免耕對玉米生產力的影響：基于全球薈萃分析

盧志強 溫思佳 李雨澤 李國瑞 溫曉霞

摘 要 通過對196篇相關文獻的1 043對數據進行全球薈萃分析，評估免耕條件下玉米籽粒產量、秸稈生物量和葉面積指數的變化，并探討氣候、土壤、管理因素對其影響程度和方向。結果表明，相較于傳統翻耕，免耕總體上顯著降低了玉米籽粒產量、秸稈產量和葉面積指數5.7%、4.1%和9.7%。然而，這種效應因氣候、土壤和管理措施而不同。在相對干旱的氣候環境（年平均氣溫為 >15? ℃、年平均降雨 <600 mm）和惡劣的土壤條件（土壤體積質量>1.4 g/cm3、土壤有機碳含量 <5.8 g/kg、土壤全氮為 <0.75 g/kg）下，免耕條件下玉米生產力（籽粒產量和秸稈生物量）水平相對更好。其中，土壤有機碳含量和土壤速效鉀含量與玉米籽粒產量呈顯著負相關，年平均降雨和土壤速效磷含量與玉米籽粒產量和秸稈生物量呈顯著負相關，土壤體積質量與玉米籽粒產量和秸稈生物量呈顯著正相關。此外，肥料的高效施用、多樣化的種植模式（間作或輪作）、秸稈還田等管理措施能抵消免耕條件下玉米生產力的負效應。總體而言，氣候土壤環境相對更惡劣的區域可以從免耕技術上獲益更多，而合理的田間管理措施也可以為免耕技術提供更好的生產力效應。

關鍵詞 免耕；玉米；籽粒產量；秸稈生物量；葉面積指數；Meta分析

傳統翻耕是迄今為止全球農業生產中最主流的土壤管理措施[1]。然而，越來越多的研究表明，傳統翻耕大量消耗化石燃料、引起土壤退化、水污染[2]和土壤流失問題[3]，不利于生態環境和農業的可持續發展[4]。因此，緩解傳統翻耕造成的一系列環境問題的保護性耕作受到了廣泛的關注。其中，免耕作為對土壤擾動最小的保護性耕作措施，由于其減少土壤侵蝕、改善土壤結構，增加土壤肥力，提升作物水肥利用效率等在生態環境和農業生產中的積極特性[5-8]，在多個國家和地區得到推廣[9]。通常而言，免耕措施對生態環境和作物生產力都有一定的積極作用[10]。但是，玉米相對于其他農作物養分需求更高[11]，導致免耕措施對玉米生產力的影響往往與其他農作物存在差異，有時甚至出現相反的效果[12]。因此，研究免耕對玉米生產力的影響，對于免耕技術的精準推廣有著重要意義。

不同耕作措施對土壤的擾動程度不同，這會使土壤理化性質發生劇烈變化，從而改變作物光合產物的積累和分配，調控作物光合葉面積指數和秸稈生物量，影響作物產量[13-14]。He等[15]發現，免耕可以顯著提升土壤蓄水量和有機質含量，滿足玉米對于養分的需求，從而顯著提升玉米生產力。然而，免耕造成的土壤體積質量增加也可能會阻礙玉米根系生長，從而降低玉米生產力[16]。實際上，免耕對于玉米生產力的影響取決于多種因素，通常包含氣候、土壤條件、農田管理措施等。為了探究這個問題，全世界對此做了大量研究[17]，但由于試驗地點和管理措施的不同，不同研究者得到的結果往往差異很大[18-19]。如，Chen等[20]研究發現，在寒冷地區，免耕處理下的玉米產量顯著低于傳統翻耕。而卜歡莉等[21]的結果表明，在旱地，免耕和傳統耕作在產量上并沒有顯著差異。這一不一致的發現可能會對免耕大面積的推廣造成不利影響。因此，進行區域范圍內定量評估免耕對作物生產力的影響有助于為更合理的進行免耕提供證據。

