周麗濤，孫 爽，張鎮(zhèn)濤，張方亮，郭世博，石延英，楊曉光**

基于Meta分析華北冬小麥高產(chǎn)高效協(xié)同提升灌溉方案*

周麗濤1，孫 爽2，張鎮(zhèn)濤1，張方亮1，郭世博1，石延英1，楊曉光1**

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2.中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京 100081）

目前針對(duì)灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率影響研究大多基于單點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，受氣候、土壤等因素影響，研究結(jié)果可比性較差，且難于獲得區(qū)域結(jié)論。本文通過(guò)檢索搜集獲得186篇大田實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)，共1876對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用Meta分析方法分析明確了灌溉對(duì)華北冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響，揭示了不同區(qū)域、降水年型、土壤質(zhì)地和施氮量水平下灌溉對(duì)產(chǎn)量和水分利用效率的影響差異，明確了不同情景下華北冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率協(xié)同提升的最佳灌溉量。研究結(jié)果表明，與生長(zhǎng)季內(nèi)不灌溉相比，灌溉使華北冬小麥總體增產(chǎn)32.0%～38.3%，水分利用效率降低27.3%～30.1%。冬小麥生長(zhǎng)季降水量<150mm的西北區(qū)域灌溉增產(chǎn)幅度（39.6%～53.5%）高于降水量>150mm的東南區(qū)域（24.3%～27.1%），灌溉后水分利用效率降低幅度（32.4%～37.5%）高于東南區(qū)域（22.0%～24.3%）。冬小麥高產(chǎn)高效的生長(zhǎng)季內(nèi)最佳灌溉量西北區(qū)域?yàn)?50～180mm，東南區(qū)域?yàn)?20～150mm；干旱年、平水年和濕潤(rùn)年均為灌溉兩次效果最佳，且最佳灌溉時(shí)期分別為拔節(jié)期和開(kāi)花期、拔節(jié)期和抽穗期、拔節(jié)期和孕穗期，最佳總灌溉量均為120～150mm；壤土條件下灌溉對(duì)冬小麥增產(chǎn)效果最佳，黏土條件下水分利用效率降低幅度最小，沙土、壤土、黏壤土和黏土四種土壤質(zhì)地下冬小麥最佳灌溉量分別為60～90mm、120～150mm、180～210mm和150～180mm；施氮量在120～240kg·hm?2時(shí)，灌水80～140mm增產(chǎn)節(jié)水效果最佳，其中灌水110～140mm條件下冬小麥產(chǎn)量更高，而灌水80～110mm冬小麥水分利用效率更高。綜上所述，華北地區(qū)冬小麥在濕潤(rùn)年型下拔節(jié)和開(kāi)花期灌溉，平水年型下拔節(jié)和孕穗期灌溉，干旱年型下拔節(jié)和抽穗期灌溉，總灌溉量為120～150mm，可實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)節(jié)水，若該區(qū)域?yàn)槿劳粒瑫r(shí)施氮120～240kg·hm?2，冬小麥可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量和水分利用效率的協(xié)同提升。

華北冬小麥；產(chǎn)量；水分利用效率；協(xié)同提升；Meta分析方法

冬小麥?zhǔn)侵袊?guó)主要口糧作物，其種植面積和產(chǎn)量分別占到全國(guó)小麥的95.6%和94.3%[1]，華北地區(qū)為冬小麥主產(chǎn)區(qū)，其冬小麥產(chǎn)量直接決定了國(guó)家口糧安全。然而華北地區(qū)70%～80%的降水集中在6?8月，冬小麥生長(zhǎng)季內(nèi)降水量?jī)H能滿足其需水的25%～40%，水分虧缺高達(dá)200～300mm[2?3]，直接影響冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成[4]，補(bǔ)充冬小麥需水虧缺主要依靠地下水灌溉，然而隨著灌溉用水不斷增多，灌溉用水的需求量已遠(yuǎn)大于地下水承載力[5?7]，因此，探究合理的灌溉制度對(duì)于實(shí)現(xiàn)華北冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率協(xié)同提升至關(guān)重要。

前人在探究冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率協(xié)同提升方面已做了大量研究，多基于大田試驗(yàn)和作物模型方法，且研究表明適度水分虧缺，可以在保持一定產(chǎn)量的同時(shí)，節(jié)約灌溉用水[8?9]，因此，在冬小麥不同生育時(shí)期進(jìn)行科學(xué)合理灌溉可實(shí)現(xiàn)節(jié)水高產(chǎn)；薛佳欣等[10]利用APSIM模型的研究表明，華北平原干旱、平水及濕潤(rùn)年型下分別在冬小麥播種、拔節(jié)、開(kāi)花期灌水75mm，可實(shí)現(xiàn)較高產(chǎn)量和水分利用效率；王海霞等[11]基于大田試驗(yàn)比較了華北平原黑龍港流域冬小麥在三種灌溉制度下的產(chǎn)量和水分利用效率，研究表明灌底墑水70mm和拔節(jié)水90mm是一種較好的豐產(chǎn)節(jié)水灌溉制度。

