马登科^1,2, 殷俐娜^1,3, 刘溢健³, 杨文稼³, 邓西平^1,3, 王仕稳^,1,31 中国科学院水利部水土保持研究所/黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西杨凌 712100
2 中国科学院大学,北京 100049
3 西北农林科技大学水土保持研究所,陕西杨凌 712100

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 DengKe^1,2, YIN LiNa^1,3, LIU YiJian³, YANG WenJia³, DENG XiPing^1,3, WANG ShiWen^,1,31 Institute 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
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049
3 Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi

通讯作者: 王仕稳,E-mail：shiwenwang@nwsuaf.edu.cn

责任编辑: 杨鑫浩
收稿日期:2019-05-15接受日期:2019-07-3网络出版日期:2020-02-01

基金资助:

“十二五”农村领域国家科技计划.2015BAD22B01 国家重点基础研究计划.2015CB150402

Received:2019-05-15Accepted:2019-07-3Online:2020-02-01
作者简介 About authors
马登科,E-mail：dengkema19@163.com。








摘要
【目的】明确氮肥在黄土高原地区不同种植条件下对冬小麦生产的影响及各条件下合理的施氮量。【方法】通过文献检索共获得82篇大田试验文献,包含355个独立研究的1 169组观测数据,采用整合分析比较氮肥在黄土高原不同区域、不同年均温、不同年降水量及不同耕层有机质含量下对冬小麦产量和水分利用效率的影响,并采用回归分析探究各分组产量和水分利用效率与施氮量间的关系。【结果】施氮整体上显著提高了黄土高原冬小麦产量和水分利用效率,相对增长率分别为66.09%和72.38%（P＜0.05）。施氮后西北部产量相对增长率（69.27%）高于东南部,水分利用效率增长率（65.53%）低于东南部;西北部在施氮量212 kg·hm ^-2时产量达到最高,东南部需多施15 kg·hm ^-2才能获得最高产量;西北部施氮232 kg·hm ^-2时水分利用效率最高,而东南部水分利用效率在施氮224 kg·hm ^-2时基本趋于稳定。施氮后年均温≤10℃地区产量和水分利用效率的相对增长率（79.12%,75.00%）均高于＞10℃地区;年均温＞10℃地区施氮189 kg·hm ^-2和187 kg·hm ^-2时产量和水分利用效率分别达到最高,而年均温≤10℃地区施氮225 kg·hm ^-2时产量才趋于最大,水分利用效率在施氮239 kg·hm ^-2时达到最高。施氮后在年均降水≤600 mm地区产量相对增长率（70.48%）更显著,而水分利用效率则在年均降水＞600 mm时更显著;年均降水≤600 mm地区在施氮量235 kg·hm ^-2和244 kg·hm ^-2时,产量和水分利用效率分别达到最高,年均降水＞600 mm地区实现高产的施氮量为250 kg·hm ^-2。施氮后耕层有机质含量≤12 g·kg ^-1条件下,产量和水分利用效率的相对增长率（78.24%, 86.55%）均高于＞12 g·kg ^-1条件,前者在施氮量226 kg·hm ^-2和212 kg·hm ^-2时产量和水分利用效率分别达到最高,而后者获得最高产量和最高水分利用效率的施氮量分别为163 kg·hm ^-2和175 kg·hm ^-2。【结论】在黄土高原,冬小麦在东南部和西北部获得高产的合理施氮量分别为227 kg·hm ^-2和212 kg·hm ^-2;年均温＞10℃地区合理施氮量为187 kg·hm ^-2,年均温≤10℃地区为239 kg·hm ^-2;年均降水＞600 mm地区合理施氮量为250 kg·hm ^-2,年均降水量≤600 mm地区为235 kg·hm ^-2;耕层有机质含量≤12 g·kg ^-1条件下的合理施氮量为226 kg·hm ^-2,高于12 g·kg ^-1时则为163 kg·hm ^-2。
关键词： 氮肥;冬小麦;产量;水分利用效率;整合分析

