亏缺灌溉对中国棉花产量和灌溉水分生产力影响的元分析

贾耀宇，黄伟斌，杨北方，李小飞，王国平，韩迎春，王占彪，李亚兵*，冯璐*

（1.郑州大学农学院，郑州 450001；2.中国农业科学院棉花研究所/ 棉花生物育种与综合利用全国重点实验室，河南 安阳 455000）

目前，全球气候变化的加剧特别是极端干旱给农作物生产带来了巨大的威胁，同时人口日益增长的重大挑战也使得农业水资源变得越来越稀缺。水资源作为基础自然资源，不仅是生态环境的控制因素之一，还是体现一个国家综合国力的战略性经济资源[1]。中国是水资源匮乏国[1-2]，虽然水资源总量为2.81×104亿t，居世界第6 位，但是人均占有量位于第108 位，淡水资源人均占有量仅为世界人均水平的1/4。水资源亏缺是中国特别是西北地区农业可持续生产的关键制约因素[3]。灌溉用水占全球淡水用量的70%～75%[4]。在水土资源供需矛盾日益突出的情况下，过量的灌溉用水加剧了水资源的供需矛盾，给国家的农业安全和社会安全造成重大影响[5]。研究作物需水规律及缺水干旱对作物生长发育和产量形成的影响，对于合理利用水资源，促进农业可持续发展具有重要的意义。

棉花（Gossypiumspp.）是重要的经济作物和耐旱耐涝型植物。棉花的关键生育时期对水分响应敏感，合理灌溉是保证棉花生长发育、产量和品质形成的必要因素。由于水资源匮乏，全球约70%的棉花生产面临干旱风险[6-7]。为达到节约水资源和可持续发展的目的，美国在1960 年左右将灌溉研究由传统丰水灌溉转向有限灌溉，即在作物水分不敏感时期进行亏缺灌溉[8]。20 世纪70年代中期，澳大利亚首先提出调亏灌溉（regulated deficit irrigation,RDI），并在桃树上得到了验证[9]。随后国内康绍忠等[10]研究出新的农田节水灌溉理念和方法，即允许产量在一定限度降低，追求在水分- 产量- 经济效益上达到有效统一[11]。亏缺灌溉会导致棉花株高、叶面积指数[8]和籽棉产量的降低，且随着亏缺灌溉程度的加重而降低[3]。范志超[8]研究发现，非充分灌溉会导致棉花干物质质量下降，随着灌水量的增加干物质质量随之增加且干物质分配比例偏向于生殖器官；非充分灌溉还会使得棉花光合速率、蒸腾速率、实际光化学效率和最大光化学效率降低；充足灌水能够提高棉花上部棉铃纤维长度和强度，降低马克隆值，但水分胁迫会抑制棉花种子萌发[12]。一些研究发现，作物在亏缺灌溉下能够在一定程度上维持产量稳定、提高品质；但是也有研究发现亏缺灌溉降低了作物产量[13]。在土地和水资源减少以及极端干旱气候背景下，协调水资源节约利用和棉花产量稳定是一项紧迫任务，也是一项重大的挑战[13]。

元分析又称Meta 分析、荟萃分析等，区别于定性分析的综述，是一种对现有目标主题的相关试验数据进行搜索整合，对数据集进行定量分析和统计的方法[14-15]。元分析可以系统地结合以往的研究结果，运用定量方法，分析有关研究主题的结论。这种方法增加了统计能力，可以降低Ⅱ型错误的发生率，但可能会增加Ⅰ型错误的文献发表偏倚[16]。Glass 发表了第一篇元分析文章，20世纪末彭少麟等[17]首次将元分析方法引入到中国生态学界，并逐渐在农学领域广泛应用，但是针对中国棉花生产亏缺灌溉元分析的研究却很少。对于不同的灌溉量，棉花的产量、品质和水分利用效率的敏感性响应不一样，过往的研究一般是针对局部地区、模拟试验和室内盆栽等，很难说明在全国范围的亏缺灌溉措施对棉花产量和灌溉水分生产力的影响[18]，其结论也具有一定的局限性；许多研究调查了不同灌溉量对棉花产量和灌溉水分生产力（irrigationwaterproductivity,IWP）的影响，但是由于环境因素和试验因素的差异，结果并不完全一致[19-20]。也有研究对全球范围内亏缺灌溉下的作物产量进行综合分析[20]，但针对国内的研究较少，因此有必要对中国棉花亏缺灌溉研究进行系统地总结和分析。

