基于Meta-Analysis方法分析滴灌對玉米水分利用效率及產量的影響

黃 悅 李思恩* 胡 丹 叢 雪 張若晴

(1.中國農業大學 水利與土木工程學院，北京 100083； 2.上海交通大學 自然科學研究院，上海 200240)

玉米是全球產量最高的糧食作物，在保障國家糧食安全中具有重要地位。玉米不僅是主要糧食作物，在畜牧業、化工、燃料和醫藥等行業中也舉足輕重。玉米是耗水量較大的作物，因此，在保障玉米產量的同時研究玉米的節水增效十分必要。傳統的漫灌方式不僅會導致土壤鹽堿化，破壞土壤結構，并且浪費水資源，因此，已有不少有關玉米節水增效灌溉方式的研究，如：漆棟良等研究表明在交替隔溝灌溉下采用虧水處理，可以提高制種玉米的水分利用效率，同時產量沒有顯著降低；徐明明等分析了覆蓋滴灌模式在華北地區的節水增產效應，認為在華北地區充分滴灌下利用白膜覆蓋，能夠顯著提高春玉米產量和水分利用效率；趙雁群等制定了畦田玉米的灌溉規格、技術參數和農田管理措施；王麗華分析了節水灌溉技術在制種玉米上的應用研究；孫仕軍等研究發現更適宜的滴灌布置形式，即淺埋滴灌在遼西等半干旱地區對春玉米的節水、增產、增效效果最優；潘家榮等研究了華北平原冬小麥/夏玉米輪作區水肥高投入的特點，并實施了施氮節水灌溉技術，優化節水灌溉的同時提高了氮肥的利用率。以上結果都是研究特定區域玉米生產灌溉模式。除了灌溉方式，灌水量也是影響玉米節水增產的關鍵因素。戴嘉璐等探究了不同灌水和施肥條件對河套灌區不同生育期玉米生長的影響。此外，品種間的差異性也不容忽視。楊濤等利用盆栽試驗研究了不同玉米品種間水分利用效率的差異。

Meta-Analysis是一種對同一主題下的眾多獨立試驗結果進行綜合分析的統計方法。該研究方法是一種定量化的分析，基于已有研究的基礎上，利用公開發表的研究數據，經過規范化的統計分析方法，計算出試驗數據效應值，并分析不同試驗間的差異性，發現潛在規律，得出更具一般性、代表性的科學結論的方法。20世紀90年代Meta-Analysis方法被引入到生態學領域。鄭侃等搜集了中國北方地區有關深耕試驗的65篇文獻，綜合分析了深松耕作的效果，結果顯示在東北、西北和華北地區，深松耕作均能提高玉米和小麥的作物產量，深松增產沒有受到所在區域的影響；毛晉花等搜集整理了國內外63篇論文的原始數據資料進行Meta分析，定量評估氮沉降對植物生物量分配的影響，結果顯示短期氮沉降會使植物分配更多生物量給地上部分；王文立等等研究表明模擬增溫提高了土壤微生物碳、土壤微生物氮和土壤真菌量，土壤細菌量在模擬增溫后則有降低趨勢。

Meta-Analysis在國內農業研究領域得到廣泛應用，但是有關灌溉模式與灌溉量等條件對于玉米水分利用效率與產量的綜合定量關系的研究尚未見報道。因此，為系統分析灌溉量、灌溉方式等因素對玉米水分利用效率及產量影響，本研究以中國知網及Web of Science為工具，檢索有關中國玉米灌溉方面的相關文獻報道,并利用Meta-Analysis方法分析篩選確定文獻發表的試驗數據，以期為大田作物節水增產的灌溉模式研究提供參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

基于中國知網及Web of Science，以“玉米”、“滴灌”、“水分利用效率/產量”等為主題檢索詞，檢索2000-01-01—2020-12-31發表的中國滴灌玉米水分利用效果及產量的相關研究。

