孙铭 杨宏博 刘发波 程艳莉 梁涛 刘敦一 陈新平 王孝忠

摘    要：基于數据整合分析的方法，系统分析了有机农业对不同地区蔬菜生产产量和品质的影响，并揭示不同田间管理措施对其效果的影响。结果表明，与常规农业相比，有机农业能够降低蔬菜产量14.5%，同时显著提高蔬菜维生素C含量34.8%，提高可溶性糖含量39.5%，显著降低硝酸盐含量32.2%。露地栽培管理方式下有机农业提高可溶性糖含量46.3%，提高幅度高于设施栽培。与其他类型蔬菜相比，有机农业降低叶菜类蔬菜产量和硝酸盐含量以及提高可溶性糖含量的幅度均最高，分别为23.9%、34.3%、53.9%；在不同施氮量条件下，氮肥施用量>250 kg·hm-2时，有机农业提高蔬菜产量和维生素C含量幅度均最高，分别为4.9%、33.2%。相比于其他区域，北美洲地区降低产量幅度最小，为11.4%。主成分分析表明，土壤全氮含量和有机质含量是有机农业条件下促进蔬菜产量形成的主要因素，土壤速效钾含量和pH值是提升蔬菜品质的主要因素。综上所述，有机农业是提高蔬菜品质，实现蔬菜绿色可持续发展的重要生产模式。

关键词：蔬菜类型；有机农业；产量；品质；田间管理

中图分类号：S63 文献标志码：A 文章编号：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

蔬菜生产发展十分迅速，2020年全球蔬菜播种面积达到2051万hm2，总产量为2.96亿t，是仅次于粮食的第二大农作物[1]。在传统的栽培方式中，集约化蔬菜生产过量使用化肥导致表层土壤速效养分（氮、磷等）大量富集[2]、次生盐渍化、养分损失量大、蔬菜品质和产量下降等一系列较为严重的问题[3-4]，严重制约着蔬菜产业的可持续发展[5-7]。因此，寻求有效措施以实现蔬菜品质提升和降低环境代价对实现蔬菜绿色可持续发展至关重要。

有机农业是一种建立和恢复农业生态系统的生物多样性和养分循环、维持农业的可持续发展为核心的生产模式[8]。有机农业已成为国际上研究的热点问题，已有大量研究结果表明，有机农业相比常规农业降低了蔬菜产量[9-11]。Ponisio等[12]研究表明，有机农业作物产量比传统农业的作物产量低19.2%，并且对不同作物的效果不同。前人这些研究主要聚焦于粮食作物系统[13-15]，对蔬菜作物的系统研究相对较少。近年来，关于有机农业对蔬菜作物体系的田间研究越来越多，这为定量化系统评价提供了可能。有机农业中有机肥含有丰富的有机质，各种养分较全面，同时可以改善土壤理化性状，能够促进蔬菜品质提高[16-17]。Koh等[18]研究表明，有机农业菠菜抗坏血酸和类黄酮显著高于常规农业，而硝酸盐含量明显低于常规农业。陈玉珍等[19]研究表明，有机农业栽培下的莴苣、芹菜中维生素C、可溶性糖、可溶性蛋白质含量均显著高于常规农业。受田间管理方式、区域土壤特性、作物种类和氮肥用量等多种因素的影响，有机农业在蔬菜田间的应用效果有很大的差异。De Pascale等[20]研究表明，不施氮肥情况下，常规农业与有机农业的番茄产量没有显著差异，而随着氮肥施用量的增加，有机农业番茄产量显著降低。以前的研究重点基于田块尺度，比较关注有机农业对产量或品质等单一指标的影响，对产量和品质的综合影响以及在不同农业生产条件下的有机农业应用效果的探究尚不清楚。因此，亟需系统评价有机农业在蔬菜不同田间生产条件下的应用效果，对推广有机蔬菜生产方式具有重要的指导意义。

笔者运用整合分析的方法，系统量化有机农业对不同地区蔬菜产量和品质的综合影响，同时，阐明区域土壤特性、氮肥用量、栽培方式和蔬菜类型等因素对其应用效果的影响，进而明确其关键驱动因子，对指导有机农业在蔬菜生产系统合理应用有借鉴意义。

