基于Meta 分析评价耕作与秸秆还田对小麦籽粒品质的影响

原亚琦，廉焘徽，杨清山，范宇琛，原亚超，高志强，薛建福

（山西农业大学 农学院/省部共建有机旱作农业国家重点实验室（筹），山西 太原 030031）

耕作通过扰动土壤，调整耕层的养分垂直分布、土壤三相比，可促进土壤内部向有利于作物生长方面发展[1]。我国耕作的研究由于气候、土壤等各方面的差异，不同研究中耕作对作物品质的影响差异较大，甚至产生截然不同的结果[2]。部分研究表明，免耕较翻耕措施提高了小麦的蛋白质含量、湿面筋含量和沉降值[3-4]。但也有一些研究得出相反的结论[5-7]。同时，秸秆还田被认为是一种重要的农业可持续土壤耕作技术，将秸秆进行还田，既能杜绝秸秆焚烧造成大气污染，又能增加土壤有机质和孔隙度，降低容重，促进土壤微生物活力和作物根系发育，达到改善土壤肥力的作用[8]。部分研究表明，秸秆还田较不还田措施提高了小麦的蛋白质含量[4-5,9]、湿面筋含量[3-7,9]、出粉率[7]和沉降值[4,9]。但也有研究发现，秸秆还田较不还田措施降低了小麦的总淀粉含量和沉降值[10]。可以看出，独立的耕作和秸秆还田研究结果会受到其特定试验条件的影响，导致其对小麦品质形成的综合效应及影响因素尚不清楚。

Meta 分析可以对现有试验数据进行综合的定量化分析，系统分析研究结果间的差异来源，并进行检验，有效解决独立试验受到试验条件的影响问题[11-14]。赵凯男等[11]对河南麦田耕作方式的Meta分析表明，旋耕会降低小麦产量和水分利用效率，深松可提高除豫南外的小麦产量和水分利用效率，免耕可提高总体水分利用效率；秦羽青等[13]对北方小麦覆盖栽培增产的Meta 分析表明，秸秆和地膜覆盖模式能够显著增产19%～24%，地膜覆盖适合低海拔、偏旱、偏寒地区，秸秆覆盖适合长期的保护性耕作体系。因此，本研究基于Meta 分析方法，综合分析免耕较翻耕、秸秆还田较不还田对中国小麦籽粒品质的影响，并探究耕作和秸秆还田的差异来源，包括不同地区、小麦品种、还田秸秆种类、土壤类型、小麦播量、总施氮量等因素，揭示不同因素对中国小麦籽粒品质的影响机制，正确评价耕作与秸秆还田对中国小麦籽粒品质的影响效应，旨在为麦田的科学管理和秸秆利用方式，以及提高小麦品质提供一定的理论依据和实践指导。

1 材料和方法

1.1 数据来源及提取

选取“耕作”“秸秆还田”和“小麦品质”在中国知网、万方、维普等核心合集数据库进行检索，收集筛选了2000年1月份到2020年12月份发表的关于耕作与秸秆还田对中国小麦籽粒品质影响的论文。本研究所利用的文献筛选条件为：研究对象为中国农田土壤；必须同时包括免耕和翻耕耕作制度的对照处理，包括秸秆还田和不还田的对照处理；试验具有明确的重复数；发表的形式是中文文献。最终筛选出符合标准的研究论文20 篇。而对文献的数据提取，表格使用Microsoft office Excel 2007 直接进行数据记录，使用GetData Graph Digitize 对柱形图、折线图等进行数据提取，再使用Microsoft office Excel 2007 进行数据记录。最终提取的数据对列于表1。

表1 各项指标的具体研究数据对数Tab.1 Specific research data pairs of each index

1.2 数据分组

由于我国耕地面积大，地域覆盖广，不同地区的气候环境、年均温度、降雨量、土壤质地等条件差别较大，这些影响因素往往难以定量表达，以及考虑到长期定位试验点的数量限制及我国耕地分布特点[13]，本研究采用农田分区方法进行分析，以便反映耕作与秸秆还田对小麦品质潜在影响的区域特征，划分为3 个区域：华北地区（河南省、山东省）、东南地区（安徽省、江苏省）、西北地区（甘肃省、新疆维吾尔族自治区）。

