不同灌水次數(shù)對(duì)于小麥產(chǎn)量的影響
——基于Meta分析

王福生 戎文杰 干家欣 童琦媛 翁明皓

(淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223001)

引言

小麥?zhǔn)?大谷物之一，是我國(guó)主要的糧食作物，保證小麥的高產(chǎn)對(duì)于我國(guó)日益增加的人口和糧食需求有重要意義，2022年我國(guó)的小麥產(chǎn)量達(dá)到了1357.6億kg。小麥的生長(zhǎng)用水約占中國(guó)北方農(nóng)業(yè)用水的70%，小麥生長(zhǎng)需要大量的水分，而近年由于全球變暖，氣候發(fā)生變化，降雨量受到氣候影響隨之變小，我國(guó)的降雨大體從東南向西北方向遞減，在我國(guó)國(guó)情以及氣候變化的形勢(shì)下，小麥的發(fā)展正面臨干旱和減產(chǎn)的威脅與挑戰(zhàn)[1]。灌溉對(duì)于小麥生長(zhǎng)有重要意義，適當(dāng)?shù)墓嗨畷?huì)促進(jìn)小麥生長(zhǎng)，增加小麥的產(chǎn)量，而過(guò)度的水分脅迫或者是過(guò)多的水分投入則會(huì)影響小麥的生長(zhǎng)進(jìn)一步減少小麥的產(chǎn)量。在拔節(jié)期進(jìn)行適度的水分脅迫能夠有效提高水分利用效率。在小麥的生育期中，灌水量會(huì)和總耗水量呈正相關(guān)的關(guān)系，而耗水量還會(huì)和土壤水消耗量呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系[2]，在拔節(jié)期之前，冬小麥的田間耗水量和大氣蒸發(fā)量呈正相關(guān)。有研究表明，適應(yīng)小麥生長(zhǎng)發(fā)育的土壤含水量為70%～80%，但由于小麥各器官對(duì)于土壤水分的敏感程度有所不同，因此冬小麥在不同生育期內(nèi)對(duì)于土壤水分的下限值也有所不同，因此適當(dāng)減少灌溉次數(shù)和灌溉水量能夠有效增加土壤水分的消耗，從而減少生育期內(nèi)的總耗水[3]。小麥的產(chǎn)量會(huì)受到水分脅迫不同程度上的影響，干旱條件下，小麥的地上部分生長(zhǎng)較慢，干物質(zhì)向根的方向移動(dòng)，而根冠比會(huì)增大，地上部位的干物質(zhì)分配率會(huì)下降[4]。生育期后期的水分脅迫會(huì)造成小麥的早衰，光合能力急速下降，繼而造成小麥產(chǎn)量的下降[5]。小麥的生長(zhǎng)對(duì)于土壤水分的不足有著調(diào)控能力，因此這對(duì)減少小麥的灌溉用水從而節(jié)約水資源有著重要意義。小麥的灌水次數(shù)會(huì)影響小麥的生長(zhǎng)于產(chǎn)量。因此本文聚焦于灌溉次數(shù)這一指標(biāo)，研究不同的灌溉次數(shù)對(duì)于小麥產(chǎn)量的影響。

Meta分析是一種統(tǒng)計(jì)方法，通過(guò)不同文章中不同試驗(yàn)里的數(shù)據(jù)點(diǎn)，討論不同試驗(yàn)處理中某些變量對(duì)于Meta分析中累計(jì)效應(yīng)的影響，從而找出研究問(wèn)題所關(guān)注的變量間的明確關(guān)系模式。Meta源于希臘語(yǔ)，1976年，美國(guó)教育學(xué)家首次使用了Meta-analysis一詞，并且創(chuàng)造了效應(yīng)量這一衡量指標(biāo)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)上的方法來(lái)總結(jié)分析大量同主題的科學(xué)研究，并得出結(jié)果[6]。有學(xué)者通過(guò)Meta分析研究耕作方式對(duì)于小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響，結(jié)論表明，旋耕降低了小麥的產(chǎn)量和水分利用效率，免耕提高了小麥的總體水分利用效率[7]。也有研究通過(guò)Meta分析開(kāi)展了水分脅迫對(duì)于小麥品質(zhì)和產(chǎn)量的研究影響[8]。本文旨在通過(guò)Meta分析的方法收集文獻(xiàn)，以研究灌水次數(shù)這一灌溉指標(biāo)對(duì)于小麥生長(zhǎng)的影響。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)檢索收集與篩選

