中國地區小麥產量及產量要素對秸稈還田響應的整合分析

周延輝 朱新開 郭文善 封超年

(揚州大學江蘇省作物遺傳生理國家重點實驗室培育點/糧食作物現代產業技術協同創新中心/揚州大學小麥研究中心，江蘇揚州 225009)

秸稈還田作為一種重要的農業可持續耕作技術[1]，具有改善土壤結構[2]、促進真菌菌絲生長[3]、降低土壤容重[4]、改變土壤水熱條件[5-6]、活化土壤有機磷、促進氮素礦化[7-9]、影響微生物群落[10]等功能。我國秸稈資源十分豐富，據統計，2015年我國農作物秸稈資源總量約為9.3億t，其中可利用秸稈量為7.7億t[11-12]。秸稈的主要處理方式有就地焚燒，直接還田，作為燃料、飼料、工業原料等。近年來，我國秸稈還田率不斷提高，但與日本、美國、英國等發達國家相比仍處于較低水平[13-14]，主要原因在于秸稈還田能否提高作物產量尚無明確定論。小麥(Triticum aestivum)是我國的主要糧食作物，其種植面積大、分布區域廣，約占全國糧食消費總額的20%[15]。因此，研究秸稈還田對我國小麥產量的影響具有重要意義。前人對小麥產量的秸稈還田效益的研究結論不一。張鋒等[16]研究表明，秸稈還田對穗數型小麥品種的產量影響不大，但會造成大穗型小麥品種減產。陳俊[17]研究不同秸稈還田方式發現，旋耕還田比翻耕還田更有利于小麥產量的提高，以增加穗粒數為基礎增加產量。劉義國等[18]研究表明，隨著麥秸還田量的增加，小麥產量有不同程度的提高，其中以6 000 kg·hm-2麥秸還田量最為適宜。姜自紅等[19]研究發現秸稈還田配施氮肥能夠顯著增加小麥產量，以225 kg·hm-2施氮量為最佳處理。目前，前人[20]關于秸稈還田對小麥產量影響的研究多從單一試驗角度出發，具有一定的地域性和局限性，缺乏普遍的指導意義。其中采用的簡單平均法僅是對原文獻報道的結果數據加以非權重平均，并未考慮數據的統計學特性[21]。整合分析是對同一主題下的多個獨立研究進行綜合的統計學方法[22-24]，在教育學、心理學和醫學等領域應用較為廣泛，1998年首次引入中國生態學界[25]。整合分析將原文獻數據轉化為一個可在所有研究中進行比較的新統計量，即效應值[26]，根椐各效應值的方差進行權重，計算加權平均效應值(即總效應值)，并給出置信區間，置信區間是否與0重合代表研究是否顯著，最后依據研究特點將獨立試驗劃分為不同組別，比較不同組間的總效應值[27]。本試驗擬運用整合分析方法[28-29]對小麥產量及產量要素的秸稈還田效益進行定量研究，分析秸稈還田對我國小麥產量及產量要素的平均影響，并比較不同影響因素下小麥產量和產量要素的變化特點，旨在探究小麥產量和產量要素的秸稈還田效益以及最佳還田條件，為評價秸稈還田的經濟、環境和社會等綜合效益提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

通過中國期刊全文數據庫、維普中文核心期刊數據庫和萬方數據庫，輸入秸稈還田、小麥、產量、產量構成因素等關鍵詞，篩選出1950-2016年符合以下標準的文獻:1)必須是田間試驗，排除實驗室盆栽試驗和網室試驗等；2)田間試驗必須有重復處理；3)文獻必須報道對照組與處理組的產量或產量要素數據；4)對照組和試驗組除了在是否還田處理上不同外，在其他影響因素(地區、土壤類型、還田方式、施氮量、秸稈種類、還田量)上必須一致；5)納入統計的小麥產量為秸稈還田的當季產量。通過篩選，共有55篇文獻符合以上要求。

