范學科， 張寶林， 鄭愛泉

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學院， 陜西 楊凌 712100； 2.貴州農(nóng)業(yè)職業(yè)學院， 貴州 貴陽 551400)

小麥和玉米是我國的主要糧食作物，其產(chǎn)量分別約占全國糧食總產(chǎn)量的20.91%和35.63%。雖然我國的糧食生產(chǎn)在近幾十年已經(jīng)取得巨大進步，但是隨著人口增加和城鎮(zhèn)化的推進，我國仍然面臨著嚴峻的糧食危機問題。水資源短缺是限制我國小麥和玉米生產(chǎn)的重要因素，并引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問題。減少作物棵間的無效蒸發(fā)是提高水分利用效率的主要途徑之一[1]，在作物生育期間進行地面覆蓋可有效減少作物的無效耗水量。地面覆蓋除能減少土壤蒸發(fā)外，還具有調(diào)節(jié)地溫[2]和減少雜草發(fā)生的作用[3]。因此，地面覆蓋可作為節(jié)水增產(chǎn)的一項重要技術(shù)。QIN等[4]研究認為，塑料薄膜覆蓋下的玉米籽粒產(chǎn)量、水分和氮素利用效率較無覆蓋的均提高60%左右。GAO等[5-6]報道，塑料薄膜覆蓋能夠顯著提高甘肅地區(qū)玉米的根重密度、根長密度和根直徑，顯著增加0～170 cm層的土壤含水量，從而使玉米的籽粒產(chǎn)量提高70%～90%。CHEN等[7]報道，陜西地區(qū)塑料薄膜覆蓋小麥的籽粒產(chǎn)量和水分利用效率較不覆蓋分別增加35%和25%，而作物耗水量僅增加8%。雖然地膜覆蓋表現(xiàn)出巨大的增產(chǎn)潛力，但是廢舊地膜對農(nóng)田和環(huán)境產(chǎn)生了嚴重危害。廢舊地膜嚴重破壞土壤結(jié)構(gòu)，削弱土壤的耕作能力[8]。與不覆蓋相比，地膜覆蓋下土壤的塑化劑鄰苯二甲酸酯(PAEs)含量顯著升高[9-10]。PAEs可以通過植物富集作用進入食物鏈，給人體和環(huán)境帶來潛在危害[11-12]。因此，尋求地膜的替代物以減少對環(huán)境的危害成為亟需解決的問題。與普通地膜相比，可降解膜的增溫保墑和增產(chǎn)效應較差，并且成本較高，且降解膜的降解性能還與環(huán)境條件密度相關(guān)，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應用較少。關(guān)于秸稈覆蓋對小麥和玉米籽粒產(chǎn)量的影響已經(jīng)有較多研究報道[3-4，13]，但是秸稈覆蓋對小麥和玉米籽粒產(chǎn)量的影響因地域、氣候、作物種類及栽培措施等不同而存在較大差異[14]。因此，探明影響秸稈覆蓋效應的因素對該措施在節(jié)水栽培中的應用推廣具有重要意義。

常規(guī)單個地點的試驗由于研究尺度小，受地區(qū)氣候和土壤等因素影響較大，試驗結(jié)果差異較大，不能從區(qū)域尺度的角度說明覆蓋對小麥和玉米產(chǎn)量的影響程度。整合分析法(Meta-analysis, Meta)是一種對同一主題下的多個獨立研究結(jié)果進行統(tǒng)計分析的方法，可通過量化不同研究結(jié)果效應系統(tǒng)分析指定措施的綜合效應及其影響因素。該方法自20世紀90年代初被引入生態(tài)學領(lǐng)域以后，已在農(nóng)業(yè)研究中廣泛應用[15-25]。銀敏華等[26]應用Meta分析方法定量研究可降解膜覆蓋對玉米產(chǎn)量的影響認為，在高海拔、低氣溫區(qū)域，平作和使用0.008 mm厚度降解膜有利于玉米產(chǎn)量的提高。李昊等[27]應用Meta方法分析近30年地膜覆蓋對棉花的增產(chǎn)效應認為，覆蓋地膜能在一定程度上提高棉花產(chǎn)量，但是其增產(chǎn)率呈下降趨勢。雖然單地點的覆蓋措施對小麥和玉米產(chǎn)量的影響已有較多研究，但是仍然缺少覆蓋措施影響因素的量化分析和系統(tǒng)研究。為此，通過收集國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫收錄的關(guān)于中國小麥和玉米覆蓋措施的文獻資料，運用Meta分析方法，定量對比分析塑料薄膜覆蓋和秸稈覆蓋在國內(nèi)不同區(qū)域、作物種類、播種方式及耕作方式等對小麥和玉米籽粒產(chǎn)量影響特征，旨在明確秸稈覆蓋對我國小麥和玉米籽粒產(chǎn)量的影響及最佳施用條件，為小麥和玉米的高產(chǎn)節(jié)水栽培提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及處理

