施肥对苜蓿土壤水分、养分和产量的影响：基于定位试验数据的M eta 分析

才 璐，罗珠珠, ，王林林, ，牛伊宁，李玲玲，蔡立群,

（1. 甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070；2. 甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃 兰州 730070；3. 甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070）

苜蓿(Medicago sativa)是一种多年生深根系豆科植物，其不仅是高蛋白、高产量的饲草资源，同时也是优质的绿肥作物，具有抗旱、抗寒及水土保持等优良的生态适应性，已成为我国北方地区普遍栽培的优质牧草。目前，仅甘肃省苜蓿种植面积74.67 万公顷，商品苜蓿生产面积19.43 万公顷，商品苜蓿产量192.63 万吨，居全国之首[1]。同时，苜蓿也是水土保持的先锋植物，在生态文明建设方面发挥着极其重要的作用。但苜蓿作为一种水分需求量较大的作物[2-3]，长期种植的苜蓿草地干燥化日渐严重，最终导致草地退化，退化后的苜蓿草地土壤水分在短时间内并不能得到有效的恢复[2,4]，从而使得苜蓿生产力下降。另外，苜蓿对磷素的需求量较大，随着种植年限延长，土壤中速效磷含量大幅降低[5-6]，最终也影响到苜蓿的生长。

施肥是补充贫瘠土壤所缺营养元素促进苜蓿生产的重要人工措施。研究表明，长期施肥能增加苜蓿土壤耕层的有机碳和全氮含量，施磷肥和氮磷肥配施有机肥分别增加土壤有机质含量3.52 和6.76 g·kg−1；与不施肥相比，施磷肥土壤全氮含量增加了27.4%，氮磷肥配施有机肥土壤全氮含量增加了54.7%[7]。而一些研究则认为，土壤中营养元素含量与是否施用该种营养元素肥料无关。在西班牙埃布罗谷地的研究发现，施钾肥对苜蓿土壤中的钾含量影响不大[8]。施肥会影响苜蓿地土壤的水分含量[9]。在黄土高原南部的长武塬区的研究表明，苜蓿施肥会显著减少耕层的土壤水分，而不会影响深层土壤水分[10]；在黄土高原西部丘陵沟壑区的研究表明，施肥会降低80 −200 cm 土层水分[11]；文雅等[12]在干旱绿洲灌区的试验则表明施肥对苜蓿水分无明显的提升作用；而在河北廊坊试验基地的研究表明施肥具有显著的调水作用，适量施肥可提高苜蓿的水分利用效率[13]。此外，不同区域施肥对苜蓿的增产作用也有较大差异。在加拿大曼尼托巴西部，苜蓿施磷肥增产率可达47%[14]；而在黄土高原的研究表明，施磷肥苜蓿可增产3.8%[15]。在宁夏贺兰山试验站的研究表明，苜蓿施氮肥增产率达10%～15%[16]；在甘肃金塔县的试验表明，苜蓿施氮肥无增产作用[17]。

施肥对苜蓿地土壤水分、养分和产量影响的相关研究较多，但由于不同研究区域种植制度、土壤类型、气候条件等因素的差异导致其结论并不一致[7-17]。Meta 分析法是对具有相同研究目的却又相互独立的多个研究结果进行系统合并，定量综合评价研究结果的统计方法，适合于大尺度生态现象的研究[18-19]。本研究基于全国尺度苜蓿地土壤水分、养分、产量和水分利用效率的数据，以当年当地不施肥苜蓿为对照组，以施肥苜蓿为处理组，应用Meta 分析定量探究施肥措施对苜蓿地土壤水分、养分、产量和水分利用效率的影响，从而量化施肥措施的作用效果，以期为栽培苜蓿草地的合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源和分类

