基于Meta分析的我国华北地区氮肥施用对玉米增产效应研究

张玲椿 ，张馨月 ，高 强 *，焉 莉 *

（1.吉林农业大学资源与环境学院，长春 130118；2.吉林农业大学秸秆综合利用与黑土地保护教育部重点实验室，长春 130118）

随着人口的增长和耕地面积的减少，人们对粮食需求日益紧迫，粮食安全成为各国亟待解决的问题[1-2]。目前玉米已超过小麦，水稻，成为我国第一大粮食作物，作为华北地区的主要粮食作物，其产量高低对保证我国粮食安全也具有至关重要的作用[3]。为实现玉米增产，必须在有限耕地面积的条件下提高单位面积产量，而增施氮肥是最有效的增产措施之一[4-5]。氮素是玉米生长发育必需的矿质元素，玉米产量的提高在很大程度上依赖氮肥的投入[6]。氮肥作为我国生产和使用量最大的肥料，其利用率仅为30%～35%，这与我国氮肥过量投入密切相关。华北玉米主产区的平均氮肥施用量为263 kg/hm2[7-8]，远高于 Liu X.J.等人[9]和吴良泉等人[10]推荐的180 kg/hm2,而当氮肥用量大于240 kg/hm2时,玉米的氮肥利用率可降至14.4%[11]。Fang X.Q.等人[12]应用模型研究了华北地区不同氮肥水平对夏玉米的影响，结果表明玉米的产量并不会随着施氮量的增加而增加，但土壤中残留的氮含量却随着施氮量的增加而增加[13-14]。大量的养分在土壤中累积，造成玉米施肥后的增产效果不明显，严重降低了增产效应[15]。玉米在不同自然和人为管理措施条件下氮肥的增产效应也不同。陈静[16]研究结果表明，与传统施肥相比，滴灌施肥可显著提高作物产量20%左右。华北地区常采用轮作制度，有研究表明，轮作制度可以实现土壤养分的残效利用，提高肥料后效和利用效率从而达到减少化肥投入的目的[17]。杨阳等[18]研究了土壤质地对作物氮素利用效率的影响，发现砂土上氮肥当季利用率最低，从而影响作物生长。

以往的研究均是从单一影响因素出发，缺少大数据多因素对区域施氮结果的影响分析，Metaanalysis分析方法是一种可以将若干同类独立研究的统计结果进行定量分析的统计方法[19]，与单个研究或传统的定性描述类综述研究相比，Meta分析具有从区域尺度甚至于更大的尺度上获取大量的研究数据和结合统计方法，继而进行定量分析的特点，可以对统计结果进行综合评价，并分析其影响因素[20]。因此，本研究应用Meta分析方法探讨不同施氮措施、水分管理，土壤理化性质、种植制度等条件下施氮的增产效应，旨在为优化华北地区玉米综合养分管理措施，发挥氮肥增产增效作用提供数据参考。

1 材料和方法

1.1 数据来源

本研究通过对中国知网（CNKI）和Web of Sci⁃ence数据库的检索。以“玉米产量”“玉米+氮肥”为检索关键词，收集筛选了1990～2020年发表的文献，并对检索到的文献按以下筛选标准进行筛选：①试验地点：华北地区；②数据是田间试验实测产量数据；③试验处理中必须包含试验处理（施氮）和对照处理（不施氮）。最终筛选出符合标准的研究论文62篇，可进行分析的试验数据583对。

提取文章中与试验研究密切相关的信息：试验背景信息（气候条件、土壤理化性质）、试验设计相关信息（水分管理、氮肥管理）和分析指标（试验组及对照组玉米产量平均值、重复次数、标准差或标准误）。以文字、表格形式展示的数据直接提取，以图形形式展示的数据用GetData Graph Digitizer软件提取。如果文献提供的试验数据为土壤有机碳含量，则采用公式（1）换算为土壤有机质含量。如果文献中提供的数据是各均值对应的标准误，标准差可通过公式（2）进行转换。公式如下：

其中，SD为指标的标准差，SE为标准误，n为样本量。对于标准差和标准误都缺失的数据组，按照M.B.Bracken的方法估计缺失的标准差[21]。

1.2 数据分类

考虑到氮肥施用的产量效应会受其他因素影响，根据从文献中提取到相关的试验信息，进行归纳分组，得到以下影响因素（表1）：年平均降雨量、水分管理、灌溉方式、土壤质地、土壤pH、土壤有机质含量、土壤全氮和碱解氮含量、施氮量、氮肥种类、施氮方式及种植制度。通过Meta亚组分析以考察各影响因素对施氮的产量效应的影响程度。

