近日，Scientia Horticulturae在线发表了中国科学院大学水土保持与生态环境研究中心张林课题组题为Optimizing
water-fertilizer integration with drip irrigation management to improve crop
yield, water, and nitrogen use efficiency: A meta-analysis study的研究论文。
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论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.scienta.2024.113653
粮食安全是一个长期困扰人类的全球性难题。在过去的一个世纪里，氮肥的施用使得农户可以大幅度增加粮食产量。随着肥料的常年使用，肥料带来的增产效益不再明显。但农民仍粗放的增加肥料用量，以提高从增产中获得的经济收益，由此带来了无法预测的环境恶化。因此，发展节水灌溉新技术，改善农业技术和管理措施，可以最大程度地抵消资源滥用带来的负面影响。特别是，滴灌水肥一体化( WFIDI )作为一种高效节水灌溉技术，可将水肥液均匀、准确地输送到作物根部，是水肥增效、作物增产的关键措施之一。然而以往的研究局限于单一的作物、地区和管理措施，导致研究结果差异化、分散化，难以对WFIDI的整体效益进行有效评价。因此，本研究通过Meta分析定量评价WFIDI对氮肥利用率、水分利用效率和作物产量的影响，确定WFIDI适宜的应用策略，并进一步探讨其影响机制。
在本研究中，Meta分析共纳入了84篇论文，其中关于氮肥利用效率（NUE）的有效数据有162对，关于水分利用效率（WUE）的有效数据198对，关于作物产量的有效数据347对。滴灌水肥一体化方式可显著提高NUE、WUE和作物产量，增幅分别为31.3%±3.7%、34.5%±4.2%和12.5%±0.8%。此外，相较于传统的水氮施用方式，滴灌水肥一体化方式可大幅度降低土壤蒸散发（11.5%±3.9%），并对土壤SOC和TN的储存有促进作用，分别为36.4%±12.4%和9.3%±5.4%（图1）。然而，不同条件下NUE、WUE和作物产量的响应具有明显的差异性。有必要利用亚组数据揭示作物种类、土壤质地、滴灌额定流量、施氮量和滴灌方式对NUE、WUE和作物产量的具体影响，以确定滴灌水肥一体化最优的灌溉策略。图1 NUE、WUE、作物产量、ET、SOC和TN对滴灌水肥一体化响应的总体变化与传统的灌水施肥方式相比，滴灌水肥一体化的NUE平均提高了31.3%（95%置信区间为23.5-30.9%）。在所有的研究作物中，粮食作物的NUE增幅最大（38.6%），其次是果树（23.2%）和蔬菜（22.2%）（图2）。而且，NUE的增加幅度很大程度上取决于滴灌额定流量（P< 0.05），其中额定流量为1-2 L/h增幅最大（66.3%）。此外，当施氮量低于传统水氮施用量时，NUE对滴灌水肥一体化的响应显著为正（70.0%），其次是等于（35.3%）和高于（20.2%）传统水氮施用量。最后，三种滴灌方式对NUE皆产生积极影响，其中地下滴灌的增幅最大（47.3%）。与传统的灌溉方式相比，滴灌水肥一体化显著提高了WUE 34.5%（95%置信区间为25.5-33.8%）（图3）。不同作物的WUE影响差异显著（P < 0.05），粮食作物的WUE增幅最大（41.7%），蔬菜（26.5%）和果树（25.7%）次之。此外，较低施氮量可以更大程度的提高WUE（42.6%）。不同滴灌水方式均显著提高WUE（16.3 - 51.7%），其中地下滴灌的促进作用最明显。与传统的水氮施用方式相比，滴灌水肥一体化显著提高了作物产量12.5%±0.8% （图4）。其中，果树增产幅度最大（29.9%），其次是粮食作物（13.7%）和蔬菜（11.6%）。此外，粗、中、细质土壤的产量分别增产17.8%、12.6%和8.0%。