基于Meta分析华北冬小麦高产高效协同提升灌溉方案*

周丽涛，孙 爽，张镇涛，张方亮，郭世博，石延英，杨晓光**

基于Meta分析华北冬小麦高产高效协同提升灌溉方案*

周丽涛1，孙 爽2，张镇涛1，张方亮1，郭世博1，石延英1，杨晓光1**

（1.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2.中国气象科学研究院，北京 100081）

目前针对灌溉对冬小麦产量和水分利用效率影响研究大多基于单点实验，受气候、土壤等因素影响，研究结果可比性较差，且难于获得区域结论。本文通过检索搜集获得186篇大田实验文献，共1876对观测数据，采用Meta分析方法分析明确了灌溉对华北冬小麦产量和水分利用效率的影响，揭示了不同区域、降水年型、土壤质地和施氮量水平下灌溉对产量和水分利用效率的影响差异，明确了不同情景下华北冬小麦产量和水分利用效率协同提升的最佳灌溉量。研究结果表明，与生长季内不灌溉相比，灌溉使华北冬小麦总体增产32.0%～38.3%，水分利用效率降低27.3%～30.1%。冬小麦生长季降水量<150mm的西北区域灌溉增产幅度（39.6%～53.5%）高于降水量>150mm的东南区域（24.3%～27.1%），灌溉后水分利用效率降低幅度（32.4%～37.5%）高于东南区域（22.0%～24.3%）。冬小麦高产高效的生长季内最佳灌溉量西北区域为150～180mm，东南区域为120～150mm；干旱年、平水年和湿润年均为灌溉两次效果最佳，且最佳灌溉时期分别为拔节期和开花期、拔节期和抽穗期、拔节期和孕穗期，最佳总灌溉量均为120～150mm；壤土条件下灌溉对冬小麦增产效果最佳，黏土条件下水分利用效率降低幅度最小，沙土、壤土、黏壤土和黏土四种土壤质地下冬小麦最佳灌溉量分别为60～90mm、120～150mm、180～210mm和150～180mm；施氮量在120～240kg·hm−2时，灌水80～140mm增产节水效果最佳，其中灌水110～140mm条件下冬小麦产量更高，而灌水80～110mm冬小麦水分利用效率更高。综上所述，华北地区冬小麦在湿润年型下拔节和开花期灌溉，平水年型下拔节和孕穗期灌溉，干旱年型下拔节和抽穗期灌溉，总灌溉量为120～150mm，可实现高产节水，若该区域为壤土，同时施氮120～240kg·hm−2，冬小麦可实现产量和水分利用效率的协同提升。

华北冬小麦；产量；水分利用效率；协同提升；Meta分析方法

冬小麦是中国主要口粮作物，其种植面积和产量分别占到全国小麦的95.6%和94.3%[1]，华北地区为冬小麦主产区，其冬小麦产量直接决定了国家口粮安全。然而华北地区70%～80%的降水集中在6−8月，冬小麦生长季内降水量仅能满足其需水的25%～40%，水分亏缺高达200～300mm[2−3]，直接影响冬小麦生长发育和产量形成[4]，补充冬小麦需水亏缺主要依靠地下水灌溉，然而随着灌溉用水不断增多，灌溉用水的需求量已远大于地下水承载力[5−7]，因此，探究合理的灌溉制度对于实现华北冬小麦产量和水分利用效率协同提升至关重要。

前人在探究冬小麦产量和水分利用效率协同提升方面已做了大量研究，多基于大田试验和作物模型方法，且研究表明适度水分亏缺，可以在保持一定产量的同时，节约灌溉用水[8−9]，因此，在冬小麦不同生育时期进行科学合理灌溉可实现节水高产；薛佳欣等[10]利用APSIM模型的研究表明，华北平原干旱、平水及湿润年型下分别在冬小麦播种、拔节、开花期灌水75mm，可实现较高产量和水分利用效率；王海霞等[11]基于大田试验比较了华北平原黑龙港流域冬小麦在三种灌溉制度下的产量和水分利用效率，研究表明灌底墒水70mm和拔节水90mm是一种较好的丰产节水灌溉制度。