1.3 数据分析方法

Meta-analysis（Meta）是一种对同类独立研究进行统计分析的方法，可定量分析单一或多项措施的综合效应和影响因素。

1.3.1 标准差计算 在Meta 中，标准偏差能反映各研究结果的重要程度。本文中的标准偏差直接采用文献中的值，若原文献中标准差和标准误缺失，则为每个变量平均值的10%[15-16]。

1.3.2 效应量计算 通过Meta 分析中适合大尺度生态学现象分析的效应指标来量化研究结果（数据）所含规律，可较直观简略地表达客观规律[17]。本研究选取响应比的自然对数为效应值（lnR）[18]。

式中，R为响应比；Ye和Yc分别为试验组和对照组下的小麦籽粒蛋白质、总淀粉含量、湿面筋含量、出粉率和沉降值的平均量，其中沉降值的单位为mL，其他指标单位均为%。

根据Meta 分析得到每一对数据的效应值，再利用数据标准差计算权重加权平均后得到其95%置信区间，若置信区间全部大于0，说明试验组处理对小麦这一品质指标具有显著的正效应；若置信区间全部小于0，说明试验组处理对小麦这一品质指标具有显著的负效应；若置信区间包含0，则说明试验组处理对小麦此品质无显著影响。

为更直观地反映耕作与秸秆还田对小麦品质的效应，将效应值lnR转化为增长率 ZY[19]。

式中，ZY表示试验组处理下相对于对照组处理下小麦籽粒各种品质的变化率（提高或者下降的百分比，%）。

使用Microsoft office Excel 2007 进行数据的常规计算和图表制作；小麦品质各项指标综合效应量计算和亚组分析使用Meta-win 2.1 进行。

2 结果与分析

2.1 免耕与秸秆还田、播量与施氮量对中国小麦籽粒品质的影响

2.1.1 免耕与秸秆还田对中国小麦籽粒品质的影响 与翻耕处理相比，免耕处理提高了籽粒品质，但处理间差异均不显著（图1）。与秸秆不还田处理相比，秸秆还田处理的籽粒蛋白质含量和湿面筋含量分别显著提高了2.73%和2.09%（P＜0.05）；而且秸秆还田处理分别提高了籽粒出粉率和面粉沉降值，降低了籽粒总淀粉含量，但处理间差异均不显著（图1）。

图1 免耕（I）与秸秆还田（II）对中国小麦籽粒品质的影响Fig.1 Effects of no-tillage（I）and straw returning（II）on grain quality of Chinese wheat

2.1.2 不同影响因素与籽粒品质的关系 由于数据亚组分类差异，仅分析播量和施氮量与籽粒品质效应值的相关性。以播量和施氮量为横坐标，籽粒蛋白质含量、总淀粉含量、湿面筋含量、出粉率和沉降值的效应值为纵坐标，线性回归并检验，结果如表2 所示，播量与蛋白质含量的效应值呈显著正相关关系（R2=0.067 1，P＜0.05，a＞0）；与总淀粉含量、湿面筋含量、出粉率及沉降值的效应值均呈负相关关系（a＜0）；施氮量与沉降值的效应值呈显著负相关（R2=0.064 3，P＜0.05，a＜0），而与总淀粉含量和湿面筋含量呈正相关（a＞0）。

表2 不同影响因素与籽粒品质效应值的相关分析Tab.2 Correlation analysis between different influencing factors and grain quality effect value

2.2 秸秆还田对籽粒蛋白质含量的影响因素分析

与秸秆不还田处理相比，秸秆还田处理的籽粒蛋白质含量变化如图2 所示，3 个地区中，东南地区秸秆还田处理的籽粒蛋白质含量最高，显著增加了3.07%。当小麦播量为150、180 kg/hm2时，籽粒蛋白质含量分别显著增加了2.41%和12.27%。当种植小麦品种为扬麦15、辐扬麦5 和宁麦13 时，籽粒蛋白质含量分别显著增加了6.02%、14.19% 和16.06%。当还田秸秆种类为水稻和棉花时，籽粒蛋白质含量分别显著增加了2.73%和12.27%；当小麦施氮量为300 kg/hm2时，籽粒蛋白质含量显著增加了11.84%。可见，秸秆还田有利于小麦籽粒蛋白质积累。