本文制定检索标准，搜集中国棉花不同灌溉量下的相关主题试验数据资料，应用元分析方法定量综合地分析亏缺灌溉处理对我国棉花籽棉产量和灌溉水分生产力的影响，研究结果可为中国棉花可持续生产的水资源利用和节水稳定高产栽培提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源与文献检索

对中国知网（https://www.cnki.net/）和Web of Science （http://www.webofscience.com/）2 个中英文数据库中已发表的期刊论文进行初步的检索搜集，分析亏缺灌溉条件下棉花产量和灌溉水分生产力的差异响应。设置检索时间范围为2010年1 月1 日至2022 年3 月21 日。在中国知网中釆用主题词和关键词高级搜索：“棉花”AND “灌溉”AND“产量/ 水分利用效率”NOT“模型”；在Web of science 的核心数据库中采用主题词高级检索：“china* cotton”AND “irrigation OR water stress OR irrigation regime OR deficit irrigation”AND “yield OR water productivity OR water use efficiency OR efficiency of irrigation water use”NOT“model”。

根据研究主题的需要，对所有初筛搜索的文献制定筛选标准，文献必须符合：（1）试验站点明确，试验地点必须位于中国，试验对象为棉花；（2）研究案例中有籽棉产量或灌溉水分生产力任一数据，其中灌溉水分生产力计算须按照公式：IWP＝Y（籽棉产量）/I（总灌水量），必须有对照组和处理组成对出现，包括处理组和对照组的样本量（n）、均值（mean）、标准差（standard deviation,SD）。若文献中未说明数据是标准差或标准误差以及只给出标准误差的情况下，则认为是标准误差，且是通过公式（SD＝SE×）计算标准差。若给出2 年及以上数据，则直接计算标准差[20-21]。少部分单年数据如果没有给出标准差或标准误差，参照已发表的文献[22]，可认为标准差是均值的1/10；（3）文献主题是针对棉花灌溉方案进行的研究，并有相应的常规灌溉或近似的固定灌溉处理作为对照组；有较完整的试验地、田间管理措施记录；盆栽和试验池等试验也纳入研究中，模拟类试验研究则剔除；（4）剔除试验地点、试验年份、试验数据结果重复的文献；（5）在同一试验中，当有附加因子影响研究结果，则认为是独立的测量值，单独纳入数据库；每一个重复作为一个样本量[23]。由于其他干扰（例如：密度和灌溉或水氮互作或矿化咸水灌溉等）而产生潜在混杂效应的研究则被放弃，除非所有对照处理的干扰因素均在相同水平；（6）相同处理下的多次重复观测取平均值；（7）只保留已公开发表的期刊文献数据。在各个文献数据库中查找所有符合上述要求的文献，制定纳入和排除的标准分析流程（图1），其中相关因素包括区域和气候因素、土壤容重、灌溉水分管理、施肥量和田间管理措施。检索筛选后共获得53 篇期刊论文（附表1），包括来自不同地区共443 份研究案例（图2），其中包括282 份籽棉产量和161 份灌溉水分生产力数据。

