基于Meta分析的關(guān)中平原冬小麥-夏玉米施氮/磷增產(chǎn)效應(yīng)研究

李夢(mèng)月，胡田田，崔曉路，羅利華，陳紹民

（西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100）

陜西省是我國(guó)糧食主要產(chǎn)區(qū)之一，其中關(guān)中地區(qū)是陜西省重要糧食供應(yīng)區(qū)。冬小麥/夏玉米輪作是陜西省關(guān)中地區(qū)糧食生產(chǎn)的主要種植模式，該地區(qū)小麥和玉米的產(chǎn)量分別約占陜西省小麥和玉米總產(chǎn)量的64%和70%［1-2］。施肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用，作物生長(zhǎng)發(fā)育所需的養(yǎng)分主要由肥料來(lái)提供，氮素作為肥料中使用最多的元素，是植物生長(zhǎng)發(fā)育所不可或缺的，要想提高單產(chǎn)，增施氮肥是最有效的手段［3-4］，氮肥的施用既解決了中國(guó)廣大人口的糧食問(wèn)題，又為作物高產(chǎn)提供了保障［5］。磷肥在作物生長(zhǎng)中的地位不亞于氮肥，磷是三大營(yíng)養(yǎng)元素之一［6-7］，能夠通過(guò)多種途徑參與植物的調(diào)節(jié)和代謝過(guò)程，有利于作物的生長(zhǎng)和發(fā)育［8］。施磷對(duì)于作物光能利用率的增強(qiáng)，碳水化合物的形成、運(yùn)輸和貯藏有重要作用，在作物高產(chǎn)中占據(jù)了不可忽視的地位［9-11］。但是，當(dāng)?shù)资┓视昧窟_(dá)到一定水平時(shí)，植株的養(yǎng)分吸收量達(dá)到極限值，之后作物的吸收量不會(huì)有明顯的增加，甚至由于過(guò)量施肥的副作用導(dǎo)致養(yǎng)分吸收量和產(chǎn)量下降［12-13］。目前糧食生產(chǎn)中一味追求高產(chǎn)而施入過(guò)多肥料的現(xiàn)象普遍存在［14］，但高投入并未帶來(lái)高收益，反而帶來(lái)了資源浪費(fèi)和環(huán)境污染等潛在問(wèn)題［15-16］?？梢?，氮磷肥的增產(chǎn)作用已得到普遍認(rèn)可，但其增產(chǎn)效果受許多因素的影響［17-21］。這不僅關(guān)系到施肥的經(jīng)濟(jì)效益，也關(guān)系到施肥可能會(huì)引起的生態(tài)和環(huán)境問(wèn)題［22-25］。目前關(guān)于氮磷肥施用對(duì)冬小麥、夏玉米產(chǎn)量影響的研究較多，但是對(duì)于其影響因素的研究較少。這往往會(huì)使人們忽視這些因素對(duì)氮磷肥施用效果的影響，不利于施肥作用的充分發(fā)揮。因此，需定量總結(jié)施用氮磷肥對(duì)作物產(chǎn)量的影響規(guī)律，并分析其影響因素。

與氮素去向多向性的特征不同［26］，磷肥施入土壤后容易被土壤固定而保留在土壤中。磷的土壤養(yǎng)分資源特征決定了磷肥在土壤中有較大的累積后效［27］。只要維持土壤有效磷含量在一定水平，磷肥可集中施于一種作物，也可在不同茬口分散施用［28］。由于夏玉米播種越早產(chǎn)量越高，常常為了搶收搶種，在播種時(shí)不施磷肥，在苗期和穗期僅追施氮肥［29-30］。因而，摸清輪作系統(tǒng)中施磷比例對(duì)磷肥增產(chǎn)效果的影響就顯得尤為重要。

