基于整合分析的黃土高原蘋果施氮增產效應研究

趙 月，胡田田，羅利華，李 燦

(西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

蘋果在我國果業生產中占有舉足輕重的地位。黃土高原(主要包括陜西、甘肅和山西)蘋果產量占全國總產量的42.7%[1]，對我國蘋果產業的穩定發展意義重大[2]。

為蘋果樹施加氮素是蘋果增產的一項普遍措施，相關研究甚多，但主要集中于土壤氮素長期積累及分布特征[3-4]、注射氮素[5-6]以及結合覆膜覆草施氮[7-8]研究等方面，由于黃土高原不同地區自然條件不同，各試驗地的田間管理也存在差異，常規獨立田間試驗得出的推薦施肥量、相關管理方式等結果往往存在差別甚至相互矛盾，不利于施肥技術的推廣和該地區的果業發展。加之近年來，黃土高原地區憑經驗施肥現象嚴重，影響了蘋果品質、產量，同時也增大了對環境的負面影響[9-11]。因此，結合現有的研究結果，采用專業方法進行大樣本數據定量分析，得出符合該地區獨特條件的最佳施氮量、株行距、樹齡等顯得尤為重要。

整合分析是一種在同一主題下從現有的研究中整理、合并研究數據的統計分析方法[12-13]。該方法具有能對同一課題多項研究結果一致性進行評價、對多項研究結果作系統性總結并進一步為研究指明方向等優點。目前，該方法在農業及相關領域應用研究仍處于起步階段，特別是在黃土高原地區蘋果施氮研究方面更是鮮見報道。本文基于2019年11月以前黃土高原蘋果產量對氮肥響應的研究數據，通過整合分析方法定量分析施氮量、氣候條件、土壤類型、樹齡、田間管理措施等因素對蘋果施氮增產效應的影響。在此基礎上，進一步采用通徑分析對這些影響因素進行分析，明晰主要影響因素，給出優化的蘋果氮肥管理策略，為實現黃土高原蘋果優質高效生產提供依據。

1 材料和方法

1.1 數據來源

基于中國知網、維普、萬方、Web of Science、Google Scholar、Engineering Village等中英文數據庫，以“黃土高原”、“氮肥”、“蘋果產量”、“Loess Plateau”、“fertilization”和“apple yield”為關鍵詞檢索2019年11月以前發表的關于施氮條件下蘋果產量的文獻，并對文獻進行篩選。文獻篩選標準為：(1)試驗區域位于中國黃土高原地區；(2)試驗地點、時間、土壤性質和氣象條件均明確；(3)試驗方法為大田試驗；(4)試驗處理同時包括施氮和不施氮，且其他田間條件一致；(5)試驗中各處理重復次數大于2次；(6)文獻中提供蘋果產量、施氮量等數據；(7)試驗地點、試驗年份和種植制度一致的文獻，選取處理較多、研究年限較長的文獻。經以上標準嚴格篩選，共獲得20篇可用文獻，采集了33組數據。

1.2 數據分類

根據蘋果增產效應的影響因素分組，主要指標包括：氣候因素(年降水量、年均溫)、地理因素(土壤類型、海拔高度)、樹齡、田間管理措施(施氮量和栽植密度)等。年降水量以500 mm為界線[14]，年均溫以10℃劃分[15]。數據分類情況見表1。

表1 數據分類情況

1.3 整合分析

1.3.1 標準差 計算標準差是整合分析的一個重要參數，是各研究結果的權重指標，反映其重要性的大小[16]。在整理數據中，當文中列有產量標準差時，直接使用；當沒有提供產量標準差但有多個重復試驗的產量，或既未提供產量標準差也無重復試驗的產量，但包含多年試驗時，將多年試驗結果看做平均重復，計算標準差。若文獻中提供的產量數據和標準誤差是以圖形式表示，通過Origin 9.0軟件中的digitizer功能進行圖形數值化，將獲得的標準誤差換算為標準差；若原文獻未提供標準差和樣本個數，通過常規方法不能獲得標準差，采用MetaWin 2.1軟件的再取樣(resampling tests)功能得到非加權方差[17]，獲得所需的標準差。

1.3.2 效應量計算與整合 利用各研究中施氮(處理組)和不施氮(對照組)的蘋果產量、產量標準差以及試驗重復數計算效應量。本研究選取lnR[18]為效應量：

Ei=lnRi=ln(X1i/X2i)

(1)