Abstract
【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 (P＜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 ^-2 in northwest, while at 224 kg·hm ^-2 in 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 ^-2 and 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 ^-2 and 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 ^-2 and 244 kg N·hm ^-2 application rates in areas with annual precipitation ＜600 mm, while 235 kg·hm ^-2 and 250 kg·hm ^-2 in 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 ^-2 and 175 kg·hm ^-2. The optimum N application rate was 226 kg·hm ^-2 when 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 ^-2 and 212 kg·hm ^-2, respectively. The optimum N application rate was 188 kg·hm ^-2 in the area with average annual temperature ＞10℃, and 225 kg·hm ^-2 when 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 ^-2 when annual average precipitation ≤600 mm. The optimum N application rate was 226 kg·hm ^-2 under the topsoil organic matter content ≤12 g·kg ^-1, and 163 kg·hm ^-2 when the topsoil organic matter content ＞12 g·kg ^-1.
Keywords：nitrogen fertilizer;winter wheat;yield;water use efficiency;meta-analysis


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本文引用格式
马登科, 殷俐娜, 刘溢健, 杨文稼, 邓西平, 王仕稳. 施氮量对黄土高原旱地冬小麦产量和水分利用 效率影响的整合分析[J]. 中国农业科学, 2020, 53(3): 486-499 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.03.003
MA DengKe, YIN LiNa, LIU YiJian, YANG WenJia, DENG XiPing, WANG ShiWen. A Meta-Analysis of the Effects of Nitrogen Application Rates on Yield and Water Use Efficiency of Winter Wheat in Dryland of Loess Plateau[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2020, 53(3): 486-499 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.03.003

0 引言

【研究意义】氮素是作物生产中最主要的限制因子之一,施用氮肥是提高作物产量和水分利用效率的重要措施^[1]。氮肥的肥效受气候环境、土壤特性、作物种类及施氮方式等多个因素的影响^[2,3]。科学合理的施氮除了有效促进作物的生长,提高作物产量和水分利用效率外,还可以减少氮肥的损耗及减轻对生态环境的负面影响,从而实现农业的可持续生产。黄土高原是我国重要的旱作农业区,小麦是该地区播种面积最大的粮食作物,氮肥的大量施用一直是维持该地区小麦产量的主要措施^[4]。但由于该区土壤相对贫瘠,加之小麦生育期降水偏少等一系列因素,以及不合理的施氮量,使得土壤氮素供应能力与小麦生长需求间的矛盾在部分地区仍然较为突出^[5,6]。因此,探究黄土高原地区不同气候和土壤特性等条件下氮肥效应与冬小麦产量和水分利用效率之间的关系,对指导该地区冬小麦生产中氮肥的合理施用具有积极意义。【前人研究进展】关于氮肥用量对黄土高原地区旱地冬小麦产量和水分利用的影响,前人在不同区域做了大量研究。例如,张亮^[7]在陕西周至县的研究中发现,施氮量263 kg·hm^-2时,冬小麦产量和水分利用效率均达到最高,相对增长率分别为79.23%和86.38%。而杨君林等^[8]在甘肃镇原县的研究结果表明,冬小麦产量和水分利用效率在施氮量200 kg·hm^-2时均达到最高,相对增长率分别为138.43%和250.83%。张昊青^[9]在年降水578 mm的白水县通过3年的试验发现,单施化肥条件下施氮225 kg·hm^-2时产量最高,相对不施氮产量增加了19.03%。而ZHONG等^[10]的研究表明,在年降水量632 mm的陕西杨凌区,施氮量小于360 kg·hm^-2时,小麦产量随施氮量的增加而增加,但各施氮处理下产量差异不显著。WANG等^[11]在陕西长武县通过4年的定位试验发现,在施氮量180 kg·hm^-2时,干旱年份产量相对增长率为14.00%,而湿润年份为32.80%,干旱年份施氮对小麦水分利用效率没有显著影响,湿润年份则影响显著。栗丽等^[12]的研究表明,在生育期灌水与不灌水条件下,冬小麦产量均在施氮量210 kg·hm^-2时达到最高,在不灌水条件下,小麦水分利用效率在施氮量150 kg·hm^-2时达到最高,相对增长率达14.34%,而在灌水条件下施氮量210 kg·hm^-2时水分利用效率最高。【本研究切入点】前人研究结果表明,由于试验地点气候环境和土壤理化性质等存在差异,在不同的区域最大产量和水分利用效率所对应的氮肥用量并不相同。如何使得各点的研究数据能够在区域尺度上指导合理施肥,就有必要对已有的独立研究进行整合分析,在大样本的基础上探究黄土高原不同地区合理的施氮水平。【拟解决的关键问题】本研究通过文献检索获得了82篇文献共1 169组观测的试验数据,运用整合分析（Meta-analysis）的方法,分析不同氮肥用量在黄土高原地区不同区域、不同年均温、不同年降水量及不同耕层有机质含量下对冬小麦产量和水分利用效率的影响,并找出不同环境条件下最佳的氮肥用量,为该地区冬小麦生产中氮肥的合理施用提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究所用数据来源于Web of Science和中国知网（CNKI）,文献检索所用的关键词主要包括氮（nitrogen）、施氮（N application）、冬小麦（winter wheat）、产量（yield）、水分利用效率（water use efficiency）。所选用的文献必须满足以下标准：（1）试验地点属于黄土高原地区,试验材料为冬小麦;（2）试验为大田试验,冬小麦全生育期不进行灌溉;（3）试验必须包含相同条件下的对照和施氮处理,文献报道中至少包含产量和水分利用效率中的一项;（4）施氮处理中必须有明确的施氮量;（5）文献报道中应包括试验组和对照组的平均值。对文献中用图表形式报道的数据进行数字化,最后建立了1个共82篇文献、355个独立研究的数据集。各试验地点分布如图1所示。

