鄭詩然 ，任思琪 ，張建珍 ，趙金媛 ，唐書玥 ，王 靖 ，潘志華 ，潘學標 ，胡 琦

（1.中國農業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，北京 100193；2.農業(yè)部武川農業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站，內蒙古 呼和浩特 011700）

水資源短缺是制約全球干旱半干旱區(qū)農業(yè)健康發(fā)展的關鍵問題之一[1]，聯(lián)合國糧食及農業(yè)組織（FAO）在《2020年糧食及農業(yè)狀況：應對農業(yè)中的水資源挑戰(zhàn)》中指出，氣候變化將加劇區(qū)域間降水的不均勻分配，導致干旱頻發(fā)，進而影響全球糧食安全體系[2]。我國干旱和半干旱地區(qū)面積占全國陸地面積的50%左右，是我國農業(yè)生產系統(tǒng)的重要組成部分，但是目前該地區(qū)的灌溉面積僅為20%左右，降水量少且時空分布不均導致該地區(qū)糧食產量低而不穩(wěn)，單位面積產量僅為全國平均值的1/2[3-4]。旱作農業(yè)區(qū)如何更好管理當前有限的農業(yè)水資源和最大限度提高雨養(yǎng)農業(yè)水分利用效率，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標，成為當前研究的熱點和難點。

田間集雨種植是旱作區(qū)協(xié)調農田水分供需矛盾的一項重要技術，其原理是將非耕地上的雨水引導到耕地中，或通過減少有效耕地面積來實現(xiàn)“雨量疊加增值”，例如，壟溝集雨措施通過改變田間微地形將降水以局部截滲、富集和疊加收集等方式進行再分配，從而改善和調節(jié)農田土壤水分，提高作物產量及水分利用效率（WUE）。自20 世紀以來，田間集雨種植逐漸成為歐洲和南非干旱和半干旱地區(qū)農民提高作物生產效益的有效抗旱耕作措施。20 世紀90年代，壟溝技術開始被廣泛用于我國西北半干旱地區(qū)農業(yè)生產[5]，引起了國內外諸多學者的關注和研究?？傮w而言，經過30 多年的應用和發(fā)展，關于我國旱作區(qū)田間集雨方面的研究已積累了大量的試驗數(shù)據，涉及的作物包括玉米（Zea maysL.）[6-14]、向日葵（Helianthus annuusL.）[15-16]、莜麥（Avena chinensis（Fisch. ex Roem. et Schult.）Metzg.）[17-20]、馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）[21-28]以及一些飼草[29-38]和豆類作物[39-40]等；涉及的集雨技術模式包括起壟溝植、壟膜溝植、全膜覆蓋及其他覆蓋等技術[41-44]；涉及到的集雨技術效應包括土壤水分含量、產量、水分利用效率（WUE）等[45-48]。已有的研究結果對相關試驗點或區(qū)域內的農業(yè)生產具有重要的理論指導意義，然而，目前系統(tǒng)分析我國旱作區(qū)不同壟溝集雨措施對不同作物的產量和WUE 影響的研究比較少，特別是對于壟溝集雨技術措施與降水條件的適應和匹配關系研究較為罕見。

本研究基于薈萃分析（Meta）方法研究了我國不同旱作區(qū)（農牧交錯帶、黃土高原半干旱、東部半濕潤區(qū)）不同壟溝集雨措施（集雨面無覆蓋、塑料膜覆蓋、其他材料覆蓋）對不同作物（玉米、莜麥、小麥、向日葵、飼草、馬鈴薯、谷子、豆類）的產量及水分利用效率的影響，并探究了生長季內不同降雨量對壟溝集雨技術效應的影響，旨在為我國旱作農業(yè)區(qū)選擇和推廣適宜壟溝集雨措施提供重要的科學依據。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據收集與篩選

本研究通過在Web of Science、萬方數(shù)據知識服務平臺、中國知網等中英文數(shù)據庫上收集2021年9月之前發(fā)表并經過同行評議的文章，所使用的關鍵詞為：壟溝、田間集雨、集雨措施等。完成初步的收集后，對收集到的文章進行二次篩選，二次篩選的要求為：（1）試驗地點位于國內；（2）試驗方式為田間試驗；（3）各文獻中的試驗必須包含試驗組（RFM）和對照組（CK），即試驗中設置了壟溝集雨處理和平作；（4）試驗的重復次數(shù)不低于3 次。本研究收集的每一項研究均互相獨立，且各獨立試驗研究中的地點、處理等數(shù)據均互相獨立，對于相關圖表利用GetData Graph Digitizer 軟件將圖形數(shù)值化后提取利用，共收集到有效文獻95 篇，包含產量條目數(shù)668 條，水分利用效率（WUE）條目數(shù)531 條，其中，本研究涉及到的WUE 為作物產量與生育期耗水量（降水量和試驗始末土壤水分差值之和）的比值。

