賈耀宇，黃偉斌，楊北方，李小飛，王國平，韓迎春，王占彪，李亞兵*，馮璐*

（1.鄭州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，鄭州 450001；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/ 棉花生物育種與綜合利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 安陽 455000）

目前，全球氣候變化的加劇特別是極端干旱給農(nóng)作物生產(chǎn)帶來了巨大的威脅，同時人口日益增長的重大挑戰(zhàn)也使得農(nóng)業(yè)水資源變得越來越稀缺。水資源作為基礎(chǔ)自然資源，不僅是生態(tài)環(huán)境的控制因素之一，還是體現(xiàn)一個國家綜合國力的戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源[1]。中國是水資源匱乏國[1-2]，雖然水資源總量為2.81×104億t，居世界第6 位，但是人均占有量位于第108 位，淡水資源人均占有量僅為世界人均水平的1/4。水資源虧缺是中國特別是西北地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵制約因素[3]。灌溉用水占全球淡水用量的70%～75%[4]。在水土資源供需矛盾日益突出的情況下，過量的灌溉用水加劇了水資源的供需矛盾，給國家的農(nóng)業(yè)安全和社會安全造成重大影響[5]。研究作物需水規(guī)律及缺水干旱對作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的影響，對于合理利用水資源，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

棉花（Gossypiumspp.）是重要的經(jīng)濟(jì)作物和耐旱耐澇型植物。棉花的關(guān)鍵生育時期對水分響應(yīng)敏感，合理灌溉是保證棉花生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)形成的必要因素。由于水資源匱乏，全球約70%的棉花生產(chǎn)面臨干旱風(fēng)險[6-7]。為達(dá)到節(jié)約水資源和可持續(xù)發(fā)展的目的，美國在1960 年左右將灌溉研究由傳統(tǒng)豐水灌溉轉(zhuǎn)向有限灌溉，即在作物水分不敏感時期進(jìn)行虧缺灌溉[8]。20 世紀(jì)70年代中期，澳大利亞首先提出調(diào)虧灌溉（regulated deficit irrigation,RDI），并在桃樹上得到了驗(yàn)證[9]。隨后國內(nèi)康紹忠等[10]研究出新的農(nóng)田節(jié)水灌溉理念和方法，即允許產(chǎn)量在一定限度降低，追求在水分- 產(chǎn)量- 經(jīng)濟(jì)效益上達(dá)到有效統(tǒng)一[11]。虧缺灌溉會導(dǎo)致棉花株高、葉面積指數(shù)[8]和籽棉產(chǎn)量的降低，且隨著虧缺灌溉程度的加重而降低[3]。范志超[8]研究發(fā)現(xiàn)，非充分灌溉會導(dǎo)致棉花干物質(zhì)質(zhì)量下降，隨著灌水量的增加干物質(zhì)質(zhì)量隨之增加且干物質(zhì)分配比例偏向于生殖器官；非充分灌溉還會使得棉花光合速率、蒸騰速率、實(shí)際光化學(xué)效率和最大光化學(xué)效率降低；充足灌水能夠提高棉花上部棉鈴纖維長度和強(qiáng)度，降低馬克隆值，但水分脅迫會抑制棉花種子萌發(fā)[12]。一些研究發(fā)現(xiàn)，作物在虧缺灌溉下能夠在一定程度上維持產(chǎn)量穩(wěn)定、提高品質(zhì)；但是也有研究發(fā)現(xiàn)虧缺灌溉降低了作物產(chǎn)量[13]。在土地和水資源減少以及極端干旱氣候背景下，協(xié)調(diào)水資源節(jié)約利用和棉花產(chǎn)量穩(wěn)定是一項(xiàng)緊迫任務(wù)，也是一項(xiàng)重大的挑戰(zhàn)[13]。

元分析又稱Meta 分析、薈萃分析等，區(qū)別于定性分析的綜述，是一種對現(xiàn)有目標(biāo)主題的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索整合，對數(shù)據(jù)集進(jìn)行定量分析和統(tǒng)計的方法[14-15]。元分析可以系統(tǒng)地結(jié)合以往的研究結(jié)果，運(yùn)用定量方法，分析有關(guān)研究主題的結(jié)論。這種方法增加了統(tǒng)計能力，可以降低Ⅱ型錯誤的發(fā)生率，但可能會增加Ⅰ型錯誤的文獻(xiàn)發(fā)表偏倚[16]。Glass 發(fā)表了第一篇元分析文章，20世紀(jì)末彭少麟等[17]首次將元分析方法引入到中國生態(tài)學(xué)界，并逐漸在農(nóng)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但是針對中國棉花生產(chǎn)虧缺灌溉元分析的研究卻很少。對于不同的灌溉量，棉花的產(chǎn)量、品質(zhì)和水分利用效率的敏感性響應(yīng)不一樣，過往的研究一般是針對局部地區(qū)、模擬試驗(yàn)和室內(nèi)盆栽等，很難說明在全國范圍的虧缺灌溉措施對棉花產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力的影響[18]，其結(jié)論也具有一定的局限性；許多研究調(diào)查了不同灌溉量對棉花產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力（irrigationwaterproductivity,IWP）的影響，但是由于環(huán)境因素和試驗(yàn)因素的差異，結(jié)果并不完全一致[19-20]。也有研究對全球范圍內(nèi)虧缺灌溉下的作物產(chǎn)量進(jìn)行綜合分析[20]，但針對國內(nèi)的研究較少，因此有必要對中國棉花虧缺灌溉研究進(jìn)行系統(tǒng)地總結(jié)和分析。

