控釋氮肥提高我國(guó)棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)的元分析

占亞楠

（開(kāi)封市農(nóng)林科學(xué)研究院，河南 開(kāi)封 475004）

棉花是重要的經(jīng)濟(jì)作物，在世界及我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要地位。棉花生產(chǎn)中存在栽培環(huán)節(jié)復(fù)雜、用工多、化肥投入多、植棉效益低等突出問(wèn)題?；试谔岣咦魑锂a(chǎn)量和保持土壤肥力方面發(fā)揮重要作用，特別是氮肥的投入是顯著提高作物產(chǎn)量的1 個(gè)主要因素[1]。然而，肥料施用方法、施用時(shí)間和施用量不當(dāng)，易影響施入土壤后的化肥養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致棉花的肥料利用率下降、植棉效益降低，同時(shí)造成環(huán)境污染[2-3]。

許多類型的新型肥料，如脲酶抑制劑、硝化抑制劑和緩釋/ 控釋氮肥已被研發(fā)作為傳統(tǒng)肥料的替代品[4]。利用控釋氮肥在提高我國(guó)肥料利用率、降低環(huán)境污染和減少勞動(dòng)力投入等方面具有巨大潛力[5]。研究表明，控釋氮肥可以控制養(yǎng)分元素的釋放速率，而且隨著產(chǎn)品迭代，控釋氮肥的技術(shù)含量會(huì)越來(lái)越高，施用效果會(huì)越來(lái)越好[6]。

但是受到氣候條件、土壤類型、肥料施用技術(shù)和肥料產(chǎn)品質(zhì)量等因素的影響，出現(xiàn)相關(guān)研究結(jié)果不一致的現(xiàn)象。元分析（Meta-analysis）可以針對(duì)多個(gè)同類研究數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析[7]，彌補(bǔ)單點(diǎn)研究的不足，從總體估計(jì)效應(yīng)值大小。例如，Zhang 等[8]進(jìn)行了1 項(xiàng)基于全球數(shù)據(jù)的元分析探討了聚合物包被尿素對(duì)玉米產(chǎn)量和氮吸收利用的影響，研究發(fā)現(xiàn)施用控釋尿素條件下，玉米產(chǎn)量和氮肥利用率的平均相對(duì)變化率分別為5.3%和24.1%。Tian 等[9]的元分析表明施用控釋尿素提高了我國(guó)棉花產(chǎn)量和氮肥利用率，其平均相對(duì)變化率分別為9.8%和19.4%。但關(guān)于控釋氮肥對(duì)植棉凈收益和纖維品質(zhì)的總體影響尚未見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究擬利用元分析估算施用控釋氮肥后籽棉產(chǎn)量、纖維品質(zhì)、氮肥利用率和植棉凈收益的總體變化幅度，分析籽棉產(chǎn)量對(duì)不同土壤理化性質(zhì)的響應(yīng)差異，為合理施用控釋氮肥，提高籽棉產(chǎn)量和植棉效益以及實(shí)現(xiàn)棉花輕簡(jiǎn)化栽培提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 文獻(xiàn)收集

在Web of Science（https://www.webofscience.com）和中國(guó)知網(wǎng)（https://www.cnki.net/）數(shù)據(jù)庫(kù)中，以“控釋（controlled-release）”或（or）“緩釋（slow release）”或（or）“聚合物包膜（polymer-coated）”或（or）“樹(shù)脂包膜（resin-coated）”和“棉花（cotton）”為關(guān)鍵詞，對(duì)2000 年1 月1 日－2020 年12 月31 日公開(kāi)發(fā)表的期刊文獻(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)檢索，對(duì)每篇文獻(xiàn)的標(biāo)題和摘要進(jìn)行評(píng)估，以確定它們是否包含本研究擬分析的響應(yīng)變量（籽棉產(chǎn)量、植棉凈收益、氮肥利用率和棉花纖維品質(zhì)）的原始數(shù)據(jù)。