表1 数据分组情况Table 1 Classification of experiment data

1.3 数据分析

在Meta分析中，我们使用反应比（response ra⁃tios，RR）的自然对数为效应值lnR，作为效应大小[22]，通过公式（3）计算施用氮肥对玉米产量的影响，计算公式如下：

其中，Xt与Xc分别表示实验组施氮处理与对照组不施氮处理下玉米产量均值。

Meta分析是对各项独立研究的效应值进行加权计算，需要得到总体的平均效应值lnR++。计算时，应先确定每项独立研究的方差vi、权重wi，公式如下：

其中，Nt与Nc分别表示实验组与对照组的样本量；SDt与SDc分别表示实验组与对照组的标准差；Xt与Xc分别表示实验组与对照组的均值。

为反映效应值的变异情况，本研究计算了加权综合效应值lnR++的95%置信区间（95%CI），其计算依据公式：

为了简单地表现施氮的玉米产量效应，本研究根据公式（7）将该指标的lnR++转化为变化率(E)。

一般通过异质性检验的结果确定分析模型，若数据分析结果不显著（PQ-val>0.05），则数据库内的各试验结果间不存在显著差异，选用固定效应模型；若PQ-val<0.05，则证明存在显著差异，选用随机效应模型。本研究统计结果显示，各试验结果间存在明显异质性，因此选用随机效应模型计算综合效应值（表2）。根据95%置信区间（95%CI）来判断研究结果的显著性。如果95%CI不与0值重叠，且大于（小于）0值，即研究结果显著，说明施用氮肥显著提高（降低）了玉米产量。如果95%CI包含了0值，说明Meta分析结果不显著；所有Meta分析过程利用R-studio和Metawin 2.1软件进行，另外，本文采用Origin 9.1软件进行相关作图。

表2 综合效应样本描述性统计分析Table 2 Descriptive statistics of sample size

2 结果与分析

2.1 施氮增产效应的影响因子

通过Meta亚组分析对本文纳入的每组解释变量进行研究，由表3可知，施用氮肥对华北地区玉米产量的综合效应受年均降雨量、灌溉方式、土壤有机质含量、土壤全氮含量、碱解氮含量、氮肥种类、施肥方式和种植制度等因素的影响达到了极显著的水平（P<0.001），受水分管理的影响也显著（P<0.01），受土壤质地和施氮量的影响较显著（P<0.05），但受土壤酸碱性的影响不显著（P>0.05）。上述所有解释变量的R2值累计∑R2=61.97%，表明本文所纳入的解释变量，能够解释69.27%的异质性来源。R2越大说明受该因素的影响越大，因此按照R2大小，可知上述所有解释变量中影响施氮增产效应的最关键因素为施氮量、种植制度、氮肥种类和灌溉方式。其他因素对玉米增产效果也有影响但影响相对较小，可以作为次要因素。

表3 各影响因素的统计检验结果Table 3 Results of statistic test of influence factor

现将所有解释变量按照玉米生育期内的实际生产管理措施划分为水分管理（年均降雨量、水分来源、灌溉方式）、土壤肥力条件（土壤质地、土壤酸碱性、土壤有机质、土壤全氮、土壤碱解氮）、田间措施（施氮量、氮肥种类、施肥方式、种植制度）3部分，探讨各种条件和管理措施对华北地区施氮增产效应的影响。

2.2 水分管理对施氮增产效应的影响

华北地区不同水分管理措施下施用氮肥后玉米的增产效应存在一定的差异。随着年均降雨量的增加，增产率逐渐增大。年均降雨量与增产率之间呈现出正相关的变化趋势（图1）。在雨养条件，增产率为 28.35%（95CI：23.99%～32.87%），在灌溉条件下的增产率更高，为42.30%（95CI：35.27%～49.71%），比前者高出13.95%，其中在年均降雨量≤500 mm条件下灌溉增产率最高，达到51.83%（95CI：44.48%～59.55%），说明在低降雨量水平下进行灌溉最有利于增产。不同灌溉方式对增产效应也具有显著差异（P<0.001），其中滴灌条件下施用氮肥后的增产率最高，为42.90%（95CI：37.99%～47.99%），其次是喷灌，为 30.13%（95CI：26.02%～34.37%），二者分别比传统灌溉条件下高出18.80%和6.03%。

图1 不同水分管理条件下施用氮肥对玉米增产效应的影响Figure 1 Effects of nitrogen application on maize yieldincreasing effect under different water management conditions

