黄土高原绿肥填闲种植的水分与产量效应：Meta分析*
2021-11-17张少宏RAJANGhimire邢文超胡映明张南南
张少宏,王 俊,3**,RAJAN Ghimire,邢文超,胡映明,张南南
(1.西北大学城市与环境学院 西安 710127;2.陕西省地表系统与环境承载力重点实验室 西安 710127;3.中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心 杨凌 712100;4.New Mexico State University,Agricultural Science Center at Clovis,NM 88101,USA)
推广减施增效技术、实现“藏粮于地、藏粮于技”是当前我国农业发展和粮食安全的重大国家战略。黄土高原是我国典型的旱作农业区,受水热条件限制,粮食作物多为一年1 熟到两年3 熟。粮食作物收获到下一季粮食作物播种存在一定时间的裸地休闲。即使夏季休闲期间降水充沛,由于无植被覆盖和高温环境,依然造成大量土壤水分无效蒸发[1]。在粮食作物收获至播种的休闲期间种植填闲作物(cover crop 或 catch crop),一方面可以通过覆盖地表保护土壤,吸收多余矿质养分,降低污染风险;另一方面其生长一定时间后翻耕入土也可作为绿肥(green manure)补充土壤养分,提高土壤质量[1]。研究表明,绿肥填闲种植具有增加土壤有机质、促进养分循环、改良土壤结构、增加微生物数量、抑制杂草和病虫害以及防止土壤侵蚀等多种生态效益[2-3]。历史上种植填闲作物是黄土高原旱作农田生态系统得以稳定持续的重要管理措施之一,而在当前绿色化农业生产的新形式下,亟待深化对绿肥填闲种植系统这一传统农业精华的理解。
与裸地休闲相比,绿肥作物的“遮荫效应”可以减少土壤水分的无效蒸发[4-6],翻压后能增加土壤中的有机物,改善土壤的物理性质[7-9],达到一定的保水目的。但是,绿肥种植也可能会增加土壤水分消耗,与后茬作物产生土壤水分的竞争性利用[4-5]。在旱作农业区,绿肥作物对土壤水分的竞争性利用可能会直接影响到后茬粮食作物产量形成过程[1]。当前关于绿肥填闲种植土壤水分效应的研究结论存在争议。在黄土高原地区,李小涵等[10]、李婧等[11]、张祺等[12]的观测结果表明,夏季休闲期间种植豆科绿肥均显著增加了土壤水分消耗,而张树兰等[13]研究表明,绿肥种植对土壤水分平衡及后茬作物水分利用没有产生显著影响。而国外研究表明,绿肥种植可以有效提高表层土壤含水量和田间持水量[2,8,14]。绿肥填闲种植的土壤水分效应可能与其生物量、田间管理措施以及土壤气候条件有关。水分匮乏是限制黄土高原旱作农业生产的关键因素,休闲期引种绿肥作物是否会过度消耗土壤水分并进而影响后茬粮食作物产量形成和水分利用目前尚缺乏全面系统的评估。
本研究通过收集黄土高原地区相关绿肥填闲种植的田间试验数据,基于整合分析方法,定量探究了绿肥种植对休闲期降水储存效率(PSE)、粮食作物播种时土壤储水量(SWSP)、粮食作物产量、生育期蒸散量(ET)和水分利用效率(WUE)的影响,并定量分析了绿肥作物生物量和翻压播种间隔时间与土壤水分、粮食作物产量和水分利用的关系,旨在探讨本地区旱作农田绿肥填闲种植系统的水分生产力形成机制,为其在黄土高原旱作农业区的恢复与推广提供科学依据与实践指导。
1 材料与方法
1.1 数据收集