本試驗以玉米為研究對象，進行了一項全球范圍內的薈萃分析，以量化免耕對玉米產量、地上部生物量、葉面積指數等作物生產力的綜合影響。同時，為了確定影響免耕措施下玉米生產力的主要驅動因素，評估了這些影響的強度和方向是否因氣候因素（即年降雨、年氣溫）、土壤條件（即質地、體積質量、有機質、總氮和速效養分）和農田管理（即肥料施用量、殘留物管理、種植系統、肥料管理、試驗年限）而不同。具體而言，本研究的目的是使用薈萃分析的方法，確定與傳統耕作相比，免耕對玉米產量、地上部生物量、葉面積指數等生產力指標的影響，并評估其他因素對其結果的影響大小與方向，確定適合免耕的最佳環境和管理措施，為免耕在全球范圍內的推廣提供理論依據與技術支持。

1 材料與方法

1.1 數據來源

選擇中國知網 （http：//www.cnki.net/） 和Web of Science （http：//access.webofknowledge.com/）2個中英文數據庫，通過關鍵詞“玉米”“免耕、保護性耕作”“葉面積、產量、生物量、秸稈、干物質”（“maize or corn”“Tillage or Conservation tillage or Reduc* disturbance or no tillage or zero tillage”“yield or dry matter or leaf area or biomass or grain yield or yield formation or yield component or yield character or production or production or productivity or growth or development or plant”），檢索1978年3月-2022年3月公開發表的關于免耕對玉米生產力的相關文獻。為了構建數據庫，如果出版物符合以下標準，則保留出版物的結果并適當收集數據：（1）選定的研究僅限于基于玉米研究的田間試驗，不包括其他作物或者盆栽試驗與綜述等；（2）必須控制單一變量，即免耕覆蓋秸稈只能和傳統耕作覆蓋秸稈相比較；（3）同一試驗必須包括免耕（NT）為試驗組，傳統翻耕（CT）為對照組；（4）研究報告了至少以下一項玉米生產力參數的結果：籽粒產量、秸稈生物量、葉面積指數[22-23]；（5）文章提供了關于試驗場地位置的信息，以便從同一篇文章或其他二次來源獲得額外的環境特征，如年平均溫度、降水量等。

數據庫中共包括196篇相關的期刊文章，當同一研究可以在一個或者多個解釋變量的單獨亞組中分類時，它們被納入單獨觀察。筆者從每篇文章中提取平均值、樣本量、標準差（SD）等數據。對于僅報告標準誤差（SE）而未報告標準差的研究，SD通過方程式SD=SE× n計算得出；對于未報告SD或SE的研究，SD估計為平均值的0.1倍[24]；所有原始數據或從文本、表格中直接提取，或使用WebPlotDigitizer（https：//apps.automeris.io/wpd/index.zh_CN.html）從圖片中提取[25]。共提取出1 043個數據對，圖1給出了免耕對玉米生產力試驗場所的總體分布。

為了進一步解釋免耕對玉米生產力的影響，將數據集的亞組分類如下：1）氣候因素：年平均氣溫、年平均降雨；2）土壤因素：土壤質地、土壤體積質量、土壤酸堿性、土壤有機碳、全氮、速效氮磷鉀含量；3）農田管理因素：肥料施用量、種植系統、殘留物管理、肥料管理、試驗持續時間。其中，對于氣候因素，將年平均氣溫分為 <8 ℃、8～15 ℃? 和>15 ℃，年平均降雨分為 <600 mm、600～? 1 000 mm和 >1 000 mm[24]；對于土壤因素，根據美國農業部土壤質地三角形，將土壤質地分為細質地（fine textured，包括粘土、砂質粘土、粉質粘土等）、中等質地（medium textured，包括壤土、粉質壤土、粉質粘壤土、粘土、砂質粘土等）和粗質地（coarse textured，包括砂土、砂壤土等），土壤酸堿性分為 pH≤7 和 pH>7 ，土壤體積質量分為 <1.3 g/cm3、1.3～1.4 g/cm3和 >1.4?? g/cm3，土壤有機碳根據有機質換算分為?? <5.8 g/kg、? 5.8～8.12 g/kg和 >8.12 g/kg，土壤全氮分為 <0.75 g/kg、0.75～1 g/kg和 >1 g/kg，土壤有效氮分為 <50 mg/kg ，50～90?? mg/kg和>90? mg/kg ，土壤速效磷 <10?? mg/kg、10～18 mg/kg和>18? mg/kg ，土壤速效鉀分為 <100 mg/kg、100～150?? mg/kg和 >150 mg/kg [26-28]；對于農田管理因素，將氮肥施用量分為 <150 kg/hm2 、150～225 kg/hm2和>225??? kg/hm2，磷肥施用量分為 <60 kg/hm2、60～90 kg/hm2和 >90?? kg/hm2 ，鉀肥施用量分為0、1～90 kg/hm2和?? >90 kg/hm2 ，種植系統分為玉米單作、與豆科間作或輪作、與非豆科間作或輪作，殘留物管理分為秸稈移除和秸稈還田，肥料管理分為不追肥和追肥，試驗持續時間分為短期? （<5 a）、中期（5～10 a）和長期（>10 a）[29-32]。

