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本文通过荟萃分析，揭示节水技术（WST）对稻田氮损失和水稻产量的影响，为农业可持续发展提供依据。
1. 引言
水稻作为重要的主食作物，在保障粮食安全和推动国家经济发展方面发挥着关键作用。随着全球人口的快速增长，亚洲和非洲的大量湿地和低地被用于水稻种植，以满足日益增长的粮食需求。然而，水稻生产的集约化也带来了严峻的环境挑战。
在稻田中，农民常通过施用氮肥来提高水稻产量。氮是植物生长所必需的营养元素，对实现高产至关重要。氮肥的来源包括合成肥料、生物固氮和粪肥等，其中合成氮肥是农民最常用的形式。氮肥施入土壤后，会经历硝化和反硝化等转化过程。硝化过程能产生植物易于吸收的铵（NH4+-N）和硝酸盐（NO3--N），而反硝化过程则会将硝酸盐转化为一氧化二氮（N2O）。
不过，不当的氮肥管理，如施用量超过作物需求或施肥时间与植物需求不同步，往往会导致大量的氮损失。氮素易通过淋溶、径流、挥发和反硝化等途径损失，从而造成环境污染。例如，淋溶和径流会使氮以 NO3--N、NH4+-N 和总氮（TN）等形式迁移到地下水或地表水；挥发和反硝化则会导致氨气（NH3）和 N2O 等气态氮损失，其中 N2O 还是一种强效的温室气体。
水管理对稻田氮损失影响显著。传统的连续淹灌（CF）在整个生长季保持田间水面高于地面 50 - 100 毫米，虽有助于控制杂草和维持产量，但需水量大，且会增加水污染风险。在 CF 灌溉条件下，大量的氮素会通过水或气态途径损失，仅有 10 - 35% 的施氮量能被土壤保留供植物吸收。
近年来，节水技术（WST）如交替湿润和干燥（AWD）、控制灌溉（CI）和浅间歇灌溉（SII）等应运而生。这些技术通过在淹水和非淹水条件之间交替，旨在提高水分利用效率并减少环境影响。AWD 在初始阶段进行淹水（5 - 70 毫米），当土壤表面干燥时再进行淹水；CI 根据土壤饱和含水量（θs）和水稻生长阶段来管理淹水和非淹水条件；SII 则使土壤含水量接近饱和状态。已有研究表明，WST 可减少 16 - 53% 的用水量和一定程度的氮淋溶，但 WST 对氮损失的影响存在不确定性，不同研究结果差异较大，因此需要综合评估 WST 对氮损失的实际影响。
本研究旨在通过荟萃分析，综合评估 WST 对稻田氮损失和水稻产量的影响，具体包括：评估 WST 对氮淋溶（NO3--N、NH4+-N 和 TN）的影响；评估 WST 在减少氮气态损失（NH3和 N2O）方面的潜力；分析 WST 对水稻产量的影响；探讨施肥、水稻幼苗密度、土壤性质和气候条件等因素对 WST 减少氮损失效果的影响。研究结果将为优化水稻系统中的水和养分管理策略提供参考，促进可持续农业发展。
2. 材料和方法
2.1 研究选择
研究人员在 Scopus 和 Web of knowledge 数据库中进行文献检索，检索时未对发表年份和地理位置进行限制，并排除了荟萃分析类文章。检索使用了特定关键词，涵盖氮素损失、水管理、稻田和水稻等相关领域。初步检索得到 921 篇文章，经过标题、摘要和全文筛选后，最终有 38 篇文章符合纳入标准，这些文章包含 182 个观测数据。筛选标准要求研究在稻田中进行，且涉及至少一种氮素成分（NO3--N、NH4+-N、TN、NH3或 N2O）的损失研究，同时需包含至少一种 WST（如 AWD、CI 或 SII），并以 CF 灌溉作为对照处理。
2.2 变量和数据提取
本研究的响应变量包括 NO3--N、NH4+-N、TN 淋溶，NH3挥发，N2O 排放和水稻产量。主要解释变量为 WST 处理，以 CF 灌溉为对照。同时，研究还考虑了施肥实践（如氮肥来源、施用量、施肥频率和施肥方法）、水稻幼苗密度、土壤性质和标准化降水蒸散指数（SPEI）等可能影响 WST 对氮损失效果的调节变量。土壤类型和质地数据直接从文章中获取，若文章未提供，则从美国农业部土壤质地分类数据库中提取；SPEI 数据直接从西班牙国家研究委员会（CSIC）数据库中提取。
研究人员使用 Engauge WebPlotDigitizer Version 4.6 从文章的方法、结果部分以及表格和图表中提取数值数据。对于未明确提供标准差和方差的研究，采用特定的估算方法进行补充。
