施氮量對(duì)黃土高原旱地冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率影響的整合分析

馬登科，殷俐娜，劉溢健，楊文稼，鄧西平,王仕穩(wěn)

施氮量對(duì)黃土高原旱地冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率影響的整合分析

馬登科1,2，殷俐娜1,3，劉溢健3，楊文稼3，鄧西平1,3,王仕穩(wěn)1,3

（1中國科學(xué)院水利部水土保持研究所/黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

【目的】明確氮肥在黃土高原地區(qū)不同種植條件下對(duì)冬小麥生產(chǎn)的影響及各條件下合理的施氮量?！痉椒ā客ㄟ^文獻(xiàn)檢索共獲得82篇大田試驗(yàn)文獻(xiàn)，包含355個(gè)獨(dú)立研究的1 169組觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用整合分析比較氮肥在黃土高原不同區(qū)域、不同年均溫、不同年降水量及不同耕層有機(jī)質(zhì)含量下對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響，并采用回歸分析探究各分組產(chǎn)量和水分利用效率與施氮量間的關(guān)系。【結(jié)果】施氮整體上顯著提高了黃土高原冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率，相對(duì)增長(zhǎng)率分別為66.09%和72.38%（＜0.05）。施氮后西北部產(chǎn)量相對(duì)增長(zhǎng)率（69.27%）高于東南部，水分利用效率增長(zhǎng)率（65.53%）低于東南部；西北部在施氮量212 kg·hm-2時(shí)產(chǎn)量達(dá)到最高，東南部需多施15 kg·hm-2才能獲得最高產(chǎn)量；西北部施氮232 kg·hm-2時(shí)水分利用效率最高，而東南部水分利用效率在施氮224 kg·hm-2時(shí)基本趨于穩(wěn)定。施氮后年均溫≤10℃地區(qū)產(chǎn)量和水分利用效率的相對(duì)增長(zhǎng)率（79.12%，75.00%）均高于＞10℃地區(qū)；年均溫＞10℃地區(qū)施氮189 kg·hm-2和187 kg·hm-2時(shí)產(chǎn)量和水分利用效率分別達(dá)到最高，而年均溫≤10℃地區(qū)施氮225 kg·hm-2時(shí)產(chǎn)量才趨于最大，水分利用效率在施氮239 kg·hm-2時(shí)達(dá)到最高。施氮后在年均降水≤600 mm地區(qū)產(chǎn)量相對(duì)增長(zhǎng)率（70.48%）更顯著，而水分利用效率則在年均降水＞600 mm時(shí)更顯著；年均降水≤600 mm地區(qū)在施氮量235 kg·hm-2和244 kg·hm-2時(shí)，產(chǎn)量和水分利用效率分別達(dá)到最高，年均降水＞600 mm地區(qū)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的施氮量為250 kg·hm-2。施氮后耕層有機(jī)質(zhì)含量≤12 g·kg-1條件下，產(chǎn)量和水分利用效率的相對(duì)增長(zhǎng)率（78.24%, 86.55%）均高于＞12 g·kg-1條件，前者在施氮量226 kg·hm-2和212 kg·hm-2時(shí)產(chǎn)量和水分利用效率分別達(dá)到最高，而后者獲得最高產(chǎn)量和最高水分利用效率的施氮量分別為163 kg·hm-2和175 kg·hm-2?！窘Y(jié)論】在黃土高原，冬小麥在東南部和西北部獲得高產(chǎn)的合理施氮量分別為227 kg·hm-2和212 kg·hm-2；年均溫＞10℃地區(qū)合理施氮量為187 kg·hm-2，年均溫≤10℃地區(qū)為239 kg·hm-2；年均降水＞600 mm地區(qū)合理施氮量為250 kg·hm-2，年均降水量≤600 mm地區(qū)為235 kg·hm-2；耕層有機(jī)質(zhì)含量≤12 g·kg-1條件下的合理施氮量為226 kg·hm-2，高于12 g·kg-1時(shí)則為163 kg·hm-2。

