摘 要：【目的】综合分析亏缺灌溉对我国北方地区主要作物产量和水分利用效率的影响。
【方法】应用Meta分析法，定量分析亏缺灌溉后作物产量和水分利用效率的变化，通过亚组分析不同区域、作物、降水量及灌溉方式下的变化。
【结果】亏缺灌溉显著降低了我国北方地区作物产量，平均减产率6.66%，东北地区平均减产率最为显著，达9.43%；显著提高了作物水分利用效率，平均提升率10.59%，西北地区水分利用效率提升最为显著，达到12.70%，而东北地区水分利用效率无显著提升；小麦、玉米和棉花均显著减产，棉花减产率最高为10.67%；水分利用效率均显著提升，棉花水分利用效率提升率最高，达到了15.63%；在不同降水量区间存在显著减产效应，200～400 mm区间内减产10.74%，而在此区间内水分利用效率并无显著提升；传统地面灌、滴灌和膜下滴灌下产量均显著降低，滴灌减产率最高为8.93%，水分利用效率均显著提升，滴灌下WUE提升率最高为15.95%。
【结论】亏缺灌溉可显著提升作物水分利用效率，显著降低作物产量，但在不同种植区域、作物种类、气候条件和灌溉方式下作用效果各不相同。
关键词：Meta分析；亏缺灌溉；产量；水分利用效率
中图分类号：S157"" 文献标志码：A"" 文章编号：1001-4330（2024）06-1487-10
0 引 言
【研究意义】2020年我国农田有效灌溉面积超过7 500×104 hm2。北方地区耕地面积约占全国的72%，水资源仅占全国的23%左右［1-2］。作物水分利用效率（Water Use Efficiency， WUE）表示在田间作物蒸散消耗单位质量水所制造的干物质含量，可反应植物-土壤-大气之间的碳水循环的耦合状况［3］。提高WUE成为缓解水资源紧缺的途径之一［4-5］。亏缺灌溉作为一种低于作物正常腾发量的灌溉方式，可以在减少用水量的情况下不显著降低产量且可以显著提高作物的WUE［6］。【前人研究进展】蒋静等［7］通过研究西北地区春小麦不同灌溉定额表明，适度的亏缺灌溉可以在不显著降低产量的情况下减少用水量，有利于提升春小麦的WUE。张洁梅等［8］研究表明，小麦产量会随着灌水量增加而增加，而WUE会随灌水量的减少而增加。罗迪汉等［9］通过设置滴灌玉米的不同灌水定额研究表明，玉米产量、WUE与耗水量均呈开口向下的二次抛物线关系。张冬梅等［10］研究表明，亏缺灌溉相对于常规灌溉提高了棉花的收获指数，并且提高了棉花的WUE。申孝军等［11］研究表明，亏缺灌溉虽然降低了棉花的总生物量，但作物的亏水补偿作用明显提高了棉花的水分利用效率WUE。
【本研究切入点】目前，亏缺灌溉对北方地区作物的综合效应尚不清晰，如其对作物产量和WUE的作用是否会受到种植区域、气候条件、作物种类等因素的影响。此外，单个试验无法综合分析亏缺灌溉对作物产量和WUE的综合效应。而Meta分析是一种可以对一种主题下的多个独立研究进行综合统计的分析方法［12-13］，可以综合利用公开发表的研究数据，经过规范化的统计分析方法计算数据效应值，并分析不同试验研究的差异性［14-16］。需利用Meta法定量分析亏缺灌溉对北方地区作物产量及WUE的作用，并进行亚组研究。【拟解决的关键问题】收集亏缺灌溉在我国北方地区小麦、玉米与棉花3种作物的相关数据，定量分析在不同区域、作物种类、降水情况、灌溉方式下亏缺灌溉对产量和WUE的影响，研究亏缺灌溉对北方地区作物的综合效应，为亏缺灌溉的推广应用提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 材 料
采集检索中国知网、Web of Science等数据库数据，收集截至2022年12月31日有关亏缺灌溉对我国北方地区小麦、玉米和棉花的产量和水分利用效率WUE影响的试验文献。文献检索词包括亏缺灌溉（deficit irrigation）、小麦（wheat）、玉米（maize or corn）、棉花（cotton）、产量（yield）、水分利用效率（water use efficiency）、中国（China）等及其组合。剔除不符合要求的文献。文献保留标准：（1）试验地点为我国北方地区，即秦岭-淮河一线以北地区；（2）试验为大田试验，试验作物为小麦、玉米或棉花；（3）试验必须包含相同条件下的对照处理和相应的亏缺灌溉处理；（4）必须包含处理和对照的产量及WUE，试验处理有明确的重复次数。对文献中用图表形式报道的数据通过Graph Digitizer软件进行数字化处理［17］。（5）对不同文献报道的同一试验数据，选择数据报道最全的一篇进行统计。经过文献的检索与剔除，共获得38篇符合要求的文献。其中小麦11篇，玉米14篇，棉花13篇。对符合要求的文献提取试验点位置、土壤类型、作物种类、试验时间、气象数据、灌溉方式、种植方式、产量及水分利用效率的平均值等数据信息，通过筛选获得产量319组数据，其中小麦105组，玉米117组，棉花97组；位于华北地区95组、东北地区44组、西北地区180组。获得WUE 319组数据，其中小麦105组，玉米117组，棉花97组；位于华北地区95组、东北地区44组、西北地区180组。表1
