覆盖作物对我国粮食作物的产量效应及影响因素的Meta分析

2023-05-17马佳玉王涛刘小利王丽张学成王文涛孔繁盛黄学郡王子怡王彦东甄文超

中国农业科学 2023年10期

马佳玉，王涛，刘小利，王丽，张学成，王文涛，孔繁盛，黄学郡，王子怡，王彦东，甄文超

马佳玉1，王涛1，刘小利2，王丽1，张学成1，王文涛3，孔繁盛1，黄学郡1，王子怡1，王彦东1，甄文超1

1河北农业大学农学院/作物改良与调控国家重点实验室/农业农村部华北节水农业重点实验室/河北省作物生长调控重点实验室，河北保定 071000；2西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100；3中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083

【目的】明确种植覆盖作物对我国主要粮食作物产量的影响，探究覆盖作物对粮食作物产量效应的影响因素，为覆盖作物在我国的科学应用与推广提供理论依据。【方法】以常规休耕为对照，以休耕期种植覆盖作物为处理，系统收集1980—2022年公开发表的文献137篇，建立含有903组种植覆盖作物对我国主要粮食作物产量及影响因素的数据库，采用Meta分析的方法定量化种植覆盖作物对粮食作物产量的影响，并通过Meta回归研究覆盖作物对粮食产量效应的影响因素。【结果】相比于休耕，覆盖作物处理下粮食作物的产量显著提高了12.2%，其中，小麦、水稻和玉米分别增产了9.5%、11.9%和19.6%。另外，冬季和夏季种植覆盖作物的粮食产量分别增加了9.5%和12.4%，并且豆科覆盖作物的增产效果较好，为12.9%（二月兰为14.2%，紫云英为11.8%，苕子为9.5%，豌豆为7.8%，大豆为7.4%），十字花科次之，为9.3%（油菜为7.0%），禾本科最差，为8.3%（黑麦草为7.9%），值得注意的是不同覆盖作物的混播增产效果最好，为17.3%。此外，种植年限和日照时数显著增加了覆盖作物的粮食增产效应，并且在高纬度地区，高的降水和温度增加了覆盖作物的粮食增产效应，而在低纬度地区，高的降水和温度降低了覆盖作物的粮食增产效应。【结论】休耕期采用混播的方式种植覆盖作物，有助于提高粮食作物的产量，能够减少地表的裸露并充分利用光热水土等资源，尤其在北方的夏季和南方的冬季休耕期种植更为适宜。

