盧志強(qiáng) 溫思佳 李雨澤 李國瑞 溫曉霞

摘 要 通過對196篇相關(guān)文獻(xiàn)的1 043對數(shù)據(jù)進(jìn)行全球薈萃分析，評估免耕條件下玉米籽粒產(chǎn)量、秸稈生物量和葉面積指數(shù)的變化，并探討氣候、土壤、管理因素對其影響程度和方向。結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)翻耕，免耕總體上顯著降低了玉米籽粒產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量和葉面積指數(shù)5.7%、4.1%和9.7%。然而，這種效應(yīng)因氣候、土壤和管理措施而不同。在相對干旱的氣候環(huán)境（年平均氣溫為 >15? ℃、年平均降雨 <600 mm）和惡劣的土壤條件（土壤體積質(zhì)量>1.4 g/cm3、土壤有機(jī)碳含量 <5.8 g/kg、土壤全氮為 <0.75 g/kg）下，免耕條件下玉米生產(chǎn)力（籽粒產(chǎn)量和秸稈生物量）水平相對更好。其中，土壤有機(jī)碳含量和土壤速效鉀含量與玉米籽粒產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)，年平均降雨和土壤速效磷含量與玉米籽粒產(chǎn)量和秸稈生物量呈顯著負(fù)相關(guān)，土壤體積質(zhì)量與玉米籽粒產(chǎn)量和秸稈生物量呈顯著正相關(guān)。此外，肥料的高效施用、多樣化的種植模式（間作或輪作）、秸稈還田等管理措施能抵消免耕條件下玉米生產(chǎn)力的負(fù)效應(yīng)。總體而言，氣候土壤環(huán)境相對更惡劣的區(qū)域可以從免耕技術(shù)上獲益更多，而合理的田間管理措施也可以為免耕技術(shù)提供更好的生產(chǎn)力效應(yīng)。

關(guān)鍵詞 免耕；玉米；籽粒產(chǎn)量；秸稈生物量；葉面積指數(shù)；Meta分析

傳統(tǒng)翻耕是迄今為止全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最主流的土壤管理措施[1]。然而，越來越多的研究表明，傳統(tǒng)翻耕大量消耗化石燃料、引起土壤退化、水污染[2]和土壤流失問題[3]，不利于生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4]。因此，緩解傳統(tǒng)翻耕造成的一系列環(huán)境問題的保護(hù)性耕作受到了廣泛的關(guān)注。其中，免耕作為對土壤擾動(dòng)最小的保護(hù)性耕作措施，由于其減少土壤侵蝕、改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤肥力，提升作物水肥利用效率等在生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的積極特性[5-8]，在多個(gè)國家和地區(qū)得到推廣[9]。通常而言，免耕措施對生態(tài)環(huán)境和作物生產(chǎn)力都有一定的積極作用[10]。但是，玉米相對于其他農(nóng)作物養(yǎng)分需求更高[11]，導(dǎo)致免耕措施對玉米生產(chǎn)力的影響往往與其他農(nóng)作物存在差異，有時(shí)甚至出現(xiàn)相反的效果[12]。因此，研究免耕對玉米生產(chǎn)力的影響，對于免耕技術(shù)的精準(zhǔn)推廣有著重要意義。

不同耕作措施對土壤的擾動(dòng)程度不同，這會(huì)使土壤理化性質(zhì)發(fā)生劇烈變化，從而改變作物光合產(chǎn)物的積累和分配，調(diào)控作物光合葉面積指數(shù)和秸稈生物量，影響作物產(chǎn)量[13-14]。He等[15]發(fā)現(xiàn)，免耕可以顯著提升土壤蓄水量和有機(jī)質(zhì)含量，滿足玉米對于養(yǎng)分的需求，從而顯著提升玉米生產(chǎn)力。然而，免耕造成的土壤體積質(zhì)量增加也可能會(huì)阻礙玉米根系生長，從而降低玉米生產(chǎn)力[16]。實(shí)際上，免耕對于玉米生產(chǎn)力的影響取決于多種因素，通常包含氣候、土壤條件、農(nóng)田管理措施等。為了探究這個(gè)問題，全世界對此做了大量研究[17]，但由于試驗(yàn)地點(diǎn)和管理措施的不同，不同研究者得到的結(jié)果往往差異很大[18-19]。如，Chen等[20]研究發(fā)現(xiàn)，在寒冷地區(qū)，免耕處理下的玉米產(chǎn)量顯著低于傳統(tǒng)翻耕。而卜歡莉等[21]的結(jié)果表明，在旱地，免耕和傳統(tǒng)耕作在產(chǎn)量上并沒有顯著差異。這一不一致的發(fā)現(xiàn)可能會(huì)對免耕大面積的推廣造成不利影響。因此，進(jìn)行區(qū)域范圍內(nèi)定量評估免耕對作物生產(chǎn)力的影響有助于為更合理的進(jìn)行免耕提供證據(jù)。