氮肥；冬小麥；產(chǎn)量；水分利用效率；整合分析

0 引言

【研究意義】氮素是作物生產(chǎn)中最主要的限制因子之一，施用氮肥是提高作物產(chǎn)量和水分利用效率的重要措施[1]。氮肥的肥效受氣候環(huán)境、土壤特性、作物種類及施氮方式等多個(gè)因素的影響[2-3]。科學(xué)合理的施氮除了有效促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量和水分利用效率外，還可以減少氮肥的損耗及減輕對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)生產(chǎn)。黃土高原是我國重要的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，小麥?zhǔn)窃摰貐^(qū)播種面積最大的糧食作物，氮肥的大量施用一直是維持該地區(qū)小麥產(chǎn)量的主要措施[4]。但由于該區(qū)土壤相對(duì)貧瘠，加之小麥生育期降水偏少等一系列因素，以及不合理的施氮量，使得土壤氮素供應(yīng)能力與小麥生長(zhǎng)需求間的矛盾在部分地區(qū)仍然較為突出[5-6]。因此，探究黃土高原地區(qū)不同氣候和土壤特性等條件下氮肥效應(yīng)與冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率之間的關(guān)系，對(duì)指導(dǎo)該地區(qū)冬小麥生產(chǎn)中氮肥的合理施用具有積極意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】關(guān)于氮肥用量對(duì)黃土高原地區(qū)旱地冬小麥產(chǎn)量和水分利用的影響，前人在不同區(qū)域做了大量研究。例如，張亮[7]在陜西周至縣的研究中發(fā)現(xiàn)，施氮量263 kg·hm-2時(shí)，冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率均達(dá)到最高，相對(duì)增長(zhǎng)率分別為79.23%和86.38%。而楊君林等[8]在甘肅鎮(zhèn)原縣的研究結(jié)果表明，冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率在施氮量200 kg·hm-2時(shí)均達(dá)到最高，相對(duì)增長(zhǎng)率分別為138.43%和250.83%。張昊青[9]在年降水578 mm的白水縣通過3年的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單施化肥條件下施氮225 kg·hm-2時(shí)產(chǎn)量最高，相對(duì)不施氮產(chǎn)量增加了19.03%。而Zhong等[10]的研究表明，在年降水量632 mm的陜西楊凌區(qū)，施氮量小于360 kg·hm-2時(shí)，小麥產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加，但各施氮處理下產(chǎn)量差異不顯著。Wang等[11]在陜西長(zhǎng)武縣通過4年的定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在施氮量180 kg·hm-2時(shí)，干旱年份產(chǎn)量相對(duì)增長(zhǎng)率為14.00%，而濕潤(rùn)年份為32.80%，干旱年份施氮對(duì)小麥水分利用效率沒有顯著影響，濕潤(rùn)年份則影響顯著。栗麗等[12]的研究表明，在生育期灌水與不灌水條件下，冬小麥產(chǎn)量均在施氮量210 kg·hm-2時(shí)達(dá)到最高，在不灌水條件下，小麥水分利用效率在施氮量150 kg·hm-2時(shí)達(dá)到最高，相對(duì)增長(zhǎng)率達(dá)14.34%，而在灌水條件下施氮量210 kg·hm-2時(shí)水分利用效率最高?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】前人研究結(jié)果表明，由于試驗(yàn)地點(diǎn)氣候環(huán)境和土壤理化性質(zhì)等存在差異，在不同的區(qū)域最大產(chǎn)量和水分利用效率所對(duì)應(yīng)的氮肥用量并不相同。如何使得各點(diǎn)的研究數(shù)據(jù)能夠在區(qū)域尺度上指導(dǎo)合理施肥，就有必要對(duì)已有的獨(dú)立研究進(jìn)行整合分析，在大樣本的基礎(chǔ)上探究黃土高原不同地區(qū)合理的施氮水平。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究通過文獻(xiàn)檢索獲得了82篇文獻(xiàn)共1 169組觀測(cè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用整合分析（Meta-analysis）的方法，分析不同氮肥用量在黃土高原地區(qū)不同區(qū)域、不同年均溫、不同年降水量及不同耕層有機(jī)質(zhì)含量下對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響，并找出不同環(huán)境條件下最佳的氮肥用量，為該地區(qū)冬小麥生產(chǎn)中氮肥的合理施用提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所用數(shù)據(jù)來源于Web of Science和中國知網(wǎng)（CNKI），文獻(xiàn)檢索所用的關(guān)鍵詞主要包括氮（nitrogen）、施氮（N application）、冬小麥（winter wheat）、產(chǎn)量（yield）、水分利用效率（water use efficiency）。所選用的文獻(xiàn)必須滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：（1）試驗(yàn)地點(diǎn)屬于黃土高原地區(qū)，試驗(yàn)材料為冬小麥；（2）試驗(yàn)為大田試驗(yàn)，冬小麥全生育期不進(jìn)行灌溉；（3）試驗(yàn)必須包含相同條件下的對(duì)照和施氮處理，文獻(xiàn)報(bào)道中至少包含產(chǎn)量和水分利用效率中的一項(xiàng)；（4）施氮處理中必須有明確的施氮量；（5）文獻(xiàn)報(bào)道中應(yīng)包括試驗(yàn)組和對(duì)照組的平均值。對(duì)文獻(xiàn)中用圖表形式報(bào)道的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化，最后建立了1個(gè)共82篇文獻(xiàn)、355個(gè)獨(dú)立研究的數(shù)據(jù)集。各試驗(yàn)地點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 冬小麥試驗(yàn)地點(diǎn)分布圖