图1 纳入和排除标准的分析流程图Fig.1 Analytical flowchart of inclusion and exclusion criteria

图2 纳入研究的试验案例地区Fig.2 Areas included in the study cases

1.2 数据分类

对不同变量进行分组，以保证最大限度实现组内同质化。其中新疆的灌溉研究数量所占比例较高，因此对新疆植棉区进行细分。对于解释因子中的一项研究需要有一定的观察数据量（不少于2 组试验案例）或至少来自2 篇独立的研究，否则不加入分析[24]。此外，通过几个亚组进一步分析籽棉产量和灌溉水分生产力对亏缺灌溉的响应，对可能影响亏缺灌溉条件下的籽棉产量和灌溉水分生产力的变量进行分析，包括：区域和气候因素（不同地区以及年降水量、年均气温）、土壤容重和灌溉管理（灌水量、灌水次数）、施肥量（施氮量、施磷量、施钾量）、其他田间管理措施（栽培方式、种植技术）。

1.3 统计分析

本文采用对数响应比作为效应量的度量指标[25]，对数响应比计算公式为：

式中的Xe和Xc为不同研究中的处理组和对照组的目标变量 （籽棉产量或灌溉水分生产力）的平均值；LnRR为一个无单位指数，表示效应值，效应值越接近0，表明亏缺灌溉对棉花产量或灌溉水分生产力的影响越小，效应值为正值表示产量或灌溉水分生产力增加，负值表示产量或灌溉水分生产力减少。

与研究i效应值相对应的案例内方差Vi，是根据每个案例的标准差、样本量和均值计算得出，计算公式为：

式中，Se和Sc分别为处理组和对照组的目标变量标准差；Ne和Nc分别为处理组和对照组的目标变量样本量。

在元分析过程中，需要对搜集的数据进行异质性检验 （Q检验），首先采用固定效应模型（fixed effect model,FEM）分析，若卡方分布检验结果概率P＞0.05，说明数据不存在异质性；若P＜0.05，说明数据异质性明显，则采用随机效应模型（random effect model,REM）较好，且需要对数据分类并进行亚组分析其异质性[15]。一般情况下，生态农业数据的分析可能存在抽样误差，不同的研究之间存在真实变异，采用随机效应模型比固定效应模型更合适[18,25-26]，因为随机效应模型计算所得置信区间较固定模型大，结果更为严谨。

单个研究i的权重的计算公式为：

式中的τ2为由于不同研究案例而造成的效应值变异，即案例间的方差，利用MetaWin 2.1 软件内置的随机效应模型D-L 法（DerSimonian-Laird）计算得出。模型累计效应值即加权平均响应比的计算公式为：

式中i为案例次数，k为累积数。对研究案例数据还进行了自举法（Bootstrapping）迭代9 999 次分析并得出95%的置信区间（95%confidence interval,95%CI），计算公式为：

为便于观测，所有的分析结果均表示为相对于对照组的百分比（%），即变化率（%），若95%CI上下限不包括0，统计学意义P＜0.05，认为该分类处理对产量或灌溉水分生产力有显著影响，若上下限包含0，则认为处理没有显著影响 （P≥0.05）[27-28]。组间P＜0.05 说明产量或灌溉水分生产力变幅在组间差异显著，否则差异不显著。LnRR＋＋与变化率（%）的转化公式为：

Z若为正值则表示籽棉产量或灌溉水分生产力相对对照组增加，负值则表示降低。

发表偏倚是由于各论文发表对同一主题研究结果造成的不同影响[17]，对于敏感性分析采用漏斗图和Rosenthal's 失安全系数进行元分析结果的稳健性检验，当失安全系数N＞5n＋10（n为研究案例数）时结果是可信的。

1.4 数据处理

数据库文献的搜集整理采用Microsoft Excel 2021，数据处理采用MetaWin 2.1 软件，图片中的数据采用Geta-Data Graph Digitizer v.2.22（http://www.getdata-graph-digitizer.com/）进行提取，绘图采用ArcMap 10.7、Metafor 包和Origin Lab 2018。

