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我国马铃薯产量对施氮的响应及其影响因素分析

许国春 纪荣昌 邱永祥 罗文彬 李华伟 李国良 林赵淼 汤浩

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我国马铃薯产量对施氮的响应及其影响因素分析

    作者简介: 许国春E-mail:xgc_faas@163.com;
    通讯作者: 汤浩, E-mail:tanghao9403@163.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2018YFD0200809);福建省科技重大专项(2017NZ0002-2);福建省农业科学院青年人才创新基金项目(YC2018-5);闽宁协作项目(MN2018-8)。

Responses of potato yields to nitrogen application and associated driving factors in China

    Corresponding author: TANG Hao, E-mail:tanghao9403@163.com
  • 摘要:   【目的】  在全国及区域尺度上,定量评价马铃薯产量对施氮的响应及其影响因素,旨在明确不同条件下施氮对马铃薯产量的影响,为氮肥合理施用提供参考。  【方法】  通过搜集、筛选、整理已公开发表的有关我国马铃薯施氮产量效应的文献信息建立数据库,利用Meta分析这一综述性统计方法,以不施氮为对照,运用自然对数响应比来度量施氮对马铃薯产量的影响程度,并运用Meta回归分析和亚组分析来评价不同因素对施氮效果的影响。  【结果】  共搜集到符合本研究要求的文献52篇,从中获得220组数据,涵盖我国6个马铃薯主要种植区域,且不同研究结果间存在显著异质性。根据失安全系数法分析结果,本研究受发表偏倚的影响不明显,结论具有较高的可信度。Meta分析结果表明,与不施氮相比,施氮显著提高了我国马铃薯产量,整体增产幅度为31.1%,且不同基础产量间的施氮效果存在明显差异,在基础产量小于20 t/hm2条件下,马铃薯产量与施氮量呈显著正相关。区域间的施氮效果存在显著差异,西南区施氮效果最佳,施氮产量增幅为42.6%,其次为东北区 (40.6%)、中原区 (37.2%)、华北区 (34.7%)、华南区 (17.7%) 和西北区 (12.1%)。在施氮水平较低时施氮方式对施氮效果没有明显影响,但在施氮量大于225 kg/hm2时,基施 + 追肥方式的增产效应明显。在低种植密度 (< 5.25万株/hm2) 条件下,施氮增产率为35.4%,明显高于中密度 (5.25~6.75万株/hm2) 和高密度 (> 6.75万株/hm2) 种植。施氮效果与土壤类型紧密相关,在黄棕壤、红壤、黑土、黄壤、黑钙土、水稻土和黑垆土上施氮增产效应显著,而在黄绵土上未达显著水平;土壤质地也影响氮肥效果,黏土施氮增产率为54.8%,高于砂土 (46.5%)、砂壤土 (28.0%) 和壤土 (26.0%)。在土壤pH 6.5~7.5、有机质含量 < 15 g/kg、全氮含量1~2 g/kg和有效磷含量 < 15 mg/kg的条件下,施氮的增产效应更明显。  【结论】  施氮对提升我国马铃薯产量有重要作用,施氮效果与土壤基础产量、区域、种植密度、土壤类型、质地、pH、有机质含量、全氮含量和有效磷含量密切相关。因此,各地区在制定马铃薯施氮方案时应充分考虑这些因素,以提高氮肥利用效率和增加马铃薯产量。
  • 图 1  马铃薯块茎产量与施氮量的相关关系

    Figure 1.  Relationship between potato yields and N rates

    图 2  马铃薯氮肥偏生产力与施氮量的相关关系

    Figure 2.  Relationship between PFPN and N rates

    图 3  马铃薯产量响应比频数分布情况

    Figure 3.  Frequency distribution of response ratio (ln RR) for potato yields

    图 4  不同基础产量下马铃薯产量 (t/hm2) 对施氮的响应

    Figure 4.  Response of potato yields to N rates in different basal yield fields

    图 5  不同种植区域马铃薯产量对施氮的响应

    Figure 5.  Response of potato yields to N rates in different planting regions

    图 6  不同施氮方式和种植密度 (PD, ×104 plant/hm2) 下马铃薯产量对施氮的响应

    Figure 6.  Response of potato yields to N rate under different application methods and planting densities (PD, ×104 plant/hm2)

    图 7  土壤类型、质地和理化性质对加权综合响应比的影响

    Figure 7.  Effect of soil type, texture and physico-chemical properties on weighted response ratio

    图 8  施氮产量响应比与土壤有机质含量和有效磷含量的关系

    Figure 8.  Relationship between response ratio (lnRR) and SOM content, available P content