1.2 數(shù)據(jù)分類

為探究氮肥在黃土高原不同區(qū)域及氣候環(huán)境等條件下對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響情況，根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)分布，按區(qū)域、年均溫、年降水量及耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，各分組的樣本量如表1所示。

根據(jù)黃土高原氣候特征及本課題組前期研究中對(duì)黃土高原的分區(qū)方法，本研究將黃土高原分為東部、西部、南部、北部和中部，并根據(jù)所得試驗(yàn)地點(diǎn)的分布及冬小麥在黃土高原的種植區(qū)域，將東部和南部合為東南部，其余區(qū)域均為西北部[13-17]（圖1）。根據(jù)各試驗(yàn)地點(diǎn)年均溫分布情況，以10℃為年均溫分界點(diǎn)。由于本研究中各獨(dú)立試驗(yàn)地點(diǎn)年降水量大部分高于500 mm，因此以600 mm為分界點(diǎn)對(duì)年降水進(jìn)行劃分。耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量是影響施氮效應(yīng)的重要因素，根據(jù)數(shù)據(jù)分布情況以12 g·kg-1為耕層有機(jī)質(zhì)含量分界點(diǎn)。

表1 氮肥對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率效應(yīng)數(shù)據(jù)庫配對(duì)試驗(yàn)組數(shù)/觀測(cè)數(shù)分布

DA：分區(qū)Distribution area；AVT：年均溫Annual average temperature；AP：年均降水Annual precipitation；TOM：耕層有機(jī)質(zhì)Topsoil organic matter；NW：西北Northwest；SE：東南Southeast；Y：產(chǎn)量Yield；WUE：水分利用效率Water use efficiency

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

本研究采用反應(yīng)比（response ratio，R）作為效應(yīng)量來刻畫施氮對(duì)冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響[18-19]，其公式如下：

ln= ln (e/c)= ln (e)-ln (c) （1）

式中，e和c分別為獨(dú)立研究中試驗(yàn)組和對(duì)照組的平均值。上述反應(yīng)比再轉(zhuǎn)化為百分比變化率[19]，其公式如下：

= (elnR-1)×100% （2）

式中，正的值表示施氮產(chǎn)生了正效應(yīng)，負(fù)的值則表示施氮產(chǎn)生了負(fù)效應(yīng)。

如果值的95%置信區(qū)間與0重疊，則認(rèn)為施氮的效應(yīng)不顯著，反之則效應(yīng)顯著[18]。在各亞組分析中，如果不同分組內(nèi)各值的95%置信區(qū)間沒有重疊，則認(rèn)為組間差異顯著，反之則組間差異不顯著[20]。為進(jìn)一步探究施氮量與不同分組下的冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率間的關(guān)系，筆者對(duì)施氮量和產(chǎn)量、施氮量和水分利用效率進(jìn)行了回歸分析。

本研究利用MetaWin 2.1[21]進(jìn)行整合分析，用Spass16.0、Excel 2007和SigmaPlot 13.0進(jìn)行回歸分析及繪圖。

2 結(jié)果

2.1 不同區(qū)域施氮對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響

在黃土高原地區(qū)，相對(duì)于不施氮肥，施氮平均使冬小麥產(chǎn)量增加了66.09%（n=753）（圖2-A-a）。不施氮時(shí)冬小麥平均產(chǎn)量為2 887 kg·hm-2，施氮后產(chǎn)量達(dá)4 431 kg·hm-2（圖3-A）。在不同的分布區(qū)，氮肥對(duì)冬小麥產(chǎn)量的效應(yīng)存在差異，在西北部施氮后冬小麥產(chǎn)量的相對(duì)增長(zhǎng)率為69.27%（n=368）,東南部為63.05%（n=385）（圖2-A-b），但東南部冬小麥產(chǎn)量在相同的施肥條件下均高于西北部（＜0.05）（圖3-A）。在西北部，當(dāng)施氮量為212 kg·hm-2時(shí)，冬小麥產(chǎn)量達(dá)4 175 kg·hm-2，隨后產(chǎn)量趨于穩(wěn)定（圖4-A）。在東南部，產(chǎn)量隨施氮量的增加先升后降，在施氮量227 kg·hm-2時(shí)達(dá)到最高（5 949 kg·hm-2）（圖4-C）。

