氮肥对棉花产量和氮素吸收量影响的Meta分析

周 燕，孙洋洋，胡志伟，迟春明

（塔里木大学农学院/塔里木大学南疆绿洲农业资源与环境研究中心，新疆 阿拉尔 843300）

0 引言

【研究意义】棉花是我国的重要经济作物，2020年棉花产量位列全球第二，为591.0万t，种植面积约占全国耕地总面积的2.64%。中国是棉花消费大国也是进口大国，每年对棉花的需求量很大。氮肥对提高农作物产量起到重要作用，其产量贡献率为30%～50%[1]。大田生产投入过多的氮肥，部分氮肥通过NH3挥发损失和反硝化成为主要的氮素损失途径，造成资源浪费、农田土壤酸化[2]和地表水体富营养化[3]等负面影响。若施入较少的氮肥则影响作物后期的养分吸收与干物质积累，较低的生物量积累使作物产量也下降。因此，明确施氮对棉花产量的影响，分析不同农艺措施与不同土壤条件下施氮的产量效应和氮素吸收量效应的变化趋势，对于提高棉花产量具有重要意义。【前人研究进展】目前，我国已进行了大量有关施氮影响棉花产量的大田试验。李鹏程等[4]的研究表明，增施氮肥360 kg·hm-2时，产量提升698.9 kg·hm-2。同时，施氮的增产效益受多方面因素的影响。李景慧等[5]在新疆库尔勒市（试验土壤有机质含量为11.89 g·kg-1）试验比较了不同施氮量对棉花的产量影响，发现施氮量在384.9～430.4 kg·hm-2时，棉花产量最高。在河南安阳（试验土壤有机质含量为11.84 g·kg-1）种植密度与施氮量互作研究表明，种植密度为5.25 万株·hm-2、施氮量为225.0 kg·hm-2时棉花产量最高[6]。薛晓萍等[7]在两种不同土壤类型下种植棉花，在黏土下施氮量为240 kg·hm-2时，氮素吸收量最高；在砂壤土下施氮量为480 kg·hm-2时，氮素吸收量最高。这说明氮素合理施用可显著提高棉花产量[8-10]，但是不同的土壤类型和不同土壤肥力下，施氮对棉花增产和氮素吸收量影响并不一致。Meta分析是整合一个主题对其独立研究进行定量结合和总结的统计方法[11]，能够有效分析不同因素对试验目标的影响。【本研究切入点】独立田间试验研究难以解读较大区域施肥对产量和氮素吸收量的影响，且在全国尺度上研究施肥对棉花产量和氮素吸收量的影响及其关键因素的研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】本研究以Meta分析为手段，从全国尺度上解读我国棉花种植时段、种植区域、种植密度、土壤类型及其土壤理化性质等条件下施氮对棉花产量和氮素吸收量的影响，以期为棉花氮肥高效利用与管理提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究所采用的文献数据来源于Web of Science、中国知网（CNKI）、万方和维普数据库，文献检索所用的关键词主要包括氮（Nitrogen）、施氮量（N application）、棉花（Cotton）、产量（Yield）、氮素吸收量（N uptake）等。为了提高整合分析结果的准确性和代表性，选用的文献必须满足以下标准：（1）试验地点必须在中国大陆区域范围内；（2）试验必须为田间试验，试验材料为棉花，田间试验必须有重复；（3）试验必须包含不施氮和施氮处理；（4）文献报道中至少包含产量和氮素吸收量中的一项；（5）文献报道中应包括试验组和对照组的平均值。文献中的数据有3种呈现方式：表格、折线图和柱状图；表格中的数据直接提取，折线图和柱状图用软件Web Plot Digitizer 4.4[12]将图形数值化后再提取。按照以上标准，筛选出184组棉花产量和103组氮素吸收量相关数据（产量均值、标准差和样本量）。

