铁、锰和铜是植物生长发育过程中所必需的微量矿质营养成分，在促进植物生长发育、提高产量等方面起着重要作用。长期以来，我国农业生产主要依靠施用氮、磷和钾等大量元素肥料来提高作物产量，而忽略了微量元素肥料施用，从而造成土壤中养分的不平衡^[1-2]，影响了农作物的产量。小麦、玉米和水稻是我国主要的粮食作物，施用铁、锰和铜肥能够提高小麦、玉米和水稻的产量，但是其提高程度受到区域土壤、施肥方式与施肥量等诸多因素的影响。目前关于施用铁、锰和铜肥增产效果的报道不多，且部分研究结果增产效果存在差异。一些研究表明，小麦施用铁、锰和铜肥可以提高小麦产量^[3-5]，而另一些研究显示增施铜肥和锰肥对小麦产量影响不大^[6]。李旭辉等^[7]在石灰性土壤的研究表明，小麦产量随着锰肥施用量的增加先增加后减少。玉米增施适量铁肥能够增加产量，但是过量施铁肥会降低玉米的产量，施用锰肥玉米产量先增加后下降^[8-10]。而施用铁、锰和铜肥能增加水稻的产量^[11-13]。不同地区的土壤性质与微量元素的有效性有着密切的关系^[14-16]。此外，施肥方式也会影响土壤中微量元素的含量^[17]，过量施用磷肥也会使得土壤中的 Fe²⁺ 与磷酸根结合，降低铁的有效性^[18]。上述研究基本都是施用铁、锰和铜肥对小麦、玉米和水稻增产的单个影响因素分析，但单个田间试验研究难以准确回答较大区域上施用铁、锰和铜肥对粮食作物增产的效果及其影响因素。近年来，整合分析在农学领域的运用越来越广泛。有学者认为在农学领域更应该使用整合分析^[19]，因为综合发表在期刊中的大量田间数据可以从宏观角度更好地量化土壤和气候条件对作物生产的影响，并且找出单个研究领域存在的不足。综合来看，整合分析能够打破单个试验研究的局限性，使得较为独立零散的研究系统化，从而在较大区域的水平上进行总结和指导。本研究将基于 2022 年以前发表的文献数据，通过整合分析研究施用铁、锰和铜肥对我国主要粮食作物小麦、玉米和水稻产量的影响，分析不同作物种类、地区、时期、施肥量和施肥方式等对产量的影响，为我国主要粮食作物生产中铁、锰和铜肥的合理施用提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据收集

本研究数据来源于中国知网、中国科技期刊数据库、万方数据和 Web of Science 文献数据库，以 “ 铁（Iron）/ 锰（Manganese）/ 铜（Copper）+ 小麦 （Wheat）/ 玉米（Corn）/ 水稻（Rice）+ 产量（Yield）” 作为关键词检索 2022 年 6 月 30 日之前发表文献。依据整合分析方法的要求以及研究的目的，对检索文献进行筛选。设置筛选的条件包括：（1）试验结果发表在核心期刊中；（2）文献中涉及的试验地点是在中国进行的对比试验，并且以我国主要粮食作物（小麦、玉米、水稻）为研究对象；（3）试验必须为田间对照试验，不包括室内试验、评价类、模型模拟等文章及相关的学位毕业论文；（4）同一试验中必须包含施用铁 / 锰 / 铜试验组和不施用铁 / 锰 / 铜对照组；（5）文献中需明确说明不同处理的试验重复数及各试验处理的产量均值（试验重复至少 3 次）。基于以上标准，筛选出 60 篇文献，包含数据 275 组。提取文章中的数据包括施肥与不施肥的产量均值与试验研究相关的信息（包括试验区域、土壤条件、施肥方式等），以文字或表格展示的信息直接提取，以折线图或柱状图展示的信息采用 GetData Graph Digitizer 2.25 软件来获取。

1.2 数据分类

考虑到施用肥料之后，作物产量可能会受到其他因素的影响，根据文献整理得到的信息，按照作物种类、肥料种类、试验区域、试验年份、施肥方式、施肥量、土壤 pH 和土壤有机质含量来进行分类（表1）。

1.3 整合分析

本研究提取的数据来自于中国境内的独立试验研究，不同试验间土壤质地、施肥方式、气候条件、栽培年份、作物品种以及田间管理等方面存在着差异，故研究间存在着很大变异，所以选择随机效应模型计算综合效应值。

