基于整合分析的黃土高原蘋果施氮增產(chǎn)效應(yīng)研究

趙 月，胡田田，羅利華，李 燦

(西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

蘋果在我國果業(yè)生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位。黃土高原(主要包括陜西、甘肅和山西)蘋果產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的42.7%[1]，對我國蘋果產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展意義重大[2]。

為蘋果樹施加氮素是蘋果增產(chǎn)的一項普遍措施，相關(guān)研究甚多，但主要集中于土壤氮素長期積累及分布特征[3-4]、注射氮素[5-6]以及結(jié)合覆膜覆草施氮[7-8]研究等方面，由于黃土高原不同地區(qū)自然條件不同，各試驗地的田間管理也存在差異，常規(guī)獨立田間試驗得出的推薦施肥量、相關(guān)管理方式等結(jié)果往往存在差別甚至相互矛盾，不利于施肥技術(shù)的推廣和該地區(qū)的果業(yè)發(fā)展。加之近年來，黃土高原地區(qū)憑經(jīng)驗施肥現(xiàn)象嚴重，影響了蘋果品質(zhì)、產(chǎn)量，同時也增大了對環(huán)境的負面影響[9-11]。因此，結(jié)合現(xiàn)有的研究結(jié)果，采用專業(yè)方法進行大樣本數(shù)據(jù)定量分析，得出符合該地區(qū)獨特條件的最佳施氮量、株行距、樹齡等顯得尤為重要。

整合分析是一種在同一主題下從現(xiàn)有的研究中整理、合并研究數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析方法[12-13]。該方法具有能對同一課題多項研究結(jié)果一致性進行評價、對多項研究結(jié)果作系統(tǒng)性總結(jié)并進一步為研究指明方向等優(yōu)點。目前，該方法在農(nóng)業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用研究仍處于起步階段，特別是在黃土高原地區(qū)蘋果施氮研究方面更是鮮見報道。本文基于2019年11月以前黃土高原蘋果產(chǎn)量對氮肥響應(yīng)的研究數(shù)據(jù)，通過整合分析方法定量分析施氮量、氣候條件、土壤類型、樹齡、田間管理措施等因素對蘋果施氮增產(chǎn)效應(yīng)的影響。在此基礎(chǔ)上，進一步采用通徑分析對這些影響因素進行分析，明晰主要影響因素，給出優(yōu)化的蘋果氮肥管理策略，為實現(xiàn)黃土高原蘋果優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

基于中國知網(wǎng)、維普、萬方、Web of Science、Google Scholar、Engineering Village等中英文數(shù)據(jù)庫，以“黃土高原”、“氮肥”、“蘋果產(chǎn)量”、“Loess Plateau”、“fertilization”和“apple yield”為關(guān)鍵詞檢索2019年11月以前發(fā)表的關(guān)于施氮條件下蘋果產(chǎn)量的文獻，并對文獻進行篩選。文獻篩選標(biāo)準(zhǔn)為：(1)試驗區(qū)域位于中國黃土高原地區(qū)；(2)試驗地點、時間、土壤性質(zhì)和氣象條件均明確；(3)試驗方法為大田試驗；(4)試驗處理同時包括施氮和不施氮，且其他田間條件一致；(5)試驗中各處理重復(fù)次數(shù)大于2次；(6)文獻中提供蘋果產(chǎn)量、施氮量等數(shù)據(jù)；(7)試驗地點、試驗?zāi)攴莺头N植制度一致的文獻，選取處理較多、研究年限較長的文獻。經(jīng)以上標(biāo)準(zhǔn)嚴格篩選，共獲得20篇可用文獻，采集了33組數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)分類

根據(jù)蘋果增產(chǎn)效應(yīng)的影響因素分組，主要指標(biāo)包括：氣候因素(年降水量、年均溫)、地理因素(土壤類型、海拔高度)、樹齡、田間管理措施(施氮量和栽植密度)等。年降水量以500 mm為界線[14]，年均溫以10℃劃分[15]。數(shù)據(jù)分類情況見表1。