图1

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图1冬小麦试验地点分布图

Fig. 1Distribution map of winter wheat experimental sites in Loess Plateau

1.2 数据分类

为探究氮肥在黄土高原不同区域及气候环境等条件下对冬小麦产量和水分利用效率的影响情况,根据所获得的数据分布,按区域、年均温、年降水量及耕层土壤有机质含量等对数据进行分类,各分组的样本量如表1所示。

Table 1
表1
表1氮肥对冬小麦产量和水分利用效率效应数据库配对试验组数/观测数分布
Table 1Paired experimental group number/observation number distribution of effects of nitrogen fertilizer on winter wheat yield and water use efficiency

	分区 DA		年均温 AVT (℃)		年均降水AP (mm)		耕层有机质 TOM (g·kg-1)
	西北NW	东南SE	≤10	＞10	≤600	＞600	≤12	＞12
产量 Y	204/368	151/385	172/284	183/469	284/570	71/183	175/293	138/345
水分利用效率 WUE	155/291	53/125	140/234	68/182	167/339	41/77	125/199	73/157

DA：分区Distribution area;AVT：年均温Annual average temperature;AP：年均降水Annual precipitation;TOM：耕层有机质Topsoil organic matter;NW：西北Northwest;SE：东南Southeast;Y：产量Yield;WUE：水分利用效率Water use efficiency

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根据黄土高原气候特征及本课题组前期研究中对黄土高原的分区方法,本研究将黄土高原分为东部、西部、南部、北部和中部,并根据所得试验地点的分布及冬小麦在黄土高原的种植区域,将东部和南部合为东南部,其余区域均为西北部^{[13,14,15,16,17]}（图1）。根据各试验地点年均温分布情况,以10℃为年均温分界点。由于本研究中各独立试验地点年降水量大部分高于500 mm,因此以600 mm为分界点对年降水进行划分。耕层土壤有机质含量是影响施氮效应的重要因素,根据数据分布情况以12 g·kg^-1为耕层有机质含量分界点。

1.3 数据分析方法

本研究采用反应比（response ratio,R）作为效应量来刻画施氮对冬小麦产量及水分利用效率的影响^[18,19],其公式如下：

（1）lnR = ln (X_e /X_c)= ln (X_e)-ln (X_c)
式中,X_e和X_c分别为独立研究中试验组和对照组的平均值。上述反应比再转化为百分比变化率^[19],其公式如下：

（2）Y= (e ^lnR-1)×100%
式中,正的Y值表示施氮产生了正效应,负的Y值则表示施氮产生了负效应。

如果Y值的95%置信区间与0重叠,则认为施氮的效应不显著,反之则效应显著^[18]。在各亚组分析中,如果不同分组内各Y值的95%置信区间没有重叠,则认为组间差异显著,反之则组间差异不显著^[20]。为进一步探究施氮量与不同分组下的冬小麦产量和水分利用效率间的关系,笔者对施氮量和产量、施氮量和水分利用效率进行了回归分析。