1.2 數據分析

為了評估玉米生產力對免耕的響應，計算了薈萃分析最常用的響應比（RR，Response Ratio）

的自然對數，以量化免耕對玉米生產力的綜合影響。RRlnRR計算方法如式（1）：

式中，RR是處理組（免耕，NT）中記錄的玉米的籽粒產量、秸稈生物量或者葉面積指數的平均值Xn和對照組（傳統耕作，CT）中記載的玉米的籽粒產量、秸稈生物量或者葉面積指數的平均值Xc的比值。然后計算每項獨立研究效應值的方差（v），計算方法如式（2）：

式中，nn和nc分別代表處理組（免耕，NT）和對照組（傳統耕作，CT）的樣本量，sn和sc分別代表處理組（免耕，NT）和對照組（傳統耕作，CT）的標準偏差。薈萃分析中比較的權重使用公式（3）進行計算：

式中，wij是相應比較的權重，是平均變異系數。為了得出處理組（免耕，NT）相對于對照組（傳統耕作，CT）的總體反應，使用公式（4）計算處理組（免耕，NT）和對照組（傳統耕作，CT）的加權響應比。

式中，RR++是處理組（免耕，NT）和對照組（傳統耕作，CT）組之間的加權響應比，m是要比較的組數，k是相應組中的比較數。wi是一個權重因子。當從同一研究中提取多個觀察結果時，wi根據每個站點的觀察總數進行調整。權重越大，指標在綜合評價過程中越重要[33-34]。加權響應比（RR++）的標準誤差和95% 的置信區間（95%CI）由公式（5）和（6）計算：

所得結果中，若總體平均效應值95%置信區間不包括零點，則說明相對于傳統耕作，免耕對玉米的生產力具有顯著影響（增加或者降低）；若總體平均效應值95%置信區間不包括與零點相交，則說明免耕和傳統耕作對玉米生產力無顯著差異。為了更直觀地表現免耕對玉米生產力的影響，將加權響應比轉換為免耕相對傳統耕作的相對變化百分比（效應值，Effect size %），計算方法如公式（7）：

Effect%=RR++-1×100%[JY，1]（7）

為防止發表偏倚影響薈萃分析的結果，采用Rosenthal失安全系數（Fail safe number）對結果進行偏倚性檢驗[35]，當檢驗結果N>5n+10（n為研究的個數）時，表示不存在偏差，薈萃分析結果真實可信。

本研究使用EndNote X9.1軟件完成文獻的初步篩選，使用Microsoft Excel 2021軟件對提取的數據進行統計整理，構建數據庫，并使用OpenMEE軟件[36]對其完成上述薈萃分析和偏倚性檢驗的所有統計和計算。圖片由R-Studio（R4.13）軟件中的“ggplot2”包進行繪制。

2 結果與分析

2.1 免耕對玉米生產力的總效應影響

總體而言，免耕顯著降低了玉米生產力。與傳統耕作相比，免耕的籽粒產量、秸稈生物量和葉面積指數分別降低了4.2%、2.2%和6.2%? （圖2）。其中，玉米籽粒產量、秸稈生物量 、葉面積指數的異質性檢驗結果均達到了顯著水平（表1），這表明所有觀測到的結果的響應比并不均勻，存在其他因素可能會影響免耕的效果。進一步的組間異質性分析結果表明，氣候、土壤、管理因素對免耕條件下玉米生產力均存在顯著影響? （表2）。