不施氮肥條件下，黃土高原冬小麥平均水分利用效率為7.56 kg·hm-2·mm-1，施氮后可達(dá)11.82 kg·hm-2·mm-1（圖3-B）。與不施氮肥相比，施氮顯著提高了冬小麥水分利用效率，整體上相對(duì)變化率為74.38%（n=416）（圖2-B-a），其中東南部為88.26%，西北部為65.53%（圖2-B-b）。在施氮條件下，東南部小麥整體平均水分利用效率為15.28 kg·hm-2·mm-1，西北部為10.34 kg·hm-2·mm-1，東南部高于西北部（＜0.05）（圖3-B）。無論是東南部還是西北部，隨施氮量的增加水分利用效率均先升后降，東南部在施氮量224 kg·hm-2時(shí)達(dá)最高（18.43 kg·hm-2·mm-1），而西北部在施氮量232 kg·hm-2時(shí)達(dá)最高（12.21 kg·hm-2·mm-1）（圖4-B，4-D）。

2.2 不同年均溫下施氮對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響

在黃土高原地區(qū)，不同的年均溫下氮肥對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響不同，在年均溫≤10℃的地區(qū)施氮使產(chǎn)量增加了79.12%（n=284），高于年均溫＞10℃地區(qū)（圖2-A-c）。在年均溫＞10℃地區(qū)，施氮后冬小麥平均產(chǎn)量為5 062 kg·hm-2，而年均溫≤10℃地區(qū)平均產(chǎn)量為3 390 kg·hm-2（圖5-A）。在年均溫≤10℃地區(qū)和＞10℃地區(qū)，產(chǎn)量均隨施氮量的增加先增加后保持穩(wěn)定，年均溫≤10℃地區(qū)在施氮量225 kg·hm-2時(shí)產(chǎn)量基本達(dá)到穩(wěn)定水平（4 110 kg·hm-2），而年均溫＞10℃地區(qū)在施氮量189 kg·hm-2時(shí)產(chǎn)量基本達(dá)到穩(wěn)定（5 545 kg·hm-2）（圖6-A，圖6-C）。

n 值代表觀測(cè)數(shù)。下同 The value of n represents the number of observations used for the analysis. The same as below

圖3 不同區(qū)域施氮對(duì)冬小麥產(chǎn)量（A）和水分利用效率（B）的影響

在黃土高原地區(qū)，不同的年均溫下氮肥對(duì)冬小麥水分利用效率的影響不同，在年均溫≤10℃地區(qū)施氮使水分利用效率增加了75.00%（n=234），略高于年均溫＞10℃地區(qū)的68.98%（n=182）（圖2-B-c）。在年均溫＞10℃地區(qū)，施氮后冬小麥水分利用效率可達(dá)14.49 kg·hm-2·mm-1，而年均溫≤10℃地區(qū)為9.86 kg·hm-2·mm-1，前者高于后者（＜0.05）（圖5-B）。在年均溫≤10℃地區(qū)，水分利用效率隨施氮量的增加先增加后保持穩(wěn)定，施氮量239 kg·hm-2時(shí)基本達(dá)到穩(wěn)定，為12.17 kg·hm-2·mm-1（圖6-B）；在年均溫＞10℃地區(qū)，水分利用效率隨施氮量的增加先升后降，施氮量187 kg·hm-2時(shí)達(dá)最高（16.26 kg·hm-2·mm-1）（圖6-D）。