經上述檢索方法共檢索到110篇文獻，由于各大田試驗的試驗目的、設計與管理情況不盡相同，因此需要制定統一標準對檢索到的文獻進行篩選，以保證后續數據分析結果的可靠性。篩選標準為：1)研究區域地理位置35°～45° N，100°～125° E；2)試驗要有對照處理，即試驗需同時包含滴灌與非滴灌的對比處理或滴灌條件下不同滴灌量水平的處理；3)文獻中明確指出了玉米相關處理的水分利用效率及產量的均值、標準差及重復次數(≥2)，或者可通過文字描述、圖表得到均值及標準差；4)試驗設計、氣象數據、土壤數據與田間管理措施等基本信息明確詳細；5)剔除包含其他試驗處理因素(施氮、滴灌次數等)的文獻；6)剔除試驗內容重復或相近的文獻。經過上述標準對文獻進行篩選，最終確定21篇文獻。

1.2 Meta-Analysis方法

Meta-Analysis是對若干獨立研究的統計結果進行綜合分析的統計方法。其主要步驟有：1)提出所要解決的問題并制定搜集文獻的標準；2)搜集文獻；3)提取、整理、分析數據；4)根據所提問題分析所得結果。目前主要利用軟件開展Meta-Analysis研究，軟件包括：Metawin、Review Manager、OppenMME、Stata和R，R語言中的Meta軟件包功能強大，作圖方便清晰，是Meta-Analysis的有力工具，故本研究利用R語言進行Meta-Analysis研究。

效應值是Meta-Analysis的重要參數，Meta-Analysis通過比較效應值大小分析數據的規律，簡潔直觀，便于統一比較。在農業領域，效應值大多采用標準均值差(SMD)，采用SMD可以消除不同研究間由于測量單位不同造成的影響，也可消除研究中多個亞組間絕對值的差異。此外本研究的試驗數據多為平均值、標準差和樣本數，采用SMD作為效應值較為合理。

SMD=(

X

-

X

)

J/S

(1)

(2)

J

=1-3

/

[4(

N

-

N

-2)-1]

(3)

式中：

X

、

X

分別為試驗組和對照組的平均值；

J

為取樣誤差的修正系數；

N

、

N

分別為試驗組和對照組的樣本數；

S

、

S

分別為試驗組和對照組的標準差。

累計效應值的計算涉及到模型的選擇，累計效應值的模型分為固定效應模型和隨機效應模型。固定效應模型只考慮效應值在組內的變異，忽視組間的變異，認為不同的研究案例間無差異。隨機效應模型不僅考慮效應值在組內的變異，還考慮組間的變異。對于本研究來說，各個大田試驗間的差異性不可忽視，因此選用隨機效應模型。

由于納入同一個Meta-Analysis的所有研究之間存在或多或少的差異，因此還要對Meta-Analysis結果進行異質性檢驗。本研究可在R語言中直接輸入代碼進行異質性檢驗。統計量

I

能夠體現真實異質性在效應值總體的變異中占的比重，且不會受到樣本數量的影響，大多研究都采用

I

進行異質性檢驗。當25%<

I

≤50%，表明結果有低度的異質性；當50%<

I

≤75%，表明結果有中度的異質性；當

I

>75%，表明結果有高度的異質性，此時異質性不可忽視。

2 結果與分析

2.1 灌溉水平對玉米水分利用效率及產量的影響

經過前期一系列的文獻檢索、篩選與整理工作，共有94組數據納入本研究的Meta-Analysis，結果如表1所示。本研究按照不同灌溉水平共分為5組，因不同地區的氣候、土壤等條件略有不同，單純按灌溉量進行分組會對結果造成一定差異，故將灌溉量等效為作物需水量的百分比進行分組分析，即灌溉量分別為：120%～140%的作物需水量(ET)、100%～120% ET、80%～100% ET、60%～80% ET和40%～60% ET。

表1 不同滴灌水平下玉米水分利用效率及產量
Table 1 Water use efficiency and yield of maize under different drip irrigation levels