2.3 统计模型
- 效应大小和方差：使用对数响应比（RR）来估计 NO3--N、NH4+-N、TN 淋溶，NH3挥发，N2O 排放和水稻产量的效应大小。RR 是 WST 处理与 CF 灌溉对照下，给定响应变量的对数比值，其计算公式为 RR = log (Xt/Xc)，其中 Xt和 Xc分别为 WST 和 CF 处理下响应变量的均值。RR = 0 表示 WST 和 CF 灌溉对氮损失或水稻产量的平均影响相似；RR <0 表示 WST 使氮损失或水稻产量降低；RR> 0 则表示 WST 使氮损失或水稻产量增加。采样方差（σ2(RR)）根据每组的标准差、重复数和均值计算。
- 随机效应荟萃分析和森林图：采用随机效应荟萃分析方法，综合多项研究的效应大小，估计 WST 下氮损失和产量的合并效应大小和方差。由于研究间方差具有统计学意义，因此选择随机效应模型。通过异质性检验（Q）的 p 值和统计指标 I2来量化异质性，p 值小于 0.05 表明研究间存在显著异质性，I2值大于 50% 表示异质性较高。森林图用于展示合并研究的结果，每个效应大小用菱形表示，菱形中心为估计值，边界为置信区间，菱形大小由模型权重的平方根决定，反映估计的精度。
- Meta - CART 分析：运用 Meta - CART 分析来解释研究间的显著异质性。该分析考虑了施肥实践、水稻幼苗密度、土壤性质和 SPEI 等多种因素及其相互作用，通过构建树模型，确定影响 WST 对氮损失和水稻产量效应的关键因素和亚组，每个终端节点代表一个独特的亚组，分裂变量为影响因素。
2.4 质量评估
研究数据来源于 Scopus 和 Web of Knowledge 数据库中发表在农学、农业和环境科学领域的科学期刊文章。通过漏斗图和 Egger 不对称检验分析发表偏倚，结果显示各响应变量的不对称检验均无显著偏倚。此外，还对每个响应变量模型采用留一法进行敏感性分析。
3. 结果
3.1 氮损失对节水技术的响应
研究评估了 AWD、CI 和 SII 三种 WST 处理下，与 CF 灌溉对照相比的氮损失情况，包括 NO3--N、NH4+-N、TN 淋溶，NH3挥发和 N2O 排放。结果显示，所有氮损失成分的数据点间存在显著异质性，支持使用随机效应模型。
与 CF 灌溉相比，WST 显著降低了 NO3--N、NH4+-N 和 TN 淋溶，估计的汇总效应大小分别为 -0.33、 -0.43 和 -0.29。具体而言，AWD、CI 和 SII 处理下，NO3--N 淋溶分别降低了 27.7%、30.3% 和 20.6%；NH4+-N 淋溶在 AWD 和 CI 处理下分别降低了 49.3% 和 45.7%，SII 处理下降低了 11.3%。
在气态氮损失方面，WST 与 CF 灌溉下的 NH3挥发相似（RR = -0.02），但 WST 处理下的 N2O 排放显著高于 CF 灌溉（RR = 0.17）。其中，AWD 处理使 N2O 排放显著增加 44.8%，而 CI 和 SII 处理对 N2O 排放的影响与 CF 灌溉相比无显著差异。
3.2 水稻产量对节水技术的响应
研究共收集了 38 项研究中的 137 个水稻产量观测数据。异质性检验表明，收集到的文章结果存在显著差异。估计的汇总效应大小为 0.003，这表明与 CF 灌溉相比，WST 对水稻产量没有显著影响。
3.3 施肥实践、水稻幼苗密度、土壤特征和 SPEI 对 WST 下氮损失的影响
- 施肥实践对氮损失的影响：研究对不同氮肥来源（如尿素、尿素与复合肥结合、尿素与沸石结合、尿素与生物炭结合、控释肥（CRF）和不施氮肥）进行分析，发现 CRF、尿素与生物炭结合以及尿素与复合肥结合处理下，WST 显著降低了 NO3--N、NH4+-N 和 TN 淋溶；而仅施用尿素时，氮淋溶降低幅度较小，且尿素与沸石结合处理下，WST 反而使 NO3--N 淋溶增加。在气态氮损失方面，尿素与复合肥结合和尿素与沸石结合处理显著增加了 N2O 排放，CRF 处理则使 N2O 排放略有降低，各处理下 WST 与 CF 灌溉的 NH3挥发无显著差异。