覆盖作物；粮食作物；产量；Meta分析

0 引言

【研究意义】在过去的50多年中，集约化的土地管理和新技术的应用使得全球粮食产量急剧增长[1]，但高水肥集约化的种植制度造成了农业面源污染、温室气体排放、地下水漏斗等生态环境问题的产生，并且地力透支，耕地质量下降，危及农业可持续发展[2]。科学的轮作休耕能够减少土壤水分、养分等过度消耗，使耕地休养生息，是保证农业可持续发展的重要办法，但简单休耕会造成光热水土等资源的浪费，同时还易产生沙尘、水土流失和土壤有机质的矿化等问题[3]。种植覆盖作物是一种已被生产者广泛采用的减少土壤侵蚀的有效措施，与休耕相比，种植覆盖作物可以增加土壤有机质[4]，改善土壤氮循环[5]，改良土壤结构[6]，并减少病虫害和氮浸出[7]。因此，明确覆盖作物对粮食产量的影响以及影响因素，对覆盖作物在我国的科学应用和推广具有重要意义。【前人研究进展】研究表明种植覆盖作物能够提升后续主要作物的产量[8-10]。Chen等[8]研究发现覆盖作物可以增加土壤固氮能力从而增加水稻产量27.8%。Tao等[9]发现覆盖作物能通过改善微生物群落使玉米增产31%。Li等[10]发现覆盖作物可以通过持续改善土壤质量从而增加水稻产量。然而，也有研究发现种植覆盖作物会降低后续作物产量[11-12]。Vigil等[11]发现由于覆盖作物对土壤水分的消耗而造成了小麦的产量降低。Zhang等[12]发现在覆盖作物与杂草竞争水分养分等资源的同时，同样也可能与主栽作物竞争资源从而降低产量。覆盖作物的增产效应受气候地理因素影响[8-12]，在南方湿润地区覆盖作物可以显著增加后续作物产量[8-10]，而在干旱地区覆盖作物在丰水年可以增加后季小麦产量，而在干旱年降低小麦产量[11-12]。覆盖作物的种类以及后续粮食作物的种类影响覆盖作物增产的效果，Fan等[13]发现在水稻系统中使用冬季覆盖作物的产量效益较高，但小麦系统的夏季覆盖作物中没有明显的产量效益，并且，在水稻系统中，豆科覆盖作物对作物产量的影响大于非豆科覆盖作物。试验年限对覆盖作物的增产效应具有一定的影响，高菊生等[14]发现紫云英对水稻的增产效果随着时间的推移逐渐优于非豆科的油菜和黑麦草。【本研究切入点】由于目前研究关于种植覆盖作物对粮食产量的影响结论不一致，并且覆盖作物的增产效应受覆盖作物种类、粮食作物种类和试验年限、气候地理因素等多方面因素影响，单一研究无法明确覆盖作物的种类、气候地理因素等对粮食作物产量的影响。为了明确在粮食作物中使用覆盖作物的效果，明晰覆盖作物粮食增产效应的影响因素，有必要整合全国范围内的独立试验进行系统分析，为我国覆盖作物的科学应用和推广提供理论依据。【拟解决的关键问题】通过Meta分析，明确种植覆盖作物对粮食产量的定量化效应，探明小麦、水稻和玉米的产量对种植覆盖作物的响应，以及不同覆盖作物的种类对粮食产量的影响，并且探究影响覆盖作物效应的因素，为覆盖作物在我国的合理推广应用提供科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源和数据库构建

本研究选择“Web of Science”“中国知网”“维普”和“万方”数据库，以“覆盖作物（cover crop）”“绿肥（green manure）”“填闲（catch crop）”和“产量（yield）”为关键词，检索1980年至2022年4月已公开发表的所有相关文献。

被纳入数据库的文献必须满足以下标准：（1）以大田作物小麦、水稻和玉米为主要作物的田间试验；（2）以休耕为对照，处理至少包含覆盖作物、绿肥作物、填闲作物中的一种；（3）结果指标包含粮食作物产量；（4）试验设置重复次数。通过整理筛选，最终获得符合本研究要求的中英文文献137篇。从符合条件的文献中提取以下数据，包括粮食作物的产量、覆盖作物种类、试验年限以及试验地点的经度、纬度、海拔、年降水量、年平均温度、日照时数数据。对文献中以图形式展示的数据，通过Webplot Digitizer软件获取。对于文献中气象和地理坐标数据未给出的，通过“国家气象信息中心数据库”和“地理空间数据云”等方法进行查询补充，对于标准差未给出的，基于SINCLAIR等[15]的方法进行补齐。对于初步建立的数据库，剔除异常值，最终获得用于本研究的903组数据。

1.2 Meta分析

1.2.1 效应值和权重的计算选择对数反应比（lnR）表征覆盖作物对粮食作物产量影响的效应值：

式中，Ye为种植覆盖作物的粮食作物产量，Yc为休耕的粮食作物产量。

权重（wi）的计算方法：

式中，vi为案例内方差，SDe和SDc分别为覆盖作物和休耕处理下的粮食作物产量的标准差，Ne和Nc分别为覆盖作物和休耕处理下的粮食作物产量的重复数，τ2为案例间方差。

1.2.2 累计效应值的计算考虑到文献的异质性会对结果造成影响，因此将案例嵌套于文献，采用随机效应模型计算累计效应（Y），公式如下：

式中，CI为95%置信区间，若置信区间包括0，则表明处理对粮食产量不具有显著的影响，SE为总体标准差。

1.2.3 影响因素分析若数据存在显著的异质性（Qt），引入影响因素进行亚组分析或Meta回归，若组间异质性（QM）显著（＜0.05），表明影响因素对效应值具有显著影响。