1.2 方 法
1.2.1 效应值计算
在Meta分析中，当试验数据不为0且两组数据符号相同时，可以用两组数据的均值比作为反应比R［18］，用反应比R来计算效应值E：
E=lnR=ln（Xe/Xc）=ln（Xe）-ln（Xc）.（1）
式中，Xe和Xc分别为独立研究中试验组和对照组的平均值。将效应值E转换为产量和WUE的相对变化率Z［15，19］：
Z=（R-1）×100%.（2）
式中，当Z值的95%置信区间包含0，则表明亏缺灌溉的实验组与对照组相比无显著影响；全部大于0则表明亏缺灌溉的试验组与对照组相比具有显著正效应；全部小于0则表明亏缺灌溉的实验组与对照组相比具有显著负效应［20］。在效应值权重的计算上，当独立研究中报道了产量和WUE的标准差时直接使用，当研究中未报道标准差时参考相关文献的方法，以产量或WUE平均值的1/10作为对应的标准差［21-22］。进行Meta分析时，需利用卡方分布检验对数据进行异质性检验，若P＞0.05，则数据不存在异质性，采用固定效应模型进行分析；若P＜0.05，则数据存在异质性，采用随机效应模型并进行分组分析［23］。
1.2.2 发表偏爱性检验
对Meta分析结果进行发表偏爱性检验［24-25］。采用失安全数进行检验，即增加N项非显著或无效（E=0）的研究样本，使合并效应值从显著（P＜0.05）变为不显著（P=0.05）。计算方法采用罗森塔尔法（Rosenthals method）［26］，当失安全数值足够大：＞5n+10时（n为研究样本数），认为结果是可靠的［27］。
1.3 数据处理
采用Metawin2.1软件分析数据，Excel2019进行数据整理，Origin2019进行图表制作。
2 结果与分析
2.1 亏缺灌溉对作物产量及WUE的综合效应
研究表明，产量和WUE的P值均＜0.000 1，均采用随机效应模型并进行分组分析。
总效应值分别为-0.069和0.100 7，转化为Z值后研究区域内作物产量平均降低6.66%，Z值的95%置信区间为（-9.06%～-4.20%）；WUE平均增加10.59%。Z值的95%置信区间为（7.71%～13.55%）。即在亏缺灌溉下小麦、玉米和棉花的产量总体呈显著的负效应，WUE总体呈显著的正效应。图1
2.2 亏缺灌溉对不同作物产量及WUE的影响
研究表明，作物产量及WUE的大小均为玉米＞小麦＞棉花。亏缺灌溉对北方地区小麦、玉米和棉花的产量均产生了显著的负效应，产量的平均降低率分别为3.14%、5.82%和10.67%；Z值的95%置信区间分别为（-5.91%～-0.29%）、（-8.19%～-3.39%）和（-13.14%～-8.12%），亏缺灌溉对棉花的减产效应最高，小麦最低。而亏缺灌溉对小麦、玉米和棉花的WUE均产生了显著的正效应。WUE的平均提升率分别为10.44%、6.91%和15.63%；Z值的95%置信区间分别为（5.55%～15.55%）、（2.36%～11.66%）和（10.10%～21.45%），亏缺灌溉对棉花的WUE提升率最高，玉米最低。作物自身对水分的敏感程度对其产量和WUE也会产生一定的影响。图2
2.3 亏缺灌溉对不同区域作物产量及WUE的影响
研究表明，华北地区小麦产量和小麦、玉米的WUE最高，西北棉花产量和棉花的WUE最高，东北地区代表作物仅有玉米，其产量与WUE均处于中间水平。亏缺灌溉对产量均产生了明显的负效应。华北地区、西北地区和东北地区的产量平均降低率分别为4.92%、6.84%和9.43%；Z值的95%置信区间分别为（-9.44%～-0.17%）、（-10.02%～-3.56%）和（-15.64%～-2.77%）。其中东北地区的降低率最高，华北地区最低，可见亏缺灌溉对北方各地区的减产效应不同。亏缺灌溉对WUE的影响存在差异，其中西北地区的平均提升率最高，达到了12.70%，Z值的95%置信区间为（8.80%～16.75%）；华北地区仅次于西北地区，平均提升率为12.37%，Z值的95%置信区间为（7.32%～17.64%）；在东北地区，亏缺灌溉对WUE的提升无显著影响，Z值的95%置信区间包含0（-6.59%～7.04%），即在东北地区亏缺灌溉并不能显著的提高作物WUE。图3
2.4 不同降水量下亏缺灌溉对作物产量及WUE的影响
研究表明，小麦和玉米的产量在200～400 mm最高，小麦在＞400 mm达到WUE最高值，棉花的产量和WUE及玉米的WUE在＜200 mm里最高。小麦和玉米适合在降水量较为丰富的地区种植，而棉花作为耐旱的经济作物，更适合在干旱少雨且光照充足的西北内陆地区种植。在不同降水量下亏缺灌溉对作物产量均产生了显著负效应，其中在200～400 mm降水量区间里减产效应最为显著。产量的平均降低率分别为6.44%、10.74%和3.99%；Z值的95%置信区间分别为（-8.79%～-4.03%）、（-13.56%～-7.82%）和（-6.44%～-1.47%）。在不同降水量区间中，亏缺灌溉对WUE的影响存在差异，在＜200 mm和＞400 mm的降水量区间里亏缺灌溉均对WUE产生了显著的正效应，平均提升率分别为20.39%和7.33%；Z值的95%置信区间分别为（15.52%～25.47%）和（3.16%～11.67%）；而在200～400 mm降水量区间内亏缺灌溉并无显著提升WUE，Z值的95%置信区间包含0（-1.46%～8.35%）。图4