表1 數(shù)據(jù)分類情況

1.3 整合分析

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)差 計算標(biāo)準(zhǔn)差是整合分析的一個重要參數(shù)，是各研究結(jié)果的權(quán)重指標(biāo)，反映其重要性的大小[16]。在整理數(shù)據(jù)中，當(dāng)文中列有產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)差時，直接使用；當(dāng)沒有提供產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)差但有多個重復(fù)試驗的產(chǎn)量，或既未提供產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)差也無重復(fù)試驗的產(chǎn)量，但包含多年試驗時，將多年試驗結(jié)果看做平均重復(fù)，計算標(biāo)準(zhǔn)差。若文獻中提供的產(chǎn)量數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)誤差是以圖形式表示，通過Origin 9.0軟件中的digitizer功能進行圖形數(shù)值化，將獲得的標(biāo)準(zhǔn)誤差換算為標(biāo)準(zhǔn)差；若原文獻未提供標(biāo)準(zhǔn)差和樣本個數(shù)，通過常規(guī)方法不能獲得標(biāo)準(zhǔn)差，采用MetaWin 2.1軟件的再取樣(resampling tests)功能得到非加權(quán)方差[17]，獲得所需的標(biāo)準(zhǔn)差。

1.3.2 效應(yīng)量計算與整合 利用各研究中施氮(處理組)和不施氮(對照組)的蘋果產(chǎn)量、產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)差以及試驗重復(fù)數(shù)計算效應(yīng)量。本研究選取lnR[18]為效應(yīng)量：

Ei=lnRi=ln(X1i/X2i)

(1)

式中，Ei為第i組配對試驗的效應(yīng)量；Ri為反應(yīng)比；X1i為第i組配對試驗中處理組的蘋果產(chǎn)量(kg·株-1)；X2i為第i組配對試驗中對照組的蘋果產(chǎn)量(kg·株-1)，i為對應(yīng)的試驗組號(i=1,2,3,…,k,k=33)。

為了使效應(yīng)量更為準(zhǔn)確，計算綜合效應(yīng)量E，公式為[19]：

(2)

式中，Wi′為第i組配對試驗的權(quán)重；Vi為第i組配對試驗組內(nèi)方差；Di為第i組配對試驗組間方差。各個參數(shù)計算公式如下[20]：

(3)

式中，Wi為第i組配對試驗的權(quán)重；S1i、S2i為第i組配對試驗的試驗組和對照組對應(yīng)作物產(chǎn)量的樣本標(biāo)準(zhǔn)差；ni為第i組配對試驗的樣本數(shù)。

(4)

為了更加直觀地反映施氮對蘋果的產(chǎn)量效應(yīng)，將效應(yīng)量lnR轉(zhuǎn)化為增產(chǎn)率Z[21]：

(5)

相應(yīng)的增產(chǎn)率95%置信區(qū)間(confidence interval,CI)的下限ZLL和上限ZUL為:

(6)

蘋果增產(chǎn)率95%置信區(qū)間若全部大于0，說明相應(yīng)施氮量對蘋果產(chǎn)量具有顯著的正效應(yīng)；若全部小于0，說明相應(yīng)施氮量對蘋果產(chǎn)量具有顯著的負效應(yīng)；若包含0，則說明相應(yīng)施氮量對蘋果產(chǎn)量無顯著影響。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理 采用Excel 2010軟件建立數(shù)據(jù)庫，Metawin 2.1做Meta分析，Origin 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮對黃土高原蘋果產(chǎn)量的綜合效應(yīng)量

施氮對蘋果產(chǎn)量綜合效應(yīng)量見表2?？傮w而言，施氮能顯著提高蘋果產(chǎn)量，平均增產(chǎn)率為26.02%(95%CI=17.14%～34.90%)。各因素影響下的效應(yīng)量極大值和極小值分別為91.71%和-9.34%，異質(zhì)性檢驗達到顯著水平(P<0.05)，故采用隨機效應(yīng)模型。

表2 施氮對黃土高原蘋果產(chǎn)量的綜合效應(yīng)量

2.2 黃土高原蘋果施氮增產(chǎn)效應(yīng)影響因素分析

2.2.1 氣候因素分析 降水量過多會降低黃土高原蘋果施氮增產(chǎn)率，還可能會導(dǎo)致部分地區(qū)減產(chǎn)。整合結(jié)果如圖1a所示，當(dāng)年降水量<500 mm和≥500 mm時，其施氮增產(chǎn)率分別為29.83%(95%CI=8.00%～51.66%)和4.33%(95%CI=-4.53%～13.20%)，降水量高于500 mm時施氮增產(chǎn)不顯著(P>0.05)。圖1b表示，當(dāng)年均溫<10℃時，施氮條件下黃土高原蘋果增產(chǎn)率為6.26%(95%CI=-56.25%～68.77%)，增產(chǎn)效應(yīng)不顯著(P>0.05)；而當(dāng)年均溫≥10℃時，施氮增產(chǎn)率為27.29%(95%CI=18.01%～36.57%)，是年均溫<10℃時的4.36倍，并且增產(chǎn)效應(yīng)比較顯著(P<0.05)?？梢娸^高的溫度有助于黃土高原蘋果施氮增產(chǎn)率的提高。