此外，玉米籽粒產量、秸稈生物量和葉面積指數的失安全系數（Fail-safe N）分別為114 192、? 8 798和6 287（表1），均遠大于樣本量，滿足偏倚性檢驗要求。這表明，本研究結果真實可靠，不受期刊文獻發表偏倚的影響。[FL）]

2.2 氣候因素對免耕玉米農田生產力的影響

免耕條件下，玉米生產力的改變幅度受氣候條件的顯著影響（圖3）。在整個數據集中，免耕對玉米籽粒產量和秸稈生物量的響應比與年平均降雨量呈顯著負相關（圖4）。亞組分析結果（圖3）表明：免耕條件下，玉米籽粒產量年平均氣溫為? 8～15? ℃時，顯著降低6.3%。在年降雨量為 <600、600～1 000和 >1 000 mm，分別降低2%、? 5.4%和6.9%；玉米秸稈生物量在年平均氣溫? 為< 8? ℃時，顯著降低6.5%。在年降雨量為? 600～?? 1 000 mm時，顯著降低9.3%；玉米葉面積指數在年平均氣溫為 <8 ℃和 >15? ℃時，分別降低? 6.9%和4.9%。在年平均降雨量為 <600 mm和?? >1 000 mm時，分別顯著降低14.1%和10%。

2.3 土壤因素對免耕玉米農田生產力的影響

2.3.1 土壤屬性 土壤質地對免耕條件下玉米籽粒產量和秸稈生物量產生顯著影響（表2和圖5），其中，免耕條件下，玉米籽粒產量在細質地、中等質地和粗質地的土壤中分別顯著降低9.5%、? 2.6%和6.4%；而玉米秸稈生物量在細質地的土壤中顯著增加9.4%，在中等質地和粗質地的土壤中顯著降低3.8%和4.6%。

土壤體積質量與免耕對玉米籽粒產量和秸稈生物量的影響大小呈顯著正相關（圖6），森林圖中很好地表現了這種趨勢（圖5）：免耕條件下，玉米籽粒產量在土壤體積質量為 <1.3 g/cm3、? 1.3～1.4 g/cm3和 >1.4 g/cm3時的亞組分析結果分別為顯著降低4.4%、無顯著差異和顯著增加3.3%；秸稈生物量分別為顯著降低11.9%、顯著增加4%和無顯著影響。玉米葉面積指數僅在土壤體積質量>1.4 g/cm3時，表現為顯著降低5.3%。

隨著土壤pH的增加，免耕對玉米生產力的效應呈增加的趨勢。其中，免耕對玉米秸稈生物量和葉面積指數的效應值和土壤pH呈顯著正相關（圖6）。亞組分析結果表明（圖5），土壤pH >7時（5.2%）免耕都顯著降低了玉米籽粒產量，降低幅度小于pH≤7（11.2%）；秸稈生物量則表現為土壤pH≤7時顯著降低16.1%，土壤pH>7時無顯著影響；葉面積指數表現為土壤pH≤7時顯著降低9%，土壤pH>7時顯著增加? 8.8%。

2.3.2 土壤養分 免耕對玉米籽粒產量的效應與土壤有機碳、土壤速效磷、速效鉀含量呈顯著負相關（圖7）；對玉米秸稈生物量的效應與土壤速效磷含量呈顯著負相關；對玉米葉面積指數的效應與土壤有機碳含量和土壤速效磷含量呈顯著負相關，與土壤速效氮含量和速效磷含量呈顯著正相關。

亞組分析結果表明，免耕條件下，玉米籽粒產量在土壤全氮含量為0.75～1 g/kg時，顯著降低6.3%；玉米秸稈產量在土壤全氮含量為 >1?? g/kg時，顯著降低5.1%；玉米葉面積指數在土壤全氮含量為0.75～1 g/kg時，顯著增加16%（圖8）。土壤速效氮含量為 <50和50～90?? mg/kg時，免耕使玉米籽粒產量分別顯著降低? 10.4%和5.2%；在土壤速效氮含量 >90 mg/kg時，則沒有顯著影響。玉米秸稈生物量在土壤速效氮含量為 <50 mg/kg時，顯著降低9.4%；在土壤速效氮含量為 >50 mg/kg、無顯著影響。玉米葉面積指數在土壤速效氮含量為50～90和 > 90 mg/kg時，分別顯著降低3.1%和增加16%。

