控释氮肥提高我国棉花产量和纤维品质的元分析

占亚楠

（开封市农林科学研究院，河南 开封 475004）

棉花是重要的经济作物，在世界及我国国民经济中占据重要地位。棉花生产中存在栽培环节复杂、用工多、化肥投入多、植棉效益低等突出问题。化肥在提高作物产量和保持土壤肥力方面发挥重要作用，特别是氮肥的投入是显著提高作物产量的1 个主要因素[1]。然而，肥料施用方法、施用时间和施用量不当，易影响施入土壤后的化肥养分转化，导致棉花的肥料利用率下降、植棉效益降低，同时造成环境污染[2-3]。

许多类型的新型肥料，如脲酶抑制剂、硝化抑制剂和缓释/ 控释氮肥已被研发作为传统肥料的替代品[4]。利用控释氮肥在提高我国肥料利用率、降低环境污染和减少劳动力投入等方面具有巨大潜力[5]。研究表明，控释氮肥可以控制养分元素的释放速率，而且随着产品迭代，控释氮肥的技术含量会越来越高，施用效果会越来越好[6]。

但是受到气候条件、土壤类型、肥料施用技术和肥料产品质量等因素的影响，出现相关研究结果不一致的现象。元分析（Meta-analysis）可以针对多个同类研究数据进行汇总分析[7]，弥补单点研究的不足，从总体估计效应值大小。例如，Zhang 等[8]进行了1 项基于全球数据的元分析探讨了聚合物包被尿素对玉米产量和氮吸收利用的影响，研究发现施用控释尿素条件下，玉米产量和氮肥利用率的平均相对变化率分别为5.3%和24.1%。Tian 等[9]的元分析表明施用控释尿素提高了我国棉花产量和氮肥利用率，其平均相对变化率分别为9.8%和19.4%。但关于控释氮肥对植棉净收益和纤维品质的总体影响尚未见报道。因此，本研究拟利用元分析估算施用控释氮肥后籽棉产量、纤维品质、氮肥利用率和植棉净收益的总体变化幅度，分析籽棉产量对不同土壤理化性质的响应差异，为合理施用控释氮肥，提高籽棉产量和植棉效益以及实现棉花轻简化栽培提供科技支撑。

1 材料与方法

1.1 文献收集

在Web of Science（https://www.webofscience.com）和中国知网（https://www.cnki.net/）数据库中，以“控释（controlled-release）”或（or）“缓释（slow release）”或（or）“聚合物包膜（polymer-coated）”或（or）“树脂包膜（resin-coated）”和“棉花（cotton）”为关键词，对2000 年1 月1 日－2020 年12 月31 日公开发表的期刊文献进行详细检索，对每篇文献的标题和摘要进行评估，以确定它们是否包含本研究拟分析的响应变量（籽棉产量、植棉净收益、氮肥利用率和棉花纤维品质）的原始数据。

对收集到的文献进行如下筛选和数据整理：（1）试验中必须有严格的处理和对照，处理组为施用控释氮肥，对照组为施用常规肥料，其他因素（如栽培管理条件、土壤理化性质等）在同一研究中必须一致；（2）土壤相关数据均是0～20 cm 耕层基本理化性质；（3）1 篇文章出现多个独立试验时，每个试验被视为1 个独立研究；（4）1 篇文献包含多年的结果时，全部数据均收集；（5）数据均来自大田试验。最终筛选获得35 篇文献[10-44]，共计126 对数据。

1.2 数据整理

对每篇文献中响应变量（籽棉产量、植棉净收益、氮肥利用率和棉花纤维品质）的测定数据进行提取整合，包括对照和处理的平均值、标准差（standard deviation，SD）和样本量（n）。对于以表格形式展示的数据，直接提取；对于以图片形式表示的数据，用GetData 软件将其数字化后提取。同时，记录土壤的基本理化性质（有机质、全氮、有效氮、有效磷和速效钾的含量以及pH）。

将土壤基本理化性质数据进行分组。土壤有机质含量分为4 个水平：（1）＜10 g·kg－1；（2）10～＜15 g·kg－1；（3）15～＜20 g·kg－1；（4）≥20 g·kg－1。土壤全 氮 含 量 分 为5 个 水 平：（1）＜0.5 g·kg－1；（2）0.5 ～＜0.8 g·kg－1；（3）0.8 ～＜1.0 g·kg－1；（4）1.0～＜1.5 g·kg－1；（5）≥1.5 g·kg－1。土壤有效氮含量分为5 个水平：（1）＜25 mg·kg－1；（2）25～＜50 mg·kg－1；（3）50～＜75 mg·kg－1；（4）75～＜100 mg·kg－1；（5）≥100 mg·kg－1。土壤有效磷（P2O5）含量分为5 个水平：（1）＜10 mg·kg－1；（2）10～＜20 mg·kg－1；（3）20～＜30 mg·kg－1；（4）30～＜40 mg·kg－1；（5）≥40 mg·kg－1。土壤速效钾（K2O）含量分为4 个水平：（1）＜100 mg·kg－1；（2）100～＜150 mg·kg－1；（3）150～＜200 mg·kg－1；（4）≥200 mg·kg－1。土壤pH 分为4 类：（1）酸性 （＜6.5）；（2）中性（6.5～＜7.5）；（3）弱碱性（7.5～＜8.5）；（4）强碱性（≥8.5）。