图2 秸秆还田相比不还田条件下中国小麦籽粒蛋白质含量效应值的影响Fig.2 Effect of the condition of straw returning on grain protein content of Chinese wheat compared with that of non-returning

2.3 秸秆还田对籽粒总淀粉含量的影响因素分析

与秸秆不还田处理相比，秸秆还田处理的籽粒总淀粉变化如图3 所示，华北地区籽粒总淀粉含量显著增加了5.97%。小麦品种、小麦播量、还田秸秆种类、小麦施氮量处理间均不显著。可见，秸秆还田有利于华北地区籽粒总淀粉积累。

图3 秸秆还田相比不还田条件下中国小麦籽粒总淀粉含量效应值的影响Fig.3 Effect of the condition of straw returning on total starch content in Chinese wheat grain compared with that of non-returning

2.4 秸秆还田对面粉湿面筋含量的影响因素分析

与秸秆不还田处理相比，秸秆还田处理的面粉湿面筋变化如图4 所示，东南地区秸秆还田处理的面粉湿面筋显著增加了2.80%。当小麦播量为135 kg/hm2时，面粉湿面筋含量显著增加了3.38%。当种植小麦品种为扬麦15、烟农19 和徐麦31 时，面粉湿面筋含量分别显著增加了7.44%、10.04%和16.13%。当还田秸秆种类为水稻和玉米时，面粉湿面筋含量分别显著增加了2.65%和5.53%。当小麦施氮量为240 kg/hm2时，面粉湿面筋含量显著增加了7.70%。可见，东南地区、播量135 kg/hm2、3 个品种（扬麦15、烟农19 和徐麦31）、2 种还田秸秆（水稻和玉米）、施氮量240 kg/hm2的秸秆还田有利于面粉湿面筋积累。

图4 秸秆还田相比不还田条件下中国小麦湿面筋含量效应值的影响Fig.4 Effect of the condition of straw returning on wet gluten content in Chinese wheat grain compared with that of non- returning

2.5 秸秆还田对籽粒出粉率的影响因素分析

与秸秆不还田处理相比，秸秆还田处理的籽粒出粉率变化如图5 所示，不同地区、小麦播量、小麦品种、还田秸秆种类、小麦施氮量处理间均不显著。

图5 秸秆还田相比不还田条件下中国小麦籽粒出粉率效应值的影响因素Fig.5 Influencing factors of the condition of straw returning on flour yield efficiency of Chinese wheat grain compared with that of non-returning

2.6 秸秆还田对面粉沉降值的影响因素分析

与秸秆不还田处理相比，秸秆还田处理的面粉沉降值变化如图6 所示，东南和华北地区处理间差异均不显著。当小麦播量为135 kg/hm2时，面粉沉降值显著提高了6.68%。当种植小麦品种为扬麦15 时，面粉沉降值显著增加了16.35%；当种植小麦品种为良星66 时，面粉沉降值显著降低了21.82%。当还田秸秆种类为水稻时，面粉沉降值显著增加了7.00%。当小麦施氮量为180、240 kg/hm2时，面粉沉降值分别显著提高了6.04%和9.90%；当小麦施氮量为270 kg/hm2时，面粉沉降值显著降低了20.12%。可见，播量为135 kg/hm2、品种扬麦15 以及施氮量为180、240 kg/hm2的秸秆还田有利于面粉沉降值积累，而品种良星66、施氮量为270 kg/hm2不利于面粉沉降值积累。

图6 秸秆还田相比不还田条件下中国小麦面粉沉降值效应值的影响因素Fig.6 Influencing factors of the condition of straw returning on sedimentation value of Chinese wheat compared with that of non-returning

