基于Meta-Analysis方法分析滴灌对玉米水分利用效率及产量的影响

黄 悦 李思恩* 胡 丹 丛 雪 张若晴

(1.中国农业大学 水利与土木工程学院，北京 100083； 2.上海交通大学 自然科学研究院，上海 200240)

玉米是全球产量最高的粮食作物，在保障国家粮食安全中具有重要地位。玉米不仅是主要粮食作物，在畜牧业、化工、燃料和医药等行业中也举足轻重。玉米是耗水量较大的作物，因此，在保障玉米产量的同时研究玉米的节水增效十分必要。传统的漫灌方式不仅会导致土壤盐碱化，破坏土壤结构，并且浪费水资源，因此，已有不少有关玉米节水增效灌溉方式的研究，如：漆栋良等研究表明在交替隔沟灌溉下采用亏水处理，可以提高制种玉米的水分利用效率，同时产量没有显著降低；徐明明等分析了覆盖滴灌模式在华北地区的节水增产效应，认为在华北地区充分滴灌下利用白膜覆盖，能够显著提高春玉米产量和水分利用效率；赵雁群等制定了畦田玉米的灌溉规格、技术参数和农田管理措施；王丽华分析了节水灌溉技术在制种玉米上的应用研究；孙仕军等研究发现更适宜的滴灌布置形式，即浅埋滴灌在辽西等半干旱地区对春玉米的节水、增产、增效效果最优；潘家荣等研究了华北平原冬小麦/夏玉米轮作区水肥高投入的特点，并实施了施氮节水灌溉技术，优化节水灌溉的同时提高了氮肥的利用率。以上结果都是研究特定区域玉米生产灌溉模式。除了灌溉方式，灌水量也是影响玉米节水增产的关键因素。戴嘉璐等探究了不同灌水和施肥条件对河套灌区不同生育期玉米生长的影响。此外，品种间的差异性也不容忽视。杨涛等利用盆栽试验研究了不同玉米品种间水分利用效率的差异。

Meta-Analysis是一种对同一主题下的众多独立试验结果进行综合分析的统计方法。该研究方法是一种定量化的分析，基于已有研究的基础上，利用公开发表的研究数据，经过规范化的统计分析方法，计算出试验数据效应值，并分析不同试验间的差异性，发现潜在规律，得出更具一般性、代表性的科学结论的方法。20世纪90年代Meta-Analysis方法被引入到生态学领域。郑侃等搜集了中国北方地区有关深耕试验的65篇文献，综合分析了深松耕作的效果，结果显示在东北、西北和华北地区，深松耕作均能提高玉米和小麦的作物产量，深松增产没有受到所在区域的影响；毛晋花等搜集整理了国内外63篇论文的原始数据资料进行Meta分析，定量评估氮沉降对植物生物量分配的影响，结果显示短期氮沉降会使植物分配更多生物量给地上部分；王文立等等研究表明模拟增温提高了土壤微生物碳、土壤微生物氮和土壤真菌量，土壤细菌量在模拟增温后则有降低趋势。

Meta-Analysis在国内农业研究领域得到广泛应用，但是有关灌溉模式与灌溉量等条件对于玉米水分利用效率与产量的综合定量关系的研究尚未见报道。因此，为系统分析灌溉量、灌溉方式等因素对玉米水分利用效率及产量影响，本研究以中国知网及Web of Science为工具，检索有关中国玉米灌溉方面的相关文献报道,并利用Meta-Analysis方法分析筛选确定文献发表的试验数据，以期为大田作物节水增产的灌溉模式研究提供参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

基于中国知网及Web of Science，以“玉米”、“滴灌”、“水分利用效率/产量”等为主题检索词，检索2000-01-01—2020-12-31发表的中国滴灌玉米水分利用效果及产量的相关研究。