2 结果与分析

2.1 数据概述

搜集了在中国植棉区开展试验的53 篇已发表论文，包括282 条亏缺灌溉下棉花籽棉产量和161 条亏缺灌溉下灌溉水分生产力的研究案例。异质性检验结果显示P＜0.05，故元分析采用随机效应模型。籽棉产量和水分生产力的效应值频率分布基本服从正态分布（图3A 和3B）。结果表明，与完全或常规灌溉相比，亏缺灌溉使籽棉产量降低了16.2%（95%CI：—17.3%～—15.0%），但灌溉水分生产力增加了32.3%（95%CI：27.3%～37.3%）（图4）。尽管亏缺灌溉可能存在棉花减产的风险，但是提高了灌溉水分生产力。然而，水分利用效率和籽棉产量随机效应元分析存在显著的残余异质性（Q分别为39 697.89 和4 281.20，P均小于0.000 1），这意味着需要进行亚组分析来解释这种异质性。

图3 籽棉产量和灌溉水分生产力效应值的频率分布Fig.3 Frequency distributions of effect values for seed cotton yield and irrigation water productivity

图4 亏缺灌溉下棉花产量和灌溉水分生产力的响应Fig.4 Resonses of cotton yield and irrigation water productivity to deficit irrigation

2.2 亏缺灌溉下籽棉产量和灌溉水分生产力的影响因素分析

2.2.1地区和气候因素分析。对亏缺灌溉条件下不同地区棉花产量和灌溉水分生产力变化率的影响分析发现，由于西北内陆地区的研究案例占比大，将西北内陆棉区进一步细分为北疆、南疆和河西走廊（图5A～D）。亏缺灌溉处理导致各地区籽棉不同程度的减产，对籽棉产量均表现为负效应（图5A 和5C）；而灌溉水分生产力均有所提升，亏缺灌溉表现为正效应（图5B 和5D）。亏缺灌溉使西北内陆、黄河流域和长江流域棉区棉花分别减产16.3%、13.4%和15.0%，三大棉区之间减产幅度差异不显著（P≥0.05），其中新疆地区尤其是北疆棉花产量仅下降12.2%（95%CI：—14.0%～—10.3%），减产幅度小于河西走廊地区且差异极显著（P＜0.001）。亏缺灌溉条件下，西北内陆棉区灌溉水分生产力提高了34.0%（95%CI：29.7%～38.9%），显著高于其他2 个棉区（P＜0.05），其中北疆、南疆和河西走廊地区灌溉水分生产力分别提升了22.1%、32.3%和43.3%，但三者之间没有显著差异（P≥0.05）。可见，亏缺灌溉对新疆地区棉花产量的影响较河西走廊小。

亏缺灌溉下，不同年均降水量对籽棉产量和灌溉水分生产力的影响见图5E 和5F。年均降水量≥400 mm 的地区棉花减产幅度为13.4%（95%CI：—19.0%～—7.4%），低于年均降水量＜400 mm的地区，但没有显著差异（P≥0.05）。年均降水量＜400 mm 地区亏缺灌溉的水分生产力高于充分灌溉，且与≥400 mm 的地区灌溉水分生产力的变化率差异显著（P＜0.05）。因此，在年均降水量＜400 mm 地区进行亏缺灌溉，棉花的灌溉水分生产力增幅较高。

亏缺灌溉条件下，不同年均气温下棉花产量和灌溉水分生产力的变化率见图5G 和5H。当年均气温高于等于10 ℃时，棉花减产幅度为2.6%（95%CI：—5.1%～0.1%），显著低于年均气温低于10 ℃下的减产幅度（P＜0.001）。年平均气温在10 ℃（含）以上和10 ℃以下，灌溉水分生产力分别提高38.8%和33.7%，差异不显著（P≥0.05）。

2.2.2土壤容重和灌溉管理分析。作为植物生长发育的基础，土壤为棉花根部提供了稳定的生长环境，而土壤环境受到容重和质地等因素的影响[29]。亏缺灌溉条件下不同土壤容重的棉花产量和灌溉水分生产力的变化率如图6 所示，土壤容重≥1.5 g·cm—3或＜1.5 g·cm—3时，棉花分别减产14.7%（95%CI：—17.2%～—12.1%）和9.1%，且二者差异显著（P＜0.05）；灌溉水分生产力分别提高25.6%（95%CI：19.5%～32.0%）和34.3%(95%CI：27.5%～41.5%），但差异不显著（P≥0.05）。可见亏缺灌溉条件下，棉花产量在容重小于1.5 g·cm—3的土壤中减产幅度较小，灌溉水分生产力也较高。