圖5 不同年均溫下施氮對(duì)冬小麥產(chǎn)量（A）和水分利用效率（B）的影響

2.3 不同年降水量下施氮對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響

在黃土高原地區(qū)，不同的年降水量下氮肥對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響不同，在年均降水量≤600 mm的地區(qū)，施氮使冬小麥產(chǎn)量整體增加了70.48%（n=570），高于年均降水量＞600 mm地區(qū)52.44%的增幅（n=183）（圖2-A-d）。在年均降水量＞600 mm地區(qū)，施氮后冬小麥產(chǎn)量整體上可達(dá)5 215 kg·hm-2，而在年均降水量≤600 mm地區(qū)為4 180 kg·hm-2，兩者之間差異顯著（＜0.05）（圖7-A）。在年均降水量≤600 mm地區(qū)，施氮量235 kg·hm-2時(shí)產(chǎn)量基本達(dá)到穩(wěn)定水平，為4 932 kg·hm-2（圖8-A）；在年均降水量＞600 mm地區(qū)，產(chǎn)量隨施氮量的增加先升后降，在施氮量250 kg·hm-2時(shí)達(dá)最高，為6 651 kg·hm-2（圖8-C）。

圖6 不同年均溫下施氮量與冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率的關(guān)系

圖7 不同年均降水下施氮對(duì)冬小麥產(chǎn)量（A）和水分利用效率（B）的影響

在黃土高原地區(qū)，不同的年均降水量下氮肥對(duì)冬小麥水分利用效率的影響不同，在年均降水量≤600 mm地區(qū)施氮后冬小麥水分利用效率整體上增加了69.86%（n=339），低于年均降水量＞600 mm地區(qū)83.40%的增幅（n=77）（圖2-B-d）。在年均降水量＞600 mm地區(qū)，施氮后冬小麥水分利用效率整體上可達(dá)16.05 kg·hm-2·mm-1，而在年均降水量≤600 mm地區(qū)為10.86 kg·hm-2·mm-1，兩者之間差異顯著（＜0.05）（圖7-B）。在年均降水量≤600 mm地區(qū)，施氮量244 kg·hm-2時(shí)水分利用效率基本達(dá)到穩(wěn)定水平，為13.07 kg·hm-2·mm-1（圖8-B）；在年均降水量 ＞600 mm的地區(qū)，隨施氮量的增加水分利用效率先升后降，在施氮量235 kg·hm-2時(shí)達(dá)最高（19.23 kg·hm-2·mm-1）（圖8-D）。

圖8 不同年均降水量下施氮量與冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率的關(guān)系

2.4 不同耕層有機(jī)質(zhì)含量下施氮對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響

在黃土高原地區(qū)，不同的耕層有機(jī)質(zhì)含量下施氮對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響不同，在耕層有機(jī)質(zhì)含量≤12 g·kg-1的條件下，施氮使冬小麥產(chǎn)量整體增加了78.24%（n=293），高于耕層有機(jī)質(zhì)含量＞12 g·kg-1條件下60.75%的增幅（n=345）（圖2-A-e）。當(dāng)耕層有機(jī)質(zhì)含量＞12 g·kg-1時(shí)，施氮后冬小麥產(chǎn)量整體上可達(dá)5 097 kg·hm-2，而耕層有機(jī)質(zhì)含量≤12 g·kg-1時(shí)為3 682 kg·hm-2，兩者之間差異顯著（＜0.05）（圖9-A）。在耕層有機(jī)質(zhì)含量≤12 g·kg-1條件下，產(chǎn)量隨施氮量的增加先升后降，在施氮226 kg·hm-2時(shí)最高（4 531 kg·hm-2）（圖10-A）；在耕層有機(jī)質(zhì)含量＞12 g·kg-1條件下，施氮量163 kg·hm-2時(shí)冬小麥產(chǎn)量即趨于穩(wěn)定，達(dá)到5 263 kg·hm-2（圖10-C）。

圖9 不同耕層有機(jī)質(zhì)含量下施氮對(duì)冬小麥產(chǎn)量（A）和水分利用效率（B）的影響

圖10 不同耕層有機(jī)質(zhì)含量下施氮量與冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率的關(guān)系