前人开展了灌溉对冬小麦产量和水分利用效率协同提升单点实验研究，然而华北地区不同实验地点由于气候和土壤理化性质差异导致冬小麦产量和水分利用效率对灌溉响应效果不同，仅考虑单点和较短年份的研究不能在区域宏观尺度上准确评价灌溉综合效应，导致各点研究结果存在差异。Meta分析方法是从公开发表文献中收集足够的针对同一主题的研究数据，通过统计分析得到针对这一主题的综合效应和开创性结论[12]，与单一实验或传统综述性研究相比，Meta分析方法具有大尺度获得大量数据结合统计方法开展定量分析优势。本文通过文献检索，获得186篇灌溉对华北冬小麦产量和水分利用效率影响文献，运用Meta分析方法，综合单点实验结果，量化灌溉对于华北冬小麦产量和水分利用效率的影响，分析了不同区域、降水年型、土壤质地、施氮量水平等因素影响下冬小麦产量和水分利用效率对灌溉的响应，确定了不同情景下华北冬小麦产量和水分利用效率协同提升的灌溉范围，可为区域制定合理灌溉措施、保障小麦高产稳产提供科学参考。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

研究区域包括河北省、山东省、河南省、北京市和天津市，地理位置为31°−43°N，110°−123°E，其中河北和北京北部地区平均气温≥0 ℃活动积温小于4200℃·d，其种植制度为一年一熟制[13]，不在本研究范围（图1）。

图1 华北冬小麦种植区气象站点及文献所涉田间实验站点的分布

1.2 数据来源

研究数据来源于中国知网数据库、Web of Science、维普数据库、万方数据库和Google Scholar数据库，中英文检索词包括“冬小麦（winter wheat）”、“灌溉（irrigation）”、“水分（water）”、“产量（yield）”、“水分利用效率（water use efficiency，WUE）”、“华北地区（the North China Plain）”，文献发表时间范围为2000−2020年，并基于以下标准对文献进行筛选：（1）实验所在地为华北冬小麦种植区域；（2）为大田实验，不包括防雨棚实验、实验室实验、盆栽和模型模拟；（3）同一实验必须包括不灌溉处理（对照处理）和灌溉处理；（4）文献中需要有各灌溉处理的产量、样本量，标准差不做严格要求；基于以上标准获取完全符合要求文献186篇（包括中文113篇和英文73篇），共1876对灌溉与不灌溉条件下冬小麦产量对比数据和1730对灌溉与不灌溉冬小麦水分利用效率数据（含均值、样本量、部分含标准差），并收集各个实验处理所在的地理位置、灌溉方案即灌溉量（均指冬小麦生育期内总灌溉量）和灌溉生育时期、土壤质地、施氮量等数据。文献中数据多以表格、柱状图、折线图形式出现，表格数据可直接提取，柱状图和折线图中数据，利用GetData Graph Digitizer软件进行数字化转换后提取，该软件已广泛应用于Meta文献搜集中的数据提取研究，已有研究表明提取数值保留6位有效数字，满足对研究数据精度需求[14]。

为分析华北地区不同区域气候、土壤质地条件下，灌溉对小麦产量和水分利用效率的影响，按区域、降水年型、土壤质地、施氮量对华北冬小麦灌溉实验数据进行分类。

按区域划分：综合考虑实验地点区域降水量的一致性，以1981−2017年冬小麦生长季内有效降水量150mm为阈值将华北冬小麦种植区分为东南和西北两个区（图1）。

按降水年型划分：根据冬小麦生长季内有效降水量分为湿润年、平水年和干旱年。根据实验数据中冬小麦生长季内降水量，利用经验频率分析方法（Empirical frequency analysis, EFA）计算经验概率P值，即将各生育期降水量进行降序排列，排名前25%视作湿润年，即当P<25%为湿润年，25%75%为干旱年[15]。