式中，Ei為第i組配對試驗的效應量；Ri為反應比；X1i為第i組配對試驗中處理組的蘋果產量(kg·株-1)；X2i為第i組配對試驗中對照組的蘋果產量(kg·株-1)，i為對應的試驗組號(i=1,2,3,…,k,k=33)。

為了使效應量更為準確，計算綜合效應量E，公式為[19]：

(2)

式中，Wi′為第i組配對試驗的權重；Vi為第i組配對試驗組內方差；Di為第i組配對試驗組間方差。各個參數計算公式如下[20]：

(3)

式中，Wi為第i組配對試驗的權重；S1i、S2i為第i組配對試驗的試驗組和對照組對應作物產量的樣本標準差；ni為第i組配對試驗的樣本數。

(4)

為了更加直觀地反映施氮對蘋果的產量效應，將效應量lnR轉化為增產率Z[21]：

(5)

相應的增產率95%置信區間(confidence interval,CI)的下限ZLL和上限ZUL為:

(6)

蘋果增產率95%置信區間若全部大于0，說明相應施氮量對蘋果產量具有顯著的正效應；若全部小于0，說明相應施氮量對蘋果產量具有顯著的負效應；若包含0，則說明相應施氮量對蘋果產量無顯著影響。

1.3.3 數據處理 采用Excel 2010軟件建立數據庫，Metawin 2.1做Meta分析，Origin 9.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 施氮對黃土高原蘋果產量的綜合效應量

施氮對蘋果產量綜合效應量見表2。總體而言，施氮能顯著提高蘋果產量，平均增產率為26.02%(95%CI=17.14%～34.90%)。各因素影響下的效應量極大值和極小值分別為91.71%和-9.34%，異質性檢驗達到顯著水平(P<0.05)，故采用隨機效應模型。

表2 施氮對黃土高原蘋果產量的綜合效應量

2.2 黃土高原蘋果施氮增產效應影響因素分析

2.2.1 氣候因素分析 降水量過多會降低黃土高原蘋果施氮增產率，還可能會導致部分地區減產。整合結果如圖1a所示，當年降水量<500 mm和≥500 mm時，其施氮增產率分別為29.83%(95%CI=8.00%～51.66%)和4.33%(95%CI=-4.53%～13.20%)，降水量高于500 mm時施氮增產不顯著(P>0.05)。圖1b表示，當年均溫<10℃時，施氮條件下黃土高原蘋果增產率為6.26%(95%CI=-56.25%～68.77%)，增產效應不顯著(P>0.05)；而當年均溫≥10℃時，施氮增產率為27.29%(95%CI=18.01%～36.57%)，是年均溫<10℃時的4.36倍，并且增產效應比較顯著(P<0.05)。可見較高的溫度有助于黃土高原蘋果施氮增產率的提高。

圖1 氣候因素對蘋果施氮增產效應的影響

2.2.2 地理和樹齡因素分析 黃土高原70%為黃土覆蓋，母質為黃土母質，該區是世界上厚度最大、范圍最廣的黃土分布區，經過長期地質演化，土壤類型主要分為黃綿土、黑壚土和土3種類型。由圖2a可知，在黃綿土、黑壚土和土上施氮，蘋果增產率分別為13.00%(95%CI=-1.73%～27.73%)、26.10%(95%CI=13.08%～39.11%)和34.53%(95%CI=13.88%～55.19%)，黃綿土上施氮增產效應不顯著(P>0.05)。由此可見，在土上施氮最有利于黃土高原蘋果的增產。由圖2b可知，當海拔<850 m時，黃土高原蘋果施氮條件下增產率為29.46%(95%CI=16.98%～41.93%)，而當海拔≥850 m時，增產率為19.14%(95%CI=8.16%～30.12%)，可知海拔<850 m區域的施氮增產效果更加明顯。不同樹齡的蘋果樹有著不同的結實、抵抗病蟲害能力以及對氮素的響應特征。如圖2c所示，施氮條件下，當樹齡<10 a時，蘋果增產率為24.61%(95%CI=10.08%～39.14%)；當樹齡≥10 a時，增產率為26.93%(95%CI=14.64%～39.22%)。