本研究数据基于中国知网(CNKI)、Springlink、谷歌学术索引和万方数据库4 个文献数据库进行检索，收录截至2019 年12 月31 日公开发表的在中国地区进行的苜蓿施肥田间试验文献。设置检索主要关键词为“苜蓿”、“施肥”、“土壤水分”、“土壤养分”、“产量”或“水分利用效率”。为进一步剔除不合格文献，减少Meta 分析结果发生偏倚，在阅读摘要做出初步筛选后，基于以下标准筛选文献：1)试验地点为中国，包括经纬度以及详细位置数据；2)同一试验包含配对的对照组与处理组，对照组为当年当地同一试验下不施肥苜蓿试验组，与之对应的处理组为施肥苜蓿试验组，且除此之外的其他田间管理措施一致；3)试验数据至少包含土壤水分、养分、产量或水分利用效率中的一项，且在不同处理下同一指标的测量方法一致并以数字或图表形式报道，可直接获得或通过计算得到；4)对不同文献报道的同一试验数据只纳入一次。经过以上标准筛选，共获得109 篇文献，涉及到的试验位点基本信息如表1所列，相关数据对数如表2 所列。用Excel 软件建立了苜蓿地土壤水分(SWC)、有机质(SOM)、全氮(TN)、速效磷(AP)、速效钾(AK)、产量(yield)和水分利用效率(WUE)组分的数据库，将肥料种类划分为氮肥(N)、磷肥(P)、钾肥(K)、有机肥(M)、氮磷肥配施(NP)、氮钾肥配施(NK)、磷钾肥配施(PK)、氮磷钾肥配施(NPK)和化肥与有机肥配施(F+M)。

1.2 数据分析

在数据分析前，对每组数据的效应值进行K 检验(kolmogorov-sm irnov test)，如果数据不服从正态分布，则使用非参数估计方法(bootstrapping)生成的综合效应值(lnR’)和95% bootstrap CI (4 999 次迭代次数)进行数据分析[20]。

1.2.1 标准差计算

标准差是Meta 分析中用来计算各研究权重的重要指标，当文献中列有相关的标准差时，直接应用；当文献中没有相关的标准差，同时也没有可供计算标准差的重复试验时，可用数据集中的数据计算出平均变异系数(CV)，再用CV 反推出缺失的标准差(SD)[21]，计算公式：

式中：X 为缺失标准差的数据值。

表 1 纳入M eta 分析的试验位点的基础信息Table 1 Basic information on experimental sites included in this meta-analysis

表 2 土壤水分、养分、产量和水分利用效率的数据分组Table 2 Data grouping for alfalfa soil water content, nutrients, yield, and water use efficiency

1.2.2 效应量计算

本研究使用效应比R 的自然对数(ln R)为效应值度量处理措施对响应指标的影响，计算公式如下[22-24]：

式中：Xc 为对照组对应数据的平均值；Xe 为处理组对应数据的平均值。对应指标效应值 ln R的方差(variance, V)计算如下[22-24]：

式中：Sc 为对照组对应数据的标准差；Se 为处理组对应数据的标准差；Nc 为对照组对应数据的样本量；Ne 为处理组对应数据的样本量。

式中：wi为i 的权重，即样本方差vi的倒数； ln Ri为i 的对数响应比；k 为统计研究的数量； ln R为平均效应大小。为了更加直观地描述结果，用百分比表示变化率Y，计算公式如下[22]：

若95%置信区间未跨过横坐标零点，则说明对照组相比于处理组差异显著(P ＜ 0.05)，反之则说明差异不显著(P ＞ 0.05)[20]。且如果不同类别的95%置信区间没有重叠，则认为不同类别变量的平均值间存在显著差异(P ＜ 0.05)[25]。

在进行Meta 分析时，需对收集的相关数据进行异质性检验(Q 检验)，检验样本数据是否存在异质性，若P ＞ 0.05 (卡方分布检验)，表明数据不存在异质性，选用固定效应模型(fixed effect model)；若P ＜0.05 (卡方分布检验)，表明数据有异质性，此时应采用随机效应模型(random effect model)并需要设置亚组分析来探讨异质性来源。

1.3 数据处理

在进行文献数据搜集时，以图表示的数据借助WebPlotDigitizer 4.2[26]软件提取，使用WPS 2019 进行数据收集和数据集的建立，通过MetaW in2.0 计算不同种植年限下苜蓿土壤水分和养分的变化率，进行数据统计分析，并使用SigmaPlot 12.5 制图。

2 结果与分析

2.1 苜蓿地土壤水分、养分、产量和水分利用效率的偏倚检验

苜蓿地土壤含水量、有机质、全氮、速效磷、速效钾、产量和水分利用效率的效应值分布情况如图所示(图1)，K 检验结果表明，不同种植年限下的苜蓿地土壤含水量、养分、产量和水分利用效率的效应值频率分布均不服从正态分布，因此所有数据均采用非参数估计方法生成综合效应值(ln R’)及95%bootstrap CI[17-18]。

