基于Meta 分析的壟溝集雨措施對(duì)作物生長(zhǎng)和水分利用效率的影響

鄭詩(shī)然 ，任思琪 ，張建珍 ，趙金媛 ，唐書(shū)玥 ，王 靖 ，潘志華 ，潘學(xué)標(biāo) ，胡 琦

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2.農(nóng)業(yè)部武川農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 011700）

水資源短缺是制約全球干旱半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一[1]，聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）在《2020年糧食及農(nóng)業(yè)狀況：應(yīng)對(duì)農(nóng)業(yè)中的水資源挑戰(zhàn)》中指出，氣候變化將加劇區(qū)域間降水的不均勻分配，導(dǎo)致干旱頻發(fā)，進(jìn)而影響全球糧食安全體系[2]。我國(guó)干旱和半干旱地區(qū)面積占全國(guó)陸地面積的50%左右，是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，但是目前該地區(qū)的灌溉面積僅為20%左右，降水量少且時(shí)空分布不均導(dǎo)致該地區(qū)糧食產(chǎn)量低而不穩(wěn)，單位面積產(chǎn)量?jī)H為全國(guó)平均值的1/2[3-4]。旱作農(nóng)業(yè)區(qū)如何更好管理當(dāng)前有限的農(nóng)業(yè)水資源和最大限度提高雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)水分利用效率，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

田間集雨種植是旱作區(qū)協(xié)調(diào)農(nóng)田水分供需矛盾的一項(xiàng)重要技術(shù)，其原理是將非耕地上的雨水引導(dǎo)到耕地中，或通過(guò)減少有效耕地面積來(lái)實(shí)現(xiàn)“雨量疊加增值”，例如，壟溝集雨措施通過(guò)改變田間微地形將降水以局部截滲、富集和疊加收集等方式進(jìn)行再分配，從而改善和調(diào)節(jié)農(nóng)田土壤水分，提高作物產(chǎn)量及水分利用效率（WUE）。自20 世紀(jì)以來(lái)，田間集雨種植逐漸成為歐洲和南非干旱和半干旱地區(qū)農(nóng)民提高作物生產(chǎn)效益的有效抗旱耕作措施。20 世紀(jì)90年代，壟溝技術(shù)開(kāi)始被廣泛用于我國(guó)西北半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[5]，引起了國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者的關(guān)注和研究。總體而言，經(jīng)過(guò)30 多年的應(yīng)用和發(fā)展，關(guān)于我國(guó)旱作區(qū)田間集雨方面的研究已積累了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，涉及的作物包括玉米（Zea maysL.）[6-14]、向日葵（Helianthus annuusL.）[15-16]、莜麥（Avena chinensis（Fisch. ex Roem. et Schult.）Metzg.）[17-20]、馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）[21-28]以及一些飼草[29-38]和豆類(lèi)作物[39-40]等；涉及的集雨技術(shù)模式包括起壟溝植、壟膜溝植、全膜覆蓋及其他覆蓋等技術(shù)[41-44]；涉及到的集雨技術(shù)效應(yīng)包括土壤水分含量、產(chǎn)量、水分利用效率（WUE）等[45-48]。已有的研究結(jié)果對(duì)相關(guān)試驗(yàn)點(diǎn)或區(qū)域內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的理論指導(dǎo)意義，然而，目前系統(tǒng)分析我國(guó)旱作區(qū)不同壟溝集雨措施對(duì)不同作物的產(chǎn)量和WUE 影響的研究比較少，特別是對(duì)于壟溝集雨技術(shù)措施與降水條件的適應(yīng)和匹配關(guān)系研究較為罕見(jiàn)。

本研究基于薈萃分析（Meta）方法研究了我國(guó)不同旱作區(qū)（農(nóng)牧交錯(cuò)帶、黃土高原半干旱、東部半濕潤(rùn)區(qū)）不同壟溝集雨措施（集雨面無(wú)覆蓋、塑料膜覆蓋、其他材料覆蓋）對(duì)不同作物（玉米、莜麥、小麥、向日葵、飼草、馬鈴薯、谷子、豆類(lèi)）的產(chǎn)量及水分利用效率的影響，并探究了生長(zhǎng)季內(nèi)不同降雨量對(duì)壟溝集雨技術(shù)效應(yīng)的影響，旨在為我國(guó)旱作農(nóng)業(yè)區(qū)選擇和推廣適宜壟溝集雨措施提供重要的科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)收集與篩選