作物需水量/%ETc樣本數Samplesize水分利用效率/(kg/m3)Water use efficiency產量/(kg/hm2)Yield均值Mean標準差SD均值Mean標準差SD120～140183.330.2411 887.30756.37100～120253.390.2612 689.52910.1980～100243.770.3213 013.821 244.0660～80212.960.3611 505.171 532.6340～6062.760.4510 537.022 026.21

根據分組后初步處理得到的數據，利用R語言中的Meta軟件包進行處理分析，以40%～60% ET的灌溉水平為對照組，120%～140% ET、100%～120% ET、80%～100% ET和60%～80% ET的灌溉水平為處理組，對比分析不同灌溉量水平對玉米的水分利用效率及產量的影響，得到不同滴灌水平下玉米水分利用效率及產量的Meta-Analysis分析結果(表2)。

表2 不同滴灌水平下玉米水分利用效率及產量的Meta-Analysis分析結果
Table 2 Meta-Analysis of water use efficiency and yield of maize under different drip irrigation levels

項目Item處理組作物需水量/%Treatment ETc對照組作物需水量/%Control ETc效應值SMD95%置信區間95%-CI權重/%Weight120～14040～601.83[0.75,2.91]20.6水分利用效率Water use efficiency100～12040～602.04[0.99,3.08]25.280～10040～602.83[1.65,4.01]23.360～8040～600.51[-0.41,1.43]26.9合并 Merge1.76[0.78,2.74]100.0120～14040～601.11[0.13,2.10]24.8產量Yeild100～12040～601.78[0.77,2.78]23.980～10040～601.70[0.70,2.71]24.060～8040～600.57[-0.35,1.49]27.4合并 Merge1.26[0.70,1.83]100.0

本研究中95%-CI置信區間在原點同一側，未與縱軸相交，表明Meta-Analysis合并有統計學意義。由表2可知，不同灌溉水平的處理組與對照組進行比較，處理組水分利用效率的合并效應值SMD=1.76，正值表示正效應，說明處理組的水分利用效率要高于對照組的水分利用效率，并且隨著灌溉水平的降低水分利用效率先增大后減小，灌溉水平在80%～100%的ET時水分利用效率(WUE)的效應值達到最大；處理組產量的合并效應值SMD=1.26，說明處理組的產量要高于對照組的產量，但是

P

=0.26(>0.05)，表明不同灌溉水平處理間玉米產量差異不顯著。對不同灌溉水平下水分利用效率及產量的Meta-Analysis進行異質性檢驗，水分利用效率的異質性檢驗結果為

I

=71%(50%<71%<75%)，表明研究有中度的異質性；產量的異質性檢驗結果為

I

=25%，表明研究有低度的異質性。

2.2 灌溉方式對玉米水分利用效率及產量的影響

由2.1節可知，在80%～100% ET的灌溉水平下玉米的水分利用效率最高，產量也較高。在以往分析不同灌溉方式對玉米水分利用效率及產量的研究中，不同的灌溉方式下其灌溉水平不盡相同，因此為探究在80%～100% ET的灌溉水平下滴灌方式對玉米水分利用效率及產量的影響是否優于其他灌溉方式，對選定的文獻進一步整理篩選，共有24組數據，結果如表3所示。按照不同灌溉方式進行分組，共分為4組：畦灌、溝灌、漫灌和滴灌。

以80%～100% ET灌溉水平下的滴灌處理為對照組，80%～100% ET灌溉水平下的畦灌、溝灌和漫灌處理為處理組，對比分析80%～100% ET灌溉水平下不同灌溉方式對玉米的水分利用效率及產量的影響，得到不同灌溉方式下玉米水分利用效率及產量的Meta-Analysis分析結果(表4)。由表4可知，不同灌溉方式的試驗組水分利用效率的合并效應值SMD=-4.55，說明畦灌、溝灌和漫灌的水分利用效率效應值要低于滴灌處理的水分利用效率效應值。表4中處理組產量的合并效應值SMD=-1.34，說明畦灌、溝灌和漫灌的產量效應值要低于滴灌處理的產量效應值，且采用漫灌方式所產生的水分利用效率及產量的效應值最低。