以“绿肥作物(green manure)”或“填闲作物(cover crop 或catch crop)”为关键词,在Web of Science、中国知网(CNKI)和百度学术等数据库进行检索,检索日期截至2020年6月15日。然后基于以下标准进行文献筛选:1)试验地点在中国黄土高原地区;2)仅考虑田间试验数据,所有室内培养试验、模型模拟和文献综述均不予考虑;3)同一试验设计必须包含绿肥种植试验组和裸地休闲对照组,除此之外其他田间管理措施需一致;4)研究结果中至少包含土壤水分、粮食作物产量和WUE 中的一项;5)观测结果包含样本量、均值和标准误差;6)对不同研究的同一试验数据只纳入一次。经过筛选最终获得了46 篇文献[11-12,15-58]、486 组试验数据。本研究数据来源的试验地点分布如图1所示。
除PSE、SWSP、粮食作物产量、ET 和WUE数据外,还收集了包括各项田间试验研究的土壤初始有机碳(SOCi)、年均降水(MAP)、休闲期降水和年均气温(MAT)数据,另外收集了绿肥生物量干重数据。文献中缺乏试验所在地气象数据时,通过国家气象信息中心中国气象数据网(http://data.cma.cn)进行获取。数据收集过程中,对文字、表格形式展示的数据进行直接提取,对以图形形式展示的数据使用Getdata graph digitizer 2.26(http://getdata-graphdigitizer.com/index.php)进行提取。
采用以下公式分别计算土壤储水量(SWS)、PSE、后茬粮食作物生育期ET 和WUE[12,29]:
式中:SWC 为土壤重量含水量(g·kg−1),BD 为土壤容重(g·cm−3),D为土层厚度(cm),i为土壤层次2。
式中:SWSP 为粮食作物播种时土壤储水量(mm),SWSH′为上一季粮食作物收获时土壤储水量(mm),Pf代表休闲期间降水量(mm)。
式中:SWSH 为后茬粮食作物收获期土壤储水量,Pg为后茬粮食作物生长期间的降水量(mm)。由于黄土高原地区土壤地下水补给深度超过60 m,且所获取的文献中田间试验均在平地开展,因此在ET 计算中不考虑地下水补给和地表径流。
式中:Yield 为后茬粮食作物籽粒产量(kg·hm−2)。
1.2 数据分析
使用Metawin 2.1 软件(Sinaure Associate Inc.,Sunderland,USA)对收集的数据进行整合分析(Metaanalysis),计算绿肥种植对PSE、SWSP、后茬粮食作物产量、ET 和WUE 的影响。数据包括绿肥种植和对照两组各观测指标的均值和标准差。部分文献不含各指标的标准差,但包含多个重复试验的数据,或者以上两部分均未展示,但包含多年试验的各指标数据时,使用SPSS 23.0 软件计算标准差[59]。
使用效应量(response ratio,RR)来反映绿肥种植对各观测指标的影响大小[60-61],计算公式如下:
式中:Xc为绿肥种植试验组的均值,Xn为对照组均值。
RR 的方差(V)计算公式为:
式中,Sc和Sn分别为绿肥种植试验组和对照组的标准差,Nc和Nn分别为绿肥种植试验组和对照组的重复次数。每个RR 的权重(W)计算公式为:
数据分析过程中,相比于较小的变异研究赋予较大变异更小的权重,以消除研究中得到不等变异。总体RR(RRE++)计算公式为:
式中:n为试验处理数,m为每个类别的比较数。
RRE++的标准差计算公式为:
为了便于对结果的解释,将总体RR 转换为百分比变化率RR(%),相应的转换公式为[59]:
为便于分析和解释,除RR 外,同时使用RR 的95%置信区间进行表达。若总体效应量的95%置信区间全部小于0,表明绿肥填闲种植对该指标有显著的负面影响;若95%置信区间包含0,说明绿肥填闲种植对该指标的影响不显著;若区间范围大于0,表明绿肥填闲种植对该指标有显著的正面影响。
为进一步解释总体结果的变异性,根据气候和土壤特性将数据库分成不同的子数据库,进行分组整合分析。参照Wang 等[62]的气候分类方法,按试验地点MAP≤450 mm、450 mm