如圖1 所示，本研究根據文獻中的試驗地點將研究區(qū)域劃分為農牧交錯帶、黃土高原半干旱和東部半濕潤區(qū)，根據不同田間集雨措施分為無覆蓋、塑料膜覆蓋（簡稱覆膜）和其他材料覆蓋，根據作物種類分為玉米、莜麥、小麥、向日葵、飼草、馬鈴薯、谷子和豆類。

圖1 試驗數(shù)據采樣點的分布情況Fig.1 Distribution of test data sampling points

1.2 研究方法

1.2.1 Meta 分析方法 Meta 分析可以較客觀的依據統(tǒng)計學原則進行定性和定量的綜合分析，獲得綜合性的分析結論，現(xiàn)已廣泛用于各個領域中。以處理項（Xt）與對照項（Xc）的比值為響應比（R），以響應比的自然對數(shù)來計算效應值（lnR）。

lnR的方差v根據公式（2）計算。

式中，St和Sc分別是處理組和對照組的標準差；Nt和Nc分別是處理組和對照組的樣本量。處理組的綜合效應值lnR'根據公式（3）、（4）計算。

式中，lnR'為加權后的綜合效應值；lnRi和wi分別為第i對數(shù)據對的效應值和權重。為便于分析影響程度，一般使用相對變化率Y來表示結果。

經過Kolmogorov-Smirnov 檢驗，全部研究數(shù)據都不服從正態(tài)分布（P<0.001）；所有數(shù)據都是用非參數(shù)估計方法生成95%靴襻法置信區(qū)間。當Y的95%靴襻法置信區(qū)間與0 重疊時，則表明處理組與對照組之間的差異不顯著；當不與0 重疊時，則表明試驗組和對照組之間的差異顯著。

1.2.2 靴襻法 靴襻法（bootstrap）能夠給出統(tǒng)計量的置信區(qū)間，其重復取樣檢驗不會受到參數(shù)檢驗分布假設的影響，許多情況下效率高于使用傳統(tǒng)的非參數(shù)檢驗排列法。本研究采用百分靴襻法來求算總效應值及其置信區(qū)間，假設某一分組中樣本數(shù)為i，首先計算該組總效應值（即初值），然后有放回地重復取樣多次并進行計算，得到效應值序列并按照由小到大順序排列，取序列兩端2.5%處的值即得到95%置信區(qū)間的上下界。樣本數(shù)較少會導致高（或低）于初值的靴襻值個數(shù)超過總靴襻值個數(shù)的50%，本研究使用偏差校正法（bias-corrected method）進行校正。

本研究采用隨機檢驗方法驗證組間異質性是否顯著。首先使用原始數(shù)據計算組間異質性Q0值，再將j個分組中的樣本混合后隨機分成j組，并保持各分組的樣本數(shù)與原本分組的樣本數(shù)相同，再進行組間異質性計算，得到Q值，多次重復，即得到Q值的分布，Q值≥Q0值的數(shù)占重復隨機取樣數(shù)的百分比即為Q0值的顯著性。這種方法得到的顯著水平與重復次數(shù)在一定程度上相關，增加重復次數(shù)能夠降低最小可檢驗顯著水平的值，為保證合適的顯著水平，通常重復次數(shù)為999～4 999，當重復次數(shù)超過4 999 會降低隨機檢驗的標準誤差，無法保證合適的顯著水平。

1.3 數(shù)據處理

本研究使用Excel 2016 進行數(shù)據收集和數(shù)據集的建立，利用R Studio 4.0 進行作圖及Meta分析，利用ArcGIS 10.2 對數(shù)據進行可視化處理，利用SPSS 方差分析中的LSD 法進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 壟溝集雨對不同作物產量和WUE 的影響

壟溝集雨處理下作物產量區(qū)域間存在顯著差異（表1），玉米、莜麥、小麥、向日葵、飼草、馬鈴薯、谷子、豆類的產量變化范圍分別為658.0～20 470.0、446.2～8 703.0、283.3～9 716.6、2 013.3～13 400.0、290.7～23 822.0、1 631.3～53 403.5、1 368.4～7 394.0、463.8～5 002.5 kg/hm2。壟溝集雨模式處理下玉米、莜麥、小麥、向日葵、飼草、馬鈴薯、谷子、豆類的WUE 變 化范圍 分別為1.3～39.0、4.0～14.1、0.7～23.9、7.8～12.6、2.3～64.3、2.2～195.1、6.9～24.5、4.2～8.6 kg/（hm2·mm）。