本文制定檢索標(biāo)準(zhǔn)，搜集中國棉花不同灌溉量下的相關(guān)主題試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料，應(yīng)用元分析方法定量綜合地分析虧缺灌溉處理對我國棉花籽棉產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力的影響，研究結(jié)果可為中國棉花可持續(xù)生產(chǎn)的水資源利用和節(jié)水穩(wěn)定高產(chǎn)栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與文獻(xiàn)檢索

對中國知網(wǎng)（https://www.cnki.net/）和Web of Science （http://www.webofscience.com/）2 個中英文數(shù)據(jù)庫中已發(fā)表的期刊論文進(jìn)行初步的檢索搜集，分析虧缺灌溉條件下棉花產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力的差異響應(yīng)。設(shè)置檢索時間范圍為2010年1 月1 日至2022 年3 月21 日。在中國知網(wǎng)中釆用主題詞和關(guān)鍵詞高級搜索：“棉花”AND “灌溉”AND“產(chǎn)量/ 水分利用效率”NOT“模型”；在Web of science 的核心數(shù)據(jù)庫中采用主題詞高級檢索：“china* cotton”AND “irrigation OR water stress OR irrigation regime OR deficit irrigation”AND “yield OR water productivity OR water use efficiency OR efficiency of irrigation water use”NOT“model”。

根據(jù)研究主題的需要，對所有初篩搜索的文獻(xiàn)制定篩選標(biāo)準(zhǔn)，文獻(xiàn)必須符合：（1）試驗(yàn)站點(diǎn)明確，試驗(yàn)地點(diǎn)必須位于中國，試驗(yàn)對象為棉花；（2）研究案例中有籽棉產(chǎn)量或灌溉水分生產(chǎn)力任一數(shù)據(jù)，其中灌溉水分生產(chǎn)力計算須按照公式：IWP＝Y(jié)（籽棉產(chǎn)量）/I（總灌水量），必須有對照組和處理組成對出現(xiàn)，包括處理組和對照組的樣本量（n）、均值（mean）、標(biāo)準(zhǔn)差（standard deviation,SD）。若文獻(xiàn)中未說明數(shù)據(jù)是標(biāo)準(zhǔn)差或標(biāo)準(zhǔn)誤差以及只給出標(biāo)準(zhǔn)誤差的情況下，則認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)誤差，且是通過公式（SD＝SE×）計算標(biāo)準(zhǔn)差。若給出2 年及以上數(shù)據(jù)，則直接計算標(biāo)準(zhǔn)差[20-21]。少部分單年數(shù)據(jù)如果沒有給出標(biāo)準(zhǔn)差或標(biāo)準(zhǔn)誤差，參照已發(fā)表的文獻(xiàn)[22]，可認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)差是均值的1/10；（3）文獻(xiàn)主題是針對棉花灌溉方案進(jìn)行的研究，并有相應(yīng)的常規(guī)灌溉或近似的固定灌溉處理作為對照組；有較完整的試驗(yàn)地、田間管理措施記錄；盆栽和試驗(yàn)池等試驗(yàn)也納入研究中，模擬類試驗(yàn)研究則剔除；（4）剔除試驗(yàn)地點(diǎn)、試驗(yàn)?zāi)攴?、試?yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果重復(fù)的文獻(xiàn)；（5）在同一試驗(yàn)中，當(dāng)有附加因子影響研究結(jié)果，則認(rèn)為是獨(dú)立的測量值，單獨(dú)納入數(shù)據(jù)庫；每一個重復(fù)作為一個樣本量[23]。由于其他干擾（例如：密度和灌溉或水氮互作或礦化咸水灌溉等）而產(chǎn)生潛在混雜效應(yīng)的研究則被放棄，除非所有對照處理的干擾因素均在相同水平；（6）相同處理下的多次重復(fù)觀測取平均值；（7）只保留已公開發(fā)表的期刊文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。在各個文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫中查找所有符合上述要求的文獻(xiàn)，制定納入和排除的標(biāo)準(zhǔn)分析流程（圖1），其中相關(guān)因素包括區(qū)域和氣候因素、土壤容重、灌溉水分管理、施肥量和田間管理措施。檢索篩選后共獲得53 篇期刊論文（附表1），包括來自不同地區(qū)共443 份研究案例（圖2），其中包括282 份籽棉產(chǎn)量和161 份灌溉水分生產(chǎn)力數(shù)據(jù)。

圖1 納入和排除標(biāo)準(zhǔn)的分析流程圖Fig.1 Analytical flowchart of inclusion and exclusion criteria

