施肥對苜蓿土壤水分、養(yǎng)分和產量的影響：基于定位試驗數(shù)據(jù)的M eta 分析

才 璐，羅珠珠, ，王林林, ，牛伊寧，李玲玲，蔡立群,

（1. 甘肅農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；3. 甘肅農業(yè)大學農學院，甘肅 蘭州 730070）

苜蓿(Medicago sativa)是一種多年生深根系豆科植物，其不僅是高蛋白、高產量的飼草資源，同時也是優(yōu)質的綠肥作物，具有抗旱、抗寒及水土保持等優(yōu)良的生態(tài)適應性，已成為我國北方地區(qū)普遍栽培的優(yōu)質牧草。目前，僅甘肅省苜蓿種植面積74.67 萬公頃，商品苜蓿生產面積19.43 萬公頃，商品苜蓿產量192.63 萬噸，居全國之首[1]。同時，苜蓿也是水土保持的先鋒植物，在生態(tài)文明建設方面發(fā)揮著極其重要的作用。但苜蓿作為一種水分需求量較大的作物[2-3]，長期種植的苜蓿草地干燥化日漸嚴重，最終導致草地退化，退化后的苜蓿草地土壤水分在短時間內并不能得到有效的恢復[2,4]，從而使得苜蓿生產力下降。另外，苜蓿對磷素的需求量較大，隨著種植年限延長，土壤中速效磷含量大幅降低[5-6]，最終也影響到苜蓿的生長。

施肥是補充貧瘠土壤所缺營養(yǎng)元素促進苜蓿生產的重要人工措施。研究表明，長期施肥能增加苜蓿土壤耕層的有機碳和全氮含量，施磷肥和氮磷肥配施有機肥分別增加土壤有機質含量3.52 和6.76 g·kg?1；與不施肥相比，施磷肥土壤全氮含量增加了27.4%，氮磷肥配施有機肥土壤全氮含量增加了54.7%[7]。而一些研究則認為，土壤中營養(yǎng)元素含量與是否施用該種營養(yǎng)元素肥料無關。在西班牙埃布羅谷地的研究發(fā)現(xiàn)，施鉀肥對苜蓿土壤中的鉀含量影響不大[8]。施肥會影響苜蓿地土壤的水分含量[9]。在黃土高原南部的長武塬區(qū)的研究表明，苜蓿施肥會顯著減少耕層的土壤水分，而不會影響深層土壤水分[10]；在黃土高原西部丘陵溝壑區(qū)的研究表明，施肥會降低80 ?200 cm 土層水分[11]；文雅等[12]在干旱綠洲灌區(qū)的試驗則表明施肥對苜蓿水分無明顯的提升作用；而在河北廊坊試驗基地的研究表明施肥具有顯著的調水作用，適量施肥可提高苜蓿的水分利用效率[13]。此外，不同區(qū)域施肥對苜蓿的增產作用也有較大差異。在加拿大曼尼托巴西部，苜蓿施磷肥增產率可達47%[14]；而在黃土高原的研究表明，施磷肥苜?？稍霎a3.8%[15]。在寧夏賀蘭山試驗站的研究表明，苜蓿施氮肥增產率達10%～15%[16]；在甘肅金塔縣的試驗表明，苜蓿施氮肥無增產作用[17]。

施肥對苜蓿地土壤水分、養(yǎng)分和產量影響的相關研究較多，但由于不同研究區(qū)域種植制度、土壤類型、氣候條件等因素的差異導致其結論并不一致[7-17]。Meta 分析法是對具有相同研究目的卻又相互獨立的多個研究結果進行系統(tǒng)合并，定量綜合評價研究結果的統(tǒng)計方法，適合于大尺度生態(tài)現(xiàn)象的研究[18-19]。本研究基于全國尺度苜蓿地土壤水分、養(yǎng)分、產量和水分利用效率的數(shù)據(jù)，以當年當?shù)夭皇┓受俎閷φ战M，以施肥苜蓿為處理組，應用Meta 分析定量探究施肥措施對苜蓿地土壤水分、養(yǎng)分、產量和水分利用效率的影響，從而量化施肥措施的作用效果，以期為栽培苜蓿草地的合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源和分類