與平作相比，壟溝集雨種植使作物產量總體提高40%以上，但不同作物間存在差異（圖2）。相較于平作，壟溝集雨處理下飼草、馬鈴薯和谷子產量增加幅度最大，平均增產率分別為57.5%（43.7%～80.2%）、57.7%（43.9%～70.2%）、60.1%（40.8%～80.1%），玉米和豆類作物平均增產率大于30%，分別為42.0%（35.5%～49.9%）和34.9%（19.2%～54.1%），莜麥、小麥和向日葵平均增產率分別為27.8%（12.9%～49.2%）、29.5%（24.5%～35.1%）和14.6%（9.8%～19.7%）。壟溝集雨措施使作物WUE 顯著提高了43.4%，但對于不同作物其提升效果差異較大。相較于平作，壟溝集雨處理下馬鈴薯WUE 提升效果最為顯著，為64.2%（50.3%～82.8%）；飼草次之，WUE 提高了50.2%（40.9%～58.8%）；玉米、谷子、豆類、向日葵、莜麥、小麥WUE 分別提高了47.4%（40.8%～58.0%）、42.2%（26.4%～58.3%）、35.8%（17.2%～60.2%）、30.8%（24.3%～38.6%）、28.6%（17.5%～41.0%）和24.0%（20.0%～28.6%）。

圖2 壟溝集雨措施下作物產量和WUE 的效應值Fig.2 The effect values of crop yield and WUE under furrow rainwater harvesting measures

2.2 壟溝集雨對不同地區(qū)作物產量和WUE 的影響

壟溝集雨模式處理下農牧交錯帶區(qū)、東部半濕潤區(qū)和黃土高原半干旱區(qū)的產量變化范圍分別 為658.0～53 403.5、379.8～20 470.0、283.3～49 657.0 kg/hm2，WUE 變 化 范 圍 分 別 為1.3～195.1、2.1～28.2、0.7～143.1 kg/（hm2·mm）。壟溝集雨處理對不同地區(qū)作物產量和WUE 提高程度不同，較平作相比，黃土高原半干旱區(qū)的壟溝集雨措施增產增效最顯著，產量和WUE 分別增加了47.8%（41.3%～53.9%）和49.7%（44.7%～55.6%）；農牧交錯帶次之，產量和WUE 分別增加了34.1%（28.5%～41.4%）和30.1%（25.3%～35.6%）；東部半濕潤地區(qū)平均增產15.4%（11.4%～19.0%），WUE 提升20.9%（13.5%～27.9%）（圖3）。

圖3 壟溝集雨措施對不同地區(qū)作物產量和WUE 的影響Fig.3 Effect of furrow rainwater harvesting measures on crop yield and WUE in different regions

2.3 不同壟溝集雨措施對作物產量和WUE 的影響

不同措施下壟溝集雨對作物產量和WUE 的影響如圖4 所示。

圖4 不同措施下壟溝集雨對作物產量和WUE 的影響Fig.4 Effect of different measures of furrow rainwater harvesting on crop yield and WUE

不同壟溝集雨措施對作物產量和WUE 影響差異較為顯著（圖4）。覆膜、其他材料覆蓋、無覆蓋的壟溝集雨措施下的作物產量變化范圍分別為699.0～53 403.5、2 855.0～26 541.0、283.3～35 491.2 kg/hm2，WUE 變化范圍分別為1.5～195.1、2.8～56.1、1.3～104.8 kg/（hm2·mm）。采用塑料膜覆蓋的壟溝集雨措施對作物的增產增效效果優(yōu)于采用其他材料覆蓋或不覆蓋。較平作相比，塑料膜覆蓋的壟溝集雨措施下作物產量和WUE 分別增加了45.2%（39.3%～50.9%）和46.5%（41.9%～52.8%），采用其他材料覆膜和不覆膜的增產效果分別為37.7%（28.3%～49.5%）和39.0%（32.4%～45.7%），WUE分別提升了33.9%（26.4%～43.0%）和38.2%（31.4%～44.6%）。