圖2 地理和樹齡因素對蘋果施氮增產效應的影響

2.2.3 田間管理措施因素分析 不同田間管理措施下施氮，對黃土高原蘋果增產率有顯著影響。栽植密度不同意味著株行距的不同。如圖3a所示，施氮條件下，當栽植密度≤55株·666.7m-2時，增產率為14.36%(95%CI=-16.13%～44.86%)；當栽植密度為55～110株·666.7m-2時，增產率為28.70%(95%CI=18.12%～39.28%)；而當栽植密度>110株·666.7m-2時，增產率為13.00%(95%CI=-1.73%～27.73%)。可見，栽植密度介于55～110株·666.7m-2時最有利于當地蘋果的增產。由圖3b可知，當施氮量≤0.25 kg·株-1時，增產率為17.63(95%CI=-0.66%～35.91%)；當施氮量為0.25～0.50 kg·株-1時，增產率為24.72%(95%CI=13.11%～36.33%)，并且增產效果顯著(P<0.05)；當施氮量為0.50～0.75 kg·株-1時，增產率為20.51%(95%CI=-0.96%～41.98%)；當施氮量>0.75 kg·株-1時，增產率為12.41%(95%CI=-4.19%～29.00%)，增產效果不顯著(P>0.05)。

圖3 田間管理因素對蘋果施氮增產效應的影響

2.3 施氮條件下蘋果增產效應影響因素的通徑分析

蘋果施氮增產率與年均溫、樹齡、栽植密度、海拔、施氮量、年降水量、土壤類型等因素有關。為分析施氮條件下引起蘋果產量變化的主導因素，選年降水量(X1)、年均溫(X2)、樹齡(X3)、栽植密度(X4)、海拔(X5)及施氮量(X6)和蘋果增產率(I)等定量參數進行通徑分析，以探求主導影響因素，結果見表3。

由表3可知，各因素的直接影響從大到小依次為：X4、X1、X6、X5、X2、X3。表明栽植密度、年降水量和施氮量是施氮條件下影響蘋果增產率的三大主導因素，海拔次之，年均溫和樹齡對蘋果施氮增產效果的影響接近且均比較小。間接通徑系數表示各單因素通過其他因素對蘋果施氮增產效應的影響程度。由表3可知，年均溫和年降水量均通過栽植密度對蘋果施氮增產的間接影響最大；海拔通過年降水量對蘋果增產的間接影響最大；樹齡通過栽植密度對蘋果增產的間接影響最大；栽植密度通過年降水量對蘋果增產的間接影響最大，施氮量通過栽植密度對蘋果增產的間接影響最大。綜合直接通徑系數和間接通徑系數可知，施氮量、栽植密度、海拔是影響蘋果施氮增產的主要因素，因此，制定科學施氮方案，選擇適當海拔的優生區且合理控制栽植密度有利于黃土高原蘋果施氮增產效應的發揮。

表3 施氮條件下蘋果增產效應影響因素的通徑分析

3 討 論

3.1 氣候因素對蘋果施氮增產效應的影響

3.1.1 年降水量 施氮條件下隨著年降水量的不斷增加，蘋果產量下降的原因可能在于，過多的降水量下再施氮會促進新梢更加旺長，使春梢爭奪幼果中的水分, 引起落果，降低產量[22]；還可能與供試土壤氮素肥力水平有關，降雨量高的地區，往往是蘋果種植時間比較長的區域[23]，長期大量施肥導致土壤氮素肥力較高[24]，因而施氮的增產效應降低，甚至產生負效應。另外，過多降雨引起的反硝化、淋溶作用也可能會降低蘋果施氮增產率[25-26]。

3.1.2 年均溫 10℃是喜溫植物光合有機物開始積累和適宜生長的起始溫度[27]，蘋果是喜溫植物，故年均溫以10℃劃分，充分考慮了溫度對作物生長發育的影響。溫度既可以通過影響作物的生理作用直接影響植株氮濃度，也可以通過影響作物的生化過程間接對植株氮濃度產生影響[28]。這可能是因為隨著年均溫的升高，土壤溫度也隨之升高，微生物和酶活性增強，硝化菌對能源底物的分解作用加強，促進了土壤有機質的分解，提高了土壤中有效氮含量[29]；同時，溫度升高還可以促進植株對氮素的吸收，提高氮素利用效率，達到增產的效果[30]。Chen等[31]研究作物營養生長階段氮素積累量時發現，溫度升高，植株的吸氮量隨之增加。