對不同灌溉方式下水分利用效率及產量的Meta-Analysis分析進行異質性檢驗，水分利用效率的異質性檢驗結果為

I

=71%(50%<72%<75%)，表明研究有中度的異質性；產量的異質性檢驗結果為

I

=59%(50%<59%<75%)，表明研究有中度的異質性。

表3 不同灌溉方式下玉米水分利用效率及產量
Table 3 Water use efficiency and yield of maize under different irrigation methods

灌溉方式Irrigation method樣本數Sample size水分利用效率/(kg/m3)Water use efficiency產量/(kg/hm2)Yield均值Mean標準差SD均值Mean標準差SD畦灌 Border irrigation61.830.2813 040.00480.00溝灌 Furrow irrigation32.450.2911 495.191 149.52漫灌 Flooding31.640.1611 768.571 176.86滴灌 Drip irrigation123.040.2013 284.42676.69

表4 不同灌溉方式下玉米水分利用效率及產量的Meta-Analysis分析結果
Table 4 Meta-Analysis of water use efficiency and yield of maize under different irrigation methods

項目Item處理組灌溉方式Treatment irrigationmethod對照組灌溉方式Control irrigation method效應值SMD95%置信區間95%-CI權重/%Weight畦灌Border irrigation滴灌Drip irrigation-5.05[-7.16,-2.94]34.8水分利用效率Water use efficiency溝灌Furrow irrigation滴灌Drip irrigation-2.57[-4.22,-0.91]38.8漫灌Flooding滴灌Drip irrigation-6.78[-9.87,-3.68]26.5合并 Merge-4.55[-6.93,-2.16]100.0畦灌Border irrigation滴灌Drip irrigation-0.37[-1.36,0.62]40.8產量 Yield溝灌Furrow irrigation滴灌Drip irrigation-2.19[-3.75,-0.63]28.9漫灌Flooding滴灌Drip irrigation-1.84[-3.32,-0.36]30.4合并 Merge-1.34[-2.54,-0.14]100.0

2.3 品種對玉米水分利用效率及產量的影響

根據本研究文獻納入的標準來看，在其他標準相近的條件下，品種的差異對玉米水分利用效率及產量的影響也不容忽視。為探究品種對玉米水分利用效率及產量的影響，并對比不同品種與灌溉方式對玉米水分利用效率及產量的影響大小，進行了如下分析。由2.1節可知，在80%～100% ET灌溉水平下玉米的水分利用效率最高，產量也較高。因此，對納入的文獻進一步整理分析，探究在80%～100% ET灌溉水平下不同品種對玉米水分利用效率與產量的影響。共有24組數據納入本節研究的Meta-Analysis，如表5所示。按照不同玉米品種進行分組，共分為6組：‘西蒙6號’、‘沈單10號’、‘秋樂126’、‘農華101’、‘京科958’和‘鄭單958’。

表5 不同品種玉米水分利用效率及產量
Table 5 Water use efficiency and yield of maize under different maize varieties

品種Variety樣本數Sample size水分利用效率/(kg/m3)Water use efficiency產量/(kg/hm2)Yield均值Mean標準差SD均值Mean標準差SD西蒙6 Ximeng 673.340.3413 686.401 705.86沈單10 Shendan 1033.320.2714 224.50804.63秋樂126 Qiule 12643.490.3511 499.421 149.94農華101 Nonghua 10121.610.1614 135.00110.00京科958 Jingke 95823.970.3318 918.40392.89鄭單958 Zhengdan 95862.670.2311 670.271 015.81