Meta分析是目前農(nóng)業(yè)研究中常用的一種統(tǒng)計(jì)分析方法，它往往基于現(xiàn)有的研究整理、合并研究數(shù)據(jù)［31］。這種方法已用于定量分析農(nóng)業(yè)措施對(duì)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的影響，為農(nóng)耕制度的優(yōu)化提供參考依據(jù)［32］。為了對(duì)關(guān)中平原近年來(lái)糧食生產(chǎn)中施肥的增產(chǎn)效果進(jìn)行整體評(píng)價(jià)，掌握各因素對(duì)施肥增產(chǎn)效果的影響，本文基于所查找文獻(xiàn)研究數(shù)據(jù)，將兩季作物氮肥投入的效果分別討論，磷肥則將兩季作物作為一個(gè)輪作系統(tǒng)考慮，通過(guò)Meta分析定量分析施用氮磷肥條件下增產(chǎn)效果隨作物品種、降水量與灌水量、施肥量、土壤質(zhì)地等因素的變化規(guī)律，以期為關(guān)中平原冬小麥-夏玉米合理施肥提供支撐。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究使用中國(guó)知網(wǎng)、維普、萬(wàn)方、Web of Science、Google Scholar等中英文數(shù)據(jù)庫(kù)搜索已發(fā)表的文獻(xiàn)。檢索文獻(xiàn)所使用的關(guān)鍵詞為：關(guān)中平原、冬小麥、夏玉米、氮肥、磷肥、產(chǎn)量等。初步收集后再對(duì)所收集文獻(xiàn)進(jìn)行二次篩選，文獻(xiàn)必須滿足以下要求：（1）所涉及文獻(xiàn)中的試驗(yàn)必須為大田試驗(yàn)，并且試驗(yàn)地點(diǎn)必須位于關(guān)中平原［陜西省秦嶺北麓渭河沖積平原（渭河流域一帶），位于陜西省中部，介于秦嶺和渭北北山之間］；（2）各試驗(yàn)中的施氮量和施磷量必須被明確記錄；（3）各試驗(yàn)成熟期籽粒產(chǎn)量必須被明確記錄；（4）各試驗(yàn)應(yīng)有試驗(yàn)組和對(duì)照組，即施氮和不施氮對(duì)照，施磷和不施磷對(duì)照；（5）各試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)不應(yīng)低于3次。經(jīng)過(guò)以上嚴(yán)格篩選，施氮效應(yīng)研究玉米季共獲得16篇可用文獻(xiàn)，80組數(shù)據(jù)；小麥季共獲得11篇可用文獻(xiàn)，54組數(shù)據(jù)。施磷效應(yīng)研究共獲得15篇文獻(xiàn)，55組數(shù)據(jù)，均是小麥玉米兩季輪作的試驗(yàn)。

1.2 數(shù)據(jù)分類

根據(jù)產(chǎn)量的影響因素分組，主要指標(biāo)包括：試驗(yàn)?zāi)攴?、作物品種、生育期降水量、種植密度、灌水量、施肥量、施肥比例、土壤質(zhì)地等。依據(jù)當(dāng)?shù)囟嗄杲邓Y料［33］、冬小麥-夏玉米水分供需適配性分析［34-35］以及施肥管理方式［36-37］，結(jié)合所收集數(shù)據(jù)的分布范圍，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類，詳見表1。

表1 數(shù)據(jù)分類

考慮到降水量、灌水量及玉米種植密度的分組數(shù)小于4，不宜進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)［38］。將分組數(shù)≥4的玉米季、小麥季施氮量以及輪作體系施磷量數(shù)據(jù)，分別用高斯曲線進(jìn)行擬合，其P值依次為0.0012、0.0247、0.0007，均達(dá)顯著水平，表明符合正態(tài)分布，滿足Meta分析的要求（圖1）。

1.3 Meta分析

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算

Meta分析常選擇標(biāo)準(zhǔn)差作為各研究結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，它反映了各研究結(jié)果的權(quán)重，也彰顯了各研究結(jié)果在整個(gè)分析評(píng)價(jià)中的重要性［39］。但是并非所有的文獻(xiàn)都會(huì)直接給出標(biāo)準(zhǔn)差，若所收集文獻(xiàn)中提供的作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)誤差是以圖形式表示，通過(guò)Origin 9.0軟件中的digitizer功能進(jìn)行圖形數(shù)值化，將獲得的標(biāo)準(zhǔn)誤差換算為標(biāo)準(zhǔn)差；若原文獻(xiàn)未提供標(biāo)準(zhǔn)差、標(biāo)準(zhǔn)誤差和樣本個(gè)數(shù)，通過(guò)常規(guī)方法不能獲得標(biāo)準(zhǔn)差，采用Metawin 2.1軟件的再取樣（resamplingtests）功能得到非加權(quán)方差，獲得所需的標(biāo)準(zhǔn)差［40-41］。

1.3.2 效應(yīng)量計(jì)算與整合

利用各研究中所收集的多組數(shù)據(jù)：施氮（夏玉米80組、冬小麥54組）或磷（夏玉米-冬小麥輪作55組）與不施氮或磷的平均產(chǎn)量、標(biāo)準(zhǔn)差和重復(fù)數(shù)計(jì)算效應(yīng)值lnR。為提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，通過(guò)隨機(jī)效應(yīng)模型計(jì)算得到效應(yīng)值lnR：

式中，R為響應(yīng)比，是施肥條件下作物產(chǎn)量（Xe）與不施肥條件下產(chǎn)量（Xc）的比值。為直觀地表達(dá)施肥對(duì)作物產(chǎn)量的增加或降低作用，上式經(jīng)變換得到作物產(chǎn)量的變化率I：