數(shù)據(jù)來自Web of Science和中國期刊論文數(shù)據(jù)庫(CNKI，中國)。以覆蓋(mulch)、小麥(wheat)、玉米(maize/corn)和產(chǎn)量(yield)為關(guān)鍵詞，檢索2庫收錄的近30年發(fā)表的我國覆蓋措施與作物產(chǎn)量的相關(guān)文獻；以必須是田間試驗(排除室內(nèi)盆栽和防雨棚旱池等)，必須有對照(對照為不覆蓋傳統(tǒng)栽培)，覆蓋材料為薄膜和秸稈，對不同文獻報道的同一試驗數(shù)據(jù)只納入其中1次為篩選標準，對檢中數(shù)據(jù)進行篩選，共得到61篇符合要求的文獻。

1.2 研究方法

由于整合分析要求各個觀測值都是獨立的，因此需假定任何1篇文獻中的任一作物種類、覆蓋方式、耕作方式、播種方式及施肥量等的觀測值都是獨立的[28]。提取每篇文獻中不覆蓋處理(對照)和覆蓋處理下各個指標的平均值、標準差和樣本個數(shù)。其中，表和文章中的數(shù)據(jù)直接提取，圖中的數(shù)據(jù)通過Origin 9.0的digitizer插件將圖形數(shù)值化后再提取。為了比較不同因素對小麥和玉米產(chǎn)量的影響，根據(jù)行政區(qū)劃的完整性、政策及耕作制度的相似性，將中國小麥和玉米區(qū)域劃分為東北區(qū)域(黑龍江、吉林和遼寧)、華北(河北、山東和河南)、西北地區(qū)(甘肅、陜西、寧夏)和南方(四川、成都、湖南、湖北、廣西和江蘇)。覆蓋材料分為塑料薄膜覆蓋和秸稈覆蓋；作物種類分為春小麥、冬小麥、春玉米和夏玉米；灌溉方式分為灌溉條件和雨養(yǎng)條件；將秸稈覆蓋量分為低處理(<5 000 kg/hm2)和高處理(≥5 000 kg/hm2)，按播種方式分為壟作和平作。

數(shù)據(jù)計算按照SONG等[29]的方法。用反應比(r)作為效應值。利用STATA的混合效應模型對原始數(shù)據(jù)進行整合分析。由于許多研究未列出標準差或者標準誤以及個數(shù)，導致效應值的方法無法計算。因此，采用bootstrap再抽樣方法，計算95%的置信區(qū)間(4999次迭代次數(shù))。如果95%置信區(qū)間與0重疊，則認為試驗組和對照組的差異不顯著；如果95%置信區(qū)間沒有與0重疊，則認為差異較顯著[28]。為了方便解釋，將r的分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為谷類作物產(chǎn)量和水分利用效率的變化百分數(shù)[(r-1)×100%]。若r=1，即百分率為0，表明試驗組和對照組沒有差異；如若r>1，則說明產(chǎn)生了正效應；如若r<1，則說明產(chǎn)生了負效應[30]。

r=XE/XC

式中，XE為覆蓋處理各指標的平均數(shù)，XC為不覆蓋處理(對照)各指標的平均數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用STATA 11.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用Excel 2013和Sigmaplot 14.0進行數(shù)據(jù)處理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆蓋措施對小麥和玉米籽粒產(chǎn)量的影響

從圖1可見，覆蓋條件下小麥和玉米的產(chǎn)量較未覆蓋的平均增加12.28%，95%置信區(qū)間為10.09%～14.70%。其中，玉米平均增幅為17.18%，95%置信區(qū)間為14.03%～20.89%；小麥平均增幅為6.96%，95置信區(qū)間為4.06%～9.86%。表明，覆蓋措施可不同程度提高小麥和玉米的產(chǎn)量，對玉米的增產(chǎn)效應大于小麥。

圖1 不同覆蓋措施下小麥和玉米的相對產(chǎn)量變化率

Fig.1 Relative yield change rate of wheat and maize under different mulching patterns