圖2 納入研究的試驗(yàn)案例地區(qū)Fig.2 Areas included in the study cases

1.2 數(shù)據(jù)分類

對不同變量進(jìn)行分組，以保證最大限度實(shí)現(xiàn)組內(nèi)同質(zhì)化。其中新疆的灌溉研究數(shù)量所占比例較高，因此對新疆植棉區(qū)進(jìn)行細(xì)分。對于解釋因子中的一項(xiàng)研究需要有一定的觀察數(shù)據(jù)量（不少于2 組試驗(yàn)案例）或至少來自2 篇獨(dú)立的研究，否則不加入分析[24]。此外，通過幾個亞組進(jìn)一步分析籽棉產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力對虧缺灌溉的響應(yīng)，對可能影響虧缺灌溉條件下的籽棉產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力的變量進(jìn)行分析，包括：區(qū)域和氣候因素（不同地區(qū)以及年降水量、年均氣溫）、土壤容重和灌溉管理（灌水量、灌水次數(shù)）、施肥量（施氮量、施磷量、施鉀量）、其他田間管理措施（栽培方式、種植技術(shù)）。

1.3 統(tǒng)計分析

本文采用對數(shù)響應(yīng)比作為效應(yīng)量的度量指標(biāo)[25]，對數(shù)響應(yīng)比計算公式為：

式中的Xe和Xc為不同研究中的處理組和對照組的目標(biāo)變量 （籽棉產(chǎn)量或灌溉水分生產(chǎn)力）的平均值；LnRR為一個無單位指數(shù)，表示效應(yīng)值，效應(yīng)值越接近0，表明虧缺灌溉對棉花產(chǎn)量或灌溉水分生產(chǎn)力的影響越小，效應(yīng)值為正值表示產(chǎn)量或灌溉水分生產(chǎn)力增加，負(fù)值表示產(chǎn)量或灌溉水分生產(chǎn)力減少。

與研究i效應(yīng)值相對應(yīng)的案例內(nèi)方差Vi，是根據(jù)每個案例的標(biāo)準(zhǔn)差、樣本量和均值計算得出，計算公式為：

式中，Se和Sc分別為處理組和對照組的目標(biāo)變量標(biāo)準(zhǔn)差；Ne和Nc分別為處理組和對照組的目標(biāo)變量樣本量。

在元分析過程中，需要對搜集的數(shù)據(jù)進(jìn)行異質(zhì)性檢驗(yàn) （Q檢驗(yàn)），首先采用固定效應(yīng)模型（fixed effect model,FEM）分析，若卡方分布檢驗(yàn)結(jié)果概率P＞0.05，說明數(shù)據(jù)不存在異質(zhì)性；若P＜0.05，說明數(shù)據(jù)異質(zhì)性明顯，則采用隨機(jī)效應(yīng)模型（random effect model,REM）較好，且需要對數(shù)據(jù)分類并進(jìn)行亞組分析其異質(zhì)性[15]。一般情況下，生態(tài)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的分析可能存在抽樣誤差，不同的研究之間存在真實(shí)變異，采用隨機(jī)效應(yīng)模型比固定效應(yīng)模型更合適[18,25-26]，因?yàn)殡S機(jī)效應(yīng)模型計算所得置信區(qū)間較固定模型大，結(jié)果更為嚴(yán)謹(jǐn)。

單個研究i的權(quán)重的計算公式為：

式中的τ2為由于不同研究案例而造成的效應(yīng)值變異，即案例間的方差，利用MetaWin 2.1 軟件內(nèi)置的隨機(jī)效應(yīng)模型D-L 法（DerSimonian-Laird）計算得出。模型累計效應(yīng)值即加權(quán)平均響應(yīng)比的計算公式為：

式中i為案例次數(shù)，k為累積數(shù)。對研究案例數(shù)據(jù)還進(jìn)行了自舉法（Bootstrapping）迭代9 999 次分析并得出95%的置信區(qū)間（95%confidence interval,95%CI），計算公式為：

為便于觀測，所有的分析結(jié)果均表示為相對于對照組的百分比（%），即變化率（%），若95%CI上下限不包括0，統(tǒng)計學(xué)意義P＜0.05，認(rèn)為該分類處理對產(chǎn)量或灌溉水分生產(chǎn)力有顯著影響，若上下限包含0，則認(rèn)為處理沒有顯著影響 （P≥0.05）[27-28]。組間P＜0.05 說明產(chǎn)量或灌溉水分生產(chǎn)力變幅在組間差異顯著，否則差異不顯著。LnRR＋＋與變化率（%）的轉(zhuǎn)化公式為：

Z若為正值則表示籽棉產(chǎn)量或灌溉水分生產(chǎn)力相對對照組增加，負(fù)值則表示降低。

發(fā)表偏倚是由于各論文發(fā)表對同一主題研究結(jié)果造成的不同影響[17]，對于敏感性分析采用漏斗圖和Rosenthal's 失安全系數(shù)進(jìn)行元分析結(jié)果的穩(wěn)健性檢驗(yàn)，當(dāng)失安全系數(shù)N＞5n＋10（n為研究案例數(shù)）時結(jié)果是可信的。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)庫文獻(xiàn)的搜集整理采用Microsoft Excel 2021，數(shù)據(jù)處理采用MetaWin 2.1 軟件，圖片中的數(shù)據(jù)采用Geta-Data Graph Digitizer v.2.22（http://www.getdata-graph-digitizer.com/）進(jìn)行提取，繪圖采用ArcMap 10.7、Metafor 包和Origin Lab 2018。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)概述

