武亞梅，朱德蘭，葛茂生，李 丹

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

冬小麥作為我國西北地區(qū)的重要糧食作物之一，維持其高產(chǎn)對(duì)于保證該地區(qū)的糧食安全意義重大。干旱少雨是該地區(qū)的主要自然特征，近些年的持續(xù)性干旱導(dǎo)致西北地區(qū)平均年降水量減少5%，且降雨量相對(duì)豐富的夏季與冬小麥的需水關(guān)鍵期存在錯(cuò)位，為保證冬小麥高產(chǎn)必須進(jìn)行補(bǔ)充灌溉[1]。前人研究表明灌溉量對(duì)冬小麥產(chǎn)量影響顯著，冬小麥產(chǎn)量隨灌溉量及全生育期耗水量的增加而增加[2]。但是，不同學(xué)者對(duì)灌溉對(duì)冬小麥水分利用效率影響的研究結(jié)果存在差異：張益望等[3]對(duì)黃土塬區(qū)灌溉和施肥耦合條件下田間土壤水分變化進(jìn)行分析，結(jié)果表明較不灌溉而言，灌溉降低了冬小麥的水分利用效率；劉存壽等[4]的研究卻發(fā)現(xiàn)，對(duì)渭北塬區(qū)冬小麥在需水敏感期內(nèi)進(jìn)行適量灌溉可有效提高其水分利用效率;劉小利等[5]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)關(guān)中西部灌區(qū)冬小麥進(jìn)行適量灌溉可以增加其水分利用效率。

由上述研究結(jié)果可知，開展定點(diǎn)小區(qū)試驗(yàn)對(duì)冬小麥水分利用效率的研究結(jié)論存在一定局限性，難以反映出不同地區(qū)、不同降雨水平下灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率影響的一般規(guī)律。

為此，本研究對(duì)已有的定點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集整合，并基于Meta分析方法對(duì)整合數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析。Meta分析方法是一種對(duì)同一主題的研究進(jìn)行整合并系統(tǒng)分析某種措施綜合效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)方法，亦可用于判斷同一探究主題下各獨(dú)立試驗(yàn)的研究結(jié)果之間的一致性[6]。該分析方法被美國教育家Glass[7]首次提出后，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展。在我國，彭少麟等[8]首次將該方法應(yīng)用于生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究，并逐漸被應(yīng)用于農(nóng)學(xué)領(lǐng)域研究，包括旱作栽培技術(shù)對(duì)小麥產(chǎn)量與水肥利用效率的影響[9]、保護(hù)性耕作措施對(duì)作物產(chǎn)量的效應(yīng)[10]、可降解膜覆蓋對(duì)玉米產(chǎn)量的影響[11]、加氣灌溉下作物產(chǎn)量和水分效應(yīng)[12]等。但是，該方法尚未被用于分析灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響。

本文通過收集現(xiàn)有西北地區(qū)冬小麥田間灌溉試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以生育期內(nèi)不灌溉作為對(duì)照，應(yīng)用Meta分析方法定量研究灌溉對(duì)我國西北地區(qū)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響，以及不同降雨年型下的灌溉增產(chǎn)效應(yīng)和水分利用效率效應(yīng)，以期為不同降雨年型下的灌溉增產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)，尋求同步提高西北地區(qū)冬小麥產(chǎn)量與水分利用效率的途徑。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究在中國知網(wǎng)、萬方、維普及Web of science，Google scholar等中英文數(shù)據(jù)庫進(jìn)行文獻(xiàn)搜集，收集了截至2017年7月21日國內(nèi)外發(fā)表的有關(guān)我國西北地區(qū)灌溉冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率的田間試驗(yàn)論文，中文檢索詞語包括灌溉、冬小麥、產(chǎn)量、耗水量、水分利用效率等及其組合；英文檢索詞包括irrigation、winter wheat、yield、water consumption、water use efficiency(WUE)等及其組合。文獻(xiàn)篩選標(biāo)準(zhǔn)如下：①試驗(yàn)站點(diǎn)位于中國西北地區(qū)，站點(diǎn)明晰，試驗(yàn)時(shí)間清楚；②必須為無防雨棚的田間試驗(yàn)，盆栽、水分池及有防雨棚的試驗(yàn)均排除在外；③生育期不灌溉作為對(duì)照組，不同灌溉處理為試驗(yàn)組；④文中列出2種處理的產(chǎn)量或水分利用效率均值、標(biāo)準(zhǔn)誤(差)和試驗(yàn)重復(fù)數(shù)，至少有產(chǎn)量與水分利用效率兩個(gè)指標(biāo)中的一個(gè)，文中水分利用效率指冬小麥產(chǎn)量與其耗水量的比值。經(jīng)以上標(biāo)準(zhǔn)篩選，共獲得分布于西北地區(qū)8個(gè)試驗(yàn)站點(diǎn)的18篇文獻(xiàn)，包含135組配對(duì)試驗(yàn)(產(chǎn)量135組，水分利用效率66組)。通常，論文數(shù)據(jù)以3種形式呈現(xiàn)：柱狀圖、折線圖與表格，對(duì)表格中的數(shù)據(jù)直接提取；對(duì)柱狀圖或折線圖中的數(shù)據(jù)則采用圖形數(shù)字化軟件GetData Graph Digitizer2.22(http:∥getdata-graph-digitizer.com/download.php)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換后再提取。對(duì)符合標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)提取試驗(yàn)點(diǎn)位置、生育期降雨量、土壤類型、試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)組灌溉定額、產(chǎn)量及水分利用效率等數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)沒有報(bào)道氣象數(shù)據(jù)的，通過國家氣象信息中心網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)獲取。

