孟遠 吳熠婷 姜美君 江佳琦 余國春 黃志坤 邵鵬程 張倩倩 劉建超

摘要?[目的]為水氮脅迫的合理選擇提供理論依據(jù)。[方法]利用Meta分析（meta-analysis）的方法，系統(tǒng)分析了來自各個地區(qū)試驗的水氮脅迫對小麥影響的相關(guān)論文（共71篇，有效數(shù)據(jù)65組），研究了不同施氮量、施氮次數(shù)、施氮時期對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。[結(jié)果]施氮能有效提高小麥產(chǎn)量改善品質(zhì)，當(dāng)施氮量達到250 kg/hm2時，小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量增長率為研究峰值，而施氮量繼續(xù)增長時，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量增長率與產(chǎn)量增長率均呈下降趨勢。與施氮量所造成的影響類似，施氮次數(shù)對于小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量增長率的作用也是先增后降。灌漿期追氮對小麥產(chǎn)量的促進作用較為明顯，增長率達0.358%，氮肥后移對灌漿期籽粒增重作用明顯，能保持灌漿后勁、延長灌漿過程。拔節(jié)期追氮處理有利于小麥在抽穗期和灌漿期較高葉面積指數(shù)的維持，利于小麥獲得較高產(chǎn)量。[結(jié)論]施氮對我國小麥品質(zhì)和產(chǎn)量具有顯著促進作用，氮肥后移和分次施肥對小麥干物質(zhì)積累有益，增產(chǎn)改善品質(zhì)效果尤佳。

關(guān)鍵詞?小麥;Meta分析;籽粒品質(zhì);產(chǎn)量;水氮脅迫

中圖分類號?S512.1?文獻標(biāo)識碼?A?文章編號?0517-6611（2021）09-0028-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.09.007

Abstract?[Objective] To provide theoretical basis for the reasonable selection of water and nitrogen stress.[Methods] We systematically analyzed the seventy-one papers about the effects of water and nitrogen stress on wheat from different regions by meta-analysis， and researched the effects of nitrogen application， nitrogen fertilizer application times and nitrogen application stages on wheat yield and quality.[Results] Nitrogen application improved wheat yield and quality effectively. When nitrogen application was 250 kg/hm2， the growth rate of wheat yield and quality reached peak value. If nitrogen application continued to increase， the growth rate of wheat yield and quality showed a downward trend. Similar like the influence of nitrogen application， effects of nitrogen fertilizer application times on the growth rates of wheat yield and quality firstly increased， and then decreased. Nitrogen application at pustulation period had obvious promoting effect on wheat yield， the growth rate reached 0.358%. Nitrogen application at later stage had a marked effect at pustulation period on weight gain of wheat grain and it also prolonged the grouting process.Nitrogen application at jointing stage was helpful to the maintain of high leaf area index of wheat at heading?and pustulation stages， and could obtain relatively high wheat yield.[Conclusions] Nitrogen application showed significant promotion effects on wheat quality and yield. Nitrogen application at later stage had positive effects on dry matter accumulation in wheat， and the yield increasing and quality improving effects were ideal.

