地膜覆盖措施在中国的区域适用性和区域因子分析<br/>——以玉米为例

地膜覆盖措施在中国的区域适用性和区域因子分析
——以玉米为例

2020-08-27刘健峰朱博文严敏哲于文学严惠敏王乃江丁奠元

水利与建筑工程学报 2020年4期

刘健峰，朱博文，张显，严敏哲，于文学，严惠敏，王乃江，丁奠元，

(1.扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州 2250092.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西杨凌 712100)

地膜覆盖技术自上世纪70年代末引入中国以来，由于能够较好地改善作物生长过程中气候和环境的限制因素，在一定程度上稳定并增加作物产量，已经在全国多地被广泛应用[1-2]。玉米是我国主要粮食作物之一，在我国种植范围分布广泛。在多数已有研究中，覆膜技术的应用极大地提高了玉米产量和水分利用效率，表现出了较好的节水增产效果[3-5]。然而，近年来也有少数研究表明地膜覆盖措施增加了玉米的耗水量，使得耕作层土壤呈现干燥化，存在一定生态安全风险[6]。降雨分布的差异性使得地膜覆盖措施对玉米生长和水分利用的影响可能存在区域效应。

前人研究表明，覆膜措施可以显著提高玉米的产量和水分利用效率(WUE)[7-8]；对比发现，覆膜处理比裸地处理和秸秆覆盖处理更能显著增加玉米的产量、水分利用效率和氮肥利用效率[9]。然而，受地域、气候和环境等诸多因素的影响和限制，覆膜措施对玉米产量和产量构成因子的综合效应还不清楚，限制覆膜措施应用的区域因素(降雨、温度和海拔等)需要深入研究。

以上问题需要从大区域尺度进行综合分析，独立的大田试验很难回答，Meta-analysis方法(Meta分析)提供了一种可能的解决方法。Meta分析是可以将多个独立试验及研究(主题相同)进行综合统计的一种分析方法，能够量化地综合分析现有的试验数据，得出该种试验措施的影响因素及其综合效应，Meta分析已经应用到农业领域的不同研究方向，取得了较好的研究成果[10-11]。

鉴于以上研究进展和存在问题，本研究通过收集2018年12月之前中国玉米(包括夏玉米和春玉米)地膜覆盖研究数据，基于Meta分析，定量分析地膜覆盖措施对玉米产量及其构成因子影响；基于玉米产量、耗水量和WUE，分析覆膜效果的主要区域因子(降雨、温度和海拔)，旨在了解中国境内地膜覆盖技术的地域限制因子，为更好地发挥地膜覆盖措施对玉米的稳产增产效果提供参考，促进农业系统更好地可持续性发展。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究以“玉米”、“覆膜”、“Maize”、“Corn”和“Plastic mulching”为关键词，对中国知网、维普、万方和Web of science数据库进行相关文献检索，搜集截至2018年12月为止国内外公开发表的有关中国地膜覆盖措施下玉米产量及其构成、耗水量(包括蒸发蒸腾量)和WUE等田间试验参数的研究论文。基于Meta-analysis方法对数据的要求，本研究基于以下几个标准对相关文献进行筛选：

(1) 文献为大田试验研究，试验地点和年份清楚，试验处理包括无覆膜处理(裸地)与覆膜处理的相关数据，地膜覆盖时间均为玉米全生育期。

(2) 试验中地膜为普通地膜(不包括生物降解地膜)，且地膜厚度、颜色(透明、白色或者黑色)和种植方式(如起垄覆膜或平作覆膜)清晰；试验处理仅为覆膜与否，不包括秸秆还田处理(如起垄覆膜与沟覆秸秆组合处理)的试验结果。

(3) 文中列出相关处理产量及其构成因子、耗水量和WUE的均值及标准差，或提供了相关处理各重复的数值，或试验年限大于等于两年。

通过文献检索和筛选，共获得 86篇有效文献，并获得328组数据，其中包括140组产量数据，49组耗水量数据，61组WUE数据，45组百粒重数据，33组穗粒数数据，主要涉及宁夏、甘肃、内蒙古、山西、陕西等13个省(自治区)，具体数据分布见图1。