    表 1  样本描述性统计分析

    Table 1.  Descriptive statistics of sample size

    样本量Sample size平均值Mean标准差SD最小值Minimum最大值MaximumQMPQM
    2200.2750.196–0.330.765.818< 0.001
    注(Note):QMPQM 分别表示异质性统计量及其显著性检验 QM and PQM indicate statistic of heterogeneity and its significance test, respectively.
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    表 2  施氮影响马铃薯产量的Meta分析

    Table 2.  Meta-analysis of the effect of N application on potato yield

    RR++nPLCIUCIENfs5n+10
    0.271220< 0.0010.2450.29731.1%7645401110
    注(Note):RR++—加权综合响应比 Weighted response ratio; n—样本量 Sample sizes; P—显著性检验 Significance test; LCI—95% 置信区间下限 Bottom of 95% confidence interval; UCI—95% 置信区间上限 Top of 95% confidence interval; E—变化率 Change percentage; Nfs—失安全系数 Fail-safe number.
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    表 3  主要影响因素的Meta回归分析

    Table 3.  Meta regression analysis of differentinfluencing factors

    影响因素Influencing factordfQMPQM
    基础产量Basal yield345.88< 0.001
    种植区域Planting region560.108< 0.001
    施氮方式N applied method11.0360.309
    种植密度Planting density26.6550.036
    土壤类型Soil type754.37< 0.001
    土壤质地Soil texture314.610.002
    酸碱度pH228.17< 0.001
    有机质含量SOM content210.180.006
    全氮含量Total N content214.54< 0.001
    碳氮比C/N20.120.943
    速效氮含量Available N content20.400.818
    有效磷含量Available P content236.54< 0.001
    速效钾含量Available K content23.100.212
    注(Note):df 为自由度 Degree of freedom. QMPQM 分别表示异质性统计量及其显著性检验 QM and PQM indicate statistic of heterogeneity and its significance test, respectively.
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    [16] 鱼欢杨改河王之杰 . 不同施氮量及基追比例对玉米冠层生理性状和产量的影响. 植物营养与肥料学报, 2010, 16(2): 266-273. doi: 10.11674/zwyf.2010.0202
    [17] 蒋会利温晓霞廖允成 . 施氮量对冬小麦产量的影响及土壤硝态氮运转特性. 植物营养与肥料学报, 2010, 16(1): 237-241. doi: 10.11674/zwyf.2010.0136
    [18] 郑顺林王西瑶马均袁继超李首成 . 营养水平对马铃薯块茎发育中激素、产量和品质的影响 . 植物营养与肥料学报, 2008, 14(3): 515-519. doi: 10.11674/zwyf.2008.0317
    [19] 赵俊晔于振文李延奇王雪 . 施氮量对土壤无机氮分布和微生物量氮含量及小麦产量的影响. 植物营养与肥料学报, 2006, 12(4): 466-472. doi: 10.11674/zwyf.2006.0402
    [20] 林琪侯立白韩伟 . 不同肥力土壤下施氮量对小麦子粒产量和品质的影响. 植物营养与肥料学报, 2004, 10(6): 561-567. doi: 10.11674/zwyf.2004.0601
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-17
  • 网络出版日期:  2020-05-29
  • 刊出日期:  2020-04-01