1.2.4 模型诊断通过漏斗图和失安全数（Rosenthal）进行发表偏爱性和稳健性检验。若漏斗图对称且失安全数大于5k+10（k为案例个数），则表明结果不受发表偏爱性的影响，结果可靠。

Meta分析由R软件的“Metafor”软件包完成，制图采用ArcGis10.2、Origin2021和Graphpad prism9.0软件完成。

2 结果

2.1 覆盖作物种植的空间分布

如图1所示，覆盖作物在西藏、青海、新疆、内蒙古、东北和海南的研究案例较少，其余省份均有研究，但南北方种植覆盖作物的种类存在差异，南方地区案例数较多，但覆盖作物种类少，主要有紫云英、油菜、杂豆类等覆盖作物，而北方地区种植覆盖作物的种类较多，如豌豆、苕子、草木犀、二月兰、油菜等，但案例数少。

2.2 覆盖作物对粮食作物产量的影响

种植覆盖作物对粮食作物产量的累计效应值为0.115（95%CI，0.085—0.146）（图2），即与休耕相比，在95%的置信区间下，种植覆盖作物能够增加粮食产量8.8%—15.7%，均值为12.2%。另外，随机效应模型的结果表明，整体数据存在显著的异质性（Qt=81449.7，＜0.0001），因此需要引入解释变量进一步研究对覆盖作物粮食增产效应的影响因素。

2.3 覆盖作物对粮食作物增产效应的影响因素分析

2.3.1 粮食作物种类覆盖作物对不同粮食作物的增产效应具有显著差异（QM=21.03，＜0.01），并且覆盖作物均显著增加了小麦、水稻和玉米的产量，其中，玉米对覆盖作物的响应最好，为19.6%（95%CI，14.6%—24.8%），水稻和小麦分别为11.9%（95%CI，8.0%—15.9%）和9.5%（95%CI，5.2%—14.0%）（图3）。

图2 覆盖作物对粮食作物产量的影响

图3 不同粮食作物对种植覆盖作物的响应

2.3.2 覆盖作物种类亚组分析从覆盖作物的种植季节来看，覆盖作物对粮食作物的增产效应不受种植季节的影响（QM=3.41，＞0.05），但冬季和夏季种植覆盖作物均能显著地增加粮食产量，分别增产9.5%（95%CI，6.0%—12.0%）和12.4%（95%CI，8.6%—16.3%）。不同科的覆盖作物均能显著增加粮食产量，其中，豆科覆盖作物的增产效果最好，为12.9%（95%CI，9.4%—16.6%），十字花科增产9.3%（95%CI，5.1%—13.7%），禾本科增产8.3%（95%CI，3.1%—13.8%），并且值得注意的是不同科覆盖作物的混播增产效果最好，为17.3%（95%CI，10.8%—24.2%）。另外，覆盖作物紫云英、苕子、豌豆、大豆、黑麦草、油菜和二月兰对粮食作物产量影响的亚组分析表明，二月兰、紫云英和苕子的增产幅度最好，分别为14.2%（95%CI，6.6%—22.3%）、11.8%（95%CI，8.2%—15.5%）和9.5%（95%CI，3.3%—16.2%），其次，豌豆、大豆、黑麦草和油菜的增产效应分别为7.8%（95%CI，3.4%—12.4%）、7.4%（95%CI，2.3%—12.8%）、7.9%（95%CI，2.5%—13.6%）和7.0%（95%CI，3.1%—11.2%）（图4）。