图1 试验所在地分布图

1.2 数据基本描述

本研究根据获取数据情况和地理信息，将这些数据分布范围划分为中国西北、东北、华北和南方四个主要区域，按照海拔高度、年均温和年降水量进行分类，研究区域因子对地膜覆盖措施效果的影响。如表1所示。

表1 数据统计描述

获取的文献中，研究所用地膜均为普通塑料地膜(不可降解)，其大部分厚度为0.008 mm和0.010 mm，少部分为0.005 mm。地膜颜色分为黑色、白色和透明3种，玉米种植大多采用垄作或者平作。

1.3 数据处理和分析方法

标准差是Meta分析的最主要参数之一，用于计算各研究的权重。在整理数据中，当文中列有产量标准差时，直接使用；当文中没有提供产量标准差但有多个重复试验的产量，或既未提供产量标准差也无重复试验的产量，但包含多年试验时，将多年试验结果看作平均重复，计算标准差。

在Metawin软件中分别输入各组研究中裸地对照组数据和地膜覆盖组数据平均产量值其对应的样本个数和标准偏差，再利用随机效应模型计算效应值lnR：

(1)

式中：R为反应比；Ye为地膜覆盖组的产量，kg/hm2；Yc为裸地对照组的产量，kg/hm2。这里将效应量lnR转化为增产率Z，便于使用地膜增产率去解释地膜增产效应[12]：

Z=exp(lnR)-1

(2)

式中，Z的95%置信区间若全部大于0，说明覆膜对玉米产量具有显著正效应，即促进增产；若全部小于0，说明地膜覆盖对产量具有显著负效应，即不利于产量的提高；若包含 0，则说明地膜覆盖对产量无显著影响。覆膜玉米耗水量和WUE在Meta分析中的计算过程与产量的计算过程一样。

由于本研究中部分数据组均值的标准差未被报道，因此，这里利用试验处理重复次数的方法来计算权重，计算公式如下：

(3)

其中：nt和nc分别表示试验组和对照组的试验重复次数。

本研究除了利用Meta分析研究区域效应之外，还利用相对增加率评价覆膜措施对玉米籽粒产量、耗水量和WUE的影响。所有数据采用Excel 2010进行统计整理，采用Metawin 2.1软件进行Meta分析，使用SigmaPlot 12.5软件作图，利用IBM SPSS STATISTIC 23.0软件利用最小显著性差异(Least Significant Difference)方法进行显著性差异检验。

2 结果与分析

2.1 覆膜处理对产量及其构成的影响

覆膜处理显著增加了玉米产量(见图2)，增产率达23.76%(置信区间为20.57%～26.95%)。在玉米的产量构成中，覆膜处理显著增加了穗粒数和百粒重，增加率分别为21.49%(置信区间为18.39%～24.60%)和21.36%(置信区间为17.95%～24.77%)。

注：n为某组数据的个数，下同。

2.2 覆膜措施的区域效应

与裸地处理相比，覆膜处理在中国西北、东北、华北和南方地区均对玉米均有显著增产效应(见图3(a))，其中，西北地区增产率最高，达 31.10%(置信区间为26.49%～35.71%)，其后分别为东北地区15.78%(置信区间为7.74%～23.82%)、南方地区15.19%(置信区间为6.98%～23.40%)和华北地区10.94%(置信区间为7.5%～14.38%)。与其他地区相比，覆膜处理在中国西北地区增产率具有显著性差异。

覆膜处理与裸地处理相比(见图3(b))，在西北地区有增加耗水量的趋势，在华北地区有减小耗水量的趋势，但其影响均没有达到显著性；在东北地区显著减小了玉米的耗水量，减小率达2.59%(置信区间为-4.70%～-0.47%)。

