基于Meta法定量分析虧缺灌溉作物產(chǎn)量及水分利用效率

摘 要：【目的】綜合分析虧缺灌溉對我國北方地區(qū)主要作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響。

【方法】應(yīng)用Meta分析法，定量分析虧缺灌溉后作物產(chǎn)量和水分利用效率的變化，通過亞組分析不同區(qū)域、作物、降水量及灌溉方式下的變化。

【結(jié)果】虧缺灌溉顯著降低了我國北方地區(qū)作物產(chǎn)量，平均減產(chǎn)率6.66%，東北地區(qū)平均減產(chǎn)率最為顯著，達(dá)9.43%；顯著提高了作物水分利用效率，平均提升率10.59%，西北地區(qū)水分利用效率提升最為顯著，達(dá)到12.70%，而東北地區(qū)水分利用效率無顯著提升；小麥、玉米和棉花均顯著減產(chǎn)，棉花減產(chǎn)率最高為10.67%；水分利用效率均顯著提升，棉花水分利用效率提升率最高，達(dá)到了15.63%；在不同降水量區(qū)間存在顯著減產(chǎn)效應(yīng)，200～400 mm區(qū)間內(nèi)減產(chǎn)10.74%，而在此區(qū)間內(nèi)水分利用效率并無顯著提升；傳統(tǒng)地面灌、滴灌和膜下滴灌下產(chǎn)量均顯著降低，滴灌減產(chǎn)率最高為8.93%，水分利用效率均顯著提升，滴灌下WUE提升率最高為15.95%。

【結(jié)論】虧缺灌溉可顯著提升作物水分利用效率，顯著降低作物產(chǎn)量，但在不同種植區(qū)域、作物種類、氣候條件和灌溉方式下作用效果各不相同。

關(guān)鍵詞：Meta分析；虧缺灌溉；產(chǎn)量；水分利用效率

中圖分類號：S157"" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"" 文章編號：1001-4330（2024）06-1487-10

0 引 言

【研究意義】2020年我國農(nóng)田有效灌溉面積超過7 500×104 hm2。北方地區(qū)耕地面積約占全國的72%，水資源僅占全國的23%左右［1-2］。作物水分利用效率（Water Use Efficiency， WUE）表示在田間作物蒸散消耗單位質(zhì)量水所制造的干物質(zhì)含量，可反應(yīng)植物-土壤-大氣之間的碳水循環(huán)的耦合狀況［3］。提高WUE成為緩解水資源緊缺的途徑之一［4-5］。虧缺灌溉作為一種低于作物正常騰發(fā)量的灌溉方式，可以在減少用水量的情況下不顯著降低產(chǎn)量且可以顯著提高作物的WUE［6］?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】蔣靜等［7］通過研究西北地區(qū)春小麥不同灌溉定額表明，適度的虧缺灌溉可以在不顯著降低產(chǎn)量的情況下減少用水量，有利于提升春小麥的WUE。張潔梅等［8］研究表明，小麥產(chǎn)量會隨著灌水量增加而增加，而WUE會隨灌水量的減少而增加。羅迪漢等［9］通過設(shè)置滴灌玉米的不同灌水定額研究表明，玉米產(chǎn)量、WUE與耗水量均呈開口向下的二次拋物線關(guān)系。張冬梅等［10］研究表明，虧缺灌溉相對于常規(guī)灌溉提高了棉花的收獲指數(shù)，并且提高了棉花的WUE。申孝軍等［11］研究表明，虧缺灌溉雖然降低了棉花的總生物量，但作物的虧水補償作用明顯提高了棉花的水分利用效率WUE。