前人開(kāi)展了灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率協(xié)同提升單點(diǎn)實(shí)驗(yàn)研究，然而華北地區(qū)不同實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)由于氣候和土壤理化性質(zhì)差異導(dǎo)致冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率對(duì)灌溉響應(yīng)效果不同，僅考慮單點(diǎn)和較短年份的研究不能在區(qū)域宏觀尺度上準(zhǔn)確評(píng)價(jià)灌溉綜合效應(yīng)，導(dǎo)致各點(diǎn)研究結(jié)果存在差異。Meta分析方法是從公開(kāi)發(fā)表文獻(xiàn)中收集足夠的針對(duì)同一主題的研究數(shù)據(jù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得到針對(duì)這一主題的綜合效應(yīng)和開(kāi)創(chuàng)性結(jié)論[12]，與單一實(shí)驗(yàn)或傳統(tǒng)綜述性研究相比，Meta分析方法具有大尺度獲得大量數(shù)據(jù)結(jié)合統(tǒng)計(jì)方法開(kāi)展定量分析優(yōu)勢(shì)。本文通過(guò)文獻(xiàn)檢索，獲得186篇灌溉對(duì)華北冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率影響文獻(xiàn)，運(yùn)用Meta分析方法，綜合單點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，量化灌溉對(duì)于華北冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響，分析了不同區(qū)域、降水年型、土壤質(zhì)地、施氮量水平等因素影響下冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率對(duì)灌溉的響應(yīng)，確定了不同情景下華北冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率協(xié)同提升的灌溉范圍，可為區(qū)域制定合理灌溉措施、保障小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供科學(xué)參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域包括河北省、山東省、河南省、北京市和天津市，地理位置為31°?43°N，110°?123°E，其中河北和北京北部地區(qū)平均氣溫≥0 ℃活動(dòng)積溫小于4200℃·d，其種植制度為一年一熟制[13]，不在本研究范圍（圖1）。

圖1 華北冬小麥種植區(qū)氣象站點(diǎn)及文獻(xiàn)所涉田間實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)的分布

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)、Web of Science、維普數(shù)據(jù)庫(kù)、萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)和Google Scholar數(shù)據(jù)庫(kù)，中英文檢索詞包括“冬小麥（winter wheat）”、“灌溉（irrigation）”、“水分（water）”、“產(chǎn)量（yield）”、“水分利用效率（water use efficiency，WUE）”、“華北地區(qū)（the North China Plain）”，文獻(xiàn)發(fā)表時(shí)間范圍為2000?2020年，并基于以下標(biāo)準(zhǔn)對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行篩選：（1）實(shí)驗(yàn)所在地為華北冬小麥種植區(qū)域；（2）為大田實(shí)驗(yàn)，不包括防雨棚實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、盆栽和模型模擬；（3）同一實(shí)驗(yàn)必須包括不灌溉處理（對(duì)照處理）和灌溉處理；（4）文獻(xiàn)中需要有各灌溉處理的產(chǎn)量、樣本量，標(biāo)準(zhǔn)差不做嚴(yán)格要求；基于以上標(biāo)準(zhǔn)獲取完全符合要求文獻(xiàn)186篇（包括中文113篇和英文73篇），共1876對(duì)灌溉與不灌溉條件下冬小麥產(chǎn)量對(duì)比數(shù)據(jù)和1730對(duì)灌溉與不灌溉冬小麥水分利用效率數(shù)據(jù)（含均值、樣本量、部分含標(biāo)準(zhǔn)差），并收集各個(gè)實(shí)驗(yàn)處理所在的地理位置、灌溉方案即灌溉量（均指冬小麥生育期內(nèi)總灌溉量）和灌溉生育時(shí)期、土壤質(zhì)地、施氮量等數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)多以表格、柱狀圖、折線圖形式出現(xiàn)，表格數(shù)據(jù)可直接提取，柱狀圖和折線圖中數(shù)據(jù)，利用GetData Graph Digitizer軟件進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換后提取，該軟件已廣泛應(yīng)用于Meta文獻(xiàn)搜集中的數(shù)據(jù)提取研究，已有研究表明提取數(shù)值保留6位有效數(shù)字，滿足對(duì)研究數(shù)據(jù)精度需求[14]。

為分析華北地區(qū)不同區(qū)域氣候、土壤質(zhì)地條件下，灌溉對(duì)小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響，按區(qū)域、降水年型、土壤質(zhì)地、施氮量對(duì)華北冬小麥灌溉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)。

按區(qū)域劃分：綜合考慮實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)區(qū)域降水量的一致性，以1981?2017年冬小麥生長(zhǎng)季內(nèi)有效降水量150mm為閾值將華北冬小麥種植區(qū)分為東南和西北兩個(gè)區(qū)（圖1）。