图6 土壤容重对亏缺灌溉下籽棉产量和灌溉水分生产力的影响Fig.6 Effects of soil bulk density on seed cotton yield and irrigation water productivity under deficit irrigation

亏缺灌溉条件下棉花的减产幅度随灌溉量的增加而递减，不同程度的亏缺灌溉下减产幅度差异显著（图7A）。相对充分灌溉而言，亏缺灌溉量低于正常灌溉量40%时棉花减产最严重，减产幅度高达54.9%，随着灌溉量的增多，棉花减产幅度降低，当灌溉量为80%～100%时减产最少，为4.1%。而灌溉水分生产力与籽棉产量的变化趋势略有不同（图7B），与充分灌溉相比，不同程度的亏缺灌溉 （正常灌溉量的80%～100%、60%～80%、40%～60%和40%以下）均显著提高了灌溉水分生产力（分别提升了16.9%、30.1%、59.9%和55.8%），其中低于60%的灌溉量对棉花灌溉水分生产力的提升高于60%以上的灌溉量。轻度亏缺灌溉可以在一定程度上以较低的灌溉水分生产力增幅保证最小的棉花产量减幅。

图7 灌溉程度和灌溉频次对亏缺灌溉下籽棉产量和灌溉水分生产力的影响Fig.7 Effects of levels of irrigation and irrigation frequency on seed cotton yield and irrigation water productivity under deficit irrigation

亏缺灌溉下，灌水次数对棉花产量有显著影响，但对灌溉水分生产力的影响不显著。其中灌溉次数≥10 的籽棉减产幅度低于灌溉次数＜10的籽棉产量幅度，减产幅度分别为13.8%（95%CI：—16.2%～—11.4%）和19.6%（95%CI：—21.0%～—18.1%）。同样地，与充分灌溉相比，亏缺灌溉次数＜10 和≥10 的灌溉水分生产力分别提高30.9%（95%CI：22.6%～39.9%）和35.1%（95%CI：28.6%～41.9%），差异不显著。结果显示，亏缺灌溉下进行多次灌溉效果较好，能显著降低减产的风险，且能提高灌溉水分生产力。

2.2.3施肥量分析。不同施氮量下亏缺灌溉较充分灌溉的籽棉产量和灌溉水分生产力的变化率不同。当施氮量为200～300 kg·hm—2时，亏缺灌溉籽棉产量下降幅度最小（9.5%），且不同施氮量之间差异极显著（P＜0.001）（图8A），但各施氮量之间的灌溉水分生产力变化率没有显著差异（P≥0.05）（图8B）。亏缺灌溉条件下，施磷量为150～200 kg·hm—2时，籽棉产量降幅最小，减产8.1%，灌溉水分生产力的增幅最大，提高51.9%，不同施磷量之间产量和灌溉水分生产力均有显著差异 （P＜0.05）（图8C 和8D）。当施钾量为100～150 kg·hm—2时，亏缺灌溉导致的籽棉产量的减产率最小（4.5%，图8E），150～200 kg·hm—2施钾量时灌溉水分生产力提升最大，提高51.9%（图8F）。总体来说，施肥量显著影响亏缺灌溉条件下籽棉产量和灌溉水分生产力，施氮量、施磷量和施钾量导致的籽棉产量和灌溉水分生产力变化率平均值分别为—13.7%、—14.5%、—14.6%和27.1%、28.7%、28.7%。

图8 氮肥施用量、磷肥施用量和钾肥施用量对亏缺灌溉下籽棉产量和灌溉水分生产力的影响Fig.8 Effects of nitrogen fertilizer, phosphorus fertilizer and potassium fertilizer on seed cotton yield and irrigation water productivity under deficit irrigation condition

