基于元分析的新疆膜下滴灌棉田精量施氮研究

許琪 宋在金 李朝陽(yáng) 董曉梅 黃童童 宋戰(zhàn) 肖飛 楊玉輝

摘要：【目的】明確施氮對(duì)棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響，并為氮肥的精量施用及棉花高產(chǎn)提供理論借鑒。【方法】以新疆膜下滴灌棉田為研究對(duì)象，采用元分析（meta-analysis，meta分析）和通徑分析，研究不同施氮量、施氮方案、氣候條件等對(duì)棉花產(chǎn)量的綜合效應(yīng)及影響機(jī)制。【結(jié)果】與不施氮相比，施氮能顯著提高棉花產(chǎn)量，增產(chǎn)效應(yīng)為43.38%。施氮量為360～480 kg·hm－2時(shí)，對(duì)棉花的增產(chǎn)效應(yīng)最大；施氮量超過(guò)此范圍，棉花產(chǎn)量不再顯著增加，本研究推薦的經(jīng)濟(jì)施氮量為360～420 kg·hm－2?；?0%，追肥80%且按照6%、8%、22%、25%、12%、7%的比例隨水滴施6次的施氮方案對(duì)棉花的增產(chǎn)效應(yīng)最大。對(duì)于年蒸發(fā)量＞2 000 mm、年降水量＜60 mm、年日照時(shí)間＜2 864 h、年有效積溫＞4 000 ℃、無(wú)霜期＞200 d的地區(qū)，且土壤為砂質(zhì)土、土壤初始有機(jī)碳含量＜5.8 g·kg－1、初始速效氮含量≤60 mg·kg－1的棉田，施氮的增產(chǎn)效應(yīng)最明顯。通徑分析結(jié)果表明，施氮通過(guò)提高土壤硝態(tài)氮含量，從而增加棉花葉面積指數(shù)，對(duì)棉花產(chǎn)量的提升貢獻(xiàn)最顯著?！窘Y(jié)論】建議新疆植棉區(qū)施氮量為360～420 kg·hm－2，采用上述優(yōu)化方案合理施氮，可以實(shí)現(xiàn)膜下滴灌棉田的高產(chǎn)并降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：精量施氮；施氮方案；膜下滴灌；棉花產(chǎn)量；元分析；通徑分析

A study on precise nitrogen fertilization in drip irrigation cotton field under film in Xinjiang based on meta-analysis

Abstract： [Objective] The effect of nitrogen application on cotton yield and its constituent factors is clarified， aiming to provide theoretical reference for the precise application of nitrogen fertilizer and high cotton yield. [Methods] The comprehensive effects and influencing mechanisms of different nitrogen application rates， nitrogen application schemes， and climatic conditions on cotton yield are studied by meta-analysis and path analysis in Xinjiang. [Results] Compared with no nitrogen application， nitrogen application could significantly increase cotton yield with 43.38%. Nitrogen application of 360-480 kg·hm－2 had the greatest effect on cotton yield. Nitrogen application exceeding this range no longer increased cotton yield significantly， and the recommended economic nitrogen application rate in this study was 360-420 kg·hm－2. The nitrogen application scheme of 20% of basic fertilizer， 80% of supplementary fertilizer and 6 times of drip application with water at the rate of 6%， 8%， 22%， 25%， 12%， and 7% had the greatest effect on cotton yield. The greatest yield increase was achieved by the nitrogen fertilization program. The most obvious effect of nitrogen application was found in cotton fields with annual evaporation >2 000 mm， annual precipitation <60 mm， annual sunshine time <2 864 h， annual effective cumulative temperature >4 000 ℃， and frost-free period >200 d， and in fields with sandy soil， initial soil organic carbon content <5.8 g·kg－1， and initial soil available nitrogen content ≤60 mg·kg－1 . The results of the pathway analysis showed that nitrogen application contributed most significantly to the enhancement of cotton yield by increasing the soil nitrate nitrogen content， thereby increasing the cotton leaf area index. [Conclusion] It is suggested that nitrogen application rate of 360 - 420 kg·hm－2 with the above optimization scheme should be used in Xinjiang cotton area to achieve high cotton yield and reduce environmental risk in drip irrigation cotton fields under film.