2.4 農田管理因素對免耕玉米農田生產力的影響

2.4.1 肥料施用措施 如圖9所示，除氮肥施用量與免耕對秸稈生物量效應無顯著相關性外，肥料施用均與免耕對玉米生產力效應呈正相關。其中，免耕對玉米籽粒產量的效應與土壤氮肥、磷肥和鉀肥施用量呈顯著正相關；免耕對玉米秸稈生物量和葉面積指數的效應與土壤鉀肥施用量呈顯著正相關。

亞組分析結果（圖10）表明：免耕條件下，玉米籽粒產量在施氮量為 <150、150～22和 >225? kg/hm2時，分別顯著降低8%、3.2%和? 2.3%；在施磷量為 <60和60～90 kg/hm2時，分別顯著降低8.5%和5.4%；在不施鉀肥（施鉀量為0）時，顯著降低10%。玉米秸稈生物量在施氮量為 <150和 >225? kg/hm2時，分別顯著降低4.5%和5%；在施磷量為 < 60時，顯著降低8.1%；在不施鉀肥（施鉀量為0）時，顯著降低8.3%。玉米葉面積指數在施氮量為 <150和 > 225 kg/hm2時，分別顯著降低5%和? 6.8%；在施磷量為 > 90 kg/hm2時，顯著降低? 5.6%；在不施鉀肥（施鉀量為0）時，顯著降低? 11.4%。

2.4.2 其他管理因素 由圖11可知，免耕條件下，玉米籽粒產量僅在單作系統和秸稈移除管理中分別顯著降低6.9%和6.8%，在常規施肥和追肥中降低5.7%和2.4%；玉米秸稈生物量僅在單作系統、秸稈移除管理和追肥管理中分別顯著降低4.4%、5.5%和4.2%；玉米葉面積指數在與非豆科和豆科間作或輪作中分別顯著降低? 6.8%和10%，在秸稈移除管理和秸稈還田管理中分別顯著降低16.2%和5.6%，在追肥管理中顯著降低6.3%。

玉米籽粒產量在免耕年限為短期（<5 a）和長期（>10 a）時，分別顯著降低1.7%和20.2%；玉米秸稈生物量在免耕年限為短期（<5 a）時，顯著降低2.3%；玉米葉面積指數在免耕年限為中期（5～10 a）和長期（>10 a）時，分別顯著降低7%和131%。[FL）]

3 討? 論

3.1 玉米生產力對免耕的響應

一般而言，土壤管理措施主要是通過改變土壤理化性質來影響養分供應和根系生長，以此改變作物光合產物的積累和轉運從而調節作物生長發育[37-38]。相對于傳統翻耕而言，免耕增加了大團聚體和團聚體穩定性，改善了土壤結構，從而增加了土壤水分和養分的固存[8，39]。同時，更低的土壤擾動使免耕有更活躍的微生物和酶，這有助于作物對于養分的吸收利用[40-41]。然而，與傳統翻耕相比，免耕在改善土壤結構的同時，也增加了土壤體積質量，這存在阻礙作物根系的生長的風險[42]。玉米相對于其他農作物，具有更高的養分需求和更旺盛的根系發育，這使玉米對于免耕的響應更為敏感[43]。因此，相對于傳統翻耕，免耕在土壤養分上的優勢和在土壤緊實度上的劣勢對于玉米而言，影響更為顯著。

本研究結果表明，相對于傳統耕作，免耕顯著降低了玉米籽粒產量、秸稈生物量和葉面積指數等作物生產力關鍵指標（圖2）。這與Monneveux等[44]的結果一致。這可能是由于大部分的玉米種植試驗區都選擇在水分和養分的供應較為充足、適宜玉米生長的地點，無法發揮免耕在土壤養分和水分上的優勢，反而因更高的體積質量阻礙了玉米的生長。本研究中，玉米籽粒產量、秸稈生物量和葉面積指數的異質性檢驗結果均達到了顯著水平（P<0.001）（表1），表明某些地區或者管理措施下，可能存在免耕于玉米生產力上占據優勢的情況。