1.2 Meta分析

1.2.1 响应比及其方差计算 本研究选用响应比（Response ration，RR）为统计学指标，用响应比自然对数（lnRR）来评价施氮对棉花产量和氮素吸收量的影响程度[13]，即施氮产量效应值和氮素吸收量效应。如果lnRR大于0，说明施氮对棉花产量和氮素吸收量有正效应，且lnRR值越大说明作用越明显；反之，则表示产生负效应。每项独立研究中响应比及其对数化的计算公式为：

式中，Xt和Xc分别表示处理组（施氮）和对照组（不施氮）的棉花产量和氮素吸收量平均值。lnRR的方差（V）计算公式为：

权重（Wij）的计算公式为：

加权响应比（RR++）的计算公式为：

式中，m是分组数（例如，不同的种植区域或种植密度等），ki是第i分组的总比较对数。

总体标准误计算公式为：

式中，S（RR++）为总体标准误。

加权响应比（RR++）的95%置信区间计算公式为：

1.2.2 异质性与发表偏倚检验 本研究通过卡方检验（Chi-square test）来确定不同试验结果间是否存在异质性，并根据异质性情况来选择分析模型。若显著性检验结果为P＞0.05，说明不同试验结果间无明显差异，可选择固定效应模型（Fixed effect model，FEM）；若P＜0.05，则说明不同试验结果存在明显异质性，应选择随机效应模型（Random effect model，REM）。

发表偏倚检验采用失安全系数法（Fail-safe number，Nfs），若Nfs＞5n+10（n为数据量），则说明不存在发表偏倚，结论可信[15]。

1.2.3 加权综合响应比及其置信区间 因为纳入本研究的试验数据间存在明显的异质性，因此本研究选择随机效应模型，运用R软件中metafor包[16]来计算各研究的权重、加权综合响应比（RR++）及其95%置信区间（95%CI）。95%CI可用于RR++的假设检验：若95%CI下限＞0，说明施氮对棉花的增产效应和氮素吸收效应显著；若95%CI上限＜0，说明施氮对棉花产量和氮素吸收量存在显著的负效应；如果95%CI与0重叠，则说明施氮对棉花产量和氮素吸收无明显影响[13]。为更好地描述施氮对产量和氮素吸收量变化的影响，通过以下公式将RR++转换为变化百分率(E)：

1.2.4 亚组分析与Meta回归分析 为明确异质性来源与大小，分析不同条件下的施氮产量效应和氮素吸收量及其影响因素，本研究根据基础产量（不施氮处理的产量）、氮素吸收量（不施氮处理的氮素吸收量）、种植区域、种植年限、种植密度、土壤条件等特征因素进行亚组分析和Meta回归分析。根据我国种植区域（华中区、西北区、华东区）、种植 时 段（2002-2007、 2008-2013、 2014-2019）、土壤类型（砂壤土、壤土、黏土）、种植密度（＜5万、5万～10万和＞10万株·hm-2）、施氮量（＜300、300～450、＞450 kg·hm-2）、土壤有机质含量（＜10、10～15、＞15 g·kg-1）、土壤全氮含量（＜1、1～1.6、＞1.6 g·kg-1）、土壤碱解氮（＜50、50～100、＞100 g·kg-1）、土壤速效磷含量（＜15、15～30、＞30 mg·kg-1）、土壤速效钾含量（＜200、200～300、＞300 mg·kg-1）来探究其对棉花产量和氮素吸收量响应氮肥的影响。

1.3 统计分析

使用Excel 2019 进行数据合并、分类，使用R语言（4.0）计算相关数据，采用GraphPad Prism 8.0 软件进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 施氮对棉花产量和氮素吸收量影响的Meta分析

由表1可知，棉花产量和氮素吸收量的失安全系数为196 793、121 726，5n+10为930、525，失安全系数远大于5n+10，说明本研究结果受发表偏倚的影响不明显，结论具有较高的可信度。由图1可知，施氮使棉花产量平均增加了32.22%（29.30%～38.80%），氮素吸收量平均增加了43.29%（38.80%～47.78%），说明氮肥的施用在不同程度上显著提高了棉花产量和氮素吸收量。