我国马铃薯产量对施氮的响应及其影响因素分析

    作者简介:许国春E-mail:xgc_faas@163.com
    通讯作者: 汤浩, tanghao9403@163.com
  • 福建省农业科学院作物研究所/农业部南方薯类科学观测实验站/福建省特色旱作物品种选育工程技术研究中心,福建福州 350013
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2018YFD0200809);福建省科技重大专项(2017NZ0002-2);福建省农业科学院青年人才创新基金项目(YC2018-5);闽宁协作项目(MN2018-8)。
  • 摘要:   【目的】  在全国及区域尺度上,定量评价马铃薯产量对施氮的响应及其影响因素,旨在明确不同条件下施氮对马铃薯产量的影响,为氮肥合理施用提供参考。  【方法】  通过搜集、筛选、整理已公开发表的有关我国马铃薯施氮产量效应的文献信息建立数据库,利用Meta分析这一综述性统计方法,以不施氮为对照,运用自然对数响应比来度量施氮对马铃薯产量的影响程度,并运用Meta回归分析和亚组分析来评价不同因素对施氮效果的影响。  【结果】  共搜集到符合本研究要求的文献52篇,从中获得220组数据,涵盖我国6个马铃薯主要种植区域,且不同研究结果间存在显著异质性。根据失安全系数法分析结果,本研究受发表偏倚的影响不明显,结论具有较高的可信度。Meta分析结果表明,与不施氮相比,施氮显著提高了我国马铃薯产量,整体增产幅度为31.1%,且不同基础产量间的施氮效果存在明显差异,在基础产量小于20 t/hm2条件下,马铃薯产量与施氮量呈显著正相关。区域间的施氮效果存在显著差异,西南区施氮效果最佳,施氮产量增幅为42.6%,其次为东北区 (40.6%)、中原区 (37.2%)、华北区 (34.7%)、华南区 (17.7%) 和西北区 (12.1%)。在施氮水平较低时施氮方式对施氮效果没有明显影响,但在施氮量大于225 kg/hm2时,基施 + 追肥方式的增产效应明显。在低种植密度 (< 5.25万株/hm2) 条件下,施氮增产率为35.4%,明显高于中密度 (5.25~6.75万株/hm2) 和高密度 (> 6.75万株/hm2) 种植。施氮效果与土壤类型紧密相关,在黄棕壤、红壤、黑土、黄壤、黑钙土、水稻土和黑垆土上施氮增产效应显著,而在黄绵土上未达显著水平;土壤质地也影响氮肥效果,黏土施氮增产率为54.8%,高于砂土 (46.5%)、砂壤土 (28.0%) 和壤土 (26.0%)。在土壤pH 6.5~7.5、有机质含量 < 15 g/kg、全氮含量1~2 g/kg和有效磷含量 < 15 mg/kg的条件下,施氮的增产效应更明显。  【结论】  施氮对提升我国马铃薯产量有重要作用,施氮效果与土壤基础产量、区域、种植密度、土壤类型、质地、pH、有机质含量、全氮含量和有效磷含量密切相关。因此,各地区在制定马铃薯施氮方案时应充分考虑这些因素,以提高氮肥利用效率和增加马铃薯产量。

    English Abstract

    • 氮素是作物生长发育必需的大量元素,是作物体内核酸、蛋白质、磷脂、叶绿素等的重要组分,其与光合作用、水分吸收利用、抗氧化、内源激素调节等生理过程密切相关[1]。因此,氮素对作物产量和品质的形成具有关键作用。在我国马铃薯生产中,施氮是提高马铃薯块茎产量的有效途径[2],是最受重视的田间管理措施之一,但不同区域施氮的产量反应和氮肥利用效率差异较大[3-4],说明在不同地点和不同土壤肥力下,马铃薯对外源氮的需求并不一致。然而“一刀切”的施氮方式目前在普通农户中还占主流,由此易导致施氮过量[5-6]。据报道,在内蒙古43.5%受调查的马铃薯农户施氮量超过300 kg/hm2[7],在云南52.9%受调查马铃薯农户施氮量超过250 kg/hm2[8];而前期对华南区四省 (福建、广东、江西和湖南) 进行的实地调研表明,华南区马铃薯的施氮量在168.75~459.00 kg/hm2,平均达324 kg/hm2。氮肥的过量施用,不仅会限制马铃薯产量的进一步提高[4],而且容易发生氮素流失[9],导致生态系统的氮素平衡被打破,进而引发土壤酸化、水体富营养化、大气污染等一系列环境安全问题[10-11]。因此,明确施氮对马铃薯产量的影响,阐明不同农艺措施和土壤条件下施氮产量效应的变化特征,对于协同提高马铃薯产量和氮肥利用率,以及推动农业可持续发展均具有重要意义。

      目前,我国已开展了大量关于施氮影响马铃薯产量的田间试验,例如姜丽丽等[12]在黑龙江大庆市 (试验地土壤有机质含量为6.22 g/kg) 研究比较了不同施氮水平下的马铃薯产量,结果表明,马铃薯产量在施氮量为225 kg/hm2时最高;而一项在内蒙古武川县 (试验地土壤有机质含量为9.83 g/kg) 的马铃薯密度与氮肥互作研究指出,在65550或77100株/hm2的种植密度条件下,施氮量以285 kg/hm2为宜[13];孙磊等[14]在黑龙江哈尔滨市的研究发现,在有机质含量为24.8 g/kg的土壤条件下,将2/3的氮肥作基肥,其余在块茎增长初期追施有利于高产形成;另有研究发现,不同马铃薯品种对施氮量的响应存在差异[15]。然而,独立田间试验的结果代表性有限,难以反映区域或全国尺度的整体情况。徐亚新等[4]通过汇总117项马铃薯田间试验,综合研究了马铃薯产量与化肥利用率的区域特征,在一定程度上反映了施氮对马铃薯产量的影响及氮肥利用特征,但该研究未对施氮产量效应的影响因素进行定量分析,且在汇总分析时没有考虑不同试验结果的质量差异。