3.2 影響免耕對玉米生產力效應的因素

3.2.1 氣候因素 水、溫是作物生長發育重要的調節因子，外界環境主要通過溫度和降雨來改變作物生長發育時期的水、溫，來調節作物生長發育進程[45-46]。土壤溫度過高或者過低都會降低作物產量[47-48]，而土壤溫度與氣溫密切相關[49]。在年平均氣溫較低（<8 ℃）時，相對于傳統耕作，免耕玉米籽粒產量無顯著差異，而秸稈生物量和葉面積指數顯著降低；而在平均氣溫較高? （>15 ℃）時，相對于傳統耕作，免耕的籽粒產量和秸稈產量均無顯著差異，而葉面積指數顯著降低（圖3）。這主要是因為相對于傳統翻耕而言，免耕土壤溫度變化幅度更小[50]。當氣溫較低（<8 ℃）時，免耕的土壤溫度高于傳統翻耕，而更高的土壤積溫使玉米在免耕條件下更早進入生殖生長階段[1]。因此，雖然免耕由于更低的光合葉面積，導致在總光合產物積累量上低于傳統翻耕，但是籽粒產量上卻與傳統翻耕無顯著差異；當氣溫較高? （>15 ℃）時，免耕的土壤溫度低于傳統翻耕，避免了傳統翻耕由于過高的土壤溫度導致玉米葉片氣孔關閉， CO2的吸收降低，光合能力下降的弊端[51]。因此，雖然免耕光合葉面積指數低于傳統翻耕，但是在光合產物積累上與傳統翻耕并無顯著差異。這個發現表明，在溫度條件惡劣（高溫或者低溫）的區域，免耕措施不失為一種維持玉米產量的可持續發展措施。而對于水分而言，免耕相對于傳統耕作的玉米籽粒產量和秸稈生物量的效應-降雨量關系表明，免耕玉米光合產物積累的效應和降雨量顯著負相關，年降雨量越低，免耕相對于傳統翻耕的產量效應越高（圖4）。在低降雨量的地區，水分的缺失迫使作物關閉氣孔以限制水分蒸發，導致作物減少了光合作用的碳吸收并降低了產量[52]。而相對于傳統翻耕而言，免耕具有更好的水分儲存和水分利用效率[53]，可以緩解這種負面影響。因此，在干旱地區應該更多的考慮使用免耕措施來儲存土壤水分，提高玉米生產力。

3.2.2 土壤因素 土壤是作物生存的直接環境，土壤質量的優劣直接到影響作物生長發育進程[54]。土壤肥力通常用來評估作物生產潛力，而物理因素和養分因素是土壤肥力的重要組成部分[55-56]。就土壤物理質量而言，相對于傳統翻耕，免耕有著增強團聚體結構和穩定性、土壤水力特性等優點[57-58]，但可能增加土壤體積質量[59]。呂秋爽等[60]的研究表明，相對于傳統翻耕，免耕會顯著增加土壤體積質量，從而影響根系增長降低作物光合葉面積指數，最終導致作物生產力下降。本研究中，當土壤體積質量為 >1.4 g/cm3時，免耕作物籽粒產量表現為顯著高于傳統翻耕（圖5），且免耕籽粒產量和秸稈生物量的效應與土壤體積質量表現為顯著正相關（圖6）。一項土壤研究表明，免耕對于土壤體積質量的增加效應隨著土壤體積質量的增加而減少[61]。也就是說，基礎體積質量越高的土壤，免耕對于土壤的改造過程中，對于土壤緊實度的增加越低，對于作物根系的阻礙越小，免耕在土壤緊實度上的負面影響越低。因此，隨著土壤體積質量的增加，當免耕在水分保持和養分供應上的優勢高于在土壤緊實度上的劣勢時，可能促進光合產物的積累[62-63]。