1 材料与方法

1.1 数据收集及筛选

从中国知网、万方数据库和web of SCI 3个数据库收集数据，以有机、常规、蔬菜、产量为关键词，检索了截至2022年3月之前公开发表的有机农业对蔬菜生长相关的文献，并进行筛选，标准为：（1）文献中必须包括了有机蔬菜和常规蔬菜对照处理；（2）试验数据中必须含有蔬菜产量指标或者品质指标；（3）有机处理是经认证的有机处理或遵循有机认证标准；（4）有机和常规处理的时间尺度和空间尺度是一样的；（5）有机和常规处理的试验条件为田间试验。基于以上标准共收集91篇期刊论文，其中405项研究数据符合标准。在收集数据过程中，如果数据是以图的形式展示，则采用GetDate Graph Digitizer 2.24軟件来获取。收集的内容包括：作者、标题、栽培类型、试验时间、土壤类型、土壤pH值、有机质含量、土壤总氮含量、产量、施肥量、维生素Ｃ含量、硝酸盐含量、可溶性糖含量等。维生素C含量、硝酸盐含量及可溶性糖含量是衡量蔬菜品质的重要指标，其含量的高低决定蔬菜的口味和营养价值。

为明确影响有机农业应用效果的主要驱动因素，笔者将这些驱动因子划分为地区、蔬菜类型、田间管理措施（栽培类型、氮肥用量），具体分类见表1。其中地区分为亚洲、北美洲、南美洲、欧洲和非洲。蔬菜类型主要分成叶菜类、瓜果类、块根类、茄果类和其他蔬菜类这5类。叶菜类蔬菜主要包括菠菜、生菜和白菜等；瓜果类蔬菜主要包括黄瓜、苦瓜和南瓜等；块根类蔬菜主要是马铃薯、胡萝卜和萝卜等；茄果类蔬菜主要包括番茄、辣椒和茄子等；其他蔬菜类主要包括西蓝花、菜豆和花椰菜等。

式中，Xt表示有机农业处理（处理组）的平均值，Xc表示常规农业处理（对照组）的平均值。

另外，权重（ω）、权重响应比（meanRR）、meanRR的标准误、95%的置信区间（CI）和由有机农业引起既定变量的变化率（C）可通过下计算：

式中，St和Sc分别表示处理组的标准差和对照组的标准差；nt和nc分别表示处理组和对照组的样本量；如果一些研究中没有给出相应的标准差，则以公式（3）计算权重。并运用Prism 9作随机森林图。若效应值95%的置信区间大于0，则说明产生了正效应，表明有机农业显著提高了蔬菜的产量或品质；若效应值95%的置信区间小于0，则说明产生了负效应，表明有机农业显著降低了蔬菜的产量或品质；若置信区间包含0，则说明有机农业对蔬菜的产量或品质无显著影响。利用主成分分析（PCA），采用Origin2018软件分析了土壤理化性质与蔬菜品质和产量的关系。

2 结果与分析

2.1 蔬菜产量和品质综合效应

由图1可以看出，与常规农业相比，有机农业蔬菜产量显著降低14.5%（95%置信区间：-23.2%～-4.9%），蔬菜维生素C含量显著提高34.8%（95%置信区间：10.6%～64.4%），可溶性糖含量显著提高39.5%（95%置信区间：13.9%～71.0%），同时蔬菜中硝酸盐含量显著降低32.2%（95%置信区间：-43.0%～-19.4%）。

2.2 不同生产条件下有机农业对蔬菜产量效应的影响

由图2可以看出，与常规农业相比，有机农业在设施和露地两种管理方式下分别降低蔬菜产量15.5%和14.4%，设施和露地间差异不明显。就蔬菜类型而言，有机农业分别降低叶菜类、瓜菜类、块根类、茄果类、其他蔬菜类蔬菜产量23.9%、10.9%、10.7%、12.5%、2.3%，其中叶菜类和茄果类蔬菜降低产量幅度较高。在不同施氮量条件下，当施氮量<150 kg·hm–2和150～250 kg·hm–2时，分别显著降低蔬菜产量24.1%和22.7%，而当氮肥施用量>250 kg·hm–2时，蔬菜增产幅度为4.9%。在不同地区，有机农业分别降低欧洲、亚洲、北美洲和非洲地区产量21.7%、12.4%、11.4%、36.5%。

2.3 不同生产条件下有机农业对蔬菜品质效应的影响

由图3-A可以看出，与常规农业相比，有机农业在设施和露地两种管理方式下，蔬菜维生素C含量分别提高51.2%和32.9%。就蔬菜类型而言，有机农业分别提高叶菜类、瓜果类、茄果类、其他蔬菜类蔬菜维生素C含量41.4%、55.7%、20.1%、24.5%，其中对瓜果类提升效果最好。当施氮量<150 kg·hm-2、150～250 kg·hm-2和>250 kg·hm-2时，蔬菜维生素C含量分别提高25.0%、24.3%和33.2%。