Key words?Wheat;Meta-analysis;Grain quality;Yield;Water and nitrogen stress

水氮脅迫在小麥作物生產(chǎn)中有著重要的影響，對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)起著不容忽視的作用。我國各地區(qū)水資源儲備不同造就了各地區(qū)不同的用水類型，同時氮素在小麥生產(chǎn)過程中是不可缺少的，我國年施氮量全球占比達40%。數(shù)據(jù)表明，我國大部分種植小麥的地區(qū)因為水資源短缺，都要實行節(jié)水農(nóng)業(yè)。有研究表明，小麥產(chǎn)量不足受水利用率過低影響。翟丙年等[1]研究表明，水分脅迫對氮肥利用率起著重要的作用。因此，水氮脅迫對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)影響的Meta分析對于我國各地區(qū)調(diào)整灌溉量，合理利用水資源，提升氮素利用率，明確水氮施量最優(yōu)解有著重要意義。鄭惠玲等[2]研究表明，不同水氮條件對周麥18有不同的影響。重度缺水時施氮對小麥株高及穗粒數(shù)等多方面有良性影響。支虎名等[3]研究表明，在年降水類型不同的情況下，拔節(jié)期補灌可提高穗數(shù)但會減少穗粒數(shù)，降低千粒重，從而影響了產(chǎn)量的提高。祁有玲等[4]研究表明，苗期干旱脅迫對小麥影響不大，其他時期則有明顯影響，氮脅迫條件相同的情況下，水分脅迫對穗長、千粒重影響明顯，而對穗粒數(shù)和單株產(chǎn)量影響極大。不同條件的氮脅迫對小麥影響不盡相同，但是都能在一定程度上起到促進作用。自我國開始追求小麥產(chǎn)量品質(zhì)以來，已有大量針對水氮脅迫所帶來影響的研究，但研究方向多是在特定地區(qū)、特定土壤環(huán)境進行，其研究結(jié)果并不具備足夠的普適性。為了解各條件下水氮脅迫對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，需要在全國范圍內(nèi)匯集有價值的試驗數(shù)據(jù)，并進行Meta分析，將水氮脅迫對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響進行系統(tǒng)量化分析。鑒于此，筆者通過搜集全國范圍內(nèi)有關(guān)水氮脅迫對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)影響的文章，進行Meta分析（Meta-analysis），系統(tǒng)分析水氮脅迫對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響以及其環(huán)境因素差異，進而為水氮脅迫的合理選擇提供理論依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?數(shù)據(jù)來源

該研究是根據(jù)已發(fā)布的文獻數(shù)據(jù)實行的，從中國知網(wǎng)和萬方等文獻數(shù)據(jù)庫搜索“水分脅迫”“氮脅迫”“土壤養(yǎng)分質(zhì)地”“土壤水分”4個關(guān)鍵詞，并且基于以下條件篩選文獻：①試驗是在中國農(nóng)田進行的，且研究對象是小麥;②同一試驗必須含有不同的水脅迫條件或氮脅迫條件;③試驗必須含有小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的數(shù)據(jù);④每種處理至少重復(fù)3次;⑤有小麥品種、土壤指標(biāo)、試驗點地理位置、氣候條件等信息。經(jīng)篩選后，得到文獻71篇，有效數(shù)據(jù)65組、281個。

將文獻數(shù)據(jù)結(jié)合研究目標(biāo)及內(nèi)容分組來研究水氮脅迫對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。

1.2?研究方法

搜集文獻數(shù)據(jù)時用Get ata Graph Digitizer 2.24軟件提取圖形式的數(shù)據(jù)。若文獻中提供的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)誤（SE），則標(biāo)準(zhǔn)差（SD）可根據(jù)公式（1）來轉(zhuǎn)換：

式中，n為重復(fù)次數(shù)。

統(tǒng)計學(xué)指標(biāo)以響應(yīng)比（responseratios，RR）呈現(xiàn)，且計算95%的置信區(qū)間（95%CI）：

式中，NUEt和NUEe分別為對照組（NPK）和處理組（NPKM）的變量NUE的平均值。在分析過程里，需要將RR對數(shù)化，使用自然對響應(yīng)比（lnRR）來表示NUE受施用有氮肥的影響程度并且可由以下計算得：

施氮對冬小麥品質(zhì)及產(chǎn)量的影響上使用了反應(yīng)比（response ratio，R）作為效應(yīng)量，其公式為：

式中，Xc和Xe分別是獨立研究中對照組和試驗組的平均值。將所述反應(yīng)比轉(zhuǎn)化為百分比變化率，公式如下：

式中，正Y值表示施氮處理產(chǎn)生正效應(yīng)，負Y值則表示產(chǎn)生負效應(yīng)。

若Y值的95%置信區(qū)間與0重合，則認為施氮效應(yīng)不顯著， 反之效應(yīng)顯著。各亞組分析中，若不同分組內(nèi)各個Y值的95%置信區(qū)間未重合，就認為組間差異顯著，相反則差異不顯著。