以80%～100% ET的灌溉水平下‘鄭單958’品種為對照組，80%～100% ET灌溉水平下的‘西蒙6號’、‘沈單10號’、‘秋樂126’、‘農華101’和‘京科958’品種為處理組，對比分析80%～100% ET灌溉水平下不同品種對玉米的水分利用效率及產量的影響，得到不同品種玉米水分利用效率及產量的Meta-Analysis分析結果(表6)。可知：品種處理組水分利用效率的合并效應值SMD=1.84，表6中處理組產量的合并效應值SMD=1.69，說明處理組品種整體的水分利用效率及產量都要高于對照組也就是‘鄭單958’的水分利用效率及產量。但是就‘農華101’與‘鄭單958’來看，‘農華101’水分利用效率的效應值SMD=-1.42，表明在此滴灌水平下‘農華101’的水分利用效率低于‘鄭單958’的水分利用效率。此外，‘秋樂126’產量的效應值SMD=-0.14，即‘秋樂126’的產量低于‘鄭單958’的產量。

對品種的水分利用效率及產量的Meta-Analysis分析進行異質性檢驗，水分利用效率的異質性檢驗結果為

I

=73%(50%<73%<75%)，表明研究有中度的異質性；產量的異質性檢驗結果為

I

=65%(50%<65%<75%)，表明研究有中度的異質性。

3 討 論

已知有關玉米節水增產的研究都是在某一特定區域展開的，由于不同的區域、氣候和田間管理措施都有所差異，研究之間缺少綜合分析，所得結果的參考性不強；雖然有研究進行了綜合分析討論，也是定性分析偏多，缺乏定量分析。此外，開展田間試驗費時費力，重新設計試驗并逐一實施的可行性較差。因此，有必要利用目前已發表的田間獨立試驗的研究結果，系統采取科學統計學方法對灌溉量、灌溉方式等因素對玉米水分利用效率及產量的影響進行綜合定量分析。

本研究的Meta-Analysis分析結果發現，玉米水分利用效率的效應值隨灌溉水平的降低呈現先增大后減小的趨勢，并在80%～100% ET的灌溉水平下水分利用效率的效應值最大，此灌溉水平下產量的效應值也較高。總體上看，不同灌溉水平對玉米產量效應值的影響不大，特別是80%～100% ET和100%～120% ET這2個灌溉水平下產量的效應值相差不多，然而水分利用效率的效應值差異卻十分明顯；過高或過低的灌溉水平均不利于玉米產量的提升，也不利于玉米水分利用效率的提高。本結論與王東等在葡萄滴灌量研究中得出的結論相似。賽力汗·賽等研究新疆冬小麥灌溉量對產量形成與水分利用的影響也得出了類似的結論，即冬小麥籽粒產量和水分利用效率隨滴灌量的增加呈現“先升后降”趨勢。因為過量灌溉下的土壤環境條件會受到破壞，土壤通透性變差，也易造成養分流失；而過低的滴灌量又不能滿足作物正常的生長需求。因此在節約農業用水、提高農業用水效率的背景下，采用80%～100% ET的灌溉水平進行灌溉，既能保證較高的玉米產量，又可以提升玉米的水分利用效率。

表6 不同品種玉米水分利用效率及產量的Meta-Analysis分析結果
Table 6 Results of Meta-Analysis on water use efficiency and yield of maize varieties

項目Item處理組品種Treatment variety對照組品種Control variety效應值SMD95%置信區間95%-CI權重/%Weight西蒙6號Ximeng 6鄭單958Zhengdan 9582.11[0.65,3.57]23.8沈單10號Shendan 10鄭單958Zhengdan 9582.39[0.37,4.41]20.6水分利用效率Water use efficiency秋樂126Qiule 126鄭單958Zhengdan 9582.64[0.69,4.58]21.0農華101Nonghua 101鄭單958Zhengdan 958-1.42[-3.30,0.45]21.4京科958Jingke 958鄭單958Zhengdan 9584.53[1.03,8.04]13.2合并 Merge1.84[0.10,3.58]100.0西蒙6號Ximeng 6鄭單958Zhengdan 9581.31[0.06,2.55]27.2沈單10號Shendan 10鄭單958Zhengdan 9582.36[0.35,4.38]20.4產量Yeild秋樂126Qiule 126鄭單958Zhengdan 958-0.14[-1.41,1.12]27.0農華101Nonghua 101鄭單958Zhengdan 9582.31[0.05,4.56]18.5京科958Jingke 958鄭單958Zhengdan 9586.70[1.82,11.57]6.9合并 Merge1.69[0.26,3.12]100.0