本文通過(guò)在中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)以“小麥”和“灌水/灌溉次數(shù)”等關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，搜索了自2000—2022年發(fā)表的文獻(xiàn)。本次研究中的數(shù)據(jù)篩選標(biāo)準(zhǔn)如下。

試驗(yàn)為大田試驗(yàn)，盆栽實(shí)驗(yàn)不被納入本文的研究；對(duì)照組為小麥僅澆越冬水，處理組為不同的灌水次數(shù)；剔除不同論文中相同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

按照以上標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選后，共有68組觀察數(shù)據(jù)被納入本文的研究。為進(jìn)一步研究不同的灌水次數(shù)對(duì)小麥產(chǎn)量的影響，本文將收集到的灌水次數(shù)進(jìn)行分類，詳情見(jiàn)表1。

表1 灌水次數(shù)分類

1.2 研究方法

Meta分析法(Meta-analysis)是在收集整理前人研究成果的基礎(chǔ)上，采用統(tǒng)計(jì)的概念與方法剖析研究變量之間的明確關(guān)系模式，主要包括確定研究主題、文獻(xiàn)檢索及篩選、研究數(shù)據(jù)提取、研究數(shù)據(jù)分析等基本流程。

采用均值比作為效應(yīng)量，即lnRR，采用lnRR可以減輕由于不同試驗(yàn)地點(diǎn)，以及作物品種等差異帶來(lái)的異質(zhì)性。本研究以W1即只澆越冬水作為對(duì)照組，以研究不同灌水次數(shù)處理對(duì)于小麥產(chǎn)量的影響。

(1)

式中，lnRR為效應(yīng)量，為無(wú)量綱單位；yt表示處理組的小麥產(chǎn)量；yc表示對(duì)照組組的小麥產(chǎn)量。

研究?jī)?nèi)方差采用式(2)計(jì)算：

(2)

式中，Se是處理組產(chǎn)量的標(biāo)準(zhǔn)差；Sc是對(duì)照組產(chǎn)量的標(biāo)準(zhǔn)差；Ne是處理組的樣本大??；Nc是控制組的樣本大小。

本研究的加權(quán)響應(yīng)比采用式(3)計(jì)算：

(3)

式中，i為樣本數(shù)量；k為積累數(shù)；Li為觀察效應(yīng)值；w*為每個(gè)反應(yīng)比的權(quán)重。

本文的95%置信區(qū)間采用式(4)計(jì)算：

(4)

由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自不同的文章，存在土壤、水文、小麥品種的差異，本文采用隨機(jī)模型進(jìn)行計(jì)算。此后，根據(jù)所得結(jié)果，如95%置信區(qū)間包括0，則說(shuō)明研究的差異不顯著，如95%的置信區(qū)間不包括0，則說(shuō)明差異顯著。為便于理解和說(shuō)明，本文將效應(yīng)量lnRR按式(5)轉(zhuǎn)換為百分比的形式。

(elnRR-1)×100

(5)

如lnRR為正值，則說(shuō)明不同的灌水次數(shù)水小麥產(chǎn)量有增加效應(yīng)；如lnRR為負(fù)值，則說(shuō)明其對(duì)于小麥產(chǎn)量有降低效應(yīng)。lnRR和0值的距離越接近，說(shuō)明該灌水次數(shù)對(duì)于小麥產(chǎn)量的影響越小。

2 結(jié)果與分析

如表2所示，對(duì)于固定模型和隨機(jī)模型的選用是通過(guò)異質(zhì)性檢驗(yàn)即P值(PQ-val)來(lái)確定，當(dāng)P值小于0.05，說(shuō)明研究量差異顯著，則選用隨機(jī)效應(yīng)模型，而當(dāng)P值大于0.05，則說(shuō)明研究差異不顯著，選擇固定效應(yīng)模型，本文的P值小于0.0001，說(shuō)明研究差異顯著，選擇隨機(jī)效應(yīng)模型。