Keywords： precise nitrogen application; nitrogen application scheme; drip irrigation cotton under film; cotton yield; meta-analysis;? path analysis

棉花是世界上重要的經(jīng)濟(jì)作物，在世界農(nóng)業(yè)發(fā)展中占據(jù)重要地位[1]。中國(guó)的棉花種植主要分布在長(zhǎng)江流域、黃河流域以及西北內(nèi)陸地區(qū)。近年來(lái)，隨著長(zhǎng)江流域和黃河流域棉花種植面積的減少，新疆已成為我國(guó)最大的植棉區(qū)[2]，新疆棉花產(chǎn)量約占全國(guó)總產(chǎn)量的90.2%[3]。棉花膜下滴灌是將滴灌技術(shù)和覆膜技術(shù)相結(jié)合，保證棉花生長(zhǎng)適宜的水熱環(huán)境，使棉花生育期提前，顯著提高棉花產(chǎn)量[4]。肥料的投入是保證棉花高產(chǎn)的重要手段，不合理的氮肥施用導(dǎo)致氮素流失加劇、環(huán)境負(fù)擔(dān)加重，不利于棉花的生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成[5]。精量施氮就是在經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上采取最優(yōu)的施氮方案實(shí)現(xiàn)棉花的高質(zhì)高產(chǎn)，同時(shí)減少溫室效應(yīng)和地下水污染等環(huán)境問(wèn)題，精量施氮作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的核心在可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮重要作用[6]。因此，研究精量施氮對(duì)棉花產(chǎn)量的影響及其關(guān)鍵作用因子對(duì)實(shí)現(xiàn)棉花高產(chǎn)具有重要意義。

施氮量對(duì)膜下滴灌棉花產(chǎn)量的影響已有眾多研究，但由于種植地點(diǎn)和評(píng)價(jià)方法的多樣性導(dǎo)致研究結(jié)論不一。在新疆阿瓦提縣試驗(yàn)站的研究表明，當(dāng)施氮量為0～220 kg·hm－2時(shí)，隨著施氮量的增加，棉花對(duì)氮素養(yǎng)分的吸收量和產(chǎn)量顯著增加[7]。在塔里木大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗(yàn)站的研究表明，施氮量為317～395 kg·hm－2時(shí)，棉花的氮素累積量隨施氮量的增加而顯著增加；根據(jù)皮棉產(chǎn)量與施氮量的二次方程計(jì)算發(fā)現(xiàn)皮棉產(chǎn)量最高的施氮量為361.2 kg·hm－2 [8]；在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站的研究表明，施氮能顯著提高作物對(duì)氮素的吸收積累，棉花的合理施氮量為360 kg·hm－2 [9]。周燕等[10]通過(guò)元分析（meta-analysis，meta分析）方法評(píng)價(jià)了棉花產(chǎn)量和氮素吸收量對(duì)施氮的響應(yīng)，但未對(duì)棉花的施氮方案及其他影響因素進(jìn)行深入挖掘。眾多研究中對(duì)于適宜施氮量的結(jié)論不一，為了探明施氮量對(duì)土壤理化特性、棉花生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響，需要1種綜合的分析方法對(duì)已有研究進(jìn)行深度挖掘，以得到更加科學(xué)、準(zhǔn)確且適用性強(qiáng)的結(jié)論。

獨(dú)立的田間試驗(yàn)難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)施氮對(duì)棉花產(chǎn)量的綜合效應(yīng)，且關(guān)于深入挖掘棉花產(chǎn)量影響因素的研究還鮮有報(bào)道。本研究以新疆膜下滴灌棉田為研究對(duì)象，基于meta分析方法，系統(tǒng)研究施氮量對(duì)膜下滴灌棉田土壤理化特性、棉花生理生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響；利用線性回歸模型進(jìn)行通徑分析，明確土壤氮素含量、棉花干物質(zhì)積累量、氮素吸收量等指標(biāo)對(duì)產(chǎn)量影響的相對(duì)重要性，確定適宜施氮量及施氮方案，為氮肥的精量施用及棉花高產(chǎn)提供理論借鑒。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究采納的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)知網(wǎng)（www.cnki.net）和Web of Science（www.webofscience.com），在中國(guó)知網(wǎng)中采用主題詞高級(jí)檢索，文獻(xiàn)檢索關(guān)鍵詞為：“棉花”AND“膜下滴灌＋滴灌”AND“棉花產(chǎn)量＋產(chǎn)量”；在Web of Science中采用主題詞高級(jí)檢索，文獻(xiàn)檢索關(guān)鍵詞為：cotton + cotton yield + drip irrigation。排除咸水、微咸水、磁化水等灌水水質(zhì)，篩選1960年1月1日－2022年12月31日學(xué)者發(fā)表的期刊論文及碩博士學(xué)位論文。根據(jù)研究主題的需要，文獻(xiàn)篩選納入需符合以下標(biāo)準(zhǔn)[11-15]：（1）試驗(yàn)為新疆的田間試驗(yàn)，盆栽及室內(nèi)試驗(yàn)不考慮在內(nèi)，試驗(yàn)對(duì)象為棉花。（2）試驗(yàn)重復(fù)數(shù)≥3。（3）文獻(xiàn)中需包含不施氮處理作為對(duì)照。（4）研究案例中所記錄的棉花產(chǎn)量為籽棉產(chǎn)量。（5）相同處理下的多次重復(fù)觀測(cè)取平均值。（6）當(dāng)試驗(yàn)中有附加因子影響的研究，則認(rèn)為是獨(dú)立的試驗(yàn)單獨(dú)納入數(shù)據(jù)庫(kù)。（7）對(duì)于文獻(xiàn)中同一地區(qū)的多年試驗(yàn)研究，認(rèn)為是相互獨(dú)立的試驗(yàn)單獨(dú)納入數(shù)據(jù)庫(kù)。文獻(xiàn)中的表格數(shù)據(jù)直接提取，柱狀圖和折線圖中的數(shù)據(jù)采用軟件Get Data 2.20將圖像數(shù)值化后再提取。按照以上標(biāo)準(zhǔn)，篩選得到41篇文獻(xiàn)和1 262組數(shù)據(jù)。