本研究通過(guò)在Web of Science、萬(wàn)方數(shù)據(jù)知識(shí)服務(wù)平臺(tái)、中國(guó)知網(wǎng)等中英文數(shù)據(jù)庫(kù)上收集2021年9月之前發(fā)表并經(jīng)過(guò)同行評(píng)議的文章，所使用的關(guān)鍵詞為：壟溝、田間集雨、集雨措施等。完成初步的收集后，對(duì)收集到的文章進(jìn)行二次篩選，二次篩選的要求為：（1）試驗(yàn)地點(diǎn)位于國(guó)內(nèi)；（2）試驗(yàn)方式為田間試驗(yàn)；（3）各文獻(xiàn)中的試驗(yàn)必須包含試驗(yàn)組（RFM）和對(duì)照組（CK），即試驗(yàn)中設(shè)置了壟溝集雨處理和平作；（4）試驗(yàn)的重復(fù)次數(shù)不低于3 次。本研究收集的每一項(xiàng)研究均互相獨(dú)立，且各獨(dú)立試驗(yàn)研究中的地點(diǎn)、處理等數(shù)據(jù)均互相獨(dú)立，對(duì)于相關(guān)圖表利用GetData Graph Digitizer 軟件將圖形數(shù)值化后提取利用，共收集到有效文獻(xiàn)95 篇，包含產(chǎn)量條目數(shù)668 條，水分利用效率（WUE）條目數(shù)531 條，其中，本研究涉及到的WUE 為作物產(chǎn)量與生育期耗水量（降水量和試驗(yàn)始末土壤水分差值之和）的比值。

如圖1 所示，本研究根據(jù)文獻(xiàn)中的試驗(yàn)地點(diǎn)將研究區(qū)域劃分為農(nóng)牧交錯(cuò)帶、黃土高原半干旱和東部半濕潤(rùn)區(qū)，根據(jù)不同田間集雨措施分為無(wú)覆蓋、塑料膜覆蓋（簡(jiǎn)稱(chēng)覆膜）和其他材料覆蓋，根據(jù)作物種類(lèi)分為玉米、莜麥、小麥、向日葵、飼草、馬鈴薯、谷子和豆類(lèi)。

圖1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)的分布情況Fig.1 Distribution of test data sampling points

1.2 研究方法

1.2.1 Meta 分析方法 Meta 分析可以較客觀的依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原則進(jìn)行定性和定量的綜合分析，獲得綜合性的分析結(jié)論，現(xiàn)已廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域中。以處理項(xiàng)（Xt）與對(duì)照項(xiàng)（Xc）的比值為響應(yīng)比（R），以響應(yīng)比的自然對(duì)數(shù)來(lái)計(jì)算效應(yīng)值（lnR）。

lnR的方差v根據(jù)公式（2）計(jì)算。

式中，St和Sc分別是處理組和對(duì)照組的標(biāo)準(zhǔn)差；Nt和Nc分別是處理組和對(duì)照組的樣本量。處理組的綜合效應(yīng)值lnR'根據(jù)公式（3）、（4）計(jì)算。

式中，lnR'為加權(quán)后的綜合效應(yīng)值；lnRi和wi分別為第i對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)的效應(yīng)值和權(quán)重。為便于分析影響程度，一般使用相對(duì)變化率Y來(lái)表示結(jié)果。

經(jīng)過(guò)Kolmogorov-Smirnov 檢驗(yàn)，全部研究數(shù)據(jù)都不服從正態(tài)分布（P<0.001）；所有數(shù)據(jù)都是用非參數(shù)估計(jì)方法生成95%靴襻法置信區(qū)間。當(dāng)Y的95%靴襻法置信區(qū)間與0 重疊時(shí)，則表明處理組與對(duì)照組之間的差異不顯著；當(dāng)不與0 重疊時(shí)，則表明試驗(yàn)組和對(duì)照組之間的差異顯著。

1.2.2 靴襻法 靴襻法（bootstrap）能夠給出統(tǒng)計(jì)量的置信區(qū)間，其重復(fù)取樣檢驗(yàn)不會(huì)受到參數(shù)檢驗(yàn)分布假設(shè)的影響，許多情況下效率高于使用傳統(tǒng)的非參數(shù)檢驗(yàn)排列法。本研究采用百分靴襻法來(lái)求算總效應(yīng)值及其置信區(qū)間，假設(shè)某一分組中樣本數(shù)為i，首先計(jì)算該組總效應(yīng)值（即初值），然后有放回地重復(fù)取樣多次并進(jìn)行計(jì)算，得到效應(yīng)值序列并按照由小到大順序排列，取序列兩端2.5%處的值即得到95%置信區(qū)間的上下界。樣本數(shù)較少會(huì)導(dǎo)致高（或低）于初值的靴襻值個(gè)數(shù)超過(guò)總靴襻值個(gè)數(shù)的50%，本研究使用偏差校正法（bias-corrected method）進(jìn)行校正。