由图3-B可以看出，与常规农业相比，有机农业降低设施蔬菜硝酸盐含量幅度（34.4%）高于露地蔬菜（31.8%）。就蔬菜类型而言，有机农业降低叶菜类、茄果类和其他蔬菜类蔬菜硝酸盐含量效果显著，分别降低34.3%、33.5%和29.3%。在不同施氮量条件下，当氮肥施用量<150 kg·hm-2和>250 kg·hm-2时，有机农业降低蔬菜硝酸盐含量效果显著，分别降低52.6%和32.1%。

由图3-C可以看出，与常规农业相比，有机农业对提高露地蔬菜可溶性糖含量（46.3%）效果高于设施蔬菜（13.0%）。就蔬菜类型而言，有机农业显著提高叶菜类蔬菜可溶性糖含量53.9%，提升效果高于瓜果类（38.4%）、茄果类（40.8%）和其他蔬菜类蔬菜（7.7%）。在不同施氮量条件下，当施氮量150～250 kg·hm–2时，有机农业提高蔬菜可溶性糖含量幅度最高（60.6%）。

2.4 蔬菜产量和品质因素分析

利用主成分（PCA）分析了在有机农业中，土壤pH值、土壤全氮含量（TN）、有机质含量（SOM）、速效磷、速效钾和碱解氮含量与蔬菜产量的关系。由图4可知，主成分分析筛选出前两个主成分，累积方差为83.1%。通过主成分分析发现，土壤中的全氮含量和有机质含量是影响蔬菜产量的主要因素，并且全氮含量和有机质含量与蔬菜产量呈正相关性。但有机农业条件下速效磷含量和蔬菜产量的关系正相关性较弱。土壤中速效钾含量、pH值、碱解氮含量与蔬菜产量都呈负相关关系。

利用主成分（PCA）分析了在有机农业中，土壤pH值、土壤全氮含量（TN）、有机质含量（SOM）、速效磷、速效钾和碱解氮含量与蔬菜维生素C含量、硝酸盐和可溶性糖含量的关系。由图5可以看出，主成分分析筛选出前两个主成分，累积方差分别为77.2%、81.8%和85.0%。通过主成分分析发现，土壤中的速效钾含量和pH值是影响蔬菜维生素C、硝酸盐和可溶性糖含量等品质的主要因素，且速效钾含量和pH值与蔬菜维生素C、硝酸盐和可溶性糖含量呈正相关性。然而，有机农业条件下速效磷与硝酸盐和可溶性糖含量的关系正相关性较弱。土壤中全氮含量和有机质含量与蔬菜维生素C、硝酸盐呈负相关关系。

3 讨论与结论

3.1 有机农业对蔬菜产量和品质的影响

有机农业主要是通过有机肥以及与豆科作物的轮作等农业措施来维持和提高土壤肥力。有机肥的施用不仅可以为蔬菜生长提供相应的养分，同时可以改善土壤理化性状、保持土壤养分平衡，从而促进蔬菜生长发育及品质性状的改善[21]。笔者的研究结果表明，与常规农业相比，有机农业蔬菜产量降低了14.5%，这与前人研究结果一致[22]。Ponisio等[12]通过meta分析表明，有机农业蔬菜产量比传统管理的蔬菜产量低20.7%。有机农业中有机肥养分含量相比化肥较低，肥力发挥较慢，蔬菜生长周期短且为高养分吸收作物，在植株旺盛生长时期，有机肥不能及时满足作物的需求[23]，因此对蔬菜的产量存在一定的负向效应，导致了產量的下降[24]。

尽管有机农业能够降低蔬菜产量，但由于有机农业中有机肥养分含量丰富，可改善蔬菜品质。笔者的研究结果显示，有机农业蔬菜维生素C含量和可溶性糖含量分别提高了34.8%和39.5%，同时，显著降低蔬菜硝酸盐含量32.2%，与前人的研究结果一致[25]。有机农业中有机肥除了含有作物生长所需的大量元素以外，还含有大量微量元素、有机物和微生物等，营养供给更加全面、均衡，可促进蔬菜维生素C、可溶性糖等物质的合成[26]。可溶性糖含量是品质性状的重要指标[27]，可溶性糖是许多植物的渗透调节剂[28]，也是碳水化合物贮藏的主要形式。有机农业中有机肥对蔗糖代谢相关酶活性的积极作用，影响了蔬菜对碳水化合物的吸收，从而提高了蔬菜的可溶性糖含量[29]。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[30-31]。