【本研究切入點】目前，虧缺灌溉對北方地區(qū)作物的綜合效應(yīng)尚不清晰，如其對作物產(chǎn)量和WUE的作用是否會受到種植區(qū)域、氣候條件、作物種類等因素的影響。此外，單個試驗無法綜合分析虧缺灌溉對作物產(chǎn)量和WUE的綜合效應(yīng)。而Meta分析是一種可以對一種主題下的多個獨立研究進(jìn)行綜合統(tǒng)計的分析方法［12-13］，可以綜合利用公開發(fā)表的研究數(shù)據(jù)，經(jīng)過規(guī)范化的統(tǒng)計分析方法計算數(shù)據(jù)效應(yīng)值，并分析不同試驗研究的差異性［14-16］。需利用Meta法定量分析虧缺灌溉對北方地區(qū)作物產(chǎn)量及WUE的作用，并進(jìn)行亞組研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】收集虧缺灌溉在我國北方地區(qū)小麥、玉米與棉花3種作物的相關(guān)數(shù)據(jù)，定量分析在不同區(qū)域、作物種類、降水情況、灌溉方式下虧缺灌溉對產(chǎn)量和WUE的影響，研究虧缺灌溉對北方地區(qū)作物的綜合效應(yīng)，為虧缺灌溉的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

采集檢索中國知網(wǎng)、Web of Science等數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，收集截至2022年12月31日有關(guān)虧缺灌溉對我國北方地區(qū)小麥、玉米和棉花的產(chǎn)量和水分利用效率WUE影響的試驗文獻(xiàn)。文獻(xiàn)檢索詞包括虧缺灌溉（deficit irrigation）、小麥（wheat）、玉米（maize or corn）、棉花（cotton）、產(chǎn)量（yield）、水分利用效率（water use efficiency）、中國（China）等及其組合。剔除不符合要求的文獻(xiàn)。文獻(xiàn)保留標(biāo)準(zhǔn)：（1）試驗地點為我國北方地區(qū)，即秦嶺-淮河一線以北地區(qū)；（2）試驗為大田試驗，試驗作物為小麥、玉米或棉花；（3）試驗必須包含相同條件下的對照處理和相應(yīng)的虧缺灌溉處理；（4）必須包含處理和對照的產(chǎn)量及WUE，試驗處理有明確的重復(fù)次數(shù)。對文獻(xiàn)中用圖表形式報道的數(shù)據(jù)通過Graph Digitizer軟件進(jìn)行數(shù)字化處理［17］。（5）對不同文獻(xiàn)報道的同一試驗數(shù)據(jù)，選擇數(shù)據(jù)報道最全的一篇進(jìn)行統(tǒng)計。經(jīng)過文獻(xiàn)的檢索與剔除，共獲得38篇符合要求的文獻(xiàn)。其中小麥11篇，玉米14篇，棉花13篇。對符合要求的文獻(xiàn)提取試驗點位置、土壤類型、作物種類、試驗時間、氣象數(shù)據(jù)、灌溉方式、種植方式、產(chǎn)量及水分利用效率的平均值等數(shù)據(jù)信息，通過篩選獲得產(chǎn)量319組數(shù)據(jù)，其中小麥105組，玉米117組，棉花97組；位于華北地區(qū)95組、東北地區(qū)44組、西北地區(qū)180組。獲得WUE 319組數(shù)據(jù)，其中小麥105組，玉米117組，棉花97組；位于華北地區(qū)95組、東北地區(qū)44組、西北地區(qū)180組。表1

1.2 方 法

1.2.1 效應(yīng)值計算

在Meta分析中，當(dāng)試驗數(shù)據(jù)不為0且兩組數(shù)據(jù)符號相同時，可以用兩組數(shù)據(jù)的均值比作為反應(yīng)比R［18］，用反應(yīng)比R來計算效應(yīng)值E：