1.3?數(shù)據(jù)分析

Meta分析歸并計數(shù)資料的響應(yīng)比，且在求得加權(quán)平均響應(yīng)前，應(yīng)確認各試驗處理及結(jié)果有無異質(zhì)性（不同研究結(jié)果之間或處理之間是否是由于隨機誤差引起）。因此，使用卡方檢驗（Chi-squaretest）來檢驗異質(zhì)性，若檢驗結(jié)果P>0.05，表示不同研究結(jié)果或不同處理之間具有同質(zhì)性，可以選擇固定響應(yīng)模型計算歸并統(tǒng)計量，否則采用隨機效應(yīng)模型。

Meta分析以MetaWin 2.1軟件進行。Meta分析中，根據(jù)不同氣候條件和土壤因素，比較NUE受NPK相比NPKM的影響程度。關(guān)于各篇文獻的觀測值，可以通過響應(yīng)值來估計NPK相較NPKM處理NUE的增長量（響應(yīng)值大小則可以體現(xiàn)對照組相比處理組的影響效果）。數(shù)據(jù)分析過程中，還考慮了我國因地區(qū)不同，NPK和NPKM處理間NUE的差異，使用SPSS軟件11.0（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）實行顯著性檢驗和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，例如P<0.05，則認為 NPK和NPKM處理的NUE存在明顯差異。

隨機森林方法是指使用R語言中的軟件包“RandomForest”計算不同因素對氮肥“增效”作用的貢獻率。

2?結(jié)果與分析

2.1?不同施氮量對小麥品質(zhì)和產(chǎn)量的影響

2.1.1?對小麥籽粒蛋白質(zhì)含量的影響。

氮素對冬小麥生長發(fā)育有至關(guān)重要的影響，合理施氮對小麥籽粒蛋白質(zhì)含量具有較明顯的促進作用。施氮量小于400 kg/hm2對小麥籽粒蛋白質(zhì)含量有促進作用（圖1）。其中促進作用在施氮量250 kg/hm2時達到峰值，GPC增加28.35%;當(dāng)施氮量為50 kg/hm2時，增長率最低，為6.84%。當(dāng)施氮量小于250 kg/hm2時，GPC增長率隨施氮量的增加而增加;當(dāng)施氮量大于250 kg/hm2時，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量增長率開始下降。合理施氮對于小麥籽粒蛋白質(zhì)含量均有促進作用，在施氮量為250 kg/hm2時效果最佳，之后小麥籽粒蛋白質(zhì)含量增長率隨施氮量增加而下降。

2.1.2?對小麥產(chǎn)量的影響。

合理施氮對小麥產(chǎn)量同樣具有促進作用。在施氮量達到200 kg/hm2之前，隨著施氮量的增加，小麥產(chǎn)量增長率也在增加;當(dāng)施氮量達到200 kg/hm2時，小麥產(chǎn)量增長率達到研究峰值，為35.4%;當(dāng)施氮量為50 kg/hm2時增長率是18.64%，為最低值;而當(dāng)施氮量高于200 kg/hm2時，增長率呈下滑趨勢?？傊?，施氮量對于小麥產(chǎn)量有著促進作用，該研究中施氮量為200 kg/hm2時效果最佳（圖2）。