      Meta分析法是一种对多个同类独立研究结果进行系统定量合并的分析方法,可用于评价某项措施的效果及其影响因素[16],该方法具有检索策略明确、结果定量化、研究结论客观等特点[17]。本研究采用这一方法,对以下问题进行定量分析:1) 在全国尺度和不同基础产量下施氮对我国马铃薯产量的影响;2) 不同种植区域、施氮方式和种植密度等因素对施氮效果的影响,以及在这些因素下的最适施氮水平;3) 土壤条件对马铃薯施氮效果的影响。明确以上问题,拟为马铃薯生产中氮肥合理、高效施用和为未来开展相关研究提供参考。

      • 本研究数据主要来源于公开发表的有关施氮影响我国马铃薯产量的学术论文。通过中国知网和Web of Science数据库,分别以“马铃薯”、“氮”、“产量”和“potato”、“nitrogen”、“yield”为关键词进行检索,并基于以下标准进行文献筛选:1) 在我国大陆地区开展的田间对比试验;2) 必须同时包括不施氮和施氮处理;3) 文中明确列出各处理的产量和标准差或重复值;4) 除氮肥外其它肥料水平一致。按照以上筛选标准,收集到的数据时间跨度为2007—2017年,共包括52篇文献,从中获得220组马铃薯产量相关数据 (产量均值、标准差和样本量)。同时提取了种植区域、施氮量、施氮方式、种植密度、土壤类型、土壤质地、土壤理化性质 (有机质含量、pH、全氮含量、碳氮比、速效氮含量、有效磷含量和速效钾含量) 等试验背景参数。

      • 根据马铃薯块茎产量和施氮量来计算氮肥偏生产力[7],计算公式如下:

        $ {\rm{PF}}{{\rm{P}}_{\rm{N}}} = {\rm{Y}}/{{\rm{N}}_{\rm {input}}} $

        式中,PFPN为氮肥偏生产力 (kg/kg),Y为产量 (kg/hm2),Ninput为施氮量 (kg/hm2)。

      • 对提供土壤有机质含量数据的文献,通过以下公式将土壤有机质含量转化为土壤有机碳含量[18],并依此计算土壤碳氮比:

        $ {\rm{SOC}} = 0.58 \times {\rm{SOM}} $

        $ {\rm{C}}/{\rm{N}} = {\rm{SOC}}/{\rm{TN}} $

        式中,SOC为土壤有机碳含量 (g/kg),SOM为土壤有机质含量 (g/kg),0.58为转换系数,C/N为土壤碳氮比,TN为土壤全氮含量 (g/kg)。

      • 本研究采用响应比 (response ratio,RR) 作为统计学指标,并以响应比自然对数 (lnRR) 来评价施氮对马铃薯产量的影响程度,即施氮产量效应值。如果lnRR大于0,说明施氮对马铃薯产量有正效应,且lnRR值越大说明作用越明显;反之,则表示产生负效应[19]。每项独立研究中响应比及其对数化的计算公式为:

        $ {\rm {RR}} = {X_t}/{X_c} $

        $ \ln{\rm {RR}} = \ln \left({{X_t}/{X_c}} \right) $

        式中,XtXc分别表示处理组 (施氮) 和对照组 (不施氮) 的马铃薯产量平均值。lnRR的方差 (ν) 计算公式为:

        $ {\rm{\nu }} = \frac{{SD_t^2}}{{{n_t}X_t^2}} + \frac{{SD_c^2}}{{{n_c}X_c^2}} $

        式中,$ {SD_t^2}$$ {SD_c^2}$分别为处理组和对照组产量的标准差,ntnc分别为处理组和对照组的样本数。

      • 本研究应用卡方检验 (Chi-square test) 来确定不同试验结果间是否存在异质性,并根据异质性情况来选择分析模型。若显著性检验结果为P > 0.05,说明不同试验结果间无明显差异,可选择固定效应模型;若P < 0.05,则说明不同试验结果间存在明显异质性,应选择随机效应模型。由表1可知,本研究数据间存在显著的异质性。

        表 1  样本描述性统计分析

        Table 1.  Descriptive statistics of sample size

        样本量Sample size平均值Mean标准差SD最小值Minimum最大值MaximumQMPQM
        2200.2750.196–0.330.765.818< 0.001
        注(Note):QMPQM 分别表示异质性统计量及其显著性检验 QM and PQM indicate statistic of heterogeneity and its significance test, respectively.

