馬登科，殷俐娜，劉溢健，楊文稼，鄧西平,王仕穩(wěn)

施氮量對黃土高原旱地冬小麥產量和水分利用效率影響的整合分析

馬登科1,2，殷俐娜1,3，劉溢健3，楊文稼3，鄧西平1,3,王仕穩(wěn)1,3

（1中國科學院水利部水土保持研究所/黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌 712100；2中國科學院大學，北京 100049；3西北農林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

【目的】明確氮肥在黃土高原地區(qū)不同種植條件下對冬小麥生產的影響及各條件下合理的施氮量。【方法】通過文獻檢索共獲得82篇大田試驗文獻，包含355個獨立研究的1 169組觀測數據，采用整合分析比較氮肥在黃土高原不同區(qū)域、不同年均溫、不同年降水量及不同耕層有機質含量下對冬小麥產量和水分利用效率的影響，并采用回歸分析探究各分組產量和水分利用效率與施氮量間的關系?！窘Y果】施氮整體上顯著提高了黃土高原冬小麥產量和水分利用效率，相對增長率分別為66.09%和72.38%（＜0.05）。施氮后西北部產量相對增長率（69.27%）高于東南部，水分利用效率增長率（65.53%）低于東南部；西北部在施氮量212 kg·hm-2時產量達到最高，東南部需多施15 kg·hm-2才能獲得最高產量；西北部施氮232 kg·hm-2時水分利用效率最高，而東南部水分利用效率在施氮224 kg·hm-2時基本趨于穩(wěn)定。施氮后年均溫≤10℃地區(qū)產量和水分利用效率的相對增長率（79.12%，75.00%）均高于＞10℃地區(qū)；年均溫＞10℃地區(qū)施氮189 kg·hm-2和187 kg·hm-2時產量和水分利用效率分別達到最高，而年均溫≤10℃地區(qū)施氮225 kg·hm-2時產量才趨于最大，水分利用效率在施氮239 kg·hm-2時達到最高。施氮后在年均降水≤600 mm地區(qū)產量相對增長率（70.48%）更顯著，而水分利用效率則在年均降水＞600 mm時更顯著；年均降水≤600 mm地區(qū)在施氮量235 kg·hm-2和244 kg·hm-2時，產量和水分利用效率分別達到最高，年均降水＞600 mm地區(qū)實現高產的施氮量為250 kg·hm-2。施氮后耕層有機質含量≤12 g·kg-1條件下，產量和水分利用效率的相對增長率（78.24%, 86.55%）均高于＞12 g·kg-1條件，前者在施氮量226 kg·hm-2和212 kg·hm-2時產量和水分利用效率分別達到最高，而后者獲得最高產量和最高水分利用效率的施氮量分別為163 kg·hm-2和175 kg·hm-2。【結論】在黃土高原，冬小麥在東南部和西北部獲得高產的合理施氮量分別為227 kg·hm-2和212 kg·hm-2；年均溫＞10℃地區(qū)合理施氮量為187 kg·hm-2，年均溫≤10℃地區(qū)為239 kg·hm-2；年均降水＞600 mm地區(qū)合理施氮量為250 kg·hm-2，年均降水量≤600 mm地區(qū)為235 kg·hm-2；耕層有機質含量≤12 g·kg-1條件下的合理施氮量為226 kg·hm-2，高于12 g·kg-1時則為163 kg·hm-2。