经上述检索方法共检索到110篇文献，由于各大田试验的试验目的、设计与管理情况不尽相同，因此需要制定统一标准对检索到的文献进行筛选，以保证后续数据分析结果的可靠性。筛选标准为：1)研究区域地理位置35°～45° N，100°～125° E；2)试验要有对照处理，即试验需同时包含滴灌与非滴灌的对比处理或滴灌条件下不同滴灌量水平的处理；3)文献中明确指出了玉米相关处理的水分利用效率及产量的均值、标准差及重复次数(≥2)，或者可通过文字描述、图表得到均值及标准差；4)试验设计、气象数据、土壤数据与田间管理措施等基本信息明确详细；5)剔除包含其他试验处理因素(施氮、滴灌次数等)的文献；6)剔除试验内容重复或相近的文献。经过上述标准对文献进行筛选，最终确定21篇文献。

1.2 Meta-Analysis方法

Meta-Analysis是对若干独立研究的统计结果进行综合分析的统计方法。其主要步骤有：1)提出所要解决的问题并制定搜集文献的标准；2)搜集文献；3)提取、整理、分析数据；4)根据所提问题分析所得结果。目前主要利用软件开展Meta-Analysis研究，软件包括：Metawin、Review Manager、OppenMME、Stata和R，R语言中的Meta软件包功能强大，作图方便清晰，是Meta-Analysis的有力工具，故本研究利用R语言进行Meta-Analysis研究。

效应值是Meta-Analysis的重要参数，Meta-Analysis通过比较效应值大小分析数据的规律，简洁直观，便于统一比较。在农业领域，效应值大多采用标准均值差(SMD)，采用SMD可以消除不同研究间由于测量单位不同造成的影响，也可消除研究中多个亚组间绝对值的差异。此外本研究的试验数据多为平均值、标准差和样本数，采用SMD作为效应值较为合理。

SMD=(

X

-

X

)

J/S

(1)

(2)

J

=1-3

/

[4(

N

-

N

-2)-1]

(3)

式中：

X

、

X

分别为试验组和对照组的平均值；

J

为取样误差的修正系数；

N

、

N

分别为试验组和对照组的样本数；

S

、

S

分别为试验组和对照组的标准差。

累计效应值的计算涉及到模型的选择，累计效应值的模型分为固定效应模型和随机效应模型。固定效应模型只考虑效应值在组内的变异，忽视组间的变异，认为不同的研究案例间无差异。随机效应模型不仅考虑效应值在组内的变异，还考虑组间的变异。对于本研究来说，各个大田试验间的差异性不可忽视，因此选用随机效应模型。

由于纳入同一个Meta-Analysis的所有研究之间存在或多或少的差异，因此还要对Meta-Analysis结果进行异质性检验。本研究可在R语言中直接输入代码进行异质性检验。统计量

I

能够体现真实异质性在效应值总体的变异中占的比重，且不会受到样本数量的影响，大多研究都采用

I

进行异质性检验。当25%<

I

≤50%，表明结果有低度的异质性；当50%<

I

≤75%，表明结果有中度的异质性；当

I

>75%，表明结果有高度的异质性，此时异质性不可忽视。

2 结果与分析

2.1 灌溉水平对玉米水分利用效率及产量的影响

经过前期一系列的文献检索、筛选与整理工作，共有94组数据纳入本研究的Meta-Analysis，结果如表1所示。本研究按照不同灌溉水平共分为5组，因不同地区的气候、土壤等条件略有不同，单纯按灌溉量进行分组会对结果造成一定差异，故将灌溉量等效为作物需水量的百分比进行分组分析，即灌溉量分别为：120%～140%的作物需水量(ET)、100%～120% ET、80%～100% ET、60%～80% ET和40%～60% ET。

表1 不同滴灌水平下玉米水分利用效率及产量
Table 1 Water use efficiency and yield of maize under different drip irrigation levels

作物需水量/%ETc样本数Samplesize水分利用效率/(kg/m3)Water use efficiency产量/(kg/hm2)Yield均值Mean标准差SD均值Mean标准差SD120～140183.330.2411 887.30756.37100～120253.390.2612 689.52910.1980～100243.770.3213 013.821 244.0660～80212.960.3611 505.171 532.6340～6062.760.4510 537.022 026.21