使用Metawin 2.1 软件(Sinaure Associate Inc.,Sunderland,USA)检验数据异质性和发表偏倚。数据异质性包括总体异质性(total heterogeneity)、组间异质性(heterogeneity between-group)和组内异质性(heterogeneity within-group),数值越大代表数据异质性越大。通过组间异质性来检验同一指标的效应量在不同亚组之间的差异[60]。通过计算失安全系数(fail-safe number)来判断发表偏倚[61],其中失安全系数阈值为(5n+10),n为观察数。失安全系数低于阈值或无显著性排序表明本研究数据存在发表偏倚性问题。
2 结果与分析
2.1 休闲期降水储存效率和后茬粮食作物播种时土壤储水量
PSE 和SWSP 的试验数据分别为60 组和202组,且均呈正态分布。表1 和表2 显示,PSE 和SWSP的数据异质性较高,且不存在发表偏倚,能够满足整合分析要求。
表1 休闲期降水储存效率、后茬粮食作物播种时土壤储水量及后茬粮食作物产量、蒸散量和水分利用效率的数据异质性分析Table 1 Data heterogeneity for precipitation storage efficiency during the fallow period,soil water storage at succeeding crop planting,succeeding crop yield,evapotranspiration,and water-use efficiency
表2 休闲期降水储存效率、后茬粮食作物播种时土壤储水量及后茬粮食作物产量、蒸散量和水分利用效率的数据分布(高斯)及发表偏倚性检验结果Table 2 Data distribution(Gaussian test)and publication bias for precipitation storage efficiency during the fallow period,soil water storage at succeeding crop planting,succeeding crop yield,evapotranspiration and water-use efficiency
与裸地休闲相比,绿肥种植PSE 平均降低了28.28%(P<0.05),其中种植豆科绿肥PSE 降低了29.53%,而非豆科绿肥仅有3 组数据,结果存在不确定性(图2a)。关于PSE 的试验主要集中在半湿润温暖地区,且绿肥种植对PSE 的负效应在SOCi为5～8 g·kg−1时大于8～11 g·kg−1。绿肥种植SWSP 较裸地休闲降低了4.93%(P<0.05),其中豆科和非豆科绿肥降低幅度分别为5.00%和4.00%(图2b)。在半干旱或中温区绿肥种植对SWSP 没有显著影响,而在半湿润易旱区、半湿润区以及温暖地区均具有显著负效应。土壤SOCi<5 g·kg−1时绿肥种植对SWSP 没有显著影响,而当SOCi>5 g·kg−1时均呈显著负效应,其中在SOCi>11 g·kg−1时的负效应显著大于5～11 g·kg−1。
绿肥种植对PSE 和SWSP 的影响随绿肥翻压至后茬粮食作物播种间隔时间延长先增加后减少(y=−0.0019x2+0.0421x−0.2826;y=−0.0004x2+0.0117x−0.1054),其两个指标RR 值在间隔13 d 左右达最大(图3a、3b)。其中,豆科绿肥变化趋势与总体一致;受数据量限制,种植非豆科绿肥PSE 和SWSP 的RR值与绿肥翻压至后茬粮食作物播种间隔时间相关性不显著。