作物產(chǎn)量變化率的95%置信區(qū)間（CI）上、下限值利用SPSS 17.0計(jì)算得出。若95%置信區(qū)間全部大于0，說(shuō)明相應(yīng)施氮、施磷對(duì)作物產(chǎn)量具有顯著的正效應(yīng)；若置信區(qū)間全部小于0，說(shuō)明相應(yīng)施氮、施磷對(duì)作物產(chǎn)量具有顯著的負(fù)效應(yīng)；若置信區(qū)間包含0，則說(shuō)明相應(yīng)施氮、施磷對(duì)作物產(chǎn)量無(wú)顯著影響。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010、Origin 9.0建立數(shù)據(jù)庫(kù)并作圖分析，采用SPSS 17.0計(jì)算95%置信區(qū)間上、下限值，采用Metawin 2.1做Meta分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏玉米施氮增產(chǎn)效應(yīng)的影響因素分析

2.1.1 試驗(yàn)?zāi)攴?/p>

按照試驗(yàn)?zāi)攴莸捻樞驅(qū)ο挠衩资┑霎a(chǎn)效應(yīng)進(jìn)行累積Meta分析（圖2）。結(jié)果表明，在2007年之前，施氮對(duì)夏玉米的平均產(chǎn)量效應(yīng)不穩(wěn)定（95%CI：-2.24%～16.4%），表現(xiàn)為增產(chǎn)或減產(chǎn)；2007年之后，施氮的產(chǎn)量始終高于不施氮，平均提高12%～65%（95% CI：3.65%～102.07%），表現(xiàn)為隨時(shí)間的推進(jìn)，置信區(qū)間全部大于0。說(shuō)明近年來(lái)夏玉米施氮表現(xiàn)為穩(wěn)定的增產(chǎn)效應(yīng)。

2.1.2 生育期降水量及灌水量

水分對(duì)施氮的效果有很大的影響，作物整個(gè)生育期的水分來(lái)源主要包括降水量和灌水量。在生育期降水量<350 mm或者≥350 mm時(shí)，施氮均可顯著提高夏玉米產(chǎn)量，平均增產(chǎn)率分別為34.00%（95% CI：20.34%～47.66%）和33.47%（95% CI：24.73%～42.22%）（圖3a）。圖3b表明，當(dāng)灌水量≤75 mm時(shí)，平均增產(chǎn)率為17.53%（95%CI：13.75%～21.31%）；灌水量>75 mm時(shí)，平均增產(chǎn)率為42.37%（95% CI：31.89%～52.85%）?？梢姡m當(dāng)增加灌水量更能發(fā)揮施氮的增產(chǎn)效應(yīng)。

2.1.3 田間管理措施

不同田間管理措施下施氮對(duì)夏玉米增產(chǎn)率有顯著影響。兩種種植密度下，施氮均表現(xiàn)出顯著的增產(chǎn)效應(yīng)（圖4a），在種植密度≥60000株·hm-2時(shí)增產(chǎn)率可達(dá)18.19%（95% CI：13.75%～22.76%），種植密度<60000株·hm-2時(shí)，增產(chǎn)率有所下降，為15.82%（95% CI：10.13%～22.06%）。與不施氮相比，鄭單958和漯單9號(hào)施氮增產(chǎn)率的95% CI不包含0，呈現(xiàn)顯著的增產(chǎn)效應(yīng)，平均增產(chǎn)率分別為36.92%（95% CI：27.81%～46.04%）和32.39%（95% CI：20.87%～43.91%）。蠡玉16號(hào)、農(nóng)大108以及沈單10號(hào)施氮增產(chǎn)率的95% CI均包含0，表明增產(chǎn)效應(yīng)不穩(wěn)定，其平均增產(chǎn)率分別為11%、5.25%、28.68%（圖4b）?？梢姡陉P(guān)中平原，選用鄭單958和漯單9號(hào)并且適當(dāng)增密種植更能突顯施氮的增產(chǎn)效果。

隨著施氮量的增加，玉米的施氮增產(chǎn)率表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)（圖4c）。當(dāng)施氮量從<90 kg·hm-2逐 漸 增 加 到90～150、151～210 kg·hm-2時(shí)，增產(chǎn)率逐漸增加，平均增產(chǎn)率分別為：20.17%（95% CI：9.84%～30.50%）、36.01%（95% CI：18.24%～53.77%）、47.96%（95% CI：29.10%～66.81%）；當(dāng) 施 氮 量 繼 續(xù)增 加 至211～270 kg·hm-2、大 于270 kg·hm-2時(shí)，增產(chǎn)率開始下降，平均增產(chǎn)率分別為36.35%（95% CI：21.32%～51.45%）、14.15%（95% CI：7.26%～21.04%）。因此，施氮量的持續(xù)增大并不能顯著提高夏玉米增產(chǎn)率，在施氮量為151～210 kg·hm-2時(shí)，更能突顯施氮的優(yōu)越性，也可實(shí)現(xiàn)減量增效的目的。