氮肥；冬小麥；產量；水分利用效率；整合分析

0 引言

【研究意義】氮素是作物生產中最主要的限制因子之一，施用氮肥是提高作物產量和水分利用效率的重要措施[1]。氮肥的肥效受氣候環(huán)境、土壤特性、作物種類及施氮方式等多個因素的影響[2-3]?？茖W合理的施氮除了有效促進作物的生長，提高作物產量和水分利用效率外，還可以減少氮肥的損耗及減輕對生態(tài)環(huán)境的負面影響，從而實現農業(yè)的可持續(xù)生產。黃土高原是我國重要的旱作農業(yè)區(qū)，小麥是該地區(qū)播種面積最大的糧食作物，氮肥的大量施用一直是維持該地區(qū)小麥產量的主要措施[4]。但由于該區(qū)土壤相對貧瘠，加之小麥生育期降水偏少等一系列因素，以及不合理的施氮量，使得土壤氮素供應能力與小麥生長需求間的矛盾在部分地區(qū)仍然較為突出[5-6]。因此，探究黃土高原地區(qū)不同氣候和土壤特性等條件下氮肥效應與冬小麥產量和水分利用效率之間的關系，對指導該地區(qū)冬小麥生產中氮肥的合理施用具有積極意義。【前人研究進展】關于氮肥用量對黃土高原地區(qū)旱地冬小麥產量和水分利用的影響，前人在不同區(qū)域做了大量研究。例如，張亮[7]在陜西周至縣的研究中發(fā)現，施氮量263 kg·hm-2時，冬小麥產量和水分利用效率均達到最高，相對增長率分別為79.23%和86.38%。而楊君林等[8]在甘肅鎮(zhèn)原縣的研究結果表明，冬小麥產量和水分利用效率在施氮量200 kg·hm-2時均達到最高，相對增長率分別為138.43%和250.83%。張昊青[9]在年降水578 mm的白水縣通過3年的試驗發(fā)現，單施化肥條件下施氮225 kg·hm-2時產量最高，相對不施氮產量增加了19.03%。而Zhong等[10]的研究表明，在年降水量632 mm的陜西楊凌區(qū)，施氮量小于360 kg·hm-2時，小麥產量隨施氮量的增加而增加，但各施氮處理下產量差異不顯著。Wang等[11]在陜西長武縣通過4年的定位試驗發(fā)現，在施氮量180 kg·hm-2時，干旱年份產量相對增長率為14.00%，而濕潤年份為32.80%，干旱年份施氮對小麥水分利用效率沒有顯著影響，濕潤年份則影響顯著。栗麗等[12]的研究表明，在生育期灌水與不灌水條件下，冬小麥產量均在施氮量210 kg·hm-2時達到最高，在不灌水條件下，小麥水分利用效率在施氮量150 kg·hm-2時達到最高，相對增長率達14.34%，而在灌水條件下施氮量210 kg·hm-2時水分利用效率最高。【本研究切入點】前人研究結果表明，由于試驗地點氣候環(huán)境和土壤理化性質等存在差異，在不同的區(qū)域最大產量和水分利用效率所對應的氮肥用量并不相同。如何使得各點的研究數據能夠在區(qū)域尺度上指導合理施肥，就有必要對已有的獨立研究進行整合分析，在大樣本的基礎上探究黃土高原不同地區(qū)合理的施氮水平?！緮M解決的關鍵問題】本研究通過文獻檢索獲得了82篇文獻共1 169組觀測的試驗數據，運用整合分析（Meta-analysis）的方法，分析不同氮肥用量在黃土高原地區(qū)不同區(qū)域、不同年均溫、不同年降水量及不同耕層有機質含量下對冬小麥產量和水分利用效率的影響，并找出不同環(huán)境條件下最佳的氮肥用量，為該地區(qū)冬小麥生產中氮肥的合理施用提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究所用數據來源于Web of Science和中國知網（CNKI），文獻檢索所用的關鍵詞主要包括氮（nitrogen）、施氮（N application）、冬小麥（winter wheat）、產量（yield）、水分利用效率（water use efficiency）。所選用的文獻必須滿足以下標準：（1）試驗地點屬于黃土高原地區(qū)，試驗材料為冬小麥；（2）試驗為大田試驗，冬小麥全生育期不進行灌溉；（3）試驗必須包含相同條件下的對照和施氮處理，文獻報道中至少包含產量和水分利用效率中的一項；（4）施氮處理中必須有明確的施氮量；（5）文獻報道中應包括試驗組和對照組的平均值。對文獻中用圖表形式報道的數據進行數字化，最后建立了1個共82篇文獻、355個獨立研究的數據集。各試驗地點分布如圖1所示。