本研究采用隨機(jī)檢驗(yàn)方法驗(yàn)證組間異質(zhì)性是否顯著。首先使用原始數(shù)據(jù)計(jì)算組間異質(zhì)性Q0值，再將j個(gè)分組中的樣本混合后隨機(jī)分成j組，并保持各分組的樣本數(shù)與原本分組的樣本數(shù)相同，再進(jìn)行組間異質(zhì)性計(jì)算，得到Q值，多次重復(fù)，即得到Q值的分布，Q值≥Q0值的數(shù)占重復(fù)隨機(jī)取樣數(shù)的百分比即為Q0值的顯著性。這種方法得到的顯著水平與重復(fù)次數(shù)在一定程度上相關(guān)，增加重復(fù)次數(shù)能夠降低最小可檢驗(yàn)顯著水平的值，為保證合適的顯著水平，通常重復(fù)次數(shù)為999～4 999，當(dāng)重復(fù)次數(shù)超過(guò)4 999 會(huì)降低隨機(jī)檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)誤差，無(wú)法保證合適的顯著水平。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究使用Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)集的建立，利用R Studio 4.0 進(jìn)行作圖及Meta分析，利用ArcGIS 10.2 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，利用SPSS 方差分析中的LSD 法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 壟溝集雨對(duì)不同作物產(chǎn)量和WUE 的影響

壟溝集雨處理下作物產(chǎn)量區(qū)域間存在顯著差異（表1），玉米、莜麥、小麥、向日葵、飼草、馬鈴薯、谷子、豆類(lèi)的產(chǎn)量變化范圍分別為658.0～20 470.0、446.2～8 703.0、283.3～9 716.6、2 013.3～13 400.0、290.7～23 822.0、1 631.3～53 403.5、1 368.4～7 394.0、463.8～5 002.5 kg/hm2。壟溝集雨模式處理下玉米、莜麥、小麥、向日葵、飼草、馬鈴薯、谷子、豆類(lèi)的WUE 變 化范圍 分別為1.3～39.0、4.0～14.1、0.7～23.9、7.8～12.6、2.3～64.3、2.2～195.1、6.9～24.5、4.2～8.6 kg/（hm2·mm）。

與平作相比，壟溝集雨種植使作物產(chǎn)量總體提高40%以上，但不同作物間存在差異（圖2）。相較于平作，壟溝集雨處理下飼草、馬鈴薯和谷子產(chǎn)量增加幅度最大，平均增產(chǎn)率分別為57.5%（43.7%～80.2%）、57.7%（43.9%～70.2%）、60.1%（40.8%～80.1%），玉米和豆類(lèi)作物平均增產(chǎn)率大于30%，分別為42.0%（35.5%～49.9%）和34.9%（19.2%～54.1%），莜麥、小麥和向日葵平均增產(chǎn)率分別為27.8%（12.9%～49.2%）、29.5%（24.5%～35.1%）和14.6%（9.8%～19.7%）。壟溝集雨措施使作物WUE 顯著提高了43.4%，但對(duì)于不同作物其提升效果差異較大。相較于平作，壟溝集雨處理下馬鈴薯WUE 提升效果最為顯著，為64.2%（50.3%～82.8%）；飼草次之，WUE 提高了50.2%（40.9%～58.8%）；玉米、谷子、豆類(lèi)、向日葵、莜麥、小麥WUE 分別提高了47.4%（40.8%～58.0%）、42.2%（26.4%～58.3%）、35.8%（17.2%～60.2%）、30.8%（24.3%～38.6%）、28.6%（17.5%～41.0%）和24.0%（20.0%～28.6%）。

圖2 壟溝集雨措施下作物產(chǎn)量和WUE 的效應(yīng)值Fig.2 The effect values of crop yield and WUE under furrow rainwater harvesting measures