2.1.4 土壤質(zhì)地

將土壤質(zhì)地分為壤土、砂土、粘壤土（圖5），在這幾種土壤質(zhì)地下，施氮均能顯著提高夏玉米的產(chǎn)量，且增產(chǎn)率逐漸增大，平均增產(chǎn)率依次為：23.87%（95% CI：17.99%～29.76%）、34.18%（95% CI：21.81%～46.54%）、67.88%（95% CI：52.03%～83.73%）?？梢姡陉P(guān)中平原，土壤質(zhì)地為粘壤土?xí)r，施氮的增產(chǎn)效果更大。

2.2 施氮對(duì)冬小麥產(chǎn)量效應(yīng)的影響因素分析

2.2.1 生育期降水量及灌水量

在劃分的兩個(gè)范圍內(nèi)，在生育期降水量≥230 mm時(shí)，平均增產(chǎn)率為79.63%（95%CI：55.45%～103.82%）（圖6a）。此時(shí)，施氮的增產(chǎn)效果更大。

和夏玉米季不同，施氮的增產(chǎn)效應(yīng)并非隨著灌水量的增加一直遞增，灌水過(guò)多反而引起增產(chǎn)效應(yīng)的不穩(wěn)定（圖6b）。在灌水量<45 mm或者為46～75 mm時(shí)，施氮均能顯著提高冬小麥產(chǎn)量，兩者的平均增產(chǎn)率分別為52.96%（95%CI：30.67%～75.24%）、75.94%（95% CI：26.95%～124.94%）。繼續(xù)增大灌水量，當(dāng)灌水量大于75 mm時(shí)，施氮增產(chǎn)率的95% CI包含0，說(shuō)明此時(shí)施氮的增產(chǎn)效應(yīng)不顯著。因此，冬小麥季灌水量為46～75 mm時(shí)施氮的增產(chǎn)效果更大。

2.2.2 田間管理措施

與夏玉米類似，田間管理措施也會(huì)顯著影響冬小麥?zhǔn)┑脑霎a(chǎn)效果。西農(nóng)979、小偃22和長(zhǎng)旱58這3個(gè)小麥品種，均表現(xiàn)出顯著的增產(chǎn)效應(yīng)，平均增產(chǎn)率分別為23.42%（95% CI：7.34%～39.49%）、77.91%（95%CI：52.54%～103.27%）、10.00%（95% CI：5.00%～15.01%）（圖7a）?？梢钥闯?，小偃22是關(guān)中平原更能突顯施氮優(yōu)越性的冬小麥品種。

施氮量的影響表現(xiàn)出與玉米類似的規(guī)律（圖7b）。在施氮量為90～150 kg·hm-2時(shí)，施氮的小麥增產(chǎn)率已經(jīng)達(dá)到69.27%的水平，繼續(xù)增加施氮量，施氮的小麥增產(chǎn)率反而有所下降，使氮肥利用率降低。因此，施氮量為90～150 kg·hm-2時(shí)冬小麥?zhǔn)┑脑霎a(chǎn)效果最佳。

2.2.3 土壤質(zhì)地

粉砂質(zhì)粘壤土和壤土兩種土壤質(zhì)地下，施氮均能顯著提高冬小麥產(chǎn)量（圖8），平均增產(chǎn)率依次為52.06%（95% CI：30.05%～74.07%）、41.68%（95% CI：35.68%～47.69%）。因此，在關(guān)中平原粉砂質(zhì)粘壤土更適宜冬小麥季發(fā)揮施氮的優(yōu)越性。

2.3 施磷對(duì)夏玉米-冬小麥輪作體系產(chǎn)量效應(yīng)的影響因素分析

由于磷肥對(duì)產(chǎn)量影響方面的研究文獻(xiàn)少，無(wú)法像氮素一樣對(duì)各因素的影響進(jìn)行分析。因而，本文僅關(guān)注施磷量和輪作體系施磷比例的影響。