搜集了在中國植棉區(qū)開展試驗(yàn)的53 篇已發(fā)表論文，包括282 條虧缺灌溉下棉花籽棉產(chǎn)量和161 條虧缺灌溉下灌溉水分生產(chǎn)力的研究案例。異質(zhì)性檢驗(yàn)結(jié)果顯示P＜0.05，故元分析采用隨機(jī)效應(yīng)模型。籽棉產(chǎn)量和水分生產(chǎn)力的效應(yīng)值頻率分布基本服從正態(tài)分布（圖3A 和3B）。結(jié)果表明，與完全或常規(guī)灌溉相比，虧缺灌溉使籽棉產(chǎn)量降低了16.2%（95%CI：—17.3%～—15.0%），但灌溉水分生產(chǎn)力增加了32.3%（95%CI：27.3%～37.3%）（圖4）。盡管虧缺灌溉可能存在棉花減產(chǎn)的風(fēng)險，但是提高了灌溉水分生產(chǎn)力。然而，水分利用效率和籽棉產(chǎn)量隨機(jī)效應(yīng)元分析存在顯著的殘余異質(zhì)性（Q分別為39 697.89 和4 281.20，P均小于0.000 1），這意味著需要進(jìn)行亞組分析來解釋這種異質(zhì)性。

圖3 籽棉產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力效應(yīng)值的頻率分布Fig.3 Frequency distributions of effect values for seed cotton yield and irrigation water productivity

圖4 虧缺灌溉下棉花產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力的響應(yīng)Fig.4 Resonses of cotton yield and irrigation water productivity to deficit irrigation

2.2 虧缺灌溉下籽棉產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力的影響因素分析

2.2.1地區(qū)和氣候因素分析。對虧缺灌溉條件下不同地區(qū)棉花產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力變化率的影響分析發(fā)現(xiàn)，由于西北內(nèi)陸地區(qū)的研究案例占比大，將西北內(nèi)陸棉區(qū)進(jìn)一步細(xì)分為北疆、南疆和河西走廊（圖5A～D）。虧缺灌溉處理導(dǎo)致各地區(qū)籽棉不同程度的減產(chǎn)，對籽棉產(chǎn)量均表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)（圖5A 和5C）；而灌溉水分生產(chǎn)力均有所提升，虧缺灌溉表現(xiàn)為正效應(yīng)（圖5B 和5D）。虧缺灌溉使西北內(nèi)陸、黃河流域和長江流域棉區(qū)棉花分別減產(chǎn)16.3%、13.4%和15.0%，三大棉區(qū)之間減產(chǎn)幅度差異不顯著（P≥0.05），其中新疆地區(qū)尤其是北疆棉花產(chǎn)量僅下降12.2%（95%CI：—14.0%～—10.3%），減產(chǎn)幅度小于河西走廊地區(qū)且差異極顯著（P＜0.001）。虧缺灌溉條件下，西北內(nèi)陸棉區(qū)灌溉水分生產(chǎn)力提高了34.0%（95%CI：29.7%～38.9%），顯著高于其他2 個棉區(qū)（P＜0.05），其中北疆、南疆和河西走廊地區(qū)灌溉水分生產(chǎn)力分別提升了22.1%、32.3%和43.3%，但三者之間沒有顯著差異（P≥0.05）?？梢姡澣惫喔葘π陆貐^(qū)棉花產(chǎn)量的影響較河西走廊小。

虧缺灌溉下，不同年均降水量對籽棉產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力的影響見圖5E 和5F。年均降水量≥400 mm 的地區(qū)棉花減產(chǎn)幅度為13.4%（95%CI：—19.0%～—7.4%），低于年均降水量＜400 mm的地區(qū)，但沒有顯著差異（P≥0.05）。年均降水量＜400 mm 地區(qū)虧缺灌溉的水分生產(chǎn)力高于充分灌溉，且與≥400 mm 的地區(qū)灌溉水分生產(chǎn)力的變化率差異顯著（P＜0.05）。因此，在年均降水量＜400 mm 地區(qū)進(jìn)行虧缺灌溉，棉花的灌溉水分生產(chǎn)力增幅較高。

虧缺灌溉條件下，不同年均氣溫下棉花產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力的變化率見圖5G 和5H。當(dāng)年均氣溫高于等于10 ℃時，棉花減產(chǎn)幅度為2.6%（95%CI：—5.1%～0.1%），顯著低于年均氣溫低于10 ℃下的減產(chǎn)幅度（P＜0.001）。年平均氣溫在10 ℃（含）以上和10 ℃以下，灌溉水分生產(chǎn)力分別提高38.8%和33.7%，差異不顯著（P≥0.05）。

