整合分析秸稈還田對農田雜草多度和多樣性的影響

蘇堯，葉蘇梅，魯夢醒，馬躍，王玉寶，王珊珊，柴如山，葉新新，張震，馬超*

（1. 安徽省綠色磷肥智能制造與高效利用工程研究中心， 農田生態保育與污染防控安徽省重點實驗室， 安徽農業大學資源與環境學院， 安徽 合肥 230036；2. 肥西縣嚴店鄉植保服務專業合作社， 安徽 合肥 231232；3. 安徽省文勝生物工程股份有限公司， 安徽 阜陽 236000）

雜草發生狀況是影響農田生態系統穩定性的重要因素之一， 草害防治一直是農田生態管理的重要工作[1］。單施除草劑因其對作物引起的藥害頻發， 以及雜草抗藥性增強而難以滿足農田除草需求[2-3］。秸稈作為農田生態系統中的重要資源， 已有大量研究表明其富含的養分可有效改善土壤環境， 有利于作物的優質增產， 然而關于其在不同環境條件和管理措施下還田對雜草發生的影響仍不明確[4-6］。因此， 研究不同環境條件和管理措施下秸稈還田對草害發生的影響， 有利于秸稈還田條件下的草害科學防控， 以減輕過度依賴化學除草帶來的問題。

目前關于不同環境條件和管理措施下秸稈還田對農田雜草的影響尚無一致結論。張大偉等[7］在江蘇水稻（Oryza sativa）田上的試驗得出，與免耕不還田相比， 免耕條件下將小麥（Triticum aestivum）秸稈以2250 kg·hm-2的量還田后雜草總株數顯著降低了97.3%。王慧敏等[8］在內蒙古春小麥田上的研究結果則表明， 深翻條件下秸稈還田比不還田春小麥成熟期雜草密度增加了22.3%。張震等[9］在安徽巢湖流域小麥田上研究發現秸稈還田可提高雜草多樣性， 而陳浩等[10］在陜西的試驗卻表明常規施肥條件下秸稈還于稻田與不還田相比， 雜草Shannon指數顯著降低了61.5%。此外， 農田雜草發生對秸稈還田地響應在不同條件下有所差別。前期相關研究較為關注不同作物秸稈類型、還田方式等條件下秸稈還田對草害發生的影響， 而對于氣候條件、土壤性質等相關因子的影響并未給予足夠的重視。桂浩然等[11］在河南開封開展的研究發現， 雙倍秸稈還田于大豆（Glycine max）地后雜草Shannon 指數增加了26.0%， 而還于玉米（Zea mays）地后雜草Shannon 指數顯著降低了71.6%。李貴等[12］在江蘇沿江地區沙壤土上的研究表明， 秸稈全量覆蓋還田的抑草效果要顯著優于全量深埋還田。秸稈還田對農田草害影響的關聯因素有很多， 如作物類型、耕作方式、秸稈還田量等， 現有研究大多側重于單一因素對秸稈還田抑草效應的影響分析， 而不同影響因子在此過程中的相對重要性仍不明確。