3 结论与讨论

本研究表明，与翻耕处理相比，免耕处理提高了籽粒品质，但处理间差异均不显著，可能是由于免耕措施不扰动土层，促进团聚体稳定和减少有机质的分解，有利于后期小麦植株的肥效供应和籽粒品质的形成[20]，而处理间差异不显著，可能是由于耕作对土壤的改良是缓慢进行[21]，也可能是由于样本量较小产生的置信区间较宽[22]。同时，与秸秆不还田处理相比，秸秆还田处理显著提高籽粒蛋白质和湿面筋含量，这可能是由于微生物将秸秆转化为释放养分的腐殖质，有利于籽粒蛋白质以及主要成分为蛋白质的湿面筋累积[23]。而且秸秆还田处理分别提高了籽粒出粉率和面粉沉降值，降低了籽粒总淀粉含量，但处理间差异均不显著，可能是由于秸秆还田通过提高有机质含量增强了植株对环境的抵抗能力，进而降低籽粒皮层厚度，提高出粉率；并通过提高籽粒营养物质积累增强面粉强度和提高沉降值[23]，但由于籽粒容积限制，秸秆还田促进了蛋白质含量、抑制了籽粒淀粉含量[24-25]，处理间差异不显著可能是由于基因型对籽粒出粉率和面粉沉降值的影响较大[24-26]。在播量和施氮量分别与籽粒品质效应值线性回归中，播量与蛋白质、施氮量与沉降值的方程检验达到显著水平，这可能是由于播量通过群体质量影响籽粒蛋白质含量[25-26]，而施氮量是通过调节植株的氮素积累与运转影响沉降值[27]，但该结论还需要更多的数据进行验证以及生理生化理论支撑。而对于播量和施氮量与其他籽粒品质指标间的线性关系不显著，还需要更多的数据对进行探究，或开展大田试验进行验证。因此，播量与蛋白质含量成正比，施氮量与沉降值成反比。

关于试验区域的研究表明，与秸秆不还田处理相比，东南地区的秸秆还田处理显著提高了籽粒蛋白质、湿面筋含量，华北地区的秸秆还田处理显著提高籽粒总淀粉含量，这可能是由于东南地区水热资源较为充足，秸秆腐殖化较快，促进植株生长发育，有利于籽粒蛋白质和湿面筋的形成[23]；华北地区水资源较为充足，保证生育后期籽粒的灌浆，促进籽粒淀粉的积累[25]。同时，不同地区的籽粒出粉率和面粉沉降值处理间差异均不显著，可能是由于籽粒出粉率和面粉沉降值受基因型影响更大[24]。因此，东南地区、华北地区的秸秆还田分别有利于籽粒蛋白质、湿面筋、籽粒总淀粉的积累。

关于小麦播量的研究表明，与秸秆不还田处理相比，135 kg/hm2播量的秸秆还田处理显著提高了面粉湿面筋含量和沉降值，150、180 kg/hm2播量的秸秆还田处理分别显著提高了籽粒蛋白质，这可能是由于秸秆经微生物分解为小麦群体提供养分，随着群体的增大，个体间养分竞争加剧，群体对个体发育造成抑制[25-26]，进而个体的抗性基因表达，提高了植株和籽粒的蛋白质含量，有利于提高面粉的湿面筋含量和沉降值。同时，不同土壤质地的出粉率处理间差异不显著，可能是由于密度对出粉率的影响较小[23]。因此，低播量（135 kg/hm2）秸秆还田有利于面粉湿面筋和沉降值积累，较高播量（150、180 kg/hm2）秸秆还田有利于籽粒蛋白质积累。

关于小麦品种的研究表明，与秸秆不还田处理相比，杨麦15 的秸秆还田处理显著提高了籽粒蛋白质含量、湿面筋含量和沉降值，辐扬麦5 和宁麦13、烟农19 和徐麦31 的秸秆还田处理分别显著提高了籽粒蛋白质含量、湿面筋含量，这可能是由于秸秆经微生物转化为有机质[23]，为植株生育期尤其生育中后期提供养分，有助于提高植株抗性[28-29]，促进籽粒蛋白质和湿面筋含量的提升。而良星66 的秸秆还田处理显著降低了面粉沉降值。可能是由于品种间对有机质响应差异，也可能是由于籽粒碳氮积累的竞争造成的，还需要进行进一步研究。同时，不同小麦品种的出粉率处理间差异不显著，可能是由于小麦粒质量变异性较小，而出粉率与籽粒粒质量关系紧密[30]。因此，杨麦15 配合秸秆还田表现最好，有利于籽粒蛋白质、湿面筋和沉降值的积累。