2.2?不同施氮次數(shù)對小麥作物的影響

2.2.1?對小麥籽粒蛋白質(zhì)含量的影響。

小麥生長期間不同施氮次數(shù)對小麥籽粒蛋白質(zhì)含量影響顯著，對小麥籽粒蛋白質(zhì)含量而言，5次及5次以內(nèi)的施氮處理對小麥籽粒蛋白質(zhì)含量呈促進作用。從圖3可以看出，施氮3次時籽粒蛋白質(zhì)含量增長率達到峰值，增長率達45.12%;施氮次數(shù)達5次時增長率最低，僅8.22%;合理次數(shù)內(nèi)施氮處理對于小麥籽粒蛋白質(zhì)含量具有促進作用，施氮3次時效果最顯著，而次數(shù)再增加時促進效果明顯下降。

2.2.2?對小麥產(chǎn)量的影響。

該研究統(tǒng)計了3次及3次以內(nèi)施氮次數(shù)對小麥產(chǎn)量的影響，均對小麥產(chǎn)量有促進作用，平均增長率為36.18%。從圖4可以看出，施氮1次時小麥產(chǎn)量增長率為33.8%，施氮2次時小麥產(chǎn)量增長率為35.48%，施氮3次時小麥產(chǎn)量增長率最高，達39.26%。

2.3?不同追氮時期對小麥作物的影響

2.3.1?對小麥籽粒蛋白質(zhì)含量的影響。

不同時期追氮處理會對小麥籽粒蛋白質(zhì)含量造成不同影響。在不同生長階段對小麥進行追氮處理對其籽粒蛋白質(zhì)含量有促進作用，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量平均增長率達到21.67%。從圖5可以看出，在開花期進行追氮處理，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量增長率最高，達34.47%，灌漿期追氮處理小麥籽粒蛋白質(zhì)含量的增長率僅15.72%，為各時期最低。

2.3.2?對小麥產(chǎn)量的影響。

相似地，不同時期追氮處理會對小麥產(chǎn)量造成不同影響，平均產(chǎn)量增長率為31.7%。根據(jù)圖6可以看出，拔節(jié)期追氮小麥產(chǎn)量增長率為28.37%，為研究最低值，灌漿追氮小麥產(chǎn)量增長率為35.82%?？傊?，在灌漿期進行追氮處理對小麥產(chǎn)量的促進效果最好，在開花期和越冬期追氮促進效果相差不多，促進效果較差，與對小麥籽粒蛋白質(zhì)的影響相比，不同時期追氮對小麥產(chǎn)量影響更大。

3?討論

3.1?不同施氮量與施氮次數(shù)對小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量的影響

不同施氮量對小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量影響顯著，合理的施氮處理可以協(xié)調(diào)小麥品質(zhì)和籽粒產(chǎn)量之間的關(guān)系，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效高產(chǎn)同步增長的目標(biāo)。在氮水平較低時，增施氮肥處理可提高小麥品質(zhì)和產(chǎn)量;當(dāng)施氮量到達產(chǎn)量高限時，繼續(xù)增施氮肥可能造成產(chǎn)量降低，但還有可能使品質(zhì)提高。通過Meta分析發(fā)現(xiàn)，在研究中的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，無論施氮量多少，都會對小麥品質(zhì)和產(chǎn)量有促進作用，當(dāng)施氮量達到250 kg/hm2時，小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量增長率為研究峰值。介曉磊等[5]研究認為，在土壤為中高肥力的條件下，施氮量達到240 kg/hm2時小麥產(chǎn)量達到最高，這與該研究結(jié)果基本一致。但施氮量繼續(xù)增長時，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量增長率與產(chǎn)量增長率均呈下降趨勢，該施氮量會增加成本、浪費氮肥。關(guān)于小麥籽粒蛋白質(zhì)和施氮量的關(guān)系，研究結(jié)果總體一致，即兩者呈顯著正相關(guān)，籽粒蛋白質(zhì)含量隨著施氮量的增加而增加[6]。小麥生長期間不同的施氮頻次對于小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量也有重大影響，研究表明與施氮量所造成的影響類似，施氮次數(shù)對于小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量增長率的作用也是先增后降。