建立关于小麦、玉米和水稻产量的数据库，根据上文提到的影响情况进行分类和计算，使用反应比 R 的自然对数（lnR）作为效应值：

$\begin{array}{c}R=Xt/Xc\\ lnR=ln(Xt/Xc)=lnXt-lnXc\end{array}$

式中，Xt 是试验组的粮食作物产量指标的均值， Xc 是对照组粮食作物产量指标的均值。由于入选的研究大多没有报道试验数据的标准误或标准差，故本文采用无权重分析方法，利用重复抽样技术计算效应值^[20]。采用 SPSS 23.0 进行 bootstrap 计算，抽样频率为 5000 次，得到平均效应值和上下限^[21-22]。

为更直观地观察肥料对作物增产的影响效果，需将 lnR 转化为肥料利用的增产幅度（Z）：

$\mathrm{Z}=(\mathrm{R}-1)\times 100\mathrm{\%}$

计算得出 Z 的 95% 置信区间，若 Z 的 95% 置信区间均大于 0，则说明施用铁、锰或铜肥对粮食作物产量有显著的正效应；若 Z 的 95% 置信区间均小于 0，则说明施用铁、锰或铜肥对粮食作物产量有显著的负效应；若 Z 的 95% 置信区间包含 0，则说明施用铁、锰或铜肥对粮食作物产量的效应不显著。若分类变量之间 95% 的置信区间不重叠，则说明分类变量之间的差异显著。对来源于不同试验的铁、锰和铜肥等作物增产效应进行了正态分布分析，结果表明，3 个微量肥料总的作物增产幅度和单独微量肥料的作物增产幅度均呈现为正态分布，这表明本研究选取的来源于不同试验的作物增产幅度数据是可靠的（图1）。

注：A 为施用铁、锰和铜肥；B 为施用铁肥；C 为施用锰肥；D 为施用铜肥。

1.4 数据处理

本研究采用 Excel 2019 记录文献数据，建立完整的数据库，同时进行数据处理；采用 SPSS 23.0 进行数据计算和统计分析，采用 Origin 9.1 进行绘图。

2 结果与分析

2.1 铁、锰和铜肥对小麦、玉米和水稻产量的影响

与不施用铁、锰和铜肥相比，施用铁、锰和铜肥均能显著提高小麦、玉米和水稻 3 种粮食作物的产量，其中施用铁肥的提升幅度最大，达到 9.76%；其次是锰肥，提升幅度为 7.09%；提升最小的为铜肥，提升幅度为 3.68%（图2）。施用铁肥的增产效果明显高于施用铜肥的效果（图2）。施用铁肥能显著提高小麦、玉米和水稻的产量，增产幅度分别是 11.11%、11.54% 和 7.28%，三者的增产幅度没有显著差异；施用锰肥能显著提高小麦和水稻的产量，增产幅度分别为 8.49% 和 4.86%，对玉米产量的提高有作用，但是作用不显著；施用铜肥小麦和玉米的产量均显著提高，增产幅度分别为 3.83% 和 2.62%（图2）。

2.2 不同年份施用铁、锰和铜肥增加粮食作物产量的差异

施用铁、锰和铜肥在不同年份均表现出显著的增产效应，总体上 2000 年以前施用铁、锰和铜肥增产效果较好，但不同年份之间没有显著差异（图3）。铁肥在 2000 年以前和 2011—2022 年的增产效果显著；锰肥在 2000 年以前和 2001—2010 年的增产效果显著；铜肥在 2000 年以前增产效果显著（图3）。

2.3 铁、锰和铜肥的施用方式对粮食作物产量的影响

铁、锰和铜肥的施用方式主要是土施和喷施，不同的施肥方式提高 3 种主要粮食作物产量的效果不同（图4）。铁、锰和铜肥土施和喷施的增产幅度分别为 8.62% 和 6.61%，两种施肥方法增产幅度差异不显著（图4）。施用铁肥，土施和喷施的增产幅度分别是 15.15% 和 6.58%，土施效果要优于喷施效果；施用锰肥，土施和喷施的增产幅度分别是 7.92% 和 6.61%，与铁肥相似，锰肥土施增产效果优于喷施；由于未收集到喷施铜肥的文献，铜肥只有土施的效果，增产幅度达到 3.68%（图4）。

2.4 铁、锰和铜肥不同施用量对粮食作物产量的影响

总体上，小麦、玉米和水稻的增产幅度随着铁、锰和铜肥施用量的增加先降低后升高，施肥量 <10 kg/hm² 增产幅度达到最大，为 11.16%；施肥量在 10～20、20～30 和 >30 kg/hm² 时增产幅度在各施用量之间没有显著差异（图5）。3 种粮食作物的增产幅度随着铁肥的施用量增加而减小，施肥量 <10 kg/hm² 时增产幅度达到最大，为 14.41%；当施肥量 >30 kg/hm²，施用铁肥会产生负效应且负效应显著，减产幅度为 3.49%（图5）。施用锰肥的增产幅度随着施用量的增加先降低后升高，施肥量 <10 kg/hm² 增产幅度为 8.31%；在施肥量 >30 kg/hm² 时增产幅度最大，为 8.95%。施用铜肥在施用量为 10～20 kg/hm² 时增产效果显著 （图5）。