根据分组后初步处理得到的数据，利用R语言中的Meta软件包进行处理分析，以40%～60% ET的灌溉水平为对照组，120%～140% ET、100%～120% ET、80%～100% ET和60%～80% ET的灌溉水平为处理组，对比分析不同灌溉量水平对玉米的水分利用效率及产量的影响，得到不同滴灌水平下玉米水分利用效率及产量的Meta-Analysis分析结果(表2)。

表2 不同滴灌水平下玉米水分利用效率及产量的Meta-Analysis分析结果
Table 2 Meta-Analysis of water use efficiency and yield of maize under different drip irrigation levels

项目Item处理组作物需水量/%Treatment ETc对照组作物需水量/%Control ETc效应值SMD95%置信区间95%-CI权重/%Weight120～14040～601.83[0.75,2.91]20.6水分利用效率Water use efficiency100～12040～602.04[0.99,3.08]25.280～10040～602.83[1.65,4.01]23.360～8040～600.51[-0.41,1.43]26.9合并 Merge1.76[0.78,2.74]100.0120～14040～601.11[0.13,2.10]24.8产量Yeild100～12040～601.78[0.77,2.78]23.980～10040～601.70[0.70,2.71]24.060～8040～600.57[-0.35,1.49]27.4合并 Merge1.26[0.70,1.83]100.0

本研究中95%-CI置信区间在原点同一侧，未与纵轴相交，表明Meta-Analysis合并有统计学意义。由表2可知，不同灌溉水平的处理组与对照组进行比较，处理组水分利用效率的合并效应值SMD=1.76，正值表示正效应，说明处理组的水分利用效率要高于对照组的水分利用效率，并且随着灌溉水平的降低水分利用效率先增大后减小，灌溉水平在80%～100%的ET时水分利用效率(WUE)的效应值达到最大；处理组产量的合并效应值SMD=1.26，说明处理组的产量要高于对照组的产量，但是

P

=0.26(>0.05)，表明不同灌溉水平处理间玉米产量差异不显著。对不同灌溉水平下水分利用效率及产量的Meta-Analysis进行异质性检验，水分利用效率的异质性检验结果为

I

=71%(50%<71%<75%)，表明研究有中度的异质性；产量的异质性检验结果为

I

=25%，表明研究有低度的异质性。

2.2 灌溉方式对玉米水分利用效率及产量的影响

由2.1节可知，在80%～100% ET的灌溉水平下玉米的水分利用效率最高，产量也较高。在以往分析不同灌溉方式对玉米水分利用效率及产量的研究中，不同的灌溉方式下其灌溉水平不尽相同，因此为探究在80%～100% ET的灌溉水平下滴灌方式对玉米水分利用效率及产量的影响是否优于其他灌溉方式，对选定的文献进一步整理筛选，共有24组数据，结果如表3所示。按照不同灌溉方式进行分组，共分为4组：畦灌、沟灌、漫灌和滴灌。

以80%～100% ET灌溉水平下的滴灌处理为对照组，80%～100% ET灌溉水平下的畦灌、沟灌和漫灌处理为处理组，对比分析80%～100% ET灌溉水平下不同灌溉方式对玉米的水分利用效率及产量的影响，得到不同灌溉方式下玉米水分利用效率及产量的Meta-Analysis分析结果(表4)。由表4可知，不同灌溉方式的试验组水分利用效率的合并效应值SMD=-4.55，说明畦灌、沟灌和漫灌的水分利用效率效应值要低于滴灌处理的水分利用效率效应值。表4中处理组产量的合并效应值SMD=-1.34，说明畦灌、沟灌和漫灌的产量效应值要低于滴灌处理的产量效应值，且采用漫灌方式所产生的水分利用效率及产量的效应值最低。