按土壤质地分类：根据美国农业部制定的土壤质地分类标准，将华北地区土壤质地分为沙土、壤土、黏壤土和黏土。

按施氮量水平划分：根据文献中施氮量，指生育期内总施氮量，将其分为不施氮、施氮量0～120kg·hm−2、施氮量120～240kg·hm−2和施氮量＞240kg·hm−2四种情景。

各类样本分组如表1、表2所示。

表1 文献中设有灌溉与不灌溉条件下冬小麦产量和水分利用效率的配对组数和变化率分类统计

注：PYT表示降水年型；产量指籽粒产量，水分利用效率为籽粒产量除以生育期内自然降水与灌溉用水之和。下同。

Note: PYT is precipitation year types. “Yield” indicates the grain yield. WUE is water use efficiency which is the ratio of the grain yield to the sum of natural precipitation and irrigation water during the growth period. The same as below.

表2 不同降水年型下各时期灌溉和不灌溉条件下冬小麦产量和水分利用效率数据配对组数和变化率的分类统计

1.3 基于Meta分析方法计算灌溉对产量或水分利用效率的影响效应

1.3.1 用单对数据计算影响效应值

选用对数反应比[12]作为评价灌溉对冬小麦产量和水分利用效率影响的统计学指标，计算式为

1.3.2 总体及不同分类条件下影响效应累积值

基于整个华北所有数据计算灌溉对产量和水分利用效率的累积效应值，由于文献数据实验地点、田间管理措施不同，各实验数据间存在显著异质性，选取随机效应模型[17]计算累积效应值。计算式为

根据95%置信区间来判断结果的显著性：95%置信区间大于0，说明灌溉处理对冬小麦产量或水分利用效率有显著正效应；95%置信区间小于0，说明灌溉处理对冬小麦产量或水分利用效率有显著负效应；95%置信区间等于0，说明灌溉处理对冬小麦产量或水分利用效率无显著影响。

E=0说明灌溉对冬小麦产量或水分利用效率无影响；E>0说明灌溉使冬小麦产量或水分利用效率提高；E<0说明灌溉使冬小麦产量或水分利用效率降低。

1.3.3 异质性检验

为了检验研究之间的异质性，引入所有研究之间的总异质性Qt[18]，Qt是基于卡方分布的统计量，Qt显著说明分析者所综合的效应值不只是由取样误差带来的，还存在其他解释变量影响结果，需要进一步分析其他因素来解释这一变异，其计算式为

1.4 数据处理

使用GetData Graph Digitizer软件提取文献中相关数据，使用Excel 2016和RStudio4.0.3进行Meta分析方法指标计算、回归分析及作图，Meta分析方法运算均在R语言下metafor包中运行完成。

2 结果与分析

2.1 不同区域灌溉对冬小麦产量和水分利用效率的影响

2.1.1 全区域数据

图2 不同区域灌溉与不灌溉条件下冬小麦产量和水分利用效率变化率的统计结果

注：图中n为数据对数，▲对应的横坐标表示灌溉相对不灌溉下冬小麦产量变化率，●对应的横坐标表示灌溉相对于不灌溉下水分利用效率（WUE）变化率，误差线表示95%置信区间，95%置信区间不包含0，说明差异显著，P<0.05。下同。

Note:n indicates data groups, triangles indicate yield change rate of winter wheat under irrigation compared with that under no irrigation, dots indicate WUE change rate of winter wheat under irrigation compared with that under no irrigation. The error bars indicate 95% confidence intervals, 95% confident intervals do not include 0, indicating difference is significant, P<0.05. The same as below.

2.1.2 不同区域数据

基于文献中西北区域890对、东南区域986对灌溉与不灌溉下的产量数据和西北区域776对、东南区域954对灌溉与不灌溉下的水分利用效率对比数据，分析计算两个区灌溉对冬小麦产量和水分利用效率影响的累积效应值，利用式（7），将累积效应值转化为变化率，即灌溉相对不灌溉下冬小麦的增产率和水分利用效率降低的变化率，结果见图3。由图可见，两区间灌溉对冬小麦产量和水分利用效率的影响程度存在显著的区域差异，其中西北区域灌溉使冬小麦产量提高39.6%～53.5%（46.4%），东南区域灌溉使冬小麦产量提高24.3%～27.1%（25.7%），西北区域灌溉后产量提高幅度显著高于东南区域；西北区域灌溉使冬小麦水分利用效率降低32.4%～37.5%（35.0%），东南区域灌溉使冬小麦水分利用效率降低22.0%～24.3%（23.1%），可见，西北区域冬小麦水分利用效率降低幅度高于东南区域。