图4 不同种类覆盖作物的增产效应

2.3.3 覆盖作物的种植年限对粮食增产效应的影响在本数据集中，覆盖作物试验年限最短为1年，最长达29年，5年以下的案例，占总案例数的90.4%，6—10年占总案例数的7.0%，而大于10年的占2.6%。Meta回归的结果表明，覆盖作物的种植年数对于其粮食增产效应具有显著的正向影响（QM=14.51，＜0.001）（图5），即在休耕期采用覆盖作物的种植年限越长对后续粮食作物的增产效应越大，表明长期种植覆盖作物对于粮食作物的产量具有显著的促进作用。

2.3.4 气候地理因素对粮食产量效应的影响对气候地理因素降水、气温、日照时数、海拔、经度和纬度与覆盖作物的粮食产量效应值进行了Meta回归，结果如表1所示，降水、气温、日照时数、海拔和纬度对覆盖作物的粮食增产效应具有显著影响（M＜0.01），而经度不具有显著影响（M＞0.05）。其中，降水、气温、海拔和纬度具有负向的影响，即随着降水、气温、海拔和纬度的降低，增加了覆盖作物的粮食增产效应。该结果与常规结果不同，因此，引入降水和温度与纬度的交互作用，结果表明降水和温度与纬度之间均存在显著交互作用（＜0.05），并且交互作用的系数大于0，表明在高纬度地区，高的降水和温度能够增加覆盖作物的粮食增产效应，而在低纬度地区，高的降水和温度能够降低覆盖作物的粮食增产效应。另外，日照时数的估计值为0.00008（M＜0.001），即日照时数的增加能够显著增加覆盖作物的粮食增产效应。

表1 气候地理因素对覆盖作物的粮食增产效应的影响

Estimate为各变量的回归系数，LCI和UCI为95%置信区间的上限和下限，为回归系数的显著性，QM为解释变量的Q值，PM为解释变量的显著性

Estimate is the regression coefficient of each variable, LCI and UCI are the upper and lower limits of 95% confidence interval,is the significance of regression coefficient, QMis the Q value of explanatory variable, and PMis the significance of explanatory variable

图5 试验年数的效应值分析

为了进一步明确降水、气温、日照时数、海拔和纬度对覆盖作物的粮食增产效应的影响，将降水、气温、日照时数、海拔和纬度与覆盖作物的粮食产量效应值进行了单因素的Meta回归，结果如图6所示，随降水、气温、海拔和纬度的升高，降低了覆盖作物的粮食增产效应，而日照时数的升高，增加了覆盖作物的粮食增产效应。

2.4 发表偏爱性检验

漏斗图结果显示漏斗形状对称，结果受发表偏爱性的影响小。另外，失安全数为5 100 043，样本量k为902，失安全数大于5k+10，表明结果稳健。因此，本研究的结果可靠。

3 讨论

3.1 种植覆盖作物对作物产量的影响

覆盖作物由于对地表的覆盖和根系对土壤的固定，减少了土壤侵蚀[16]；另外，休耕期种植覆盖作物，可以通过占据杂草生态位，与杂草直接竞争光照、营养和水分等资源，从而抑制杂草的生长[17]；此外，覆盖作物的种植增加了土壤有机质和土壤团聚体的形成，改良了土壤结构，并且改善了土壤水分的入渗能力和增加土壤养分，为后续主要作物的生长提供了有利条件[18-19]。本研究结果表明，种植覆盖作物使得粮食作物显著增产12.2%。但不同粮食作物之间存在显著的差异，其中，玉米的增产效果最好，为19.6%，水稻和小麦分别增产了11.9%和9.5%，这种差异可能与作物生长季节的降水量有关。Abdalla等[20]的研究表明水是影响覆盖作物对作物产量效应的重要因素，种植覆盖作物增加了蒸腾耗水从而减少了后续作物产量的4%。Vigil等[11]和Zhang等[12]研究也表明覆盖作物在丰水年可以增加后季小麦产量，而在干旱年降低小麦产量。本研究中玉米的增产效果最好，可能是因为玉米生长季节多为雨季，玉米生育期降水较多，休耕期种植覆盖作物造成的土壤水分消耗，对玉米生长的不利影响较小，并且覆盖作物对土壤的积极作用有效地提高了最终产量。小麦的增产效果较差，这可能是因为种植覆盖作物消耗了土壤水分，降低了后续小麦的可用水量，在小麦季降水量通常较少并且小麦为高耗水作物，因而降低了覆盖作物对小麦的增产效果。因此，在种植覆盖作物时，科学合理的作物组成和水分管理显得尤为重要。