1.2 數據庫的構建和數據分類

用于整合分析的每項研究都要求是獨立的[30]，所以假設每個獨立研究中的不同地區、土壤類型、還田方式、施氮量、秸稈種類、還田量以及與其他處理的復合處理等觀測值都是獨立的[31-32]。提取每篇文獻中秸稈還田(試驗組)和無秸稈還田(對照組)小麥產量和產量要素的平均值(Xe和Xc)、試驗組和對照組標準差(Se和Sc)和樣本量(Ne和Nc)。對于發表文獻中含有圖片的，通過Origin Pro 9.1.0的Digitizer工具箱，將圖形數值化后再進行提取。對于僅提供標準誤的數據，通過公式(1)將其轉換為標準差。對于標準差(誤)缺失的數據，利用文獻整個數據集的變異系數與平均值的乘積作為標準差的估計值[33]。

式中，SD為標準差，SE為標準誤，N為樣本量。

首先，綜合分析小麥產量和產量要素對秸稈還田效益的響應程度及相互間的聯系。其次，考慮地區、土壤類型、還田方式、施氮量、秸稈種類和不同秸稈還田量對小麥產量和產量要素響應秸稈還田的影響。根據地區分布分為江蘇、山東、安徽、河北、河南、山西、陜西、四川、青海省、新疆維吾爾族自治區(以下簡稱“新疆”)；根據土壤類型分為砂壤土、潮土、中壤土、棕壤土、塿土、砂姜黑土、水稻土；根據耕作方式分為免耕、翻耕和旋耕；根據施氮水平分為 0、0～100、100～200、200～300 和＞300 kg·hm-2；根據秸稈種類分為麥秸、玉米秸和稻秸；因不同秸稈還田量不同，所以將還田量按照秸稈種類進行劃分，麥秸還田量分為＜4 000、4 000～6 000 和＞6 000 kg·hm-2，玉米秸還田量分為＜6 000、6 000～9 000 和＞9 000 kg·hm-2，稻秸還田量分為＜5 000、5 000～7 500 和＞7 500 kg·hm-2。由于分類較多，且影響因素比較復雜，未考慮各因素的交互作用。

1.3 整合分析過程

整合分析包括多種效應值指標，在生態學中最常用的分別為反應比(response ratio，lnR)和Hedges的估計值d值[26，34]。對多數對比試驗而言，計算比值較計算差值更有意義，且lnR效應值易被換算成研究對象的增加率。因此，本試驗選擇適應性較強的lnR作為研究效應值(effect size，E)，按照公式[35]計算lnR:

式中，Xe和Xc分別為一個獨立研究中試驗組和對照組小麥產量和產量要素的平均值。如果Xe和Xc均為正態分布，且Xc不為0時，lnR也為近似正態分布[36]，其方差為:

式中，V為一個獨立研究中效應值的方差，Se和Sc分別為試驗組和對照組的標準差，Ne和Nc分別為試驗組和對照組的樣本量。本研究的主要計算在MetaWin 2.1軟件上運行[37]，采用隨機效應模型，利用bootstrap法重復抽樣4 999次計算95%置信區間(confidence interval，CI)。 如果 95%CI與 0 重疊，則認為試驗組和對照組的差異不顯著；如果95%CI不與0重疊，則認為差異顯著[38]。為便于解釋秸稈還田對小麥產量和產量要素的影響，將得到的結果轉換為小麥產量和產量要素的變化百分率[36]，計算公式如下:

式中，D為一項指標的變化百分率；E＋為一項研究的加權平均效應值。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田對小麥產量和產量要素的平均影響

由圖1可知，秸稈還田使小麥產量平均增加了2.75%(1.64%～3.87%)，有效穗數、穗粒數和千粒重分別平均增加了 1.57%(0.53%～2.62%)、0.44%(0.09%～0.79%)和0.95%(0.39%～1.50%)，雖然秸稈還田對小麥產量和產量要素的影響幅度不大，但其95%CI均未與0重疊，說明秸稈還田對小麥產量和產量要素均影響顯著。