圖1 氣候因素對蘋果施氮增產(chǎn)效應(yīng)的影響

2.2.2 地理和樹齡因素分析 黃土高原70%為黃土覆蓋，母質(zhì)為黃土母質(zhì)，該區(qū)是世界上厚度最大、范圍最廣的黃土分布區(qū)，經(jīng)過長期地質(zhì)演化，土壤類型主要分為黃綿土、黑壚土和土3種類型。由圖2a可知，在黃綿土、黑壚土和土上施氮，蘋果增產(chǎn)率分別為13.00%(95%CI=-1.73%～27.73%)、26.10%(95%CI=13.08%～39.11%)和34.53%(95%CI=13.88%～55.19%)，黃綿土上施氮增產(chǎn)效應(yīng)不顯著(P>0.05)。由此可見，在土上施氮最有利于黃土高原蘋果的增產(chǎn)。由圖2b可知，當(dāng)海拔<850 m時，黃土高原蘋果施氮條件下增產(chǎn)率為29.46%(95%CI=16.98%～41.93%)，而當(dāng)海拔≥850 m時，增產(chǎn)率為19.14%(95%CI=8.16%～30.12%)，可知海拔<850 m區(qū)域的施氮增產(chǎn)效果更加明顯。不同樹齡的蘋果樹有著不同的結(jié)實、抵抗病蟲害能力以及對氮素的響應(yīng)特征。如圖2c所示，施氮條件下，當(dāng)樹齡<10 a時，蘋果增產(chǎn)率為24.61%(95%CI=10.08%～39.14%)；當(dāng)樹齡≥10 a時，增產(chǎn)率為26.93%(95%CI=14.64%～39.22%)。

圖2 地理和樹齡因素對蘋果施氮增產(chǎn)效應(yīng)的影響

2.2.3 田間管理措施因素分析 不同田間管理措施下施氮，對黃土高原蘋果增產(chǎn)率有顯著影響。栽植密度不同意味著株行距的不同。如圖3a所示，施氮條件下，當(dāng)栽植密度≤55株·666.7m-2時，增產(chǎn)率為14.36%(95%CI=-16.13%～44.86%)；當(dāng)栽植密度為55～110株·666.7m-2時，增產(chǎn)率為28.70%(95%CI=18.12%～39.28%)；而當(dāng)栽植密度>110株·666.7m-2時，增產(chǎn)率為13.00%(95%CI=-1.73%～27.73%)?？梢姡灾裁芏冉橛?5～110株·666.7m-2時最有利于當(dāng)?shù)靥O果的增產(chǎn)。由圖3b可知，當(dāng)施氮量≤0.25 kg·株-1時，增產(chǎn)率為17.63(95%CI=-0.66%～35.91%)；當(dāng)施氮量為0.25～0.50 kg·株-1時，增產(chǎn)率為24.72%(95%CI=13.11%～36.33%)，并且增產(chǎn)效果顯著(P<0.05)；當(dāng)施氮量為0.50～0.75 kg·株-1時，增產(chǎn)率為20.51%(95%CI=-0.96%～41.98%)；當(dāng)施氮量>0.75 kg·株-1時，增產(chǎn)率為12.41%(95%CI=-4.19%～29.00%)，增產(chǎn)效果不顯著(P>0.05)。

圖3 田間管理因素對蘋果施氮增產(chǎn)效應(yīng)的影響

2.3 施氮條件下蘋果增產(chǎn)效應(yīng)影響因素的通徑分析

蘋果施氮增產(chǎn)率與年均溫、樹齡、栽植密度、海拔、施氮量、年降水量、土壤類型等因素有關(guān)。為分析施氮條件下引起蘋果產(chǎn)量變化的主導(dǎo)因素，選年降水量(X1)、年均溫(X2)、樹齡(X3)、栽植密度(X4)、海拔(X5)及施氮量(X6)和蘋果增產(chǎn)率(I)等定量參數(shù)進行通徑分析，以探求主導(dǎo)影響因素，結(jié)果見表3。