3.2 不同生产条件下有机农业对蔬菜产量和品质的影响

受田间管理方式、区域土壤特性、作物种类和氮肥用量等多种因素的影响，有机农业在蔬菜田间的应用效果有很大的差异。在不同氮肥用量下，有机农业对蔬菜的增产效应有所差异。笔者的研究结果表明，有机农业条件下，随着氮肥用量增加，蔬菜增产效应呈增强的趋势。Golubkina等[32]研究得出，有机农业洋葱产量随氮肥施用量的增加而不断提高，这与笔者的研究结果相一致。可能原因在于，随着有机肥施用量的增加，土壤有机质含量不断提高，同时改善土壤理化性状并增强了土壤持续供应养分的能力，有利于蔬菜的生长发育。从不同蔬菜类型来看，有机农业条件下降低叶菜类蔬菜的产量效应高于其他蔬菜。叶菜类蔬菜较其他蔬菜种类生育期短，而有机农业中有机肥的氮素释放则是一个较为缓慢的过程，前期养分浓度低，无法满足叶菜类蔬菜营养需求，因此叶菜类蔬菜产量低于其他蔬菜种类。从不同地区来看，有机农业条件下，北美洲蔬菜产量降低幅度最小。这可能是由于北美洲地区国家先进的科学技术及管理经验，在有机农业发展方面遥遥领先于其他洲的国家[33]。

在不同氮肥用量下，有机农业对提升蔬菜品质效应有所差异。笔者研究中施氮量<150 kg·hm–2时，降低硝酸盐含量效应高于其他施氮量，而施氮量为150～250 kg·hm–2时提升可溶性糖含量效应高于其他施氮量。Golubkina等[32]研究得出，有机农业下随着氮肥施用量的增加，洋葱硝酸盐含量呈现不断增长的趋势。王凤文[34]的研究表明，有机肥用量为适量时，辣椒的可溶性糖含量最高，其后随有机肥用量增加可溶性糖含量降低，这与笔者的研究结果相一致。可能是由于随着施氮量增加，有机农业降低蔬菜硝酸盐含量和提升可溶性糖含量效果受到抑制。从不同蔬菜类型来看，有机农业条件下提升叶菜类蔬菜可溶性糖含量和降低硝酸盐含量效应高于其他类蔬菜，这与马超等[35]发现有机农业提高叶菜类蔬菜可溶性糖含量效应高于瓜果类蔬菜的结果相一致。可能是叶菜类蔬菜土壤中pH值和速效钾含量较其他蔬菜高。笔者的研究结果表明，有机农业条件下土壤速效钾含量和pH值与蔬菜品质呈正相关关系。从不同栽培类型来看，有机农业在露地栽培中的提升可溶性糖含量效应要高于设施栽培，原因可能是设施蔬菜以茄果类蔬菜为主、露地蔬菜以叶菜类蔬菜为主。笔者的研究结果表明，有机农业对提高茄果类蔬菜可溶性糖含量效应低于叶菜类蔬菜。

3.3 不確定性分析

笔者基于Meta分析的研究方法，综合量化了有机农业在不同生产条件下对蔬菜产量和品质的影响程度。然而，该研究也存在一些不确定性。（1）相比于其他作物系统，有机农业在不同地区应用于蔬菜生产的样本量相对较少，且区域分布差异大。（2）有机农业在不同栽培方式及不同蔬菜类型下应用于蔬菜生产样本量不均匀，导致比较有机农业不同栽培方式和蔬菜类型的田间应用效果差异时，准确性降低。（3）目前针对有机农业蔬菜品质及其评价指标的研究相对较少，也会给该研究带来一定的不确定性。因此，为更准确的评价有机农业对不同地区蔬菜产量和品质影响，未来需要在更多区域、更多蔬菜类型开展系统全面研究。

在不同地区蔬菜生产系统中，有机农业能够显著降低14.5%的蔬菜产量，同时显著提高34.8%的蔬菜维生素C含量，提高39.5%的可溶性糖含量，显著降低32.2%的硝酸盐含量。

在不同的栽培类型中，有机农业在露地栽培管理方式下提高可溶性糖含量的效果优于设施栽培。在所有蔬菜类型中，有机农业降低蔬菜产量和硝酸盐含量、提高可溶性糖含量幅度最高的均为叶菜类蔬菜，降低叶菜类蔬菜产量23.9%，降低硝酸盐含量34.3%，提高叶菜类蔬菜可溶性糖含量53.9%。在不同施氮量条件下，当氮肥施用量>250 kg·hm–2时，提高蔬菜产量和维生素C含量幅度最高。在不同地区条件下，北美洲地区降低产量幅度最小，为11.4%。

土壤全氮含量和有机质含量是有机农业条件下促进蔬菜产量形成的主要因素，土壤速效钾含量和pH值是提升蔬菜品质的主要因素。

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