在黃土高原地區(qū)，不同的耕層有機(jī)質(zhì)含量下氮肥對(duì)冬小麥水分利用效率的影響不同，在耕層有機(jī)質(zhì)含量≤12 g·kg-1的條件下，施氮使冬小麥水分利用效率增加了86.55%（n=199），高于耕層有機(jī)質(zhì)含量＞12 g·kg-1時(shí)的65.75%（n=157）（圖2-B-e）。在耕層有機(jī)質(zhì)含量＞12 g·kg-1時(shí)，施氮后冬小麥水分利用效率可達(dá)13.38 kg·hm-2·mm-1，而耕層有機(jī)質(zhì)含量≤12 g·kg-1時(shí)為10.42 kg·hm-2·mm-1，兩者之間差異顯著（＜0.05）（圖9-B）。在耕層有機(jī)質(zhì)含量≤12 g·kg-1條件下，水分利用效率隨施氮量的增加先升后降，在施氮量212 kg·hm-2時(shí)達(dá)最高（12.84 kg·hm-2·mm-1）（圖10-B）；在耕層有機(jī)質(zhì)含量＞12 g·kg-1條件下，水分利用效率隨施氮量的增加先增加而后基本穩(wěn)定，施氮量175 kg·hm-2時(shí)基本達(dá)到穩(wěn)定水平，為13.93 kg·hm-2·mm-1（圖10-D）。

3 討論

3.1 施氮對(duì)黃土高原冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的整體影響分析

黃土高原大部分區(qū)域土壤貧瘠，有機(jī)質(zhì)含量偏低，嚴(yán)重限制了作物的產(chǎn)量[5]。氮素是限制黃土高原冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的關(guān)鍵因子之一，氮肥的施用提高了土壤含氮量[8, 11]，緩解了土壤供氮能力與小麥生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)氮素需求間的矛盾。氮素促進(jìn)了小麥根系的發(fā)育，提高了其對(duì)土壤水分的利用能力[11]，也增加了小麥有效分蘗數(shù)、單位面積穗數(shù)及穗粒數(shù)[22]，因此施氮從整體上顯著提高了該地區(qū)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率，其中產(chǎn)量的增長(zhǎng)率為66%，水分利用效率增長(zhǎng)率可達(dá)72%。

3.2 不同分組中施氮對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響分析

3.2.1 區(qū)域 本研究結(jié)果表明，氮肥對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響在黃土高原不同區(qū)域間存在差異。其主要原因是黃土高原各區(qū)域的氣候環(huán)境不同。受季風(fēng)強(qiáng)度的影響，黃土高原由東南向西北跨越了半濕潤(rùn)區(qū)、半干旱區(qū)和干旱區(qū)，降水的時(shí)空差異大，降水量沿東南-西北一線遞減[23]。由于地形、海拔等的影響，溫度也沿東南向西北逐漸降低[15]。除此之外，土壤肥力特性、主要的栽培品種以及耕作方式等在不同區(qū)域間的差異也可能導(dǎo)致氮肥效應(yīng)的不同[24-25]。在東南部，較高的降水量和溫度更有利于小麥的生長(zhǎng)，因此東南部冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率整體上均顯著高于西北部。施氮后西北部冬小麥產(chǎn)量的增長(zhǎng)率高于東南部，而水分利用效率的增長(zhǎng)率低于東南部，原因是施氮更能促進(jìn)較干旱的西北部小麥根系的生長(zhǎng)，緩解干旱對(duì)產(chǎn)量的影響，但同時(shí)也增大了對(duì)深層土壤水分的消耗[26]。不管是東南部還是西北部，冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率均隨施氮量的增加先增加再降低或先增加后保持穩(wěn)定，主要原因是過量施氮導(dǎo)致土壤中養(yǎng)分失衡，硝酸還原酶等氮素相關(guān)轉(zhuǎn)化酶活性降低，作物體內(nèi)同化物的轉(zhuǎn)移受阻[27-30]。西北部和東南部在實(shí)現(xiàn)冬小麥最高產(chǎn)量和最高水分利用效率的施氮量上存在差異，主要因?yàn)楦鲄^(qū)域間施氮效應(yīng)及各區(qū)域能實(shí)現(xiàn)的最高產(chǎn)量和最高水分利用效率不同。

3.2.2 年均溫 本研究發(fā)現(xiàn)，在黃土高原不同年均溫條件下，施氮對(duì)冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響存在差異。主要原因可能是溫度是影響氮素轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因子之一，土壤中氮素相關(guān)轉(zhuǎn)化酶活性與溫度密切相關(guān)[31-33]。同時(shí)，溫度通過影響植物的生長(zhǎng)進(jìn)而影響植物對(duì)氮素的吸收利用[34]。在年均溫≤10℃地區(qū)，施氮后冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的相對(duì)變化率高于年均溫＞10℃地區(qū)。其主要原因是較高的溫度下土壤氮素相關(guān)轉(zhuǎn)化酶活性較強(qiáng)，有利于氮素的分解轉(zhuǎn)化及作物的吸收[33]，因此年均溫較低的地區(qū)土壤氮素對(duì)作物生產(chǎn)的限制更大。年均溫≤10℃地區(qū)實(shí)現(xiàn)最高產(chǎn)量和最高水分利用效率需要施更多的氮肥，主要因?yàn)檩^低的溫度限制了土壤中有機(jī)氮的礦化，限制了土壤的供氮能力。