每个灌溉量下都会对应一个相较于不灌溉情景下冬小麦产量变化率和水分利用效率的变化率，分别对西北区域和东南区域灌溉量和对应的冬小麦产量变化率和水分利用效率变化率进行统计，结果见图3。由图可见，西北区域随着灌溉量增加冬小麦增产幅度先提高后趋于平缓；东南区域冬小麦产量提高幅度随灌溉量增加先提高后降低，其水分利用效率降低幅度均随灌溉量增大不断提高，西北区域当灌溉量为150～180mm时，冬小麦增产幅度发生转折，超过180mm时，其增产幅度趋于平缓，而水分利用效率降低幅度还在持续增大，因此，西北区域灌溉150～180mm为冬小麦产量和水分利用效率协同提升的灌溉量；东南区域当灌溉量为120～150mm时，其产量提高幅度发生转折，增产幅度开始下降，水分利用效率降低幅度依然在持续增大，因此，东南区域灌溉120～150mm为冬小麦产量和水分利用效率协同提升的灌溉量。

图3 不同区域冬小麦产量和水分利用效率变化率随灌溉量变化的统计结果

注：≤60、90、120、150、180、210、240、270和300分别表示灌溉量≤60mm、60～90mm、90～120mm、120～150mm、150～180mm、180～210mm、210～240mm、240～270mm和270～300mm，纵坐标表示灌溉相对于不灌溉下冬小麦产量和水分利用效率的变化率。下同。

Note: ≤60, 90, 120, 150, 180, 210, 240, 270, 300 indicate irrigation amount of ≤60mm, 60−90mm, 90−120mm, 120−150mm, 150−180mm, 180−210mm, 210−240mm, 240−270mm, 270−300mm, Y-axis indicates yield and WUE change rate of winter wheat under irrigation compared with that under no irrigation. The same as below.

2.2 不同降水年型灌溉对冬小麦产量和水分利用效率的影响

灌溉对冬小麦产量和水分利用效率影响程度在各降水年型之间存在显著差异（图4）。华北地区湿润年、平水年和干旱年型下灌溉分别使冬小麦产量提高20.4%～24.2%（22.3%）、20.0%～22.7%（21.4%）和53.1%～76.7%（64.5%），可见越干旱的年份灌溉增产幅度越大，平水年产量提高程度相较湿润年差异较小。干旱年则与其它两种年型存在显著差异，增产幅度也大幅提高。湿润年、平水年和干旱年灌溉条件下冬小麦水分利用效率分别降低15.1%～19.1%（17.1%）、28.0%～30.3%（29.2%）和44.0%～48.2%（46.1%），在灌溉条件下，基于研究数据分析结果表明降水越少的年份，灌溉使水分利用效率降低的幅度越大，且年型之间存在显著差异。

不同年型下不同生育时期灌溉处理显著影响华北地区冬小麦的产量和水分利用效率（图5）。湿润年型下，拔节期和开花期灌溉2水（TD）处理冬小麦增产幅度最大，增幅27.0%～36.4%（31.6%），增幅显著高于拔节期灌溉1水（TA），拔节期、开花期和灌浆期灌溉3水（TF），拔节期、抽穗期和灌浆期灌溉3水（TG）处理，相较于拔节期和孕穗期灌溉2水（TB）、拔节期和抽穗期灌溉2水（TC）处理置信区间较短，拔节期和开花期灌溉2水处理数据更加稳定，表明湿润年型增产首选拔节期和开花期灌溉2水处理，其次是拔节期和灌浆期灌溉2水处理；平水年型下，与不灌溉处理相比，拔节期和孕穗期灌溉2水（TB）处理冬小麦增产幅度最大，增幅为16.4%～51.2%（32.7%），且增幅远高于其他灌溉处理，但其它处理之间差异不明显；干旱年型下，与不灌溉处理相比，拔节期和抽穗期灌溉2水（TC）处理冬小麦增产幅度最大，增幅42.1%～68.8%（54.9%），且显著高于灌溉1水和3水处理。