對(duì)收集到的文獻(xiàn)進(jìn)行如下篩選和數(shù)據(jù)整理：（1）試驗(yàn)中必須有嚴(yán)格的處理和對(duì)照，處理組為施用控釋氮肥，對(duì)照組為施用常規(guī)肥料，其他因素（如栽培管理?xiàng)l件、土壤理化性質(zhì)等）在同一研究中必須一致；（2）土壤相關(guān)數(shù)據(jù)均是0～20 cm 耕層基本理化性質(zhì)；（3）1 篇文章出現(xiàn)多個(gè)獨(dú)立試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)試驗(yàn)被視為1 個(gè)獨(dú)立研究；（4）1 篇文獻(xiàn)包含多年的結(jié)果時(shí)，全部數(shù)據(jù)均收集；（5）數(shù)據(jù)均來(lái)自大田試驗(yàn)。最終篩選獲得35 篇文獻(xiàn)[10-44]，共計(jì)126 對(duì)數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)整理

對(duì)每篇文獻(xiàn)中響應(yīng)變量（籽棉產(chǎn)量、植棉凈收益、氮肥利用率和棉花纖維品質(zhì)）的測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行提取整合，包括對(duì)照和處理的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差（standard deviation，SD）和樣本量（n）。對(duì)于以表格形式展示的數(shù)據(jù)，直接提??；對(duì)于以圖片形式表示的數(shù)據(jù)，用GetData 軟件將其數(shù)字化后提取。同時(shí)，記錄土壤的基本理化性質(zhì)（有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮、有效磷和速效鉀的含量以及pH）。

將土壤基本理化性質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組。土壤有機(jī)質(zhì)含量分為4 個(gè)水平：（1）＜10 g·kg－1；（2）10～＜15 g·kg－1；（3）15～＜20 g·kg－1；（4）≥20 g·kg－1。土壤全 氮 含 量 分 為5 個(gè) 水 平：（1）＜0.5 g·kg－1；（2）0.5 ～＜0.8 g·kg－1；（3）0.8 ～＜1.0 g·kg－1；（4）1.0～＜1.5 g·kg－1；（5）≥1.5 g·kg－1。土壤有效氮含量分為5 個(gè)水平：（1）＜25 mg·kg－1；（2）25～＜50 mg·kg－1；（3）50～＜75 mg·kg－1；（4）75～＜100 mg·kg－1；（5）≥100 mg·kg－1。土壤有效磷（P2O5）含量分為5 個(gè)水平：（1）＜10 mg·kg－1；（2）10～＜20 mg·kg－1；（3）20～＜30 mg·kg－1；（4）30～＜40 mg·kg－1；（5）≥40 mg·kg－1。土壤速效鉀（K2O）含量分為4 個(gè)水平：（1）＜100 mg·kg－1；（2）100～＜150 mg·kg－1；（3）150～＜200 mg·kg－1；（4）≥200 mg·kg－1。土壤pH 分為4 類：（1）酸性 （＜6.5）；（2）中性（6.5～＜7.5）；（3）弱堿性（7.5～＜8.5）；（4）強(qiáng)堿性（≥8.5）。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本研究中使用MetaWin 2.0 軟件進(jìn)行元分析。元分析的結(jié)果是該處理下的測(cè)定指標(biāo)相對(duì)于對(duì)照的變幅大小，經(jīng)過(guò)自然對(duì)數(shù)（lnN，N＞0）轉(zhuǎn)換得到的響應(yīng)比（RRx）：RRx=ln（Xt／Xc）＝lnXt－lnXc。式中，Xt與Xc分別表示處理和對(duì)照（如籽棉產(chǎn)量）的平均值。如果RRx＜0，說(shuō)明施用控釋氮肥會(huì)降低籽棉產(chǎn)量；若RRx＞0，則表明施用控釋氮肥會(huì)增加籽棉產(chǎn)量；如果RRx＝0，則說(shuō)明施用控釋氮肥對(duì)籽棉產(chǎn)量無(wú)影響。對(duì)于在對(duì)照和施用控釋氮肥處理中均添加常規(guī)肥料的研究，Xt是“控釋氮肥和常規(guī)肥料”處理下的平均值，Xc是“常規(guī)肥料”處理下的平均值。