本研究利用MetaWin 2.1^[21]进行整合分析,用Spass16.0、Excel 2007和SigmaPlot 13.0进行回归分析及绘图。

2 结果

2.1 不同区域施氮对冬小麦产量和水分利用效率的影响

在黄土高原地区,相对于不施氮肥,施氮平均使冬小麦产量增加了66.09%（n=753）（图2-A-a）。不施氮时冬小麦平均产量为2 887 kg·hm^-2,施氮后产量达4 431 kg·hm^-2（图3-A）。在不同的分布区,氮肥对冬小麦产量的效应存在差异,在西北部施氮后冬小麦产量的相对增长率为69.27%（n=368）,东南部为63.05%（n=385）（图2-A-b）,但东南部冬小麦产量在相同的施肥条件下均高于西北部（P＜0.05）（图3-A）。在西北部,当施氮量为212 kg·hm^-2时,冬小麦产量达4 175 kg·hm^-2,随后产量趋于稳定（图4-A）。在东南部,产量随施氮量的增加先升后降,在施氮量227 kg·hm^-2时达到最高（5 949 kg·hm^-2）（图4-C）。

图2

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图2氮肥在不同区域（b）、不同年均温（c）、不同降水量（d）及不同耕层有机质含量（e）下对冬小麦产量（A）和水分利用效率（B）的影响

n 值代表观测数。下同
Fig. 2Effect of nitrogen application on winter wheat yield (A) and water use efficiency (B) under different regions (b), different annual average temperature (c), different precipitation (d) and different topsoil organic matter content (e)

The value of n represents the number of observations used for the analysis. The same as below

图3

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图3不同区域施氮对冬小麦产量（A）和水分利用效率（B）的影响

Fig. 3Effect of nitrogen application on yield (A) and water use efficiency (B) of winter wheat in different regions

图4

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图4不同区域施氮量与冬小麦产量及水分利用效率的关系

Fig. 4The relationship between nitrogen rates and winter wheat yield and water use efficiency in different regions



不施氮肥条件下,黄土高原冬小麦平均水分利用效率为7.56 kg·hm^-2·mm^-1,施氮后可达11.82 kg·hm^-2·mm^-1（图3-B）。与不施氮肥相比,施氮显著提高了冬小麦水分利用效率,整体上相对变化率为74.38%（n=416）（图2-B-a）,其中东南部为88.26%,西北部为65.53%（图2-B-b）。在施氮条件下,东南部小麦整体平均水分利用效率为15.28 kg·hm^-2·mm^-1,西北部为10.34 kg·hm^-2·mm^-1,东南部高于西北部（P＜0.05）（图3-B）。无论是东南部还是西北部,随施氮量的增加水分利用效率均先升后降,东南部在施氮量224 kg·hm^-2时达最高（18.43 kg·hm^-2·mm^-1）,而西北部在施氮量232 kg·hm^-2时达最高（12.21 kg·hm^-2·mm^-1）（图4-B,4-D）。

2.2 不同年均温下施氮对冬小麦产量和水分利用效率的影响

在黄土高原地区,不同的年均温下氮肥对冬小麦产量的影响不同,在年均温≤10℃的地区施氮使产量增加了79.12%（n=284）,高于年均温＞10℃地区（图2-A-c）。在年均温＞10℃地区,施氮后冬小麦平均产量为5 062 kg·hm^-2,而年均温≤10℃地区平均产量为3 390 kg·hm^-2（图5-A）。在年均温≤10℃地区和＞10℃地区,产量均随施氮量的增加先增加后保持稳定,年均温≤10℃地区在施氮量225 kg·hm^-2时产量基本达到稳定水平（4 110 kg·hm^-2）,而年均温＞10℃地区在施氮量189 kg·hm^-2时产量基本达到稳定（5 545 kg·hm^-2）（图6-A,图6-C）。

图5

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图5不同年均温下施氮对冬小麦产量（A）和水分利用效率（B）的影响

Fig. 5Effect of nitrogen application on yield (A) and water use efficiency (B) of winter wheat under different annual temperature

图6

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图6不同年均温下施氮量与冬小麦产量及水分利用效率的关系

Fig. 6The relationship between nitrogen rates and winter wheat yield and water use efficiency in different annual average temperature