E=lnR=ln（Xe/Xc）=ln（Xe）-ln（Xc）.（1）

式中，Xe和Xc分別為獨立研究中試驗組和對照組的平均值。將效應(yīng)值E轉(zhuǎn)換為產(chǎn)量和WUE的相對變化率Z［15，19］：

Z=（R-1）×100%.（2）

式中，當(dāng)Z值的95%置信區(qū)間包含0，則表明虧缺灌溉的實驗組與對照組相比無顯著影響；全部大于0則表明虧缺灌溉的試驗組與對照組相比具有顯著正效應(yīng)；全部小于0則表明虧缺灌溉的實驗組與對照組相比具有顯著負(fù)效應(yīng)［20］。在效應(yīng)值權(quán)重的計算上，當(dāng)獨立研究中報道了產(chǎn)量和WUE的標(biāo)準(zhǔn)差時直接使用，當(dāng)研究中未報道標(biāo)準(zhǔn)差時參考相關(guān)文獻(xiàn)的方法，以產(chǎn)量或WUE平均值的1/10作為對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差［21-22］。進(jìn)行Meta分析時，需利用卡方分布檢驗對數(shù)據(jù)進(jìn)行異質(zhì)性檢驗，若P＞0.05，則數(shù)據(jù)不存在異質(zhì)性，采用固定效應(yīng)模型進(jìn)行分析；若P＜0.05，則數(shù)據(jù)存在異質(zhì)性，采用隨機(jī)效應(yīng)模型并進(jìn)行分組分析［23］。

1.2.2 發(fā)表偏愛性檢驗

對Meta分析結(jié)果進(jìn)行發(fā)表偏愛性檢驗［24-25］。采用失安全數(shù)進(jìn)行檢驗，即增加N項非顯著或無效（E=0）的研究樣本，使合并效應(yīng)值從顯著（P＜0.05）變?yōu)椴伙@著（P=0.05）。計算方法采用羅森塔爾法（Rosenthal’s method）［26］，當(dāng)失安全數(shù)值足夠大：＞5n+10時（n為研究樣本數(shù)），認(rèn)為結(jié)果是可靠的［27］。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Metawin2.1軟件分析數(shù)據(jù)，Excel2019進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，Origin2019進(jìn)行圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 虧缺灌溉對作物產(chǎn)量及WUE的綜合效應(yīng)

研究表明，產(chǎn)量和WUE的P值均＜0.000 1，均采用隨機(jī)效應(yīng)模型并進(jìn)行分組分析。

總效應(yīng)值分別為-0.069和0.100 7，轉(zhuǎn)化為Z值后研究區(qū)域內(nèi)作物產(chǎn)量平均降低6.66%，Z值的95%置信區(qū)間為（-9.06%～-4.20%）；WUE平均增加10.59%。Z值的95%置信區(qū)間為（7.71%～13.55%）。即在虧缺灌溉下小麥、玉米和棉花的產(chǎn)量總體呈顯著的負(fù)效應(yīng)，WUE總體呈顯著的正效應(yīng)。圖1

2.2 虧缺灌溉對不同作物產(chǎn)量及WUE的影響

研究表明，作物產(chǎn)量及WUE的大小均為玉米＞小麥＞棉花。虧缺灌溉對北方地區(qū)小麥、玉米和棉花的產(chǎn)量均產(chǎn)生了顯著的負(fù)效應(yīng)，產(chǎn)量的平均降低率分別為3.14%、5.82%和10.67%；Z值的95%置信區(qū)間分別為（-5.91%～-0.29%）、（-8.19%～-3.39%）和（-13.14%～-8.12%），虧缺灌溉對棉花的減產(chǎn)效應(yīng)最高，小麥最低。而虧缺灌溉對小麥、玉米和棉花的WUE均產(chǎn)生了顯著的正效應(yīng)。WUE的平均提升率分別為10.44%、6.91%和15.63%；Z值的95%置信區(qū)間分別為（5.55%～15.55%）、（2.36%～11.66%）和（10.10%～21.45%），虧缺灌溉對棉花的WUE提升率最高，玉米最低。作物自身對水分的敏感程度對其產(chǎn)量和WUE也會產(chǎn)生一定的影響。圖2