響應(yīng)比的變異（θ）由以下公式計(jì)算：

式中，St和Sc分別為處理和對(duì)照的標(biāo)準(zhǔn)差，nt和nc分別為處理和對(duì)照的樣本量（試驗(yàn)的重復(fù)次數(shù)）。

本研究采用隨機(jī)效應(yīng)模型研究控釋氮肥對(duì)籽棉產(chǎn)量、氮肥利用率、植棉經(jīng)濟(jì)效益和纖維品質(zhì)等的影響。如果研究指標(biāo)的平均效應(yīng)值的95%置信區(qū)間（confidence interval，CI）包含“0”，則認(rèn)為控釋氮肥對(duì)該指標(biāo)無(wú)顯著影響；反之，若平均效應(yīng)值的95%置信區(qū)間不包含“0”，則說(shuō)明控釋氮肥對(duì)該研究指標(biāo)有顯著影響[9]。為了更直觀地比較效應(yīng)的大小，將響應(yīng)比轉(zhuǎn)化為更為直觀的平均相對(duì)變化率（E），轉(zhuǎn)化公式如下：E＝（eRRx－1）×100%。

為了進(jìn)一步分析籽棉產(chǎn)量的響應(yīng)比（RRx）與土壤基本理化性質(zhì)的關(guān)系，繪制了變量（土壤有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、有效氮含量、有效磷含量、速效鉀含量和pH）與籽棉產(chǎn)量響應(yīng)比的散點(diǎn)圖，對(duì)散點(diǎn)圖進(jìn)行線性擬合，以更直觀地展示整體變化趨勢(shì)，并計(jì)算了皮爾遜相關(guān)系數(shù)（r）及其在0.05 水平下相關(guān)系數(shù)的顯著性。由于其數(shù)據(jù)量較小，植棉凈收益、氮肥利用率和棉花纖維品質(zhì)不進(jìn)行分組分析。利用Origin Pro 2018 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 籽棉產(chǎn)量、植棉凈收益、氮肥利用率和纖維品質(zhì)對(duì)控釋氮肥的總體響應(yīng)

元分析結(jié)果（圖1）表明，在不同的氣候條件、土壤理化性質(zhì)、栽培管理措施和棉花品種情況下，與常規(guī)施肥處理相比，施用控釋氮肥下，籽棉產(chǎn)量、植棉凈收益和氮肥利用率的平均相對(duì)變化率分別為10.1%、23.5%和17.5%；而纖維上半部平均長(zhǎng)度、長(zhǎng)度整齊度指數(shù)、馬克隆值、斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的平均相對(duì)變化率較小，分別為1.7%、0.6%、4.6%、3.3%和1.9%。可以看出，植棉凈收益的置信區(qū)間較大，研究樣本容量較小。

圖1 施用控釋氮肥對(duì)籽棉產(chǎn)量、植棉凈收益、氮肥利用率和纖維品質(zhì)的影響

2.2 不同土壤理化性質(zhì)下控釋氮肥對(duì)籽棉產(chǎn)量的影響

從不同土壤理化性質(zhì)下籽棉產(chǎn)量的平均相對(duì)變化率來(lái)看，施用控釋氮肥均對(duì)籽棉產(chǎn)量有顯著的正效應(yīng)（圖2）。