按降水年型劃分：根據(jù)冬小麥生長(zhǎng)季內(nèi)有效降水量分為濕潤(rùn)年、平水年和干旱年。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中冬小麥生長(zhǎng)季內(nèi)降水量，利用經(jīng)驗(yàn)頻率分析方法（Empirical frequency analysis, EFA）計(jì)算經(jīng)驗(yàn)概率P值，即將各生育期降水量進(jìn)行降序排列，排名前25%視作濕潤(rùn)年，即當(dāng)P<25%為濕潤(rùn)年，25%75%為干旱年[15]。

按土壤質(zhì)地分類(lèi)：根據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部制定的土壤質(zhì)地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，將華北地區(qū)土壤質(zhì)地分為沙土、壤土、黏壤土和黏土。

按施氮量水平劃分：根據(jù)文獻(xiàn)中施氮量，指生育期內(nèi)總施氮量，將其分為不施氮、施氮量0～120kg·hm?2、施氮量120～240kg·hm?2和施氮量＞240kg·hm?2四種情景。

各類(lèi)樣本分組如表1、表2所示。

表1 文獻(xiàn)中設(shè)有灌溉與不灌溉條件下冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的配對(duì)組數(shù)和變化率分類(lèi)統(tǒng)計(jì)

注：PYT表示降水年型；產(chǎn)量指籽粒產(chǎn)量，水分利用效率為籽粒產(chǎn)量除以生育期內(nèi)自然降水與灌溉用水之和。下同。

Note: PYT is precipitation year types. “Yield” indicates the grain yield. WUE is water use efficiency which is the ratio of the grain yield to the sum of natural precipitation and irrigation water during the growth period. The same as below.

表2 不同降水年型下各時(shí)期灌溉和不灌溉條件下冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率數(shù)據(jù)配對(duì)組數(shù)和變化率的分類(lèi)統(tǒng)計(jì)

1.3 基于Meta分析方法計(jì)算灌溉對(duì)產(chǎn)量或水分利用效率的影響效應(yīng)

1.3.1 用單對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算影響效應(yīng)值

選用對(duì)數(shù)反應(yīng)比[12]作為評(píng)價(jià)灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率影響的統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)，計(jì)算式為

1.3.2 總體及不同分類(lèi)條件下影響效應(yīng)累積值

基于整個(gè)華北所有數(shù)據(jù)計(jì)算灌溉對(duì)產(chǎn)量和水分利用效率的累積效應(yīng)值，由于文獻(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)、田間管理措施不同，各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間存在顯著異質(zhì)性，選取隨機(jī)效應(yīng)模型[17]計(jì)算累積效應(yīng)值。計(jì)算式為

根據(jù)95%置信區(qū)間來(lái)判斷結(jié)果的顯著性：95%置信區(qū)間大于0，說(shuō)明灌溉處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量或水分利用效率有顯著正效應(yīng)；95%置信區(qū)間小于0，說(shuō)明灌溉處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量或水分利用效率有顯著負(fù)效應(yīng)；95%置信區(qū)間等于0，說(shuō)明灌溉處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量或水分利用效率無(wú)顯著影響。

E=0說(shuō)明灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量或水分利用效率無(wú)影響；E>0說(shuō)明灌溉使冬小麥產(chǎn)量或水分利用效率提高；E<0說(shuō)明灌溉使冬小麥產(chǎn)量或水分利用效率降低。

1.3.3 異質(zhì)性檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)研究之間的異質(zhì)性，引入所有研究之間的總異質(zhì)性Qt[18]，Qt是基于卡方分布的統(tǒng)計(jì)量，Qt顯著說(shuō)明分析者所綜合的效應(yīng)值不只是由取樣誤差帶來(lái)的，還存在其他解釋變量影響結(jié)果，需要進(jìn)一步分析其他因素來(lái)解釋這一變異，其計(jì)算式為

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用GetData Graph Digitizer軟件提取文獻(xiàn)中相關(guān)數(shù)據(jù)，使用Excel 2016和RStudio4.0.3進(jìn)行Meta分析方法指標(biāo)計(jì)算、回歸分析及作圖，Meta分析方法運(yùn)算均在R語(yǔ)言下metafor包中運(yùn)行完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同區(qū)域灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響

2.1.1 全區(qū)域數(shù)據(jù)

圖2 不同區(qū)域灌溉與不灌溉條件下冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率變化率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

注：圖中n為數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)，▲對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)表示灌溉相對(duì)不灌溉下冬小麥產(chǎn)量變化率，●對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)表示灌溉相對(duì)于不灌溉下水分利用效率（WUE）變化率，誤差線表示95%置信區(qū)間，95%置信區(qū)間不包含0，說(shuō)明差異顯著，P<0.05。下同。

Note:n indicates data groups, triangles indicate yield change rate of winter wheat under irrigation compared with that under no irrigation, dots indicate WUE change rate of winter wheat under irrigation compared with that under no irrigation. The error bars indicate 95% confidence intervals, 95% confident intervals do not include 0, indicating difference is significant, P<0.05. The same as below.