图4 不同降水年型灌溉与不灌溉条件下冬小麦产量和水分利用效率变化率的统计结果

图5 不同降水年型7个生育时期灌溉与不灌溉条件下冬小麦产量和水分利用效率变化率的统计结果

注：纵坐标TA-TG分别表示拔节、拔节−孕穗、拔节−抽穗、拔节−开花、拔节−灌浆、拔节−开花−灌浆、拔节−抽穗−灌浆灌溉。

Note: TA-TG indicates jointing, jointing-booting, jointing-heading, jointing-flowering, jointing-filling, jointing-flowering-filling and jointing-heading-filling.

湿润年型下，拔节期灌溉1水（TA）处理冬小麦水分利用效率降幅最小，降低8.5%～12.9%（10.7%），其次为拔节期和开花期灌溉2水（TD）处理，降低5.8%～17.3%（11.8%），与拔节期灌溉1水（TA）处理差异并不显著，综合来看拔节期和开花期灌溉2水（TD）处理增产节水最佳；平水年型下，拔节期灌溉1水（TA）处理冬小麦WUE降幅最小，为17.3%～20.7%（19.0%），其次是拔节期和孕穗期灌溉2水（TB）处理，降幅9.1%～31.6%（21.1%），与拔节期灌溉1水（TA）处理差异不显著，综合来看，平水年拔节期和孕穗期灌溉2水（TB）处理增产节水最佳；干旱年型下，拔节期灌溉1水（TA）处理小麦WUE降幅最小，为25.1%～31.9%（28.6%），其次是拔节期和抽穗期灌溉2水（TC）处理40.5%～49.5%（45.2%），但拔节期灌溉1水（TA）与拔节期和抽穗期灌溉2水（TC）处理差异显著，但由于拔节期灌溉1水（TA）处理增产情况显著低于拔节期和抽穗期灌溉2水（TC）处理，故综合来看，干旱年拔节期和抽穗期灌溉2水（TC）处理效果更佳。不同年型下均以灌溉2水实现高产高效，由于灌溉2水情景下灌溉量主要集中在120～150mm，故认为不同年型下冬小麦最佳灌溉量为120～150mm。

2.3 不同土壤质地灌溉对冬小麦产量和水分利用效率的影响

不同土壤质地显著影响冬小麦产量和WUE对灌溉的响应（图6a）。沙土、壤土、黏壤土和黏土4种不同土质条件下，灌溉分别使冬小麦增产33.8%～51.2%（42.3%）、40.9%～60.2%（50.2%）、21.4%～24.5%（22.9%）和30.2%～42.0%（36.0%），其中壤土条件下，灌溉使冬小麦增产最大，沙土次之，壤土较黏壤土、黏土增产显著；沙土、壤土、黏壤土和黏土4种不同土质条件下，灌溉分别使冬小麦WUE降低27.3%～35.8%（31.7%）、28.1%～33.2%（30.7%）、26.2%～28.8%（27.5%）和16.9%～23.5%（20.3%），其中黏土条件下，灌溉使冬小麦WUE降低幅度最小，且相较沙土、壤土和黏壤土较为显著；沙土条件下，冬小麦增产幅度随灌溉量增加先增大后减小，WUE降低幅度随灌溉量增加先减小后趋于平缓，灌溉量为60～90mm时，冬小麦增产幅度相对较高，WUE降幅较小，实现高产高效（图6b）；壤土条件下，小麦增产幅度随灌溉量增加先增大后减小，WUE降低幅度随灌溉量增加先平缓后减小，当灌溉量为120～150mm时，实现高产高效（图6c）；黏壤土条件下，小麦增产幅度随灌溉量增加先平缓后增大，WUE降低幅度随灌溉量增加整体呈现不断增大的趋势，当灌溉量为180～210mm时实现高产高效（图6d）；黏土条件下，小麦的增产幅度随灌溉量增加整体呈不断增大的趋势，WUE降低幅度随灌溉量增加变化并不明显，且其降幅整体维持在相对较低的水平，当灌溉量为150～180mm时实现高产高效（图6e）。