1.2 數(shù)據(jù)分析方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)差是Meta分析的一個(gè)主要輸入?yún)?shù)，作為各研究權(quán)重的依據(jù)。當(dāng)文中列有產(chǎn)量或水分利用效率的標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)，直接摘錄；對(duì)于僅提供標(biāo)準(zhǔn)誤的數(shù)據(jù)，我們將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)差[SD=SEsqrt(N)，N為試驗(yàn)重復(fù)數(shù)][13]；對(duì)于無標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)，我們遵循Van Groenigen等[14,15]的方法估量。步驟如下：首先，我們計(jì)算出納入樣本的整體變異系數(shù)；再則，以其均值乘以變異系數(shù)來進(jìn)行估量。

1.2.2 整合分析過程

在OpenMee計(jì)算軟件(http:∥www.cebm.brown.edu/openmee/help.html)中輸入各研究中補(bǔ)充灌溉和生育期不灌溉的產(chǎn)量和水分利用效率均值、相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差、樣本量，使用響應(yīng)比的自然對(duì)數(shù)(lnR)作為效應(yīng)值，由于數(shù)據(jù)來源于不同地點(diǎn)，有著不同的田間管理?xiàng)l件，選用隨機(jī)效應(yīng)模型獲得效應(yīng)值lnR[16]：

lnR=ln(Xe/Xc)

(1)

式中：Xe和Xe分別為各處理產(chǎn)量或水分利用效率重復(fù)測(cè)量后的均值；R為響應(yīng)比。

采用OpenMee軟件中的隨機(jī)效應(yīng)模型展開再分析，算出平均效應(yīng)值。若95%置信區(qū)間與無效線有重疊，則試驗(yàn)組和對(duì)照組無顯著差異；若95%置信區(qū)間與無效線無重疊，則認(rèn)為它們的差異比較顯著[17]。為了更加直觀地反映灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量與水分利用效率的影響和便于解釋，將效應(yīng)值lnR轉(zhuǎn)化為增產(chǎn)率或相對(duì)水分利用效率變化率Z[18]：

Z=(R-1)×100%

(2)

若R=1，即變化率為0，說明灌溉組和不灌溉組之間不存在顯著的差異；若R>1，說明產(chǎn)生正效應(yīng)，補(bǔ)充灌溉增加了冬小麥產(chǎn)量或水分利用效率；若R<1，說明產(chǎn)生了相反效應(yīng)，補(bǔ)充灌溉使產(chǎn)量或水分利用效率降低。

為了更直觀的反映各樣本數(shù)據(jù)對(duì)的冬小麥產(chǎn)量與水分利用效率效應(yīng)值lnR的分布情況，本研究采用高斯函數(shù)對(duì)每個(gè)效應(yīng)值lnR的頻數(shù)分布進(jìn)行高斯分布擬合[10]，公式如下：

(3)

式中：x為產(chǎn)量或水分利用效率在某一分布頻數(shù)區(qū)間lnR的平均值；y為對(duì)應(yīng)的頻數(shù)；A為x=xc時(shí)對(duì)應(yīng)的系數(shù)；xc和w分別為擬合高斯分布的均值與方差。

1.2.3 累積Meta分析

累積Meta分析是將各個(gè)研究依次引入Meta分析過程的一種分析方法，可反映效應(yīng)值的估計(jì)值隨時(shí)間或其他協(xié)變量的變化趨勢(shì)[11]。