圖2 不同土壤基本理化性質(zhì)下籽棉產(chǎn)量的平均相對(duì)變化率

在分析各組內(nèi)的籽棉產(chǎn)量平均相對(duì)變化率時(shí)，由于受到不同組的樣本容量大小的限制，需要結(jié)合籽棉產(chǎn)量響應(yīng)比（RRx）與不同土壤理化性質(zhì)指標(biāo)線性擬合的結(jié)果（圖3）來(lái)分析其增產(chǎn)效果。結(jié)果表明：在較低的土壤有機(jī)質(zhì)含量、較高的土壤全氮含量、土壤有效氮含量為25～50 mg·kg－1、土壤有效磷含量為20～30 mg·kg－1、土壤速效鉀含量為150～200 mg·kg－1、土壤pH 為弱堿性時(shí)，控釋氮肥對(duì)籽棉產(chǎn)量的增產(chǎn)效果較好。圖3 的線性擬合結(jié)果表明：土壤有機(jī)質(zhì)含量、有效磷含量及速效鉀含量與籽棉產(chǎn)量響應(yīng)比擬合直線的相關(guān)系數(shù)不顯著；而土壤全氮含量、有效氮含量和pH 與籽棉產(chǎn)量響應(yīng)比擬合直線的相關(guān)系數(shù)顯著，其中土壤全氮含量、土壤pH 與籽棉產(chǎn)量響應(yīng)比呈顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤有效氮含量與籽棉產(chǎn)量響應(yīng)比呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖3 籽棉產(chǎn)量響應(yīng)比與土壤基本理化性質(zhì)之間的關(guān)系

3 討論與結(jié)論

3.1 控釋氮肥對(duì)籽棉產(chǎn)量、植棉凈收益、氮肥利用率和纖維品質(zhì)的影響

本研究元分析結(jié)果顯示在施用控釋氮肥條件下，籽棉產(chǎn)量和氮肥利用率的平均相對(duì)變化率分別為10.1%和17.5%，與Tian 等[9]研究報(bào)道的增幅相差不大，進(jìn)一步說(shuō)明控釋氮肥對(duì)棉花產(chǎn)量和氮肥利用率有促進(jìn)效應(yīng)。我國(guó)常規(guī)氮肥當(dāng)季利用率只有30%～50%，投入的氮肥中約有45%被浪費(fèi)，且給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)很大風(fēng)險(xiǎn)[45]?？蒯尩释ㄟ^(guò)調(diào)整主要原料用量及緩釋劑用量來(lái)調(diào)控肥料養(yǎng)分的釋放性能，可以做到肥料的釋放量與作物的需求基本同步[46]，在同等施肥量下可增產(chǎn)10%以上，在獲得相同產(chǎn)量水平下可節(jié)肥20%～30%[47]。研究表明施用棉花專用控釋氮肥可以做到有效并持續(xù)地供應(yīng)棉花生長(zhǎng)發(fā)育所需的養(yǎng)分，使氮肥利用率提高12.59%[48]，略低于本研究的結(jié)果（17.5%），可能與目前控釋氮肥的質(zhì)量良莠不齊有關(guān)，這也印證了控釋氮肥可在一定程度上提高肥料利用率。施用控釋氮肥利于協(xié)調(diào)棉花的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)[38]，使棉株前期長(zhǎng)勢(shì)穩(wěn)健，提高群體光合效率[25]，有利于氮肥的吸收和棉株干物質(zhì)的積累，降低蕾鈴脫落率，增加鈴重和衣分[49]；可提高伏桃和早秋桃的比例[50]，延長(zhǎng)開(kāi)花成鈴有效期，提高籽棉產(chǎn)量[26]，實(shí)現(xiàn)節(jié)肥增效增收[19]。