与裸地处理相比(见图3(c))，覆膜处理显著提高了西北和华北地区的WUE，增加率达36.51%(置信区间为32.47%～40.55%)和11.48%(置信区间为3.93%～19.03%)；但是对东北地区，覆膜措施虽然显著增加产量(见图3(a))，显著降低ET(见图3(b))，但与裸地处理WUE的差异并不显著，可能是由于样本数量不一致引起的。

图3 地膜覆盖处理对不同地区玉米产量、

2.3 区域因子对覆膜措施产量的影响

在不同海拔地区(见图4(a))，与裸地处理相比，覆膜处理均具有显著的增产率，随着海拔的增加，覆膜玉米的增产率呈现递增趋势，其中海拔<500 m、500 m～1 000 m、1 000 m～1 500 m和>1 500 m地区的增产率分别为20.91%(置信区间为17.62%～24.21%)、23.29%(置信区间为19.67%～26.92%)、26.22%(置信区间为22.82%～29.61%)和28.12%(置信区间为24.06%～32.18%)。不同地区的增产率没有显著性差异。

与裸地处理相比，在不同降雨量地区覆膜处理均具有显著的增产率(见图4(b))，且随着年降雨量的增加，增产率呈递减趋势，其中降雨量为<300 mm、300 mm～400 mm、400 mm～500 mm和>500 mm地区的增产率分别为22.82%(置信区间为21.73%～28.83%)、26.00%(置信区间为21.95%～30.05%)、24.59%(置信区间为21.46%～27.71%)和22.95%(置信区间为19.48%～26.42%)。不同降雨区域之间，覆膜的增产率差异不显著。

在不同温度区域(见图4(c))，与裸地处理相比，覆膜处理均具有显著的增产率，其中年均温为10℃～13℃的区域覆膜增产率最高，达26.45%(置信区间为22.48%～30.43%)，其次是年均温为7℃～10℃的地区，增产率为25.88%(置信区间为22.50%～29.26%)，年均温>13℃地区增产率为24.22%(置信区间为20.71%～27.73%)，年均温为<7 ℃地区的增产率为23.83%(置信区间为20.81%～26.84%)。不同温度区域的增产率差异不显著。

图4 地膜覆盖措施对产量区域效应

2.4 区域因子对覆膜措施耗水量的影响

在不同海拔地区(见图5(a))，与裸地处理相比，海拔<500 m地区显著减小了玉米耗水量，减小率为1.57%(置信区间为-2.33%～-0.81%)；海拔500 m～1 000 m和1 000 m～1 500 m地区玉米耗水量与裸地处理差异不显著；在海拔>1 500 m的地区，覆膜措施显著增加了玉米耗水量，增加率为7.43%(置信区间为2.29%～12.57%)。

在不同降雨区域(见图5(b))，与裸地处理相比，多年平均降雨量300 mm～400 mm的地区耗水量显著增加，耗水量增加率为5.49%(置信区间为1.80%～9.19%)；降雨量>500 mm的地区，覆膜措施显著减小了耗水量，减小率为1.16%(置信区间为-1.92%～-0.45%)；在降雨量<300 mm和400 mm～500 mm的区域，与裸地处理相比，覆膜对耗水量的影响均未达到显著差异。

与裸地处理相比，只有不同年均温地区覆膜对耗水量的影响均未达到显著差异(见图5(c))。

图5 地膜覆盖措施对耗水量的区域效应

2.5 区域因子对覆膜措施WUE的影响

在不同海拔地区(见图6(a))，覆膜处理均显著提高了玉米的WUE，且随着海拔的升高，玉米WUE的增加率呈递增趋势，其中海拔<500 m、500 m～1 000 m、1 000 m～1 500 m和>1 500 m地区WUE增加率分别为11.50%(置信区间为5.51%～17.49%)、28.87%(置信区间为21.60%～36.14%)、31.60%(置信区间为27.35%～35.85%)和57.00%(置信区间为31.33%～82.67%)。与海拔<500 m地区相比，海拔>1 500 m的区域WUE增加率差异显著。