本試驗(yàn)以玉米為研究對象，進(jìn)行了一項(xiàng)全球范圍內(nèi)的薈萃分析，以量化免耕對玉米產(chǎn)量、地上部生物量、葉面積指數(shù)等作物生產(chǎn)力的綜合影響。同時(shí)，為了確定影響免耕措施下玉米生產(chǎn)力的主要驅(qū)動(dòng)因素，評估了這些影響的強(qiáng)度和方向是否因氣候因素（即年降雨、年氣溫）、土壤條件（即質(zhì)地、體積質(zhì)量、有機(jī)質(zhì)、總氮和速效養(yǎng)分）和農(nóng)田管理（即肥料施用量、殘留物管理、種植系統(tǒng)、肥料管理、試驗(yàn)?zāi)晗蓿┒煌?。具體而言，本研究的目的是使用薈萃分析的方法，確定與傳統(tǒng)耕作相比，免耕對玉米產(chǎn)量、地上部生物量、葉面積指數(shù)等生產(chǎn)力指標(biāo)的影響，并評估其他因素對其結(jié)果的影響大小與方向，確定適合免耕的最佳環(huán)境和管理措施，為免耕在全球范圍內(nèi)的推廣提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選擇中國知網(wǎng) （http：//www.cnki.net/） 和Web of Science （http：//access.webofknowledge.com/）2個(gè)中英文數(shù)據(jù)庫，通過關(guān)鍵詞“玉米”“免耕、保護(hù)性耕作”“葉面積、產(chǎn)量、生物量、秸稈、干物質(zhì)”（“maize or corn”“Tillage or Conservation tillage or Reduc* disturbance or no tillage or zero tillage”“yield or dry matter or leaf area or biomass or grain yield or yield formation or yield component or yield character or production or production or productivity or growth or development or plant”），檢索1978年3月-2022年3月公開發(fā)表的關(guān)于免耕對玉米生產(chǎn)力的相關(guān)文獻(xiàn)。為了構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，如果出版物符合以下標(biāo)準(zhǔn)，則保留出版物的結(jié)果并適當(dāng)收集數(shù)據(jù)：（1）選定的研究僅限于基于玉米研究的田間試驗(yàn)，不包括其他作物或者盆栽試驗(yàn)與綜述等；（2）必須控制單一變量，即免耕覆蓋秸稈只能和傳統(tǒng)耕作覆蓋秸稈相比較；（3）同一試驗(yàn)必須包括免耕（NT）為試驗(yàn)組，傳統(tǒng)翻耕（CT）為對照組；（4）研究報(bào)告了至少以下一項(xiàng)玉米生產(chǎn)力參數(shù)的結(jié)果：籽粒產(chǎn)量、秸稈生物量、葉面積指數(shù)[22-23]；（5）文章提供了關(guān)于試驗(yàn)場地位置的信息，以便從同一篇文章或其他二次來源獲得額外的環(huán)境特征，如年平均溫度、降水量等。

數(shù)據(jù)庫中共包括196篇相關(guān)的期刊文章，當(dāng)同一研究可以在一個(gè)或者多個(gè)解釋變量的單獨(dú)亞組中分類時(shí)，它們被納入單獨(dú)觀察。筆者從每篇文章中提取平均值、樣本量、標(biāo)準(zhǔn)差（SD）等數(shù)據(jù)。對于僅報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)誤差（SE）而未報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)差的研究，SD通過方程式SD=SE× n計(jì)算得出；對于未報(bào)告SD或SE的研究，SD估計(jì)為平均值的0.1倍[24]；所有原始數(shù)據(jù)或從文本、表格中直接提取，或使用WebPlotDigitizer（https：//apps.automeris.io/wpd/index.zh_CN.html）從圖片中提取[25]。共提取出1 043個(gè)數(shù)據(jù)對，圖1給出了免耕對玉米生產(chǎn)力試驗(yàn)場所的總體分布。

為了進(jìn)一步解釋免耕對玉米生產(chǎn)力的影響，將數(shù)據(jù)集的亞組分類如下：1）氣候因素：年平均氣溫、年平均降雨；2）土壤因素：土壤質(zhì)地、土壤體積質(zhì)量、土壤酸堿性、土壤有機(jī)碳、全氮、速效氮磷鉀含量；3）農(nóng)田管理因素：肥料施用量、種植系統(tǒng)、殘留物管理、肥料管理、試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間。其中，對于氣候因素，將年平均氣溫分為 <8 ℃、8～15 ℃? 和>15 ℃，年平均降雨分為 <600 mm、600～? 1 000 mm和 >1 000 mm[24]；對于土壤因素，根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部土壤質(zhì)地三角形，將土壤質(zhì)地分為細(xì)質(zhì)地（fine textured，包括粘土、砂質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土等）、中等質(zhì)地（medium textured，包括壤土、粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘壤土、粘土、砂質(zhì)粘土等）和粗質(zhì)地（coarse textured，包括砂土、砂壤土等），土壤酸堿性分為 pH≤7 和 pH>7 ，土壤體積質(zhì)量分為 <1.3 g/cm3、1.3～1.4 g/cm3和 >1.4?? g/cm3，土壤有機(jī)碳根據(jù)有機(jī)質(zhì)換算分為?? <5.8 g/kg、? 5.8～8.12 g/kg和 >8.12 g/kg，土壤全氮分為 <0.75 g/kg、0.75～1 g/kg和 >1 g/kg，土壤有效氮分為 <50 mg/kg ，50～90?? mg/kg和>90? mg/kg ，土壤速效磷 <10?? mg/kg、10～18 mg/kg和>18? mg/kg ，土壤速效鉀分為 <100 mg/kg、100～150?? mg/kg和 >150 mg/kg [26-28]；對于農(nóng)田管理因素，將氮肥施用量分為 <150 kg/hm2 、150～225 kg/hm2和>225??? kg/hm2，磷肥施用量分為 <60 kg/hm2、60～90 kg/hm2和 >90?? kg/hm2 ，鉀肥施用量分為0、1～90 kg/hm2和?? >90 kg/hm2 ，種植系統(tǒng)分為玉米單作、與豆科間作或輪作、與非豆科間作或輪作，殘留物管理分為秸稈移除和秸稈還田，肥料管理分為不追肥和追肥，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間分為短期? （<5 a）、中期（5～10 a）和長期（>10 a）[29-32]。