2.3.1 施磷量對(duì)夏玉米-冬小麥?zhǔn)┝自霎a(chǎn)效應(yīng)的影響

隨著施磷量的增加，冬小麥、夏玉米以及輪作體系施磷增產(chǎn)率均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)。冬小麥季施磷量在小于90 kg·hm-2和90～150 kg·hm-2時(shí)，平均增產(chǎn)率分別為36.20%（95% CI：22.14%～50.25%）、42.41%（95%CI：14.93%～69.88%）；當(dāng)施磷量增加至150～210 kg·hm-2時(shí)，施磷增產(chǎn)率的95% CI包含0，說(shuō)明此時(shí)施磷的增產(chǎn)效果不顯著；施磷量大于210 kg·hm-2時(shí)，增產(chǎn)率下降，兩者的平均增產(chǎn)率分別為33.97%（95% CI：-16.75%～84.70%）、23.86%（95% CI：19.04%～28.06%）。夏玉米季當(dāng)施磷量小于90 kg·hm-2時(shí)，夏玉米施磷增產(chǎn)率的95% CI包含0，表明增產(chǎn)效應(yīng)不顯著，當(dāng)施磷量增大至90～150 kg·hm-2、150～210 kg·hm-2、大于210 kg·hm-2時(shí)，施磷增產(chǎn)率的95% CI均不包含0，呈現(xiàn)顯著的增產(chǎn)效應(yīng)，平均增產(chǎn)率分別為31.93%（95% CI：1.59%～62.26%）、18.69%（95% CI：7.77%～29.60%）、15.84%（95% CI：8.77%～22.91%）。對(duì)于整個(gè)輪作體系，施磷量從小于90 kg·hm-2增加至90～150 kg·hm-2時(shí)，施磷的95% CI均大于0，呈現(xiàn)顯著的增產(chǎn)效應(yīng)，平均增產(chǎn)率分別為12.74%（95% CI：4.07%～21.42%）、36.99%（95% CI：19.46%～54.52%）；繼續(xù)增加施磷量，增加至150～210 kg·hm-2時(shí)，施磷的95% CI包含0，說(shuō)明增產(chǎn)效應(yīng)不顯著?？梢姡┝卓梢燥@著提高冬小麥、夏玉米產(chǎn)量，但施磷的增產(chǎn)效果并不是隨著施磷量的增加一直遞增，在施磷量為90～150 kg·hm-2時(shí)，施磷對(duì)于整個(gè)輪作體系增產(chǎn)效果最佳。

2.3.2 施磷比例對(duì)夏玉米-冬小麥?zhǔn)┝自霎a(chǎn)效應(yīng)的影響

與不施磷相比，夏玉米、冬小麥兩季施磷比例為0.6∶1、0∶1、1∶0時(shí)冬小麥季、夏玉米季以及整個(gè)輪作體系施磷增產(chǎn)率的95% CI均大于0，呈現(xiàn)出顯著的增產(chǎn)效應(yīng)（圖10）。冬小麥季平均增產(chǎn)率分別為13.10%（95% CI：10.09%～16.11%）、44.17%（95% CI：16.76%～71.57%）、24.73%（95% CI：15.54%～33.92%）。夏玉米季平均增產(chǎn)率 分 別 為13.22%（95% CI：9.47%～16.97%）、27.06%（95% CI：8.30%～45.82%）、9.49%（95%CI：7.28%～11.69%）。整個(gè)輪作體系平均增產(chǎn)率分別為15.81%（95% CI：13.24%～18.38%）、24.65%（95% CI：4.74%～44.56%）、14.87%（95%CI：9.92%～19.82%）?？梢?，當(dāng)夏玉米、冬小麥兩季施磷比例為0∶1時(shí)，施磷在整個(gè)輪作體系表現(xiàn)出較高的增產(chǎn)率。

3 討論

3.1 試驗(yàn)?zāi)攴輰?duì)夏玉米施氮增產(chǎn)效應(yīng)的影響

本研究主要收集了2004年以后的數(shù)據(jù)。研究表明，2007年以前，施氮對(duì)夏玉米的平均產(chǎn)量效應(yīng)不穩(wěn)定，表現(xiàn)為增產(chǎn)或減產(chǎn)；2007年以后，施氮對(duì)夏玉米表現(xiàn)為穩(wěn)定的增產(chǎn)效應(yīng)。這可能與夏玉米的品種更替有關(guān)。所收集文獻(xiàn)中，2007年以前的夏玉米品種主要為蠡玉16號(hào)、農(nóng)大108以及沈單10號(hào)，2007年以后使用的夏玉米品種主要為漯單9號(hào)和鄭單958，且以鄭單958居多。結(jié)合夏玉米品種對(duì)施氮產(chǎn)量效應(yīng)的影響，蠡玉16號(hào)、農(nóng)大108以及沈單10號(hào)對(duì)施氮的增產(chǎn)效果影響不顯著，表現(xiàn)為增產(chǎn)或減產(chǎn)；鄭單958和漯單9號(hào)對(duì)施氮具有顯著的增產(chǎn)效果，表現(xiàn)為穩(wěn)定增產(chǎn)，其中以鄭單958效果最佳。前人的研究也表明，漯單9號(hào)和鄭單958屬于高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)型玉米品種，較農(nóng)大108以及沈單10號(hào)增產(chǎn)顯著［42］，蠡玉16號(hào)較其他玉米品種對(duì)干旱的敏感程度更高［43］。此外，可能還與農(nóng)藝措施的變遷有關(guān)，Duvick等［44］研究發(fā)現(xiàn)，玉米產(chǎn)量的提高有40%～50%來(lái)自農(nóng)藝田間管理。

