固氮细菌接种：对其对作物生产力影响的元分析及方法学考量

《Cogent Food & Agriculture》：Nitrogen-fixing bacterial inoculation: a meta-analysis of its effects on crop productivity and methodological considerations

氮 fixing 细菌接种可显著提高作物产量（Hedges’ g=1.263），但存在高异质性（I2=66.99%）。研究表明接种方法（土壤优于种子）、作物-细菌特异性及实验环境（微宇宙与田间差异）是关键影响因素，需针对性优化策略。

　　氮素固氮细菌（NFB）的接种能够提高作物产量并减少对合成肥料的依赖。这项包含80项研究的元分析探讨了影响NFB效果的关键因素，包括作物与细菌之间的特异性、接种方法以及田间与微宇宙环境的可比性。使用随机效应模型，我们发现NFB接种对作物产量有显著的整体正向影响（Hedges’ g = 1.263，95% CI：1.159–1.367）；然而，研究之间存在显著的异质性（I2 = 66.99%），表明NFB接种效果的差异性较大。不同作物与细菌的组合在效果上存在显著差异；例如，Azospirillum能够显著提高小麦（Hedges’ g = 1.312）和玉米的产量，Rhizobium则提升了小麦的产量（Hedges’ g = 0.883），而Azotobacter则显著提高了鹰咀豆（Hedges’ g = 0.835）的产量，这说明需要采取有针对性的策略。土壤接种显示出比种子接种更显著的正向效果，尤其是在田间研究中，其优势远高于微宇宙研究。相比之下，种子接种在微宇宙研究中显示出更大的正向效果，而田间研究的效果则较低。这些发现表明，尽管NFB接种是可持续农业的一种有前景的方法，但为了优化其效果，必须仔细考虑作物与细菌的兼容性以及接种方法。

全球粮食安全依赖于提高作物产量，尤其是在提升氮素利用效率方面。然而，由于气候变化，这一任务变得更加紧迫。尽管合成氮肥在提高产量方面发挥了关键作用，但其对环境的负面影响，包括水体富营养化和温室气体排放，已经变得日益明显。因此，越来越多的研究关注利用生物固氮（BNF）通过NFB和蓝藻（Nawaz等，2025）作为提高作物养分吸收的更环保策略。有效的NFB接种策略可以显著减少对合成肥料的依赖，同时提高作物产量。然而，要充分发挥BNF在不同农业系统中的潜力，需要对其有效性进行深入理解。

尽管NFB接种的潜力已被广泛认可，但在农业应用中其效果仍存在显著差异。多种因素可能影响接种的成功，包括作物与细菌之间的特异性、接种方法以及环境条件。这些相互作用的复杂性进一步加剧了不同实验系统（如控制微宇宙和开放田间试验）的研究结果之间的差异。这种复杂性强调了需要更深入地了解NFB接种效果的关键因素，以优化其在不同农业环境中的应用。虽然以往的综述已确立NFB接种的一般益处，但本元分析通过分析决定实际成功的关键方法学因素，进一步推动了该领域的研究。具体而言，我们的研究首次系统分析了接种方法（种子与土壤）和研究环境（田间与微宇宙）之间的显著相互作用，并量化了粘贴溶液选择对种子处理效果的通常被忽视的影响。

为了系统解决这些复杂性，我们对80项研究进行了全面的元分析，涵盖了多种作物、细菌种类和实验条件。我们的研究聚焦于三个关键方面：（1）特定作物-NFB相互作用对接种效果的影响；（2）土壤和种子接种方法（包括粘贴溶液和种子治疗中的颗粒添加剂）的差异性影响；（3）接种方法与实验环境之间的关键相互作用（田间与微宇宙）。通过综合这些证据，我们的研究旨在明确有利于NFB接种成功的关键条件，从而为开发更针对性和有效的策略提供重要见解，以增强可持续农业实践。