圖1 冬小麥試驗地點分布圖

1.2 數據分類

為探究氮肥在黃土高原不同區(qū)域及氣候環(huán)境等條件下對冬小麥產量和水分利用效率的影響情況，根據所獲得的數據分布，按區(qū)域、年均溫、年降水量及耕層土壤有機質含量等對數據進行分類，各分組的樣本量如表1所示。

根據黃土高原氣候特征及本課題組前期研究中對黃土高原的分區(qū)方法，本研究將黃土高原分為東部、西部、南部、北部和中部，并根據所得試驗地點的分布及冬小麥在黃土高原的種植區(qū)域，將東部和南部合為東南部，其余區(qū)域均為西北部[13-17]（圖1）。根據各試驗地點年均溫分布情況，以10℃為年均溫分界點。由于本研究中各獨立試驗地點年降水量大部分高于500 mm，因此以600 mm為分界點對年降水進行劃分。耕層土壤有機質含量是影響施氮效應的重要因素，根據數據分布情況以12 g·kg-1為耕層有機質含量分界點。

表1 氮肥對冬小麥產量和水分利用效率效應數據庫配對試驗組數/觀測數分布

DA：分區(qū)Distribution area；AVT：年均溫Annual average temperature；AP：年均降水Annual precipitation；TOM：耕層有機質Topsoil organic matter；NW：西北Northwest；SE：東南Southeast；Y：產量Yield；WUE：水分利用效率Water use efficiency

1.3 數據分析方法

本研究采用反應比（response ratio，R）作為效應量來刻畫施氮對冬小麥產量及水分利用效率的影響[18-19]，其公式如下：

ln= ln (e/c)= ln (e)-ln (c) （1）

式中，e和c分別為獨立研究中試驗組和對照組的平均值。上述反應比再轉化為百分比變化率[19]，其公式如下：

= (elnR-1)×100% （2）

式中，正的值表示施氮產生了正效應，負的值則表示施氮產生了負效應。

如果值的95%置信區(qū)間與0重疊，則認為施氮的效應不顯著，反之則效應顯著[18]。在各亞組分析中，如果不同分組內各值的95%置信區(qū)間沒有重疊，則認為組間差異顯著，反之則組間差異不顯著[20]。為進一步探究施氮量與不同分組下的冬小麥產量和水分利用效率間的關系，筆者對施氮量和產量、施氮量和水分利用效率進行了回歸分析。

本研究利用MetaWin 2.1[21]進行整合分析，用Spass16.0、Excel 2007和SigmaPlot 13.0進行回歸分析及繪圖。

2 結果

2.1 不同區(qū)域施氮對冬小麥產量和水分利用效率的影響

在黃土高原地區(qū)，相對于不施氮肥，施氮平均使冬小麥產量增加了66.09%（n=753）（圖2-A-a）。不施氮時冬小麥平均產量為2 887 kg·hm-2，施氮后產量達4 431 kg·hm-2（圖3-A）。在不同的分布區(qū)，氮肥對冬小麥產量的效應存在差異，在西北部施氮后冬小麥產量的相對增長率為69.27%（n=368）,東南部為63.05%（n=385）（圖2-A-b），但東南部冬小麥產量在相同的施肥條件下均高于西北部（＜0.05）（圖3-A）。在西北部，當施氮量為212 kg·hm-2時，冬小麥產量達4 175 kg·hm-2，隨后產量趨于穩(wěn)定（圖4-A）。在東南部，產量隨施氮量的增加先升后降，在施氮量227 kg·hm-2時達到最高（5 949 kg·hm-2）（圖4-C）。