由表3可知，各因素的直接影響從大到小依次為：X4、X1、X6、X5、X2、X3。表明栽植密度、年降水量和施氮量是施氮條件下影響蘋果增產(chǎn)率的三大主導(dǎo)因素，海拔次之，年均溫和樹齡對蘋果施氮增產(chǎn)效果的影響接近且均比較小。間接通徑系數(shù)表示各單因素通過其他因素對蘋果施氮增產(chǎn)效應(yīng)的影響程度。由表3可知，年均溫和年降水量均通過栽植密度對蘋果施氮增產(chǎn)的間接影響最大；海拔通過年降水量對蘋果增產(chǎn)的間接影響最大；樹齡通過栽植密度對蘋果增產(chǎn)的間接影響最大；栽植密度通過年降水量對蘋果增產(chǎn)的間接影響最大，施氮量通過栽植密度對蘋果增產(chǎn)的間接影響最大。綜合直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)可知，施氮量、栽植密度、海拔是影響蘋果施氮增產(chǎn)的主要因素，因此，制定科學(xué)施氮方案，選擇適當(dāng)海拔的優(yōu)生區(qū)且合理控制栽植密度有利于黃土高原蘋果施氮增產(chǎn)效應(yīng)的發(fā)揮。

表3 施氮條件下蘋果增產(chǎn)效應(yīng)影響因素的通徑分析

3 討 論

3.1 氣候因素對蘋果施氮增產(chǎn)效應(yīng)的影響

3.1.1 年降水量 施氮條件下隨著年降水量的不斷增加，蘋果產(chǎn)量下降的原因可能在于，過多的降水量下再施氮會促進新梢更加旺長，使春梢爭奪幼果中的水分, 引起落果，降低產(chǎn)量[22]；還可能與供試土壤氮素肥力水平有關(guān)，降雨量高的地區(qū)，往往是蘋果種植時間比較長的區(qū)域[23]，長期大量施肥導(dǎo)致土壤氮素肥力較高[24]，因而施氮的增產(chǎn)效應(yīng)降低，甚至產(chǎn)生負效應(yīng)。另外，過多降雨引起的反硝化、淋溶作用也可能會降低蘋果施氮增產(chǎn)率[25-26]。

3.1.2 年均溫 10℃是喜溫植物光合有機物開始積累和適宜生長的起始溫度[27]，蘋果是喜溫植物，故年均溫以10℃劃分，充分考慮了溫度對作物生長發(fā)育的影響。溫度既可以通過影響作物的生理作用直接影響植株氮濃度，也可以通過影響作物的生化過程間接對植株氮濃度產(chǎn)生影響[28]。這可能是因為隨著年均溫的升高，土壤溫度也隨之升高，微生物和酶活性增強，硝化菌對能源底物的分解作用加強，促進了土壤有機質(zhì)的分解，提高了土壤中有效氮含量[29]；同時，溫度升高還可以促進植株對氮素的吸收，提高氮素利用效率，達到增產(chǎn)的效果[30]。Chen等[31]研究作物營養(yǎng)生長階段氮素積累量時發(fā)現(xiàn)，溫度升高，植株的吸氮量隨之增加。

3.2 地理因素對蘋果施氮增產(chǎn)效應(yīng)的影響

3.2.1 土壤類型 不同類型土壤和施氮的綜合效應(yīng)大小依次為土>黑壚土>黃綿土。產(chǎn)生這種趨勢的主要原因可能在于，黃綿土有機質(zhì)含量低，K、P含量較多但有效性差，保水保墑能力弱，極易發(fā)生水土和養(yǎng)分流失；黑壚土腐殖質(zhì)層厚度達1～20 cm，腐殖含量為0.8%～1.3%，石灰含量豐富，交換性鈣占陽離子代換量85%以上，養(yǎng)分鉀含量豐實，N、P缺乏，具有較強的保水保肥能力，是黃土高原上肥力較高的土壤；土是褐土經(jīng)長期耕作熟化，常年施用土糞發(fā)育而成，有機質(zhì)含量1%～1.5%，分布較深，可達60～70 cm，富含鉀，有機氮含量及有效磷含量較低，土體中CaCO3含量可達9%～13%。綜上所述，黑壚土和土有機質(zhì)、鈣等元素豐富而氮素缺少，因而在這兩種土壤中施氮蘋果增產(chǎn)更加明顯。