因此， 本研究整理全國范圍內的相關獨立試驗數據， 運用整合分析方法， 綜合分析不同環境條件和管理措施下秸稈還田對我國農田雜草多度和多樣性的影響， 評估作物類型、秸稈類型、秸稈還田量、年均氣溫、年均降水量等因子對秸稈還田影響草害發生過程的關聯度， 并比較分析了雜草多度和多樣性對不同條件下秸稈還田的不同響應機制及其原因， 以期為秸稈還田條件下優化田間管理措施， 以便于有效抑制農田草害的發生提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究基于中國知網（CNKI）和Web of Science （WoS）等文獻數據庫， 以“秸稈還田”“雜草數量”“雜草密度”“雜 草 發 生 規 律”“雜 草 多 樣 性”和“straw returning”“weed abundance”“weed diversity”等 為 關 鍵 詞 檢 索 于2000-2022 年間發表的相關論文。對檢索出的文獻按照以下標準進行篩選： 1）田間試驗范圍限于中國； 2）同一試驗需包含相應的對照組（秸稈不還田）和處理組（秸稈還田），且對照組與處理組除秸稈是否還田外， 其余試驗條件（包括環境條件、農藝措施等）應完全一致； 3）試驗處理的重復數≥3； 4）從結果中可直接或通過計算間接獲得雜草密度或雜草多樣性數據。為了消除試驗指標差異所帶來的影響， 本研究選擇雜草密度反映雜草多度， 選擇Shannon 指數反映雜草多樣性[13］。本研究提取文獻中對照組和處理組的雜草密度、密度標準差及雜草Shannon多樣性指數、Shannon 多樣性指數標準差、處理重復數等信息。直接提取表格中的相關數據， 使用GetData Graph Digitizer 軟件提取以圖片形式展示的數據， 然后利用R studio 軟件進行標準差數據的補充[14］， 最終共獲得426 組試驗數據， 其中包括359 組雜草密度數據及67 組雜草多樣性數據。

1.2 數據分類

考慮到秸稈還田對草害發生的影響可能會受到其他條件因子的控制， 因此對收集到的相關因子信息進行歸納分組， 整理得到以下12 種影響因素（表1）： 氣候類型、年平均降水量、年平均氣溫、土壤質地、土壤有機質、土壤酸堿性、秸稈類型、還田方式、耕作方式、秸稈還田量、還田條件、作物類型， 并通過Meta 亞組分析比較不同因素下秸稈還田對草害發生的影響程度。

表1 試驗相關數據分類Table 1 Classification of experiment data

1.3 整合分析

本研究采用隨機效應模型評估秸稈還田對我國農田雜草的影響， 以處理組（秸稈還田）農田的草害參數Xt與對照組（秸稈不還田）農田的草害參數Xc的比值為響應比， 并以響應比（R）的自然對數作為Meta 分析的效應值（lnR）， 具體公式如下[15］：

式中：Xt和Xc代表秸稈還田處理和秸稈不還田處理下雜草密度（株·m-2）和Shannon 多樣性指數參數。

通過Meta 分析得到綜合效應值， 為便于理解和展示， 通過公式（2）計算秸稈還田對我國主要糧食作物草害效應的變化百分數：

式中：lnRR為處理組相對于對照組草害增加或減少的變化百分數。

使用R 語言中的“metafor”軟件包進行發表偏倚檢驗。采用Egger test 法或羅森塔爾失安全系數法， 若P＜0.05 或Nfs 系數＞5n+10 （n為數據量），則認為不存在發表偏倚[16-17］。總體效應大小是用隨機效應模型的加權重采樣方法計算的。如果95%的置信區間在0.05 的水平上不與0 重合， 則效果顯著為正或負。如果類別中95%的置信區間不重疊， 則兩類效應大小的差異是顯著的。如果文獻的重復數大于3， 但是原始報告中沒有給出標準差（standard deviation， SD）或標準誤（standard error， SE）時， 用R 語言（version 3.6.1）的“metagear”數據包計算出標準差。對于每個屬性， 總異質性（QT）分為組內變異（QW）和組間變異（QB）。QB的顯著性表示分類亞組之間的平均效應量的差異顯著水平。

1.4 統計分析

整合分析研究使用MetaWin 2.1 軟件對隨機效應模型進行加權重采樣， 計算總體效應大小， 并針對不同環境條件及農業管理措施進行亞組效應值分析來評估不同條件下秸稈還田對草害發生的影響程度[18-19］。試驗點分布圖、羅森塔爾失安全系數檢驗及相對重要性分析于R 4.1.2 中實現， 森林圖及線性回歸分析圖在Origin 9.0 中完成。