不施氮肥條件下，黃土高原冬小麥平均水分利用效率為7.56 kg·hm-2·mm-1，施氮后可達11.82 kg·hm-2·mm-1（圖3-B）。與不施氮肥相比，施氮顯著提高了冬小麥水分利用效率，整體上相對變化率為74.38%（n=416）（圖2-B-a），其中東南部為88.26%，西北部為65.53%（圖2-B-b）。在施氮條件下，東南部小麥整體平均水分利用效率為15.28 kg·hm-2·mm-1，西北部為10.34 kg·hm-2·mm-1，東南部高于西北部（＜0.05）（圖3-B）。無論是東南部還是西北部，隨施氮量的增加水分利用效率均先升后降，東南部在施氮量224 kg·hm-2時達最高（18.43 kg·hm-2·mm-1），而西北部在施氮量232 kg·hm-2時達最高（12.21 kg·hm-2·mm-1）（圖4-B，4-D）。

2.2 不同年均溫下施氮對冬小麥產量和水分利用效率的影響

在黃土高原地區(qū)，不同的年均溫下氮肥對冬小麥產量的影響不同，在年均溫≤10℃的地區(qū)施氮使產量增加了79.12%（n=284），高于年均溫＞10℃地區(qū)（圖2-A-c）。在年均溫＞10℃地區(qū)，施氮后冬小麥平均產量為5 062 kg·hm-2，而年均溫≤10℃地區(qū)平均產量為3 390 kg·hm-2（圖5-A）。在年均溫≤10℃地區(qū)和＞10℃地區(qū)，產量均隨施氮量的增加先增加后保持穩(wěn)定，年均溫≤10℃地區(qū)在施氮量225 kg·hm-2時產量基本達到穩(wěn)定水平（4 110 kg·hm-2），而年均溫＞10℃地區(qū)在施氮量189 kg·hm-2時產量基本達到穩(wěn)定（5 545 kg·hm-2）（圖6-A，圖6-C）。

n 值代表觀測數。下同 The value of n represents the number of observations used for the analysis. The same as below

圖3 不同區(qū)域施氮對冬小麥產量（A）和水分利用效率（B）的影響

在黃土高原地區(qū)，不同的年均溫下氮肥對冬小麥水分利用效率的影響不同，在年均溫≤10℃地區(qū)施氮使水分利用效率增加了75.00%（n=234），略高于年均溫＞10℃地區(qū)的68.98%（n=182）（圖2-B-c）。在年均溫＞10℃地區(qū)，施氮后冬小麥水分利用效率可達14.49 kg·hm-2·mm-1，而年均溫≤10℃地區(qū)為9.86 kg·hm-2·mm-1，前者高于后者（＜0.05）（圖5-B）。在年均溫≤10℃地區(qū)，水分利用效率隨施氮量的增加先增加后保持穩(wěn)定，施氮量239 kg·hm-2時基本達到穩(wěn)定，為12.17 kg·hm-2·mm-1（圖6-B）；在年均溫＞10℃地區(qū)，水分利用效率隨施氮量的增加先升后降，施氮量187 kg·hm-2時達最高（16.26 kg·hm-2·mm-1）（圖6-D）。

圖5 不同年均溫下施氮對冬小麥產量（A）和水分利用效率（B）的影響

2.3 不同年降水量下施氮對冬小麥產量和水分利用效率的影響

在黃土高原地區(qū)，不同的年降水量下氮肥對冬小麥產量的影響不同，在年均降水量≤600 mm的地區(qū)，施氮使冬小麥產量整體增加了70.48%（n=570），高于年均降水量＞600 mm地區(qū)52.44%的增幅（n=183）（圖2-A-d）。在年均降水量＞600 mm地區(qū)，施氮后冬小麥產量整體上可達5 215 kg·hm-2，而在年均降水量≤600 mm地區(qū)為4 180 kg·hm-2，兩者之間差異顯著（＜0.05）（圖7-A）。在年均降水量≤600 mm地區(qū)，施氮量235 kg·hm-2時產量基本達到穩(wěn)定水平，為4 932 kg·hm-2（圖8-A）；在年均降水量＞600 mm地區(qū)，產量隨施氮量的增加先升后降，在施氮量250 kg·hm-2時達最高，為6 651 kg·hm-2（圖8-C）。