2.1.2 不同區(qū)域數(shù)據(jù)

基于文獻(xiàn)中西北區(qū)域890對(duì)、東南區(qū)域986對(duì)灌溉與不灌溉下的產(chǎn)量數(shù)據(jù)和西北區(qū)域776對(duì)、東南區(qū)域954對(duì)灌溉與不灌溉下的水分利用效率對(duì)比數(shù)據(jù)，分析計(jì)算兩個(gè)區(qū)灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率影響的累積效應(yīng)值，利用式（7），將累積效應(yīng)值轉(zhuǎn)化為變化率，即灌溉相對(duì)不灌溉下冬小麥的增產(chǎn)率和水分利用效率降低的變化率，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖可見(jiàn)，兩區(qū)間灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響程度存在顯著的區(qū)域差異，其中西北區(qū)域灌溉使冬小麥產(chǎn)量提高39.6%～53.5%（46.4%），東南區(qū)域灌溉使冬小麥產(chǎn)量提高24.3%～27.1%（25.7%），西北區(qū)域灌溉后產(chǎn)量提高幅度顯著高于東南區(qū)域；西北區(qū)域灌溉使冬小麥水分利用效率降低32.4%～37.5%（35.0%），東南區(qū)域灌溉使冬小麥水分利用效率降低22.0%～24.3%（23.1%），可見(jiàn)，西北區(qū)域冬小麥水分利用效率降低幅度高于東南區(qū)域。

每個(gè)灌溉量下都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)相較于不灌溉情景下冬小麥產(chǎn)量變化率和水分利用效率的變化率，分別對(duì)西北區(qū)域和東南區(qū)域灌溉量和對(duì)應(yīng)的冬小麥產(chǎn)量變化率和水分利用效率變化率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖可見(jiàn)，西北區(qū)域隨著灌溉量增加冬小麥增產(chǎn)幅度先提高后趨于平緩；東南區(qū)域冬小麥產(chǎn)量提高幅度隨灌溉量增加先提高后降低，其水分利用效率降低幅度均隨灌溉量增大不斷提高，西北區(qū)域當(dāng)灌溉量為150～180mm時(shí)，冬小麥增產(chǎn)幅度發(fā)生轉(zhuǎn)折，超過(guò)180mm時(shí)，其增產(chǎn)幅度趨于平緩，而水分利用效率降低幅度還在持續(xù)增大，因此，西北區(qū)域灌溉150～180mm為冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率協(xié)同提升的灌溉量；東南區(qū)域當(dāng)灌溉量為120～150mm時(shí)，其產(chǎn)量提高幅度發(fā)生轉(zhuǎn)折，增產(chǎn)幅度開(kāi)始下降，水分利用效率降低幅度依然在持續(xù)增大，因此，東南區(qū)域灌溉120～150mm為冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率協(xié)同提升的灌溉量。

圖3 不同區(qū)域冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率變化率隨灌溉量變化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

注：≤60、90、120、150、180、210、240、270和300分別表示灌溉量≤60mm、60～90mm、90～120mm、120～150mm、150～180mm、180～210mm、210～240mm、240～270mm和270～300mm，縱坐標(biāo)表示灌溉相對(duì)于不灌溉下冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的變化率。下同。

Note: ≤60, 90, 120, 150, 180, 210, 240, 270, 300 indicate irrigation amount of ≤60mm, 60?90mm, 90?120mm, 120?150mm, 150?180mm, 180?210mm, 210?240mm, 240?270mm, 270?300mm, Y-axis indicates yield and WUE change rate of winter wheat under irrigation compared with that under no irrigation. The same as below.

2.2 不同降水年型灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響

灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率影響程度在各降水年型之間存在顯著差異（圖4）。華北地區(qū)濕潤(rùn)年、平水年和干旱年型下灌溉分別使冬小麥產(chǎn)量提高20.4%～24.2%（22.3%）、20.0%～22.7%（21.4%）和53.1%～76.7%（64.5%），可見(jiàn)越干旱的年份灌溉增產(chǎn)幅度越大，平水年產(chǎn)量提高程度相較濕潤(rùn)年差異較小。干旱年則與其它兩種年型存在顯著差異，增產(chǎn)幅度也大幅提高。濕潤(rùn)年、平水年和干旱年灌溉條件下冬小麥水分利用效率分別降低15.1%～19.1%（17.1%）、28.0%～30.3%（29.2%）和44.0%～48.2%（46.1%），在灌溉條件下，基于研究數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明降水越少的年份，灌溉使水分利用效率降低的幅度越大，且年型之間存在顯著差異。