2.3 虧缺灌溉對不同區(qū)域作物產(chǎn)量及WUE的影響

研究表明，華北地區(qū)小麥產(chǎn)量和小麥、玉米的WUE最高，西北棉花產(chǎn)量和棉花的WUE最高，東北地區(qū)代表作物僅有玉米，其產(chǎn)量與WUE均處于中間水平。虧缺灌溉對產(chǎn)量均產(chǎn)生了明顯的負(fù)效應(yīng)。華北地區(qū)、西北地區(qū)和東北地區(qū)的產(chǎn)量平均降低率分別為4.92%、6.84%和9.43%；Z值的95%置信區(qū)間分別為（-9.44%～-0.17%）、（-10.02%～-3.56%）和（-15.64%～-2.77%）。其中東北地區(qū)的降低率最高，華北地區(qū)最低，可見虧缺灌溉對北方各地區(qū)的減產(chǎn)效應(yīng)不同。虧缺灌溉對WUE的影響存在差異，其中西北地區(qū)的平均提升率最高，達(dá)到了12.70%，Z值的95%置信區(qū)間為（8.80%～16.75%）；華北地區(qū)僅次于西北地區(qū)，平均提升率為12.37%，Z值的95%置信區(qū)間為（7.32%～17.64%）；在東北地區(qū)，虧缺灌溉對WUE的提升無顯著影響，Z值的95%置信區(qū)間包含0（-6.59%～7.04%），即在東北地區(qū)虧缺灌溉并不能顯著的提高作物WUE。圖3

2.4 不同降水量下虧缺灌溉對作物產(chǎn)量及WUE的影響

研究表明，小麥和玉米的產(chǎn)量在200～400 mm最高，小麥在＞400 mm達(dá)到WUE最高值，棉花的產(chǎn)量和WUE及玉米的WUE在＜200 mm里最高。小麥和玉米適合在降水量較為豐富的地區(qū)種植，而棉花作為耐旱的經(jīng)濟(jì)作物，更適合在干旱少雨且光照充足的西北內(nèi)陸地區(qū)種植。在不同降水量下虧缺灌溉對作物產(chǎn)量均產(chǎn)生了顯著負(fù)效應(yīng)，其中在200～400 mm降水量區(qū)間里減產(chǎn)效應(yīng)最為顯著。產(chǎn)量的平均降低率分別為6.44%、10.74%和3.99%；Z值的95%置信區(qū)間分別為（-8.79%～-4.03%）、（-13.56%～-7.82%）和（-6.44%～-1.47%）。在不同降水量區(qū)間中，虧缺灌溉對WUE的影響存在差異，在＜200 mm和＞400 mm的降水量區(qū)間里虧缺灌溉均對WUE產(chǎn)生了顯著的正效應(yīng)，平均提升率分別為20.39%和7.33%；Z值的95%置信區(qū)間分別為（15.52%～25.47%）和（3.16%～11.67%）；而在200～400 mm降水量區(qū)間內(nèi)虧缺灌溉并無顯著提升WUE，Z值的95%置信區(qū)間包含0（-1.46%～8.35%）。圖4

2.5 不同灌溉方式下虧缺灌溉對作物產(chǎn)量及WUE的影響

研究表明，作物的產(chǎn)量與WUE均為膜下滴灌＞滴灌＞傳統(tǒng)地面灌，節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展實現(xiàn)了節(jié)水的同時達(dá)到高產(chǎn)的目標(biāo)。在不同灌溉方式下虧缺灌溉對作物產(chǎn)量均產(chǎn)生了顯著負(fù)效應(yīng)。產(chǎn)量的平均降低率分別為8.93%、4.98%和5.50%；Z值的95%置信區(qū)間分別為（-11.35%～-6.44%）、（-7.28%～-2.62%）和（-8.81%～-2.09%）。虧缺灌溉在不同的灌溉方式下對WUE均產(chǎn)生了顯著的正效應(yīng)，WUE的平均提升率分別為15.95%、8.02%和8.85%；Z值的95%置信區(qū)間分別為（10.47%～21.69%）、（3.63%～12.59%）和（2.79%～15.27%）。圖5