绿肥种植对PSE 和SWSP 的影响与MAP 和MAT 不相关(数据略),但与休闲期降水存在显著的二项式相关性(图4)。随休闲期降水量增加,PSE 的RR 值呈先增加后减少趋势(y=−4E−07x2+0.0009x−0.3946)(图4a),而SWSP 的RR 值呈先减少后增加趋势(y=2E−06x2−0.0011x+0.1184)(图4b),其RR 值在休闲期降水量320 mm 附近时最小。两个指标RR 值的22%和5%变异性可以由休闲期降水加以解释。种植豆科绿肥与总体变化基本一致,而受数据量限制,非豆科绿肥PSE 和SWSP 的RR 值与休闲期降水量间相关性不显著。
2.2 后茬粮食作物产量
后茬粮食作物产量的试验数据为368 组,呈正态分布(P<0.05),数据异质性较高且无发表偏倚(表1、表2),能够满足整合分析要求。
与裸地休闲相比,绿肥种植导致后茬粮食作物产量平均增加2.37%(P<0.05),其中豆科绿肥增产3.48%(P<0.05);而非豆科绿肥导致后茬粮食作物产量下降8.69%(P<0.05)(图5a)。在半干旱和半湿润易旱地区,绿肥种植对后茬粮食作物产量分别提高15.05%和2.37%(P<0.05),而在半湿润地区产量下降6.88%(P<0.05)。绿肥种植在中温区显著提高了后茬粮食作物产量,但在温暖地区产量效应不显著。当土壤SOCi<5 g·kg−1时,绿肥种植显著增加了后茬粮食作物产量,但随着SOCi的增加,其对后茬粮食作物产量的影响不再显著。
随绿肥翻压至后茬粮食作物播种间隔时间延长,后茬粮食作物产量RR 值总体上呈先增加后减少变化(y=−0.0007x2+0.0177x−0.0355),并在间隔时间13 d左右时达最大(图6a)。绿肥翻压至后茬粮食作物播种时间间隔能够解释19%的产量变异。豆科绿肥与翻压至后茬粮食作物播种间隔时间之间的相关关系与总体一致,而后茬粮食作物产量的RR 随间隔时间的延长并未发生显著变化。尽管绿肥填闲种植产量效应总体上与总体绿肥生物量相关性不显著,绿肥种类间存在差异(图6b)。随着绿肥生物量的增加,后茬粮食作物产量在种植豆科绿肥时呈现先增加后减少的趋势,并在绿肥生物量为2200 kg·hm−2左右时达最大;而在种植非豆科绿肥时,后茬粮食作物产量呈先减少后增加的趋势,最低值出现在非豆科绿肥生物量为1400 kg·hm−2左右。
2.3 蒸散量和水分利用效率
后茬粮食作物ET 和WUE 的试验数据分别为97 和84 组,均呈正态分布(P<0.05),数据异质性较高且无发表偏倚(表1、表2),能够满足整合分析要求。
与裸地休闲相比,绿肥种植ET 总体上降低了2.51%(P<0.05),其中种植豆科绿肥降低了ET,而种植非豆科绿肥对ET 没有影响(图5b)。绿肥种植对后茬粮食作物ET 的负面影响在半干旱地区显著大于半湿润易旱区,在中温区显著大于温暖区。土壤SOCi<8 g·kg−1时,绿肥种植较裸地休闲降低了ET(P<0.05),但当SOCi在8～11 g·kg−1时,绿肥对ET 的影响不显著。后茬粮食作物ET 的RR 值随总体绿肥生物量增加并没有显著变化(图7a),且与MAP、MAT 间无显著相关关系(数据略)。
与裸地休闲相比,绿肥种植对后茬粮食作物WUE 总体上提高8.97%(P<0.05),其中豆科绿肥导致后茬粮食作物WUE 提高9.81%,而非豆科绿肥仅有
4 组数据,对WUE 具有负效应但不显著(图5c)。绿肥种植对后茬粮食作物WUE 的影响在半干旱和半湿润易旱区具有显著正效应,且在半干旱区显著大于半湿润易旱区,但在半湿润区没有显著影响。绿肥种植对后茬粮食作物WUE 的正效应在中温区显著大于温暖区。土壤SOCi在5～11 g·kg−1时,绿肥种植较裸地休闲显著提高了后茬粮食作物WUE,但当SOCi<5 g·kg−1时,影响不显著。随绿肥生物量的增加,后茬粮食作物WUE 的RR 值呈二项式变化,绿肥生物量可以解释23%的WUE 变异(图7B)。豆科绿肥对WUE 的影响与总体一致,但非豆科绿肥受数据量的影响,与其生物量的关系不显著。