不同年型下不同生育時(shí)期灌溉處理顯著影響華北地區(qū)冬小麥的產(chǎn)量和水分利用效率（圖5）。濕潤(rùn)年型下，拔節(jié)期和開(kāi)花期灌溉2水（TD）處理冬小麥增產(chǎn)幅度最大，增幅27.0%～36.4%（31.6%），增幅顯著高于拔節(jié)期灌溉1水（TA），拔節(jié)期、開(kāi)花期和灌漿期灌溉3水（TF），拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期灌溉3水（TG）處理，相較于拔節(jié)期和孕穗期灌溉2水（TB）、拔節(jié)期和抽穗期灌溉2水（TC）處理置信區(qū)間較短，拔節(jié)期和開(kāi)花期灌溉2水處理數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定，表明濕潤(rùn)年型增產(chǎn)首選拔節(jié)期和開(kāi)花期灌溉2水處理，其次是拔節(jié)期和灌漿期灌溉2水處理；平水年型下，與不灌溉處理相比，拔節(jié)期和孕穗期灌溉2水（TB）處理冬小麥增產(chǎn)幅度最大，增幅為16.4%～51.2%（32.7%），且增幅遠(yuǎn)高于其他灌溉處理，但其它處理之間差異不明顯；干旱年型下，與不灌溉處理相比，拔節(jié)期和抽穗期灌溉2水（TC）處理冬小麥增產(chǎn)幅度最大，增幅42.1%～68.8%（54.9%），且顯著高于灌溉1水和3水處理。

圖4 不同降水年型灌溉與不灌溉條件下冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率變化率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖5 不同降水年型7個(gè)生育時(shí)期灌溉與不灌溉條件下冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率變化率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

注：縱坐標(biāo)TA-TG分別表示拔節(jié)、拔節(jié)?孕穗、拔節(jié)?抽穗、拔節(jié)?開(kāi)花、拔節(jié)?灌漿、拔節(jié)?開(kāi)花?灌漿、拔節(jié)?抽穗?灌漿灌溉。

Note: TA-TG indicates jointing, jointing-booting, jointing-heading, jointing-flowering, jointing-filling, jointing-flowering-filling and jointing-heading-filling.

濕潤(rùn)年型下，拔節(jié)期灌溉1水（TA）處理冬小麥水分利用效率降幅最小，降低8.5%～12.9%（10.7%），其次為拔節(jié)期和開(kāi)花期灌溉2水（TD）處理，降低5.8%～17.3%（11.8%），與拔節(jié)期灌溉1水（TA）處理差異并不顯著，綜合來(lái)看拔節(jié)期和開(kāi)花期灌溉2水（TD）處理增產(chǎn)節(jié)水最佳；平水年型下，拔節(jié)期灌溉1水（TA）處理冬小麥WUE降幅最小，為17.3%～20.7%（19.0%），其次是拔節(jié)期和孕穗期灌溉2水（TB）處理，降幅9.1%～31.6%（21.1%），與拔節(jié)期灌溉1水（TA）處理差異不顯著，綜合來(lái)看，平水年拔節(jié)期和孕穗期灌溉2水（TB）處理增產(chǎn)節(jié)水最佳；干旱年型下，拔節(jié)期灌溉1水（TA）處理小麥WUE降幅最小，為25.1%～31.9%（28.6%），其次是拔節(jié)期和抽穗期灌溉2水（TC）處理40.5%～49.5%（45.2%），但拔節(jié)期灌溉1水（TA）與拔節(jié)期和抽穗期灌溉2水（TC）處理差異顯著，但由于拔節(jié)期灌溉1水（TA）處理增產(chǎn)情況顯著低于拔節(jié)期和抽穗期灌溉2水（TC）處理，故綜合來(lái)看，干旱年拔節(jié)期和抽穗期灌溉2水（TC）處理效果更佳。不同年型下均以灌溉2水實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效，由于灌溉2水情景下灌溉量主要集中在120～150mm，故認(rèn)為不同年型下冬小麥最佳灌溉量為120～150mm。