在黄土高原地区,不同的年均温下氮肥对冬小麦水分利用效率的影响不同,在年均温≤10℃地区施氮使水分利用效率增加了75.00%（n=234）,略高于年均温＞10℃地区的68.98%（n=182）（图2-B-c）。在年均温＞10℃地区,施氮后冬小麦水分利用效率可达14.49 kg·hm^-2·mm^-1,而年均温≤10℃地区为9.86 kg·hm^-2·mm^-1,前者高于后者（P＜0.05）（图5-B）。在年均温≤10℃地区,水分利用效率随施氮量的增加先增加后保持稳定,施氮量239 kg·hm^-2时基本达到稳定,为12.17 kg·hm^-2·mm^-1（图6-B）;在年均温＞10℃地区,水分利用效率随施氮量的增加先升后降,施氮量187 kg·hm^-2时达最高（16.26 kg·hm^-2·mm^-1）（图6-D）。

2.3 不同年降水量下施氮对冬小麦产量和水分利用效率的影响

在黄土高原地区,不同的年降水量下氮肥对冬小麦产量的影响不同,在年均降水量≤600 mm的地区,施氮使冬小麦产量整体增加了70.48%（n=570）,高于年均降水量＞600 mm地区52.44%的增幅（n=183）（图2-A-d）。在年均降水量＞600 mm地区,施氮后冬小麦产量整体上可达5 215 kg·hm^-2,而在年均降水量≤600 mm地区为4 180 kg·hm^-2,两者之间差异显著（P＜0.05）（图7-A）。在年均降水量≤600 mm地区,施氮量235 kg·hm^-2时产量基本达到稳定水平,为4 932 kg·hm^-2（图8-A）;在年均降水量＞600 mm 地区,产量随施氮量的增加先升后降,在施氮量250 kg·hm^-2时达最高,为6 651 kg·hm^-2（图8-C）。

图7

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图7不同年均降水下施氮对冬小麦产量（A）和水分利用效率（B）的影响

Fig. 7Effect of nitrogen application on yield (A) and water use efficiency (B) of winter wheat under different annual precipitation

图8

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图8不同年均降水量下施氮量与冬小麦产量及水分利用效率的关系

Fig. 8The relationship between nitrogen rates and winter wheat yield and water use efficiency in different annual average precipitation



在黄土高原地区,不同的年均降水量下氮肥对冬小麦水分利用效率的影响不同,在年均降水量≤600 mm地区施氮后冬小麦水分利用效率整体上增加了69.86%（n=339）,低于年均降水量＞600 mm地区83.40%的增幅（n=77）（图2-B-d）。在年均降水量＞600 mm地区,施氮后冬小麦水分利用效率整体上可达16.05 kg·hm^-2·mm^-1,而在年均降水量≤600 mm地区为10.86 kg·hm^-2·mm^-1,两者之间差异显著（P＜0.05）（图7-B）。在年均降水量≤600 mm地区,施氮量244 kg·hm^-2时水分利用效率基本达到稳定水平,为13.07 kg·hm^-2·mm^-1（图8-B）;在年均降水量 ＞600 mm的地区,随施氮量的增加水分利用效率先升后降,在施氮量235 kg·hm^-2时达最高（19.23 kg·hm^-2·mm^-1）（图8-D）。

2.4 不同耕层有机质含量下施氮对冬小麦产量和水分利用效率的影响

在黄土高原地区,不同的耕层有机质含量下施氮对冬小麦产量的影响不同,在耕层有机质含量≤12 g·kg^-1的条件下,施氮使冬小麦产量整体增加了78.24%（n=293）,高于耕层有机质含量＞12 g·kg^-1条件下60.75%的增幅（n=345）（图2-A-e）。当耕层有机质含量＞12 g·kg^-1时,施氮后冬小麦产量整体上可达5 097 kg·hm^-2,而耕层有机质含量≤12 g·kg^-1时为3 682 kg·hm^-2,两者之间差异显著（P＜0.05）（图9-A）。在耕层有机质含量≤12 g·kg^-1条件下,产量随施氮量的增加先升后降,在施氮226 kg·hm^-2时最高（4 531 kg·hm^-2）（图10-A）;在耕层有机质含量＞12 g·kg^-1条件下,施氮量163 kg·hm^-2时冬小麦产量即趋于稳定,达到5 263 kg·hm^-2（图10-C）。