圖6 不同年均溫下施氮量與冬小麥產量及水分利用效率的關系

圖7 不同年均降水下施氮對冬小麥產量（A）和水分利用效率（B）的影響

在黃土高原地區(qū)，不同的年均降水量下氮肥對冬小麥水分利用效率的影響不同，在年均降水量≤600 mm地區(qū)施氮后冬小麥水分利用效率整體上增加了69.86%（n=339），低于年均降水量＞600 mm地區(qū)83.40%的增幅（n=77）（圖2-B-d）。在年均降水量＞600 mm地區(qū)，施氮后冬小麥水分利用效率整體上可達16.05 kg·hm-2·mm-1，而在年均降水量≤600 mm地區(qū)為10.86 kg·hm-2·mm-1，兩者之間差異顯著（＜0.05）（圖7-B）。在年均降水量≤600 mm地區(qū)，施氮量244 kg·hm-2時水分利用效率基本達到穩(wěn)定水平，為13.07 kg·hm-2·mm-1（圖8-B）；在年均降水量 ＞600 mm的地區(qū)，隨施氮量的增加水分利用效率先升后降，在施氮量235 kg·hm-2時達最高（19.23 kg·hm-2·mm-1）（圖8-D）。

圖8 不同年均降水量下施氮量與冬小麥產量及水分利用效率的關系

2.4 不同耕層有機質含量下施氮對冬小麥產量和水分利用效率的影響

在黃土高原地區(qū)，不同的耕層有機質含量下施氮對冬小麥產量的影響不同，在耕層有機質含量≤12 g·kg-1的條件下，施氮使冬小麥產量整體增加了78.24%（n=293），高于耕層有機質含量＞12 g·kg-1條件下60.75%的增幅（n=345）（圖2-A-e）。當耕層有機質含量＞12 g·kg-1時，施氮后冬小麥產量整體上可達5 097 kg·hm-2，而耕層有機質含量≤12 g·kg-1時為3 682 kg·hm-2，兩者之間差異顯著（＜0.05）（圖9-A）。在耕層有機質含量≤12 g·kg-1條件下，產量隨施氮量的增加先升后降，在施氮226 kg·hm-2時最高（4 531 kg·hm-2）（圖10-A）；在耕層有機質含量＞12 g·kg-1條件下，施氮量163 kg·hm-2時冬小麥產量即趨于穩(wěn)定，達到5 263 kg·hm-2（圖10-C）。

圖9 不同耕層有機質含量下施氮對冬小麥產量（A）和水分利用效率（B）的影響

圖10 不同耕層有機質含量下施氮量與冬小麥產量及水分利用效率的關系

在黃土高原地區(qū)，不同的耕層有機質含量下氮肥對冬小麥水分利用效率的影響不同，在耕層有機質含量≤12 g·kg-1的條件下，施氮使冬小麥水分利用效率增加了86.55%（n=199），高于耕層有機質含量＞12 g·kg-1時的65.75%（n=157）（圖2-B-e）。在耕層有機質含量＞12 g·kg-1時，施氮后冬小麥水分利用效率可達13.38 kg·hm-2·mm-1，而耕層有機質含量≤12 g·kg-1時為10.42 kg·hm-2·mm-1，兩者之間差異顯著（＜0.05）（圖9-B）。在耕層有機質含量≤12 g·kg-1條件下，水分利用效率隨施氮量的增加先升后降，在施氮量212 kg·hm-2時達最高（12.84 kg·hm-2·mm-1）（圖10-B）；在耕層有機質含量＞12 g·kg-1條件下，水分利用效率隨施氮量的增加先增加而后基本穩(wěn)定，施氮量175 kg·hm-2時基本達到穩(wěn)定水平，為13.93 kg·hm-2·mm-1（圖10-D）。

3 討論

3.1 施氮對黃土高原冬小麥產量和水分利用效率的整體影響分析

黃土高原大部分區(qū)域土壤貧瘠，有機質含量偏低，嚴重限制了作物的產量[5]。氮素是限制黃土高原冬小麥產量和水分利用效率的關鍵因子之一，氮肥的施用提高了土壤含氮量[8, 11]，緩解了土壤供氮能力與小麥生長發(fā)育對氮素需求間的矛盾。氮素促進了小麥根系的發(fā)育，提高了其對土壤水分的利用能力[11]，也增加了小麥有效分蘗數、單位面積穗數及穗粒數[22]，因此施氮從整體上顯著提高了該地區(qū)冬小麥產量和水分利用效率，其中產量的增長率為66%，水分利用效率增長率可達72%。