如圖1所示，本研究以僅澆冬水作為對(duì)照組開(kāi)展研究，共有2種灌溉次數(shù)被納入研究，分別為澆越冬水和拔節(jié)水(W2)，澆越冬水、拔節(jié)水和開(kāi)花水(W3)。W2和W3的95%置信區(qū)間均不包括0，說(shuō)明其增產(chǎn)效應(yīng)顯著，W2的增產(chǎn)效應(yīng)達(dá)到13.10%，W3的增產(chǎn)效應(yīng)達(dá)到20.03%。研究結(jié)果表明,灌水次數(shù)的增加會(huì)顯著提升小麥的產(chǎn)量。

表2 綜合效應(yīng)樣本描述統(tǒng)計(jì)分析

圖1 不同灌水次數(shù)對(duì)小麥產(chǎn)量的影響

3 結(jié)論與討論

本文的研究表明，小麥產(chǎn)量會(huì)隨灌水次數(shù)的增加而增加，小麥產(chǎn)量和干物質(zhì)的形成密切相關(guān)，而小麥的干物質(zhì)是光合作用的產(chǎn)物，相較于施肥，水分對(duì)于各階段干物質(zhì)的形成的影響更大[9]。為小麥提供合理的灌溉，對(duì)干物質(zhì)的積累有促進(jìn)作用。此外，冬小麥的灌溉管理措施是冬小麥在大田越冬生產(chǎn)過(guò)程中的重要栽培管理措施，能夠促進(jìn)抗凍保苗并且有利于冬后小麥的生長(zhǎng)[10]。有相關(guān)研究表明，冬小麥的株高會(huì)受到不同生育期的缺水程度的影響，株高會(huì)隨著缺水程度的增大而降低，并且后續(xù)的復(fù)水也無(wú)法實(shí)現(xiàn)株高的增大[11]。小麥產(chǎn)量極大程度受自然降雨和灌溉水影響，適當(dāng)?shù)乃置{迫有利于籽粒產(chǎn)量的增加，過(guò)多的水分可能造成植株群體群落結(jié)構(gòu)不盡合理，造成減產(chǎn)，因此，合理的灌溉成為決定小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[12]。小麥旗葉的凈光合速率和小麥的灌水次數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，小麥產(chǎn)量及構(gòu)成因素受光合作用的影響程度會(huì)隨著灌水次數(shù)的增多而增多[13]。有相關(guān)研究表明，隨著灌水次數(shù)的減少，產(chǎn)量下降率越高，但這一效應(yīng)會(huì)受到不同小麥的品種間差異影響[14]。有學(xué)者研究表明，小麥節(jié)水灌溉的最佳灌溉模式為“拔節(jié)水+揚(yáng)花水”，高產(chǎn)栽培的最佳灌溉模式為“拔節(jié)水+揚(yáng)花水+灌漿水”[15]。本文的研究結(jié)果表明，在澆越冬水的基礎(chǔ)之上，W3的增產(chǎn)效應(yīng)達(dá)到了20.03%，可以看出小麥的產(chǎn)量與灌水次數(shù)顯著相關(guān)。但與此同時(shí)，小麥在前期的供水不足之后，在開(kāi)花期補(bǔ)充水分，小麥的產(chǎn)量會(huì)呈現(xiàn)出一種補(bǔ)償效應(yīng)，進(jìn)而說(shuō)明干旱處理對(duì)于小麥生長(zhǎng)不一定總會(huì)帶來(lái)負(fù)面效應(yīng)，而作物后期的抗旱能力是可以通過(guò)前期適宜的干旱處理提高的[16]。

小麥的品質(zhì)也會(huì)受到灌水次數(shù)的影響，適量的灌水運(yùn)籌能夠提高小麥的籽粒容量、濕面筋含量、蛋白質(zhì)含量以及沉降值等品質(zhì)類的指標(biāo)[17]。有研究表明，灌水次數(shù)和小麥籽粒蛋白質(zhì)含量的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，而以蛋白質(zhì)含量、籽粒容重以及穩(wěn)定時(shí)間等品質(zhì)指標(biāo)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，冬小麥的品質(zhì)也會(huì)和灌水次數(shù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系[18]。適宜的灌水對(duì)于調(diào)節(jié)小麥籽粒的支鏈淀粉含量有重要意義，能夠使小麥籽粒中的支直比例達(dá)到預(yù)期目標(biāo)[19]。