图9

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图9不同耕层有机质含量下施氮对冬小麦产量（A）和水分利用效率（B）的影响

Fig. 9Effect of nitrogen application on yield (A) and water use efficiency (B) of winter wheat under different topsoil organic matter contents

图10

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图10不同耕层有机质含量下施氮量与冬小麦产量及水分利用效率的关系

Fig. 10The relationship between nitrogen rates and winter wheat yield and water use efficiency in different topsoil organic matter



在黄土高原地区,不同的耕层有机质含量下氮肥对冬小麦水分利用效率的影响不同,在耕层有机质含量≤12 g·kg^-1的条件下,施氮使冬小麦水分利用效率增加了86.55%（n=199）,高于耕层有机质含量＞12 g·kg^-1时的65.75%（n=157）（图2-B-e）。在耕层有机质含量＞12 g·kg^-1时,施氮后冬小麦水分利用效率可达13.38 kg·hm^-2·mm^-1,而耕层有机质含量≤12 g·kg^-1时为10.42 kg·hm^-2·mm^-1,两者之间差异显著（P＜0.05）（图9-B）。在耕层有机质含量≤12 g·kg^-1条件下,水分利用效率随施氮量的增加先升后降,在施氮量212 kg·hm^-2时达最高（12.84 kg·hm^-2·mm^-1）（图10-B）;在耕层有机质含量＞12 g·kg^-1条件下,水分利用效率随施氮量的增加先增加而后基本稳定,施氮量175 kg·hm^-2时基本达到稳定水平,为13.93 kg·hm^-2·mm^-1（图10-D）。

3 讨论

3.1 施氮对黄土高原冬小麦产量和水分利用效率的整体影响分析

黄土高原大部分区域土壤贫瘠,有机质含量偏低,严重限制了作物的产量^[5]。氮素是限制黄土高原冬小麦产量和水分利用效率的关键因子之一,氮肥的施用提高了土壤含氮量^{[8, 11]},缓解了土壤供氮能力与小麦生长发育对氮素需求间的矛盾。氮素促进了小麦根系的发育,提高了其对土壤水分的利用能力^[11],也增加了小麦有效分蘖数、单位面积穗数及穗粒数^[22],因此施氮从整体上显著提高了该地区冬小麦产量和水分利用效率,其中产量的增长率为66%,水分利用效率增长率可达72%。

3.2 不同分组中施氮对冬小麦产量和水分利用效率的影响分析

3.2.1 区域 本研究结果表明,氮肥对冬小麦产量和水分利用效率的影响在黄土高原不同区域间存在差异。其主要原因是黄土高原各区域的气候环境不同。受季风强度的影响,黄土高原由东南向西北跨越了半湿润区、半干旱区和干旱区,降水的时空差异大,降水量沿东南-西北一线递减^[23]。由于地形、海拔等的影响,温度也沿东南向西北逐渐降低^[15]。除此之外,土壤肥力特性、主要的栽培品种以及耕作方式等在不同区域间的差异也可能导致氮肥效应的不同^[24,25]。在东南部,较高的降水量和温度更有利于小麦的生长,因此东南部冬小麦产量和水分利用效率整体上均显著高于西北部。施氮后西北部冬小麦产量的增长率高于东南部,而水分利用效率的增长率低于东南部,原因是施氮更能促进较干旱的西北部小麦根系的生长,缓解干旱对产量的影响,但同时也增大了对深层土壤水分的消耗^[26]。不管是东南部还是西北部,冬小麦产量和水分利用效率均随施氮量的增加先增加再降低或先增加后保持稳定,主要原因是过量施氮导致土壤中养分失衡,硝酸还原酶等氮素相关转化酶活性降低,作物体内同化物的转移受阻^{[27,28,29,30]}。西北部和东南部在实现冬小麦最高产量和最高水分利用效率的施氮量上存在差异,主要因为各区域间施氮效应及各区域能实现的最高产量和最高水分利用效率不同。