2.2 影響因素分析

2.2.1 地區 由圖2可知，小麥產量、有效穗數和穗粒數的不同地區組間差異達到顯著水平，但千粒重組間差異并不顯著。山東、河南、陜西和四川省秸稈還田對小麥產量增加效果均顯著，其中以四川省的增產效果最高，達到10.42%(0.02%～20.88%)，從產量要素角度分析，上述地區都是通過增加有效穗數來達到增產目的；江蘇、安徽、山西和新疆秸稈還田對小麥產量的增加效果均不顯著，對產量三要素的影響也不顯著；河北和青海省秸稈還田對小麥產量均呈降低趨勢，但不顯著，而關于其產量三要素的數據尚鮮見報道。

圖1 秸稈還田對小麥產量和產量要素的平均影響Fig.1 The average effects of straw returning on yield of wheat and yield components

圖2 不同地區秸稈還田對小麥產量和產量要素的影響Fig.2 Effects of straw returning on yield of wheat and yield components in different areas

2.2.2 土壤類型 由圖3可知，小麥產量和有效穗數的組間差異均達到顯著水平，但穗粒數和千粒重的組間差異均不顯著。在砂壤土、潮土、塿土和水稻土環境下秸稈還田對小麥的增產效果均達到顯著水平，其中塿土的增產幅度最高，為31.78%(19.05%～45.87%)，但對其產量要素的影響效果未達到顯著水平。在中壤土、棕壤土和砂姜黑土環境下，秸稈還田對小麥的增產效果和產量要素的影響均未達到顯著水平。

圖3 不同土壤類型秸稈還田對小麥產量和產量要素的影響Fig.3 Effects of straw returning on yield of wheat and yield components in different soil types

2.2.3 耕作方式 由圖4可知，不同耕作方式下秸稈還田，小麥產量的組間差異均達到顯著水平，但產量要素的組間差異均不顯著。免耕和翻耕方式下，秸稈還田對小麥產量的增加均達到顯著水平，且免耕的增產作用(6.61%、3.62%～9.69%)高于翻耕(4.06%、2.08%～6.09%)，有效穗數(4.49%、0.72%～8.40%)和千粒重(2.56%、0.69%～4.47%)均顯著增加。旋耕方式下，小麥的增產效果并不顯著，產量要素的變化也不明顯，更偏向于提高穗粒數和千粒重。

圖4 不同耕作方式秸稈還田對小麥產量和產量要素的影響Fig.4 Effects of straw returning on yield of wheat and yield components in different tillage methods

2.2.4 施氮水平 由圖5可知，不同施氮水平下，小麥產量的組間差異均達到顯著水平，但產量要素的組間差異均不顯著。2個施氮水平(200～300和 0 kg·hm-2)下，秸稈還田顯著增加了小麥產量，其中以0 kg·hm-2水平下增產效果為最佳(15.09%、8.02%～22.61%)；這2個施氮水平下的產量要素變化相似，均呈增加趨勢，但未達到顯著水平。＞300和100～200 kg·hm-2施氮水平下，小麥的增產效果均不顯著，產量要素的增加效應也未達到顯著水平。

2.2.5 秸稈種類 由圖6可知，小麥產量、穗粒數和千粒重的組間差異達到顯著水平，有效穗數的組間差異不顯著。玉米秸還田時，小麥的增產幅度最大(4.17%、2.54%～5.82%)，達到顯著水平，且其有效穗數和千粒重均顯著增加，但穗粒數增加不顯著；稻秸還田時，小麥的增產效果不顯著(2.64%、-0.08%～5.44%)，有效穗數和千粒重均無明顯變化，而穗粒數顯著增加；麥秸還田時，小麥產量無顯著變化(0.03%、-2.07%～2.18%)，產量三因素的增加也不顯著。

圖5 不同施氮水平秸稈還田對小麥產量和產量要素的影響Fig.5 Effects of straw returning on yield of wheat and yield components in different nitrogen level

圖6 不同秸稈種類秸稈還田對小麥產量和產量要素的影響Fig.6 Effects of straw returning on yield of wheat and yield components in different straw specie