为了评估NFB接种方法对效果的影响，我们比较了田间研究与微宇宙研究的差异。总体来看，微宇宙研究的效应量（Hedges’ g = 1.473，95% CI：1.218–1.728）在数值上较大，但与田间研究（Hedges’ g = 1.212，95% CI：1.100–1.324）相比，并未显示出显著差异。这一结果通过Q值（Q = 0.031，p = 0.860）得到验证，表明NFB接种效果的差异性可能受到实验方法的影响。然而，田间和微宇宙研究都显示出显著的异质性（田间Q = 886.035，p < 0.001，I2 = 64.67%；微宇宙Q = 392.334，p < 0.001，I2 = 72.47%），这表明无论研究环境如何，NFB接种效果的差异性都较大。

在分析粘贴溶液对效果的影响时，我们发现粘贴溶液的选择显著影响了NFB接种对作物产量的效应量。其中，使用Tween 20的粘贴溶液在效应量上最高（Hedges’ g = 3.304，95% CI：2.510–4.099），尽管它仅在少数研究中被使用。使用蔗糖（Hedges’ g = 1.124，95% CI：0.965–1.282）和无粘贴剂（Hedges’ g = 1.384，95% CI：0.978–1.790）也显示出相对较高的效应量。而使用培养基作为粘贴剂的效应量则较低（Hedges’ g = 0.800，95% CI：0.622–0.978），随后是刺槐胶（Hedges’ g = 0.756，95% CI：0.520–0.992）和黄原胶（Hedges’ g = 0.644，95% CI：0.293–0.996），其效应量最小。这些发现表明，粘贴溶液的选择对NFB接种的成功至关重要，而不仅仅是作为被动的载体。

在探讨接种方法对效果的影响时，我们发现土壤接种在总体上比种子接种显示出更大的正向效果。这表明在合成研究中，土壤接种可能为作物与微生物之间的强大相互作用提供了更适宜的环境。然而，值得注意的是，我们分析中的土壤接种证据主要基于相对较少的研究，而种子接种的研究数量较多。尽管当前的发现具有前景，但仍需要进一步的研究来验证这一优势是否适用于更广泛的作物、土壤类型和环境条件，并优化土壤接种技术以实现一致和可预测的田间成功。

虽然土壤接种的平均效应量在本元分析中较大，但种子接种仍然是NFB应用的核心，因为其在大规模农业生产中具有更高的实用性和经济性。种子接种的主要优势包括靶向输送和有益微生物与萌发种子和幼苗之间的直接接触。这种直接接触有助于在植物发育的早期阶段快速、有效地建立根系与微生物的相互作用，从而提高氮素和其他养分的吸收效率。此外，有效的种子接种还可以提供额外的好处，如对某些土壤传播植物病原体的一定保护，以及通过增加叶绿素含量和促进叶片生长等途径改善植物健康和活力。从资源管理的角度来看，种子处理通常更具经济性，每单位面积所需的接种量显著低于大多数土壤应用方法。

为了优化种子接种技术，需要仔细考虑配方成分，包括粘贴溶液和颗粒载体。我们的元分析发现，粘贴溶液的选择显著影响了NFB接种对作物产量的效应量。例如，某些粘贴溶液，如 Tween 20，与本研究数据集中的效应量最高相关，而使用无粘贴剂或蔗糖的种子接种也显示出显著的益处。这表明粘贴溶液不仅仅是被动的载体，还可以主动调节接种的成功。此外，尽管我们的元分析没有发现颗粒添加剂在种子接种中对作物产量的显著提升，但这些材料在NFB配方中的作用已被广泛认可。颗粒载体，如泥炭、珍珠岩和生物炭，可以作为有效的载体，通过保持水分和有时提供缓慢释放的养分，改善种子包衣的物理和水文特性，从而支持细菌的存活和幼苗的早期生长。这种组合的NFB与颗粒载体已被报告为促进根系生长和作物生长的重要因素。

这些发现对农民的实际应用具有直接意义。尽管我们的分析表明土壤接种可能带来更大的效应量，但种子接种仍然是主流实践，因为其在大规模农业生产中的成本较低且操作简单。因此，弥合这一效果差距可能取决于对种子处理的优化。我们的分析表明，改进粘贴溶液可能是最有效的途径，因为颗粒添加剂并未在我们的研究中带来显著的整体益处。未来经济分析应直接比较这些不同方法的每公顷成本与相应的产量效益，以提供清晰、可操作的指导。