3.2?不同追氮時期對小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量的影響

不同時期追氮處理會對小麥籽粒蛋白質(zhì)含量與小麥產(chǎn)量造成不同影響。利用Meta分析的方法發(fā)現(xiàn)，灌漿期追氮對小麥產(chǎn)量的促進作用較明顯，增長率達0.358%，不同追氮時期對小麥產(chǎn)量的影響在于群體數(shù)量，當(dāng)小麥穗數(shù)逐漸增加時，產(chǎn)量提高。李珊珊等[7]研究表明，追氮在一定程度上可延緩旗葉的衰老，并可將其功能期延長，其中以開花期追氮作為后期處理為佳。且后期追氮，特別是開花期追氮會使旗葉中硝酸還原酶處于一個較高的活性水平，并且有利于活性保持相對比較長的時間。在小麥籽粒蛋白質(zhì)含量和施氮時期的關(guān)系中，前人普遍認為當(dāng)施氮時期后移時，籽粒蛋白質(zhì)含量呈增加趨勢[8-11] 。目前，對小麥最佳施氮時期還沒有形成統(tǒng)一的結(jié)論，自拔節(jié)期到開花期均有推薦[12]。張軍等[8]認為在適宜的施氮量條件下，開花期作追氮處理蛋白質(zhì)含量最高，抽穗期追氮處理次之。楊麗娟等[13]研究表明，氮肥后移對灌漿期籽粒增重作用明顯，能保持灌漿后勁、延長灌漿過程，利于小麥增產(chǎn)和籽粒品質(zhì)的提高。而在開花期追氮處理會導(dǎo)致穗數(shù)少，從而引起產(chǎn)量下降。拔節(jié)期做追氮處理有利于小麥在抽穗期和灌漿期維持較高葉面積指數(shù)，而抽穗期和灌漿期是小麥干物質(zhì)積累的關(guān)鍵時期，最終利于小麥獲得較高產(chǎn)量。

3.3?研究的不足與意義

氮條件對小麥生長發(fā)育的影響是一個繁雜的過程，要正確認知這一過程，既需要關(guān)注小麥各項生長指標(biāo)，對其進行分析，也要探究多方面因子以及不同種環(huán)境條件所帶來的綜合作用，以此向Meta分析提供多且可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。小麥經(jīng)過常年培育，由于風(fēng)土環(huán)境不同，培育出了相當(dāng)數(shù)量的品種，該研究雖參考了大量文獻但并沒有考慮到由于品種、地區(qū)所造成差異的影響，也沒有將溫度、水分脅迫、土壤質(zhì)地等會對小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量有影響的條件納入研究中。由于該研究參考的文獻較少提到小麥的施肥方式，因此未將施肥模式對小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量的影響納入研究條件中。盡管對于影響小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量的因素考慮不夠詳盡，關(guān)于氮條件對于小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量影響的研究比較符合日常經(jīng)驗結(jié)果。已有文獻顯示，氮條件對小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量具有顯著影響，該研究的結(jié)果也為小麥如何科學(xué)施氮、最大程度避免減產(chǎn)并增產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)，從而為我國小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的提升提供了理論和科學(xué)依據(jù)。

4?結(jié)論

施氮條件對小麥品質(zhì)和產(chǎn)量有明顯影響。在小麥不同生長時期施氮，對品質(zhì)和產(chǎn)量都有正面作用。在拔節(jié)期追氮，小麥產(chǎn)量增長率最低;在灌漿期追氮，小麥產(chǎn)量增長率最高，為0.358%。

施氮量達到250 kg/hm2時，小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量增長率均為最高。當(dāng)施氮量繼續(xù)增加時，產(chǎn)量增長率下降但品質(zhì)還有可能繼續(xù)提高;但當(dāng)施氮量過高時，產(chǎn)量和品質(zhì)增長率均呈下降趨勢。在該研究中的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)進行多次施氮同樣對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)具有正面作用，以3次最佳。

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