2.2 苜蓿地土壤水分对施肥的响应

与不施肥(对照)相比，施肥导致0 − 500 cm 土层苜蓿地土壤水分有所下降(图2)，施N 肥土壤水分降低不显著(P ＞ 0.05)，其他施肥措施均可显著降低苜蓿地土壤水分(P ＜ 0.05)，变化率依次为−11.8%(P 肥)、−4.4% (NP 肥)和−8.8% (F+M 肥)。进一步分析不同深度土壤水分发现，施肥措施对不同土层深度水分的影响效果不同。0 − 100 cm 土壤剖面，NP配施措施下苜蓿地土壤水分降低但不显著(P ＞0.05)，其他施肥措施可显著降低苜蓿地土壤水分(P ＜ 0.05)，变化率依次为−9.1% (N 肥)、−11.7% (P 肥)和−9.5% (F+M 肥)；100 − 200 cm 土层深度，单施N 肥对土壤水分影响不显著(P ＞ 0.05)，其他施肥措施均可显著降低苜蓿地土壤水分(P ＜ 0.05)，变化率依次为−10.1% (P 肥)、−5.2% (NP 肥)和−7.2% (F+M 肥)；200 cm 以下土层深度，单施P 肥、NP 配施和F+M 配施均可显著降低苜蓿地土壤水分(P ＜ 0.05)，变化率依次为−12.5%、−4.4%和−9.4%。

2.3 苜蓿地土壤养分对施肥的响应

图 1 苜蓿地土壤水分、养分、产量和水分利用效率效应值的频率分布Figure 1 Frequency distribution of effect size for soil water content, soil nutrients, yield, and water use efficiency in alfalfa fields

与不施肥相比，施用有机肥可有效增加苜蓿地土壤有机质含量，而其受化肥影响较低(图3a)。单施K 肥、NK 配施对土壤有机质含量无显著影响(P ＞ 0.05)，其他施肥措施均可显著增加土壤有机质含量(P ＜ 0.05)，增长率分别为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)。单施K 肥对土壤全氮含量无明显影响(图3b)，其他施肥措施均显著提升土壤全氮含量(P ＜ 0.05)，增长率分别为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)。与不施肥相比，除了NK 配施外(图3c)，其他施肥措施均显著提升土壤速效磷含量(P ＜ 0.05)，增长率分别为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)。与对照相比，单施P、K 和M 肥以及NK 配施和PK 配施对土壤速效钾含量无显著影响(P ＞ 0.05) (图3e)，但单施N、NP 配施、NPK 配施和F+M 配施均显著提升土壤速效钾含量(P ＜ 0.05)，增长率为10.5%～24.8%。

2.4 苜蓿产量和水分利用效率对施肥的响应

与不施肥相比，施肥均可显著增加苜蓿产量(P ＜0.05)，增产率可达15.4%～198.2%，其中单施M 肥和F+M 配施的增产率均较高，分别为69.9%和198.2%(图4a)；与对照相比，不同施肥措施均可显著增加苜蓿水分利用效率(P ＜ 0.05)，其增长率分别为5.9%(N 肥)、26.8% (P 肥)、54.8% (NP 肥)和169.6% (NPK 肥)(图4b)。

2.5 苜蓿产量和水分利用效率与土壤性状的相关性分析

相关性分析表明(表3)，苜蓿产量与0 − 100 cm土壤水分、100 − 200 cm 土壤水分、有机质和速效磷含量均呈极显著正相关关系(P ＜ 0.01)，与＞ 200 cm土壤水分、全氮和速效钾含量无显著相关性(P ＞0.05)。苜蓿水分利用效率与土壤速效磷含量呈极显著正相关关系(P ＜ 0.01)，与土壤水分和全氮含量无显著相关性(P ＞ 0.05)。另外，本研究数据收集过程中无法获取土壤有机质、速效钾含量与水分利用效率关系的相关数据，因此土壤有机质、速效钾含量与水分利用效率的关系不明。

3 讨论与结论

图 2 苜蓿地土壤水分对不同施肥措施的响应Figure 2 Response of soil water content in alfalfa field to different fertilization treatments

施肥通过改变土壤养分而影响苜蓿生长。本研究整合数据分析表明，施肥可有效改善土壤中养分含量并提高苜蓿产量，从而提升苜蓿水分利用效率。与不施肥和单施化肥相比，有机肥单施和化肥有机肥配施均可高效增加土壤中有机质含量，同时也可显著增加全氮、速效磷和速效钾含量。这是由于有机肥中富含大量的营养元素和微生物，且有机胶体形成的土壤结构较好，可有效增加土壤肥力，从而达到苜蓿增产的目的。除促进作物生长外，土壤中缺失的养分可通过施肥来补充，相关试验表明，施纯N 90 kg·hm−2可增加土壤全氮含量0.005 g·kg−1，施纯N 180 kg·hm−2可增加土壤全氮含量0.078 g·kg−1，土壤全N 含量与施肥前土壤相比增加了9.75%[27]。整理文献发现，N 肥单施可显著增加土壤全氮含量，P 肥单施可显著增加土壤速效磷含量，但K 肥单施虽能增加土壤速效钾的含量但效应并不显著，这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，而随着土壤中的吸附位点变化，致使不同土壤对K 肥的保持能力不同[28]。