3.2 種植密度對(duì)夏玉米施氮增產(chǎn)效應(yīng)的影響

作物產(chǎn)量的提高往往依賴于群體生產(chǎn)水平，而提高密度是最有效的方法之一［45-47］。本研究表明，密度因素對(duì)夏玉米施氮的增產(chǎn)效果有顯著影響，施氮條件下，玉米增產(chǎn)效果會(huì)隨著種植密度增加而提高。原因可能在于，一方面，玉米干物質(zhì)的形成需要借助于光合作用，光合作用的效率是提高產(chǎn)量的重要基礎(chǔ)。要想獲得更大的光能截獲率，就需要增加玉米種群的葉面積，而增加密度是提高葉面積的重要手段。因此，密度的增加不僅能實(shí)現(xiàn)干物質(zhì)積累量的增加，還能實(shí)現(xiàn)玉米的高產(chǎn)［48］。另一方面，穗數(shù)、穗粒數(shù)、粒重三者的共同作用促進(jìn)了大田玉米的產(chǎn)量形成，因此，要想增加產(chǎn)量，最直接最有效的手段就是增加大田玉米的穗數(shù)，而穗數(shù)的增加需要通過(guò)提高種植密度來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是密度的增加使穗數(shù)增加的同時(shí)也會(huì)使穗粒數(shù)和粒重由于群體小、氣候條件的惡化而降低，這兩者中，受環(huán)境影響最大的就是穗粒數(shù)［49］。穗粒數(shù)的形成是一個(gè)連環(huán)效應(yīng)，它不僅受雌穗分化形成的總小花數(shù)的影響，還與受精后的小花能否成功發(fā)育成為有效籽粒有關(guān)，發(fā)育成的有效籽粒越多，穗粒數(shù)就越多，但是受精后的小花往往會(huì)有敗育的情況，這也是穗粒數(shù)形成的關(guān)鍵［50］。而造成敗育的主要途徑就是植株缺氮［51］。因此，保證適宜施氮水平的前提下，適當(dāng)增大種植密度，才能同步提高穗數(shù)和穗粒數(shù)，達(dá)到更好的增產(chǎn)效果。

3.3 生育期降水量對(duì)夏玉米-冬小麥?zhǔn)┑霎a(chǎn)效應(yīng)的影響

徐芳平等［33］對(duì)關(guān)中平原代表性區(qū)域武功縣的研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥季降水量均值為226.5 mm，變異系數(shù)為0.2；夏玉米季降水量均值為359.8 mm，變異系數(shù)為0.4。馬武光［34］的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥季適宜耗水量大約為320 mm，而關(guān)中地區(qū)灌水量普遍少于90 mm，因此，綜合考慮冬小麥季降水量均值以及需水規(guī)律，考慮將降水230 mm作為劃分依據(jù)；姚德龍等［35］的研究發(fā)現(xiàn)，夏玉米季需水強(qiáng)度較大的時(shí)期為播種-出苗、出苗-抽雄、抽雄-灌漿期，總需水量大約為355.2 mm，加之關(guān)中平原夏玉米季降水普遍偏多，結(jié)合夏玉米季多年降水平均值，考慮將降水量350 mm作為劃分依據(jù)。夏玉米季降水量在<350和≥350 mm時(shí)，施氮均能提高夏玉米產(chǎn)量，且兩者差異不顯著；而冬小麥季生育期降水量≥230 mm時(shí)，施氮的增產(chǎn)效果明顯優(yōu)于<230 mm。可能的原因是關(guān)中平原夏玉米季降水偏多，且普遍集中在7～9月，加之在玉米降水量少的生育期會(huì)根據(jù)需要進(jìn)行灌水，所以，降水量不是限制夏玉米產(chǎn)量的主導(dǎo)因素，這就導(dǎo)致了降水量在兩個(gè)水平下施氮都能顯著提高夏玉米產(chǎn)量。小麥季降水量較玉米季少，加之冬小麥生育期較長(zhǎng)，關(guān)中平原3～4月降水量較其他月份明顯偏低，而冬小麥在3月往往是需水比較關(guān)鍵的時(shí)期，因?yàn)榇藭r(shí)冬小麥正處于拔節(jié)、兩極分化的時(shí)期，所以此時(shí)期的有效降水量對(duì)于冬小麥幼穗的分化、穗粒株的增加至關(guān)重要，這也間接地決定了冬小麥的高產(chǎn)與否［52］。宋進(jìn)喜等［53］通過(guò)2011～2014年田間冬小麥試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)豐水年較其他年份土壤蓄水效率更高，并且冬小麥的水分利用效率、穗粒數(shù)、穗數(shù)和產(chǎn)量均隨著有效降水量的增加有一定程度的提高。馬武光［34］通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)冬小麥適宜耗水量為320 mm，關(guān)中平原小麥季灌水一般低于90 mm，因此，冬小麥生育期降水量≥230 mm時(shí)對(duì)冬小麥生長(zhǎng)更有利，更能突顯施氮的優(yōu)越性。