圖7 不同秸稈還田量秸稈還田對小麥產量和產量要素的影響Fig.7 Effects of straw returning on yield of wheat and yield components in different amount of straw returning

2.2.6 還田量水平 因為在小麥季使用麥秸還田的效果不明顯，所以僅表明玉米秸和稻秸的還田量影響。由圖7可知，對玉米秸還田量而言，小麥產量的組間差異達到顯著水平，但產量要素的組間差異均不顯著；還田量＜6 000 kg·hm-2和 6 000～9 000 kg·hm-2時，秸稈還田均能夠顯著提高小麥產量，其中以＜6 000 kg·hm-2水平下增產最大(10.93%、5.49% ～16.64%)，2個還田量水平均通過增加有效穗數和千粒重達到增產效果；還田量＞9 000 kg·hm-2時，小麥的增產效果不顯著，且產量要素的報道數據較少。對稻秸還田量而言，同樣表現為小麥產量的組間差異達到顯著水平，而產量要素的組間差異均不顯著；還田量為＜5 000 kg·hm-2和＞7 500 kg·hm-2時，秸稈還田均能夠顯著提高小麥產量，且在＞7 500 kg·hm-2水平下增產最大(7.90%、3.18%～12.83%)，在＞7 500 kg·hm-2水平下主要提高了千粒重，在＜5 000 kg·hm-2水平下主要提高了有效穗數和穗粒數，降低了千粒重，但均未達到顯著水平；在5 000～7 500 kg·hm-2水平下，小麥的產量及產量要素變化均未達到顯著水平。

3 討論

本研究結果表明，中國地區秸稈還田能夠顯著增加小麥產量，但小麥產量及產量構成因素對秸稈還田的響應是一個復雜的綜合反映過程，受各方面因子的影響，包括地區、土壤類型、耕作方式、施氮水平、秸稈種類及還田量水平等。

3.1 秸稈還田對小麥產量和產量要素的整體影響分析

通過整合分析方法定量研究秸稈還田對中國地區小麥產量和產量要素的影響。結果表明，與無秸稈還田相比，秸稈還田使小麥產量增加了2.75%(1.64%～3.87%)，這與朱冰瑩等[39]的研究結果基本一致。小麥產量由產量構成三因素決定，從三因素角度分析，秸稈還田使有效穗數、穗粒數和千粒重均顯著提高，其中有效穗數提高的幅度最大(1.57%，0.53%～2.62%)，說明秸稈還田在不同程度上增加了產量三因素，從而達到小麥增產的目的，且以影響有效穗數為主。

3.2 地區、土壤類型

從秸稈還田地區來看，增產效果較好的省份為山東、河南、陜西和四川等地，這些省份主要位于我國的南北分界秦嶺淮河一線，此地區的氣候既有北方寒冷干燥，又有南方高溫濕潤的特點，這種多變的氣候條件有利于秸稈的腐解再利用，因此這些地區的秸稈還田收益較大。本研究結果表明，在潮土、塿土和水稻土環境下秸稈還田可以使小麥顯著增產，潮土主要分布在黃河中下游沖積平原，塿土分布在關中平原，水稻土集中在長江中下游平原，這些土壤類型均分布在秦嶺淮河一線附近，一個地區的生態氣候在某種程度上決定了這個地區的土壤類型，由此推斷秸稈還田所帶來的效益與生態氣候有一定關系，具體結果還有待深入研究。

3.3 耕作方式

不同的耕作方式對秸稈還田的增產效應不同。本研究中，采用免耕和翻耕技術時，小麥產量對秸稈還田的響應達到顯著水平，而旋耕技術的增產效果不顯著。免耕秸稈還田條件下，有效穗數、千粒重均顯著增加，而穗粒數則呈下降趨勢，但不顯著。研究表明，免耕和秸稈還田條件下，土壤中毛管水富集，促進了熱量、水分、空氣和養分在土壤和秸稈間的流轉，為微生物提供了比較適宜的生活條件[40]；免耕增加耕作層土壤中根系活動，根系分泌物增多，有機質和微生物C、N含量均顯著增加，為微生物群落生長提供了充足的養分[41-42]。同時，微生物群落數量的增加提高了內分泌物數量，增強了土壤酶活性[43]。土壤酶活性和土壤微生物類群數量都是表征土壤肥力的有效指標。因此，免耕同時結合秸稈還田可以更有效地提升土壤肥力[44]，促進小麥有效分蘗的發生和千粒重的提高。翻耕秸稈還田條件下，產量三要素的提高效果均不顯著，且暫無相關機理證明小麥產量的增加途徑。這可能與耕作深度的影響有關，同時播后鎮壓也可能影響小麥的出苗率[45]。