2.2 壟溝集雨對(duì)不同地區(qū)作物產(chǎn)量和WUE 的影響

壟溝集雨模式處理下農(nóng)牧交錯(cuò)帶區(qū)、東部半濕潤(rùn)區(qū)和黃土高原半干旱區(qū)的產(chǎn)量變化范圍分別 為658.0～53 403.5、379.8～20 470.0、283.3～49 657.0 kg/hm2，WUE 變 化 范 圍 分 別 為1.3～195.1、2.1～28.2、0.7～143.1 kg/（hm2·mm）。壟溝集雨處理對(duì)不同地區(qū)作物產(chǎn)量和WUE 提高程度不同，較平作相比，黃土高原半干旱區(qū)的壟溝集雨措施增產(chǎn)增效最顯著，產(chǎn)量和WUE 分別增加了47.8%（41.3%～53.9%）和49.7%（44.7%～55.6%）；農(nóng)牧交錯(cuò)帶次之，產(chǎn)量和WUE 分別增加了34.1%（28.5%～41.4%）和30.1%（25.3%～35.6%）；東部半濕潤(rùn)地區(qū)平均增產(chǎn)15.4%（11.4%～19.0%），WUE 提升20.9%（13.5%～27.9%）（圖3）。

圖3 壟溝集雨措施對(duì)不同地區(qū)作物產(chǎn)量和WUE 的影響Fig.3 Effect of furrow rainwater harvesting measures on crop yield and WUE in different regions

2.3 不同壟溝集雨措施對(duì)作物產(chǎn)量和WUE 的影響

不同措施下壟溝集雨對(duì)作物產(chǎn)量和WUE 的影響如圖4 所示。

圖4 不同措施下壟溝集雨對(duì)作物產(chǎn)量和WUE 的影響Fig.4 Effect of different measures of furrow rainwater harvesting on crop yield and WUE

不同壟溝集雨措施對(duì)作物產(chǎn)量和WUE 影響差異較為顯著（圖4）。覆膜、其他材料覆蓋、無(wú)覆蓋的壟溝集雨措施下的作物產(chǎn)量變化范圍分別為699.0～53 403.5、2 855.0～26 541.0、283.3～35 491.2 kg/hm2，WUE 變化范圍分別為1.5～195.1、2.8～56.1、1.3～104.8 kg/（hm2·mm）。采用塑料膜覆蓋的壟溝集雨措施對(duì)作物的增產(chǎn)增效效果優(yōu)于采用其他材料覆蓋或不覆蓋。較平作相比，塑料膜覆蓋的壟溝集雨措施下作物產(chǎn)量和WUE 分別增加了45.2%（39.3%～50.9%）和46.5%（41.9%～52.8%），采用其他材料覆膜和不覆膜的增產(chǎn)效果分別為37.7%（28.3%～49.5%）和39.0%（32.4%～45.7%），WUE分別提升了33.9%（26.4%～43.0%）和38.2%（31.4%～44.6%）。

2.4 不同降雨量對(duì)壟溝集雨效果的影響

根據(jù)田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，進(jìn)一步探究了生長(zhǎng)季內(nèi)不同降雨量下壟溝集雨措施對(duì)作物增產(chǎn)率的影響（圖5）。覆膜壟溝集雨措施的作物增產(chǎn)率高于無(wú)覆蓋的壟溝集雨措施，二者的差異在降水量小于200 mm 時(shí)最大，隨著生長(zhǎng)季內(nèi)降水量的增加差異不斷減小。不同集雨措施隨生長(zhǎng)季內(nèi)降水量變化的增產(chǎn)效果曲線也存在差異，覆膜壟溝集雨效果隨著降水量的增加而下降，在生長(zhǎng)季內(nèi)降水量為50～350 mm 時(shí)增產(chǎn)效果最好，增產(chǎn)率在49.0%～93.4%，對(duì)于西北地區(qū)馬鈴薯、玉米等作物增產(chǎn)率超過(guò)了150.0%；無(wú)覆蓋壟溝集雨處理的作物增產(chǎn)率隨著生長(zhǎng)季降水量的增加呈先增加后減少的趨勢(shì)，在生長(zhǎng)季內(nèi)降水量為250～450 mm 時(shí)增產(chǎn)效果較好，為26.0%～29.8%；當(dāng)生長(zhǎng)季降水量多于450 mm 時(shí)，覆膜的壟溝集雨種植方式較不覆膜的增產(chǎn)率提高較小。在黃土高原半干旱區(qū)，推薦使用覆膜壟溝集雨模式；在農(nóng)牧交錯(cuò)帶區(qū)，覆膜和不覆膜的壟溝集雨模式均可；在東部半濕潤(rùn)區(qū)，推薦使用不覆膜壟溝集雨模式。

圖5 不同降水量下壟溝集雨措施對(duì)作物增產(chǎn)率的影響Fig.5 The effect of furrow rainwater harvesting on yield increase rate of crops under different precipitation