2 結果與分析

2.1 數據收集情況及秸稈還田對農田草害的總體影響

本研究共收集到符合要求的論文41 篇， 獲得426 組觀測數據， 所選研究涉及11個省份， 大多位于我國東部地區（圖1a）。經Egger tests 和Nfs 分析得到： 本研究羅森塔爾失安全系數分別為518952690 和2175， 其統計學意義為至少需要518952690 組具有發表偏倚性的雜草多度數據和2175 組具有發表偏倚性的雜草多樣性數據才能改變本試驗的研究結論， 即本研究所用數據不存在偏倚。由圖1b 可知， 與秸稈不還田（CK）相比， 秸稈還田可顯著降低農田的雜草多度和雜草多樣性， 抑制效應分別為-42.4%和-8.5%（P＜0.05）。

圖1 秸稈還田對農田草害的整體影響Fig.1 Overall effects of straw returning on farmland weeds

2.2 不同條件下秸稈還田對農田雜草多度的影響

由圖2 可知： 在亞熱帶季風氣候區和溫帶季風氣候區秸稈還田均可顯著降低雜草多度（P＜0.05）， 而溫帶大陸性氣候區的抑制效應不顯著； 試驗地土壤的有機質含量和酸堿性也會影響秸稈還田對田間雜草多度的抑制效果， 土壤有機質含量為15～25 g·kg-1或土壤呈堿性時秸稈還田可顯著降低雜草多度（P＜0.05）。從秸稈類型上看， 麥稈還田可顯著降低雜草多度（P＜0.05）， 而稻稈、玉米稈及油菜稈還田對雜草多度的抑制效應并不顯著；比較不同還田量對雜草多度的抑制效果發現， 以＞7000 kg·hm-2的秸稈量還田對雜草多度的抑制效果最好（P＜0.05）。秸稈無論是還于水田還是旱地均可顯著降低雜草多度（P＜0.05）， 而且水田環境下的抑制效果要明顯優于旱地； 從作物類型上看， 種植水稻、玉米或油菜后秸稈還田能顯著降低雜草多度， 其中秸稈還于稻田對雜草的抑制效果最好（P＜0.05）。

圖2 不同條件下秸稈還田對農田雜草多度的影響Fig.2 Effects of straw returning on farmland weed abundance under different conditions

2.3 不同條件下秸稈還田對農田雜草多樣性的影響

相較于對雜草多度的影響， 秸稈還田對雜草多樣性的抑制效應較弱， 其效應值的顯著性和強度也會因氣候類型、土壤質地等條件的不同而有所差別（圖3）。綜合不同條件下的效應值可以發現： 將秸稈還田于溫帶季風氣候區的砂質土壤中可顯著降低雜草多樣性（P＜0.05）。此外， 將麥稈以＞7000 kg·hm-2的還田量翻埋還田后可顯著降低雜草多樣性（P＜0.05）。作物類型的不同也會影響秸稈還田對雜草多樣性的抑制效果， 秸稈還于玉米田或油菜田后雜草多樣性會顯著降低（P＜0.05）， 而還于水田或小麥田后的抑制效應不顯著。另外， 通過比較不同耕作方式下秸稈還田對雜草多樣性的影響可以發現， 翻耕處理可顯著降低雜草多樣性（P＜0.05）， 而旋耕或免耕處理下秸稈還田對雜草多樣性并沒有顯著影響。

圖3 不同條件下秸稈還田對我國農田雜草多樣性的影響Fig.3 Effects of straw returning on farmland weed diversity under different conditions