2.2.4其他田间管理因素分析。亏缺灌溉条件下，不同的种植技术对棉花产量的影响显著（P＜0.001）（图9A），其中干播湿出栽培方式下籽棉产量的减产率小于播前补墒的种植方法，减产率分别15.0%（95%CI：—18.2%～—11.6%）和24.0%（95%CI：—27.3%～—20.5%）；不同种植技术的灌溉水分生产力均提高，但是变化率没有显著差异（P≥0.05）（图9B）。由此可见，采用干播湿出的种植方式相比播前补墒种植方式的减产风险较小，效果较好。亏缺灌溉下大田种植、盆栽和池栽的籽棉产量分别降低了16.6%、15.0%和5.5%，其中池栽的籽棉产量减幅小于大田种植且2 种栽培方式之间存在显著差异；与其他栽培方式相比，盆栽的籽棉产量变化率的置信区间较大，且差异不显著，可能是因为盆栽研究案例较少致使结果准确度较差，需要进一步验证。而大田栽培的灌溉水分生产力增幅最大，提升了34.0%（95%CI：29.4%～38.7%），高于盆栽的12.7%（95%CI：7.6%～19.2%）和池栽的6.7%（95%CI：—2.5%～—15.6%），且3 种栽培方式间差异显著（P＜0.05）。

图9 种植技术和栽培方式对亏缺灌溉下籽棉产量和灌溉水分生产力的影响Fig.9 Effects of planting techniques and cultivation methods on seed cotton yield and irrigation water productivity under deficit irrigation

2.3 敏感性分析

对研究案例进行发表偏倚检验，使用漏斗图和Rosenthal’s 失安全系数检查发表偏倚的可能性。如图10 所示，籽棉产量和灌溉水分生产力虽然存在个别研究案例的偏差，但是二者总体上呈对称分布；两者的失安全系数分别为65 416.9 和12 225.5，均大于5n＋10（n为研究案例数），进一步证实了不存在发表偏倚，结果较为稳健。

图10 发表偏倚检验漏斗图Fig.10 Funnel plot by publication bias test

3 讨论

元分析结果表明，亏缺灌溉会导致棉花减产，但因水资源能够得到较充分利用，会提高灌溉水分生产力。然而，棉花产量和灌溉水分生产力与多种因素密切相关，因此，本研究探讨多种因素对亏缺灌溉棉花产量和灌溉水分生产力的影响，为在亏缺灌溉实践中降低棉花减产的风险并最大程度提高棉花的灌溉水分生产力提供参考。

3.1 地区和气候影响因素分析

就三大棉区而言，亏缺灌溉下西北内陆棉区的棉花灌溉水分生产力提升幅度最大，其中新疆地区的棉花减产较小亏缺灌溉效果最佳。结合本研究搜集到的数据，造成这种结果的原因之一可能得益于覆膜滴灌技术在西北内陆棉区的推广应用，地膜覆盖显著提高土壤温度，保持土壤水分[30]，减少水分蒸散，从而提高灌溉水分生产力。此外，Cheng 等[20]认为较低的降水量会导致作物蒸散量下降，从而获得较高的水分生产力。西北大部分地区降水量少，以灌溉农业为主，在满足棉花生长所需水分的情况下，棉花产量不会受到太大影响[31]。

亏缺灌溉下，棉花在平均温度较高的环境中减产风险较低，灌溉水分生产力增幅较大，但是在不同温度下灌溉水分生产力变化率差异不显著，这表明亏缺灌溉下较高温度有利于棉花的生长和水分的利用。生育期内低温会延长棉花的生育期，导致棉花产量下降[32]。刘海蓉等[33]发现积温与棉花铃重密切相关，生育期10 ℃（含）以上积温与铃重成显著正相关，较高温度有利于棉花产量的提高。此外，高温增加田间水分蒸腾蒸发，提高产量的同时也会增加水分消耗[21]，这可能是亏缺灌溉下年均气温≥10 ℃和年均气温＜10 ℃的灌溉水分生产力变化率差异不显著的原因。