3.2 不同分組中施氮對冬小麥產量和水分利用效率的影響分析

3.2.1 區(qū)域 本研究結果表明，氮肥對冬小麥產量和水分利用效率的影響在黃土高原不同區(qū)域間存在差異。其主要原因是黃土高原各區(qū)域的氣候環(huán)境不同。受季風強度的影響，黃土高原由東南向西北跨越了半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)和干旱區(qū)，降水的時空差異大，降水量沿東南-西北一線遞減[23]。由于地形、海拔等的影響，溫度也沿東南向西北逐漸降低[15]。除此之外，土壤肥力特性、主要的栽培品種以及耕作方式等在不同區(qū)域間的差異也可能導致氮肥效應的不同[24-25]。在東南部，較高的降水量和溫度更有利于小麥的生長，因此東南部冬小麥產量和水分利用效率整體上均顯著高于西北部。施氮后西北部冬小麥產量的增長率高于東南部，而水分利用效率的增長率低于東南部，原因是施氮更能促進較干旱的西北部小麥根系的生長，緩解干旱對產量的影響，但同時也增大了對深層土壤水分的消耗[26]。不管是東南部還是西北部，冬小麥產量和水分利用效率均隨施氮量的增加先增加再降低或先增加后保持穩(wěn)定，主要原因是過量施氮導致土壤中養(yǎng)分失衡，硝酸還原酶等氮素相關轉化酶活性降低，作物體內同化物的轉移受阻[27-30]。西北部和東南部在實現冬小麥最高產量和最高水分利用效率的施氮量上存在差異，主要因為各區(qū)域間施氮效應及各區(qū)域能實現的最高產量和最高水分利用效率不同。

3.2.2 年均溫 本研究發(fā)現，在黃土高原不同年均溫條件下，施氮對冬小麥產量及水分利用效率的影響存在差異。主要原因可能是溫度是影響氮素轉化的關鍵因子之一，土壤中氮素相關轉化酶活性與溫度密切相關[31-33]。同時，溫度通過影響植物的生長進而影響植物對氮素的吸收利用[34]。在年均溫≤10℃地區(qū)，施氮后冬小麥產量和水分利用效率的相對變化率高于年均溫＞10℃地區(qū)。其主要原因是較高的溫度下土壤氮素相關轉化酶活性較強，有利于氮素的分解轉化及作物的吸收[33]，因此年均溫較低的地區(qū)土壤氮素對作物生產的限制更大。年均溫≤10℃地區(qū)實現最高產量和最高水分利用效率需要施更多的氮肥，主要因為較低的溫度限制了土壤中有機氮的礦化，限制了土壤的供氮能力。

3.2.3 年均降水 在黃土高原地區(qū)，水分是冬小麥生產中最主要的限制因素[35]，因此在年均降水量＞600 mm的地區(qū)冬小麥產量和水分利用效率整體上均顯著高于年均降水量≤600 mm地區(qū)。本研究結果表明，施氮對冬小麥的效應受年降水量的影響?？赡苁且驗橥寥浪譅顩r決定著作物對氮肥的響應程度，土壤中氮素相關轉化酶活性、微生物群落及植物根系的分布均受到土壤水分的影響[36-37]。施氮后年均降水量≤600 mm地區(qū)冬小麥產量的增長率高于＞600 mm地區(qū)，而水分利用效率的增長率在＞600 mm地區(qū)更高。主要原因是在降水量較少的地區(qū)，施氮能緩解水分對小麥生長的限制，但也加大了對土壤水分的消耗[38-39]。