3 讨论
3.1 绿肥种植对土壤水分的影响
与传统的裸地休闲方式相比,休闲期种植绿肥作物会引起其对土壤水分的竞争性利用,而休闲期土壤储水量的变化本质上是绿肥作物生长耗水和遮荫抑蒸相互权衡的结果[63]。本文采用整合分析得出,绿肥种植对PSE 和SWSP 总体上具有显著负效应,表明绿肥作物的耗水效果显著大于其遮荫保水效应。但有研究表明,相比于裸地休闲,绿肥种植可以通过增加土壤有机质[7],提高土壤孔隙度[8]、导水率[4]和团聚作用[8,14]来增强土壤保水持水能力,但这种保水效果可能只体现在表层土壤,且需要较长的种植年限才能得以实现[2]。本文收集的相关试验数据中土壤储水量计算深度均超过了200 cm,表层保水效果未能得到充分体现。
绿肥生物量大小可以通过改变作物遮荫能力和蒸腾过程来影响PSE 和SWSP。绿肥作物生物量的积累通常以消耗土壤水分作为代价,但也增强其“遮荫效应”[1,6]来减少土壤蒸发失水。从理论上分析,应该存在一个绿肥生物量阈值,其对土壤水分的负面影响可以达到最低。但并未发现PSE 和SWSP 与绿肥生物量间的定量关系,表明绿肥翻压至后茬粮食作物播种间隔期间降水量对后茬粮食播种时的土壤水分储存具有重要影响。但由于数据限制,本文未收集到间隔期间的降水数据。随休闲期降水量(包括绿肥作物生长期间后翻压至粮食作物播种期间的降水),超过320 mm 后降水量的进一步增加可以有效提高SWSP,表明足够的休闲期降水补充能显著降低绿肥种植对土壤水分造成的负面影响。Alvarez 等[64]在阿根廷潘帕斯地区的研究也发现,除极干旱的年份外,绿肥种植不会影响后茬作物的土壤水分供应。
翻压绿肥至后茬粮食作物播种间隔时间同样影响着PSE 和SWSP。虽然提前翻压绿肥会降低其生物量的积累,但加大间隔时间可以增加降水补充土壤水分的可能性,进而有效缓解绿肥种植对土壤水分的负面影响。本文发现,绿肥翻压至后茬粮食作物播种的间隔时间维持在13 d 左右,绿肥种植对PSE 和SWSP 的负面影响最小(图3 a,3b)。Daigh 等[65]在美国爱荷华州和印第安纳州的研究也表明,间隔时间在14 d 左右有利于增加SWSP,与本研究结果一致。而Clark 等[66]在美国马里兰州研究发现,间隔时间延长至4 周左右时,绿肥种植较裸地休闲显著降低SWSP。
绿肥种植的水分效应在不同气候和土壤条件下也存在较大变异。半干旱地区有限的降水限制绿肥生物量的积累,但较少的生物量降低了蒸腾失水,导致绿肥种植对SWSP 的影响不显著(图2b)。而在湿润地区,更多的降水加速了绿肥作物生长,进而导致土壤水分的过度消耗,影响生物量可能过度积累,增加水分消耗,进而影响到后茬粮食作物播种时的土壤水分储存。土壤初始肥力较好时,更多的有机碳含量有利于不同微生物群生长和分泌物的释放,促进土壤团聚作用[67],进而提高土壤持水性能。研究表明,绿肥种植提供了额外的有机物输入,能够显著改善土壤水分相关的物理指标(增加土壤孔隙度、提高土壤容重、增加土壤团聚体稳定性等),促进水分入渗[8,14],然而这种保水作用可能需要更长的种植年限才能得以实现。受数据限制,本文未能发现绿肥种植水分效应与种植年限之间的关系。
3.2 绿肥种植对后茬粮食作物产量的影响