年降水量对亏缺灌溉棉花产量和灌溉水分生产力影响的分析结果表明，相比于年降水量＜400 mm 的地区，年降水量≥400 mm 地区的籽棉产量因亏缺灌溉造成的减产幅度较小，但差异不显著，这与研究案例较少导致置信区间较大有关，而年降水量少的地区灌溉水分生产力增幅明显提高。棉花生长需要大量水分，在降水量少且亏缺灌溉情况下生长受到限制，在一定范围内增加降水量能缓解亏缺灌溉造成的籽棉减产[34]，除此之外，棉花具有很强的耐旱性，降水量减少会导致作物蒸散量下降，作物灌溉水分生产力增大，因此，适当的水分亏缺对作物的生长也可能表现出积极效果[13]。

3.2 土壤容重和水分灌溉管理影响因素分析

本研究结果表明，在土壤容重＜1.5 kg·cm—3棉田的籽棉产量和灌溉水分生产力高于土壤容重≥1.5 kg·cm—3的棉田。Yu 等[35]研究表示，干旱对作物产量的影响受土壤性质的影响，作物的水分利用和产量与作物对干旱的反应显著相关。李俊等[12]研究发现，随着土壤容重的增大，棉花种子的发芽率降低。此外，土壤容重越高，土壤愈紧实，通气性和透水性越差，从而抑制棉花的生长[36]和肥料的吸收[37]，这些因素可能是亏缺灌溉模式下土壤容重≥1.5 kg·cm—3的棉花产量减产幅度较大、灌溉水分生产力增幅较低的原因。

不同亏缺灌溉量下，籽棉产量随着相对灌水量的增多而增加，轻度亏缺灌溉（充分灌溉量的80%～100%）籽棉产量的减幅最小，显著低于小于80%充分灌溉量的减产率，而40%～60%充分灌溉量的灌溉水分生产力最大。这与Dagˇdelen 等[38]和Onder 等[39]的研究基本一致，表明较干旱地区的灌溉量为充分灌溉量的80%～100%时，籽棉产量最大且与其他更低水平灌溉量的籽棉产量差异显著。Shareef 等[40]研究结果也表明，在中国西北沙漠绿洲地区，当棉田相对灌溉量为80%时，可以得到最佳的产量和净收入，并节水20%；而相对灌溉量为60%时可以节约40%的用水量，但会导致重大的产量损失和利润损失；若水源充足，则可以实施充分灌溉，以最大限度地提高棉花产量和收益。因此，独特的气候和地理环境因素下，采取有效的水资源管理可以最大程度的提高棉花产量。综合考虑棉花产量和经济效益，亏缺灌溉宜采取大于80%的灌溉量，可以一定程度节约用水，且减产风险较低。

亏缺灌溉下，随着灌水次数的增加，籽棉减产幅度下降，但对灌溉水分生产力的影响没有显著差异。适当增加灌水次数可以最大程度降低减产风险。王春华等[41]的研究结果表明，在播墒一定的情况下，随着灌水次数的增加，棉花产量也随之显著增加，增产幅度最大可达113.4%。雷成霞等[42]对无膜移栽棉不同灌水次数的研究发现，多次灌溉对不同处理的棉花产量均有所提高。高频灌溉可以使水分集中保持在根区小范围内，促进根系生长和对营养的吸收利用，改善营养物质和光合产物向生殖器官的转移从而提高作物的产量和果实的质量[43]。结合前人研究可知，适当增加灌溉次数能够降低减产风险。

3.3 施肥量影响因素分析

棉花生长的养分部分来自土壤，这些养分包括氮、磷和钾。前人研究表明氮和磷是棉花生长发育的主要限制因子，钾为潜在限制因子[44]。本文分析结果表明，当磷肥施用量在150～200 kg·hm—2（中高水平施肥量）时，亏缺灌溉籽棉产量减幅最小且灌溉水分生产力的变化率（提高）最大；中高水平磷肥用量有助于亏缺灌溉下的棉花生长，施肥量过高或过低均会在一定程度上抑制棉花的生长。赵月等[45]研究表明随着施氮量的增加，苹果增产效应呈现出先增大后减小的趋势。适量施肥有助于提高作物的产量和灌溉水分生产力[46]。需要指出的是，本研究发现亏缺灌溉下低施肥量的减产率并不一定大于高施肥量，这可能是因为检索文献的试验条件不完全一致，导致各项研究结果存在一定差异。除此之外，不同的施肥配方和施肥模式[46-51]以及施肥装置[49]等因素均会影响棉花的养分吸收，影响棉花的产量和水分利用。综上，中高施肥量能使亏缺灌溉下棉花生长达到最佳。

