些不確定性。（1）相比于其他作物系統，有機農業在不同地區應用于蔬菜生產的樣本量相對較少，且區域分布差異大。（2）有機農業在不同栽培方式及不同蔬菜類型下應用于蔬菜生產樣本量不均勻，導致比較有機農業不同栽培方式和蔬菜類型的田間應用效果差異時，準確性降低。（3）目前針對有機農業蔬菜品質及其評價指標的研究相對較少，也會給該研究帶來一定的不確定性。因此，為更準確的評價有機農業對不同地區蔬菜產量和品質影響，未來需要在更多區域、更多蔬菜類型開展系統全面研究。

在不同地區蔬菜生產系統中，有機農業能夠顯著降低14.5%的蔬菜產量，同時顯著提高34.8%的蔬菜維生素C含量，提高39.5%的可溶性糖含量，顯著降低32.2%的硝酸鹽含量。

在不同的栽培類型中，有機農業在露地栽培管理方式下提高可溶性糖含量的效果優于設施栽培。在所有蔬菜類型中，有機農業降低蔬菜產量和硝酸鹽含量、提高可溶性糖含量幅度最高的均為葉菜類蔬菜，降低葉菜類蔬菜產量23.9%，降低硝酸鹽含量34.3%，提高葉菜類蔬菜可溶性糖含量53.9%。在不同施氮量條件下，當氮肥施用量>250 kg·hm–2時，提高蔬菜產量和維生素C含量幅度最高。在不同地區條件下，北美洲地區降低產量幅度最小，為11.4%。

土壤全氮含量和有機質含量是有機農業條件下促進蔬菜產量形成的主要因素，土壤速效鉀含量和pH值是提升蔬菜品質的主要因素。

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