本研究數(shù)據(jù)基于中國知網(wǎng)(CNKI)、Springlink、谷歌學術索引和萬方數(shù)據(jù)庫4 個文獻數(shù)據(jù)庫進行檢索，收錄截至2019 年12 月31 日公開發(fā)表的在中國地區(qū)進行的苜蓿施肥田間試驗文獻。設置檢索主要關鍵詞為“苜?！薄ⅰ笆┓省?、“土壤水分”、“土壤養(yǎng)分”、“產量”或“水分利用效率”。為進一步剔除不合格文獻，減少Meta 分析結果發(fā)生偏倚，在閱讀摘要做出初步篩選后，基于以下標準篩選文獻：1)試驗地點為中國，包括經緯度以及詳細位置數(shù)據(jù)；2)同一試驗包含配對的對照組與處理組，對照組為當年當?shù)赝辉囼炏虏皇┓受俎Ｔ囼灲M，與之對應的處理組為施肥苜蓿試驗組，且除此之外的其他田間管理措施一致；3)試驗數(shù)據(jù)至少包含土壤水分、養(yǎng)分、產量或水分利用效率中的一項，且在不同處理下同一指標的測量方法一致并以數(shù)字或圖表形式報道，可直接獲得或通過計算得到；4)對不同文獻報道的同一試驗數(shù)據(jù)只納入一次。經過以上標準篩選，共獲得109 篇文獻，涉及到的試驗位點基本信息如表1所列，相關數(shù)據(jù)對數(shù)如表2 所列。用Excel 軟件建立了苜蓿地土壤水分(SWC)、有機質(SOM)、全氮(TN)、速效磷(AP)、速效鉀(AK)、產量(yield)和水分利用效率(WUE)組分的數(shù)據(jù)庫，將肥料種類劃分為氮肥(N)、磷肥(P)、鉀肥(K)、有機肥(M)、氮磷肥配施(NP)、氮鉀肥配施(NK)、磷鉀肥配施(PK)、氮磷鉀肥配施(NPK)和化肥與有機肥配施(F+M)。

1.2 數(shù)據(jù)分析

在數(shù)據(jù)分析前，對每組數(shù)據(jù)的效應值進行K 檢驗(kolmogorov-sm irnov test)，如果數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布，則使用非參數(shù)估計方法(bootstrapping)生成的綜合效應值(lnR’)和95% bootstrap CI (4 999 次迭代次數(shù))進行數(shù)據(jù)分析[20]。

1.2.1 標準差計算

標準差是Meta 分析中用來計算各研究權重的重要指標，當文獻中列有相關的標準差時，直接應用；當文獻中沒有相關的標準差，同時也沒有可供計算標準差的重復試驗時，可用數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)計算出平均變異系數(shù)(CV)，再用CV 反推出缺失的標準差(SD)[21]，計算公式：

式中：X 為缺失標準差的數(shù)據(jù)值。

表 1 納入M eta 分析的試驗位點的基礎信息Table 1 Basic information on experimental sites included in this meta-analysis

表 2 土壤水分、養(yǎng)分、產量和水分利用效率的數(shù)據(jù)分組Table 2 Data grouping for alfalfa soil water content, nutrients, yield, and water use efficiency

1.2.2 效應量計算

本研究使用效應比R 的自然對數(shù)(ln R)為效應值度量處理措施對響應指標的影響，計算公式如下[22-24]：

式中：Xc 為對照組對應數(shù)據(jù)的平均值；Xe 為處理組對應數(shù)據(jù)的平均值。對應指標效應值 ln R的方差(variance, V)計算如下[22-24]：

式中：Sc 為對照組對應數(shù)據(jù)的標準差；Se 為處理組對應數(shù)據(jù)的標準差；Nc 為對照組對應數(shù)據(jù)的樣本量；Ne 為處理組對應數(shù)據(jù)的樣本量。

式中：wi為i 的權重，即樣本方差vi的倒數(shù)； ln Ri為i 的對數(shù)響應比；k 為統(tǒng)計研究的數(shù)量； ln R為平均效應大小。為了更加直觀地描述結果，用百分比表示變化率Y，計算公式如下[22]：