在以往分析不同灌溉方式對玉米水分利用效率與產量的研究中，不同灌溉方式下其灌溉水平不盡相同，因此為探究在80%～100% ET的灌溉水平下滴灌方式對玉米水分利用效率及產量的影響是否優于其他灌溉方式，本研究進一步分析了在80%～100% ET的灌溉水平下，不同灌溉方式對玉米水分利用效率及產量的影響。結果顯示采用滴灌的方式可以保證較高的水分利用效率效應值及產量效應值，說明滴灌方式的節水增產的效果最好，與已有研究結果一致。采用漫灌的方式得到的水分利用效率效應值及產量效應值最差。畦灌水分利用效率的效應值較低，而產量的效應值較高；溝灌水分利用效率的效應值較高，而產量的效應值較差。王芳等研究發現寧夏枸杞滴灌模式下水生產率較漫灌提高了112.12%，但2種模式下的枸杞產量無明顯差異；宜麗宏等對山西省冬小麥進行灌溉模擬同樣發現滴灌比漫灌的水分利用效率及產量都要高，節水高產效果顯著。因為滴灌少量多次的特點，土壤蒸發和深層滲漏都較漫灌要小，土壤環境、土壤通透性也好，所以采用滴灌方式的水分利用效率要高，產量也可以得到保證。

同時在80%～100% ET的灌溉水平的基礎上，本研究探索了不同品種對玉米水分利用效率與產量的影響。結果顯示：以‘鄭單958’為對照，‘西蒙6號’、‘沈單10號’、‘秋樂126’和‘京科958’的水分利用效率效應值都比對照品種的水分利用效率效應值要高；‘農華101’的水分利用效率效應值則低于對照品種的水分利用效率效應值。‘西蒙6號’、‘沈單10號’、‘農華101’和‘京科958’的產量效應值都比對照品種的產量效應值要高；‘秋樂126’的產量效應值則低于對照品種的產量效應值，‘京科958’得到的水分利用效率的效應值及產量的效應值均最高。因此，在 80%～100% ET的灌溉水平下，不同品種對玉米水分利用效率及產量的影響不可忽視，而‘種植京科958’的節水增產效果最好。品種的差異對玉米水分利用效率及產量都有影響，但是對比灌溉方式對玉米水分利用效率及產量的影響來看，品種間的差異不及灌溉方式對玉米水分利用效率及產量的影響大。在研究玉米節水增產時，應優先考慮灌溉方式對玉米水分利用效率及產量的影響。綜上所述，采用滴灌灌溉方式種植品種為‘京科958’的玉米，并使滴灌水平控制在80%～100% ET水平，則所獲得的玉米節水高產效果最優。

本研究利用Meta-Analysis探討了不同滴灌水平、同等灌溉水平下不同灌溉方式、品種對玉米水分利用效率與產量的影響，異質性結果顯示均有中低度的異質性，但均滿足

I

≤75%，表明結果滿足異質性檢驗。中低度的異質性結果說明雖然制定了統一的文獻納入標準，但是各個田間試驗的處理、土壤、氣候等因素仍存在差異性，也就導致了結果出現了一定的異質性。

4 結 論

本研究通過對21篇文獻的94組玉米灌溉方式、灌溉水平和品種方面的數據進行Meta-Analysis分析，結果表明玉米水分利用效率的效應值隨灌溉水平的降低呈現先增大后減小的趨勢，在80%～100% ET的灌溉水平下水分利用效率的效應值最大，此時灌溉水平下產量的效應值也較高。同時，在此灌溉水平下滴灌的水分利用效率與產量確實優于其他灌溉模式，并且種植‘京科958’節水高產的效果最優。因此，建議在我國北方灌溉區域(35°～45° N，100°～125° E)采用滴灌灌溉方式，能夠增產節水。同時使滴灌水平控制在80%～100%的ET，節水增產的效果更優。