棉花纖維品質(zhì)受品種遺傳因素、氣候條件、土壤性質(zhì)和栽培管理等因素的綜合影響。李學(xué)剛等[51]研究表明棉花控釋專用肥能顯著增加伏桃和早秋桃的纖維上半部平均長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度、馬克隆值和成熟度，這和本研究元分析的結(jié)果一致；但由于棉花纖維品質(zhì)主要由遺傳因素決定[52]，所以本研究結(jié)果顯示纖維品質(zhì)的平均相對(duì)變化率較?。▓D1）?？蒯尩士稍诿藁ㄉL(zhǎng)發(fā)育中后期有效供應(yīng)養(yǎng)分，延緩棉株衰老速度，增加纖維次生壁厚度，顯著增加棉纖維長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度和成熟度，改善馬克隆值，更好地發(fā)揮單株生產(chǎn)潛力，最終達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的效果[53-54]。研究表明由于對(duì)棉花產(chǎn)量的提高、纖維品質(zhì)的改善和減肥增效效果，施用控釋肥較施用常規(guī)肥料的植棉凈收入增加10%～40%[55]，這也印證了本研究元分析結(jié)果的可靠性。

3.2 不同土壤理化性質(zhì)下控釋氮肥對(duì)籽棉產(chǎn)量的影響

對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量較低（＜20.0 g·kg－1）的土壤，施用控釋氮肥對(duì)籽棉產(chǎn)量的影響大于土壤有機(jī)質(zhì)水平較高的土壤（圖2）；而且隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加，控釋氮肥對(duì)籽棉產(chǎn)量的影響呈減小趨勢(shì)（圖3），這與Tian 等[9]的研究結(jié)果一致。土壤有機(jī)質(zhì)是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，經(jīng)微生物分解后釋放養(yǎng)分供作物利用，在保持土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和蓄水保墑能力以及減少養(yǎng)分淋溶方面發(fā)揮重要作用[56]。因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)含量較低的土壤通常具有有限的水分和養(yǎng)分保持能力，而控釋氮肥釋放氮素的速率較慢，可減少氮的流失。本研究發(fā)現(xiàn)土壤全氮含量與籽棉產(chǎn)量響應(yīng)比呈顯著正相關(guān)關(guān)系（圖3）。一般土壤全氮含量較高的土壤，有機(jī)質(zhì)含量也高，土壤較肥沃，所以在基礎(chǔ)肥力好的高產(chǎn)棉田施用控釋氮肥后會(huì)產(chǎn)生正向疊加效果，更好地滿足棉花生長(zhǎng)發(fā)育中后期的養(yǎng)分需求[32]。若土壤有效氮含量高，自身就可以滿足棉花生長(zhǎng)發(fā)育中后期的養(yǎng)分需求，所以籽棉產(chǎn)量響應(yīng)比隨土壤有效氮含量的增加而降低（圖3）。一般土壤有效磷含量＞20 mg·kg－1時(shí)，棉花不會(huì)表現(xiàn)出缺磷癥狀[57]。但本研究發(fā)現(xiàn)土壤有效磷含量為20～30 mg·kg－1時(shí)，施用控釋氮肥的增產(chǎn)效果更好（圖2），但籽棉產(chǎn)量響應(yīng)比與土壤有效磷含量的線性擬合關(guān)系不顯著（圖3）。土壤速效鉀含量為150～200 mg·kg－1時(shí)，施用控釋氮肥的增產(chǎn)效果更好（圖2），但土壤有效磷含量與籽棉產(chǎn)量響應(yīng)比的線性擬合關(guān)系也不顯著（圖3）。研究表明土壤pH 是影響NH3排放的主要因素。當(dāng)土壤偏堿性時(shí)，普通肥料中的NH3會(huì)大量流失；而控釋氮肥的疏水涂層材料可有效地防止尿素與土壤水分的直接接觸[9]。因此，施用控釋氮肥能夠延緩NH3的揮發(fā)，提高氮肥利用率，增加籽棉產(chǎn)量。在偏堿性土壤中，控釋氮肥提高籽棉產(chǎn)量的潛力更大，這可能與控釋氮肥的養(yǎng)分緩釋特性有關(guān)。