1.2.4 亞組分析

亞組分析通過將文獻(xiàn)按照一定標(biāo)準(zhǔn)劃分為不同組別，可以用來分析影響因素對(duì)指標(biāo)變化率的影響大小。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

本論文所用數(shù)據(jù)采用Excel2016進(jìn)行記錄和整理，采用Openmee軟件進(jìn)行計(jì)算和分析，使用Origin8.5繪圖軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響

計(jì)算中國西北地區(qū)灌溉與生育期不灌溉比較下冬小麥產(chǎn)量與水分利用效率的變化率(表1)。結(jié)果看出，產(chǎn)量與水分利用效率的效應(yīng)值檢驗(yàn)均表現(xiàn)為顯著(P<0.05)，總體而言，與生育期不灌溉相比，補(bǔ)充灌溉后冬小麥平均增產(chǎn)率為27.9%(置信區(qū)間23.1%～32.8%)，水分利用效率整體上顯著增加6.1%(置信區(qū)間0.1%～12.7%)。

表1 灌溉條件下冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率的變化率

Tab.1 Change rate of winter wheat yield andWUEunder Irrigation

模型指標(biāo)變化率/%95%置信區(qū)間/%下限上限效應(yīng)值檢驗(yàn)隨機(jī)效應(yīng)模型產(chǎn)量27.923.132.80水分利用效率6.10.112.70.047

Meta分析結(jié)果表明，冬小麥產(chǎn)量綜合效應(yīng)值為0.246±0.038(表2)，這與高斯分布擬合曲線對(duì)應(yīng)的lnR均值幾乎相同(0.215)，說明擬合曲線較好地反映了冬小麥產(chǎn)量對(duì)灌溉的響應(yīng)大小的總體分布情況。冬小麥水分利用效率綜合效應(yīng)值則為0.061±0.059(表2)。高斯分布擬合結(jié)果表明，與不灌溉相比，灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量與水分利用效率影響明顯，效應(yīng)值的頻數(shù)分布均呈顯著正態(tài)分布(圖1)。灌溉與不灌溉對(duì)照下冬小麥產(chǎn)量效應(yīng)值lnR正態(tài)分布范圍為-0.124～1.415[R2=0.941，P<0.001，表2，圖1(a)]，即與不灌溉相比，灌溉后冬小麥增產(chǎn)率的變化范圍為-11.7%～311.6%，這表明灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響最高使其增加311.6%，最低可使其減少11.7%。灌溉與不灌溉冬小麥水分利用效率效應(yīng)值lnR正態(tài)分布范圍為-0.398～0.787[R2=0.635，P<0.050，表2，圖1(b)]，即與不灌溉相比，灌溉后冬小麥相對(duì)水分利用效率變化率的變化范圍為-32.8%～119.7%，這表明灌溉對(duì)冬小麥水分利用效率的影響最高使其增加119.7%，最低可使其減少32.8%。

表2 灌溉條件下冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率的效應(yīng)值與高斯分布

Tab.2 Effect size and fitted Gaussian distributions under irrigation on winter wheat yield andWUE

指標(biāo)配對(duì)試驗(yàn)組數(shù)效應(yīng)值平均值95%置信區(qū)間高斯分布AXcwR2P產(chǎn)量1350.2460.03851.1010.2150.2160.941<0.001水分利用效率660.0610.05931.423-0.0590.1310.635<0.050

圖1 灌溉冬小麥產(chǎn)量與水分利用效率效應(yīng)值頻數(shù)分布Fig.1 Frequency of distributions of response ratios(lnR) for yield and WUE of irrigated winter wheat

2.2 灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的累積Meta分析

對(duì)灌溉的冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率按灌溉定額從小到大進(jìn)行累積Meta分析(圖2)。由于配對(duì)試驗(yàn)組數(shù)較多，按灌溉定額的大小將灌溉定額進(jìn)行分組，然后對(duì)組別進(jìn)行累積Meta分析。結(jié)果表明，當(dāng)灌溉量從≤90 mm增加到>270 mm時(shí)，與不灌溉相比，灌溉冬小麥的累積平均增產(chǎn)率為23.0%～32.6%[圖2(a)]；灌溉定額從≤90 mm增加到>180 mm時(shí)，相對(duì)水分利用效率的累積變化率為4.16%～31.1%[圖2(b)]。冬小麥增產(chǎn)率和相對(duì)水分利用效率變化率隨灌溉定額的累積變化趨勢(shì)不同。隨著灌溉定額的累積，累積增產(chǎn)率逐漸提高，累積相對(duì)水分利用效率變化率卻逐漸降低?？梢姡煌喔榷~在很大程度上均促進(jìn)了冬小麥增產(chǎn)，但對(duì)水分利用效率的累積效應(yīng)有所降低，且由顯著的正效應(yīng)變化為不顯著(與無效線相交)。