氮施用量也会影响氮损失。在低氮施用量（[0, 135] kg N ha-1）下，WST 使 NO3--N 和 TN 淋溶分别降低 30.3% 和 18.2%；在高氮施用量（] 225, 500] kg N ha-1）下，降低幅度更大，分别为 47.8% 和 32.2%。但在低氮施用量下，WST 对 N2O 排放无显著影响，而在中等氮施用量（] 135, 225] kg N ha-1）下，N2O 排放显著增加。
施肥方法同样对氮损失有影响。与 CF 灌溉相比，定点施肥在 WST 下降低了 NO3--N 淋溶和 N2O 排放，而撒施则使 N2O 排放显著增加。此外，肥料的分次施用次数也与氮淋溶相关，一次和两次施肥时，WST 显著降低了 NO3--N 和 TN 淋溶，三次施肥时则无显著差异。
- 水稻幼苗密度对氮损失的影响：将水稻幼苗密度分为 [10,25] plants m-2和] 25, 45] plants m-2两类进行分析。结果表明，在高幼苗密度（] 25,45] plants m-2）的稻田中，WST 降低 NO3--N 淋溶的效果比低幼苗密度（[10,25] plants m-2）的稻田高 2.19 倍。然而，高幼苗密度下，WST 使 N2O 排放增加的幅度（52%）也大于低幼苗密度下的增加幅度（21%）。Meta - CART 分析进一步证实，水稻幼苗密度是影响 TN 淋溶的关键因素，高幼苗密度下 WST 对 TN 淋溶的降低效果更显著。
- 土壤类型、土壤质地和 SPEI 对稻田氮损失的影响：研究分析了四种土壤类型（软土、始成土、淋溶土和新成土）和五种土壤质地（壤土、粘土、粘壤土、砂壤土和粉质粘壤土）。结果显示，在所有土壤类型、质地和 SPEI 类别下，WST 均显著降低了 TN 淋溶，但不同土壤质地的 TN 淋溶降低幅度存在差异，砂壤土中降低幅度最大（41.7%），粘土中最小（11.3%）。在 N2O 排放方面，在淋溶土中，WST 显著增加了 N2O 排放，而在软土和始成土中无显著差异。
根据 SPEI 分类，在所有类别下，WST 均降低了 TN 淋溶。在中等湿润条件（SPEI：] 0.99, 1.49]）下，WST 显著降低了 N2O 排放；而在正常至严重干旱条件（SPEI ≤ 0.99）下，WST 则使 N2O 排放增加。
4. 讨论
4.1 节水技术下氮淋溶损失
以往研究表明，氮淋溶与水管理实践密切相关。WST 减少氮淋溶的关键在于减少了水的输入，降低了灌溉频率和实施排水管理，从而减少了淋溶水的体积，降低了 NO3--N 淋溶到地下水的风险。本荟萃分析结果显示，与传统 CF 灌溉相比，WST 使 NH4+-N、NO3--N 和 TN 淋溶分别降低了 35%、28.2% 和 25.2%。
此外，WST 下的有氧条件增强了亚硝化单胞菌和硝化杆菌的活性，促进了 NH4+-N 向 NO3--N 的转化，减少了土壤中可利用的 NH4+-N，而 CF 灌溉的厌氧环境限制了硝化作用，导致 NH4+-N 浓度较高。不同类型的 WST 对氮淋溶的降低程度不同，AWD 和 CI 在减少 NH4+-N 和 NO3--N 淋溶方面比 SII 更有效，这与它们降低灌溉阈值和增加积水深度，从而减少排水体积有关。
4.2 节水技术下气态氮损失
NH3挥发受土壤含水量和土壤中 NH4+-N 可用性的影响。以往研究对 WST 下 NH3挥发的结果存在差异，有的研究表明 WST 会增加 NH3挥发，有的则显示会降低。本荟萃分析发现，WST 与 CF 灌溉下的 NH3挥发无显著差异，这表明土壤类型、施肥方法和环境条件等因素对 NH3挥发的影响比灌溉制度更为显著。
WST 下 N2O 排放显著高于 CF 灌溉，其中 AWD 处理下的 N2O 排放最高。这是由于 WST 的干湿交替过程促进了硝化 - 反硝化循环，增强了反硝化作用，导致 N2O 排放增加。此外，土壤有机质分解增强、土壤氧化还原电位改善和 N2O 生成加速等因素也与 N2O 排放增加有关。因此，在应用 WST 时，需要采取策略来减少温室气体排放。
4.3 影响氮损失的潜在因素
- 肥料管理：肥料的来源、施用量和施肥方法对氮损失有显著影响。CRF 作为氮肥来源，能有效降低 NO3--N、NH4+-N 和 TN 淋溶，