对不同灌溉方式下水分利用效率及产量的Meta-Analysis分析进行异质性检验，水分利用效率的异质性检验结果为

I

=71%(50%<72%<75%)，表明研究有中度的异质性；产量的异质性检验结果为

I

=59%(50%<59%<75%)，表明研究有中度的异质性。

表3 不同灌溉方式下玉米水分利用效率及产量
Table 3 Water use efficiency and yield of maize under different irrigation methods

灌溉方式Irrigation method样本数Sample size水分利用效率/(kg/m3)Water use efficiency产量/(kg/hm2)Yield均值Mean标准差SD均值Mean标准差SD畦灌 Border irrigation61.830.2813 040.00480.00沟灌 Furrow irrigation32.450.2911 495.191 149.52漫灌 Flooding31.640.1611 768.571 176.86滴灌 Drip irrigation123.040.2013 284.42676.69

表4 不同灌溉方式下玉米水分利用效率及产量的Meta-Analysis分析结果
Table 4 Meta-Analysis of water use efficiency and yield of maize under different irrigation methods

项目Item处理组灌溉方式Treatment irrigationmethod对照组灌溉方式Control irrigation method效应值SMD95%置信区间95%-CI权重/%Weight畦灌Border irrigation滴灌Drip irrigation-5.05[-7.16,-2.94]34.8水分利用效率Water use efficiency沟灌Furrow irrigation滴灌Drip irrigation-2.57[-4.22,-0.91]38.8漫灌Flooding滴灌Drip irrigation-6.78[-9.87,-3.68]26.5合并 Merge-4.55[-6.93,-2.16]100.0畦灌Border irrigation滴灌Drip irrigation-0.37[-1.36,0.62]40.8产量 Yield沟灌Furrow irrigation滴灌Drip irrigation-2.19[-3.75,-0.63]28.9漫灌Flooding滴灌Drip irrigation-1.84[-3.32,-0.36]30.4合并 Merge-1.34[-2.54,-0.14]100.0

2.3 品种对玉米水分利用效率及产量的影响

根据本研究文献纳入的标准来看，在其他标准相近的条件下，品种的差异对玉米水分利用效率及产量的影响也不容忽视。为探究品种对玉米水分利用效率及产量的影响，并对比不同品种与灌溉方式对玉米水分利用效率及产量的影响大小，进行了如下分析。由2.1节可知，在80%～100% ET灌溉水平下玉米的水分利用效率最高，产量也较高。因此，对纳入的文献进一步整理分析，探究在80%～100% ET灌溉水平下不同品种对玉米水分利用效率与产量的影响。共有24组数据纳入本节研究的Meta-Analysis，如表5所示。按照不同玉米品种进行分组，共分为6组：‘西蒙6号’、‘沈单10号’、‘秋乐126’、‘农华101’、‘京科958’和‘郑单958’。

表5 不同品种玉米水分利用效率及产量
Table 5 Water use efficiency and yield of maize under different maize varieties

品种Variety样本数Sample size水分利用效率/(kg/m3)Water use efficiency产量/(kg/hm2)Yield均值Mean标准差SD均值Mean标准差SD西蒙6 Ximeng 673.340.3413 686.401 705.86沈单10 Shendan 1033.320.2714 224.50804.63秋乐126 Qiule 12643.490.3511 499.421 149.94农华101 Nonghua 10121.610.1614 135.00110.00京科958 Jingke 95823.970.3318 918.40392.89郑单958 Zhengdan 95862.670.2311 670.271 015.81