土壤碳氮是土壤養分中重要的一環，是評估土壤肥力的主要衡量指標，對作物整個生育時期的生長供應都有調控作用[64-65]。免耕相對于傳統耕作有更好的固碳和減少氮淋溶的能力[66-67]。本研究結果表明，免耕對玉米籽粒產量的積極影響與土壤有機碳含量呈顯著負相關（圖7）。這與Zhang等[68]的結論一致。而對于土壤全氮而言，當土壤全氮含量為 >1 g/kg時，相對于傳統翻耕，免耕的玉米秸稈生物量顯著降低，而籽粒產量表現為無顯著影響（圖8）。當土壤全氮含量較高時，充足的土壤養分條件促進了傳統耕作的根系生長發育，有利于玉米開花后干物質的積累，而免耕的作物光合產物則更多的向籽粒轉移[69]。土壤速效養分是土壤養分中較為活躍的部分，可以被作物吸收利用[70]。本研究表明，免耕玉米光合產物積累的效應和土壤速效養分顯著負相關（圖7）。這主要是由于隨著土壤速效養分的增加，相對于傳統翻耕，免耕更高的微生物和酶活性的優勢就越弱[71]。唯一的例外是土壤速效氮含量。本研究表明，當土壤速效氮含量為 >90 mg/g時，免耕的玉米籽粒產量和秸稈生物量表現為與傳統翻耕無顯著差異（圖8）。這可能是因為土壤速效氮含量較高時，相對于傳統翻耕，免耕前期較好的水氮供應，顯著提高了玉米葉面積指數（圖8），促進了玉米根系的生長，減緩了由土壤壓實度帶來的劣勢，為后期玉米的生長發育奠定了良好的基礎[72]。

3.2.3 管理因素 田間管理因素是人為改變作物生長發育環境，調控作物生長發育進程的主要方式，主要包括肥料，種植系統和殘留物管理，免耕試驗年限等。本研究結果表明，免耕的籽粒產量效應與肥料施用量成正比（圖9），說明充足的肥料施用是增強免耕生產力的有效田間管理方式之一[73-74]。相對于免耕，傳統翻耕土壤團聚體的破壞和受保護的有機質的暴露導致殘留物和土壤養分釋放得更快，而充足的肥料施用可以提供充足的養分來彌補這種差異[59]。另外，免耕更強的微生物活性和酶活性也能使作物更充分地吸收土壤養分[75]。因此，免耕技術更能發揮肥料的功效。

種植模式能影響農作物對于養分的吸收和分配，適宜的種植模式能改善土壤結構，增加土壤利用率，提高作物生產力[76]。本研究表明，相對于玉米單作相比，免耕在輪作或者間作等多種作物參與的種植模式下有更好的玉米生產力效應（圖11）。這與Pittelkow等[77]的結論一致。多種作物參與的種植模式，打破了害蟲和雜草的生命周期，降低了免耕系統中的病蟲草害[73]，削弱了傳統翻耕的優勢。同時，多種作物參與下的種植模式對土壤的改造，如不同作物根系的穿透、土壤動物的招募等，也緩解了免耕土壤緊實度增加帶來的負面影響[78]。因此，在土壤和氣候條件允許的情況下，將多樣化種植模式與免耕結合更有利于生態環境和玉米生產的可持續性發展。

殘留物管理是農田管理措施中重要的一環，以往農民對于殘留物的處理一般是直接采用焚燒的方式，這對于環境有很大的損害，而且殘留物的收集也需要耗費大量資源[79]。近年來的研究發現，秸稈和免耕結合，不僅可以有效處理秸稈，節省資源，保護環境，而且對于產量也有顯著的積極效應[80-81]。本研究中，秸稈還田條件下免耕對玉米生產力的影響均優于秸稈移除（圖11）。在免耕措施下，秸稈還田措施可以使雨水更大程度地滲入土壤，并減少表層土壤受雨滴影響導致的結皮，從而緩解作物破土上的壓力[82]。另外，秸稈還田帶來的外源有機碳的輸入擴大了免耕更活躍的微生物和酶的優勢[83]，且秸稈覆蓋對雜草的抑制作用也緩解了免耕在草害上的影響[84]。因此，秸稈還田處理縮小了免耕和傳統翻耕之間玉米生產力的差異。