图6 不同土壤质地灌溉与不灌溉条件下冬小麦产量和水分利用效率变化率的统计结果

2.4 不同施氮量条件下灌溉对冬小麦产量和水分利用效率的影响

施氮量显著影响灌溉对冬小麦产量和WUE的响应（图7a）。不施氮、施氮0～120kg·hm−2、施氮120～240kg·hm−2和施氮>240kg·hm−2四种情况下灌溉分别使冬小麦增产18.5%～31.2%（24.7%）、14.9%～23.1%（18.9%）、36.2%～47.5%（41.8%）和19.2%～25.1%（21.1%），其中随着施氮量增加，冬小麦增产幅度先增大后减小，施氮120～240kg·hm−2时，灌溉使冬小麦增产幅度最大（图7b）；且随着灌溉量增加，冬小麦增产幅度先增加后减少，其中以灌溉量为110～140mm时，小麦增产幅度达到最大。不施氮、施氮0～120kg·hm−2、施氮120～240kg·hm−2和施氮>240kg·hm−2四种情况下灌溉分别使冬小麦WUE降低15.9%～29.1%（22.8%）、32.2%～40.4%（36.4%）、21.0%～25.2%（23.1%）和31.0%～36.5%（33.8%）；其中不施氮和施氮120～240kg·hm−2情况下，灌溉使冬小麦WUE降低幅度最小，且施氮120～240kg·hm−2误差线更短，说明数据稳定；施氮120～240kg·hm−2情景下，随着灌溉量增加冬小麦WUE降低幅度逐渐增大，其中以灌水<60mm和灌水80～110mm小麦WUE降低幅度最小（图7c），综合增产情况，灌水80～110mm是更好的选择；综合产量和WUE，灌水80～110mm和110～140mm增产节水效果较好，若追求产量更高，可灌水110～140mm，若追求WUE更高，可灌水80～110mm。

图7 不同施氮量条件下灌溉与不灌溉对比冬小麦产量和水分利用效率变化率的统计结果

注：图(b):施氮120～240kg·hm−2情景下，灌溉相对于不灌溉下产量变化率随灌溉量的变化，其中黑线表示数据分布集中程度。图(c):施氮120～240kg·hm−2情景下，灌溉相对于不灌溉下WUE变化率随灌溉量的变化。

Note: (b): Under 120-240kg·ha−1nitrogen application, relation between irrigation amount and change rate of yield under irrigation compared with that under no irrigation, black lines represent the concentration of data distribution. (c): Under 120-240kg·ha−1nitrogen application, relation between irrigation amount and change rate of WUE under irrigation compared with that under no irrigation.

3 结论与讨论

3.1 讨论

水分是华北冬小麦生产中最主要限制因素[19]，灌溉可显著提高冬小麦产量，华北水资源亏缺严重[2−3]，产量和水分利用效率协同提升至关重要。本研究利用Meta分析方法定量分析了华北地区灌溉对冬小麦产量和水分利用效率协同提升程度及影响因素，研究实验站点共42个，均匀分布在华北不同区域，与前人研究相比，获得了区域结果，可为研究区域科学灌溉提供依据和参考。华北降水量呈由东南向西北逐渐减少的空间分布特征[20]，因此，与东南区域相比，西北区域冬小麦生长季内降水亏缺更为严重，灌溉对西北区域冬小麦产量提高更显著。由于本研究搜集文献中灌溉量并没有无限增加，因此，在现有灌溉条件下，西北区域冬小麦产量随灌溉量呈线性增加，东南区域随着灌溉量增加，冬小麦产量呈先增加后减少特征。