3.2.2 年均温 本研究发现,在黄土高原不同年均温条件下,施氮对冬小麦产量及水分利用效率的影响存在差异。主要原因可能是温度是影响氮素转化的关键因子之一,土壤中氮素相关转化酶活性与温度密切相关^[31,32,33]。同时,温度通过影响植物的生长进而影响植物对氮素的吸收利用^[34]。在年均温≤10℃地区,施氮后冬小麦产量和水分利用效率的相对变化率高于年均温＞10℃地区。其主要原因是较高的温度下土壤氮素相关转化酶活性较强,有利于氮素的分解转化及作物的吸收^[33],因此年均温较低的地区土壤氮素对作物生产的限制更大。年均温≤10℃地区实现最高产量和最高水分利用效率需要施更多的氮肥,主要因为较低的温度限制了土壤中有机氮的矿化,限制了土壤的供氮能力。

3.2.3 年均降水 在黄土高原地区,水分是冬小麦生产中最主要的限制因素^[35],因此在年均降水量＞600 mm的地区冬小麦产量和水分利用效率整体上均显著高于年均降水量≤600 mm地区。本研究结果表明,施氮对冬小麦的效应受年降水量的影响。可能是因为土壤水分状况决定着作物对氮肥的响应程度,土壤中氮素相关转化酶活性、微生物群落及植物根系的分布均受到土壤水分的影响^[36,37]。施氮后年均降水量≤600 mm地区冬小麦产量的增长率高于＞600 mm地区,而水分利用效率的增长率在＞600 mm地区更高。主要原因是在降水量较少的地区,施氮能缓解水分对小麦生长的限制,但也加大了对土壤水分的消耗^[38,39]。

3.2.4 耕层有机质 本研究结果表明,不同耕层有机质含量下施氮对冬小麦产量及水分利用效率的影响存在差异。作为衡量土壤肥力的重要指标,有机质包含了土壤中80%以上的氮素,其含量直接影响氮素的供求关系^[40,41,42]。在耕层有机质含量≤12 g·kg^-1的条件下,施氮后冬小麦产量和水分利用效率的相对增长率较高,主要归因于较低的有机质含量下氮素对作物的限制作用更强。与耕层有机质含量＞12 g·kg^-1条件相比,耕层有机质含量≤12 g·kg^-1时需要更多的氮肥才能获得最高的产量和水分利用效率,主要因为在有机质含量较低的土壤条件下,需要更多的外源氮素才能满足冬小麦高产的需求。

3.3 研究的局限性及研究意义

由于黄土高原地区冬小麦生产中氮肥施用的多样性和复杂性,本研究未将有机肥、磷钾肥等纳入分析。因所获取的数据量有限,本研究也未考虑施氮方式、氮肥种类及冬小麦品种对肥效的影响。本研究所纳入整合分析的独立研究基本涵盖了黄土高原冬小麦分布区,但各研究分布点相对集中,限制了区域分组中结论对区域的覆盖度。水分利用效率对氮肥的响应受多个因子的限制,其与产量对氮肥的响应间存在差异,本研究未对这种差异进行深入分析。尽管如此,本研究所得结论与实际生产基本相符,对黄土高原冬小麦合理施肥具有一定的参考价值。

4 结论

（1）在黄土高原地区,施氮后冬小麦产量和水分利用效率的相对增长率分别为66.09%和72.38%。施氮后产量的相对增长率在西北部更高,而水分利用效率相对增长率在东南部更高。西北部实现最高产的施氮量为212 kg·hm^-2,东南部为232 kg·hm^-2。

（2）施氮后冬小麦产量和水分利用效率的增长率均在年均温≤10℃地区更高。年均温＞10℃地区实现最高产的施氮量为189 kg·hm^-2,年均温≤10℃地区为225 kg·hm^-2。

（3）施氮后产量的相对增长率在年均降水量≤600 mm地区更高,而水分利用效率在＞600 mm地区更高。在年均降水量＞600 mm地区,实现最高产的施氮量为250 kg·hm^-2,在年均降水量≤600 mm地区为235 kg·hm^-2。

（4）施氮后冬小麦产量和水分利用效率的相对增长率在耕层有机质含量≤12 g·kg^-1时更高。在耕层有机质含量＞12 g·kg^-1条件下,实现最高产的施氮量为163 kg·hm^-2,耕层有机质含量≤12 g·kg^-1时则为226 kg·hm^-2。

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