3.4 施氮水平

在不施氮和施氮量為200～300 kg·hm-2時，秸稈還田均顯著提高了小麥產量，但產量三因素的變化均不顯著。這可能是由于在不施氮條件下，秸稈中的植物營養元素降解后可以充作肥料補充土壤養分，直接供給小麥吸收，而在施氮基礎下，秸稈還田可提高氮肥的利用率，增加土壤硝態氮的含量，間接增加小麥產量[46-47]。本研究施氮水平劃分的類別較寬泛，雖然結果表明，施氮水平越高，秸稈還田的平均增產越高，但在＞300 kg·hm-2施氮水平下，小麥的增產并不顯著，而在施氮量為200～300 kg·hm-2時達到顯著水平。這與張姍等[48]和顧熾明等[49]的研究結果基本一致。

3.5 秸稈種類、還田量水平

麥季秸稈還田的主要種類有麥秸、玉米秸和稻秸，其中以玉米秸還田提高小麥產量最為顯著，稻秸還田次之，麥秸還田最低。秸稈還田對土壤溫度有緩沖作用，即溫度較低時表現出增溫作用，溫度較高時表現出降溫作用。研究表明，與麥秸和稻秸相比，玉米秸還田對土壤溫度的緩沖作用最大[50]，這對減少小麥冬季根系凍害和后期干熱風等具有積極作用[51]。玉米秸對土壤酶活性也具有較強的促進作用[52]。前人研究發現玉米秸稈還田后小麥的有效穗數和穗粒數均增多[53]，籽粒灌漿速率提高，灌漿時間延長，千粒重顯著提高[54]，這與本研究結果類似。

由于在小麥種植季度將上一年度小麥秸稈還田費時費力，且還田效果不理想，所以未考慮麥秸還田量的研究。從玉米秸的還田量來看，還田量＜6 000 kg·hm-2時(半量還田)增產效果最佳，主要通過有效穗數和千粒重影響產量。這可能是由于秸稈量過大，導致土壤空隙變大，造成小麥種子與土壤接觸不實，進而影響小麥的出苗情況[55]；研究發現半量還田條件下，玉米秸的腐解速率快，腐解效果好[56]。因此，玉米秸半量還田有利于小麥出苗，從而增加有效穗數和千粒重，達到較好的增產效果。從稻秸還田量來看，還田量為 ＜5 000 kg·hm-2和＞7 500 kg·hm-2時均可顯著增加小麥產量，而還田量為5 000～7 500 kg·hm-2時增產不顯著，產量三因素的變化也不顯著。目前，仍無法探明增產機制，還有待進一步研究。

4 結論

本研究基于1950-2016年公開發表的數據，運用整合分析方法，定量分析了中國地區秸稈還田對小麥產量和產量要素的影響效應。從近幾十年的數據來看，國內關于秸稈還田的研究甚少，秸稈還田方式存在復雜性和多樣性，如秸稈的切割長度、腐熟劑的施用、磷鉀肥的施用、耕作深度、小麥品種等，每種處理方式都有獨立研究的必要。此外，本研究主要探究秸稈還田的當季產量，未考慮多年連續秸稈還田的產量變化。在地區、土壤類型等分類中也存在一定的瑕疵，如秸稈還田量的劃分并未考慮是鮮秸稈還是曬干后的秸稈。總體上，我國適合開展秸稈還田舉措，但要注意在不同土壤環境下采用合理的秸稈還田技術。