2.4 秸稈還田下農田草害發生的主要變化及其影響因子

秸稈還田后農田雜草的多度和多樣性會顯著降低， 相對重要性分析結果發現： 秸稈還田影響雜草多度的最關鍵因子是作物類型， 其次是秸稈還田量、年平均氣溫、年平均降水量、土壤pH、還田條件（圖4a）。秸稈還于不同作物農田后對雜草多度的影響存在顯著差異， 其中秸稈還于稻田的雜草多度抑制效果最好， 而還于小麥田后卻不存在顯著抑制效果（圖2）。線性擬合結果顯示： 雜草多度效應值與年平均氣溫、年平均降水量、土壤pH 均呈極顯著線性負相關（P＜0.01， 圖5a～c）， 即隨著年平均氣溫、年平均降水量及土壤pH 的增加， 秸稈還田對雜草多度的效應值會逐漸降低。秸稈還田影響雜草多樣性的最關鍵因子是秸稈還田量， 其次是作物類型和土壤質地（圖4b）， 其中雜草多樣性效應值與秸稈還田量呈顯著線性負相關關系（R2=0.021，P＜0.05， 圖5d）， 即隨著秸稈還田量的增加， 秸稈還田對雜草多樣性的效應值是逐漸降低的。秸稈還于不同作物農田后對雜草多樣性的影響存在顯著差異， 其中秸稈還于油菜田的雜草多樣性抑制效果最好， 而還于水稻田或小麥田的抑制效應均不顯著。此外， 秸稈還于砂質土壤可顯著降低雜草多樣性， 而還于壤土或黏土后雜草多樣性并不能顯著降低（圖3）。

圖4 影響秸稈還田對農田草害發生的預測因子的相對重要性分析Fig.4 Model-averaged importance of the predictors for the effects of straw returning on farmland weeds

圖5 關鍵因子與秸稈還田抑草效應的關系Fig.5 The relationship between significant factors and effects of straw returning on weed suppression

3 討論

整合分析結果顯示秸稈還田可顯著降低農田雜草多度， 但在不同條件下秸稈還田對雜草多度的抑制效應存在差異， 本研究表明作物類型是影響該抑制效應的最重要因子。已有研究指出種植不同作物農田的雜草發生規律存在顯著差異[20］， 本研究結果與其一致。作物類型對抑草效應的影響可能歸因于以下幾點： 一是不同作物產生的根系分泌物不同， 導致根際微生物群落結構存在差異， 進而影響作物對相鄰雜草的抑制程度[21-22］； 二是種植不同作物農田的土壤呼吸存在差異， 土壤溫度是引起上述差異的主要因素之一[23］。小麥生長季氣溫較低， 因此相較于其他作物， 小麥田的土壤呼吸速率較低， 秸稈的腐解效率下降， 進而降低了抑草效應。除此之外， 不同作物農田所使用的還田秸稈類型也是不同的， 而不同秸稈還田后所釋放的化感物質及其腐解產物不同， 使得其對農田雜草發生的影響也存在差異[24-25］。

除了作物類型之外， 秸稈還田量、年平均氣溫、年平均降水量對秸稈還田的雜草多度抑制效應也存在顯著影響。秸稈還田量的差異不會改變雜草多度抑制效應的顯著性， 但會影響其作用強度。本研究表明＞7000 kg·hm-2秸稈還田量的抑草效果最好， 這可能是由于較高的秸稈還田量可有效改善土壤養分和微生物群落結構， 更有利于秸稈的腐解[26-27］。氣溫和降水量是影響土壤有機質含量的主要因子[28］。相對較高的溫度和較大的降水量可能會從一定程度上改良微生物群落結構并增加其生物活性[29］， 以加速秸稈的腐解與化感物質的釋放[30］， 進而提高秸稈對雜草的抑制效應。干燥少雨的環境下由于水熱不足， 可能會導致秸稈養分的凈釋放量降低， 最終使得抑草效應有所降低[31］。