3.2.4 耕層有機質 本研究結果表明，不同耕層有機質含量下施氮對冬小麥產量及水分利用效率的影響存在差異。作為衡量土壤肥力的重要指標，有機質包含了土壤中80%以上的氮素，其含量直接影響氮素的供求關系[40-42]。在耕層有機質含量≤12 g·kg-1的條件下，施氮后冬小麥產量和水分利用效率的相對增長率較高，主要歸因于較低的有機質含量下氮素對作物的限制作用更強。與耕層有機質含量＞12 g·kg-1條件相比，耕層有機質含量≤12 g·kg-1時需要更多的氮肥才能獲得最高的產量和水分利用效率，主要因為在有機質含量較低的土壤條件下，需要更多的外源氮素才能滿足冬小麥高產的需求。

3.3 研究的局限性及研究意義

由于黃土高原地區(qū)冬小麥生產中氮肥施用的多樣性和復雜性，本研究未將有機肥、磷鉀肥等納入分析。因所獲取的數據量有限，本研究也未考慮施氮方式、氮肥種類及冬小麥品種對肥效的影響。本研究所納入整合分析的獨立研究基本涵蓋了黃土高原冬小麥分布區(qū)，但各研究分布點相對集中，限制了區(qū)域分組中結論對區(qū)域的覆蓋度。水分利用效率對氮肥的響應受多個因子的限制，其與產量對氮肥的響應間存在差異，本研究未對這種差異進行深入分析。盡管如此，本研究所得結論與實際生產基本相符，對黃土高原冬小麥合理施肥具有一定的參考價值。

4 結論

（1）在黃土高原地區(qū)，施氮后冬小麥產量和水分利用效率的相對增長率分別為66.09%和72.38%。施氮后產量的相對增長率在西北部更高，而水分利用效率相對增長率在東南部更高。西北部實現最高產的施氮量為212 kg·hm-2，東南部為232 kg·hm-2。

（2）施氮后冬小麥產量和水分利用效率的增長率均在年均溫≤10℃地區(qū)更高。年均溫＞10℃地區(qū)實現最高產的施氮量為189 kg·hm-2，年均溫≤10℃地區(qū)為225 kg·hm-2。

（3）施氮后產量的相對增長率在年均降水量≤600 mm地區(qū)更高，而水分利用效率在＞600 mm地區(qū)更高。在年均降水量＞600 mm地區(qū)，實現最高產的施氮量為250 kg·hm-2，在年均降水量≤600 mm地區(qū)為235 kg·hm-2。

（4）施氮后冬小麥產量和水分利用效率的相對增長率在耕層有機質含量≤12 g·kg-1時更高。在耕層有機質含量＞12 g·kg-1條件下，實現最高產的施氮量為163 kg·hm-2，耕層有機質含量≤12 g·kg-1時則為226 kg·hm-2。

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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 DengKe1, 2, YIN LiNa1, 3, LIU YiJian3, YANG WenJia3, DENG XiPing1, 3, WANG ShiWen1, 3

(1Institute 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;2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049;3Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi)

【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 (＜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-2in northwest, while at 224 kg·hm-2in 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-2and 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-2and 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-2and 244 kg N·hm-2application rates in areas with annual precipitation ＜600 mm, while 235 kg·hm-2and 250 kg·hm-2in 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-2and 175 kg·hm-2. The optimum N application rate was 226 kg·hm-2when 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-2and 212 kg·hm-2, respectively. The optimum N application rate was 188 kg·hm-2in the area with average annual temperature ＞10℃, and 225 kg·hm-2when 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-2when annual average precipitation ≤600 mm. The optimum N application rate was 226 kg·hm-2under the topsoilorganic matter content ≤12 g·kg-1, and 163 kg·hm-2when the topsoil organic matter content ＞12 g·kg-1.

nitrogen fertilizer; winter wheat; yield; water use efficiency; meta-analysis

2019-05-15；

接受日期：2019-07-03

“十二五”農村領域國家科技計劃（2015BAD22B01）、國家重點基礎研究計劃（2015CB150402）

馬登科，E-mail：dengkema19@163.com。通信作者王仕穩(wěn)，E-mail：shiwenwang@nwsuaf.edu.cn

（責任編輯 楊鑫浩）