1.2 數(shù)據(jù)分析

為了評估玉米生產(chǎn)力對免耕的響應(yīng)，計(jì)算了薈萃分析最常用的響應(yīng)比（RR，Response Ratio）

的自然對數(shù)，以量化免耕對玉米生產(chǎn)力的綜合影響。RRlnRR計(jì)算方法如式（1）：

式中，RR是處理組（免耕，NT）中記錄的玉米的籽粒產(chǎn)量、秸稈生物量或者葉面積指數(shù)的平均值Xn和對照組（傳統(tǒng)耕作，CT）中記載的玉米的籽粒產(chǎn)量、秸稈生物量或者葉面積指數(shù)的平均值Xc的比值。然后計(jì)算每項(xiàng)獨(dú)立研究效應(yīng)值的方差（v），計(jì)算方法如式（2）：

式中，nn和nc分別代表處理組（免耕，NT）和對照組（傳統(tǒng)耕作，CT）的樣本量，sn和sc分別代表處理組（免耕，NT）和對照組（傳統(tǒng)耕作，CT）的標(biāo)準(zhǔn)偏差。薈萃分析中比較的權(quán)重使用公式（3）進(jìn)行計(jì)算：

式中，wij是相應(yīng)比較的權(quán)重，是平均變異系數(shù)。為了得出處理組（免耕，NT）相對于對照組（傳統(tǒng)耕作，CT）的總體反應(yīng)，使用公式（4）計(jì)算處理組（免耕，NT）和對照組（傳統(tǒng)耕作，CT）的加權(quán)響應(yīng)比。

式中，RR++是處理組（免耕，NT）和對照組（傳統(tǒng)耕作，CT）組之間的加權(quán)響應(yīng)比，m是要比較的組數(shù)，k是相應(yīng)組中的比較數(shù)。wi是一個(gè)權(quán)重因子。當(dāng)從同一研究中提取多個(gè)觀察結(jié)果時(shí)，wi根據(jù)每個(gè)站點(diǎn)的觀察總數(shù)進(jìn)行調(diào)整。權(quán)重越大，指標(biāo)在綜合評價(jià)過程中越重要[33-34]。加權(quán)響應(yīng)比（RR++）的標(biāo)準(zhǔn)誤差和95% 的置信區(qū)間（95%CI）由公式（5）和（6）計(jì)算：

所得結(jié)果中，若總體平均效應(yīng)值95%置信區(qū)間不包括零點(diǎn)，則說明相對于傳統(tǒng)耕作，免耕對玉米的生產(chǎn)力具有顯著影響（增加或者降低）；若總體平均效應(yīng)值95%置信區(qū)間不包括與零點(diǎn)相交，則說明免耕和傳統(tǒng)耕作對玉米生產(chǎn)力無顯著差異。為了更直觀地表現(xiàn)免耕對玉米生產(chǎn)力的影響，將加權(quán)響應(yīng)比轉(zhuǎn)換為免耕相對傳統(tǒng)耕作的相對變化百分比（效應(yīng)值，Effect size %），計(jì)算方法如公式（7）：

Effect%=RR++-1×100%[JY，1]（7）

為防止發(fā)表偏倚影響薈萃分析的結(jié)果，采用Rosenthal失安全系數(shù)（Fail safe number）對結(jié)果進(jìn)行偏倚性檢驗(yàn)[35]，當(dāng)檢驗(yàn)結(jié)果N>5n+10（n為研究的個(gè)數(shù)）時(shí)，表示不存在偏差，薈萃分析結(jié)果真實(shí)可信。

本研究使用EndNote X9.1軟件完成文獻(xiàn)的初步篩選，使用Microsoft Excel 2021軟件對提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，并使用OpenMEE軟件[36]對其完成上述薈萃分析和偏倚性檢驗(yàn)的所有統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。圖片由R-Studio（R4.13）軟件中的“ggplot2”包進(jìn)行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 免耕對玉米生產(chǎn)力的總效應(yīng)影響