2.2.2土壤容重和灌溉管理分析。作為植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)，土壤為棉花根部提供了穩(wěn)定的生長環(huán)境，而土壤環(huán)境受到容重和質(zhì)地等因素的影響[29]。虧缺灌溉條件下不同土壤容重的棉花產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力的變化率如圖6 所示，土壤容重≥1.5 g·cm—3或＜1.5 g·cm—3時，棉花分別減產(chǎn)14.7%（95%CI：—17.2%～—12.1%）和9.1%，且二者差異顯著（P＜0.05）；灌溉水分生產(chǎn)力分別提高25.6%（95%CI：19.5%～32.0%）和34.3%(95%CI：27.5%～41.5%），但差異不顯著（P≥0.05）?？梢娞澣惫喔葪l件下，棉花產(chǎn)量在容重小于1.5 g·cm—3的土壤中減產(chǎn)幅度較小，灌溉水分生產(chǎn)力也較高。

圖6 土壤容重對虧缺灌溉下籽棉產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力的影響Fig.6 Effects of soil bulk density on seed cotton yield and irrigation water productivity under deficit irrigation

虧缺灌溉條件下棉花的減產(chǎn)幅度隨灌溉量的增加而遞減，不同程度的虧缺灌溉下減產(chǎn)幅度差異顯著（圖7A）。相對充分灌溉而言，虧缺灌溉量低于正常灌溉量40%時棉花減產(chǎn)最嚴(yán)重，減產(chǎn)幅度高達(dá)54.9%，隨著灌溉量的增多，棉花減產(chǎn)幅度降低，當(dāng)灌溉量為80%～100%時減產(chǎn)最少，為4.1%。而灌溉水分生產(chǎn)力與籽棉產(chǎn)量的變化趨勢略有不同（圖7B），與充分灌溉相比，不同程度的虧缺灌溉 （正常灌溉量的80%～100%、60%～80%、40%～60%和40%以下）均顯著提高了灌溉水分生產(chǎn)力（分別提升了16.9%、30.1%、59.9%和55.8%），其中低于60%的灌溉量對棉花灌溉水分生產(chǎn)力的提升高于60%以上的灌溉量。輕度虧缺灌溉可以在一定程度上以較低的灌溉水分生產(chǎn)力增幅保證最小的棉花產(chǎn)量減幅。

圖7 灌溉程度和灌溉頻次對虧缺灌溉下籽棉產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力的影響Fig.7 Effects of levels of irrigation and irrigation frequency on seed cotton yield and irrigation water productivity under deficit irrigation

虧缺灌溉下，灌水次數(shù)對棉花產(chǎn)量有顯著影響，但對灌溉水分生產(chǎn)力的影響不顯著。其中灌溉次數(shù)≥10 的籽棉減產(chǎn)幅度低于灌溉次數(shù)＜10的籽棉產(chǎn)量幅度，減產(chǎn)幅度分別為13.8%（95%CI：—16.2%～—11.4%）和19.6%（95%CI：—21.0%～—18.1%）。同樣地，與充分灌溉相比，虧缺灌溉次數(shù)＜10 和≥10 的灌溉水分生產(chǎn)力分別提高30.9%（95%CI：22.6%～39.9%）和35.1%（95%CI：28.6%～41.9%），差異不顯著。結(jié)果顯示，虧缺灌溉下進(jìn)行多次灌溉效果較好，能顯著降低減產(chǎn)的風(fēng)險，且能提高灌溉水分生產(chǎn)力。

2.2.3施肥量分析。不同施氮量下虧缺灌溉較充分灌溉的籽棉產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力的變化率不同。當(dāng)施氮量為200～300 kg·hm—2時，虧缺灌溉籽棉產(chǎn)量下降幅度最小（9.5%），且不同施氮量之間差異極顯著（P＜0.001）（圖8A），但各施氮量之間的灌溉水分生產(chǎn)力變化率沒有顯著差異（P≥0.05）（圖8B）。虧缺灌溉條件下，施磷量為150～200 kg·hm—2時，籽棉產(chǎn)量降幅最小，減產(chǎn)8.1%，灌溉水分生產(chǎn)力的增幅最大，提高51.9%，不同施磷量之間產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力均有顯著差異 （P＜0.05）（圖8C 和8D）。當(dāng)施鉀量為100～150 kg·hm—2時，虧缺灌溉導(dǎo)致的籽棉產(chǎn)量的減產(chǎn)率最?。?.5%，圖8E），150～200 kg·hm—2施鉀量時灌溉水分生產(chǎn)力提升最大，提高51.9%（圖8F）。總體來說，施肥量顯著影響虧缺灌溉條件下籽棉產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力，施氮量、施磷量和施鉀量導(dǎo)致的籽棉產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力變化率平均值分別為—13.7%、—14.5%、—14.6%和27.1%、28.7%、28.7%。

圖8 氮肥施用量、磷肥施用量和鉀肥施用量對虧缺灌溉下籽棉產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力的影響Fig.8 Effects of nitrogen fertilizer, phosphorus fertilizer and potassium fertilizer on seed cotton yield and irrigation water productivity under deficit irrigation condition