这是因为 CRF 能减缓并控制可硝化氮的释放，减少反硝化作用，从而降低氮素转化为气态氮的量。生物炭与尿素结合也能显著降低 NO3--N 淋溶，这得益于生物炭能改善土壤理化性质、提高养分利用效率和土壤保水性。
然而，尿素与复合肥（Urea + CF）或沸石（Urea + Zeolite）混合使用时，会显著增加 N2O 排放。其中，沸石会促进土壤中的反硝化过程，导致 N2O 排放增多。
氮素损失还与稻田中氮肥的施用量密切相关。当氮肥施用量超过 225 kg N ha-1时，WST 相较于 CF 灌溉，能更显著地降低 NO3--N 和 TN 淋溶，降幅分别达到 47.8% 和 32.2% ；而在施用量低于 200 kg N ha-1时，降幅相对较小。这表明在高氮肥施用量下，WST 在减少氮淋溶方面更具优势。但高氮肥施用量会使稻田渗滤液中的氮浓度增加，凸显了优化氮肥用量与 WST 结合的重要性。
施肥方法对 N2O 排放影响明显。撒施肥料会使 N2O 排放增加 33.6%（RR = 0.29），而深层施肥则可减少 11.3%（RR = -0.12）。深层施肥能有效减少 N2O 排放，而撒施会导致氨态氮在水中积累，增加 NH3挥发和 N2O 排放。
- 水稻幼苗密度和土壤质地：在使用 WST 替代 CF 灌溉时，高水稻幼苗密度（] 25, 45] plants m-2）稻田中 NO3--N 淋溶的减少效果比低幼苗密度（[10, 25] plants m-2）稻田高 2.19 倍。这是因为高种植密度下，单位面积内植株数量增多，水稻根系更加密集，能吸收更多土壤中的养分并转运到地上部分，提高了氮素利用效率，减少了土壤中残留的可淋溶氮。同时，WST 减少了土壤水分运动，进一步限制了 NO3--N 淋溶。
在不同土壤质地方面，WST 在砂壤土中降低 TN 淋溶的效果比粘土高 3.97 倍。砂壤土质地粗糙，保水能力差，排水速度快，WST 能有效限制水分携带氮素离开根区，从而更显著地减少氮淋溶。而粘土保水能力强，长时间处于饱和状态，使得 WST 在减少氮损失方面效果相对较弱。目前，关于不同水管理实践下水稻幼苗密度对氮损失影响的对比研究较少，这是一个有待填补的研究空白。
4.4 节水技术对水稻产量的影响
水稻产量是农民关注的重点，许多农民因期望高产而倾向于选择 CF 灌溉。已有研究和本荟萃分析均表明，WST 与 CF 灌溉在水稻氮吸收、地上生物量和产量方面无显著差异。不过，也有部分研究存在不同结果，有的显示 WST 能增加水稻产量，有的则表明 WST 会导致产量降低。水稻产量受多种因素综合影响，包括作物管理实践、气候条件、土壤特性、土壤水力参数和作物遗传特性等。近年来，耐水胁迫水稻品种的发展可能是 WST 与 CF 灌溉产量无显著差异的原因之一。这表明 WST 在实现节水的同时，不会降低水稻生产力，为水稻种植提供了一种可行的替代方案。但仍需进一步研究 WST 对不同水稻品种和在不同环境条件下的长期影响，以优化其应用效果。
4.5 荟萃分析中的研究数量和数据质量
在荟萃分析中，研究数量是评估结果质量的重要标准。本研究最初检索到 921 篇文章，但经过筛选，最终仅保留了 38 篇包含 182 个观测数据的文章。这反映出关于水管理实践（WST 和 CF 灌溉）对稻田氮损失影响的高质量定量研究相对匮乏。不过，研究数量并非唯一决定荟萃分析结果可靠性的因素，数据点对的数量（自由度）同样对模型选择和结果的统计效力有重要影响。
本研究通过漏斗图、Egger 不对称检验和异质性检验（Q 统计量）等方法对数据质量进行了检查，以避免因研究数量少可能带来的局限性（如发表偏倚）。结果显示，本研究不存在显著的发表偏倚，这表明研究结果具有一定的可靠性。
5. 结论
节水技术（WST）为稻田灌溉提供了一种可持续的替代方案，尤其在高氮肥施用量和高幼苗密度的系统中，能有效减少氮损失。将 WST 与养分管理策略（如控释肥和定点施肥）相结合，有助于缓解 WST 导致的高 N2O 排放问题，并增强其减少氮淋溶的效果。重要的是，WST 不会显著影响水稻产量，兼顾了环境和农业的可持续性。
未来的研究应聚焦于优化相关实践，如确定最佳的幼苗密度、探索替代氮肥以及研究它们与 WST 的组合应用。此外，开展成本效益分析对于验证这些技术在不同地区条件和农业系统中的经济可行性至关重要，这将有助于推动 WST 在农业生产中的广泛应用。