1.2 分組分析

由于氣候條件、土壤肥力、品種等對(duì)棉花產(chǎn)量的影響較大，同時(shí)施氮量和施氮方案等諸多因素均對(duì)棉花產(chǎn)量有影響。因此本研究對(duì)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組：施氮量[16-18]、施氮方案、品種[7， 16， 19-24]、土壤質(zhì)地[20， 25-27]、土壤速效氮含量[28]、土壤有機(jī)碳含量[28-29]、年降水量[30-31]、年蒸發(fā)量[32]、無(wú)霜期[33]、年有效積溫[32]和年日照時(shí)間[34]，檢驗(yàn)這些因素對(duì)棉花產(chǎn)量的影響（表1）。

1.3 數(shù)據(jù)分析

為了確保研究的可靠性，本研究以權(quán)重響應(yīng)比（response ratio， RR）為統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)，以權(quán)重響應(yīng)比的自然對(duì)數(shù)（lnRR）表示某一驅(qū)動(dòng)因子的影響程度，計(jì)算公式如下[35]：

整合分析每個(gè)研究的權(quán)重響應(yīng)比進(jìn)行加權(quán)，得出平均加權(quán)響應(yīng)（weighted response ratio， RR＋＋）。另外，方差（variance， V）、權(quán)重系數(shù)（weighted factor， W）、RR＋＋標(biāo)準(zhǔn)差和95%的置信區(qū)間（confidence interval， CI）通過(guò)以下公式計(jì)算獲得。

公式（3）中，m為分組數(shù)，例如不同土壤類(lèi)型或不同施肥量的分組數(shù)，ki代表第i個(gè)分組的數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)。公式（4）中，SDe2和SDc2代表施氮試驗(yàn)組和不施氮對(duì)照組的標(biāo)準(zhǔn)差，對(duì)于文獻(xiàn)中缺失的SD值，以平均值的1/10進(jìn)行代替；Ne和Nc代表試驗(yàn)組和對(duì)照組的樣本數(shù)[37]。為了更好地理解meta分析的結(jié)果，95%CI通過(guò)（eRR＋＋－1）×100%轉(zhuǎn)化為變化百分?jǐn)?shù)，當(dāng)95%CI遠(yuǎn)離零線時(shí)，表明處理組的研究指標(biāo)與對(duì)照組有顯著差異（P＜0.05）；當(dāng)95%CI與零線交集時(shí)，表明處理組的研究指標(biāo)與對(duì)照組沒(méi)有顯著差異（P≥0.05）。

本研究利用線性回歸模型，以棉花產(chǎn)量為因變量，以數(shù)據(jù)庫(kù)中的土壤無(wú)機(jī)氮含量、土壤硝態(tài)氮含量、土壤銨態(tài)氮含量、干物質(zhì)積累量、氮素吸收量、葉面積指數(shù)、凈光合速率和株高等數(shù)據(jù)為自變量，按照meta分析中施氮量的不同亞組將上述指標(biāo)進(jìn)行分組開(kāi)展通徑分析，發(fā)掘?qū)崿F(xiàn)棉花高產(chǎn)的關(guān)鍵影響因素[38]。對(duì)于上述指標(biāo)存在一項(xiàng)研究中不同時(shí)期（苗期、蕾期、花鈴期等）的多個(gè)觀測(cè)值，本研究在多元回歸分析中將每一項(xiàng)研究的不同觀測(cè)值進(jìn)行平均值處理。首先，利用逐步回歸法對(duì)上述自變量與因變量（棉花產(chǎn)量）進(jìn)行多元線性回歸分析[39]。為了全面概括影響產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，本研究將P＜0.1（顯著）的指標(biāo)全部納入進(jìn)行分析。通徑分析中間接通徑系數(shù)計(jì)算公式[40]為：