1.3 数据分析

本研究中使用MetaWin 2.0 软件进行元分析。元分析的结果是该处理下的测定指标相对于对照的变幅大小，经过自然对数（lnN，N＞0）转换得到的响应比（RRx）：RRx=ln（Xt／Xc）＝lnXt－lnXc。式中，Xt与Xc分别表示处理和对照（如籽棉产量）的平均值。如果RRx＜0，说明施用控释氮肥会降低籽棉产量；若RRx＞0，则表明施用控释氮肥会增加籽棉产量；如果RRx＝0，则说明施用控释氮肥对籽棉产量无影响。对于在对照和施用控释氮肥处理中均添加常规肥料的研究，Xt是“控释氮肥和常规肥料”处理下的平均值，Xc是“常规肥料”处理下的平均值。

响应比的变异（θ）由以下公式计算：

式中，St和Sc分别为处理和对照的标准差，nt和nc分别为处理和对照的样本量（试验的重复次数）。

本研究采用随机效应模型研究控释氮肥对籽棉产量、氮肥利用率、植棉经济效益和纤维品质等的影响。如果研究指标的平均效应值的95%置信区间（confidence interval，CI）包含“0”，则认为控释氮肥对该指标无显著影响；反之，若平均效应值的95%置信区间不包含“0”，则说明控释氮肥对该研究指标有显著影响[9]。为了更直观地比较效应的大小，将响应比转化为更为直观的平均相对变化率（E），转化公式如下：E＝（eRRx－1）×100%。

为了进一步分析籽棉产量的响应比（RRx）与土壤基本理化性质的关系，绘制了变量（土壤有机质含量、全氮含量、有效氮含量、有效磷含量、速效钾含量和pH）与籽棉产量响应比的散点图，对散点图进行线性拟合，以更直观地展示整体变化趋势，并计算了皮尔逊相关系数（r）及其在0.05 水平下相关系数的显著性。由于其数据量较小，植棉净收益、氮肥利用率和棉花纤维品质不进行分组分析。利用Origin Pro 2018 软件作图。

2 结果与分析

2.1 籽棉产量、植棉净收益、氮肥利用率和纤维品质对控释氮肥的总体响应

元分析结果（图1）表明，在不同的气候条件、土壤理化性质、栽培管理措施和棉花品种情况下，与常规施肥处理相比，施用控释氮肥下，籽棉产量、植棉净收益和氮肥利用率的平均相对变化率分别为10.1%、23.5%和17.5%；而纤维上半部平均长度、长度整齐度指数、马克隆值、断裂比强度和断裂伸长率的平均相对变化率较小，分别为1.7%、0.6%、4.6%、3.3%和1.9%。可以看出，植棉净收益的置信区间较大，研究样本容量较小。

图1 施用控释氮肥对籽棉产量、植棉净收益、氮肥利用率和纤维品质的影响

2.2 不同土壤理化性质下控释氮肥对籽棉产量的影响

从不同土壤理化性质下籽棉产量的平均相对变化率来看，施用控释氮肥均对籽棉产量有显著的正效应（图2）。

图2 不同土壤基本理化性质下籽棉产量的平均相对变化率

在分析各组内的籽棉产量平均相对变化率时，由于受到不同组的样本容量大小的限制，需要结合籽棉产量响应比（RRx）与不同土壤理化性质指标线性拟合的结果（图3）来分析其增产效果。结果表明：在较低的土壤有机质含量、较高的土壤全氮含量、土壤有效氮含量为25～50 mg·kg－1、土壤有效磷含量为20～30 mg·kg－1、土壤速效钾含量为150～200 mg·kg－1、土壤pH 为弱碱性时，控释氮肥对籽棉产量的增产效果较好。图3 的线性拟合结果表明：土壤有机质含量、有效磷含量及速效钾含量与籽棉产量响应比拟合直线的相关系数不显著；而土壤全氮含量、有效氮含量和pH 与籽棉产量响应比拟合直线的相关系数显著，其中土壤全氮含量、土壤pH 与籽棉产量响应比呈显著正相关关系，土壤有效氮含量与籽棉产量响应比呈显著负相关关系。