图6 降水、气温、日照时数、海拔和纬度对覆盖作物的粮食增产效应的影响

3.2 覆盖作物种植季节和类型对作物产量的影响

由于受季风气候的影响，我国夏季休耕期多为雨热同期，夏季休耕期种植覆盖作物能够有效利用水热资源，并且也能够促进土壤水分的入渗，导致土壤养分和水分的增加，进而增加后续作物产量[21]。另外，相比于传统休耕，覆盖作物减少了冬季地表裸露，降低了土壤水分的无效蒸发，并且也抑制土壤有机质的矿化，促进了土壤有机质的积累，为后续作物的生长提供了有利条件，因此冬季覆盖作物也能增加粮食产量[22-23]。这与本研究的结果一致，冬季和夏季覆盖作物均显著地增加了粮食作物的产量。

对于不同类型的覆盖作物，豆科覆盖作物的增产效果最好。豆科覆盖作物具有生物固氮能力，可利用大气中的氮气进行生物固氮，增加土壤氮含量并有效减少土壤中的氮淋溶，为后续作物提供养分，从而增加后续作物产量[24]。并且，相较于非豆类覆盖作物，豆科覆盖作物生长需要的土壤水分和养分更低，为后续作物提供了更多的水分和养分。但十字花科覆盖作物能够活化土壤中的难溶性磷，提高磷肥利用效率[25]，改善土壤微生物多样性、抑制土壤病虫害、培肥地力[26]，禾本科覆盖作物碳氮比较高，翻压还田能有效提高土壤有机质含量[27]，因此十字花科和禾本科覆盖作物也显著地增加了粮食作物的产量。另外，值得注意的是本研究表明相比于覆盖作物单作，不同覆盖作物混播的增产效果最好，研究表明不同覆盖作物混作促进了豆科覆盖作物固氮、增加了土壤微生物多样性、提高了资源利用效率，从而提高作物产量[28-30]。

3.3 覆盖年限对作物产量的影响

本研究的结果表明应用覆盖作物的时间越长，对粮食作物的增产效果越好。经过长期覆盖作物处理，土壤有机质含量显著增加，土壤肥力增强，避免了短期覆盖作物试验中作物早期营养供应不足，并且作物系统具有较高的稳定性和较强抗逆能力，长期应用覆盖作物可以充分发挥覆盖作物的增产作用[31]。另外，长期种植覆盖作物可以使得覆盖作物养分完全释放进而增加作物的产量[32]。同样，高菊生等[33]的研究结果也表明，长期试验能够克服短期试验的不足，改善了作物的种植环境，提高了土壤肥力，使作物产量增加，且稳定性较好。

3.4 气候地理因素对作物产量的影响

本研究发现，在高纬度地区，高的降水和温度能够增加覆盖作物的粮食增产效应，而在低纬度地区，高的降水和温度降低了覆盖作物的粮食增产效应。在高纬度区域，水热是限制作物生长的主要因素，在水热资源较少的季节种植覆盖作物会造成覆盖作物与粮食作物对于水等资源的竞争，Zhang等[12]研究表明在使用覆盖作物时应减小覆盖作物与主要作物间的竞争作用，因此，在高纬度地区降水量和温度较高的夏季种植覆盖作物的效果较好。此外，本研究中高纬度的案例主要分布于陕西、甘肃等区域，属于干旱和半干旱地区，多为一年一熟制，冬小麦是主要种植的作物，其生育期为9月底到来年的6月底，水热资源较为充沛的7—9月份为休耕期，在此期间种植覆盖作物，能够减少水土流失以及覆盖作物与小麦对于水分等的竞争，进而增加小麦的产量。但在低纬度地区，较高的温度和降水量会导致植株早衰和涝害的发生，同化物质积累减少，生物量显著下降[34]，并且在水热资源较为丰富的季节种植覆盖作物易造成资源的浪费，因此在低纬度地区于温度和降水较低的冬季种植覆盖作物的效果较好。与低纬度的结果一致，由于本研究中的案例多位于我国南方地区，整体数据的结果显示纬度、海拔、降水和气温对覆盖作物的粮食增产效应具有负向的影响，即随着纬度、海拔、降水和气温的降低，覆盖作物的粮食增产效应越好。研究还表明日照时数的升高，增加了覆盖作物的粮食增产效应。光合作用是作物生长的基础，日照时间的增长促进了覆盖作物生物量的积累，增加了土壤有机质的投入，从而增加作物产量[35]。