注：各橫線的上下限表示95%置信區(qū)間，字母M代表灌溉定額，虛線即為無效線，誤差線右方的數(shù)字表示相應(yīng)分組的數(shù)據(jù)對(duì)。圖2 灌溉定額對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的累積Meta分析Fig.2 Cumulative meta-analysis of irrigation volumes on winter wheat yield and WUE

2.3 灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的亞組分析

不同降雨條件下，灌溉引起作物產(chǎn)量與水分利用效率的變化有所區(qū)別。為探究不同降雨年型下灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響，根據(jù)黃高寶、劉衛(wèi)星等[19,20]的方法計(jì)算冬小麥生育期降雨量相對(duì)變化率，將所有配對(duì)試驗(yàn)的年份按照生育期降雨量相對(duì)變化率大小分為枯水年、平水年和豐水年。

降水量相對(duì)變化率=(R-R0)/R0×100%

(4)

式中：R為試驗(yàn)?zāi)攴萆诮涤炅?；R0為生育期年均降雨量。

當(dāng)生育期降雨量相對(duì)變化率≥25%時(shí)，則為豐水年，當(dāng)生育期降雨量相對(duì)變化率≤-25%時(shí)，則為枯水年，介于二者之間為平水年。試驗(yàn)?zāi)攴萆诮涤炅空栽墨I(xiàn)或者從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)地面氣候資料月值數(shù)據(jù)庫獲得，生育期年均降雨量來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)地面累年值月值數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用Openmee軟件中的Subgroup analysis模塊進(jìn)行亞組分析。由表3可知，不同降雨年型的冬小麥灌溉后產(chǎn)量均顯著提高，豐水年灌溉后增產(chǎn)率高達(dá)57.8%(置信區(qū)間43.6%～73.6%)，平水年灌溉后的增產(chǎn)率只有22.9%。隨著冬小麥產(chǎn)量的顯著增加，干旱年和豐水年的水分利用效率均較不灌溉時(shí)有所增加，分別為19.3%(置信區(qū)間1.9%～39.7%)和33.7%(置信區(qū)間20.8%～47.9%)，但平水年時(shí)略低于不灌溉，相對(duì)水分利用效率變化率為-1.9%，但差異并不顯著(置信區(qū)間-5.8%～2.2%)。

表3 不同降雨年型灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的亞組分析

Tab.3 Subgroup analysis of irrigation on winter wheat yield and WUE in different rainfall years

降雨年型產(chǎn)量配對(duì)試驗(yàn)組數(shù)變化率/%95%置信區(qū)間/%下限上限水分利用效率配對(duì)試驗(yàn)組數(shù)變化率/%95%置信區(qū)間/%下限上限枯水年3130.518.344.11919.31.939.7平水年9022.918.527.642-1.9-5.82.2豐水年1457.843.673.6533.720.847.9

2.4 發(fā)表偏倚檢驗(yàn)

發(fā)表偏倚是由于各論文因發(fā)表機(jī)會(huì)不同而對(duì)同一主題研究結(jié)果造成影響[21]。本論文采用漏斗圖法進(jìn)行可視化測(cè)量納入樣本有無發(fā)表偏倚存在。本論文采用產(chǎn)量數(shù)據(jù)對(duì)繪制漏斗圖，結(jié)果如圖3所示，本散點(diǎn)基本呈對(duì)稱分布，可作為Meta分析結(jié)果穩(wěn)健性的檢驗(yàn)。