2.2.4其他田間管理因素分析。虧缺灌溉條件下，不同的種植技術(shù)對棉花產(chǎn)量的影響顯著（P＜0.001）（圖9A），其中干播濕出栽培方式下籽棉產(chǎn)量的減產(chǎn)率小于播前補(bǔ)墑的種植方法，減產(chǎn)率分別15.0%（95%CI：—18.2%～—11.6%）和24.0%（95%CI：—27.3%～—20.5%）；不同種植技術(shù)的灌溉水分生產(chǎn)力均提高，但是變化率沒有顯著差異（P≥0.05）（圖9B）。由此可見，采用干播濕出的種植方式相比播前補(bǔ)墑種植方式的減產(chǎn)風(fēng)險較小，效果較好。虧缺灌溉下大田種植、盆栽和池栽的籽棉產(chǎn)量分別降低了16.6%、15.0%和5.5%，其中池栽的籽棉產(chǎn)量減幅小于大田種植且2 種栽培方式之間存在顯著差異；與其他栽培方式相比，盆栽的籽棉產(chǎn)量變化率的置信區(qū)間較大，且差異不顯著，可能是因?yàn)榕柙匝芯堪咐^少致使結(jié)果準(zhǔn)確度較差，需要進(jìn)一步驗(yàn)證。而大田栽培的灌溉水分生產(chǎn)力增幅最大，提升了34.0%（95%CI：29.4%～38.7%），高于盆栽的12.7%（95%CI：7.6%～19.2%）和池栽的6.7%（95%CI：—2.5%～—15.6%），且3 種栽培方式間差異顯著（P＜0.05）。

圖9 種植技術(shù)和栽培方式對虧缺灌溉下籽棉產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力的影響Fig.9 Effects of planting techniques and cultivation methods on seed cotton yield and irrigation water productivity under deficit irrigation

2.3 敏感性分析

對研究案例進(jìn)行發(fā)表偏倚檢驗(yàn)，使用漏斗圖和Rosenthal’s 失安全系數(shù)檢查發(fā)表偏倚的可能性。如圖10 所示，籽棉產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力雖然存在個別研究案例的偏差，但是二者總體上呈對稱分布；兩者的失安全系數(shù)分別為65 416.9 和12 225.5，均大于5n＋10（n為研究案例數(shù)），進(jìn)一步證實(shí)了不存在發(fā)表偏倚，結(jié)果較為穩(wěn)健。

圖10 發(fā)表偏倚檢驗(yàn)漏斗圖Fig.10 Funnel plot by publication bias test

3 討論

元分析結(jié)果表明，虧缺灌溉會導(dǎo)致棉花減產(chǎn)，但因水資源能夠得到較充分利用，會提高灌溉水分生產(chǎn)力。然而，棉花產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力與多種因素密切相關(guān)，因此，本研究探討多種因素對虧缺灌溉棉花產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力的影響，為在虧缺灌溉實(shí)踐中降低棉花減產(chǎn)的風(fēng)險并最大程度提高棉花的灌溉水分生產(chǎn)力提供參考。

3.1 地區(qū)和氣候影響因素分析

就三大棉區(qū)而言，虧缺灌溉下西北內(nèi)陸棉區(qū)的棉花灌溉水分生產(chǎn)力提升幅度最大，其中新疆地區(qū)的棉花減產(chǎn)較小虧缺灌溉效果最佳。結(jié)合本研究搜集到的數(shù)據(jù)，造成這種結(jié)果的原因之一可能得益于覆膜滴灌技術(shù)在西北內(nèi)陸棉區(qū)的推廣應(yīng)用，地膜覆蓋顯著提高土壤溫度，保持土壤水分[30]，減少水分蒸散，從而提高灌溉水分生產(chǎn)力。此外，Cheng 等[20]認(rèn)為較低的降水量會導(dǎo)致作物蒸散量下降，從而獲得較高的水分生產(chǎn)力。西北大部分地區(qū)降水量少，以灌溉農(nóng)業(yè)為主，在滿足棉花生長所需水分的情況下，棉花產(chǎn)量不會受到太大影響[31]。

虧缺灌溉下，棉花在平均溫度較高的環(huán)境中減產(chǎn)風(fēng)險較低，灌溉水分生產(chǎn)力增幅較大，但是在不同溫度下灌溉水分生產(chǎn)力變化率差異不顯著，這表明虧缺灌溉下較高溫度有利于棉花的生長和水分的利用。生育期內(nèi)低溫會延長棉花的生育期，導(dǎo)致棉花產(chǎn)量下降[32]。劉海蓉等[33]發(fā)現(xiàn)積溫與棉花鈴重密切相關(guān)，生育期10 ℃（含）以上積溫與鈴重成顯著正相關(guān)，較高溫度有利于棉花產(chǎn)量的提高。此外，高溫增加田間水分蒸騰蒸發(fā)，提高產(chǎn)量的同時也會增加水分消耗[21]，這可能是虧缺灌溉下年均氣溫≥10 ℃和年均氣溫＜10 ℃的灌溉水分生產(chǎn)力變化率差異不顯著的原因。