图 3 苜蓿地土壤养分对不同施肥措施的响应Figure 3 Response of soil nutrients in alfalfa fields to different fertilizer treatments

施肥是补充土壤养分、促进植物生产的重要人工手段，但水分不足则会降低施肥效果，无法达到预计的增产效果。在农业生态系统中水肥耦合是影响植物生长发育的关键。本研究整合分析表明，施肥对苜蓿地土壤水分呈负效应，特别是P 肥单施、NP 配施以及化肥有机肥配施使得苜蓿地土壤水分显著降低。但值得注意的是，并不是长期施N、P 肥直接影响苜蓿地土壤水分，使土壤水分下降，苜蓿地土壤水分的变化主要是由苜蓿自身生长所致，因为施肥能显著增加土壤生物量C、N、P 和速效N、速效P 等养分含量和有效性，有利于作物的生长[29-30]，促进地上部分生物量增加，从而加速了苜蓿植株蒸腾耗水，间接造成土壤水分的大量消耗。研究表明，有机肥和N、P 配施可大大增加作物的生物产量，同时也会显著降低土壤剖面的水分含量[31]。有研究表明P 肥会促进根系发育[14]，从而影响根系吸收水分和地上部的蒸腾作用[32-33]，致使土壤水分消耗更为强烈。本研究进一步通过探讨不同土层深度的土壤水分变化发现，N 肥单施对100 cm 以下土层深度苜蓿地土壤水分无明显影响，这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层的蒸发作用和0 − 100 cm 范围内根系的吸收作用所致。

图 4 苜蓿产量和水分利用效率对不同施肥措施的响应Figure 4 Response of alfalfa yield and water use efficiency to different fertilizer treatments

表 3 苜蓿产量、水分利用效率与土壤水分、养分的相关性分析Table 3 Correlation coefficients between yield and water use efficiency of alfalfa and soil water content and nutrients

不同肥料类型对作物生长的促进作用有较大差异，导致其培肥和增产的效果迥异。研究表明[35-36]，施N 肥影响苜蓿叶片的生长，不仅影响着光合作用，同时也改变了水分利用效率，最终影响产量表现，而P 肥和K 肥具有促进苜蓿固氮水平的作用[37-39]。在一定的施氮水平下，氮磷互作效应有利于作物增产[40]。本研究相关性分析表明，苜蓿产量与0 − 200 cm土壤水分、有机质和速效P 含量均呈极显著正相关关系，且苜蓿水分利用效率与速效P 含量呈极显著正相关关系，这说明土壤速效P 含量是影响苜蓿产量的主要因素，而土壤水分除供应苜蓿生长所需之外，还有土壤蒸发消耗，因此苜蓿水分利用效率与自身植株蒸腾引起的耗水量相关，而与土壤水分无显著相关性。本研究同时发现，与不施肥和施用化肥相比，化肥有机肥配施表现出的增产作用较突出，因为化肥配施有机肥一方面通过有机肥培肥地力，另一方面通过调节土壤和化肥养分的供应强度以均衡地满足苜蓿生育期的养分需求，从而增加苜蓿产量。而单施有机肥的增产效果优于NPK 配施，可能源于有机肥富含大量的有机胶体，易形成良好的土壤结构，改善了土壤物理性质。但是，本研究整合分析由于苜蓿水分利用效率获取的数据有限，缺乏有机肥影响苜蓿水分利用效率的相关数据，最终结果表现为化肥配施对苜蓿水分利用效率的提升效应优于化肥单施，这主要源于N、P、K 肥之间存在相互促进的作用[40]。

综上，施肥均可增加土壤养分含量，提高苜蓿产量并有效提升水分利用效率。与不施肥相比，化肥有机肥配施表现出的增产作用较突出，且化肥配施对苜蓿水分利用效率的提升效应优于化肥单施。因此，建议苜蓿种植过程中采用化肥有机肥配施措施促进农业的可持续发展。