与裸地处理相比，覆膜处理均显著增加了不同年均降雨量地区玉米的WUE(见图6(b))。其中，年平均降雨量<300 mm地区的WUE增加率最高，达32.43%(置信区间为17.49%～47.37%)，其次是年平均降雨量为300 mm～400 mm的地区，WUE增加率达30.88%(置信区间为14.45%～47.3%)；年降雨量为400 mm～500 mm和>500 mm地区的WUE增加率分别为23.83%(置信区间为15.56%～32.10%)、25.48%(置信区间为16.80%～34.17%)。不同年均降雨量地区之间WUE增加率没有显著性差异。

在不同温度区域(见图6(c))，与裸地处理相比，覆膜处理均显著增加了不同年均温地区的玉米WUE，其中年均温为10℃～13℃的地区WUE增加率最大，达46.03%(置信区间为26.01%～66.06%)，其次是年均温<7℃的地区，WUE增加率为42.80%(置信区间为26.56%～59.04%)，年均温为7℃～10℃的地区WUE增加率为27.20%(置信区间为19.26%～35.13%)，年均温为>13℃地区的WUE增加率最小，为19.21%(置信区间为12.52%～25.9%)。与年均温为>13℃地区相比，年均温<7℃和10℃～13℃的地区的WUE增加率具有显著差异性。

图6 地膜覆盖措施对WUE的区域效应

3 讨论

3.1 覆膜措施对玉米产量构成的影响

随着中国经济的发展和人口增长，国内对粮食的需求日益增多；而且全球气候变化不断发展，作物的生长对气候因素的响应也越来越敏感，加剧了不同年际间作物生产的波动[13-15]。进一步挖掘作物增产的潜力就成为缓解和解决粮食安全问题的重要手段。同时，在稳定作物产量的基础上，减小耗水，提高作物水分利用效率，对于我国农业生产系统，尤其是旱地农业，可持续发展具有重要意义[16]。地膜覆盖措施可以有效地满足以上要求，这也是其在我国不断推广应用的重要原因。在本研究中，覆膜处理措施显著增加了玉米的籽粒产量，马金平等[17]的研究也发现了类似的结果，覆膜措施能明显促进玉米表层土壤的根系生长与提高籽粒产量。李桂林等[18]的研究也表明在不同覆膜栽培方式下，玉米的穗粒数和千粒重也都有显著增加。基于“源-库”理论[19-20]，覆膜措施能显著增加玉米生殖生长阶段的“库容”。覆膜措施通过优化土壤的水热条件，促进了玉米营养生长阶段的干物质积累，并且增大了生殖生长阶段玉米籽粒的库容，使得玉米籽粒能够接收和保存更多的干物质，最终达到增产效果。

3.2 覆膜措施的区域因子

覆膜措施对作物生长和水分利用的影响，在不同区域表现出了不同的效果。首先，西北地区覆膜措施增产和提高WUE效果的最好，Gao等[7]的研究也发现了类似的结果，覆膜措施在西北地区对多种不同作物的产量和WUE均具有较好的改善效果。其次，随着年平均降雨量的增加，覆膜玉米的增产率呈现递减趋势。覆膜对玉米WUE的提高作用在降雨量<400 mm的地区表现更好，这与Qin等[9]研究结果相似。前人研究也表明，在年平均降雨量为200 mm～300 mm的区域，覆膜措施对作物增产效果最好[8]。这与地膜改善作物生长的土壤环境因子密切相关。覆膜措施可以有效地限制土壤表层蒸发，增加土壤水分含量[21]。前人研究表明，覆膜措施可以显著增加土壤表层20 cm土层的土壤含水量，且对20 cm～100 cm土层土壤水分也有较好保蓄作用[8]。在降雨量较少的地区，覆膜措施改善土壤水分的作用得到更好的发挥，从而更显著地增加玉米产量。此外，覆膜也可以较好地提高土壤温度[22]。在温度较高或者较低的区域，覆膜的增温效果都可能受到一定限制，增产效果也会随之减弱。本研究发现，覆膜措施在年均温7℃～13℃的地区表现更优。因此，覆膜措施通过优化土壤水热条件，改善作物根系的生长环境，从而促进作物生长，提高作物产量[23]。