總體而言，免耕顯著降低了玉米生產(chǎn)力。與傳統(tǒng)耕作相比，免耕的籽粒產(chǎn)量、秸稈生物量和葉面積指數(shù)分別降低了4.2%、2.2%和6.2%? （圖2）。其中，玉米籽粒產(chǎn)量、秸稈生物量 、葉面積指數(shù)的異質(zhì)性檢驗(yàn)結(jié)果均達(dá)到了顯著水平（表1），這表明所有觀測到的結(jié)果的響應(yīng)比并不均勻，存在其他因素可能會(huì)影響免耕的效果。進(jìn)一步的組間異質(zhì)性分析結(jié)果表明，氣候、土壤、管理因素對免耕條件下玉米生產(chǎn)力均存在顯著影響? （表2）。

此外，玉米籽粒產(chǎn)量、秸稈生物量和葉面積指數(shù)的失安全系數(shù)（Fail-safe N）分別為114 192、? 8 798和6 287（表1），均遠(yuǎn)大于樣本量，滿足偏倚性檢驗(yàn)要求。這表明，本研究結(jié)果真實(shí)可靠，不受期刊文獻(xiàn)發(fā)表偏倚的影響。[FL）]

2.2 氣候因素對免耕玉米農(nóng)田生產(chǎn)力的影響

免耕條件下，玉米生產(chǎn)力的改變幅度受氣候條件的顯著影響（圖3）。在整個(gè)數(shù)據(jù)集中，免耕對玉米籽粒產(chǎn)量和秸稈生物量的響應(yīng)比與年平均降雨量呈顯著負(fù)相關(guān)（圖4）。亞組分析結(jié)果（圖3）表明：免耕條件下，玉米籽粒產(chǎn)量年平均氣溫為? 8～15? ℃時(shí)，顯著降低6.3%。在年降雨量為 <600、600～1 000和 >1 000 mm，分別降低2%、? 5.4%和6.9%；玉米秸稈生物量在年平均氣溫? 為< 8? ℃時(shí)，顯著降低6.5%。在年降雨量為? 600～?? 1 000 mm時(shí)，顯著降低9.3%；玉米葉面積指數(shù)在年平均氣溫為 <8 ℃和 >15? ℃時(shí)，分別降低? 6.9%和4.9%。在年平均降雨量為 <600 mm和?? >1 000 mm時(shí)，分別顯著降低14.1%和10%。

2.3 土壤因素對免耕玉米農(nóng)田生產(chǎn)力的影響

2.3.1 土壤屬性 土壤質(zhì)地對免耕條件下玉米籽粒產(chǎn)量和秸稈生物量產(chǎn)生顯著影響（表2和圖5），其中，免耕條件下，玉米籽粒產(chǎn)量在細(xì)質(zhì)地、中等質(zhì)地和粗質(zhì)地的土壤中分別顯著降低9.5%、? 2.6%和6.4%；而玉米秸稈生物量在細(xì)質(zhì)地的土壤中顯著增加9.4%，在中等質(zhì)地和粗質(zhì)地的土壤中顯著降低3.8%和4.6%。

土壤體積質(zhì)量與免耕對玉米籽粒產(chǎn)量和秸稈生物量的影響大小呈顯著正相關(guān)（圖6），森林圖中很好地表現(xiàn)了這種趨勢（圖5）：免耕條件下，玉米籽粒產(chǎn)量在土壤體積質(zhì)量為 <1.3 g/cm3、? 1.3～1.4 g/cm3和 >1.4 g/cm3時(shí)的亞組分析結(jié)果分別為顯著降低4.4%、無顯著差異和顯著增加3.3%；秸稈生物量分別為顯著降低11.9%、顯著增加4%和無顯著影響。玉米葉面積指數(shù)僅在土壤體積質(zhì)量>1.4 g/cm3時(shí)，表現(xiàn)為顯著降低5.3%。

隨著土壤pH的增加，免耕對玉米生產(chǎn)力的效應(yīng)呈增加的趨勢。其中，免耕對玉米秸稈生物量和葉面積指數(shù)的效應(yīng)值和土壤pH呈顯著正相關(guān)（圖6）。亞組分析結(jié)果表明（圖5），土壤pH >7時(shí)（5.2%）免耕都顯著降低了玉米籽粒產(chǎn)量，降低幅度小于pH≤7（11.2%）；秸稈生物量則表現(xiàn)為土壤pH≤7時(shí)顯著降低16.1%，土壤pH>7時(shí)無顯著影響；葉面積指數(shù)表現(xiàn)為土壤pH≤7時(shí)顯著降低9%，土壤pH>7時(shí)顯著增加? 8.8%。

2.3.2 土壤養(yǎng)分 免耕對玉米籽粒產(chǎn)量的效應(yīng)與土壤有機(jī)碳、土壤速效磷、速效鉀含量呈顯著負(fù)相關(guān)（圖7）；對玉米秸稈生物量的效應(yīng)與土壤速效磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)；對玉米葉面積指數(shù)的效應(yīng)與土壤有機(jī)碳含量和土壤速效磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與土壤速效氮含量和速效磷含量呈顯著正相關(guān)。