若95%置信區(qū)間未跨過橫坐標零點，則說明對照組相比于處理組差異顯著(P ＜ 0.05)，反之則說明差異不顯著(P ＞ 0.05)[20]。且如果不同類別的95%置信區(qū)間沒有重疊，則認為不同類別變量的平均值間存在顯著差異(P ＜ 0.05)[25]。

在進行Meta 分析時，需對收集的相關數(shù)據(jù)進行異質性檢驗(Q 檢驗)，檢驗樣本數(shù)據(jù)是否存在異質性，若P ＞ 0.05 (卡方分布檢驗)，表明數(shù)據(jù)不存在異質性，選用固定效應模型(fixed effect model)；若P ＜0.05 (卡方分布檢驗)，表明數(shù)據(jù)有異質性，此時應采用隨機效應模型(random effect model)并需要設置亞組分析來探討異質性來源。

1.3 數(shù)據(jù)處理

在進行文獻數(shù)據(jù)搜集時，以圖表示的數(shù)據(jù)借助WebPlotDigitizer 4.2[26]軟件提取，使用WPS 2019 進行數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)集的建立，通過MetaW in2.0 計算不同種植年限下苜蓿土壤水分和養(yǎng)分的變化率，進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，并使用SigmaPlot 12.5 制圖。

2 結果與分析

2.1 苜蓿地土壤水分、養(yǎng)分、產量和水分利用效率的偏倚檢驗

苜蓿地土壤含水量、有機質、全氮、速效磷、速效鉀、產量和水分利用效率的效應值分布情況如圖所示(圖1)，K 檢驗結果表明，不同種植年限下的苜蓿地土壤含水量、養(yǎng)分、產量和水分利用效率的效應值頻率分布均不服從正態(tài)分布，因此所有數(shù)據(jù)均采用非參數(shù)估計方法生成綜合效應值(ln R’)及95%bootstrap CI[17-18]。

2.2 苜蓿地土壤水分對施肥的響應

與不施肥(對照)相比，施肥導致0 ? 500 cm 土層苜蓿地土壤水分有所下降(圖2)，施N 肥土壤水分降低不顯著(P ＞ 0.05)，其他施肥措施均可顯著降低苜蓿地土壤水分(P ＜ 0.05)，變化率依次為?11.8%(P 肥)、?4.4% (NP 肥)和?8.8% (F+M 肥)。進一步分析不同深度土壤水分發(fā)現(xiàn)，施肥措施對不同土層深度水分的影響效果不同。0 ? 100 cm 土壤剖面，NP配施措施下苜蓿地土壤水分降低但不顯著(P ＞0.05)，其他施肥措施可顯著降低苜蓿地土壤水分(P ＜ 0.05)，變化率依次為?9.1% (N 肥)、?11.7% (P 肥)和?9.5% (F+M 肥)；100 ? 200 cm 土層深度，單施N 肥對土壤水分影響不顯著(P ＞ 0.05)，其他施肥措施均可顯著降低苜蓿地土壤水分(P ＜ 0.05)，變化率依次為?10.1% (P 肥)、?5.2% (NP 肥)和?7.2% (F+M 肥)；200 cm 以下土層深度，單施P 肥、NP 配施和F+M 配施均可顯著降低苜蓿地土壤水分(P ＜ 0.05)，變化率依次為?12.5%、?4.4%和?9.4%。

2.3 苜蓿地土壤養(yǎng)分對施肥的響應

圖 1 苜蓿地土壤水分、養(yǎng)分、產量和水分利用效率效應值的頻率分布Figure 1 Frequency distribution of effect size for soil water content, soil nutrients, yield, and water use efficiency in alfalfa fields