Pij＝rij×Pjy（8）

式中，Pij為間接通徑系數(shù)（自變量i通過(guò)自變量j作用于因變量y），rij為i與j的相關(guān)系數(shù)，Pjy為j與因變量y的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)（通徑系數(shù)）。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行卡方檢驗(yàn)，明確各研究之間是否存在明確的異質(zhì)性。若P＞0.05，說(shuō)明各研究結(jié)果無(wú)明顯差異，采用固定效應(yīng)模型進(jìn)行計(jì)算；否則采用隨機(jī)效應(yīng)模型進(jìn)行計(jì)算。采用失安全系數(shù)法（fail-safe number，Nfs）進(jìn)行偏倚性檢驗(yàn)，若Nfs＞5n＋10，n為數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)，則說(shuō)明不存在發(fā)表偏倚，結(jié)論可信[41]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Office 2016辦公軟件完成數(shù)據(jù)庫(kù)的建立以及部分?jǐn)?shù)據(jù)的計(jì)算；使用MetaWin 2.1采用隨機(jī)效應(yīng)模型的meta分析；使用GraphPad Prism 8和Origin 2021完成圖形繪制；使用IBM SPSS Statistics 27進(jìn)行線性回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮對(duì)棉田土壤、棉花生理生長(zhǎng)及產(chǎn)量的效應(yīng)分析

由圖1可知，本研究數(shù)據(jù)的異質(zhì)性檢驗(yàn)結(jié)果顯示，P值均小于0.05，說(shuō)明不同研究之間存在異質(zhì)性，故采用隨機(jī)效應(yīng)模型進(jìn)行分析。圖1中各指標(biāo)失安全系數(shù)均大于5n＋10，圖2中棉花產(chǎn)量效應(yīng)值的頻數(shù)分布基本服從正態(tài)分布，說(shuō)明本研究結(jié)果受發(fā)表偏倚的影響較小，結(jié)論可信。

如圖1所示，與不施氮相比，施氮能顯著增加土壤無(wú)機(jī)氮含量、土壤硝態(tài)氮含量和土壤銨態(tài)氮含量，效應(yīng)值分別為43.80%（95%CI：34.66%～52.93%）、72.18%（95%CI：65.36%～79.00%）、10.72%（95%CI：0.39%～21.05%）。與不施氮相比，施氮能顯著增加棉花干物質(zhì)積累量、氮素吸收量、葉面積指數(shù)、凈光合速率和株高，效應(yīng)值分別為27.26%（95%CI：23.54%～30.99%）、51.68%（95%CI：47.33%～56.03%）、28.78%（95%CI：26.32%～31.25%）、16.65%（95%CI：14.00%～19.30%）和17.73%（95%CI：14.97%～20.49%）。與不施氮相比，施氮能顯著增加棉花單株鈴數(shù)和產(chǎn)量，效應(yīng)值分別為27.45%（95%CI：23.95%～30.95%）和43.38%（95%CI：40.44%～46.33%）。綜上所述，施氮對(duì)棉田土壤氮素含量、棉花生理生長(zhǎng)及產(chǎn)量等指標(biāo)均有顯著促進(jìn)效果。

2.2 棉花產(chǎn)量對(duì)施氮的響應(yīng)及因素分析

不同施氮量對(duì)棉花增產(chǎn)的效應(yīng)存在差異。施氮量為360～480 kg·hm－2時(shí)，施氮的效應(yīng)值（48.54%，95%CI：41.50%～55.57%）高于施氮量為0～240 kg·hm－2的效應(yīng)值（39.38%，95%CI：34.14%～44.62%）和施氮量為240～360 kg·hm－2的效應(yīng)值（47.56%，95%CI：42.57%～52.56%）；進(jìn)一步增加施氮量（超過(guò)480 kg·hm－2），施氮對(duì)棉花增產(chǎn)的效應(yīng)值反而降低（圖3）。因此，施氮量為360～480 kg·hm－2的增產(chǎn)效應(yīng)最明顯。