2.3 土壤肥力对施氮增产效应的影响

不同质地的土壤上施用氮肥后玉米的增产效应有显著差异（P<0.05），砂土的增产率为35.78%（95CI：28.27%～43.75%）显著低于非砂质土44.90%（95CI：38.28%～51.83%），相差9.12%。土壤基础养分（有机质、全氮和碱解氮含量）对增产效应均具有显著影响（P<0.001），且3种土壤养分含量与玉米的增产率之间均表现出负相关的变化趋势，当土壤基础养分含量处于低水平下时（有机质≤10；全氮≤1；碱解氮≤60），氮肥投入大致在190 kg/hm2，此时增产率最高（图2b）；基础养分含量处于中等水平时，氮肥投入大致在180 kg/hm2；基础养分含量处于高水平时，氮肥投入大致在170 kg/hm2。通过对比发现，随着土壤基础养分含量的逐渐升高，应减少氮肥投入，才能达到较好的增产效果；土壤pH值对增产率表现无显著影响（P=0.564），但其加权平均效应值分布和增产率与土壤基础养分表现出类似的规律，pH值接近中性时（6.5～7.5）增产率最大，pH值偏大（>7.5）时增产率最小（图2a），但仅相差4.07%。

图2 不同土壤理化性质下施用氮肥对玉米增产效应的影响Figure 2 Effects of nitrogen application on maize yield-increasing effect under different soil physical and chemical properties

2.4 田间管理措施对施氮增产效应的影响

由图3可以看出，在施氮量≤180 kg N/hm2时玉米的增产率最大（E=52.38%；95CI：45.78%～59.27%），随着施氮量的增加玉米的增产率逐渐降低，同时通过二次多项式函数拟合玉米产量对施氮量的响应，可知最大增产效应位于施氮量161 kg/hm2时，之后增产效应随施氮量的增加而逐渐降低，此规律与施氮量亚组分析表现出的规律相似。一次性施肥的增产率为32.99%（95CI：29.72%～36.33%），分次施肥的增产率为49.56%（95CI：42.79%～56.64%），二者相比较，后者更会显著提高玉米的增产率（P<0.001）。在不同氮肥类型的比较中，有机肥与无机肥配合施用的增产率最高，达到79.48%（95CI：70.71%～88.70%）；其次为缓控释肥，增产率59.98%（95CI：51.51%～68.93%）；传统固体肥料为39.92%（95CI：36.15%～43.79%）；单施有机肥为29.82%（95CI：24.88%～34.96%），增产率最低。

图3 不同氮肥管理措施下对玉米增产效应的影响Figure 3 Effects of nitrogen application on maize yield-increasing effect under different nitrogen management measures

种植制度对施氮后玉米的增产率也有一定的影响（图4）。3种轮作方式下的增产率均显著高于连作（P<0.001）。其中粮棉轮作（棉花-小麦-玉米轮作）下的增产率最高，达到82.74%（95CI：76.86%～88.80%）；其次为花生-玉米轮作为57.70%（95CI：50.53%～65.19%），而华北地区常用的冬小麦-夏玉米轮作方法的增产率低于前两种，为45.59%（95CI：41.18%～50.14%），但这3种轮作方式的增产率分别比玉米连作高56.77%、31.73%和19.62%。

图4 不同种植制度下施用氮肥对玉米增产效应的影响Figure 4 Effects of nitrogen application on maize yieldincreasing effect under different cropping systems

3 讨论

3.1 水分管理对玉米增产的影响

水氮在一定范围内对产量影响表现为相互促进的关系，在施用氮肥后适宜的降雨量或灌水对玉米的增产作用至关重要，而华北地区年降雨量在300～1 000 mm之间，多年平均降雨量在500 mm左右[23-24]，年降水仅能满足农业用水的65%左右，并且有研究表明，在玉米的需水关键期（拔节期、大喇叭口期、灌浆期）[25-26]，仅靠自然降雨很难满足各生育期对水分的需求应及时进行灌溉，因此水分是影响氮肥效应的重要因素。当水分亏缺时，施氮后会导致作物生长的初期耗水量增加，后期出现水分胁迫，导致植株叶片提前进入衰老期，直接降低了光合速率和灌浆速率[27]，从而导致作物减产。因此这间接证明了本研究结果在低年均降雨量并灌溉充足水分的条件下施用氮肥对玉米增产率最高。将滴灌与其他灌溉方式相比，滴灌具有较好的均一性，是现代灌溉技术和精准施肥技术的有机结合，对作物出苗和前期生长均有促进作用[28-29]，因此滴灌施肥可以显著增加玉米干重和产量并提高氮肥利用率[30-32]。