2.5 不同地区施用铁、锰和铜肥增加粮食作物产量的差异

不同地区施用铁、锰和铜肥的增产效果不同。总体来看，铁、锰和铜肥在华东地区增产效果最好，为 14.79%，其次是西部地区、华北地区、华中地区和华南地区，增产幅度分别为 10.01%、 8.03%、6.18% 和 3.56%，但 5 个地区的增产效果没有显著差异（图6）。其中，铁肥在华东地区增产效果最好，增产幅度为 22.68%；锰肥在西部地区、华北地区、华中地区和华南地区均有显著的增产效果，增产幅度分别为 11.84%、9.25%、 6.40% 和 3.56%，在华东地区虽然有增产效果，但是效果不显著。施用铜肥在西部地区的增产效果最好，增产幅度达到 5.67%，在华东地区的增产幅度为 2.92%，在华中地区的增产效果不显著 （图6）。

2.6 土壤性状对施用铁、锰和铜肥增加粮食作物产量的影响

碱性土壤施用铁、锰和铜肥的效果最好，增产幅度为 7.94%；其次是酸性土壤，增产幅度为 5.30%；在中性土壤中虽然有增产效果，但是增产效果不显著，3 种土壤增产效果没有显著差异（图7A）。其中，铁肥在碱性土壤的增产效果优于酸性土壤；锰肥在中性土壤和碱性土壤中施用能够增加作物产量，在酸性土壤中施用会降低产量；铜肥在碱性土壤中能增加小麦、玉米和水稻产量，但是增产效果不显著（图7A）。

土壤有机质含量 <10 g/kg 时施用铁、锰和铜肥的效果最佳，随着土壤有机质含量的升高，上述微量元素肥料的增产效果降低，在 3 种土壤有机质含量中增产效果没有显著差异（图7B）。土壤有机质含量 <10 g/kg 时施用铁肥的增产效果最好，增产幅度为 12.13%；土壤有机质含量 >20 g/kg 时增产效果最小，增产幅度为 7.09%，但 3 种土壤有机质含量的地块增产作用差异均不显著（图7B）。土壤有机质在 10～20 g/kg 时施用锰肥的增产效果最好，增产幅度为 6.15%，且增产效果显著高于土壤有机质含量 >20 g/kg 的土壤（图7B）。在土壤有机质含量为 10～20 g/kg 时施用铜肥的增产效果不显著（图7B）。

注：A 为土壤 pH；B 为有机质。

3 讨论

铁、锰和铜等微量营养元素是一些酶的组分，参与体内的氧化还原反应；参与叶绿素合成，有稳定叶绿素的作用；参与体内碳氮代谢，促进生殖器官的发育，在作物生长发育中发挥重要功能^[23]。本文研究结果表明，施用铁、锰和铜肥能够增加小麦、玉米和水稻的产量（图2）。原因可能是施用上述肥料后小麦的穗粒数和千粒重增加^[11，24]，玉米的穗部性状改善，籽粒数增加，从而增加产量^[9，25]；而水稻主要是分蘖数、穗粒数与结实率增加^[26-27]。

2000 年之前施用铁、锰和铜肥增产效果较好 （图3）。本研究中，最早的试验开展于 1976 年，在此之前人们忽略了铁、锰和铜等微量元素肥料的重要性，导致土壤中含量相对缺乏。随着时间的推移，人们开始意识到铁、锰和铜的重要作用，大量施用有机肥料和含铁、锰和铜的复合肥，给土壤中带入了新的铁、锰和铜元素，使得施用铁、锰和铜肥料的增产效应降低。

由于大多数叶面施用的微量营养元素不能有效地向根系输送，导致根系可能仍然缺乏微量元素。因此，只有在适合的条件下，叶面喷施铁、锰和铜等微量元素才能成功提高粮食产量^[1]。本研究结果表明，铁肥和锰肥土施的效果要好于喷施，铜肥土施有增产的效果，各种喷施方式无显著差异 （图4）。土壤施铁能更好地纠正中轻度缺铁的原因可能是缺铁诱导植物侧根与初生根伸长^[28]，促进根系与土壤的接触，同时分泌有机物提高植物对铁的利用^[29]。施用锰肥可以增加土壤中锰含量^[30]，同时提高叶片净光合速率^[31]，从而提高产量。