追肥措施可以精準控施肥料，避免肥料施用不合理帶來的產量問題和環境問題，提高肥料利用效率[85]。筆者發現與不追肥相比，追肥縮小了免耕實踐下玉米籽粒產量與傳統翻耕之間的差距（圖11）。在免耕措施下，土壤未經擾動，肥料和根系都大量分布于土壤表層，導致玉米前期生長旺盛，而后期肥力不足[86]；而追肥措施可以減緩免耕后期肥力不足的負面影響，彌補玉米產量上的差距[87]。因此，在免耕實踐中，進行合理的追肥是一種保持玉米產量的合理措施。

免耕被認為是一種可持續發展的農田管理措施，長期免耕對土壤理化性質的改善更為明顯[88]。因此，通常人們認為，短期免耕條件下，作物的生產力顯著低于傳統耕作；隨著免耕年限增加，對于土壤的積極效應逐步增強，免耕的生產力也隨之增加[12]。然而，本研究結果表明，相對于傳統翻耕，免耕條件下的玉米籽粒產量在短期和長期都表現為顯著降低而中期無顯著影響（圖11），Wang等[1]也有類似結果。這是因為玉米相對于其他農作物具有更發達的根系和更高的水養需求[28]，雖然免耕增加了土壤養分和蓄水量，但逐年增加的土壤緊實度也限制了玉米根系的生長從而間接影響了玉米光合葉面積大小（圖11）。當土壤免耕年限為 >10 a時，土壤緊實度對玉米根系的限制使其對養分的吸收低于傳統翻耕[89]。因此，相對而言，免耕條件下玉米的籽粒產量? 更低。

4 結? 論

全球范圍內的薈萃分析表明，盡管相對于傳統翻耕，免耕顯著降低了玉米生產力（籽粒產量、秸稈生物量和光合葉面積指數），但是玉米生產力水平對免耕的響應因氣候（降雨和溫度）、土壤（體積質量、pH、養分）、管理（肥料施用量、作物種植系統、殘留物管理實踐和免耕持續時間）等因素的不同而不同。免耕更適合在相對干旱的氣候環境（年平均氣溫>15? ℃、年平均降雨<600 mm）和惡劣的土壤條件（土壤體積質量>1.4 g/cm3、土壤有機碳含量<5.8? g/kg、土壤全氮<0.75?? g/kg）進行，相比翻耕能夠顯著提高玉米生產力。此外，肥料的高效施用、多樣化的種植模式（間作或輪作）、秸稈還田等管理措施也能抵消免耕條件下玉米生產力的負效應。因此，免耕措施的推廣需要選擇適宜的環境條件和科學的管理措施。本研究基于現有的科學數據，量化了免耕對于玉米生產力的影響，為世界范圍內合理推廣免耕措施以保障農業的可持續發展提供了理論依據。

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Effect of No-tillage on Maize Productivity：A? Global Meta-analysis

Abstract In this study， a global meta-analysis was couducted by synthesizing data from 1? 043 data pairs extracted from 196 relevant studies.We assessed changes in maize grain yield， straw biomass， and leaf area index under no-tillage condition and explored the extent and direction of the influence of climate， soil， and management factors. The results showed that no-tillage significantly reduced maize grain yield， straw biomass， and leaf area index by 5.7%， 4.1%， and 9.7%， respectively， compared to conventional tillage. However， these effects varied depending on climate， soil and management practices. In relatively arid climatic conditions （annual average temperature >15 ℃， annual average rainfall <600 mm） and adverse soil conditions （soil volumic mass >1.4 g/cm？倕， soil organic carbon content <5.8 g/kg， soil total nitrogen <0.75 g/kg），maize productivity （grain yield and straw biomass） were relatively better under no-tillage conditions.Specially， soil organic carbon content and soil available potassium content were significantly negatively correlated with maize grain yield， while annual average rainfall and soil available phosphorus content were significantly negatively correlated with maize grain yield and straw biomass.Soil? volumic mass? was significantly positively correlated with maize grain yield and straw biomass. In addition， efficient fertilizer application， diversified cropping patterns （intercropping and crop rotation）， and straw-return management can counteract the negative effects of maize productivity under no-tillage. In conclusion， regions with relatively harsh climate and soil conditions can benefit more from no-tillage technology， and proper field management practices can enhance the productivity effects of no-tillage.

Key words No-tillage; Maize; grain yield; Straw biomass; Leaf area index; Meta-analysis