3.2 土壤肥力对玉米增产的影响

土壤肥力状况是耕地质量的核心因素[33]，会直接影响施用氮肥后玉米的增产效应，并且土壤质地还是反映土壤潜在生产力的重要标志。因此在本研究中砂土的增产效应显著低于非砂质土，主要是因为质地过于疏松的砂土养分含量低，施用氮肥后保肥性能差，作物后期容易脱肥早衰，继而影响其生长，很难达到高产的效果[34]。通过比较土壤有机质，土壤全氮和碱解氮含量的亚组分析结果可知土壤肥力较低对氮肥的需求量较高，此时适当增加施氮量后增产率较高；而当土壤肥力越高，基础养分供应量越高时，则应降低施氮量以便造成浪费。pH是影响土壤硝化作用重要影响因子之一，对土壤养分转化和微生物群落结构具有一定的调节作用。pH过高的土壤施用氮肥后会导致土壤中NH3挥发作用增强，大量的氮素以NH3的形式挥发到大气，造成氮素损失影响作物对养分吸收，因此增产率偏低[35]。

3.3 田间管理措施对玉米增产的影响

适宜的田间管理措施能够为玉米生长提供良好的外部环境，是促进玉米稳产高产的关键因素。本研究通过亚组分析发现随着施氮量的增加，施氮对玉米的增产效应越来越低。在华北地区，农民习惯性施氮量为240 kg/hm2，当将施氮量减少30%即施氮量为168 kg/hm2时，玉米产量并未降低，而氮肥利用率却明显增加[36]，这一结果与我们运用二次多项式函数计算得出的施氮量为161 kg/hm2时增产效应最佳的结论相近。而当施用过量氮肥后，玉米的叶片和茎秆疯长，植株倒伏现象严重，且贪青晚熟，导致玉米产量和品质均会降低[37]。氮肥的种类和施用方法同样也影响着玉米的增产效应[38-39]，研究表明分次施肥会显著提高玉米增产效应，这可能是因为在玉米生育后期，如果适量施用氮肥可以提高光合高值持续期，协调光合特性和干物质与养分积累之间的关系，从而有效地提高了玉米产量[40]。同时有机肥与无机肥配施条件下玉米增产效应最高。目前，单施有机肥或者单施无机氮肥均不符合现代农业可持续发展的要求，将有机肥与无机氮肥配合施用才能有助于全面调节土壤与作物之间养分平衡。有研究结果表明，将有机无机肥配施，既可以活化土壤中的养分，提高土壤肥力，又可以促进玉米养分吸收，并且对种子萌发和根系生长均有刺激作用，增强玉米的呼吸和光合作用，有利于生长发育，在增加玉米产量的同时还改善其品质[41-42]，可以达到土壤与作物之间双赢的结果。其次是缓控释肥的施用也可以达到较高的增产效应，这是由于其具有可溶性氮素逐步释放的特点，其释放规律与作物吸收养分相吻合，既减少了氮素的损失又有利于作物生长发育[43-45]。

轮作制度可以实现土壤养分的残效利用，并改变土壤养分结构，为茬口衔接节肥技术的实施提供依据。在本研究中玉米连作的增产效应最低，而轮作增产效应最高；尤其棉粮轮作后会明显改变土壤中微生物优势菌群，减少有害菌群，因此棉粮轮作更有利于增产增收、粮棉双丰收[46]。而长期连作会使土壤微生物的物种多样性和功能多样性的水平降低，为植物病原微生物的生长繁殖创造了条件，继而加重土传病害[47]。已有研究发现，随着连作年限的增加，土壤容重会相应增加，作物产量则会降低，相应的有害生物会逐渐累积，最终抑制了作物的生长[48]。

4 结论

施用氮肥可缓解土壤氮素不足对玉米生长发育的限制，具有显著的增产效应，华北地区玉米的平均增产率可达到39.32%。影响华北地区的氮肥效应的最关键因素为施氮量、种植制度、氮肥种类和灌溉方式。若土壤基础肥力较高应减少氮肥投入，平均施氮量在161 kg N/hm2左右增产效应达到最大；未来应根据当地实际情况综合考虑土壤肥力条件，采取合理的施肥量、轮作制度、有机肥还田和滴灌措施进一步实现华北地区的玉米高产和养分高效。