3.2.3 年均降水 在黃土高原地區(qū)，水分是冬小麥生產(chǎn)中最主要的限制因素[35]，因此在年均降水量＞600 mm的地區(qū)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率整體上均顯著高于年均降水量≤600 mm地區(qū)。本研究結(jié)果表明，施氮對(duì)冬小麥的效應(yīng)受年降水量的影響。可能是因?yàn)橥寥浪譅顩r決定著作物對(duì)氮肥的響應(yīng)程度，土壤中氮素相關(guān)轉(zhuǎn)化酶活性、微生物群落及植物根系的分布均受到土壤水分的影響[36-37]。施氮后年均降水量≤600 mm地區(qū)冬小麥產(chǎn)量的增長(zhǎng)率高于＞600 mm地區(qū)，而水分利用效率的增長(zhǎng)率在＞600 mm地區(qū)更高。主要原因是在降水量較少的地區(qū)，施氮能緩解水分對(duì)小麥生長(zhǎng)的限制，但也加大了對(duì)土壤水分的消耗[38-39]。

3.2.4 耕層有機(jī)質(zhì) 本研究結(jié)果表明，不同耕層有機(jī)質(zhì)含量下施氮對(duì)冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響存在差異。作為衡量土壤肥力的重要指標(biāo)，有機(jī)質(zhì)包含了土壤中80%以上的氮素，其含量直接影響氮素的供求關(guān)系[40-42]。在耕層有機(jī)質(zhì)含量≤12 g·kg-1的條件下，施氮后冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的相對(duì)增長(zhǎng)率較高，主要?dú)w因于較低的有機(jī)質(zhì)含量下氮素對(duì)作物的限制作用更強(qiáng)。與耕層有機(jī)質(zhì)含量＞12 g·kg-1條件相比，耕層有機(jī)質(zhì)含量≤12 g·kg-1時(shí)需要更多的氮肥才能獲得最高的產(chǎn)量和水分利用效率，主要因?yàn)樵谟袡C(jī)質(zhì)含量較低的土壤條件下，需要更多的外源氮素才能滿足冬小麥高產(chǎn)的需求。

3.3 研究的局限性及研究意義

由于黃土高原地區(qū)冬小麥生產(chǎn)中氮肥施用的多樣性和復(fù)雜性，本研究未將有機(jī)肥、磷鉀肥等納入分析。因所獲取的數(shù)據(jù)量有限，本研究也未考慮施氮方式、氮肥種類及冬小麥品種對(duì)肥效的影響。本研究所納入整合分析的獨(dú)立研究基本涵蓋了黃土高原冬小麥分布區(qū)，但各研究分布點(diǎn)相對(duì)集中，限制了區(qū)域分組中結(jié)論對(duì)區(qū)域的覆蓋度。水分利用效率對(duì)氮肥的響應(yīng)受多個(gè)因子的限制，其與產(chǎn)量對(duì)氮肥的響應(yīng)間存在差異，本研究未對(duì)這種差異進(jìn)行深入分析。盡管如此，本研究所得結(jié)論與實(shí)際生產(chǎn)基本相符，對(duì)黃土高原冬小麥合理施肥具有一定的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

（1）在黃土高原地區(qū)，施氮后冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的相對(duì)增長(zhǎng)率分別為66.09%和72.38%。施氮后產(chǎn)量的相對(duì)增長(zhǎng)率在西北部更高，而水分利用效率相對(duì)增長(zhǎng)率在東南部更高。西北部實(shí)現(xiàn)最高產(chǎn)的施氮量為212 kg·hm-2，東南部為232 kg·hm-2。

（2）施氮后冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的增長(zhǎng)率均在年均溫≤10℃地區(qū)更高。年均溫＞10℃地區(qū)實(shí)現(xiàn)最高產(chǎn)的施氮量為189 kg·hm-2，年均溫≤10℃地區(qū)為225 kg·hm-2。

（3）施氮后產(chǎn)量的相對(duì)增長(zhǎng)率在年均降水量≤600 mm地區(qū)更高，而水分利用效率在＞600 mm地區(qū)更高。在年均降水量＞600 mm地區(qū)，實(shí)現(xiàn)最高產(chǎn)的施氮量為250 kg·hm-2，在年均降水量≤600 mm地區(qū)為235 kg·hm-2。