亞組分析結(jié)果表明，免耕條件下，玉米籽粒產(chǎn)量在土壤全氮含量為0.75～1 g/kg時(shí)，顯著降低6.3%；玉米秸稈產(chǎn)量在土壤全氮含量為 >1?? g/kg時(shí)，顯著降低5.1%；玉米葉面積指數(shù)在土壤全氮含量為0.75～1 g/kg時(shí)，顯著增加16%（圖8）。土壤速效氮含量為 <50和50～90?? mg/kg時(shí)，免耕使玉米籽粒產(chǎn)量分別顯著降低? 10.4%和5.2%；在土壤速效氮含量 >90 mg/kg時(shí)，則沒有顯著影響。玉米秸稈生物量在土壤速效氮含量為 <50 mg/kg時(shí)，顯著降低9.4%；在土壤速效氮含量為 >50 mg/kg、無顯著影響。玉米葉面積指數(shù)在土壤速效氮含量為50～90和 > 90 mg/kg時(shí)，分別顯著降低3.1%和增加16%。

2.4 農(nóng)田管理因素對免耕玉米農(nóng)田生產(chǎn)力的影響

2.4.1 肥料施用措施 如圖9所示，除氮肥施用量與免耕對秸稈生物量效應(yīng)無顯著相關(guān)性外，肥料施用均與免耕對玉米生產(chǎn)力效應(yīng)呈正相關(guān)。其中，免耕對玉米籽粒產(chǎn)量的效應(yīng)與土壤氮肥、磷肥和鉀肥施用量呈顯著正相關(guān)；免耕對玉米秸稈生物量和葉面積指數(shù)的效應(yīng)與土壤鉀肥施用量呈顯著正相關(guān)。

亞組分析結(jié)果（圖10）表明：免耕條件下，玉米籽粒產(chǎn)量在施氮量為 <150、150～22和 >225? kg/hm2時(shí)，分別顯著降低8%、3.2%和? 2.3%；在施磷量為 <60和60～90 kg/hm2時(shí)，分別顯著降低8.5%和5.4%；在不施鉀肥（施鉀量為0）時(shí)，顯著降低10%。玉米秸稈生物量在施氮量為 <150和 >225? kg/hm2時(shí)，分別顯著降低4.5%和5%；在施磷量為 < 60時(shí)，顯著降低8.1%；在不施鉀肥（施鉀量為0）時(shí)，顯著降低8.3%。玉米葉面積指數(shù)在施氮量為 <150和 > 225 kg/hm2時(shí)，分別顯著降低5%和? 6.8%；在施磷量為 > 90 kg/hm2時(shí)，顯著降低? 5.6%；在不施鉀肥（施鉀量為0）時(shí)，顯著降低? 11.4%。

2.4.2 其他管理因素 由圖11可知，免耕條件下，玉米籽粒產(chǎn)量僅在單作系統(tǒng)和秸稈移除管理中分別顯著降低6.9%和6.8%，在常規(guī)施肥和追肥中降低5.7%和2.4%；玉米秸稈生物量僅在單作系統(tǒng)、秸稈移除管理和追肥管理中分別顯著降低4.4%、5.5%和4.2%；玉米葉面積指數(shù)在與非豆科和豆科間作或輪作中分別顯著降低? 6.8%和10%，在秸稈移除管理和秸稈還田管理中分別顯著降低16.2%和5.6%，在追肥管理中顯著降低6.3%。

玉米籽粒產(chǎn)量在免耕年限為短期（<5 a）和長期（>10 a）時(shí)，分別顯著降低1.7%和20.2%；玉米秸稈生物量在免耕年限為短期（<5 a）時(shí)，顯著降低2.3%；玉米葉面積指數(shù)在免耕年限為中期（5～10 a）和長期（>10 a）時(shí)，分別顯著降低7%和131%。[FL）]

3 討? 論

3.1 玉米生產(chǎn)力對免耕的響應(yīng)

一般而言，土壤管理措施主要是通過改變土壤理化性質(zhì)來影響?zhàn)B分供應(yīng)和根系生長，以此改變作物光合產(chǎn)物的積累和轉(zhuǎn)運(yùn)從而調(diào)節(jié)作物生長發(fā)育[37-38]。相對于傳統(tǒng)翻耕而言，免耕增加了大團(tuán)聚體和團(tuán)聚體穩(wěn)定性，改善了土壤結(jié)構(gòu)，從而增加了土壤水分和養(yǎng)分的固存[8，39]。同時(shí)，更低的土壤擾動(dòng)使免耕有更活躍的微生物和酶，這有助于作物對于養(yǎng)分的吸收利用[40-41]。然而，與傳統(tǒng)翻耕相比，免耕在改善土壤結(jié)構(gòu)的同時(shí)，也增加了土壤體積質(zhì)量，這存在阻礙作物根系的生長的風(fēng)險(xiǎn)[42]。玉米相對于其他農(nóng)作物，具有更高的養(yǎng)分需求和更旺盛的根系發(fā)育，這使玉米對于免耕的響應(yīng)更為敏感[43]。因此，相對于傳統(tǒng)翻耕，免耕在土壤養(yǎng)分上的優(yōu)勢和在土壤緊實(shí)度上的劣勢對于玉米而言，影響更為顯著。