4 结论

与休耕相比，种植覆盖作物显著提高了粮食作物产量12.2%，其中，小麦、水稻和玉米分别增产9.5%、11.9%和19.6%。采用豆科覆盖作物或者不同科覆盖作物混作对粮食作物的增产效果较好，并且种植覆盖作物的年限越长增产效果越好。另外，夏季和冬季休耕期种植覆盖作物虽然均增加了粮食作物的产量，但在高纬度地区，应在降水量和温度较高的夏季休耕期种植覆盖作物，而在低纬度地区，应在降水量和气温较低的冬季休耕期种植覆盖作物。本研究为覆盖作物的高效应用与合理布局提供了理论支撑。

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Meta-Analysis of Yield Effects and Influencing Factors of Cover Crops on Main Grain Crops in China

MA JiaYu1, WANG Tao1, LIU XiaoLi2, WANG Li1, ZHANG XueCheng1, WANG WenTao3, KONG FanSheng1, HUANG XueJun1, WANG ZiYi1, WANG YanDong1, ZHEN WenChao1

1College of Agronomy, Hebei Agricultural University/State Key Laboratory of North China Crop Improvement and Regulation/Key Laboratory of North China Water-saving Agriculture, Ministry of Agriculture and Rural Affairs/Key Laboratory of Crop Growth Regulation of Hebei Province, Baoding 071000, Hebei;2College of Agronomy, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi;3College of Water Resources and Civil Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083

【Objective】The objective of this study was to clarify the effect of cover cropping on the yield of main grain crops in China, and to investigate the significant influencing factors, so as to provide a scientific basis for the promotion and application of cover crops in China.【Method】A meta-analysis including data from 903 pairwise observations from 137 publications from 1980 to 2022 was conducted to elucidate the effect of “fallow” versus “cover cropping” on yield of main grain crops. Meta regression was also conducted to explore the factors influencing the effect of cover crops on grain crops yield.【Result】Under cover crops, grain crop yields increased significantly by 12.2% compared to fallow, with wheat, rice and maize yields increasing significantly by 9.5%, 11.9%, and 19.6%, respectively. In addition, grain crop yields increased by 9.5% and 12.4% for winter and summer cover crops, respectively. Among the different types of cover crops, leguminous cover crops increased grain crop yields by 12.9% (February orchid 14.2%, Chinese milk vetch 11.8%, vetch 9.5%, pea 7.8%, soybean 7.4%), while cruciferous and gramineous cover crops increased grain crop yields by 9.3% and 8.3% (rape 7.0%, ryegrass 7.9%), respectively. However, compared with pure stands, cover crop mixtures more markedly increased grain crop yield by 17.3%. Furthermore, cover cropping years and sunshine hours significantly increased the effect of cover crops. High precipitation and temperature increased the effect of cover crops at high latitudes, while high precipitation and temperature decreased the effect of cover crops at low latitudes.【Conclusion】During the fallow period, cover crops mixtures contribute to increase grain crops yields, reduce surface exposure and make full use of solar, thermal, water and soil resources, especially during the northern summer and southern winter.

cover crop; grain crop; yield; Meta analysis