3.4 施氮量對(duì)夏玉米-冬小麥?zhǔn)┑霎a(chǎn)效應(yīng)的影響

施氮量對(duì)作物的增產(chǎn)效果具有極其重要的作用，一般認(rèn)為，穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒重三者共同作用決定了冬小麥、夏玉米的產(chǎn)量［54］，而氮肥用量對(duì)株高、穗粒數(shù)有重要影響［55］。本研究表明，冬小麥、夏玉米施氮的增產(chǎn)效果隨施氮量均呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)樵鍪┑誓軌蛲ㄟ^(guò)提高植物光合效率促進(jìn)植株干物質(zhì)的累積與轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而達(dá)到提高產(chǎn)量的目的；但是氮肥過(guò)量施用也會(huì)帶來(lái)一系列副作用，比如過(guò)量的氮肥使植物長(zhǎng)勢(shì)過(guò)高，產(chǎn)生過(guò)多的分蘗，導(dǎo)致生殖器官不能正常發(fā)育，使籽粒不飽滿，因而產(chǎn)量有所下降［56-57］。王樹林等［58］研究發(fā)現(xiàn)施氮能夠顯著提高夏玉米產(chǎn)量，但是當(dāng)?shù)视昧砍^(guò)225 kg·hm-2時(shí)，玉米產(chǎn)量反而有所下降。葉東靖等［59］研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)夏玉米施氮量超過(guò)240 kg·hm-2時(shí)產(chǎn)量有降低的趨勢(shì)。曹承富等［60］研究表明，冬小麥籽粒產(chǎn)量并非隨著施氮量的增加一直遞增，當(dāng)施氮量達(dá)到一定的值時(shí)，小麥產(chǎn)量會(huì)有所下降。趙廣才等［61］的研究也表明，過(guò)多的追施氮肥，不利于冬小麥增產(chǎn)，并且會(huì)降低氮肥的利用效率。

3.5 灌水量對(duì)夏玉米-冬小麥?zhǔn)┑霎a(chǎn)效應(yīng)的影響

灌水量在植物生長(zhǎng)中發(fā)揮了重要的作用。土壤中的水分除了自然降水供給外，其主要來(lái)源就是人工灌水。土壤含水率的高低主要靠灌水來(lái)維持，而植物生長(zhǎng)所需要的水分往往大部分都是從土壤中汲取的，植物吸收土壤中的養(yǎng)分也往往要借助于水分的作用。因此，灌水量的多少會(huì)直接影響土壤含水量，進(jìn)而影響作物對(duì)氮素的吸收利用，影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育［62］。本研究發(fā)現(xiàn)，玉米季灌水量>75 mm、小麥季灌水量46～75 mm時(shí)施氮增產(chǎn)效果更好，灌水量過(guò)多或過(guò)少都會(huì)導(dǎo)致施氮的增產(chǎn)效果變差。這可能是因?yàn)橥寥浪痔澣睍r(shí)施肥會(huì)導(dǎo)致作物生長(zhǎng)初期耗水量增加，后期出現(xiàn)更嚴(yán)重的水分脅迫，導(dǎo)致植株葉片提前進(jìn)入衰老期，降低光合速率和灌漿速率［63］，導(dǎo)致作物減產(chǎn)。而水分過(guò)多時(shí)，會(huì)造成養(yǎng)分的淋洗損失，影響土壤自身的通氣狀況，造成呼吸作用受阻，使植物吸收養(yǎng)分效率下降，進(jìn)而影響了光合作用產(chǎn)物的形成與轉(zhuǎn)運(yùn)，導(dǎo)致產(chǎn)量有所下降［64］。