與不施肥相比，施用有機肥可有效增加苜蓿地土壤有機質含量，而其受化肥影響較低(圖3a)。單施K 肥、NK 配施對土壤有機質含量無顯著影響(P ＞ 0.05)，其他施肥措施均可顯著增加土壤有機質含量(P ＜ 0.05)，增長率分別為3.5% (N 肥)、3.3% (P 肥)、33.3% (M 肥)、6.3% (NP 肥)、3.1% (PK 肥)、8.2% (NPK 肥)和30.3% (F+M 肥)。單施K 肥對土壤全氮含量無明顯影響(圖3b)，其他施肥措施均顯著提升土壤全氮含量(P ＜ 0.05)，增長率分別為13.1% (N 肥)、4.5%(P 肥)、24.5% (M 肥)、13.3% (NP 肥)、6.7% (NK 肥)、5.4% (PK 肥)、14.7% (NPK 肥)和30.9% (F+M 肥)。與不施肥相比，除了NK 配施外(圖3c)，其他施肥措施均顯著提升土壤速效磷含量(P ＜ 0.05)，增長率分別為6.4% (N 肥)、109.3% (P 肥)、3.6% (K 肥)、76.0%(M 肥)、77.5% (NP 肥)、57.1% (PK 肥)、41.3% (NPK 肥)和144.4% (F+M 肥)。與對照相比，單施P、K 和M 肥以及NK 配施和PK 配施對土壤速效鉀含量無顯著影響(P ＞ 0.05) (圖3e)，但單施N、NP 配施、NPK 配施和F+M 配施均顯著提升土壤速效鉀含量(P ＜ 0.05)，增長率為10.5%～24.8%。

2.4 苜蓿產量和水分利用效率對施肥的響應

與不施肥相比，施肥均可顯著增加苜蓿產量(P ＜0.05)，增產率可達15.4%～198.2%，其中單施M 肥和F+M 配施的增產率均較高，分別為69.9%和198.2%(圖4a)；與對照相比，不同施肥措施均可顯著增加苜蓿水分利用效率(P ＜ 0.05)，其增長率分別為5.9%(N 肥)、26.8% (P 肥)、54.8% (NP 肥)和169.6% (NPK 肥)(圖4b)。

2.5 苜蓿產量和水分利用效率與土壤性狀的相關性分析

相關性分析表明(表3)，苜蓿產量與0 ? 100 cm土壤水分、100 ? 200 cm 土壤水分、有機質和速效磷含量均呈極顯著正相關關系(P ＜ 0.01)，與＞ 200 cm土壤水分、全氮和速效鉀含量無顯著相關性(P ＞0.05)。苜蓿水分利用效率與土壤速效磷含量呈極顯著正相關關系(P ＜ 0.01)，與土壤水分和全氮含量無顯著相關性(P ＞ 0.05)。另外，本研究數(shù)據(jù)收集過程中無法獲取土壤有機質、速效鉀含量與水分利用效率關系的相關數(shù)據(jù)，因此土壤有機質、速效鉀含量與水分利用效率的關系不明。

3 討論與結論

圖 2 苜蓿地土壤水分對不同施肥措施的響應Figure 2 Response of soil water content in alfalfa field to different fertilization treatments

施肥通過改變土壤養(yǎng)分而影響苜蓿生長。本研究整合數(shù)據(jù)分析表明，施肥可有效改善土壤中養(yǎng)分含量并提高苜蓿產量，從而提升苜蓿水分利用效率。與不施肥和單施化肥相比，有機肥單施和化肥有機肥配施均可高效增加土壤中有機質含量，同時也可顯著增加全氮、速效磷和速效鉀含量。這是由于有機肥中富含大量的營養(yǎng)元素和微生物，且有機膠體形成的土壤結構較好，可有效增加土壤肥力，從而達到苜蓿增產的目的。除促進作物生長外，土壤中缺失的養(yǎng)分可通過施肥來補充，相關試驗表明，施純N 90 kg·hm?2可增加土壤全氮含量0.005 g·kg?1，施純N 180 kg·hm?2可增加土壤全氮含量0.078 g·kg?1，土壤全N 含量與施肥前土壤相比增加了9.75%[27]。整理文獻發(fā)現(xiàn)，N 肥單施可顯著增加土壤全氮含量，P 肥單施可顯著增加土壤速效磷含量，但K 肥單施雖能增加土壤速效鉀的含量但效應并不顯著，這是由于肥料施入土壤后，一部分被作物吸收，一部分被土壤吸附固定，而隨著土壤中的吸附位點變化，致使不同土壤對K 肥的保持能力不同[28]。

圖 3 苜蓿地土壤養(yǎng)分對不同施肥措施的響應Figure 3 Response of soil nutrients in alfalfa fields to different fertilizer treatments