本研究結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)耕作，免耕顯著降低了玉米籽粒產(chǎn)量、秸稈生物量和葉面積指數(shù)等作物生產(chǎn)力關(guān)鍵指標(biāo)（圖2）。這與Monneveux等[44]的結(jié)果一致。這可能是由于大部分的玉米種植試驗(yàn)區(qū)都選擇在水分和養(yǎng)分的供應(yīng)較為充足、適宜玉米生長的地點(diǎn)，無法發(fā)揮免耕在土壤養(yǎng)分和水分上的優(yōu)勢，反而因更高的體積質(zhì)量阻礙了玉米的生長。本研究中，玉米籽粒產(chǎn)量、秸稈生物量和葉面積指數(shù)的異質(zhì)性檢驗(yàn)結(jié)果均達(dá)到了顯著水平（P<0.001）（表1），表明某些地區(qū)或者管理措施下，可能存在免耕于玉米生產(chǎn)力上占據(jù)優(yōu)勢的情況。

3.2 影響免耕對玉米生產(chǎn)力效應(yīng)的因素

3.2.1 氣候因素 水、溫是作物生長發(fā)育重要的調(diào)節(jié)因子，外界環(huán)境主要通過溫度和降雨來改變作物生長發(fā)育時(shí)期的水、溫，來調(diào)節(jié)作物生長發(fā)育進(jìn)程[45-46]。土壤溫度過高或者過低都會(huì)降低作物產(chǎn)量[47-48]，而土壤溫度與氣溫密切相關(guān)[49]。在年平均氣溫較低（<8 ℃）時(shí)，相對于傳統(tǒng)耕作，免耕玉米籽粒產(chǎn)量無顯著差異，而秸稈生物量和葉面積指數(shù)顯著降低；而在平均氣溫較高? （>15 ℃）時(shí)，相對于傳統(tǒng)耕作，免耕的籽粒產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量均無顯著差異，而葉面積指數(shù)顯著降低（圖3）。這主要是因?yàn)橄鄬τ趥鹘y(tǒng)翻耕而言，免耕土壤溫度變化幅度更小[50]。當(dāng)氣溫較低（<8 ℃）時(shí)，免耕的土壤溫度高于傳統(tǒng)翻耕，而更高的土壤積溫使玉米在免耕條件下更早進(jìn)入生殖生長階段[1]。因此，雖然免耕由于更低的光合葉面積，導(dǎo)致在總光合產(chǎn)物積累量上低于傳統(tǒng)翻耕，但是籽粒產(chǎn)量上卻與傳統(tǒng)翻耕無顯著差異；當(dāng)氣溫較高? （>15 ℃）時(shí)，免耕的土壤溫度低于傳統(tǒng)翻耕，避免了傳統(tǒng)翻耕由于過高的土壤溫度導(dǎo)致玉米葉片氣孔關(guān)閉， CO2的吸收降低，光合能力下降的弊端[51]。因此，雖然免耕光合葉面積指數(shù)低于傳統(tǒng)翻耕，但是在光合產(chǎn)物積累上與傳統(tǒng)翻耕并無顯著差異。這個(gè)發(fā)現(xiàn)表明，在溫度條件惡劣（高溫或者低溫）的區(qū)域，免耕措施不失為一種維持玉米產(chǎn)量的可持續(xù)發(fā)展措施。而對于水分而言，免耕相對于傳統(tǒng)耕作的玉米籽粒產(chǎn)量和秸稈生物量的效應(yīng)-降雨量關(guān)系表明，免耕玉米光合產(chǎn)物積累的效應(yīng)和降雨量顯著負(fù)相關(guān)，年降雨量越低，免耕相對于傳統(tǒng)翻耕的產(chǎn)量效應(yīng)越高（圖4）。在低降雨量的地區(qū)，水分的缺失迫使作物關(guān)閉氣孔以限制水分蒸發(fā)，導(dǎo)致作物減少了光合作用的碳吸收并降低了產(chǎn)量[52]。而相對于傳統(tǒng)翻耕而言，免耕具有更好的水分儲(chǔ)存和水分利用效率[53]，可以緩解這種負(fù)面影響。因此，在干旱地區(qū)應(yīng)該更多的考慮使用免耕措施來儲(chǔ)存土壤水分，提高玉米生產(chǎn)力。