图1 施用氮肥对棉花产量和氮素吸收量的响应比（RR++）Fig. 1 Response ratio (RR++) of N-fertilization to yield and N-uptake of cotton plants

表1 施氮影响棉花产量和氮素吸收量的Meta分析Table 1 Meta analysis on effects of N-fertilization on yield and N-uptake of cotton plants

2.2 棉花产量和氮素吸收量的影响因素

图2所示为不同种植时段、种植地区施氮对棉花产量和氮素吸收量的效应值。由图2可以看出，种植时段对施肥增加棉花产量的提高幅度具体体现为：2002-2007年提高了20%，2008—2013年提高了36%，2014-2019年提高了28%；施肥较不施肥处理对氮素吸收量的提高幅度具体体现为：2002—2007年提高了34%，2008-2013年提高了51%，2014-2019年提高了33%。

施氮显著提高了各个区域棉花产量（图2），且在不同区域间的增产效应和氮素吸收效应存在明显差异。其中，西北区的施氮产量增幅最高为45%，但西北区的氮素吸收量增幅最低为35%；华东区增幅分别为33%和38%，华中区产量增幅较低为25%，但华中区的氮素吸收量增幅最高为67%。

图2 不同种植时段、种植地区施氮对棉花产量和氮素吸收量的效应值Fig. 2 Effects of N-fertilization on yield and N-uptake of cotton in different periods and regions of data collection

图3所示为不同土壤类型、种植密度对施氮棉花产量和氮素吸收量效应值影响。由图3可知，黏土施氮增产效果最高（40%），其次为壤土（36%）和砂壤土（25%）。就氮素吸收量而言，黏土氮素吸收效应最高（56%），壤土次之（39%），砂壤土最低（28%）。

种植密度显著影响棉花产量和氮素吸收量（图3）。当种植密度小于5 万株·hm-2时，施氮的产量增幅为40%，种植密度越大，棉花产量越低。对氮素吸收量而言，种植密度小于5 万株·hm-2时提高了62%，明显高于5万～10万株·hm-2（35%）和＞10万株·hm-2（37%）的密度条件处理。

图3 不同土壤类型、种植密度施氮对棉花产量和氮素吸收量的效应值Fig. 3 Effects of N-fertilization on yield and N-uptake of cotton planted on different soil types and varied planting densities

图4所示为不同施氮量、土壤有机质含量对棉花产量和氮素吸收量的效应值。由图4可知，施氮量在300～450 kg·hm-2时，施氮效果最显著，增产效应为38%，氮素吸收量提升了58%；其次为施氮量＞450 kg·hm-2时，棉花产量涨幅为30%，氮素吸收量提升了54%；最后为施氮量＜300 kg·hm-2时，棉花产量增长了27%，氮素吸收量增长了31%。

随着土壤有机质含量的增加，施肥较不施肥处理对棉花产量提高的幅度呈增高趋势，但氮素吸收量呈先升高再降低的趋势（图4），在有机质含量为10～15 g·kg-1时，氮素吸收量增幅为48%，明显高于有机质含量为＞15 g·kg-1（40%）和＜10 g·kg-1（21%）。

图4 不同施氮量、土壤有机质含量施氮对棉花产量和氮素吸收量的效应值Fig. 4 Effects of N-fertilization rate and soil organic matters on cotton yield and N-uptake

图5所示为不同土壤碱解氮含量、土壤全氮含量下施氮对棉花产量和氮素吸收量的效应值。由图5可知，在土壤碱解氮含量50～100 g·kg-1时施氮增产效应最高（37%），土壤碱解氮含量＞100 g·kg-1时施氮的增产效应次之（34%），土壤碱解氮含量＜50 g·kg-1时施氮的增产效应最低（32%）。不同于产量的增加趋势，在土壤碱解氮含量＞100 g·kg-1（46%）和＜50 g·kg-1（44%）时氮素吸收效应明显高于土壤速效氮含量50～100 g·kg-1（19%）时氮素吸收效应。