        采用失安全系数法 (fail-safe number,Nfs) 进行发表偏倚检验,若Nfs > 5n + 10 (n为数据量,本研究为220),则说明不存在发表偏倚,结论可信[20]

      • 由于纳入本研究的试验数据间存在明显的异质性 (表1),因此本研究选择随机效应模型,运用Meta分析中的专业软件openMEE来计算各研究的权重、加权综合响应比 (RR++) 及其95%置信区间 (95%CI)。95%CI可用于RR++的假设检验:若95%CI下限大于0,说明施氮对马铃薯的增产效应显著;若95%CI上限小于0,说明施氮对马铃薯产量存在显著的负效应;如果95%CI与0重叠,则说明施氮对马铃薯产量无明显影响[19]。为更好地描述施氮对产量变化的影响,通过以下公式将RR++转换为变化百分率 (E):

        $ {\rm{E}} = \left({{{\rm{e}}^{{{\rm {RR}}_{ + + }}}} - 1} \right) \times 100{\text \%} $

      • 为明确异质性来源与大小,分析不同条件下的施氮产量效应及其影响因素,本研究根据基础产量 (不施氮处理的产量)、种植区域、氮肥运筹、种植密度和土壤条件等特征因素进行亚组分析和Meta回归分析。根据我国气候条件与马铃薯栽培区划,将种植区域分为东北区、华北区、西北区、中原区、西南区、华南区等6个区域;综合考虑实际生产情况和数据分布,将基础产量分为 < 15、15~20 (含15和20)、20~25 (含25)、> 25 t/hm2等4个水平;将施氮量划分为 < 135、135~180 (含135和180)、180~225 (含225)、225~270 (含270)、> 270 kg/hm2等5个水平;根据施氮方式的不同,将施氮方式划分为一次性基施和基施 + 追肥两种方式;将种植密度分为 < 5.25、5.25~6.75、> 6.75万株/hm2等3个等级。为明确土壤条件对施氮效果的影响,根据土壤发生类型和已发表的文献[21-22],同时结合本研究数据分布情况,将土壤相关因素分类如下:土壤类型 (水稻土、黑土、红壤、黄壤、黄棕壤、黑钙土、黄绵土、黑垆土)、土壤质地 (砂土、砂壤土、壤土、黏土)、土壤有机质 (< 15、15~25、> 25 g/kg)、pH (< 6.5、6.5~7.5、> 7.5)、全氮含量 (< 1、1~2、> 2 g/kg)、碳氮比 (< 9、9~11、> 11)、速效氮含量 (< 50、50~100、> 100 mg/kg)、有效磷含量 (< 15、15~30、> 30 mg/kg)、速效钾含量 (< 90、90~180、> 180 mg/kg)。

      • 运用Excel 2010进行数据汇总、分类以及相关指标的计算,运用SPSS 19进行卡方检验与皮尔森相关性分析,采用origin 2016软件进行图形绘制。

      • 本研究利用收集的220组数据,分析了4种基础产量水平下马铃薯产量与施氮量的关系,以及施氮量与氮肥偏生产力的关系。图1表明,在基础产量小于20 t/hm2时,产量与施氮量存在显著的正相关关系;而当基础产量大于20 t/hm2时,产量与施氮量没有明显的相关关系。施氮量与氮肥偏生产力之间存在显著的负相关关系,相关系数为–0.720 (图2),表明随着施氮量的增加,单位施氮量可获得的产量回报递减。从图2可以看出,当施氮量超过200 kg/hm2,氮肥偏生产力基本低于200 kg/kg。

        图  1  马铃薯块茎产量与施氮量的相关关系

        Figure 1.  Relationship between potato yields and N rates

        图  2  马铃薯氮肥偏生产力与施氮量的相关关系

        Figure 2.  Relationship between PFPN and N rates

      • 分布检验表明,马铃薯产量的响应比符合正态分布 (P < 0.05),其分布范围为–0.33~0.76,即相比不施氮,施氮处理的产量变化为–27.9%~113.3%,其中,93.2%的施氮处理提高了马铃薯产量 (图3)。Meta分析表明,马铃薯产量对施氮的加权综合响应比 (RR++) 为0.271,相比不施氮增产显著,增幅为31.1% (表2)。Meta分析结果的发表偏倚性检验表明,本研究失安全系数 (Nfs) 为764540,5n+10为1110,Nfs远大于5n+10,说明本研究结果受发表偏倚的影响不明显,结论具有较高的可信度。

        表 2  施氮影响马铃薯产量的Meta分析

        Table 2.  Meta-analysis of the effect of N application on potato yield

        RR++nPLCIUCIENfs5n+10
        0.271220< 0.0010.2450.29731.1%7645401110
        注(Note):RR++—加权综合响应比 Weighted response ratio; n—样本量 Sample sizes; P—显著性检验 Significance test; LCI—95% 置信区间下限 Bottom of 95% confidence interval; UCI—95% 置信区间上限 Top of 95% confidence interval; E—变化率 Change percentage; Nfs—失安全系数 Fail-safe number.