對(duì)于不同棉花品種，施氮的增產(chǎn)效果也存在差異（圖3）。施氮對(duì)新陸中26號(hào)的增產(chǎn)效應(yīng)（81.83%，95%CI：63.83%～99.83%）高于其對(duì)中棉所49（77.82%，95%CI：63.38%～92.26%）、新陸中66號(hào)（64.66%，95%CI：50.57%～78.74%）和新陸早45號(hào)（43.00%，95%CI：30.79%～55.20%）的增產(chǎn)效應(yīng)，而施氮對(duì)新陸早50號(hào)、新陸早84號(hào)、新陸中65號(hào)和新陸中88號(hào)的產(chǎn)量效應(yīng)相對(duì)較小，分別為24.51%、23.68%、21.45%和12.51%。綜合來(lái)看，施氮對(duì)新陸中26號(hào)的增產(chǎn)效應(yīng)最明顯，但由于新陸中26號(hào)育成時(shí)間較早，根據(jù)國(guó)家農(nóng)作物優(yōu)良品種推廣目錄（2023年）和中棉所49的品種特性[42-43]，結(jié)合研究結(jié)果篩選出中熟棉品種中棉所49和新陸中66號(hào)適宜新疆中早熟棉區(qū)種植。

施氮對(duì)棉花產(chǎn)量的影響效果與土壤條件密切相關(guān)。施氮條件下，棉田為砂質(zhì)土?xí)r增產(chǎn)效應(yīng)最優(yōu)，效應(yīng)值為58.92%（95%CI：50.34%～67.50%），棉田為壤土和中壤土?xí)r增產(chǎn)效應(yīng)相近，分別為33.31%（95%CI：28.81%～37.81%）和30.75%（95%CI：25.05%～36.45%）。隨著土壤初始有機(jī)碳含量的增加，施氮較不施氮處理對(duì)棉花產(chǎn)量的效應(yīng)值降低，具體表現(xiàn)為：土壤有機(jī)碳含量≤5.8 g·kg－1時(shí)增產(chǎn)效應(yīng)為53.30%（95%CI：47.29%～59.31%）、土壤有機(jī)碳含量為5.8～11.6 g·kg－1時(shí)增產(chǎn)效應(yīng)為44.02%（95%CI：39.83%～48.22%）。隨著土壤初始速效氮含量的增加，施氮較不施氮處理對(duì)棉花產(chǎn)量的提升效應(yīng)顯著降低，具體表現(xiàn)為：土壤速效氮含量≤60 mg·kg－1時(shí)增產(chǎn)效應(yīng)為52.91%（95%CI：48.62%～57.21%），土壤速效氮含量為60～120 mg·kg－1時(shí)增產(chǎn)效應(yīng)為38.41%（95%CI：33.37%～43.46%）。因此，在土壤為砂質(zhì)土、初始有機(jī)碳含量≤5.8 g·kg－1和初始速效氮含量≤60 mg·kg－1的棉田，施氮的增產(chǎn)效應(yīng)最明顯（圖4）。

施氮對(duì)棉花產(chǎn)量的影響效果與氣候條件密切相關(guān)。隨著年蒸發(fā)量的增加，與不施氮相比，施氮對(duì)棉花產(chǎn)量的提升效應(yīng)呈顯著增加趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為：年蒸發(fā)量為1 500～2 000 mm時(shí)，施氮的產(chǎn)量效應(yīng)值為39.16%（95%CI：35.41%～42.91%）；年蒸發(fā)量≥2 000 mm時(shí)，施氮的產(chǎn)量效應(yīng)值為71.90%（95%CI：64.59%～79.20%）。隨著年降水量的增加，與不施氮相比，施氮對(duì)棉花產(chǎn)量的提升效應(yīng)呈顯著降低的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為：年降水量＜60 mm時(shí)，施氮的產(chǎn)量效應(yīng)值為53.66%（95%CI：47.11%～60.21%），年降水量為60～200 mm時(shí)，施氮的產(chǎn)量效應(yīng)值為35.83%（95%CI：29.94%～41.72%）。隨著年平均日照時(shí)間的延長(zhǎng)，與不施氮相比，施氮對(duì)棉花產(chǎn)量的提升效應(yīng)呈顯著降低趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為：年平均日照時(shí)間＜2 864 h時(shí)，施氮的產(chǎn)量效應(yīng)值為53.52%（95%CI：46.12%～60.93%）；年平均日照時(shí)間≥2 864 h時(shí)，施氮的產(chǎn)量效應(yīng)值為39.32%（95%CI：35.82%～42.82%）。隨著年有效積溫的增加，施氮對(duì)棉花產(chǎn)量的提升效應(yīng)顯著增加，具體表現(xiàn)為：年有效積溫為3 000～4 000 ℃時(shí)，施氮的產(chǎn)量效應(yīng)值為34.02%（95%CI：30.86%～37.18%）；年有效積溫＞4 000 ℃時(shí)，施氮的產(chǎn)量效應(yīng)值為64.66%（95%CI：57.08%～72.24%）。隨著無(wú)霜期的增加，與不施氮相比，施氮對(duì)棉花產(chǎn)量的效應(yīng)值略微增加，但差異不顯著，具體表現(xiàn)為：無(wú)霜期為150～200 d時(shí)，施氮的產(chǎn)量效應(yīng)值為40.56%（95%CI：37.20%～43.92%）；無(wú)霜期＞200 d時(shí)，施氮的產(chǎn)量效應(yīng)值為41.93%（95%CI：36.84%～47.02%）。因此，在年蒸發(fā)量＞2 000 mm、年降水量＜60 mm、年平均日照時(shí)間＜2 864 h、年有效積溫＞4 000 ℃、無(wú)霜期＞200 d條件下，施氮的增產(chǎn)效應(yīng)最明顯（圖5）。