随着土壤全氮含量的增加，施肥较不施肥处理对棉花产量提高幅度差异不大，但氮素吸收量提高幅度差异较大（图5），土壤全氮含量为＞1.6 g·kg-1、1～1.6 g·kg-1和＜1 g·kg-1时增幅为51%、28%和44%。

图5 不同土壤碱解氮含量、土壤全氮含量施氮对棉花产量和氮素吸收量的效应值Fig. 5 Effects of N-fertilization on yield and N-uptake of cotton planted on soil with different contents of alkali hydrolyzable and total N

图6所示为不同土壤速效磷、速效钾含量对施氮棉花产量和氮素吸收量的效应值。土壤速效磷含量 15～30 mg·kg-1时增产效应最高（37%），＞30 mg·kg-1的增产效应次之（36%），＜15 mg·kg-1时增产效益最低（27%）；与产量的增加趋势相同，土壤速效磷含量15～30 mg·kg-1时氮素吸收量增效最高（50%），土壤速效磷含量＞30 mg·kg-1次之（44%），＜15 mg·kg-1仅为 21%。

图6 不同土壤速效磷含量、土壤速效钾含量施氮对棉花产量和氮素吸收量的效应值Fig. 6 Effects of N-fertilization on yield and N uptake of cotton planted on soil with different contents of available phosphorus and potassium

土壤速效钾含量＞300 mg·kg-1时增产效应为45%，明显高于速效钾含量200～300 mg·kg-1（22%）及＜200 mg·kg-1（25%）的增产效应（图 6）。随着土壤速效钾含量的升高，氮素吸收量呈先降低后增加的趋势。具体表现为：土壤速效钾含量为＜200 mg·kg-1时提高的幅度为 49%，200～300 mg·kg-1提高的幅度为26%，＞300 mg·kg-1提高的幅度为39%。

2.3 棉花产量和氮素吸收量影响因素的异质性分析

表2所示为产量主要影响因素的Meta回归分析。从表2可看出，种植时间、种植区域、土壤类型、种植密度、施氮量、速效钾含量等因素引起的异质性较大，说明它们对施氮的增产效应存在明显差异且有显著影响；而土壤有机质含量、全氮含量、碱解氮含量、速效磷含量引起的异质性比较小且未达到显著水平，说明这4个因素对施氮的增产效果影响较小。

表2 产量主要影响因素的Meta回归分析Table 2 Meta regression analysis on main factors affecting cotton yield

表3所示为氮素吸收量主要影响因素的Meta回归分析。从表3可看出，只有土壤全氮含量引起的异质性比较小且未达到显著水平，说明土壤全氮量对施氮效果影响较小。其余因素引起的异质性较大，说明它们对施氮的氮素吸收量效应密切相关且有显著影响。

表3 氮素吸收量主要影响因素的Meta回归分析Table 3 Meta regression analysis on main factors affecting N-uptake of cotton plantse

3 讨 论

3.1 施氮对棉花产量和氮素吸收量的整体影响分析

Meta分析结果表明，氮肥的施用可以显著提高我国棉花产量和氮素吸收量，增幅分别为32.22%和43.29%。董合林[17]研究认为棉田施用氮肥产量增长幅度为6.0%～114.7%。施肥增加作物产量的原因主要是施肥补充土壤养分的不足。棉花种植因生态区域、生态气候、栽培习惯不一致，产量差异较大[9]，施氮显著提高了各种植区域棉花产量和氮素吸收量，棉花产量和氮素吸收量表现出不同的显著性。西北地区土壤较为贫瘠，土壤氮素供应能力较弱，施氮增加氮素养分供给，增产幅度较高。任意等[18]研究也表明西北地区因水土流失、降水稀少、气候干旱、土壤水分含量低等环境因素限定了养分的可利用性，所以施用的氮肥较难吸收并转化为产量，进而产量提升幅度较大，这与本文研究结果一致。