3.2.2 土壤因素 土壤是作物生存的直接環(huán)境，土壤質(zhì)量的優(yōu)劣直接到影響作物生長發(fā)育進(jìn)程[54]。土壤肥力通常用來評估作物生產(chǎn)潛力，而物理因素和養(yǎng)分因素是土壤肥力的重要組成部分[55-56]。就土壤物理質(zhì)量而言，相對于傳統(tǒng)翻耕，免耕有著增強(qiáng)團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性、土壤水力特性等優(yōu)點(diǎn)[57-58]，但可能增加土壤體積質(zhì)量[59]。呂秋爽等[60]的研究表明，相對于傳統(tǒng)翻耕，免耕會(huì)顯著增加土壤體積質(zhì)量，從而影響根系增長降低作物光合葉面積指數(shù)，最終導(dǎo)致作物生產(chǎn)力下降。本研究中，當(dāng)土壤體積質(zhì)量為 >1.4 g/cm3時(shí)，免耕作物籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)為顯著高于傳統(tǒng)翻耕（圖5），且免耕籽粒產(chǎn)量和秸稈生物量的效應(yīng)與土壤體積質(zhì)量表現(xiàn)為顯著正相關(guān)（圖6）。一項(xiàng)土壤研究表明，免耕對于土壤體積質(zhì)量的增加效應(yīng)隨著土壤體積質(zhì)量的增加而減少[61]。也就是說，基礎(chǔ)體積質(zhì)量越高的土壤，免耕對于土壤的改造過程中，對于土壤緊實(shí)度的增加越低，對于作物根系的阻礙越小，免耕在土壤緊實(shí)度上的負(fù)面影響越低。因此，隨著土壤體積質(zhì)量的增加，當(dāng)免耕在水分保持和養(yǎng)分供應(yīng)上的優(yōu)勢高于在土壤緊實(shí)度上的劣勢時(shí)，可能促進(jìn)光合產(chǎn)物的積累[62-63]。

土壤碳氮是土壤養(yǎng)分中重要的一環(huán)，是評估土壤肥力的主要衡量指標(biāo)，對作物整個(gè)生育時(shí)期的生長供應(yīng)都有調(diào)控作用[64-65]。免耕相對于傳統(tǒng)耕作有更好的固碳和減少氮淋溶的能力[66-67]。本研究結(jié)果表明，免耕對玉米籽粒產(chǎn)量的積極影響與土壤有機(jī)碳含量呈顯著負(fù)相關(guān)（圖7）。這與Zhang等[68]的結(jié)論一致。而對于土壤全氮而言，當(dāng)土壤全氮含量為 >1 g/kg時(shí)，相對于傳統(tǒng)翻耕，免耕的玉米秸稈生物量顯著降低，而籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)為無顯著影響（圖8）。當(dāng)土壤全氮含量較高時(shí)，充足的土壤養(yǎng)分條件促進(jìn)了傳統(tǒng)耕作的根系生長發(fā)育，有利于玉米開花后干物質(zhì)的積累，而免耕的作物光合產(chǎn)物則更多的向籽粒轉(zhuǎn)移[69]。土壤速效養(yǎng)分是土壤養(yǎng)分中較為活躍的部分，可以被作物吸收利用[70]。本研究表明，免耕玉米光合產(chǎn)物積累的效應(yīng)和土壤速效養(yǎng)分顯著負(fù)相關(guān)（圖7）。這主要是由于隨著土壤速效養(yǎng)分的增加，相對于傳統(tǒng)翻耕，免耕更高的微生物和酶活性的優(yōu)勢就越弱[71]。唯一的例外是土壤速效氮含量。本研究表明，當(dāng)土壤速效氮含量為 >90 mg/g時(shí)，免耕的玉米籽粒產(chǎn)量和秸稈生物量表現(xiàn)為與傳統(tǒng)翻耕無顯著差異（圖8）。這可能是因?yàn)橥寥浪傩У枯^高時(shí)，相對于傳統(tǒng)翻耕，免耕前期較好的水氮供應(yīng)，顯著提高了玉米葉面積指數(shù)（圖8），促進(jìn)了玉米根系的生長，減緩了由土壤壓實(shí)度帶來的劣勢，為后期玉米的生長發(fā)育奠定了良好的基礎(chǔ)[72]。

3.2.3 管理因素 田間管理因素是人為改變作物生長發(fā)育環(huán)境，調(diào)控作物生長發(fā)育進(jìn)程的主要方式，主要包括肥料，種植系統(tǒng)和殘留物管理，免耕試驗(yàn)?zāi)晗薜?。本研究結(jié)果表明，免耕的籽粒產(chǎn)量效應(yīng)與肥料施用量成正比（圖9），說明充足的肥料施用是增強(qiáng)免耕生產(chǎn)力的有效田間管理方式之一[73-74]。相對于免耕，傳統(tǒng)翻耕土壤團(tuán)聚體的破壞和受保護(hù)的有機(jī)質(zhì)的暴露導(dǎo)致殘留物和土壤養(yǎng)分釋放得更快，而充足的肥料施用可以提供充足的養(yǎng)分來彌補(bǔ)這種差異[59]。另外，免耕更強(qiáng)的微生物活性和酶活性也能使作物更充分地吸收土壤養(yǎng)分[75]。因此，免耕技術(shù)更能發(fā)揮肥料的功效。

種植模式能影響農(nóng)作物對于養(yǎng)分的吸收和分配，適宜的種植模式能改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤利用率，提高作物生產(chǎn)力[76]。本研究表明，相對于玉米單作相比，免耕在輪作或者間作等多種作物參與的種植模式下有更好的玉米生產(chǎn)力效應(yīng)（圖11）。這與Pittelkow等[77]的結(jié)論一致。多種作物參與的種植模式，打破了害蟲和雜草的生命周期，降低了免耕系統(tǒng)中的病蟲草害[73]，削弱了傳統(tǒng)翻耕的優(yōu)勢。同時(shí)，多種作物參與下的種植模式對土壤的改造，如不同作物根系的穿透、土壤動(dòng)物的招募等，也緩解了免耕土壤緊實(shí)度增加帶來的負(fù)面影響[78]。因此，在土壤和氣候條件允許的情況下，將多樣化種植模式與免耕結(jié)合更有利于生態(tài)環(huán)境和玉米生產(chǎn)的可持續(xù)性發(fā)展。