2.3 膜下滴灌棉田施氮方案的優(yōu)化分析

由圖3可知，施氮量為360～480 kg·hm－2時(shí)，施氮對(duì)棉花產(chǎn)量的效應(yīng)值最大；施氮量在240～360 kg·hm－2時(shí)對(duì)棉花增產(chǎn)的效應(yīng)值與其相近，精量施氮要求將施氮量控制在1個(gè)較窄的范圍以實(shí)現(xiàn)最高產(chǎn)量[44-45]。因此本研究繼續(xù)優(yōu)化施氮量進(jìn)行亞組分析（表2），施氮量360～420 kg·hm－2對(duì)棉花產(chǎn)量的效應(yīng)值為53.42%（95%CI：42.34%～64.50%）大于施氮量420～480 kg·hm－2對(duì)棉花產(chǎn)量的效應(yīng)值43.60%（95%CI：32.48%～54.73%）。因此，在施氮量360～480 kg·hm－2范圍內(nèi)，最優(yōu)的施氮量為360～420 kg·hm－2。

施氮方案同樣影響棉花對(duì)氮肥的吸收利用，新疆植棉區(qū)的棉花施肥多以隨水滴施為主，對(duì)不同施氮方案進(jìn)行亞組分析，結(jié)果表明，氮肥20%基施能夠有效提高棉花產(chǎn)量，棉花增產(chǎn)效應(yīng)值為59.18%（95%CI：35.54%～82.81%），高于不設(shè)基肥和氮肥30%基施處理。用240～360 kg·hm－2施氮量的施氮方案進(jìn)行亞組分析用于驗(yàn)證[46]，結(jié)果表明，氮肥20%基施處理能夠有效提高棉花產(chǎn)量，且棉花增產(chǎn)效應(yīng)值比不設(shè)基肥和氮肥30%基施處理高。對(duì)不同追肥比例進(jìn)行亞組分析，結(jié)果表明，棉花生育期追肥6次且每次追肥比例分別為6%、8%、22%、25%、12%、7%對(duì)棉花產(chǎn)量的效應(yīng)值最大。綜合來(lái)看，氮肥20%基施，其余80%分6次按6%、8%、22%、25%、12%、7%的比例隨水滴施效果最好。

2.4 施氮對(duì)棉花產(chǎn)量影響因素的通徑分析

眾多研究中對(duì)于棉花產(chǎn)量的影響因素結(jié)論不一，多數(shù)研究?jī)H探討了施氮對(duì)棉花產(chǎn)量及個(gè)別指標(biāo)的影響[27， 47]，未對(duì)棉花產(chǎn)量的影響因素進(jìn)行深度挖掘與全面概括。本研究采用線性回歸模型開(kāi)展通徑分析，探究棉花高產(chǎn)的關(guān)鍵影響因素，通徑分析結(jié)果如表3所示，對(duì)棉花產(chǎn)量影響顯著的指標(biāo)分別為葉面積指數(shù)、干物質(zhì)積累量、土壤無(wú)機(jī)氮含量、土壤硝態(tài)氮含量和凈光合速率。計(jì)算過(guò)程中逐步引入葉面積指數(shù)、干物質(zhì)積累量、土壤無(wú)機(jī)氮含量、土壤硝態(tài)氮含量和凈光合速率，回歸方程決定系數(shù)r2為1.000，說(shuō)明回歸擬合效果較好，對(duì)棉花產(chǎn)量有影響的自變量引入較為完善。比較直接通徑系數(shù)可知，葉面積指數(shù)對(duì)棉花產(chǎn)量的直接影響最大，干物質(zhì)積累量對(duì)產(chǎn)量的直接影響最小。