2.5 不同灌溉方式下亏缺灌溉对作物产量及WUE的影响
研究表明，作物的产量与WUE均为膜下滴灌＞滴灌＞传统地面灌，节水灌溉技术的发展实现了节水的同时达到高产的目标。在不同灌溉方式下亏缺灌溉对作物产量均产生了显著负效应。产量的平均降低率分别为8.93%、4.98%和5.50%；Z值的95%置信区间分别为（-11.35%～-6.44%）、（-7.28%～-2.62%）和（-8.81%～-2.09%）。亏缺灌溉在不同的灌溉方式下对WUE均产生了显著的正效应，WUE的平均提升率分别为15.95%、8.02%和8.85%；Z值的95%置信区间分别为（10.47%～21.69%）、（3.63%～12.59%）和（2.79%～15.27%）。图5
2.6 偏爱性检验
研究表明，亏缺灌溉下东北地区作物的WUE和200～400 mm降水量条件下的WUE本身不具有显著作用，因此不参与失安全数的计算。产量和WUE的合并效应值远大于5n+10，结果可靠；产量的所有分组失安全数均大于5n+10，结果可靠；WUE所有分组失安全数均大于5n+10，结果可靠。表2
3 讨 论
3.1
根据年降水量划分，200 mm以下为干旱区，200～400 mm为半干旱区［28］。我国北方大部分地区处于干旱半干旱区中。因此根据降水量的不同划分为＜200mm、200～400 mm和＞400 mm三个降水量级别进行分组分析。根据研究收集的数据计算不同降水量下的不同作物的平均产量以及WUE。进行分组分析时，每一分组组内研究数不低于10条或者低于10条但数据来源于3篇不同的文献［29］。由于研究中以喷灌为灌溉方式的数据仅有8条且仅来源于两篇文献，微喷灌数据仅有6条且来源于一篇文献，因此剔除喷灌和微喷灌，保留滴灌、传统地面灌和膜下滴灌进行分组分析。
亏缺灌溉对作物的影响主要是通过水分胁迫使植物合成脱落酸（ABA）来抑制气孔开放、降低蒸散发来增强抵抗水分胁迫的能力［30-31］。产生水分亏缺补偿效应，当复水后作物的生长速率明显加快，提高作物的光合速率［32］，达到在产量不显著下降的情况下提高WUE的效果［33］。638组数据分析表明，亏缺灌溉对作物产量产生了明显的负效应；对作物WUE产生明显正效应，而且在不同条件下，产量和WUE的变化率存在一定差异。
3.2
在华北和西北地区亏缺灌溉均使作物产量明显降低，作物WUE明显提升，可能是因为虽然亏缺灌溉的方式可以刺激作物根部产生水分亏缺补偿作用，但因为夏季气温过高，导致作物的蒸散发量过大，会对作物的生长产生不利的影响，最终会造成作物的减产［34］。丁蓓蓓等［35］运用Meta分析研究发现，华北地区冬小麦在限水灌溉情况下表现出显著的减产作用并提升了WUE；黄悦等［36］运用Meta分析研究表明，滴灌玉米在不充分灌溉的情况下产量明显降低，WUE有明显提升，均与研究结果相符。而东北地区作物WUE并无显著提升，可能是因为东北地区处于温带湿润、半湿润大陆性季风气候，地温增长缓慢、土壤水分大，亏缺灌溉难以产生根区的水分亏缺补偿作用，并不能显著增强水资源的利用效率［37］。
3.3
郑健等［38］研究发现，亏缺灌溉可以显著提高小麦、玉米和棉花的WUE，此结论与试验研究结果相符，但其研究结果显示WUE提升率小麦＞玉米＞棉花，与研究结果WUE提升率棉花＞小麦＞玉米所不符，是因为其试验数据收集范围为全国范围，整体数据可能存在较大差异，且地域、气候等条件与研究有较大差异，使结论有所偏差。研究结果表明，滴灌和膜下滴灌相较于传统地面灌在拥有较高产量的同时拥有较高的WUE，并且滴灌在亏缺灌溉下的WUE提升率最高，与申孝军［11］和刘一龙［39］的试验结论类似。
4 结 论
4.1
在我国北方地区亏缺灌溉显著降低了作物的产量，平均减产率达6.66%，华北、西北和东北均有显著的负效应；显著提升了作物WUE，平均提升率达10.59%，华北和西北地区有显著的正效应，东北地区WUE提升率不显著。
4.2
亏缺灌溉对不同作物产量均产生了负效应，减产率棉花＞玉米＞小麦；WUE（正效应）提升率棉花＞小麦＞玉米。亏缺灌溉对棉花的产量和WUE影响最大。
4.3
亏缺灌溉在不同降水量和不同灌溉方式下对作物产量均产生了显著的负效应，减产率200～400 mm＞（＜200 mm）＞（＞400 mm），滴灌＞膜下滴灌＞传统地面灌；对作物WUE效果有所不同，降水量方面在＜200 mm和＞400 mm条件下均有显著的正效应，在200～400 mm条件下提升率不显著，灌溉方式方面均有显著提升，且滴灌＞膜下滴灌＞传统地面灌溉。