各降水年型下，不同时期灌溉对冬小麦产量和水分利用效率影响存在显著差异；拔节期是冬小麦从营养生长向生殖生长过度的关键时期，水分亏缺对产量影响显著[21]。孕穗开花期是冬小麦生殖生长和产量形成的关键时期，充足供水对产量提高至关重要[22]。灌浆期是籽粒重量增加的关键时期，水分胁迫直接影响粒重进而影响产量[23]。本研究表明，在不同降水年型下，华北冬小麦最佳灌溉时期均为拔节−灌浆期，总体结论与前人一致[10,24]。但在各年型，灌溉时期有差异，可能原因是由于不同时期降水量存在差异，导致冬小麦降水情况不同，所需的灌溉量在各时期并不一致。湿润年型下，拔节期和开花期灌溉2水，总灌溉量120～150mm，冬小麦产量和水分利用效率协同提升最佳，该结论与张喜英等[25]在河北栾城田间实验得到的湿润年型下拔节期灌溉1水，灌溉量60～70mm，可实现产量和水分利用效率均相对较高的结论并不一致，是由于本文综合了区域多点、多年实验结果，综合考虑华北区域各年型灌溉需求，与单点实验相比更有代表性。

土壤质地影响作物根系分布进而影响水分养分吸收[26]，本研究结果表明壤土条件下，灌溉使冬小麦增产节水幅度最大，这是由于壤土中黏粒、粉粒、沙粒含量适中，通气透水及保水能力强，可有效保持灌溉水，同时黏粒相对较高，对养分吸收较好，同样有利于高产[4]。

本研究表明，华北地区施氮120～240kg·hm−2，灌溉对冬小麦增产效果最佳，且水分利用效率降低幅度最小。主要是由于当施氮量超过一定阈值时会降低土壤团聚体的稳定性，使团聚体粒径减小，有机质含量下降[27]，当土壤中施氮量和灌溉水达到合适的比例，可以显著增加土壤中微生物的活性，以及土壤有机质和土壤酶的活性[28]，因此，施氮120～240kg·hm−2时，灌溉增产节水效果最佳。

本研究基于Meta分析方法研究明确了不同因素影响下华北冬小麦产量和水分利用效率对灌溉的响应，但仍存在不足。首先，受文献资料的限制，关键生育时期灌溉数据主要集中在拔节−灌浆期，未能分析底墒水和越冬水、返青水对冬小麦产量和水分利用效率影响；也未考虑品种、灌溉方式等对冬小麦产量、水分利用效率的影响；未考虑降水年型、施氮量等因素之间的交互作用。由于河南南部降水相对较多，降水基本满足冬小麦需水要求[29]，因此，灌溉对冬小麦产量及水分利用效率影响的文献相对较少，但在气候变化背景下，降水年际之间波动性较大，河南南部冬小麦生长遭遇干旱时有发生，此后将进一步完善数据库，分析该地区冬小麦产量和水分利用效率综合提升的适宜灌溉时期和灌溉量。

3.2 结论

（1）灌溉可使华北地区冬小麦增产32.0%～38.3%，水分利用效率降低27.3%～30.1%。增产效应表现为西北区域显著高于东南区域，WUE降低幅度西北区域高于东南区域；西北区域产量和WUE协同提升灌溉量为150～180mm，东南区域为120～150mm。

（2）冬小麦产量和水分利用效率协同提升灌溉量和灌溉时期在降水年型之间差异明显，湿润年型、平水年型和干旱年型灌溉2水的灌溉时期分别为拔节和开花期、拔节和孕穗期、拔节和抽穗期，总灌溉量为120～150mm。

（3）壤土条件下灌溉增产效果最好，黏土条件下水分利用效率降低幅度最小，沙土、壤土、黏壤土和黏土最适宜灌溉量分别为60～90mm、120～150mm、180～210mm和150～180mm。

（4）随施氮量增加，灌溉对冬小麦增产幅度呈先增加后减少趋势，水分利用效率降低幅度呈先减小后增大趋势，施氮量为120～240kg·hm−2时，灌溉80～110mm和110～140mm增产和水分利用效率最佳，若仅从增产角度考虑适宜灌溉量为110～140mm，若仅从水分利用效率角度考虑适宜灌溉量为80～110mm。