年降水量對虧缺灌溉棉花產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力影響的分析結(jié)果表明，相比于年降水量＜400 mm 的地區(qū)，年降水量≥400 mm 地區(qū)的籽棉產(chǎn)量因虧缺灌溉造成的減產(chǎn)幅度較小，但差異不顯著，這與研究案例較少導(dǎo)致置信區(qū)間較大有關(guān)，而年降水量少的地區(qū)灌溉水分生產(chǎn)力增幅明顯提高。棉花生長需要大量水分，在降水量少且虧缺灌溉情況下生長受到限制，在一定范圍內(nèi)增加降水量能緩解虧缺灌溉造成的籽棉減產(chǎn)[34]，除此之外，棉花具有很強(qiáng)的耐旱性，降水量減少會導(dǎo)致作物蒸散量下降，作物灌溉水分生產(chǎn)力增大，因此，適當(dāng)?shù)乃痔澣睂ψ魑锏纳L也可能表現(xiàn)出積極效果[13]。

3.2 土壤容重和水分灌溉管理影響因素分析

本研究結(jié)果表明，在土壤容重＜1.5 kg·cm—3棉田的籽棉產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力高于土壤容重≥1.5 kg·cm—3的棉田。Yu 等[35]研究表示，干旱對作物產(chǎn)量的影響受土壤性質(zhì)的影響，作物的水分利用和產(chǎn)量與作物對干旱的反應(yīng)顯著相關(guān)。李俊等[12]研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤容重的增大，棉花種子的發(fā)芽率降低。此外，土壤容重越高，土壤愈緊實(shí)，通氣性和透水性越差，從而抑制棉花的生長[36]和肥料的吸收[37]，這些因素可能是虧缺灌溉模式下土壤容重≥1.5 kg·cm—3的棉花產(chǎn)量減產(chǎn)幅度較大、灌溉水分生產(chǎn)力增幅較低的原因。

不同虧缺灌溉量下，籽棉產(chǎn)量隨著相對灌水量的增多而增加，輕度虧缺灌溉（充分灌溉量的80%～100%）籽棉產(chǎn)量的減幅最小，顯著低于小于80%充分灌溉量的減產(chǎn)率，而40%～60%充分灌溉量的灌溉水分生產(chǎn)力最大。這與Dagˇdelen 等[38]和Onder 等[39]的研究基本一致，表明較干旱地區(qū)的灌溉量為充分灌溉量的80%～100%時，籽棉產(chǎn)量最大且與其他更低水平灌溉量的籽棉產(chǎn)量差異顯著。Shareef 等[40]研究結(jié)果也表明，在中國西北沙漠綠洲地區(qū)，當(dāng)棉田相對灌溉量為80%時，可以得到最佳的產(chǎn)量和凈收入，并節(jié)水20%；而相對灌溉量為60%時可以節(jié)約40%的用水量，但會導(dǎo)致重大的產(chǎn)量損失和利潤損失；若水源充足，則可以實(shí)施充分灌溉，以最大限度地提高棉花產(chǎn)量和收益。因此，獨(dú)特的氣候和地理環(huán)境因素下，采取有效的水資源管理可以最大程度的提高棉花產(chǎn)量。綜合考慮棉花產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，虧缺灌溉宜采取大于80%的灌溉量，可以一定程度節(jié)約用水，且減產(chǎn)風(fēng)險較低。

虧缺灌溉下，隨著灌水次數(shù)的增加，籽棉減產(chǎn)幅度下降，但對灌溉水分生產(chǎn)力的影響沒有顯著差異。適當(dāng)增加灌水次數(shù)可以最大程度降低減產(chǎn)風(fēng)險。王春華等[41]的研究結(jié)果表明，在播墑一定的情況下，隨著灌水次數(shù)的增加，棉花產(chǎn)量也隨之顯著增加，增產(chǎn)幅度最大可達(dá)113.4%。雷成霞等[42]對無膜移栽棉不同灌水次數(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，多次灌溉對不同處理的棉花產(chǎn)量均有所提高。高頻灌溉可以使水分集中保持在根區(qū)小范圍內(nèi)，促進(jìn)根系生長和對營養(yǎng)的吸收利用，改善營養(yǎng)物質(zhì)和光合產(chǎn)物向生殖器官的轉(zhuǎn)移從而提高作物的產(chǎn)量和果實(shí)的質(zhì)量[43]。結(jié)合前人研究可知，適當(dāng)增加灌溉次數(shù)能夠降低減產(chǎn)風(fēng)險。