2.2 不同栽培措施對小麥和玉米籽粒產(chǎn)量的影響

2.2.1 影響地面覆蓋效應的主要因素 從表1可知，覆蓋條件對谷物籽粒產(chǎn)量的影響達極顯著水平。不同栽培措施對小麥和玉米籽粒產(chǎn)量影響存在差異。其中，覆蓋方式、耕作方式、灌溉方式、作物種類和種植區(qū)域?qū)π←溩蚜．a(chǎn)量的影響達極顯著水平，覆蓋量和種植方式對小麥籽粒產(chǎn)量的影響為顯著水平，施氮量對小麥籽粒產(chǎn)量的影響不顯著。覆蓋方式、種植方式和種植區(qū)域?qū)τ衩鬃蚜．a(chǎn)量影響均達極顯著水平，而覆蓋量、耕作方式、灌溉方式、作物種類和施氮量對小麥籽粒產(chǎn)量的影響不顯著。

表1 不同栽培措施對小麥和玉米籽粒產(chǎn)量影響的方差分析

注：*、**和***分別表示P<0.05、P<0.01和P<0.001水平的差異顯著性，NS表示差異不顯著(P>0.05)；Q值是組間異質(zhì)性值。

Note: *,** and *** indicate significance of difference atP<0.05,P<0.01 andP<0.001 level separately. NS means no significant difference. Q value means the heterogeneity value between two different groups.

2.2.2 不同因素對小麥和玉米產(chǎn)量的影響

1) 區(qū)域。從圖2可知，不同區(qū)域覆蓋措施對小麥和玉米籽粒產(chǎn)量的影響不同。西北和南方的小麥籽粒產(chǎn)量覆蓋的較未覆蓋的顯著增加，分別增加11.26%和5.52%；華北平原小麥籽粒產(chǎn)量覆蓋的較未覆蓋的下降1.35%，但變化差異不顯著。各區(qū)域玉米的籽粒產(chǎn)量覆蓋的較未覆蓋的均顯著增加，依次為西北(30.14%)>華北(9.63%)>南方(8.93%)>東北(6.32%)。表明，在西北地區(qū)采用覆蓋措施可顯著提高小麥和玉米的籽粒產(chǎn)量。

2) 作物種類。從圖3可見，覆蓋措施顯著提高冬小麥、春小麥、夏玉米和春玉米的籽粒產(chǎn)量。其中，春小麥的籽粒產(chǎn)量顯著提高23.47%，95%置信區(qū)間為6.57%～40.07%；冬小麥籽粒產(chǎn)量提高5.55%，95%置信區(qū)間為2.96%～8.38%；而春玉米和夏玉米的籽粒產(chǎn)量整體平均提高14%以上。表明，覆蓋措施均能促進不同類型的小麥和玉米增產(chǎn)。

3) 覆蓋材料和覆蓋量。從圖4看出，不同覆蓋材料和覆蓋量對小麥和玉米籽粒產(chǎn)量的影響不同。與不覆蓋相比，塑料薄膜覆蓋和秸稈覆蓋均顯著提高玉米籽粒的產(chǎn)量，塑料薄膜覆蓋顯著提高小麥籽粒的產(chǎn)量；塑料薄膜覆蓋較秸稈覆蓋顯著增加玉米和小麥的籽粒產(chǎn)量。表明，相對于秸稈覆蓋，塑料薄膜覆蓋有助于小麥和玉米籽粒產(chǎn)量的提高。塑料薄膜覆蓋小麥籽粒產(chǎn)量提高14.88%，玉米籽粒產(chǎn)量提高27.91%，說明，塑料薄膜覆蓋措施更有利于玉米物質(zhì)生產(chǎn)。秸稈覆蓋措施小麥籽粒產(chǎn)量增產(chǎn)效果不顯著，平均增產(chǎn)1.81%，95%置信區(qū)間為-0.93%～4.39%。秸稈覆蓋量對小麥籽粒產(chǎn)量的影響達顯著水平(F=6.333，P=0.014)。其中，在秸稈覆蓋量<5 000 kg/hm2時，小麥籽粒產(chǎn)量減少1.94%，95%置信區(qū)間為-5.99%～2.38%；在秸稈覆蓋量≥5 000 kg/hm2時，小麥籽粒產(chǎn)量顯著增加。說明，低覆蓋量不利于小麥增產(chǎn)。玉米表現(xiàn)趨勢與小麥相同。表明，通過合理調(diào)整覆蓋量，秸稈覆蓋也可以顯著提高小麥和玉米的產(chǎn)量。