与年平均降雨和年平均温度相比，试验地海拔能够更好地反映不同地区多个因子对覆膜效果的综合影响。在已有研究中，Meta分析的数据多以降雨、温度和海拔等区域因子分类[7-10]。覆膜玉米的产量、耗水量和WUE增加率均随试验地点的海拔的增加而增加(见图4(a)、图5(a)和图6(a))，且玉米的产量、耗水量和WUE的增加率均与试验地点海拔成极显著性正相关(P<0.01,见图7)。本研究的统计分析也表明，试验点海拔均与年均降雨量和年均温度成负相关关系；而对于年平均降雨和年平均温度，除了覆膜玉米的增产率与年平均降雨呈显著性负相关之外(P<0.05)，覆膜玉米的耗水量和WUE增加率与年平均降雨和年平均温度均没有显著性关系。以上分析表明，在不同区域，除了年平均降雨和年平均温度之外，还有其他影响作物生长的因素在其中起作用，如太阳辐射指标。已有研究表明，太阳辐射量对作物生长影响较大[24]，且太阳辐射量与海拔密切相关[25]。然而，由于数据的限制，无法分析玉米生长与太阳辐射量之间的联系。试验地点海拔作为一个地理信息指标，与试验地点地降雨、温度和太阳辐射量等影响作物生长地气象指标均具有较好的关系，反映不同气象因子对覆膜措施下玉米生长和水分利用的综合效应。

虽然覆膜玉米的产量和WUE均随着海拔的增加呈增加趋势，但是覆膜玉米的耗水量也在不断增加。在部分旱作农业地区，覆膜玉米的耗水量可能超过当年降雨量[26-27]。如果没有其它的水源补充土壤水分，遇到连年干旱少雨，极可能造成当地农业生态系统水分严重亏缺。图7(b)表明，在海拔>668 m旱作地区(如甘肃和宁夏地区)，当地覆膜措施更容易引起玉米土壤耗水量增加。因此，在海拔>668 m的地区，旱作覆膜措施下农田玉米生产的可持续性需要深入探讨。未来研究中，旱作覆膜措施在海拔>668 m地区的适用性可以结合作物模型的模拟和长时间田间试验进行进一步评价和验证。此外，在本研究中，试验地点海拔虽然能够较好地综合反映覆膜措施下玉米生长和水分利用的综合效应，但是四个因子区域、降水、温度和海拔之间可能存在互作关系，这种互作关系怎样影响覆膜措施效果需要进一步深入研究。

注：**P<0.01。

3.3 本研究的局限性

研究地膜覆盖区域效应需要在不同区域进行多年连续试验，然而进行这样的研究需要花费大量的人力和物力，缺乏可行性。Meta分析方法能基于前人研究数据，有效地规避了上述限制条件，但目前本研究也存在一定的局限性。首先是覆膜玉米研究较多，难以纳入所有研究；其次，部分地区所报道的试验数据较少，不足以用来分析该地区的区域因素；再次，影响地膜覆盖效应的因素较多，对所有影响因素进行全面分析较为困难[28-29]。地膜覆盖措施下，玉米增产效果除了与气候因子有关之外，还与覆膜方式(如全膜和半膜)[30-32]、膜的厚度[33]、垄作栽培方式[34-35]、试验地土壤肥力[36]、种植品种[37]、灌溉条件[38-39]等农业措施有关。本研究利用 Meta方法分析时，以上局限均可能对研究结果产生一定的影响。

尽管存在一定局限，笔者认为，在大区域尺度下，气候和环境条件变异较大，基于不同区域的研究中获得的数据，更能反映真实的自然条件，本研究结果对于了解地膜覆盖措施的区域效应有一定的参考价值。