而对于不同的滴灌额定流量，≤1 L/h的增产最大（33.8%），其次是≥2 L/h（14.7%）和2-3 L/h（8.6%）。氮肥输入量对产量同样具有显著影响（P < 0.05）。当施氮量等于农民实践施氮量时产量增加20.7%，其次分别施氮量相对较低（8.7%）和较高（8.4%）。作物类型和土壤质地是影响作物产量、WUE和NUE响应比变化的关键因素，分别占总变化的53.0%、59.6%和62.0%。而滴灌额定流量和施氮量是影响作物产量、WUE和NUE响应比变化的重要影响因素，分别占34.8%、35.8%和34.1%。灌溉方式产生的影响最小，对于作物产量、WUE、NUE产生的影响分别为12.2%、4.6%和3.9%。为进一步明确流量与施氮量的关系进行了回归分析。结果表明，产量、WUE和NUE的响应比均随流量增大呈现先增大后减小的变化规律(图6 )。为了协同提高产量、WUE和NUE，WFIDI适宜的流量应选择较低流量(≤1L / h )。同样，当WFIDI中的施氮量保持在相对较低的范围内时，作物产量、WUE和NUE的通常表现为相对较优的响应比。图6 流量( a )和施氮量( b )对作物产量、WUE和NUE响应比的回归分析对数据进行双赢分析（图7）。A区和B区在产量、NUE和WUE上均表现为正响应，其中A区的效应值大于平均值。相反，D区在产量、NUE和WUE方面表现出负响应，建议在实际生产中避免使用。C区和E区对产量、NUE和WUE有部分正响应和负响应，应综合考虑和选择。因此，A区和B区在实践中被认为是目标区。结果显示，对于作物类型，粮食作物更倾向于实现NUE和WUE的效益最大化，效应值占比达80.72
%。对于土壤质地，中等质地土壤的应用效果更好。此外，采用较低的流量和施氮量会取得了较好的效益值，其中，三种灌溉方式中地下滴灌的表现更为出色（表1）。图7 作物产量、WUE和NUE对WFIDI响应的5个区域（ A区和B区是产量、WUE和NUE均为正响应的目标区）（1）总体而言，WFIDI对NUE ( 31.3 % )、WUE ( 34.5 % )和作物产量( 12.5 % )具有正效应，这归因于土壤理化性质( SOC、TN和ETC)的变化，即土壤储存养分的能力变强；（2）采用PCA分析筛选关键影响因素。结果发现，NUE的主要影响因素为作物类型和额定流量( P < 0.05 )。WUE的主要影响因素为作物类型和灌溉方式( P < 0.05 )。产量主要受土壤质地和施氮量的影响( P < 0.05 )；（3）双赢分析结果表明，WFIDI适用在中等质地土壤中种植粮食作物和果树。建议采用较低流量(≤1Lh - 1)和施氮量(比农民传统施氮量低10 ~ 25 %)的地下滴灌方式。 中国科学院大学水土保持与生态环境研究中心张林研究员为该论文通讯作者，硕士研究生杨雪为该论文第一作者。该项目得到国家自然科学基金（52079131）的资助。通讯作者简介：张林，男，博士，中共党员，研究员，博士生导师，从事节水灌溉理论与技术研究。现任国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心副主任、旱区作物高效用水国家工程实验室副主任，兼任中国农用塑料应用技术学会灌溉与节水分会副秘书长，教育部学位与研究生教育发展中心评审专家。主持国家和省部级项目11项，其中国家自然科学基金3项；发表论文100多篇；授权国家发明专利15项；获省部级科技一等奖3项；指导全国大学生科创大赛特等奖2项。
团队研究方向：节水灌溉理论与技术研究。
About Scientia HorticulturaeScientia Horticulturae属农林科学Top期刊，由Elsevier出版社出版，发表果树、蔬菜、观赏植物和食用菌生产等与园艺有关（栽培、育种、生物化学、组织培养、营养学、植物生理学、植物病理学等)的原创论文，综述和短讯等。CiteScore：8.6 ,期刊影响因子：3.9。2023年中科院期刊分区，中科院大类：农林科学2区，Top期刊；中科院小类：园艺2区。JCR分区：Q1 （6/115 Horticulture）。