圖3 發(fā)表偏倚檢驗(yàn)漏斗圖Fig.3 Funnel plot by publication bias test

3 討 論

(1)灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響。灌溉條件下，作物各器官正常發(fā)育并協(xié)調(diào)工作，在提高冬小麥產(chǎn)量的同時(shí)水分利用效率自然也就提高了[22]。李巧珍等[23]對(duì)北京地區(qū)冬小麥試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，小麥關(guān)鍵期灌溉明顯增加了耗水量，產(chǎn)量是不灌溉時(shí)的1.63～1.95倍。劉泉斌等[24]對(duì)涇惠渠灌區(qū)冬小麥灌溉制度的研究中指出，冬小麥最終產(chǎn)量與灌溉水量有直接關(guān)系，在適宜的補(bǔ)充灌溉量范圍內(nèi)，產(chǎn)量與灌溉量成正比。王建東等[25]通過北京地區(qū)3種節(jié)水灌溉方式對(duì)冬小麥產(chǎn)量影響的研究發(fā)現(xiàn)，不同灌水模式下，冬小麥產(chǎn)量與灌溉定額呈正相關(guān)。這與本研究隨著灌溉定額的增加，冬小麥產(chǎn)量的累積增產(chǎn)效應(yīng)增加的結(jié)果一致。

楊玉萍等[26]研究得出寶雞地區(qū)生育期降雨量接近常年降雨量時(shí)的適宜灌溉水量為480 mm，不適用于冬小麥生育期內(nèi)降水較多或較少年份。王淑芬等[27]通過3種不同降雨年型的試驗(yàn)研究得出：華北地區(qū)冬小麥的適宜灌溉方案是豐水年無需灌溉；平水年在拔節(jié)期灌溉60～75 mm；枯水年在拔節(jié)期和抽穗期進(jìn)行灌溉，灌溉水量120～140 mm，在保持作物一定產(chǎn)量的同時(shí)其水分利用效率得以提高。因此，由于不同降雨年型下的作物降雨利用效率不同，作物根系對(duì)降雨、土壤水和灌溉水的利用機(jī)制不同，灌溉的增產(chǎn)效應(yīng)不同，為了獲得高產(chǎn)而節(jié)水的目標(biāo)，適宜的灌溉水量也因降雨年型的變化而不同。此外，王東等[28]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)適宜時(shí)間和適宜灌溉量的灌溉后，冬小麥產(chǎn)量受生育期降雨量的影響顯然減弱，本研究干旱年和平水年的產(chǎn)量效應(yīng)相差不大可能就與納入研究樣本的灌溉定額較為適宜有關(guān)。

(2)進(jìn)一步研究建議。實(shí)際上，進(jìn)行灌溉增產(chǎn)的空間和不同降雨年型效應(yīng)研究需要在多個(gè)試驗(yàn)站點(diǎn)進(jìn)行多年的試驗(yàn)研究，過程耗時(shí)長且投資大，可操作性較低， Meta分析方法避免了這些弊端，提供了一種基于前人研究結(jié)果的便捷的數(shù)據(jù)綜合處理方法，是一種定量化地定性分析方法。但灌溉增產(chǎn)效應(yīng)還因施肥量、覆膜與否、土壤類型和灌溉方式等因素有關(guān)，如郭孟楚等[29]在田間條件下研究發(fā)現(xiàn)灌溉條件下，覆膜對(duì)作物產(chǎn)量的影響大于灌溉。本文分析補(bǔ)充灌溉在西北地區(qū)的增產(chǎn)效應(yīng)時(shí)未考慮各因素之間的交互影響，但筆者認(rèn)為，在長時(shí)間和大地域尺度下，降雨、土壤等各種條件是不同和變化的，從基于不同降雨、土壤、田間管理等條件的試驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)，可能更加真實(shí)地反映自然條件下的補(bǔ)灌效應(yīng)，以這個(gè)角度來看，本研究可以為了解大地域范圍下補(bǔ)充灌溉的增產(chǎn)效應(yīng)提供一些參考價(jià)值。

4 結(jié) 語

本研究基于1974-2017年公開發(fā)表的數(shù)據(jù)，應(yīng)用Meta-analysis方法，定量分析了補(bǔ)充灌溉對(duì)我國西北地區(qū)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的區(qū)域效應(yīng)、灌溉定額對(duì)產(chǎn)量和水分利用效率的累積效應(yīng)和不同降雨年型補(bǔ)充灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響。結(jié)果表明：與生育期不灌溉相比，西北地區(qū)灌溉冬小麥平均增產(chǎn)率27.9%，冬小麥平均相對(duì)水分利用效率變化率6.1%；冬小麥增產(chǎn)率隨灌溉定額的累積高達(dá)32.1%，累積相對(duì)水分利用效率變化率減小為4.1%；干旱年和豐水年時(shí)灌溉的增產(chǎn)效應(yīng)顯著，平水年時(shí)灌溉冬小麥水分利用效率低于不灌溉時(shí)；基本對(duì)稱的漏斗圖表明本研究結(jié)果可靠。