2.3 不同土壤質(zhì)地灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響

不同土壤質(zhì)地顯著影響冬小麥產(chǎn)量和WUE對(duì)灌溉的響應(yīng)（圖6a）。沙土、壤土、黏壤土和黏土4種不同土質(zhì)條件下，灌溉分別使冬小麥增產(chǎn)33.8%～51.2%（42.3%）、40.9%～60.2%（50.2%）、21.4%～24.5%（22.9%）和30.2%～42.0%（36.0%），其中壤土條件下，灌溉使冬小麥增產(chǎn)最大，沙土次之，壤土較黏壤土、黏土增產(chǎn)顯著；沙土、壤土、黏壤土和黏土4種不同土質(zhì)條件下，灌溉分別使冬小麥WUE降低27.3%～35.8%（31.7%）、28.1%～33.2%（30.7%）、26.2%～28.8%（27.5%）和16.9%～23.5%（20.3%），其中黏土條件下，灌溉使冬小麥WUE降低幅度最小，且相較沙土、壤土和黏壤土較為顯著；沙土條件下，冬小麥增產(chǎn)幅度隨灌溉量增加先增大后減小，WUE降低幅度隨灌溉量增加先減小后趨于平緩，灌溉量為60～90mm時(shí)，冬小麥增產(chǎn)幅度相對(duì)較高，WUE降幅較小，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效（圖6b）；壤土條件下，小麥增產(chǎn)幅度隨灌溉量增加先增大后減小，WUE降低幅度隨灌溉量增加先平緩后減小，當(dāng)灌溉量為120～150mm時(shí)，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效（圖6c）；黏壤土條件下，小麥增產(chǎn)幅度隨灌溉量增加先平緩后增大，WUE降低幅度隨灌溉量增加整體呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)，當(dāng)灌溉量為180～210mm時(shí)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效（圖6d）；黏土條件下，小麥的增產(chǎn)幅度隨灌溉量增加整體呈不斷增大的趨勢(shì)，WUE降低幅度隨灌溉量增加變化并不明顯，且其降幅整體維持在相對(duì)較低的水平，當(dāng)灌溉量為150～180mm時(shí)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效（圖6e）。

圖6 不同土壤質(zhì)地灌溉與不灌溉條件下冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率變化率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.4 不同施氮量條件下灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響

施氮量顯著影響灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量和WUE的響應(yīng)（圖7a）。不施氮、施氮0～120kg·hm?2、施氮120～240kg·hm?2和施氮>240kg·hm?2四種情況下灌溉分別使冬小麥增產(chǎn)18.5%～31.2%（24.7%）、14.9%～23.1%（18.9%）、36.2%～47.5%（41.8%）和19.2%～25.1%（21.1%），其中隨著施氮量增加，冬小麥增產(chǎn)幅度先增大后減小，施氮120～240kg·hm?2時(shí)，灌溉使冬小麥增產(chǎn)幅度最大（圖7b）；且隨著灌溉量增加，冬小麥增產(chǎn)幅度先增加后減少，其中以灌溉量為110～140mm時(shí)，小麥增產(chǎn)幅度達(dá)到最大。不施氮、施氮0～120kg·hm?2、施氮120～240kg·hm?2和施氮>240kg·hm?2四種情況下灌溉分別使冬小麥WUE降低15.9%～29.1%（22.8%）、32.2%～40.4%（36.4%）、21.0%～25.2%（23.1%）和31.0%～36.5%（33.8%）；其中不施氮和施氮120～240kg·hm?2情況下，灌溉使冬小麥WUE降低幅度最小，且施氮120～240kg·hm?2誤差線更短，說(shuō)明數(shù)據(jù)穩(wěn)定；施氮120～240kg·hm?2情景下，隨著灌溉量增加冬小麥WUE降低幅度逐漸增大，其中以灌水<60mm和灌水80～110mm小麥WUE降低幅度最?。▓D7c），綜合增產(chǎn)情況，灌水80～110mm是更好的選擇；綜合產(chǎn)量和WUE，灌水80～110mm和110～140mm增產(chǎn)節(jié)水效果較好，若追求產(chǎn)量更高，可灌水110～140mm，若追求WUE更高，可灌水80～110mm。

圖7 不同施氮量條件下灌溉與不灌溉對(duì)比冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率變化率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

注：圖(b):施氮120～240kg·hm?2情景下，灌溉相對(duì)于不灌溉下產(chǎn)量變化率隨灌溉量的變化，其中黑線表示數(shù)據(jù)分布集中程度。圖(c):施氮120～240kg·hm?2情景下，灌溉相對(duì)于不灌溉下WUE變化率隨灌溉量的變化。

Note: (b): Under 120-240kg·ha?1nitrogen application, relation between irrigation amount and change rate of yield under irrigation compared with that under no irrigation, black lines represent the concentration of data distribution. (c): Under 120-240kg·ha?1nitrogen application, relation between irrigation amount and change rate of WUE under irrigation compared with that under no irrigation.

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

水分是華北冬小麥生產(chǎn)中最主要限制因素[19]，灌溉可顯著提高冬小麥產(chǎn)量，華北水資源虧缺嚴(yán)重[2?3]，產(chǎn)量和水分利用效率協(xié)同提升至關(guān)重要。本研究利用Meta分析方法定量分析了華北地區(qū)灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率協(xié)同提升程度及影響因素，研究實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)共42個(gè)，均勻分布在華北不同區(qū)域，與前人研究相比，獲得了區(qū)域結(jié)果，可為研究區(qū)域科學(xué)灌溉提供依據(jù)和參考。華北降水量呈由東南向西北逐漸減少的空間分布特征[20]，因此，與東南區(qū)域相比，西北區(qū)域冬小麥生長(zhǎng)季內(nèi)降水虧缺更為嚴(yán)重，灌溉對(duì)西北區(qū)域冬小麥產(chǎn)量提高更顯著。由于本研究搜集文獻(xiàn)中灌溉量并沒(méi)有無(wú)限增加，因此，在現(xiàn)有灌溉條件下，西北區(qū)域冬小麥產(chǎn)量隨灌溉量呈線性增加，東南區(qū)域隨著灌溉量增加，冬小麥產(chǎn)量呈先增加后減少特征。