3.2.2 海拔高度 黃土高原海拔相對較高，生長季晝夜溫差大。海拔高度的變化對應(yīng)著光、溫的改變及光照強度的差異，影響了作物的光合作用，從而對產(chǎn)量產(chǎn)生影響。有研究表明，高海拔種植的作物光飽和點及光補償點較高，低海拔種植的光飽和點及補償點較低；CO2補償點和光呼吸速率均隨海拔升高而降低；高海拔區(qū)作物光合效率值較低，低海拔區(qū)作物光合效率值較高，反映出光合效率值具有隨海拔增高而降低的特性[32]。另外，隨著海拔的升高氣溫降低，較低的溫度抑制了同化物向果實的運輸及庫容[33]，蘋果的結(jié)實率也隨之降低[34]。因此，在施氮條件下，蘋果增產(chǎn)效應(yīng)隨著海拔的升高而降低。

3.3 樹齡對蘋果施氮增產(chǎn)效應(yīng)的影響

樹齡是一項重要的果樹性質(zhì)。蘋果樹的干周、冠徑、樹冠體積、樹葉密度隨著樹齡的增加而增加，天空可視度則隨著樹齡的增加而減少，樹齡大的果樹蒸騰速率和光合速率更強，有利于營養(yǎng)物質(zhì)的運輸與積累。同時，樹齡大的果樹根系發(fā)達，更有利于樹體對土壤水分以及氮素的吸收利用，使水氮耦合效應(yīng)更明顯，這與梁海忠等[35]、張雲(yún)慧等[36]的研究結(jié)果相同。

3.4 田間管理措施對蘋果施氮增產(chǎn)效應(yīng)的影響

3.4.1 栽植密度 施氮條件下隨著栽植密度的增大，蘋果產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。栽植密度通過影響光照、通風(fēng)等條件進而影響果實產(chǎn)量[37-38]。林洪鑫等[39]研究指出，栽植密度處理能調(diào)節(jié)作物群體的微氣候環(huán)境，協(xié)調(diào)群體與個體的關(guān)系。合理的栽植密度既能充分發(fā)揮果樹花芽生長與群體自身的調(diào)節(jié)能力，減少群體內(nèi)行間、株間競爭，同時又能保證果樹充分利用光能，積累較多的有機物，從而實現(xiàn)增產(chǎn)、增收的目的。

3.4.2 施氮量 氮肥是決定果樹產(chǎn)量高低和品質(zhì)優(yōu)劣的重要因素，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用量最大的化學(xué)肥料[14]。由圖3b可知，隨著施氮量的增加，蘋果增產(chǎn)效應(yīng)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這是因為，在適宜的范圍內(nèi)增施氮肥能發(fā)揮其功能與優(yōu)勢。大量研究表明，在果樹需氮量范圍內(nèi)，增施氮肥可提高果樹發(fā)芽率，有助于形成更多葉片，也能為葉片生長發(fā)育提供更加充足的養(yǎng)分來源[40];增施氮肥還能提高葉片單位面積光合速率，增加葉片總光合面積，減少落花落果，有效促進花芽分化過程，提高果實座果率，實現(xiàn)果實高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)[41]。氮肥施用過量，超出作物正常生長發(fā)育所需，過量氮素會在土壤中發(fā)生轉(zhuǎn)化，大部分殘余氮以硝態(tài)氮形式在土壤中積累，導(dǎo)致短期內(nèi)氮素供應(yīng)失調(diào)，引起果樹地上部分生長過旺，樹體內(nèi)碳氮比例超出正常范圍，營養(yǎng)生長與生殖生長爭奪養(yǎng)分，使果樹生殖生長受阻，導(dǎo)致落花落果現(xiàn)象出現(xiàn)，同時樹體抗性顯著下降，果實某些生理病害的發(fā)生加重，嚴重影響果實產(chǎn)量[42-45]。另外，氮肥過量施用還會造成氮素大量損失，降低果樹氮肥利用效率[46]。

4 結(jié) 論

施氮條件下，黃土高原蘋果呈現(xiàn)增產(chǎn)效應(yīng)，增產(chǎn)效果與地區(qū)的年降水量、年均溫、海拔、樹齡、栽植密度、栽植土壤類型及施氮量等因素有關(guān)。不同土壤類型上施氮對蘋果的增產(chǎn)效果有明顯差異，大小順序為土>黑壚土>黃綿土。在不同栽植密度下施氮增產(chǎn)效果不同，當(dāng)栽植密度介于55～110株·666.7m-2時增產(chǎn)效應(yīng)最佳。施氮量對黃土高原蘋果增產(chǎn)效果有顯著影響，隨著施氮量的增加，蘋果增產(chǎn)率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，最佳施氮量為0.25～0.50 kg·株-1。