        图  3  马铃薯产量响应比频数分布情况

        Figure 3.  Frequency distribution of response ratio (ln RR) for potato yields

      • 基础产量对施氮效果有显著影响 (表3)。由图4可知,随着基础产量的增加,施氮效应逐步递减。在基础产量 < 15、15~20、20~25和 > 25 t/hm2条件下,施氮的产量响应比分别为0.374、0.369、0.239和0.172,较不施氮分别增产45.4%、44.6%、27.0%和18.8%。当基础产量为15~20 t/hm2,施氮135~270 kg/hm2时增产效应均明显优于施氮 < 135 kg/hm2 (图4);而当基础产量高于20 t/hm2时,不同施氮水平的增产效应差异较小。另外,在基础产量 < 15、15~20、20~25和 > 25 t/hm2条件下,增产幅度最大的施氮水平分别为225~270、> 270、180~225和225~270 kg/hm2

        表 3  主要影响因素的Meta回归分析

        Table 3.  Meta regression analysis of differentinfluencing factors

        影响因素Influencing factordfQMPQM
        基础产量Basal yield345.88< 0.001
        种植区域Planting region560.108< 0.001
        施氮方式N applied method11.0360.309
        种植密度Planting density26.6550.036
        土壤类型Soil type754.37< 0.001
        土壤质地Soil texture314.610.002
        酸碱度pH228.17< 0.001
        有机质含量SOM content210.180.006
        全氮含量Total N content214.54< 0.001
        碳氮比C/N20.120.943
        速效氮含量Available N content20.400.818
        有效磷含量Available P content236.54< 0.001
        速效钾含量Available K content23.100.212
        注(Note):df 为自由度 Degree of freedom. QMPQM 分别表示异质性统计量及其显著性检验 QM and PQM indicate statistic of heterogeneity and its significance test, respectively.

        图  4  不同基础产量下马铃薯产量 (t/hm2) 对施氮的响应

        Figure 4.  Response of potato yields to N rates in different basal yield fields

      • 施氮显著提高了各区域马铃薯产量 (图5),且不同区域间的增产效应存在显著差异 (表3),其中,西南区的施氮产量增幅最高为42.6%,其次为东北区 (40.6%)、中原区 (37.2%)、华北区 (34.7%),华南区和西北区的施氮产量增幅较低,分别为17.7%和12.1%。从图5可知,在东北区、中原区和华南区,增幅最大的施氮水平均为135~180 kg/hm2,而在西南区和西北区则均为225~270 kg/hm2,华北区为 > 270 kg/hm2

        图  5  不同种植区域马铃薯产量对施氮的响应

        Figure 5.  Response of potato yields to N rates in different planting regions

        虽然施氮方式对马铃薯产量的影响不明显 (表3),但基施 + 追肥方式下的施氮增产效应 (32.6%) 高于一次性基施 (28.9%)。在一次性基施和基施 + 追肥方式下,增产最明显的施氮水平分别为180~225和135~180 kg/hm2 (图6)。另外,当施氮量超过225 kg/hm2后,采用基施 + 追肥方式的增产效应更明显。种植密度对马铃薯产量效应有显著影响 (表3),当种植密度小于5.25万株/hm2时,施氮的产量增幅为35.4%,明显高于5.25~6.75和 > 6.75万株/hm2的密度条件处理 (图6)。分析表明,在 < 5.25、5.25~6.75和 > 6.75万株/hm2的种植密度条件下,增产效应最高的施氮水平分别为180~225、> 270和225~270 kg/hm2

        图  6  不同施氮方式和种植密度 (PD, ×104 plant/hm2) 下马铃薯产量对施氮的响应

        Figure 6.  Response of potato yields to N rate under different application methods and planting densities (PD, ×104 plant/hm2)

      • 表3可知,土壤类型、质地、pH、有机质含量、全氮含量、有效磷含量等因素引起的异质性较大,说明它们对施氮的产量效应有显著影响;而土壤速效氮含量、速效钾含量和碳氮比引起的异质性较小且未达显著水平,说明这3个因素对施氮效果影响较小。由图7可知,除黄绵土条件下增产效应不明显外 (响应比95%置信区间包含0值),在其它土壤类型下施氮的增产效应均达显著水平,其中黄棕壤条件下的施氮增产效应最高,较不施氮增产55.4%。在不同土壤质地条件下,施氮均能显著提高马铃薯产量,其中黏土下施氮的产量增幅为54.8%,增效最明显,其次为砂土 (46.5%)、砂壤土 (28.0%) 和壤土 (25.0%)。