3.2 各类影响因素分析

就种植时段而言，不同试验时间的增产效应和氮素吸收量存在显著差异，近十年由于棉花品种改良、生产技术更新，较2008年以前棉花产量和氮素吸收量增幅较大。

就种植密度而言，娄善伟等[10]研究发现种植密度影响了棉株养分累积进而影响产量的形成。氮肥的施用与密度存在密切的交互作用[6]。本研究表明，种植密度对棉花施氮产量效应和氮素吸收量有显著影响，随着密度的增加，增产效应和氮素吸收量存在下降趋势。这与广大研究者研究结果一致[19]。

就施氮量而言，赵新华等[20]提出施氮量过低以至于棉铃干物质和氮的累积也较低。薛晓萍等[21]研究表明，棉花取得了较高的生物量和氮素累积量，但因为营养体内氮素积累量较多，营养生长较旺盛，干物质与养分向生殖器官转移量少，生殖器官比例下降，由此导致经济产量降低。这与本文研究结果一致，棉花产量随着施氮量的增加先升高后降低，氮素吸收与产量趋势相同。本文研究结果为当施氮量大于450 kg·hm-2时，施氮量对棉花产量增长幅度较小。养分含量较高易使棉花营养生长和生殖生长失调，同化物更多的去向茎叶分配，导致茎叶徒长，进而降低产量[22]。

施入土壤的养分能否被植物高效吸收利用与土壤类型和土壤理化性质关系密切[23]。本研究结果表明，壤土、砂壤土和黏土施氮均显著增加了棉花产量，其黏土施肥的增产效果高于砂壤土和壤土，这与徐国春等[24]的研究结果一致。在黏土条件下黏土的氮素吸收量的响应最高，这可能是由于黏土具有较好的保肥能力[25]，且颗粒较小、养分吸附位点多[26]等原因。本研究结果表明在砂壤土条件下施氮对棉花产量和氮素吸收量的效应都较小，主要是因为砂壤土养分含量少，养分固定位点较少，施入的养分易随着水分淋失[27]。

土壤有机质作为衡量土壤肥力的重要指标，有机质含有土壤中80%以上的氮素含量，其影响氮素的供求关系[28]。本研究结果表明，有机质含量越高，施氮对棉花产量的效应越大。所以在有机质含量较低的土壤条件下，尽可能补充更多的外源氮素才能满足棉花高产的需求。刘德平等[29]研究指出氮磷有明显的互作关系，适宜的氮磷含量更好地提升作物产量。本研究结果表明土壤速效磷含量为15～30 mg·kg-1时，棉花产量最高。

3.3 Meta不确定性分析

因为Meta分析对数据要求较高，不足以纳入所有的相关文献，使本研究数据库的规模受到限制[25]。本研究没有考虑水肥一体化、测土配方等特殊施肥技术，也没有考虑到土壤质地、施肥方式、年降雨量和积温等对棉花产量和氮素吸收量的影响，没有涉及水分利用率，也未涉及水分管理模式对棉花产量和氮素吸收量的影响，同时由于不同文献中存在不同差异，这些都增加分析的不确定性。尽管如此，本研究结果依然在一定程度上阐明了施氮对我国棉花产量和氮素吸收量的影响，可以为棉花施氮效果提高和氮素营养综合管理提供借鉴。

4 结论

利用Meta分析定量地研究了施氮肥对中国棉花产量和氮素吸收量的影响，结果显示施入氮肥对提高我国棉花产量和氮素吸收量有重要作用，施氮的平均增产效应为32.22%，氮素吸收量效应值平均增幅为43.29%。施氮肥对棉花产量的增产效应与种植时段、种植区域、土壤类型、种植密度、施氮量和土壤速效钾含量密切相关；施氮肥对棉花氮素吸收量的增长效应与种植时段、种植区域、土壤类型、种植密度、施氮量、土壤有机质含量、土壤碱解氮含量、土壤速效磷含量和土壤速效钾含量密切相关。