3.3 施肥量影響因素分析

棉花生長的養(yǎng)分部分來自土壤，這些養(yǎng)分包括氮、磷和鉀。前人研究表明氮和磷是棉花生長發(fā)育的主要限制因子，鉀為潛在限制因子[44]。本文分析結(jié)果表明，當(dāng)磷肥施用量在150～200 kg·hm—2（中高水平施肥量）時，虧缺灌溉籽棉產(chǎn)量減幅最小且灌溉水分生產(chǎn)力的變化率（提高）最大；中高水平磷肥用量有助于虧缺灌溉下的棉花生長，施肥量過高或過低均會在一定程度上抑制棉花的生長。趙月等[45]研究表明隨著施氮量的增加，蘋果增產(chǎn)效應(yīng)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。適量施肥有助于提高作物的產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力[46]。需要指出的是，本研究發(fā)現(xiàn)虧缺灌溉下低施肥量的減產(chǎn)率并不一定大于高施肥量，這可能是因?yàn)闄z索文獻(xiàn)的試驗(yàn)條件不完全一致，導(dǎo)致各項(xiàng)研究結(jié)果存在一定差異。除此之外，不同的施肥配方和施肥模式[46-51]以及施肥裝置[49]等因素均會影響棉花的養(yǎng)分吸收，影響棉花的產(chǎn)量和水分利用。綜上，中高施肥量能使虧缺灌溉下棉花生長達(dá)到最佳。

3.4 其他田間管理影響因素分析

隨著西北內(nèi)陸地區(qū)棉花種植面積的增加，棉花生產(chǎn)的耗水量隨之增加，干播濕出技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用來緩解干旱地區(qū)水資源緊缺的問題[31]。棉花易受氣象災(zāi)害的影響，相比傳統(tǒng)的冬春灌溉方式，干播濕出膜下滴灌能提高土壤溫度，實(shí)時控制土壤墑情，靈活調(diào)節(jié)棉花生長的土壤環(huán)境[52]，降低因自然災(zāi)害而引發(fā)的減產(chǎn)風(fēng)險。本文結(jié)果也表明虧缺灌溉下，采用干播濕出栽培方式的減產(chǎn)幅度低于播前補(bǔ)墑。

大田栽培下進(jìn)行虧缺灌溉對灌溉水分生產(chǎn)力的提升最大，顯著高于盆栽和池栽棉花。造成此結(jié)果的原因可能是盆栽和池栽的土壤通透性異于大田土壤，土壤通透性直接影響土壤有機(jī)物的利用和棉花根系呼吸。較差的土壤通透性導(dǎo)致棉花根系的呼吸作用和對水肥的吸收能力減弱[53]。孟軼等[54]認(rèn)為在盆栽條件下土壤的底部處于密封環(huán)境，土壤通透性差從而造成水稻減產(chǎn)。此外，相較于大田節(jié)水灌溉試驗(yàn)，盆栽和池栽的土層淺，沒有地下水供給，作物受到水分脅迫的影響，導(dǎo)致作物生長受限[55]。綜上，盆栽和池栽的灌溉水分生產(chǎn)力的增幅小于大田栽培。

3.5 局限性與未來展望

盡管元分析有很強(qiáng)的實(shí)用性和整合數(shù)據(jù)的潛力，但受已有研究試驗(yàn)條件的限制，部分因素的亞組分析代表性不足，氣候因素以及關(guān)鍵的土壤水分參數(shù)[34]或生育期等因素分析不能夠全面考慮，沒有足夠的數(shù)據(jù)支持這些劃分。因此，結(jié)合本研究所挖掘到的數(shù)據(jù)，未來虧缺灌溉的應(yīng)用研究應(yīng)關(guān)注不同氣候因素和土壤條件以及灌溉時間對棉花產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)力的影響。

4 結(jié)論

虧缺灌溉導(dǎo)致棉花籽棉減產(chǎn)，但能提高灌溉水分生產(chǎn)力。年均氣溫≥10 ℃條件下虧缺灌溉造成棉花的減產(chǎn)幅度較年均氣溫＜10 ℃的有所降低，年降水量＜400 mm 的干旱地區(qū)的灌溉水分生產(chǎn)力增幅顯著高于降水量≥400 mm 地區(qū)。虧缺灌溉下西北內(nèi)陸棉區(qū)尤其是新疆地區(qū)的虧缺灌溉效果最好，西北內(nèi)陸棉區(qū)的灌溉水分生產(chǎn)力增幅最高，其中南北疆的棉花減產(chǎn)率低于河西走廊地區(qū)；虧缺灌溉下隨著土壤容重的減小，棉花減產(chǎn)率降低，灌溉水分生產(chǎn)力的增幅有所提高但差異不顯著；輕度（80%～100%灌溉量）虧缺灌溉下，適當(dāng)增加灌水次數(shù)可以降低棉花的減產(chǎn)率；磷肥施用量在150～200 kg·hm—2時產(chǎn)量減幅最小，灌溉水分生產(chǎn)力增幅較其他施用量顯著提高，而氮肥和鉀肥施用量分別在200～300 kg·hm—2和100～150 kg·hm—2時減產(chǎn)率最?。徊捎酶刹癯龅脑耘喾绞侥芙档吞澣惫喔认旅藁ǖ臏p產(chǎn)幅度，大田栽培下虧缺灌溉的棉花灌溉水分生產(chǎn)力增幅最大。虧缺灌溉是促進(jìn)棉花可持續(xù)生產(chǎn)的有效節(jié)水措施之一，本文通過定量分析不同因素的影響，為虧缺灌溉在我國棉花生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

附表：

詳見本刊網(wǎng)站（https://journal.cricaas.com.cn/）本文網(wǎng)頁版。

附表1 納入文獻(xiàn)的基本信息

Table S1 Basic information of selected literatures