        图  7  土壤类型、质地和理化性质对加权综合响应比的影响

        Figure 7.  Effect of soil type, texture and physico-chemical properties on weighted response ratio

        施氮对马铃薯产量的影响与部分土壤理化性质密切相关 (表3)。在pH为6.5~7.5的土壤条件下,施氮的产量增幅为45.2%,高于pH < 6.5 (25.7%) 和pH > 7.5 (20.4%) 的土壤条件。分析发现,随着土壤有机质含量的增加,施氮效果呈现下降趋势 (图7),在有机质含量为 < 15、15~25和 > 25 g/kg的等级下,产量增幅分别为37.6%、28.4%和22.8%。由图8可知,土壤有机质含量与产量响应比之间存在显著的负相关关系。土壤矿质养分含量对施氮产量效应也有一定影响,其中,土壤全氮和有效磷含量对施氮效果的影响达显著水平 (表3)。当土壤全氮含量为1~2 g/kg时施氮效果最好 (增产33.4%),小于1 g/kg时次之 (19.1%),大于2 g/kg时最低 (10.2%);随着土壤有效磷含量的增加,施氮的产量效应呈现先降低后增加的趋势,在 < 15 mg/kg条件下,施氮产量增幅最大为37.3%,相关性分析表明,土壤有效磷含量与产量响应比呈显著正相关关系 (图8)。

        图  8  施氮产量响应比与土壤有机质含量和有效磷含量的关系

        Figure 8.  Relationship between response ratio (lnRR) and SOM content, available P content

      • 施氮是促进作物增产的重要栽培因素,本研究结果表明,施氮可显著提高我国马铃薯产量,在全国尺度上的增幅为31.1% (表2)。马铃薯在生长发育过程中对氮亏缺较为敏感[2, 14],多项研究表明,施氮对马铃薯产量有明显的提升作用[12-13, 15]。氮肥中含有高浓度的氮素,且一般都是易被植株吸收的形态,施氮可为马铃薯提供丰富的氮源,促进植株体内相关的生理代谢过程[1]。不同区域马铃薯施氮产量效应存在明显差异 (表3),研究结果表明,西南区马铃薯施氮增产效果最好,增产率为42.6%。本研究中西南区主要包括云南、四川、贵州等云贵高原区域,该区域土壤相对贫瘠[23],土壤氮素供应能力有限,施氮可为土壤快速补充氮素养分,以满足马铃薯生长发育的需求。另外,本研究发现西南区的平均基础产量最低为15.9 t/hm2,而当基础产量低于20 t/hm2时,施氮效果更明显 (图4)。韩天富等[22]也发现,施肥对水稻的增产效应在西南区表现最显著。华南区和西北区施氮的增产效应相对较低,究其原因,可能与华南区冬作马铃薯常遭遇低温寡照天气导致氮肥利用率较低和土壤氮含量较高有关[23],后期雨水频繁也容易导致氮素无效流失;而在西北区,水土流失、气候干旱、土壤水分含量低等环境因素限制了养分的可利用性,导致施用的氮肥不易被吸收并转化成产量[4, 23]

      • 施氮量对马铃薯增产的影响与基础产量有密切关系 (表3)。本研究发现,在基础产量小于20 t/hm2的情况下,产量与施氮量呈显著正相关,增产效应随施氮量的增加而呈现增加趋势,但是当基础产量超过20 t/hm2时,施氮量对马铃薯产量的影响变小。较高的基础产量说明土壤肥力较高,土壤氮素供应能力强,从而削弱了外源氮的效果;另一方面,在高肥力土壤中,若施氮量过大,同化物将更多地向地上部茎叶分配,易导致茎叶徒长,延迟或减少同化物向块茎的输送,最终也会对产量形成产生不利影响[24-25]。对于不同施氮方式而言,相比一次性基施,采用基施 + 追肥的方式更有利于提高马铃薯产量 (图6)。马铃薯对氮素的需求具有持续性和阶段性,一次性基施的方式虽然可为前期营养生长提供充足氮素,但该方式一方面易使营养体过旺生长,另一方面前期养分的大量消耗或流失易导致块茎膨大期氮素供应不足[14]。采用基施 + 追肥的方式有利于协调氮素供应与植株需求的关系,适当延长植株茎叶持绿时间,促进干物质的积累和转运[14]。Evert等[25]研究表明,适时追施氮肥可在保证产量的前提下减少氮肥用量。