2.6 偏愛性檢驗

研究表明，虧缺灌溉下東北地區(qū)作物的WUE和200～400 mm降水量條件下的WUE本身不具有顯著作用，因此不參與失安全數(shù)的計算。產(chǎn)量和WUE的合并效應(yīng)值遠(yuǎn)大于5n+10，結(jié)果可靠；產(chǎn)量的所有分組失安全數(shù)均大于5n+10，結(jié)果可靠；WUE所有分組失安全數(shù)均大于5n+10，結(jié)果可靠。表2

3 討 論

3.1

根據(jù)年降水量劃分，200 mm以下為干旱區(qū)，200～400 mm為半干旱區(qū)［28］。我國北方大部分地區(qū)處于干旱半干旱區(qū)中。因此根據(jù)降水量的不同劃分為＜200mm、200～400 mm和＞400 mm三個降水量級別進(jìn)行分組分析。根據(jù)研究收集的數(shù)據(jù)計算不同降水量下的不同作物的平均產(chǎn)量以及WUE。進(jìn)行分組分析時，每一分組組內(nèi)研究數(shù)不低于10條或者低于10條但數(shù)據(jù)來源于3篇不同的文獻(xiàn)［29］。由于研究中以噴灌為灌溉方式的數(shù)據(jù)僅有8條且僅來源于兩篇文獻(xiàn)，微噴灌數(shù)據(jù)僅有6條且來源于一篇文獻(xiàn)，因此剔除噴灌和微噴灌，保留滴灌、傳統(tǒng)地面灌和膜下滴灌進(jìn)行分組分析。

虧缺灌溉對作物的影響主要是通過水分脅迫使植物合成脫落酸（ABA）來抑制氣孔開放、降低蒸散發(fā)來增強(qiáng)抵抗水分脅迫的能力［30-31］。產(chǎn)生水分虧缺補償效應(yīng)，當(dāng)復(fù)水后作物的生長速率明顯加快，提高作物的光合速率［32］，達(dá)到在產(chǎn)量不顯著下降的情況下提高WUE的效果［33］。638組數(shù)據(jù)分析表明，虧缺灌溉對作物產(chǎn)量產(chǎn)生了明顯的負(fù)效應(yīng)；對作物WUE產(chǎn)生明顯正效應(yīng)，而且在不同條件下，產(chǎn)量和WUE的變化率存在一定差異。

3.2

在華北和西北地區(qū)虧缺灌溉均使作物產(chǎn)量明顯降低，作物WUE明顯提升，可能是因為雖然虧缺灌溉的方式可以刺激作物根部產(chǎn)生水分虧缺補償作用，但因為夏季氣溫過高，導(dǎo)致作物的蒸散發(fā)量過大，會對作物的生長產(chǎn)生不利的影響，最終會造成作物的減產(chǎn)［34］。丁蓓蓓等［35］運用Meta分析研究發(fā)現(xiàn)，華北地區(qū)冬小麥在限水灌溉情況下表現(xiàn)出顯著的減產(chǎn)作用并提升了WUE；黃悅等［36］運用Meta分析研究表明，滴灌玉米在不充分灌溉的情況下產(chǎn)量明顯降低，WUE有明顯提升，均與研究結(jié)果相符。而東北地區(qū)作物WUE并無顯著提升，可能是因為東北地區(qū)處于溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，地溫增長緩慢、土壤水分大，虧缺灌溉難以產(chǎn)生根區(qū)的水分虧缺補償作用，并不能顯著增強(qiáng)水資源的利用效率［37］。