圖 2 不同覆蓋措施下各區(qū)域小麥和玉米粒籽產(chǎn)量的變化率

圖 3 不同作物類型小麥和玉米粒籽產(chǎn)量的變化率

圖4 不同覆蓋材料和秸稈覆蓋量小麥和玉米籽粒產(chǎn)量的變化率

4) 灌溉方式。從圖5可知，不同灌溉方式對小麥和玉米籽粒產(chǎn)量的影響不同。秸稈覆蓋灌溉條件下小麥籽粒產(chǎn)量下降6.71%，95%置信區(qū)間為-10.20%～-3.20%；雨養(yǎng)條件下小麥籽粒產(chǎn)量提高9.63%，95%置信區(qū)間為6.51%～12.77%；塑料薄膜覆蓋灌溉和雨養(yǎng)條件下小麥籽粒的產(chǎn)量均顯著提高，增幅為10%左右。秸稈和塑料薄膜覆蓋均能提高玉米籽粒產(chǎn)量，其中，秸稈覆蓋措施在灌溉條件下更有利于提高玉米籽粒產(chǎn)量(灌溉條件>雨養(yǎng)條件)。

圖5 不同灌溉方式及覆蓋措施下小麥和玉米籽粒產(chǎn)量的變化率

5) 種植方式。從圖6看出，相同種植方式下薄膜覆蓋小麥和玉米籽粒的產(chǎn)量均較秸稈覆蓋的高。其中，不論是平作還是壟作，秸稈覆蓋小麥的籽粒產(chǎn)量均呈減產(chǎn)趨勢，而薄膜覆蓋小麥的籽粒產(chǎn)量則均呈增產(chǎn)趨勢，平作和壟作分別提高11.75%和21.89%；2種覆蓋措施平作和壟作玉米的籽粒產(chǎn)量均呈增產(chǎn)趨勢，壟作的增產(chǎn)效果較平作好，薄膜覆蓋下平作和壟作玉米的籽粒產(chǎn)量分別提高17.29%和22.38%。

圖6 不同種植方式及覆蓋措施下小麥和玉米籽粒產(chǎn)量的變化率

6) 耕作方式。從圖7看出，不同耕作方式對小麥和玉米籽粒產(chǎn)量影響不同。在翻耕措施下，秸稈覆蓋和塑料薄膜覆蓋小麥籽粒產(chǎn)量顯著提高；而在免耕條件下則均呈減產(chǎn)趨勢。秸稈覆蓋下，免耕和翻耕玉米籽粒產(chǎn)量均顯著提高，旋耕玉米籽粒產(chǎn)量則呈減產(chǎn)趨勢；薄膜覆蓋下，免耕玉米籽粒產(chǎn)量呈減產(chǎn)趨勢，旋耕和翻耕玉米籽粒產(chǎn)量均顯著提高，且均較相同耕作方式下秸稈覆蓋高。

圖7 不同耕作方式及覆蓋措施下小麥和玉米籽粒產(chǎn)量的變化率

3 結(jié)論與討論

覆蓋措施作為重要節(jié)水措施在農(nóng)業(yè)研究和生產(chǎn)上廣泛應用[3]。整合分析中國不同種植區(qū)域、種植方式和覆蓋材料下覆蓋措施對小麥和玉米產(chǎn)量影響的結(jié)果顯示，與不覆蓋相比，覆蓋措施能提高小麥和玉米的整體平均產(chǎn)量。覆蓋措施不僅能減少土壤流失，還能攔截太陽輻射，減少雜草產(chǎn)生[31]。無論是秸稈覆蓋還是塑料薄膜覆蓋均能減少土壤水分的蒸散損失，從而提高土壤含水量，保留的水分能夠被作物特別是幼苗生長發(fā)育吸收利用，進而提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[32]。

與秸稈覆蓋相比，薄膜覆蓋顯著地提高禾谷類作物的籽粒產(chǎn)量和水分利用效率。這是由于薄膜覆蓋隔絕水分蒸發(fā)，更能保水[33]；并且提高耕層的NO3-含量[34]，更有利于提高產(chǎn)量和水分利用率。但是薄膜覆蓋具有要求整地質(zhì)量高，出苗率低，費時費工，消耗土壤養(yǎng)分且薄膜殘留土壤容易造成污染等缺點，限制其大面積推廣。因此，還需對農(nóng)機具、農(nóng)藝措施配套以及薄膜材料等技術(shù)問題加強研究。秸稈覆蓋操作相對簡單，成本低廉，且有助于提高土壤養(yǎng)分含量，在現(xiàn)階段秸稈覆蓋應是推廣的首選。