3.2 地理因素對蘋果施氮增產效應的影響

3.2.1 土壤類型 不同類型土壤和施氮的綜合效應大小依次為土>黑壚土>黃綿土。產生這種趨勢的主要原因可能在于，黃綿土有機質含量低，K、P含量較多但有效性差，保水保墑能力弱，極易發生水土和養分流失；黑壚土腐殖質層厚度達1～20 cm，腐殖含量為0.8%～1.3%，石灰含量豐富，交換性鈣占陽離子代換量85%以上，養分鉀含量豐實，N、P缺乏，具有較強的保水保肥能力，是黃土高原上肥力較高的土壤；土是褐土經長期耕作熟化，常年施用土糞發育而成，有機質含量1%～1.5%，分布較深，可達60～70 cm，富含鉀，有機氮含量及有效磷含量較低，土體中CaCO3含量可達9%～13%。綜上所述，黑壚土和土有機質、鈣等元素豐富而氮素缺少，因而在這兩種土壤中施氮蘋果增產更加明顯。

3.2.2 海拔高度 黃土高原海拔相對較高，生長季晝夜溫差大。海拔高度的變化對應著光、溫的改變及光照強度的差異，影響了作物的光合作用，從而對產量產生影響。有研究表明，高海拔種植的作物光飽和點及光補償點較高，低海拔種植的光飽和點及補償點較低；CO2補償點和光呼吸速率均隨海拔升高而降低；高海拔區作物光合效率值較低，低海拔區作物光合效率值較高，反映出光合效率值具有隨海拔增高而降低的特性[32]。另外，隨著海拔的升高氣溫降低，較低的溫度抑制了同化物向果實的運輸及庫容[33]，蘋果的結實率也隨之降低[34]。因此，在施氮條件下，蘋果增產效應隨著海拔的升高而降低。

3.3 樹齡對蘋果施氮增產效應的影響

樹齡是一項重要的果樹性質。蘋果樹的干周、冠徑、樹冠體積、樹葉密度隨著樹齡的增加而增加，天空可視度則隨著樹齡的增加而減少，樹齡大的果樹蒸騰速率和光合速率更強，有利于營養物質的運輸與積累。同時，樹齡大的果樹根系發達，更有利于樹體對土壤水分以及氮素的吸收利用，使水氮耦合效應更明顯，這與梁海忠等[35]、張雲慧等[36]的研究結果相同。

3.4 田間管理措施對蘋果施氮增產效應的影響

3.4.1 栽植密度 施氮條件下隨著栽植密度的增大，蘋果產量呈現先增加后減小的趨勢。栽植密度通過影響光照、通風等條件進而影響果實產量[37-38]。林洪鑫等[39]研究指出，栽植密度處理能調節作物群體的微氣候環境，協調群體與個體的關系。合理的栽植密度既能充分發揮果樹花芽生長與群體自身的調節能力，減少群體內行間、株間競爭，同時又能保證果樹充分利用光能，積累較多的有機物，從而實現增產、增收的目的。

3.4.2 施氮量 氮肥是決定果樹產量高低和品質優劣的重要因素，也是農業生產中使用量最大的化學肥料[14]。由圖3b可知，隨著施氮量的增加，蘋果增產效應呈現先增大后減小的趨勢。這是因為，在適宜的范圍內增施氮肥能發揮其功能與優勢。大量研究表明，在果樹需氮量范圍內，增施氮肥可提高果樹發芽率，有助于形成更多葉片，也能為葉片生長發育提供更加充足的養分來源[40];增施氮肥還能提高葉片單位面積光合速率，增加葉片總光合面積，減少落花落果，有效促進花芽分化過程，提高果實座果率，實現果實高產優質[41]。氮肥施用過量，超出作物正常生長發育所需，過量氮素會在土壤中發生轉化，大部分殘余氮以硝態氮形式在土壤中積累，導致短期內氮素供應失調，引起果樹地上部分生長過旺，樹體內碳氮比例超出正常范圍，營養生長與生殖生長爭奪養分，使果樹生殖生長受阻，導致落花落果現象出現，同時樹體抗性顯著下降，果實某些生理病害的發生加重，嚴重影響果實產量[42-45]。另外，氮肥過量施用還會造成氮素大量損失，降低果樹氮肥利用效率[46]。

4 結 論

施氮條件下，黃土高原蘋果呈現增產效應，增產效果與地區的年降水量、年均溫、海拔、樹齡、栽植密度、栽植土壤類型及施氮量等因素有關。不同土壤類型上施氮對蘋果的增產效果有明顯差異，大小順序為土>黑壚土>黃綿土。在不同栽植密度下施氮增產效果不同，當栽植密度介于55～110株·666.7m-2時增產效應最佳。施氮量對黃土高原蘋果增產效果有顯著影響，隨著施氮量的增加，蘋果增產率呈現先增加后減小的趨勢，最佳施氮量為0.25～0.50 kg·株-1。