各降水年型下，不同時(shí)期灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率影響存在顯著差異；拔節(jié)期是冬小麥從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)過(guò)度的關(guān)鍵時(shí)期，水分虧缺對(duì)產(chǎn)量影響顯著[21]。孕穗開(kāi)花期是冬小麥生殖生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期，充足供水對(duì)產(chǎn)量提高至關(guān)重要[22]。灌漿期是籽粒重量增加的關(guān)鍵時(shí)期，水分脅迫直接影響粒重進(jìn)而影響產(chǎn)量[23]。本研究表明，在不同降水年型下，華北冬小麥最佳灌溉時(shí)期均為拔節(jié)?灌漿期，總體結(jié)論與前人一致[10,24]。但在各年型，灌溉時(shí)期有差異，可能原因是由于不同時(shí)期降水量存在差異，導(dǎo)致冬小麥降水情況不同，所需的灌溉量在各時(shí)期并不一致。濕潤(rùn)年型下，拔節(jié)期和開(kāi)花期灌溉2水，總灌溉量120～150mm，冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率協(xié)同提升最佳，該結(jié)論與張喜英等[25]在河北欒城田間實(shí)驗(yàn)得到的濕潤(rùn)年型下拔節(jié)期灌溉1水，灌溉量60～70mm，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量和水分利用效率均相對(duì)較高的結(jié)論并不一致，是由于本文綜合了區(qū)域多點(diǎn)、多年實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮華北區(qū)域各年型灌溉需求，與單點(diǎn)實(shí)驗(yàn)相比更有代表性。

土壤質(zhì)地影響作物根系分布進(jìn)而影響水分養(yǎng)分吸收[26]，本研究結(jié)果表明壤土條件下，灌溉使冬小麥增產(chǎn)節(jié)水幅度最大，這是由于壤土中黏粒、粉粒、沙粒含量適中，通氣透水及保水能力強(qiáng)，可有效保持灌溉水，同時(shí)黏粒相對(duì)較高，對(duì)養(yǎng)分吸收較好，同樣有利于高產(chǎn)[4]。

本研究表明，華北地區(qū)施氮120～240kg·hm?2，灌溉對(duì)冬小麥增產(chǎn)效果最佳，且水分利用效率降低幅度最小。主要是由于當(dāng)施氮量超過(guò)一定閾值時(shí)會(huì)降低土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，使團(tuán)聚體粒徑減小，有機(jī)質(zhì)含量下降[27]，當(dāng)土壤中施氮量和灌溉水達(dá)到合適的比例，可以顯著增加土壤中微生物的活性，以及土壤有機(jī)質(zhì)和土壤酶的活性[28]，因此，施氮120～240kg·hm?2時(shí)，灌溉增產(chǎn)節(jié)水效果最佳。

本研究基于Meta分析方法研究明確了不同因素影響下華北冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率對(duì)灌溉的響應(yīng)，但仍存在不足。首先，受文獻(xiàn)資料的限制，關(guān)鍵生育時(shí)期灌溉數(shù)據(jù)主要集中在拔節(jié)?灌漿期，未能分析底墑水和越冬水、返青水對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率影響；也未考慮品種、灌溉方式等對(duì)冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率的影響；未考慮降水年型、施氮量等因素之間的交互作用。由于河南南部降水相對(duì)較多，降水基本滿足冬小麥需水要求[29]，因此，灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率影響的文獻(xiàn)相對(duì)較少，但在氣候變化背景下，降水年際之間波動(dòng)性較大，河南南部冬小麥生長(zhǎng)遭遇干旱時(shí)有發(fā)生，此后將進(jìn)一步完善數(shù)據(jù)庫(kù)，分析該地區(qū)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率綜合提升的適宜灌溉時(shí)期和灌溉量。

3.2 結(jié)論

（1）灌溉可使華北地區(qū)冬小麥增產(chǎn)32.0%～38.3%，水分利用效率降低27.3%～30.1%。增產(chǎn)效應(yīng)表現(xiàn)為西北區(qū)域顯著高于東南區(qū)域，WUE降低幅度西北區(qū)域高于東南區(qū)域；西北區(qū)域產(chǎn)量和WUE協(xié)同提升灌溉量為150～180mm，東南區(qū)域?yàn)?20～150mm。

（2）冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率協(xié)同提升灌溉量和灌溉時(shí)期在降水年型之間差異明顯，濕潤(rùn)年型、平水年型和干旱年型灌溉2水的灌溉時(shí)期分別為拔節(jié)和開(kāi)花期、拔節(jié)和孕穗期、拔節(jié)和抽穗期，總灌溉量為120～150mm。