2.4 不同降雨量對壟溝集雨效果的影響

根據田間試驗數(shù)據和氣象數(shù)據，進一步探究了生長季內不同降雨量下壟溝集雨措施對作物增產率的影響（圖5）。覆膜壟溝集雨措施的作物增產率高于無覆蓋的壟溝集雨措施，二者的差異在降水量小于200 mm 時最大，隨著生長季內降水量的增加差異不斷減小。不同集雨措施隨生長季內降水量變化的增產效果曲線也存在差異，覆膜壟溝集雨效果隨著降水量的增加而下降，在生長季內降水量為50～350 mm 時增產效果最好，增產率在49.0%～93.4%，對于西北地區(qū)馬鈴薯、玉米等作物增產率超過了150.0%；無覆蓋壟溝集雨處理的作物增產率隨著生長季降水量的增加呈先增加后減少的趨勢，在生長季內降水量為250～450 mm 時增產效果較好，為26.0%～29.8%；當生長季降水量多于450 mm 時，覆膜的壟溝集雨種植方式較不覆膜的增產率提高較小。在黃土高原半干旱區(qū)，推薦使用覆膜壟溝集雨模式；在農牧交錯帶區(qū)，覆膜和不覆膜的壟溝集雨模式均可；在東部半濕潤區(qū)，推薦使用不覆膜壟溝集雨模式。

圖5 不同降水量下壟溝集雨措施對作物增產率的影響Fig.5 The effect of furrow rainwater harvesting on yield increase rate of crops under different precipitation

3 結論與討論

壟溝集雨技術由于顯著的增產效果在我國干旱半干旱地區(qū)得到了廣泛應用，本研究將經過同行評議的文章數(shù)據進行整合、篩選和分析，通過Meta分析方法系統(tǒng)分析了不同壟溝集雨措施對我國不同地區(qū)不同作物產量以及WUE 的影響，且進一步評估了不同生長季降水下壟溝集雨措施增產效果，以期能夠闡明壟溝集雨效果與降水的內在關聯(lián)，進而得到壟溝集雨模式在我國旱作農業(yè)生產中綜合的、量化的結論。研究結果表明，壟溝集雨對促進農作物的生長發(fā)育、提升作物產量和WUE 具有重要作用，主要原理在于壟溝集雨技術通過集雨面匯集一部分降水至種植區(qū)，能夠有效提高種植區(qū)土壤水分。需要指出的是，集雨處理使得種植區(qū)獲得相對更多的水分，但大部分的文獻中耗水量沒有考慮集雨增加的水分，這是造成本研究結果中WUE 增加的一項重要原因。理論而言，如果集雨只是單純增加了水分輸入，沒有增加作物的抗旱能力，那么WUE 應該不會發(fā)生改變。然而，胡琦等[49]研究發(fā)現(xiàn)，即使耗水量考慮了集雨增加的水分，計算的WUE也仍顯著大于平作處理，原因可能在于干旱半干旱區(qū)作物生長季一般受水分脅迫的影響，集雨處理能夠提高土壤水分含量，特別是關鍵需水期的土壤水分狀況，例如，北方農牧交錯帶在平水年、豐水年和歉水年等不同氣候年型下，馬鈴薯壟溝集雨措施的種植區(qū)水分分別增加了49.0、81.1、21.0 mm，且超過60%的集雨量發(fā)生在馬鈴薯關鍵生育期[50]，集雨技術減少了水分脅迫干旱半干旱區(qū)雨養(yǎng)農業(yè)的影響，導致在一定降水范圍內作物產量與耗水量并不呈線性關系，類似的研究結果在小麥[51]、向日葵[52]等作物也有報道。此外，本研究表明，不同生長季降雨量條件下壟溝集雨措施對不同作物增產效果存在差異，并量化了覆膜和不覆膜條件下效果最高時的降水范圍，使得不同地區(qū)能夠根據氣候條件選擇適宜的集雨措施，在保證能夠有效提高產量的同時盡可能地減小對環(huán)境的損害，從而為促進作物生產和農民增收提供理論依據。

值得一提的是，旱作區(qū)農民長期以來大多采取“廣種薄收”的做法，無法短時間改變種植方式，導致壟溝集雨技術應用沒能推廣開來，因此，建議政府可以建立示范點，提高使用可降解地膜的政府補貼，加強壟溝集雨技術利于農業(yè)生產和提高農民收入的宣傳。本研究未考慮壟溝集雨過程中除覆蓋之外的措施，如設置施肥、不同壟溝比等對壟溝集雨效果的影響，沒有細化壟溝集雨措施對各個地區(qū)不同作物的影響。此外，在實際推廣應用過程中還應該考慮投入產出比，如壟溝集雨措施一方面減少了實際的種植面積，降低了區(qū)域的種植密度，可能會對總產量產生負面影響；另一方面由于投入更多勞動力以及覆蓋材料導致成本增加，可能會出現(xiàn)集雨技術提高產量所增加的收益不足以彌補增加的成本的情況[50]，未來還需要進一步的深入分析和研究。