图3 籽棉产量响应比与土壤基本理化性质之间的关系

3 讨论与结论

3.1 控释氮肥对籽棉产量、植棉净收益、氮肥利用率和纤维品质的影响

本研究元分析结果显示在施用控释氮肥条件下，籽棉产量和氮肥利用率的平均相对变化率分别为10.1%和17.5%，与Tian 等[9]研究报道的增幅相差不大，进一步说明控释氮肥对棉花产量和氮肥利用率有促进效应。我国常规氮肥当季利用率只有30%～50%，投入的氮肥中约有45%被浪费，且给生态环境带来很大风险[45]。控释氮肥通过调整主要原料用量及缓释剂用量来调控肥料养分的释放性能，可以做到肥料的释放量与作物的需求基本同步[46]，在同等施肥量下可增产10%以上，在获得相同产量水平下可节肥20%～30%[47]。研究表明施用棉花专用控释氮肥可以做到有效并持续地供应棉花生长发育所需的养分，使氮肥利用率提高12.59%[48]，略低于本研究的结果（17.5%），可能与目前控释氮肥的质量良莠不齐有关，这也印证了控释氮肥可在一定程度上提高肥料利用率。施用控释氮肥利于协调棉花的营养生长和生殖生长[38]，使棉株前期长势稳健，提高群体光合效率[25]，有利于氮肥的吸收和棉株干物质的积累，降低蕾铃脱落率，增加铃重和衣分[49]；可提高伏桃和早秋桃的比例[50]，延长开花成铃有效期，提高籽棉产量[26]，实现节肥增效增收[19]。

棉花纤维品质受品种遗传因素、气候条件、土壤性质和栽培管理等因素的综合影响。李学刚等[51]研究表明棉花控释专用肥能显著增加伏桃和早秋桃的纤维上半部平均长度、断裂比强度、马克隆值和成熟度，这和本研究元分析的结果一致；但由于棉花纤维品质主要由遗传因素决定[52]，所以本研究结果显示纤维品质的平均相对变化率较小（图1）。控释氮肥可在棉花生长发育中后期有效供应养分，延缓棉株衰老速度，增加纤维次生壁厚度，显著增加棉纤维长度、断裂比强度和成熟度，改善马克隆值，更好地发挥单株生产潜力，最终达到高产优质的效果[53-54]。研究表明由于对棉花产量的提高、纤维品质的改善和减肥增效效果，施用控释肥较施用常规肥料的植棉净收入增加10%～40%[55]，这也印证了本研究元分析结果的可靠性。

3.2 不同土壤理化性质下控释氮肥对籽棉产量的影响

对于有机质含量较低（＜20.0 g·kg－1）的土壤，施用控释氮肥对籽棉产量的影响大于土壤有机质水平较高的土壤（图2）；而且随着土壤有机质含量的增加，控释氮肥对籽棉产量的影响呈减小趋势（图3），这与Tian 等[9]的研究结果一致。土壤有机质是农业生态系统的重要组成部分，经微生物分解后释放养分供作物利用，在保持土壤团粒结构和蓄水保墒能力以及减少养分淋溶方面发挥重要作用[56]。因为有机质含量较低的土壤通常具有有限的水分和养分保持能力，而控释氮肥释放氮素的速率较慢，可减少氮的流失。本研究发现土壤全氮含量与籽棉产量响应比呈显著正相关关系（图3）。一般土壤全氮含量较高的土壤，有机质含量也高，土壤较肥沃，所以在基础肥力好的高产棉田施用控释氮肥后会产生正向叠加效果，更好地满足棉花生长发育中后期的养分需求[32]。若土壤有效氮含量高，自身就可以满足棉花生长发育中后期的养分需求，所以籽棉产量响应比随土壤有效氮含量的增加而降低（图3）。一般土壤有效磷含量＞20 mg·kg－1时，棉花不会表现出缺磷症状[57]。但本研究发现土壤有效磷含量为20～30 mg·kg－1时，施用控释氮肥的增产效果更好（图2），但籽棉产量响应比与土壤有效磷含量的线性拟合关系不显著（图3）。土壤速效钾含量为150～200 mg·kg－1时，施用控释氮肥的增产效果更好（图2），但土壤有效磷含量与籽棉产量响应比的线性拟合关系也不显著（图3）。研究表明土壤pH 是影响NH3排放的主要因素。当土壤偏碱性时，普通肥料中的NH3会大量流失；而控释氮肥的疏水涂层材料可有效地防止尿素与土壤水分的直接接触[9]。因此，施用控释氮肥能够延缓NH3的挥发，提高氮肥利用率，增加籽棉产量。在偏碱性土壤中，控释氮肥提高籽棉产量的潜力更大，这可能与控释氮肥的养分缓释特性有关。