        科学的施氮方式与合理密植是发挥作物产量潜力的重要农艺措施[26],研究表明氮肥与密度存在密切的交互关系[13]。本研究发现,种植密度对马铃薯施氮产量效应有显著影响 (表3),随着密度的增加,施氮效果存在下降趋势,这主要与高氮水平下低密度 (< 5.25万株/hm2) 条件的施氮效果更明显有关。由图6可以看出,当施氮量高于180 kg/hm2时,密度小于5.25万株/hm2条件下的产量响应比均大于0.3,而在5.25~6.75和大于6.75万株/hm2条件下,产量响应比基本小于0.3。一项针对水稻的研究也表明,在高氮条件下,适当降低密度有利于获得高产[26]。另外,在低氮水平 (< 135 kg/hm2) 下增加密度并没有提高产量效应值。虽然增密可提高马铃薯单位面积的结薯数,但是如果氮肥不足影响后期养分与干物质积累,块茎膨大将受到限制,导致单薯重下降。因此,通过减氮增密来实现高产的可行性有待进一步验证。

      • 施入土壤的养分是否能被高效利用与土壤类型、质地与理化性质紧密相关[16, 22]。本研究结果表明,在黄棕壤、红壤、黑土等7种土壤类型条件下施氮均显著增加了马铃薯产量,但是在黄绵土条件下未达显著水平 (图7)。黄绵土广泛分布于西北地区[27],本研究纳入的在黄绵土中开展的试验也主要来自于西北区,由前述 (3.1) 可知,该区域受水土流失、气候干旱等影响,氮肥利用效率不高,所以施氮的增产效应也受到限制。就土壤质地而言,在黏土条件下施氮的产量效应最高,可能是因为黏土具有颗粒较小、养分吸附位点多、保水保肥能力较好等特点[28],使氮肥不易流失,延长了肥效时间。土壤pH对施氮效果也有显著影响,本研究表明,在中性土壤条件下施氮的产量效应最高,而在碱性土壤中最低。pH是调节土壤养分转化的重要因子[29],研究发现,中性土壤条件下氮的可利用性更高[29],而碱性土壤中的氮素更易通过氨挥发和硝化作用等途径损失[30-31]。有机质含量以及土壤矿质养分含量是表征土壤肥力的重要指标,本研究发现,随着土壤有机质含量和全氮含量的增加,施氮产量效应分别呈现逐步递减和先增后减的趋势,说明在高肥力土壤条件下施氮效果降低,这与高肥力土壤下水稻氮素利用率较低的研究结果相似[22, 32]。土壤有效磷含量与施氮效果关系密切,研究表明,氮磷存在明显的互作关系,适宜的氮磷比例有助于促进作物对氮素的吸收利用[33]

      • Meta分析结果的可靠性依赖于所建立数据库的规模与完整性,但由于Meta分析对数据的要求较高,难以纳入所有的相关研究,使本研究数据库的规模受到限制;其次,施氮的产量效应受多种因素复合影响,在探究单个因素对施氮效果的影响时,难以排除试验地点、试验人员、试验设计等其它因素的作用;再次,由于不同文献中对试验背景参数的记录存在差异,导致各因素的样本量各不相同,增加了分析的不确定性。这些不确定性可能导致了“氮肥效应受土壤全氮含量显著影响,但受土壤速效氮含量影响较小”这一异常现象。尽管如此,本研究结果依然在一定程度上阐明了施氮对我国马铃薯产量的影响,对于如何提高施氮效果及探索其增产机制具有参考意义。

      • 1) 氮肥施用对提高我国马铃薯产量有重要作用,与不施氮相比,施氮的增产幅度为31.1%。施氮效果与基础产量密切相关,在基础产量低于20 t/hm2的条件下,施氮的增产效应明显较高,产量与施氮量显著正相关;当基础产量大于20 t/hm2时,施氮效果减小。

        2) 不同区域的施氮效果存在显著差异,施氮增产率最高的区域为西南区,最低为西北区。东北区、中原区和华南区的适宜施氮水平均为135~180 kg/hm2,西南区和西北区则均为225~270 kg/hm2,华北区为 > 270 kg/hm2

        3) 低密度种植条件 (< 5.25万株/hm2) 的施氮增产效果比中等密度 (5.25~6.75万株/hm2) 和高密度条件 (> 6.75万株/hm2) 明显,这3种密度条件的适宜施氮水平分别为180~225、> 270和225~270 kg/hm2。此外,一次性基施和基施 + 追肥这两种方式的施氮效果差异不大,对应的适宜施氮水平分别为180~225和135~180 kg/hm2

        4) 土壤类型、质地、pH、有机质含量、全氮含量和有效磷含量等土壤因素对施氮效果有显著影响。在黄棕壤、红壤、黑土等土壤类型上,以及壤土质地和中性土壤条件下,施氮增产效应较高;在高有机质含量、全氮含量等肥力较高的土壤上,施氮的增产效应较小。

    参考文献 (33)

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