3 結(jié)論與討論

壟溝集雨技術(shù)由于顯著的增產(chǎn)效果在我國(guó)干旱半干旱地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，本研究將經(jīng)過(guò)同行評(píng)議的文章數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、篩選和分析，通過(guò)Meta分析方法系統(tǒng)分析了不同壟溝集雨措施對(duì)我國(guó)不同地區(qū)不同作物產(chǎn)量以及WUE 的影響，且進(jìn)一步評(píng)估了不同生長(zhǎng)季降水下壟溝集雨措施增產(chǎn)效果，以期能夠闡明壟溝集雨效果與降水的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，進(jìn)而得到壟溝集雨模式在我國(guó)旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中綜合的、量化的結(jié)論。研究結(jié)果表明，壟溝集雨對(duì)促進(jìn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育、提升作物產(chǎn)量和WUE 具有重要作用，主要原理在于壟溝集雨技術(shù)通過(guò)集雨面匯集一部分降水至種植區(qū)，能夠有效提高種植區(qū)土壤水分。需要指出的是，集雨處理使得種植區(qū)獲得相對(duì)更多的水分，但大部分的文獻(xiàn)中耗水量沒(méi)有考慮集雨增加的水分，這是造成本研究結(jié)果中WUE 增加的一項(xiàng)重要原因。理論而言，如果集雨只是單純?cè)黾恿怂州斎耄瑳](méi)有增加作物的抗旱能力，那么WUE 應(yīng)該不會(huì)發(fā)生改變。然而，胡琦等[49]研究發(fā)現(xiàn)，即使耗水量考慮了集雨增加的水分，計(jì)算的WUE也仍顯著大于平作處理，原因可能在于干旱半干旱區(qū)作物生長(zhǎng)季一般受水分脅迫的影響，集雨處理能夠提高土壤水分含量，特別是關(guān)鍵需水期的土壤水分狀況，例如，北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶在平水年、豐水年和歉水年等不同氣候年型下，馬鈴薯壟溝集雨措施的種植區(qū)水分分別增加了49.0、81.1、21.0 mm，且超過(guò)60%的集雨量發(fā)生在馬鈴薯關(guān)鍵生育期[50]，集雨技術(shù)減少了水分脅迫干旱半干旱區(qū)雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的影響，導(dǎo)致在一定降水范圍內(nèi)作物產(chǎn)量與耗水量并不呈線性關(guān)系，類(lèi)似的研究結(jié)果在小麥[51]、向日葵[52]等作物也有報(bào)道。此外，本研究表明，不同生長(zhǎng)季降雨量條件下壟溝集雨措施對(duì)不同作物增產(chǎn)效果存在差異，并量化了覆膜和不覆膜條件下效果最高時(shí)的降水范圍，使得不同地區(qū)能夠根據(jù)氣候條件選擇適宜的集雨措施，在保證能夠有效提高產(chǎn)量的同時(shí)盡可能地減小對(duì)環(huán)境的損害，從而為促進(jìn)作物生產(chǎn)和農(nóng)民增收提供理論依據(jù)。

值得一提的是，旱作區(qū)農(nóng)民長(zhǎng)期以來(lái)大多采取“廣種薄收”的做法，無(wú)法短時(shí)間改變種植方式，導(dǎo)致壟溝集雨技術(shù)應(yīng)用沒(méi)能推廣開(kāi)來(lái)，因此，建議政府可以建立示范點(diǎn)，提高使用可降解地膜的政府補(bǔ)貼，加強(qiáng)壟溝集雨技術(shù)利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和提高農(nóng)民收入的宣傳。本研究未考慮壟溝集雨過(guò)程中除覆蓋之外的措施，如設(shè)置施肥、不同壟溝比等對(duì)壟溝集雨效果的影響，沒(méi)有細(xì)化壟溝集雨措施對(duì)各個(gè)地區(qū)不同作物的影響。此外，在實(shí)際推廣應(yīng)用過(guò)程中還應(yīng)該考慮投入產(chǎn)出比，如壟溝集雨措施一方面減少了實(shí)際的種植面積，降低了區(qū)域的種植密度，可能會(huì)對(duì)總產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)面影響；另一方面由于投入更多勞動(dòng)力以及覆蓋材料導(dǎo)致成本增加，可能會(huì)出現(xiàn)集雨技術(shù)提高產(chǎn)量所增加的收益不足以彌補(bǔ)增加的成本的情況[50]，未來(lái)還需要進(jìn)一步的深入分析和研究。