本研究結果表明秸稈還田也可以顯著抑制雜草多樣性， 而不同條件下的抑制效果存在差異， 其中秸稈還田量是最主要的影響因子。線性擬合結果表明， 隨著秸稈還田量的增加， 秸稈還田對雜草多樣性的抑制效應值是逐漸降低的。秸稈還田量對該抑草效應的影響可能與土壤碳氮比有關， 桂浩然等[11］研究發現玉米地秸稈還田量和土壤碳氮比呈正相關關系， 而隨著秸稈還田量的增加， 雜草多樣性逐漸降低。這可能是由于過高的碳氮比不能為具有較高多樣性的農田雜草區系提供足夠的氮素。除了秸稈還田量之外， 作物類型和土壤質地也是影響該抑制效應的關鍵因子。徐琳等[32］研究發現， 種植不同作物耕地土壤的理化性質及微生物群落結構存在差異， 因此玉米田的雜草多樣性抑制效果最好可能是由于土壤有效養分含量更高， 微生物代謝活性更高， 進而導致秸稈腐解效率更高。然而秸稈還于水稻田后雜草多樣性并未發生顯著降低， 這可能是由于秸稈還田作為一項田間管理措施， 其產生的生態環境變化可能會抑制稻田淹水環境下原有水生雜草優勢種群的生長[33］， 使得雜草群落結構組成趨于平衡， 進而不利于秸稈還田對雜草多樣性的抑制。土壤質地作為土壤重要的物理特性之一， 嚴重影響土壤的水肥氣熱狀況[34］。相較于壤土與黏土， 砂質土壤水熱條件較差， 不利于雜草種子庫的存活[35］。

盡管秸稈還田對雜草多度和多樣性均有顯著的抑制效果， 但對比二者總體效應值可以發現： 秸稈還田對前者的抑制效應要顯著高于后者， 這在某種程度上說明： 雜草多度與多樣性對秸稈還田的響應機制是不同的[36］。因此， 單獨秸稈還田防除雜草缺乏持續穩定的控制作用， 需結合其他物化因素對農田草害進行綜合防治[37］。總體效應值存在較大差異可能是由于雜草多度和多樣性對各種條件因子的響應機制不同。例如， 在亞熱帶季風氣候條件下秸稈還田對雜草多度的抑制效果最好， 而雜草多樣性的抑制效應在溫帶季風氣候區最為顯著， 這可能是由于更溫暖的氣候下雜草物種的豐富度會更高[38］。因此， 相較于亞熱帶季風氣候， 溫帶季風氣候更有利于田間雜草多樣性的降低。另外， 秸稈還于水田對雜草多度的抑制效應要明顯高于旱地， 而水田環境下秸稈還田對雜草多樣性的抑制效應卻并不顯著。將秸稈覆蓋還于壤質土壤雖然可以顯著降低雜草多度， 但不能使雜草多樣性顯著降低。此外， 不同耕作方式可通過擾動土壤結構來改變土壤理化性質及微生物特性， 進而影響農田雜草的生長發育進程[39-41］。本研究主要涉及免耕、旋耕及翻耕3 種耕作方式， 其中免耕與旋耕翻動的土壤深度相對較淺， 從一定程度上限制了深土層雜草種子的出苗[42］， 減小了可出苗雜草的土層分布范圍， 進而提高了秸稈還田對雜草的集中防除效果。然而， 這兩種耕作方式下雜草多樣性并未顯著降低。這可能是由于保護性耕作對土壤的擾動較小， 有利于雜草群落內不同生態位的保持， 因此該條件下農田雜草多樣性會有所提升[43-44］。綜合上述差異可以看出， 雜草多度的顯著降低可能并不會伴隨著雜草多樣性的顯著降低， 這一研究結果說明在草害防治工作中應注意雜草多度和多樣性的控制平衡。雜草多度在草害防治工作中是必須降低的指標， 而保持一定的田間雜草多樣性或許有利于農田養分的循環與資源的多級利用[45］。

4 結論

秸稈還田可有效抑制農田草害的發生， 但是當作物類型、秸稈還田量、氣候因子、土壤質地等因素不同時抑制效應會有所差別。總體來看： 在亞熱帶季風氣候區將秸稈以＞7000 kg·hm-2的量還于稻田對雜草多度的抑制效果最好， 而在溫帶季風氣候區以同等量的秸稈還于油菜田時可以更好地抑制雜草多樣性。值得注意的是， 秸稈還田抑草效應的影響因素應不僅限于本研究中所討論的， 可能的影響因素還有雜草類型（如單子葉和雙子葉）、土壤初始碳氮比、還田年限等。由于現階段相關文獻數據的缺乏， 目前暫時無法對其他因素進行整合分析研究， 因此進一步的研究可以嘗試從更多的角度去開展深入探討。