不同灌水次数对于小麦产量的影响——基于Meta分析

王福生 戎文杰 干家欣 童琦媛 翁明皓

(淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223001)

引言

小麦是3大谷物之一，是我国主要的粮食作物，保证小麦的高产对于我国日益增加的人口和粮食需求有重要意义，2022年我国的小麦产量达到了1357.6亿kg。小麦的生长用水约占中国北方农业用水的70%，小麦生长需要大量的水分，而近年由于全球变暖，气候发生变化，降雨量受到气候影响随之变小，我国的降雨大体从东南向西北方向递减，在我国国情以及气候变化的形势下，小麦的发展正面临干旱和减产的威胁与挑战[1]。灌溉对于小麦生长有重要意义，适当的灌水会促进小麦生长，增加小麦的产量，而过度的水分胁迫或者是过多的水分投入则会影响小麦的生长进一步减少小麦的产量。在拔节期进行适度的水分胁迫能够有效提高水分利用效率。在小麦的生育期中，灌水量会和总耗水量呈正相关的关系，而耗水量还会和土壤水消耗量呈现显著的负相关关系[2]，在拔节期之前，冬小麦的田间耗水量和大气蒸发量呈正相关。有研究表明，适应小麦生长发育的土壤含水量为70%～80%，但由于小麦各器官对于土壤水分的敏感程度有所不同，因此冬小麦在不同生育期内对于土壤水分的下限值也有所不同，因此适当减少灌溉次数和灌溉水量能够有效增加土壤水分的消耗，从而减少生育期内的总耗水[3]。小麦的产量会受到水分胁迫不同程度上的影响，干旱条件下，小麦的地上部分生长较慢，干物质向根的方向移动，而根冠比会增大，地上部位的干物质分配率会下降[4]。生育期后期的水分胁迫会造成小麦的早衰，光合能力急速下降，继而造成小麦产量的下降[5]。小麦的生长对于土壤水分的不足有着调控能力，因此这对减少小麦的灌溉用水从而节约水资源有着重要意义。小麦的灌水次数会影响小麦的生长于产量。因此本文聚焦于灌溉次数这一指标，研究不同的灌溉次数对于小麦产量的影响。

Meta分析是一种统计方法，通过不同文章中不同试验里的数据点，讨论不同试验处理中某些变量对于Meta分析中累计效应的影响，从而找出研究问题所关注的变量间的明确关系模式。Meta源于希腊语，1976年，美国教育学家首次使用了Meta-analysis一词，并且创造了效应量这一衡量指标，通过统计学上的方法来总结分析大量同主题的科学研究，并得出结果[6]。有学者通过Meta分析研究耕作方式对于小麦产量和水分利用效率的影响，结论表明，旋耕降低了小麦的产量和水分利用效率，免耕提高了小麦的总体水分利用效率[7]。也有研究通过Meta分析开展了水分胁迫对于小麦品质和产量的研究影响[8]。本文旨在通过Meta分析的方法收集文献，以研究灌水次数这一灌溉指标对于小麦生长的影响。

1 材料与方法

1.1 数据检索收集与筛选

本文通过在中国知网(CNKI)以“小麦”和“灌水/灌溉次数”等关键词进行检索，搜索了自2000—2022年发表的文献。本次研究中的数据筛选标准如下。

试验为大田试验，盆栽实验不被纳入本文的研究；对照组为小麦仅浇越冬水，处理组为不同的灌水次数；剔除不同论文中相同的实验数据。

按照以上标准进行筛选后，共有68组观察数据被纳入本文的研究。为进一步研究不同的灌水次数对小麦产量的影响，本文将收集到的灌水次数进行分类，详情见表1。

表1 灌水次数分类

1.2 研究方法

Meta分析法(Meta-analysis)是在收集整理前人研究成果的基础上，采用统计的概念与方法剖析研究变量之间的明确关系模式，主要包括确定研究主题、文献检索及筛选、研究数据提取、研究数据分析等基本流程。

采用均值比作为效应量，即lnRR，采用lnRR可以减轻由于不同试验地点，以及作物品种等差异带来的异质性。本研究以W1即只浇越冬水作为对照组，以研究不同灌水次数处理对于小麦产量的影响。

(1)

式中，lnRR为效应量，为无量纲单位；yt表示处理组的小麦产量；yc表示对照组组的小麦产量。

研究内方差采用式(2)计算：

(2)