综上所述，华北地区湿润年型下在冬小麦拔节和开花期灌溉2次，平水年在拔节和孕穗期灌溉2次，干旱年在拔节和抽穗期灌溉2次，总灌溉量为120～150mm，可实现高产节水，壤土条件下，同时施氮120～240kg·hm−2，可实现冬小麦产量和水分利用效率协同提升。

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High Yield and Water Use Efficiency Synergistical Improvement Irrigation Scheme of Winter Wheat in North China Plain Based on Meta-Analysis

ZHOU Li-tao1, SUN Shuang2, ZHANG Zhen-tao1, ZHANG Fang-liang1, GUO Shi-bo1, SHI Yan-ying1, YANG Xiao-guang1

(College of Resources and Environmental Science, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2. Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081)

The effects of irrigation on winter wheat yield and water use efficiency (WUE) were mostly explored based on site-based experiments in North China Plain (NCP) region. However, due to the influences of contrasting environmental factors (e.g. climate and soil properties), these results cannot be accurately cross-compared among different studies, resulting in the difficulty to get the generalizable pattern at regional scale. Here meta-analysis was conducted to comprehensively evaluate the effects of irrigation on winter wheat yield and WUE in NCP region, with the observation data of 1876 pairs from 186 field experimental papers totally. The differences of the irrigation effects in different regions, precipitation year types, soil texture, and nitrogen (N) application levels were explored, and the corresponding optimal irrigation amounts for reaching high yield and WUE were ascertained. Results showed that compared with non-irrigation during the winter wheat growing period, irrigation increased the yield of winter wheat in NCP by 32.0%-38.3%, and reduced the WUE by 27.1%-30.1%. The yield increment due to irrigation in the northwest of NCP (39.6%-53.5%) with total precipitation during the winter wheat growing period below 150mm was higher than that in the southeast of NCP (24.3%-27.1%) with total precipitation during the winter wheat growing period higher than 150mm, while the decrease of WUE due to irrigation in northwest of NCP (32.4%-37.5%) was higher than that in the southeast of NCP (22.0%-24.3%). The optimum irrigation amount for high yield and WUE of winter wheat was 150-180mm in the northwest and 120-150mm in the southeast. Specifically, for different precipitation year types, the optimum irrigation amounts were 120-150mm with 2 times during jointing and flowering stages for dry year, during jointing and heading stages for normal year, and during jointing and booting stages for wet year. For different soil texture, irrigation under loamy soil had the highest increases in yield, while clay soil had the lowest decreases in WUE; the optimum irrigation amounts of winter wheat with four different soil texture of sandy soil, loam, clay loam and clay were 60-90mm, 120-150mm, 180-210mm, and 150-180mm, respectively. For different N application levels, N application of 120-240kg·ha−1led to the highest yield and WUE under the irrigation amounts of 80-140mm, of which the higher yield was obtained under irrigation amounts of 110-140mm, and the higher WUE was obtained under the irrigation amounts of 80-110mm. Collectively, the NCP region can achieve the goals of high yield and WUE when irrigation amount was 120-150mm with 2 times but at different stages during different precipitation year types (i.e. dry year, normal year and wet year). Meanwhile, the combination of loam conditions with the N application of 120-240kg·ha−1can synergistically improve the yield and water use efficiency of winter wheat.

Winter wheat in North China Plain; Yield; Water Use Efficiency; Synergistically improvement; Meta-analysis

10.3969/j.issn.1000-6362.2022.07.001

周丽涛,孙爽,张镇涛,等.基于Meta分析华北冬小麦高产高效协同提升灌溉方案[J].中国农业气象,2022,43(7):515-526

2021−10−01

“十三五”重点研发项目（2019YFA0607402）；国家自然科学基金（41901013）

杨晓光，教授，研究方向为气候变化对农业影响与适应、农业防灾减灾以及农业生产系统模拟，E-mail: yangxg@cau.edu.cn

周丽涛，E-mail: 871641726@qq.com