3.3

鄭健等［38］研究發(fā)現(xiàn)，虧缺灌溉可以顯著提高小麥、玉米和棉花的WUE，此結(jié)論與試驗研究結(jié)果相符，但其研究結(jié)果顯示W(wǎng)UE提升率小麥＞玉米＞棉花，與研究結(jié)果WUE提升率棉花＞小麥＞玉米所不符，是因為其試驗數(shù)據(jù)收集范圍為全國范圍，整體數(shù)據(jù)可能存在較大差異，且地域、氣候等條件與研究有較大差異，使結(jié)論有所偏差。研究結(jié)果表明，滴灌和膜下滴灌相較于傳統(tǒng)地面灌在擁有較高產(chǎn)量的同時擁有較高的WUE，并且滴灌在虧缺灌溉下的WUE提升率最高，與申孝軍［11］和劉一龍［39］的試驗結(jié)論類似。

4 結(jié) 論

4.1

在我國北方地區(qū)虧缺灌溉顯著降低了作物的產(chǎn)量，平均減產(chǎn)率達(dá)6.66%，華北、西北和東北均有顯著的負(fù)效應(yīng)；顯著提升了作物WUE，平均提升率達(dá)10.59%，華北和西北地區(qū)有顯著的正效應(yīng)，東北地區(qū)WUE提升率不顯著。

4.2

虧缺灌溉對不同作物產(chǎn)量均產(chǎn)生了負(fù)效應(yīng)，減產(chǎn)率棉花＞玉米＞小麥；WUE（正效應(yīng)）提升率棉花＞小麥＞玉米。虧缺灌溉對棉花的產(chǎn)量和WUE影響最大。

4.3

虧缺灌溉在不同降水量和不同灌溉方式下對作物產(chǎn)量均產(chǎn)生了顯著的負(fù)效應(yīng)，減產(chǎn)率200～400 mm＞（＜200 mm）＞（＞400 mm），滴灌＞膜下滴灌＞傳統(tǒng)地面灌；對作物WUE效果有所不同，降水量方面在＜200 mm和＞400 mm條件下均有顯著的正效應(yīng)，在200～400 mm條件下提升率不顯著，灌溉方式方面均有顯著提升，且滴灌＞膜下滴灌＞傳統(tǒng)地面灌溉。

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Analysis of yield and water use efficiency of under-irrigated crops" based on meta-analysis

Abstract：【Objective】 In order to comprehensively analyze the effects of deficit irrigation on the yield and water use efficiency of major crops in northern China.

【Methods】" In this study， meta-analysis was used to quantitatively analyze the changes of crop yield and water use efficiency after deficit irrigation， and subgroup analysis was performed to analyze the changes of different regions， crops， precipitation and irrigation methods.

【Results】 Insufficient irrigation significantly reduced crop yield in northern China， with an average yield reduction rate of 6.66%， and the average yield reduction rate in northeast China was the most significant， reaching 9.43%. The water use efficiency of crops was significantly improved， with an average improvement rate of 10.59%. The water use efficiency in northwest China was the most significant， reaching 12.70%， while the water use efficiency in northeast China did not improve significantly. The yield of different crops， wheat， corn and cotton， the highest yield reduction rate of cotton was 10.67%， and the water use efficiency was significantly improved， and the highest increase rate of cotton reached 15.63%. There was a significant yield reduction effect in different precipitation ranges， and the yield decreased by 10.74% in the 200-400 mm range， but the water use efficiency in this interval did not improve significantly. The yield under traditional ground irrigation， drip irrigation and submembrane drip irrigation were significantly reduced， the yield reduction rate of drip irrigation was up to 8.93%， the water use efficiency was significantly improved， and the WUE improvement rate under drip irrigation was up to 15.95%.

【Conclusion】 The results show that deficit irrigation can significantly improve crop water use efficiency and significantly reduce crop yield， but the effect is different under different planting areas， crop species， climatic conditions and irrigation methods.

Key words：meta-analysis; deficit irrigation; yield; water use efficiency