式中，Se是处理组产量的标准差；Sc是对照组产量的标准差；Ne是处理组的样本大小；Nc是控制组的样本大小。

本研究的加权响应比采用式(3)计算：

(3)

式中，i为样本数量；k为积累数；Li为观察效应值；w*为每个反应比的权重。

本文的95%置信区间采用式(4)计算：

(4)

由于实验数据来自不同的文章，存在土壤、水文、小麦品种的差异，本文采用随机模型进行计算。此后，根据所得结果，如95%置信区间包括0，则说明研究的差异不显著，如95%的置信区间不包括0，则说明差异显著。为便于理解和说明，本文将效应量lnRR按式(5)转换为百分比的形式。

(elnRR-1)×100

(5)

如lnRR为正值，则说明不同的灌水次数水小麦产量有增加效应；如lnRR为负值，则说明其对于小麦产量有降低效应。lnRR和0值的距离越接近，说明该灌水次数对于小麦产量的影响越小。

2 结果与分析

如表2所示，对于固定模型和随机模型的选用是通过异质性检验即P值(PQ-val)来确定，当P值小于0.05，说明研究量差异显著，则选用随机效应模型，而当P值大于0.05，则说明研究差异不显著，选择固定效应模型，本文的P值小于0.0001，说明研究差异显著，选择随机效应模型。

如图1所示，本研究以仅浇冬水作为对照组开展研究，共有2种灌溉次数被纳入研究，分别为浇越冬水和拔节水(W2)，浇越冬水、拔节水和开花水(W3)。W2和W3的95%置信区间均不包括0，说明其增产效应显著，W2的增产效应达到13.10%，W3的增产效应达到20.03%。研究结果表明,灌水次数的增加会显著提升小麦的产量。

表2 综合效应样本描述统计分析

图1 不同灌水次数对小麦产量的影响

3 结论与讨论

本文的研究表明，小麦产量会随灌水次数的增加而增加，小麦产量和干物质的形成密切相关，而小麦的干物质是光合作用的产物，相较于施肥，水分对于各阶段干物质的形成的影响更大[9]。为小麦提供合理的灌溉，对干物质的积累有促进作用。此外，冬小麦的灌溉管理措施是冬小麦在大田越冬生产过程中的重要栽培管理措施，能够促进抗冻保苗并且有利于冬后小麦的生长[10]。有相关研究表明，冬小麦的株高会受到不同生育期的缺水程度的影响，株高会随着缺水程度的增大而降低，并且后续的复水也无法实现株高的增大[11]。小麦产量极大程度受自然降雨和灌溉水影响，适当的水分胁迫有利于籽粒产量的增加，过多的水分可能造成植株群体群落结构不尽合理，造成减产，因此，合理的灌溉成为决定小麦产量的关键因素[12]。小麦旗叶的净光合速率和小麦的灌水次数呈现正相关的关系，小麦产量及构成因素受光合作用的影响程度会随着灌水次数的增多而增多[13]。有相关研究表明，随着灌水次数的减少，产量下降率越高，但这一效应会受到不同小麦的品种间差异影响[14]。有学者研究表明，小麦节水灌溉的最佳灌溉模式为“拔节水+扬花水”，高产栽培的最佳灌溉模式为“拔节水+扬花水+灌浆水”[15]。本文的研究结果表明，在浇越冬水的基础之上，W3的增产效应达到了20.03%，可以看出小麦的产量与灌水次数显著相关。但与此同时，小麦在前期的供水不足之后，在开花期补充水分，小麦的产量会呈现出一种补偿效应，进而说明干旱处理对于小麦生长不一定总会带来负面效应，而作物后期的抗旱能力是可以通过前期适宜的干旱处理提高的[16]。

小麦的品质也会受到灌水次数的影响，适量的灌水运筹能够提高小麦的籽粒容量、湿面筋含量、蛋白质含量以及沉降值等品质类的指标[17]。有研究表明，灌水次数和小麦籽粒蛋白质含量的变化趋势呈现负相关的关系，而以蛋白质含量、籽粒容重以及稳定时间等品质指标作为衡量标准时，冬小麦的品质也会和灌水次数呈现负相关的关系[18]。适宜的灌水对于调节小麦籽粒的支链淀粉含量有重要意义，能够使小麦籽粒中的支直比例达到预期目标[19]。