以80%～100% ET的灌溉水平下‘郑单958’品种为对照组，80%～100% ET灌溉水平下的‘西蒙6号’、‘沈单10号’、‘秋乐126’、‘农华101’和‘京科958’品种为处理组，对比分析80%～100% ET灌溉水平下不同品种对玉米的水分利用效率及产量的影响，得到不同品种玉米水分利用效率及产量的Meta-Analysis分析结果(表6)。可知：品种处理组水分利用效率的合并效应值SMD=1.84，表6中处理组产量的合并效应值SMD=1.69，说明处理组品种整体的水分利用效率及产量都要高于对照组也就是‘郑单958’的水分利用效率及产量。但是就‘农华101’与‘郑单958’来看，‘农华101’水分利用效率的效应值SMD=-1.42，表明在此滴灌水平下‘农华101’的水分利用效率低于‘郑单958’的水分利用效率。此外，‘秋乐126’产量的效应值SMD=-0.14，即‘秋乐126’的产量低于‘郑单958’的产量。

对品种的水分利用效率及产量的Meta-Analysis分析进行异质性检验，水分利用效率的异质性检验结果为

I

=73%(50%<73%<75%)，表明研究有中度的异质性；产量的异质性检验结果为

I

=65%(50%<65%<75%)，表明研究有中度的异质性。

3 讨 论

已知有关玉米节水增产的研究都是在某一特定区域展开的，由于不同的区域、气候和田间管理措施都有所差异，研究之间缺少综合分析，所得结果的参考性不强；虽然有研究进行了综合分析讨论，也是定性分析偏多，缺乏定量分析。此外，开展田间试验费时费力，重新设计试验并逐一实施的可行性较差。因此，有必要利用目前已发表的田间独立试验的研究结果，系统采取科学统计学方法对灌溉量、灌溉方式等因素对玉米水分利用效率及产量的影响进行综合定量分析。

本研究的Meta-Analysis分析结果发现，玉米水分利用效率的效应值随灌溉水平的降低呈现先增大后减小的趋势，并在80%～100% ET的灌溉水平下水分利用效率的效应值最大，此灌溉水平下产量的效应值也较高。总体上看，不同灌溉水平对玉米产量效应值的影响不大，特别是80%～100% ET和100%～120% ET这2个灌溉水平下产量的效应值相差不多，然而水分利用效率的效应值差异却十分明显；过高或过低的灌溉水平均不利于玉米产量的提升，也不利于玉米水分利用效率的提高。本结论与王东等在葡萄滴灌量研究中得出的结论相似。赛力汗·赛等研究新疆冬小麦灌溉量对产量形成与水分利用的影响也得出了类似的结论，即冬小麦籽粒产量和水分利用效率随滴灌量的增加呈现“先升后降”趋势。因为过量灌溉下的土壤环境条件会受到破坏，土壤通透性变差，也易造成养分流失；而过低的滴灌量又不能满足作物正常的生长需求。因此在节约农业用水、提高农业用水效率的背景下，采用80%～100% ET的灌溉水平进行灌溉，既能保证较高的玉米产量，又可以提升玉米的水分利用效率。

表6 不同品种玉米水分利用效率及产量的Meta-Analysis分析结果
Table 6 Results of Meta-Analysis on water use efficiency and yield of maize varieties

项目Item处理组品种Treatment variety对照组品种Control variety效应值SMD95%置信区间95%-CI权重/%Weight西蒙6号Ximeng 6郑单958Zhengdan 9582.11[0.65,3.57]23.8沈单10号Shendan 10郑单958Zhengdan 9582.39[0.37,4.41]20.6水分利用效率Water use efficiency秋乐126Qiule 126郑单958Zhengdan 9582.64[0.69,4.58]21.0农华101Nonghua 101郑单958Zhengdan 958-1.42[-3.30,0.45]21.4京科958Jingke 958郑单958Zhengdan 9584.53[1.03,8.04]13.2合并 Merge1.84[0.10,3.58]100.0西蒙6号Ximeng 6郑单958Zhengdan 9581.31[0.06,2.55]27.2沈单10号Shendan 10郑单958Zhengdan 9582.36[0.35,4.38]20.4产量Yeild秋乐126Qiule 126郑单958Zhengdan 958-0.14[-1.41,1.12]27.0农华101Nonghua 101郑单958Zhengdan 9582.31[0.05,4.56]18.5京科958Jingke 958郑单958Zhengdan 9586.70[1.82,11.57]6.9合并 Merge1.69[0.26,3.12]100.0