本文结果显示,绿肥种植较裸地休闲总体上显著提高了后茬粮食作物产量(图5a),这与Lee 等[68]在地中海地区的整合分析结果一致。Fontana 等[69]在阿根廷潘帕斯地区的长期试验研究发现,虽然绿肥种植显著降低了土壤水分,但其同时可以有效改善土壤质量,并未导致后茬大豆(Glycine max)出现产量下降。本文主要集中在我国黄土高原地区,绿肥种植的增产效应可能与绿肥翻压后的培肥作用有关。绿肥翻压后可以增加养分还田量,改善土壤养分状况,增加土壤有机质,特别是豆科绿肥还可以通过生物固氮进一步提高土壤肥力[70-72];另一方面绿肥翻压后土壤物理性状得到有效改善,促进土壤团粒结构的形成,更利于后茬作物根系生长发育,从而促进后茬作物对土壤养分的吸收[1,11-12]。国内外大量研究也表明[10,14,73-75],休闲期引种绿肥作物能够显著提高土壤肥力,进而维持或提高后茬粮食作物产量。绿肥种植的产量效应与绿肥翻压至后茬粮食作物播种间隔时间有关。豆科绿肥翻压至后茬粮食作物播种间隔时间在13 d 左右时,对后茬粮食作物的增产效果最好(图6a)。另外也有研究表明[9,12,63],绿肥生物量也会影响到其产量效应。一般翻压的绿肥生物量越大,土壤培肥效果越好,更有利于后茬作物增产,但绿肥生物量的增加会消耗休闲期土壤水分,反而不利于后茬作物的生产。本文中豆科绿肥作物生物量在2200 kg·hm−2附近时,后茬粮食作物产量效应可以实现最大,这对于实际生产中合理控制绿肥生物量具有指导意义。
3.3 绿肥种植对后茬粮食作物水分利用的影响
与裸地休闲相比,豆科绿肥种植在增加后茬粮食作物产量的同时降低ET,从而提高WUE(图5b、5c)。这与Currie 等[76]在美国堪萨斯州和Frasier 等[77]在阿根廷拉潘帕地区的报道相一致。而非豆科绿肥种植较裸地休闲对ET 没有影响(图5b),这可能是有限的试验数据(n=4)导致的不确定结果。SWSP 的减少导致ET 降低,从而提高WUE。例如在土壤SOCi5～8 g·kg−1地区,绿肥种植相比于裸地休闲可维持后茬粮食作物产量,但会降低SWSP 和ET,从而有效提高WUE。已有研究表明[7-8,78],绿肥翻压后土壤有机碳含量的增加会降低ET。然而本文中,在SOCi8～11 g·kg−1分组,绿肥种植较裸地休闲对ET 并没有影响,可能是其他因素抵消了高SOCi的影响。本研究中未发现绿肥生物量及降水量(数据略)与ET 的定量关系,这有待进一步试验验证。相比之下,绿肥种植系统后茬粮食作物减产可能会降低WUE,这与Nielsen 等[79]在美国科罗拉多州的田间试验研究结果一致。本文中当豆科绿肥生物量>1200 kg·hm−2时,后茬粮食作物WUE 有显著提高,表明维持豆科绿肥生物量在这个水平上,能够有效促进后茬粮食作物水分利用。
3.4 不足之处
本文发现绿肥种植可以减少休闲期的土壤水分,但将绿肥翻压入土能够总体上提高后茬粮食作物产量和WUE。这与大多数田间试验结果一致。但也有部分报道显示,绿肥种植并没有显著增加后茬粮食作物产量和水分利用,甚至出现减产现象。受绿肥翻压至后茬粮食作物播种间隔期间降水数据的限制,本研究采用了整个休闲期降水数据进行了分析,仅能在一定程度反映休闲期降水对绿肥种植水分效应的影响。此外,目前黄土高原地区种植的绿肥多为豆科绿肥,涉及非豆科绿肥数据较少,这对客观评价非豆科绿肥的水分和产量效应会产生一定偏差。而国外研究表明,非豆科绿肥可能具有更大的固碳潜力以及土壤质量改善效果[64,71,74],今后本地区生产实践中应对非豆科绿肥开展更多的研究。
4 结论
基于46 篇黄土高原绿肥相关文献数据进行整合分析研究,发现与传统的裸地休闲方式相比,休闲期种植绿肥作物虽然对土壤水分储存具有显著负效应,但总体上能够显著促进后茬粮食作物产量形成和水分利用。绿肥种植的水分和产量效应与绿肥翻压至后茬粮食作物播种时间间隔、绿肥生物量以及土壤和气候条件均显著相关,在后茬粮食作物播前13 d左右时翻压豆科绿肥、控制豆科绿肥生物量在2200～3100 kg·hm−2,能够有效提高黄土高原旱作农田绿肥填闲种植系统水分生产可持续性。