关于还田秸秆种类的研究表明，与秸秆不还田处理相比，水稻秸秆还田处理显著提高籽粒蛋白质含量、湿面筋含量和沉降值，棉花和玉米秸秆还田处理分别显著提高了籽粒蛋白质含量和湿面筋含量，这可能是由于不同种类秸秆营养成分，以及半纤维素和纤维素腐解速率不同，导致对籽粒品质表现不同，水稻秸秆半纤维素和纤维素腐解速率相对平缓[31]，玉米的粗纤维含量较高（40%），棉花的纤维素含量较高（44%）[31]，3 种秸秆分别在微生物分解速率和微生物“碳源”上具有优势，能够保证籽粒灌浆后期养分供应，进而促进籽粒蛋白质和湿面筋含量[23]，而秸秆成分、腐解差异与面粉沉降值的关系，还需要做进一步研究确定。同时，不同还田秸秆种类的籽粒出粉率处理间差异均不显著，可能是由于还田秸秆种类对出粉率影响较小[24]。因此，水稻秸秆还田效果最佳，有利于籽粒蛋白质、湿面筋和沉降值的积累。

关于小麦施氮量的研究表明，与秸秆不还田处理相比，180 kg/hm2施氮量的秸秆还田处理显著提高了面粉沉降值，240 kg/hm2施氮量的秸秆还田处理显著提高了面粉沉降值和湿面筋含量，300 kg/hm2施氮量的秸秆还田处理显著提高了籽粒蛋白质含量，这可能是由于秸秆还田经微生物分解产生有机质，有机+无机肥配合能够保证小麦生育期的养分供应[27]，促进了籽粒品质的提高，但因秸秆的还田量和无机肥的施入量不同，对籽粒品质指标影响存在差异，但均显著促进了蛋白质相关指标的提升，具体施入量与秸秆还田对籽粒的品质的影响机理还需要做进一步研究。同时，不同施氮量出粉率处理间差异不显著，可能是由于出粉率对施氮量的响应程度较小[30]。因此，240 kg/hm2施氮量秸秆还田有利于面粉湿面筋和沉降值的积累，270 kg/hm2施氮量不利于面粉沉降值的积累。

本研究结果表明，与翻耕处理相比，免耕处理提高了籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、出粉率、总淀粉含量和面粉沉降值，但处理间差异均不显著。与秸秆不还田处理相比，东南地区的秸秆还田处理能显著提高籽粒蛋白质含量和面粉湿面筋含量，华北地区的秸秆还田处理能显著提高籽粒总淀粉含量；较低播量（135 kg/hm2）的秸秆还田处理能显著提高面粉湿面筋含量和沉降值，较高播量（150、180 kg/hm2）的秸秆还田处理能显著提高籽粒蛋白质含量；扬麦15 的秸秆还田处理能显著提高籽粒蛋白质含量和面粉湿面筋含量、沉降值；水稻秸秆还田处理能显著提高籽粒蛋白质含量和面粉湿面筋含量；240 kg/hm2施氮量的秸秆还田处理能显著提高面粉湿面筋含量和沉降值，而270 kg/hm2施氮量显著降低面粉沉降值。籽粒出粉率处理间均不显著。播量与蛋白质含量的效应值、施氮量与沉降值含量的效应值的线性回归方程检验达到显著水平。综上所述，秸秆还田措施有利于籽粒蛋白质含量或湿面筋含量的提高，东南地区、扬麦15、还田水稻秸秆的秸秆还田处理能显著提高籽粒蛋白质和湿面筋含量。

本研究还存在一些不足：数据还不够全面，缺少英文文献中数据；未涵盖国内所有麦区，仅包含了8 个省级行政区域；缺少气候因素的分析，仅通过试验区域的地理位置进行分析，未将降水量、温度、风速等进行单独分析；秸秆还田的量以及还田的方式因文献中不全面，未进行分析。在下一步研究中，将扩大数据搜索年限范围，并进行英文文献数据收集，细化各个可能影响小麦籽粒品质的影响因素，深层次揭示不同因素对中国小麦籽粒品质的影响机制。