（3）壤土條件下灌溉增產(chǎn)效果最好，黏土條件下水分利用效率降低幅度最小，沙土、壤土、黏壤土和黏土最適宜灌溉量分別為60～90mm、120～150mm、180～210mm和150～180mm。

（4）隨施氮量增加，灌溉對(duì)冬小麥增產(chǎn)幅度呈先增加后減少趨勢(shì)，水分利用效率降低幅度呈先減小后增大趨勢(shì)，施氮量為120～240kg·hm?2時(shí)，灌溉80～110mm和110～140mm增產(chǎn)和水分利用效率最佳，若僅從增產(chǎn)角度考慮適宜灌溉量為110～140mm，若僅從水分利用效率角度考慮適宜灌溉量為80～110mm。

綜上所述，華北地區(qū)濕潤(rùn)年型下在冬小麥拔節(jié)和開(kāi)花期灌溉2次，平水年在拔節(jié)和孕穗期灌溉2次，干旱年在拔節(jié)和抽穗期灌溉2次，總灌溉量為120～150mm，可實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)節(jié)水，壤土條件下，同時(shí)施氮120～240kg·hm?2，可實(shí)現(xiàn)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率協(xié)同提升。

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High Yield and Water Use Efficiency Synergistical Improvement Irrigation Scheme of Winter Wheat in North China Plain Based on Meta-Analysis

ZHOU Li-tao1, SUN Shuang2, ZHANG Zhen-tao1, ZHANG Fang-liang1, GUO Shi-bo1, SHI Yan-ying1, YANG Xiao-guang1

(College of Resources and Environmental Science, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2. Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081)

The effects of irrigation on winter wheat yield and water use efficiency (WUE) were mostly explored based on site-based experiments in North China Plain (NCP) region. However, due to the influences of contrasting environmental factors (e.g. climate and soil properties), these results cannot be accurately cross-compared among different studies, resulting in the difficulty to get the generalizable pattern at regional scale. Here meta-analysis was conducted to comprehensively evaluate the effects of irrigation on winter wheat yield and WUE in NCP region, with the observation data of 1876 pairs from 186 field experimental papers totally. The differences of the irrigation effects in different regions, precipitation year types, soil texture, and nitrogen (N) application levels were explored, and the corresponding optimal irrigation amounts for reaching high yield and WUE were ascertained. Results showed that compared with non-irrigation during the winter wheat growing period, irrigation increased the yield of winter wheat in NCP by 32.0%-38.3%, and reduced the WUE by 27.1%-30.1%. The yield increment due to irrigation in the northwest of NCP (39.6%-53.5%) with total precipitation during the winter wheat growing period below 150mm was higher than that in the southeast of NCP (24.3%-27.1%) with total precipitation during the winter wheat growing period higher than 150mm, while the decrease of WUE due to irrigation in northwest of NCP (32.4%-37.5%) was higher than that in the southeast of NCP (22.0%-24.3%). The optimum irrigation amount for high yield and WUE of winter wheat was 150-180mm in the northwest and 120-150mm in the southeast. Specifically, for different precipitation year types, the optimum irrigation amounts were 120-150mm with 2 times during jointing and flowering stages for dry year, during jointing and heading stages for normal year, and during jointing and booting stages for wet year. For different soil texture, irrigation under loamy soil had the highest increases in yield, while clay soil had the lowest decreases in WUE; the optimum irrigation amounts of winter wheat with four different soil texture of sandy soil, loam, clay loam and clay were 60-90mm, 120-150mm, 180-210mm, and 150-180mm, respectively. For different N application levels, N application of 120-240kg·ha?1led to the highest yield and WUE under the irrigation amounts of 80-140mm, of which the higher yield was obtained under irrigation amounts of 110-140mm, and the higher WUE was obtained under the irrigation amounts of 80-110mm. Collectively, the NCP region can achieve the goals of high yield and WUE when irrigation amount was 120-150mm with 2 times but at different stages during different precipitation year types (i.e. dry year, normal year and wet year). Meanwhile, the combination of loam conditions with the N application of 120-240kg·ha?1can synergistically improve the yield and water use efficiency of winter wheat.

Winter wheat in North China Plain; Yield; Water Use Efficiency; Synergistically improvement; Meta-analysis

10.3969/j.issn.1000-6362.2022.07.001

周麗濤,孫爽,張鎮(zhèn)濤,等.基于Meta分析華北冬小麥高產(chǎn)高效協(xié)同提升灌溉方案[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2022,43(7):515-526

2021?10?01

“十三五”重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2019YFA0607402）；國(guó)家自然科學(xué)基金（41901013）

楊曉光，教授，研究方向?yàn)闅夂蜃兓瘜?duì)農(nóng)業(yè)影響與適應(yīng)、農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬，E-mail: yangxg@cau.edu.cn

周麗濤，E-mail: 871641726@qq.com