為深入探討施氮對(duì)棉花產(chǎn)量的影響途徑，按照“施氮通過(guò)提高土壤氮素含量，從而促進(jìn)棉花生理生長(zhǎng)進(jìn)而提高棉花產(chǎn)量”的邏輯，利用公式（8）計(jì)算土壤氮素指標(biāo)與棉花生理生長(zhǎng)指標(biāo)的間接通徑系數(shù)。計(jì)算結(jié)果如表4所示，施氮通過(guò)提高土壤硝態(tài)氮含量，從而增加棉花葉面積指數(shù)，對(duì)棉花產(chǎn)量的提升貢獻(xiàn)最顯著。

3 討論

氮素對(duì)于作物產(chǎn)量的形成具有關(guān)鍵作用，合理施用氮肥是作物高產(chǎn)的重要措施[48-49]。施氮能促進(jìn)土壤無(wú)機(jī)氮含量的增加，土壤銨態(tài)氮和土壤硝態(tài)氮作為良好氮源是棉花吸收利用的主要無(wú)機(jī)氮[50]，氮素是促進(jìn)植株生長(zhǎng)發(fā)育最重要的營(yíng)養(yǎng)元素。因此，增施氮肥能顯著促進(jìn)棉花生長(zhǎng)并提高鈴數(shù)和產(chǎn)量[51-52]。

精量施肥強(qiáng)調(diào)應(yīng)根據(jù)不同類(lèi)型的土壤、天氣條件等因素，采用不同的施肥方法和施肥制度及施用量[53]。施氮在砂質(zhì)土棉田的增產(chǎn)效果最優(yōu)、黏土質(zhì)地棉田次之。砂質(zhì)土壤具有透氣性能好、透水性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在砂質(zhì)土壤中施氮能顯著改善土壤環(huán)境[54]，提高作物產(chǎn)量；黏土保肥性能強(qiáng)，能夠?qū)︷B(yǎng)分進(jìn)行吸附固定，這可能是黏土增產(chǎn)高效的原因。不同的土壤初始肥力對(duì)棉花產(chǎn)量影響顯著，土壤初始肥力過(guò)高會(huì)導(dǎo)致土壤中微生物活動(dòng)旺盛，進(jìn)而消耗土壤氧氣，降低棉花產(chǎn)量，本研究表明在土壤初始有機(jī)碳含量≤5.8 g·kg－1、初始速效氮含量≤60 mg·kg－1時(shí)增產(chǎn)效應(yīng)最明顯。新疆植棉區(qū)氣候?yàn)榈湫偷臏貛Т箨懶愿珊禋夂?，降水少、蒸發(fā)量大，棉花具有較強(qiáng)的耐旱性。較高的氣溫環(huán)境有利于棉花的生長(zhǎng)，低溫會(huì)延長(zhǎng)棉花生育期導(dǎo)致產(chǎn)量下降[55]。光照在棉花生長(zhǎng)階段具有重要作用，充足的光照有利于作物的光合作用、增加光合產(chǎn)物從而促進(jìn)作物生長(zhǎng)[56]，在降水量適宜的情況下，施氮能顯著提高棉花產(chǎn)量；降水過(guò)多會(huì)導(dǎo)致土壤氮素淋失、土壤水分蒸發(fā)增加。這均與本研究結(jié)論一致，本研究結(jié)果表明，在年蒸發(fā)量＞2 000 mm、年降水量＜60 mm、年平均日照時(shí)間＜2 864 h、年有效積溫＞4 000 ℃和無(wú)霜期＞200 d的情況下，施氮的增產(chǎn)效應(yīng)最明顯。