3.6 施磷量及施磷比例對(duì)夏玉米-冬小麥?zhǔn)┝自霎a(chǎn)效應(yīng)的影響

本研究表明：冬小麥-夏玉米輪作體系施磷總量為90～150 kg·hm-2時(shí)，施用磷肥的增產(chǎn)效果最佳，過(guò)多或者過(guò)少都會(huì)影響其增產(chǎn)效果，一方面可能是因?yàn)榱追誓軌虼龠M(jìn)作物根系的發(fā)育，尤其是在供磷水平為90～150 kg·hm-2的條件下可以顯著增加中下層根系比例，進(jìn)而使作物根系對(duì)土壤水分和養(yǎng)分的吸收增加［65］。另一方面，花后同化物的積累以及植株地上部營(yíng)養(yǎng)器官內(nèi)所貯藏的光合產(chǎn)物向籽粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)往往都要借助于磷肥的作用［66］。但是施肥量也應(yīng)有度，并非越多越好，如果過(guò)量施用磷肥，則會(huì)導(dǎo)致土壤深層的硝態(tài)氮不能很好地被作物吸收利用，影響作物產(chǎn)量的提高。本研究還發(fā)現(xiàn)，將有限的磷肥全部施于小麥季，玉米季不施磷肥，輪作體系增產(chǎn)效果最優(yōu)。這在實(shí)際生產(chǎn)中也有應(yīng)用，尤其是在小麥?zhǔn)斋@后搶種玉米的地區(qū)［29-30］。邢丹等［36］研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥-夏玉米輪作體系中磷肥利用率往往可高達(dá)40.82%，但是小麥季的磷肥利用率只有21.76%。這可能與磷肥后效很大，玉米季不施磷時(shí)可有效利用小麥季殘留磷素有關(guān)。劉潤(rùn)田［67］研究也發(fā)現(xiàn)在小麥上施磷的效果優(yōu)于在玉米上施磷。但磷肥施用于作物，勢(shì)必會(huì)帶來(lái)一定的磷素?fù)p失。磷肥相較于氮肥，在土壤中移動(dòng)小，且易被固定，這一特性可能與供試土壤質(zhì)地及其磷素肥力水平有關(guān)。張景光［68］研究發(fā)現(xiàn)，磷肥在不同土壤中的轉(zhuǎn)化規(guī)律以及固定與釋放特征不同。由于土壤對(duì)磷肥的吸持作用，很大一部分磷肥被固定在土壤中，當(dāng)季無(wú)法被作物利用，但這部分磷素并非都是無(wú)效的，殘留磷庫(kù)在接下來(lái)的一季甚至更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，可以補(bǔ)充土壤溶液的活性磷，從而被作物吸收利用［69］。因此，只要維持土壤有效磷含量在一定水平，磷肥可集中施于一種作物［36］。本研究得出，將磷肥施用于小麥季能充分發(fā)揮磷肥的效果，并且小麥季殘留的磷素，在玉米季能夠得以利用。但如果小麥季磷肥施入后固定損失較大，后續(xù)玉米季則不能維持較高的磷素水平而導(dǎo)致減產(chǎn)。因此，可將有限的磷肥一次性施于小麥季，但同時(shí)要注意量的控制，防止由于過(guò)量引起的磷素隨水流失或者由于量不足引起的下茬作物供磷水平不足。

4 結(jié)論

在關(guān)中平原，施氮能顯著提高夏玉米、冬小麥產(chǎn)量，且該效應(yīng)隨時(shí)間趨于穩(wěn)定。夏玉米季，土壤質(zhì)地為粘壤土且生育期降水量<350 mm、品種選用鄭單958、適當(dāng)提高灌水量（>75 mm）、增加種植密度（≥60000株·hm-2）、控制施氮量在151～210 kg·hm-2，更有利于突顯施氮的增產(chǎn)效應(yīng)；冬小麥季，土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)粘壤土且生育期降水量≥230 mm、品種選用小偃22、控制灌水量為46～75 mm、施氮量為91～150 kg·hm-2時(shí)施氮的增產(chǎn)效果更大。

與不施磷相比，施磷可以顯著提高作物產(chǎn)量，在冬小麥-夏玉米輪作體系中，施磷總量為90～150 kg·hm-2、施磷比例為0∶1（夏玉米∶冬小麥）時(shí)，不管是冬小麥、夏玉米還是輪作體系總產(chǎn)量，均表現(xiàn)出最高的施磷增產(chǎn)率。可見，在關(guān)中平原，冬小麥-夏玉米輪作體系的適宜施磷量為90～150 kg·hm-2，且適宜在小麥播種時(shí)一次性施入磷肥。