施肥是補充土壤養(yǎng)分、促進植物生產的重要人工手段，但水分不足則會降低施肥效果，無法達到預計的增產效果。在農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中水肥耦合是影響植物生長發(fā)育的關鍵。本研究整合分析表明，施肥對苜蓿地土壤水分呈負效應，特別是P 肥單施、NP 配施以及化肥有機肥配施使得苜蓿地土壤水分顯著降低。但值得注意的是，并不是長期施N、P 肥直接影響苜蓿地土壤水分，使土壤水分下降，苜蓿地土壤水分的變化主要是由苜蓿自身生長所致，因為施肥能顯著增加土壤生物量C、N、P 和速效N、速效P 等養(yǎng)分含量和有效性，有利于作物的生長[29-30]，促進地上部分生物量增加，從而加速了苜蓿植株蒸騰耗水，間接造成土壤水分的大量消耗。研究表明，有機肥和N、P 配施可大大增加作物的生物產量，同時也會顯著降低土壤剖面的水分含量[31]。有研究表明P 肥會促進根系發(fā)育[14]，從而影響根系吸收水分和地上部的蒸騰作用[32-33]，致使土壤水分消耗更為強烈。本研究進一步通過探討不同土層深度的土壤水分變化發(fā)現(xiàn)，N 肥單施對100 cm 以下土層深度苜蓿地土壤水分無明顯影響，這可能是由于豆科植物根系主要分布在0 ? 100 cm 土壤剖面[34]，因此土壤水分的消耗大部分是由于土壤表層的蒸發(fā)作用和0 ? 100 cm 范圍內根系的吸收作用所致。

圖 4 苜蓿產量和水分利用效率對不同施肥措施的響應Figure 4 Response of alfalfa yield and water use efficiency to different fertilizer treatments

表 3 苜蓿產量、水分利用效率與土壤水分、養(yǎng)分的相關性分析Table 3 Correlation coefficients between yield and water use efficiency of alfalfa and soil water content and nutrients

不同肥料類型對作物生長的促進作用有較大差異，導致其培肥和增產的效果迥異。研究表明[35-36]，施N 肥影響苜蓿葉片的生長，不僅影響著光合作用，同時也改變了水分利用效率，最終影響產量表現(xiàn)，而P 肥和K 肥具有促進苜蓿固氮水平的作用[37-39]。在一定的施氮水平下，氮磷互作效應有利于作物增產[40]。本研究相關性分析表明，苜蓿產量與0 ? 200 cm土壤水分、有機質和速效P 含量均呈極顯著正相關關系，且苜蓿水分利用效率與速效P 含量呈極顯著正相關關系，這說明土壤速效P 含量是影響苜蓿產量的主要因素，而土壤水分除供應苜蓿生長所需之外，還有土壤蒸發(fā)消耗，因此苜蓿水分利用效率與自身植株蒸騰引起的耗水量相關，而與土壤水分無顯著相關性。本研究同時發(fā)現(xiàn)，與不施肥和施用化肥相比，化肥有機肥配施表現(xiàn)出的增產作用較突出，因為化肥配施有機肥一方面通過有機肥培肥地力，另一方面通過調節(jié)土壤和化肥養(yǎng)分的供應強度以均衡地滿足苜蓿生育期的養(yǎng)分需求，從而增加苜蓿產量。而單施有機肥的增產效果優(yōu)于NPK 配施，可能源于有機肥富含大量的有機膠體，易形成良好的土壤結構，改善了土壤物理性質。但是，本研究整合分析由于苜蓿水分利用效率獲取的數(shù)據(jù)有限，缺乏有機肥影響苜蓿水分利用效率的相關數(shù)據(jù)，最終結果表現(xiàn)為化肥配施對苜蓿水分利用效率的提升效應優(yōu)于化肥單施，這主要源于N、P、K 肥之間存在相互促進的作用[40]。

綜上，施肥均可增加土壤養(yǎng)分含量，提高苜蓿產量并有效提升水分利用效率。與不施肥相比，化肥有機肥配施表現(xiàn)出的增產作用較突出，且化肥配施對苜蓿水分利用效率的提升效應優(yōu)于化肥單施。因此，建議苜蓿種植過程中采用化肥有機肥配施措施促進農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。