本元分析揭示了NFB接种方法与实验环境（田间与微宇宙）之间的显著相互作用。在土壤接种的情况下，田间研究显示出NFB应用的显著更大正向效应，而微宇宙研究则相对较小。这表明微宇宙实验虽然在某些方面具有优势，如能够更精确地控制实验条件，但可能低估了土壤接种在田间环境中的实际效果。相反，在种子接种的情况下，微宇宙研究显示出比田间研究更大的正向效应，这表明微宇宙实验可能高估了种子接种在田间环境中的效果。这些相互作用的差异性对设计NFB接种研究和将研究结果转化为有效的农业实践具有深远的影响。因此，需要在实验设计和数据解释中充分考虑接种方法这一关键因素。对于研究人员，微宇宙实验可以作为开发土壤接种剂的起点，但它们的低估效果意味着有潜力的候选者必须经过严格的田间验证，以评估其真实的农业潜力。而对于种子接种的研究，微宇宙实验中观察到的显著效果需要谨慎解释，因为这些结果可能无法在田间环境中直接转化。因此，需要进行稳健的田间试验，以确认种子接种剂在真实农业条件下的实际效果。

本元分析的结果表明，尽管NFB接种在整体上对作物产量有显著的正向影响，但研究之间的异质性较大，这凸显了这些植物-微生物相互作用的复杂性，并强调了需要采取有针对性的方法来优化接种策略。同时，NFB接种方法的选择对效果的影响也显著，这表明在实际应用中，必须根据作物类型和环境条件选择最适合的接种方法。此外，粘贴溶液的选择对种子接种的效果也具有重要影响，这表明配方成分在接种成功中的关键作用。然而，颗粒添加剂的添加并未显示出显著的整体效益，这提示需要更针对性的研究来探索特定添加剂材料的组合效果。

本研究的局限性包括：首先，虽然我们对潜在的出版偏差进行了正式评估，但Egger的回归测试和Begg的等级相关测试都表明，报告NFB接种显著正向效果的研究可能更有可能被发表，这可能导致整体效果的高估。其次，我们进行了留一法稳健性分析，结果显示NFB接种对作物产量的显著正向影响是稳健的，不受任何单一研究的显著影响。第三，尽管我们努力考虑了关键调节因素，如作物类型、细菌种类、接种方法和实验环境，但许多分析中仍存在显著的异质性（如高I2值和显著的Q统计量）。这表明，未在所有研究中一致报告的其他变量可能显著影响接种效果的差异性。这些变量可能包括特定的土壤特性（如pH、有机质含量、基础养分可用性和本土微生物群落结构）、实验期间的具体气候条件或特定的农业管理实践（如耕作强度、灌溉、其他输入的共施用和作物轮作历史）。由于这些变量未被纳入本元分析的调节因素中，因此限制了我们解释观察到的变异能力。此外，本研究没有探讨基于出版年份的时间趋势，这可能揭示接种技术或实验设计随时间的潜在改进。

最后，研究的局限性还在于所包含的研究在实验设计、方法学严谨性和报告质量上存在差异。尽管我们采用了标准的数据提取和效应量计算程序，但并未对每个研究使用特定的质量评估工具进行偏差风险评估。这种对原始研究质量的固有差异是元分析中的常见限制，因此在解释综合结果时应予以考虑。

综上所述，本元分析系统研究了影响NFB接种效果的关键因素，确认了其对作物产量的显著正向影响，但也揭示了研究之间的显著差异。我们的研究强调，NFB的效果并非普遍适用，而是显著依赖于特定的作物-细菌组合，这说明需要超越通用接种剂，采取更有针对性的优化组合来提高农业产出。同时，接种方法的选择对效果的影响显著，这表明在实际应用中，必须根据作物类型和环境条件选择最适合的接种方法。此外，粘贴溶液的选择对种子接种的效果也具有重要影响，这表明配方成分在接种成功中的关键作用。然而，颗粒添加剂的添加并未显示出显著的整体效益，这提示需要更针对性的研究来探索特定添加剂材料的组合效果。