铁、锰和铜肥对小麦、玉米和水稻的增产效果受到施肥量的影响（图5）。施用铁肥 3 种粮食作物增产幅度随施肥量的增加而下降，当施用量 >30 kg/hm² 时产量不增反降（图5），这可能是因为施用过量。铁是合成叶绿素前体中不可缺少的矿物质营养素，但施用过量会产生铁毒害，导致生长受阻^[32]，因此在施用铁肥时应注意施用量，避免过量施用。施用锰肥 3 种粮食作物在各施肥量范围内增产幅度没有显著差异（图5），这可能是因为土壤对锰的吸附作用影响了锰的有效性^[33]，土壤中增加的有效态锰增量相差不大，使得各施肥量对产量影响没有显著差异。我国大部分土壤的有效铜较丰富^[34]，所以施用量增加对产量影响不大，在较低水平施用时增产效果较好。

本研究结果表明，在华东地区施用铁肥增产效果较好，在西部地区施用锰肥增产效果较好，在西部地区施用铜肥增产效果较好，但是各个地区施用铁、锰和铜肥作物增产的差异都不显著（图6）。通常情况铁和锰缺乏的现象以北方石灰性土壤为主^[35]，在西部地区施用铁肥和锰肥效果更好，出现这种情况可能是因为针对北方石灰性土壤的试验较少，同时在西部缺乏的土壤中做试验较多导致的。而稻田中西南地区的有效铜含量低于其他地区，在施用铜肥后的增产效果较好^[36]。

作物吸收微量元素除了受作物自身对于微量元素的需求外还会受到土壤中微量元素有效性的影响。施用微量元素肥料是为了提高土壤中微量元素的有效性，预防和纠正土壤中微量元素缺乏的状况，提高籽粒产量。铁、锰和铜等的有效性很大程度上受到 pH 的调控，pH 每增加 1，土壤 Cu²⁺、 Mn²⁺ 和 Fe²⁺ 的溶解度就会降低 100 倍，而 Fe³⁺ 的溶解度则会下降 1000 倍^[1]。在碱性土壤中铁、锰和铜等的有效性会迅速下降，因此，在碱性土壤中及时补充铁、锰和铜能够使得作物生长更好，从而增加产量。本研究整合分析结果也证实碱性土壤中施用铁、锰和铜肥提高作物产量的效果较好（图7A）。

本文研究结果表明，在有机质含量 <10 g/kg 的土壤中施用铁、锰和铜肥提高作物产量的效果更好（图7B）。土壤有机质本身不含有金属元素，但它具有大量吸附位点，可以有效吸附土壤中的金属元素，随着土壤有机质含量升高，溶解性有机质也相应增加，并且通过参与金属元素的络合与螯合作用，从而影响土壤中的金属元素^[37-38]。锰在土壤中的氧化还原是在有机质和微生物的参与中进行的，有机质分解能促进氧化锰还原，增加锰的有效性。因此随着有机质含量的增加，土壤中铁、锰和铜的含量也随之增加^[39]，在有机质含量低的土壤中施用含铁、锰和铜等微量元素肥料能够增加作物对这些微量元素的吸收，促进生长，提高产量^[40]。

合理的肥料施用是提高作物产量与品质的重要因素。土壤中铁、锰和铜供应不足会导致作物光合电子转移能力下降，光合作用减弱，生长受阻。据调查，现在土壤里所含可被吸收的微量元素含量大约为 50 年前的 1/4～1/2^[41]，而长期不施用肥料或是只施用氮、磷、钾肥料，对耕作层有效态铁、锰和铜含量有显著的影响，使其接近亏缺边缘值^[42]，因此，在长期施用氮、磷、钾肥料的土壤中及时补充微量元素是很有必要的。

由于田间试验土壤中单独施用铜肥的研究较为缺乏，铜肥的增产效应数据较少，效应偏差较大，其研究结果还需进一步验证。此外，目前农资市场上铁、锰和铜等肥料有非常多的形态，不同粮食作物对于铁、锰和铜等的需求量不同，不同铁、锰和铜等肥料之间也存在一定的交互作用，后续研究还应更多关注这些因素对作物产量的影响。

4 结论

综上所述，施用铁、锰和铜等微量元素肥料能有效提高粮食作物的产量，但是上述肥料施用时应选择合理的施用方式和施用量，并与其他肥料协调配施，才能实现粮食作物的稳产高产。在华东地区可以增施铁肥，在西部地区可以增施锰肥和铜肥。此外，土壤性状也会影响肥料的施用效果，在碱性土壤和有机质含量低的土壤中增施铁、锰和铜肥。建议铁、锰和铜肥以土施且施肥量 <10 kg/hm² 为宜。

参考文献