不同作物的產(chǎn)量對覆蓋措施的響應不同。研究結(jié)果表明，無論是灌溉條件還是雨養(yǎng)條件下，塑料薄膜覆蓋和秸稈覆蓋措施的玉米籽粒產(chǎn)量均顯著增加；2種灌溉條件下塑料薄膜覆蓋小麥與玉米籽粒產(chǎn)量均呈增加趨勢，但是秸稈覆蓋只提高雨養(yǎng)條件下小麥籽粒的產(chǎn)量，而降低灌溉條件下小麥籽粒的產(chǎn)量，可能是秸稈覆蓋和塑料薄膜覆蓋對土壤溫度的影響不同所致。秸稈覆蓋能夠提高冬季土壤表層溫度，而降低春季和夏季土壤溫度；塑料薄膜覆蓋能夠提高全年的土壤表層溫度[7，35-36]。對于玉米而言，除覆蓋增墑效應外，秸稈覆蓋能夠降低夏季土壤表層溫度，從而有利于夏玉米的生長發(fā)育[37]。在我國北方地區(qū)春玉米播種和出苗階段容易遭受低溫冷害，塑料薄膜覆蓋可以提高土壤表層溫度，促進玉米出苗和加快生長發(fā)育進程[26]。在灌溉條件下，秸稈覆蓋增墑優(yōu)勢被灌溉措施所抵消，此外秸稈覆蓋的春季降溫作用引起小麥生長發(fā)育延遲，縮短灌漿持續(xù)時間，從而導致小麥產(chǎn)量降低[14]。因此，秸稈覆蓋要根據(jù)作物種類、種植區(qū)域和氣候條件實施。

秸稈覆蓋量對谷類作物籽粒產(chǎn)量有影響，秸稈覆蓋量大有利于提高禾谷類作物籽粒的產(chǎn)量。這是因為，秸稈覆蓋量大有利于土壤保水。此外，在小麥-玉米一年兩熟地區(qū)，秸稈旋耕還田后，大量秸稈混合在土壤表層，不利于小麥出苗和形成壯苗[38]。在該地區(qū)采取節(jié)水灌溉配合秸稈覆蓋措施，不僅能解決出苗壯苗問題，還能保水和提高產(chǎn)量。因此，該措施對兼顧產(chǎn)量和資源利用具有重要意義。

平作和壟作方式均顯著提高谷類作物籽粒產(chǎn)量，且壟作覆蓋的效應大于平作效應。壟作+覆蓋的方式使“集水、保水與高效用水”相互結(jié)合，從而提高農(nóng)田儲水效率、作物蒸騰效率和作物供水效率，并且易操作，投資少，適應性廣[39]。

覆蓋條件下，翻耕顯著提高禾谷類作物籽粒產(chǎn)量。翻耕提高降水入滲能力，促進作物根系發(fā)育和健壯生長，增加產(chǎn)量[40]，但是促進也使得作物蒸騰速率加大，增加耗水量[41]。旋耕和深松都能提高作物產(chǎn)量，但是由于數(shù)據(jù)較少，還有待進一步研究。有研究表明長期翻耕不僅消耗動力，成本較高，而且降低土壤地力，容易形成犁地層，阻礙根系生長[42]。因此，翻耕與其他耕作措施交替應用是一種較優(yōu)的方式。

從地理分布看，西北地區(qū)覆蓋對產(chǎn)量的增加效應最為明顯，高于華北和南方，這是由水分條件決定的。研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋在雨養(yǎng)條件下更有利于增加作物產(chǎn)量。西北絕大多數(shù)是雨養(yǎng)條件，而華北多為灌溉條件，南方降水較多，不適合覆蓋措施的實施。華北地區(qū)地下水超采，水位下降，造成嚴重生態(tài)問題，若在該地區(qū)實施覆蓋措施可減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水，顯著提高水分利用效率，且能夠緩解該地區(qū)的生態(tài)問題進一步惡化。

綜上所述，不同作物的產(chǎn)量對覆蓋措施的效應不同，這可能是秸稈覆蓋和塑料薄膜覆蓋對土壤溫度的影響不同造成的。薄膜覆蓋顯著提高產(chǎn)量，但是其操作復雜，在生產(chǎn)中難于應用。相比而言，秸稈覆蓋更為實用，在應用中秸稈覆蓋量≥5 000 kg/hm2。壟作覆蓋的效應優(yōu)于平作覆蓋，在玉米生產(chǎn)上應用最好。覆蓋對產(chǎn)量的影響在地區(qū)間存在差異，以西北地區(qū)效果最佳。