本研究結(jié)果表明，施氮量為360～480 kg·hm－2時(shí)，施氮對(duì)棉花增產(chǎn)的效應(yīng)值最大，超過(guò)此范圍棉花產(chǎn)量不再顯著增加，本研究推薦的經(jīng)濟(jì)施氮量為360～420 kg·hm－2。徐海江等[18]在南疆阿瓦提縣的研究表明，過(guò)量施氮不利于提高棉花產(chǎn)量，當(dāng)施氮量超過(guò)450 kg·hm－2時(shí)棉花產(chǎn)量不再顯著增加，經(jīng)氮肥效應(yīng)方程計(jì)算出最高產(chǎn)量下的施氮量為427.832 kg·hm－2。李志強(qiáng)等[57]在北疆石河子進(jìn)行的研究表明，施氮過(guò)量或者過(guò)低均難以獲得高產(chǎn)，施氮量為360 kg·hm－2時(shí)，棉花產(chǎn)量最高；而施氮量超過(guò)392 kg·hm－2時(shí)，棉花產(chǎn)量顯著降低。由此可見(jiàn)，本研究提出的經(jīng)濟(jì)施氮量適于新疆植棉區(qū)的棉花種植。新疆植棉區(qū)土壤普遍存在貧瘠化的現(xiàn)象。不合理的施氮方案不但會(huì)降低肥效，而且會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染[58]。對(duì)于膜下滴灌棉田，部分試驗(yàn)不設(shè)基肥處理，在棉花生長(zhǎng)期間將氮肥隨水滴施[7， 20]；部分試驗(yàn)將20%或30%氮肥作基肥[16， 22]。適當(dāng)基肥處理能夠?yàn)槊藁ㄇ捌谏L(zhǎng)發(fā)育提供適宜的土壤肥力條件，也有改良土壤、培肥地力的作用。基肥缺乏會(huì)影響作物根系生長(zhǎng)，導(dǎo)致植株發(fā)育后期營(yíng)養(yǎng)不良，造成減產(chǎn)?；蔬^(guò)量會(huì)導(dǎo)致植株?duì)I養(yǎng)失衡，抑制棉花生長(zhǎng)，棉花也更容易發(fā)生病蟲(chóng)害。這可能是本研究中20%氮肥作基肥的增產(chǎn)效應(yīng)優(yōu)于無(wú)基肥處理和30%氮肥作基肥的原因。有研究表明，與低施肥頻次（不大于5次）相比，高施肥頻次（5次以上）更能充分發(fā)揮肥效，顯著提高棉花產(chǎn)量[54]。這與本研究結(jié)論一致，本研究精量施氮方案為全生育期施氮360～420 kg·hm－2，且20%作基肥處理，剩余80%分6次作追肥處理，每次施用比例為6%、8%、22%、25%、12%和7%，在新疆植棉區(qū)根據(jù)施氮方案精量施氮是實(shí)現(xiàn)棉花高產(chǎn)的重要措施。

棉田土壤無(wú)機(jī)氮含量代表著土壤氮素水平，施用氮肥是無(wú)機(jī)氮積累的前提[59-60]，而硝態(tài)氮作為無(wú)機(jī)氮的主要存在形式是棉花吸收利用的主要氮素形態(tài)。葉片作為棉花進(jìn)行光合作用的主要器官，與產(chǎn)量的形成有著密不可分的關(guān)系[61]，葉面積指數(shù)一定程度上能反映植株的生長(zhǎng)發(fā)育情況。有研究表明在棉花快速生長(zhǎng)時(shí)期，葉面積指數(shù)升高較快，干物質(zhì)積累總量較高[62]。干物質(zhì)積累是棉花產(chǎn)量的物質(zhì)基礎(chǔ)、增施氮肥會(huì)促進(jìn)棉花的干物質(zhì)積累和對(duì)氮素的吸收[63-64]。由此可見(jiàn)，葉面積指數(shù)對(duì)棉花產(chǎn)量構(gòu)成有顯著影響。通徑分析結(jié)果表明，葉面積指數(shù)對(duì)棉花產(chǎn)量影響較大，施氮通過(guò)提高棉田土壤硝態(tài)氮含量，從而增加棉花葉面積指數(shù)，對(duì)棉花產(chǎn)量的提升貢獻(xiàn)最大。

4 結(jié)論

本研究深入分析了施氮對(duì)棉花產(chǎn)量的綜合效應(yīng)及影響機(jī)制，通過(guò)元分析和通徑分析研究表明，與不施氮相比，施氮能顯著提高棉花產(chǎn)量，增產(chǎn)效應(yīng)為43.38%；施氮量為360～480 kg·hm－2時(shí)增產(chǎn)效應(yīng)最高，超過(guò)此用量，施氮對(duì)棉花產(chǎn)量的效應(yīng)值反而降低，本研究推薦的經(jīng)濟(jì)施氮量為360～420 kg·hm－2。施氮方案為基肥20%，追肥80%且按照6%、8%、22%、25%、12%、7%的比例隨水滴施6次。對(duì)于年蒸發(fā)量＞2 000 mm、年降水量＜60 mm、年日照時(shí)間＜2 864 h、年有效積溫＞4 000 ℃、無(wú)霜期＞200 d的地區(qū)，且土壤為砂質(zhì)土質(zhì)地、土壤初始有機(jī)碳含量＜5.8 g·kg－1、土壤初始速效氮含量≤60 mg·kg－1的棉田，施氮增產(chǎn)效應(yīng)最明顯。棉花葉面積指數(shù)對(duì)棉花產(chǎn)量的直接影響較大，施氮通過(guò)提高棉田土壤硝態(tài)氮含量，從而增加植株葉面積指數(shù)，對(duì)棉花產(chǎn)量的提升貢獻(xiàn)最顯著。

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