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Analysis of yield and water use efficiency of under-irrigated crops" based on meta-analysis
Abstract：【Objective】 In order to comprehensively analyze the effects of deficit irrigation on the yield and water use efficiency of major crops in northern China.
【Methods】" In this study， meta-analysis was used to quantitatively analyze the changes of crop yield and water use efficiency after deficit irrigation， and subgroup analysis was performed to analyze the changes of different regions， crops， precipitation and irrigation methods.
【Results】 Insufficient irrigation significantly reduced crop yield in northern China， with an average yield reduction rate of 6.66%， and the average yield reduction rate in northeast China was the most significant， reaching 9.43%. The water use efficiency of crops was significantly improved， with an average improvement rate of 10.59%. The water use efficiency in northwest China was the most significant， reaching 12.70%， while the water use efficiency in northeast China did not improve significantly. The yield of different crops， wheat， corn and cotton， the highest yield reduction rate of cotton was 10.67%， and the water use efficiency was significantly improved， and the highest increase rate of cotton reached 15.63%. There was a significant yield reduction effect in different precipitation ranges， and the yield decreased by 10.74% in the 200-400 mm range， but the water use efficiency in this interval did not improve significantly. The yield under traditional ground irrigation， drip irrigation and submembrane drip irrigation were significantly reduced， the yield reduction rate of drip irrigation was up to 8.93%， the water use efficiency was significantly improved， and the WUE improvement rate under drip irrigation was up to 15.95%.
【Conclusion】 The results show that deficit irrigation can significantly improve crop water use efficiency and significantly reduce crop yield， but the effect is different under different planting areas， crop species， climatic conditions and irrigation methods.
Key words：meta-analysis; deficit irrigation; yield; water use efficiency