在以往分析不同灌溉方式对玉米水分利用效率与产量的研究中，不同灌溉方式下其灌溉水平不尽相同，因此为探究在80%～100% ET的灌溉水平下滴灌方式对玉米水分利用效率及产量的影响是否优于其他灌溉方式，本研究进一步分析了在80%～100% ET的灌溉水平下，不同灌溉方式对玉米水分利用效率及产量的影响。结果显示采用滴灌的方式可以保证较高的水分利用效率效应值及产量效应值，说明滴灌方式的节水增产的效果最好，与已有研究结果一致。采用漫灌的方式得到的水分利用效率效应值及产量效应值最差。畦灌水分利用效率的效应值较低，而产量的效应值较高；沟灌水分利用效率的效应值较高，而产量的效应值较差。王芳等研究发现宁夏枸杞滴灌模式下水生产率较漫灌提高了112.12%，但2种模式下的枸杞产量无明显差异；宜丽宏等对山西省冬小麦进行灌溉模拟同样发现滴灌比漫灌的水分利用效率及产量都要高，节水高产效果显著。因为滴灌少量多次的特点，土壤蒸发和深层渗漏都较漫灌要小，土壤环境、土壤通透性也好，所以采用滴灌方式的水分利用效率要高，产量也可以得到保证。

同时在80%～100% ET的灌溉水平的基础上，本研究探索了不同品种对玉米水分利用效率与产量的影响。结果显示：以‘郑单958’为对照，‘西蒙6号’、‘沈单10号’、‘秋乐126’和‘京科958’的水分利用效率效应值都比对照品种的水分利用效率效应值要高；‘农华101’的水分利用效率效应值则低于对照品种的水分利用效率效应值。‘西蒙6号’、‘沈单10号’、‘农华101’和‘京科958’的产量效应值都比对照品种的产量效应值要高；‘秋乐126’的产量效应值则低于对照品种的产量效应值，‘京科958’得到的水分利用效率的效应值及产量的效应值均最高。因此，在 80%～100% ET的灌溉水平下，不同品种对玉米水分利用效率及产量的影响不可忽视，而‘种植京科958’的节水增产效果最好。品种的差异对玉米水分利用效率及产量都有影响，但是对比灌溉方式对玉米水分利用效率及产量的影响来看，品种间的差异不及灌溉方式对玉米水分利用效率及产量的影响大。在研究玉米节水增产时，应优先考虑灌溉方式对玉米水分利用效率及产量的影响。综上所述，采用滴灌灌溉方式种植品种为‘京科958’的玉米，并使滴灌水平控制在80%～100% ET水平，则所获得的玉米节水高产效果最优。

本研究利用Meta-Analysis探讨了不同滴灌水平、同等灌溉水平下不同灌溉方式、品种对玉米水分利用效率与产量的影响，异质性结果显示均有中低度的异质性，但均满足

I

≤75%，表明结果满足异质性检验。中低度的异质性结果说明虽然制定了统一的文献纳入标准，但是各个田间试验的处理、土壤、气候等因素仍存在差异性，也就导致了结果出现了一定的异质性。

4 结 论

本研究通过对21篇文献的94组玉米灌溉方式、灌溉水平和品种方面的数据进行Meta-Analysis分析，结果表明玉米水分利用效率的效应值随灌溉水平的降低呈现先增大后减小的趋势，在80%～100% ET的灌溉水平下水分利用效率的效应值最大，此时灌溉水平下产量的效应值也较高。同时，在此灌溉水平下滴灌的水分利用效率与产量确实优于其他灌溉模式，并且种植‘京科958’节水高产的效果最优。因此，建议在我国北方灌溉区域(35°～45° N，100°～125° E)采用滴灌灌溉方式，能够增产节水。同时使滴灌水平控制在80%～100%的ET，节水增产的效果更优。