（4）施氮后冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的相對(duì)增長(zhǎng)率在耕層有機(jī)質(zhì)含量≤12 g·kg-1時(shí)更高。在耕層有機(jī)質(zhì)含量＞12 g·kg-1條件下，實(shí)現(xiàn)最高產(chǎn)的施氮量為163 kg·hm-2，耕層有機(jī)質(zhì)含量≤12 g·kg-1時(shí)則為226 kg·hm-2。

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A Meta-Analysis of the Effects of Nitrogen Application Rates on Yield and Water Use Efficiency of Winter Wheat in Dryland of Loess Plateau

MA DengKe1, 2, YIN LiNa1, 3, LIU YiJian3, YANG WenJia3, DENG XiPing1, 3, WANG ShiWen1, 3

(1Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources/State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Yangling 712100, Shaanxi;2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049;3Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi)

【Objective】 The objective of this study was to clarify the effects of nitrogen fertilizer (N) on winter wheat yield and the optimum N level under different planting conditions in the Loess Plateau.【Method】A total of 82 field studies were obtained through literature retrieval. The effects of N on yield and water use efficiency of winter wheat in different regions, annual mean temperature, annual precipitation and plough layer organic matter content in the Loess Plateau were compared by meta-analysis. Regression analysis was used to explore the relationship between yield and N application rate, water use efficiency and N application rate in each group. 【Result】 Compared with no N application, N application improved the yield and water use efficiency of winter wheat in the Loess Plateau by 66.09% and 72.38%, respectively (＜0.05). The effect of N on yield was more prominent in the northwest than that in the southeast, and the effect of N on water use efficiency was more prominent in the southeast than in northwest. The yield of northwest reached the highest when the N application rate was 212 kg·hm-2, and the highest yield could be obtained by applying another 15 kg N·hm-2in southeast. The water use efficiency reached maximum at 232 kg N·hm-2in northwest, while at 224 kg·hm-2in southeast. The effects of N on yield and water use efficiency of winter wheat were more prominent in areas with average annual temperature ≤10℃. At the area of average temperature ＞10℃, yield and water use efficiency reached the maximum when N rates were 189 kg·hm-2and 187 kg·hm-2, respectively. However, at the area of average temperature ≤10℃, yield and water use efficiency reached the maximum when N rates were 225 kg·hm-2and 239 kg·hm-2, respectively. The effect of N on yield was prominent in areas of annual average precipitation ≤ 600 mm, while the change rate of water use efficiency was prominent in areas with annual precipitation ＞600 mm. The yield and water use efficiency reached the highest at 235 kg N·hm-2and 244 kg N·hm-2application rates in areas with annual precipitation ＜600 mm, while 235 kg·hm-2and 250 kg·hm-2in the area with annual precipitation ＞600 mm. The effect of N on yield and water use efficiency was prominent when the organic matter content in plough layer was ≤12 g·kg-1. Under the condition of topsoil organic matter ＞12 g·kg-1, the yield and water use efficiency tended to be highest when the N application rates were 163 kg·hm-2and 175 kg·hm-2. The optimum N application rate was 226 kg·hm-2when the topsoil organic matter content ≤12 g·kg-1.【Conclusion】 The optimum N application rates for high yield of winter wheat in the southeast and northwest were 227 kg·hm-2and 212 kg·hm-2, respectively. The optimum N application rate was 188 kg·hm-2in the area with average annual temperature ＞10℃, and 225 kg·hm-2when average annual temperature ≤10℃. In the area with annual average precipitation ＞600 mm, the optimum N application rate was 250 kg·hm-2, and 235 kg·hm-2when annual average precipitation ≤600 mm. The optimum N application rate was 226 kg·hm-2under the topsoilorganic matter content ≤12 g·kg-1, and 163 kg·hm-2when the topsoil organic matter content ＞12 g·kg-1.

nitrogen fertilizer; winter wheat; yield; water use efficiency; meta-analysis

2019-05-15；

接受日期：2019-07-03

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計(jì)劃（2015BAD22B01）、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（2015CB150402）

馬登科，E-mail：dengkema19@163.com。通信作者王仕穩(wěn)，E-mail：shiwenwang@nwsuaf.edu.cn

（責(zé)任編輯 楊鑫浩）