3.4 其他田间管理影响因素分析

随着西北内陆地区棉花种植面积的增加，棉花生产的耗水量随之增加，干播湿出技术已经被广泛应用来缓解干旱地区水资源紧缺的问题[31]。棉花易受气象灾害的影响，相比传统的冬春灌溉方式，干播湿出膜下滴灌能提高土壤温度，实时控制土壤墒情，灵活调节棉花生长的土壤环境[52]，降低因自然灾害而引发的减产风险。本文结果也表明亏缺灌溉下，采用干播湿出栽培方式的减产幅度低于播前补墒。

大田栽培下进行亏缺灌溉对灌溉水分生产力的提升最大，显著高于盆栽和池栽棉花。造成此结果的原因可能是盆栽和池栽的土壤通透性异于大田土壤，土壤通透性直接影响土壤有机物的利用和棉花根系呼吸。较差的土壤通透性导致棉花根系的呼吸作用和对水肥的吸收能力减弱[53]。孟轶等[54]认为在盆栽条件下土壤的底部处于密封环境，土壤通透性差从而造成水稻减产。此外，相较于大田节水灌溉试验，盆栽和池栽的土层浅，没有地下水供给，作物受到水分胁迫的影响，导致作物生长受限[55]。综上，盆栽和池栽的灌溉水分生产力的增幅小于大田栽培。

3.5 局限性与未来展望

尽管元分析有很强的实用性和整合数据的潜力，但受已有研究试验条件的限制，部分因素的亚组分析代表性不足，气候因素以及关键的土壤水分参数[34]或生育期等因素分析不能够全面考虑，没有足够的数据支持这些划分。因此，结合本研究所挖掘到的数据，未来亏缺灌溉的应用研究应关注不同气候因素和土壤条件以及灌溉时间对棉花产量和灌溉水分生产力的影响。

4 结论

亏缺灌溉导致棉花籽棉减产，但能提高灌溉水分生产力。年均气温≥10 ℃条件下亏缺灌溉造成棉花的减产幅度较年均气温＜10 ℃的有所降低，年降水量＜400 mm 的干旱地区的灌溉水分生产力增幅显著高于降水量≥400 mm 地区。亏缺灌溉下西北内陆棉区尤其是新疆地区的亏缺灌溉效果最好，西北内陆棉区的灌溉水分生产力增幅最高，其中南北疆的棉花减产率低于河西走廊地区；亏缺灌溉下随着土壤容重的减小，棉花减产率降低，灌溉水分生产力的增幅有所提高但差异不显著；轻度（80%～100%灌溉量）亏缺灌溉下，适当增加灌水次数可以降低棉花的减产率；磷肥施用量在150～200 kg·hm—2时产量减幅最小，灌溉水分生产力增幅较其他施用量显著提高，而氮肥和钾肥施用量分别在200～300 kg·hm—2和100～150 kg·hm—2时减产率最小；采用干播湿出的栽培方式能降低亏缺灌溉下棉花的减产幅度，大田栽培下亏缺灌溉的棉花灌溉水分生产力增幅最大。亏缺灌溉是促进棉花可持续生产的有效节水措施之一，本文通过定量分析不同因素的影响，为亏缺灌溉在我国棉花生产实践中的应用提供数据支撑。

附表：

详见本刊网站（https://journal.cricaas.com.cn/）本文网页版。

附表1 纳入文献的基本信息

Table S1 Basic information of selected literatures