殘留物管理是農(nóng)田管理措施中重要的一環(huán)，以往農(nóng)民對于殘留物的處理一般是直接采用焚燒的方式，這對于環(huán)境有很大的損害，而且殘留物的收集也需要耗費(fèi)大量資源[79]。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，秸稈和免耕結(jié)合，不僅可以有效處理秸稈，節(jié)省資源，保護(hù)環(huán)境，而且對于產(chǎn)量也有顯著的積極效應(yīng)[80-81]。本研究中，秸稈還田條件下免耕對玉米生產(chǎn)力的影響均優(yōu)于秸稈移除（圖11）。在免耕措施下，秸稈還田措施可以使雨水更大程度地滲入土壤，并減少表層土壤受雨滴影響導(dǎo)致的結(jié)皮，從而緩解作物破土上的壓力[82]。另外，秸稈還田帶來的外源有機(jī)碳的輸入擴(kuò)大了免耕更活躍的微生物和酶的優(yōu)勢[83]，且秸稈覆蓋對雜草的抑制作用也緩解了免耕在草害上的影響[84]。因此，秸稈還田處理縮小了免耕和傳統(tǒng)翻耕之間玉米生產(chǎn)力的差異。

追肥措施可以精準(zhǔn)控施肥料，避免肥料施用不合理帶來的產(chǎn)量問題和環(huán)境問題，提高肥料利用效率[85]。筆者發(fā)現(xiàn)與不追肥相比，追肥縮小了免耕實(shí)踐下玉米籽粒產(chǎn)量與傳統(tǒng)翻耕之間的差距（圖11）。在免耕措施下，土壤未經(jīng)擾動(dòng)，肥料和根系都大量分布于土壤表層，導(dǎo)致玉米前期生長旺盛，而后期肥力不足[86]；而追肥措施可以減緩免耕后期肥力不足的負(fù)面影響，彌補(bǔ)玉米產(chǎn)量上的差距[87]。因此，在免耕實(shí)踐中，進(jìn)行合理的追肥是一種保持玉米產(chǎn)量的合理措施。

免耕被認(rèn)為是一種可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)田管理措施，長期免耕對土壤理化性質(zhì)的改善更為明顯[88]。因此，通常人們認(rèn)為，短期免耕條件下，作物的生產(chǎn)力顯著低于傳統(tǒng)耕作；隨著免耕年限增加，對于土壤的積極效應(yīng)逐步增強(qiáng)，免耕的生產(chǎn)力也隨之增加[12]。然而，本研究結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)翻耕，免耕條件下的玉米籽粒產(chǎn)量在短期和長期都表現(xiàn)為顯著降低而中期無顯著影響（圖11），Wang等[1]也有類似結(jié)果。這是因?yàn)橛衩紫鄬τ谄渌r(nóng)作物具有更發(fā)達(dá)的根系和更高的水養(yǎng)需求[28]，雖然免耕增加了土壤養(yǎng)分和蓄水量，但逐年增加的土壤緊實(shí)度也限制了玉米根系的生長從而間接影響了玉米光合葉面積大小（圖11）。當(dāng)土壤免耕年限為 >10 a時(shí)，土壤緊實(shí)度對玉米根系的限制使其對養(yǎng)分的吸收低于傳統(tǒng)翻耕[89]。因此，相對而言，免耕條件下玉米的籽粒產(chǎn)量? 更低。

4 結(jié)? 論

全球范圍內(nèi)的薈萃分析表明，盡管相對于傳統(tǒng)翻耕，免耕顯著降低了玉米生產(chǎn)力（籽粒產(chǎn)量、秸稈生物量和光合葉面積指數(shù)），但是玉米生產(chǎn)力水平對免耕的響應(yīng)因氣候（降雨和溫度）、土壤（體積質(zhì)量、pH、養(yǎng)分）、管理（肥料施用量、作物種植系統(tǒng)、殘留物管理實(shí)踐和免耕持續(xù)時(shí)間）等因素的不同而不同。免耕更適合在相對干旱的氣候環(huán)境（年平均氣溫>15? ℃、年平均降雨<600 mm）和惡劣的土壤條件（土壤體積質(zhì)量>1.4 g/cm3、土壤有機(jī)碳含量<5.8? g/kg、土壤全氮<0.75?? g/kg）進(jìn)行，相比翻耕能夠顯著提高玉米生產(chǎn)力。此外，肥料的高效施用、多樣化的種植模式（間作或輪作）、秸稈還田等管理措施也能抵消免耕條件下玉米生產(chǎn)力的負(fù)效應(yīng)。因此，免耕措施的推廣需要選擇適宜的環(huán)境條件和科學(xué)的管理措施。本研究基于現(xiàn)有的科學(xué)數(shù)據(jù)，量化了免耕對于玉米生產(chǎn)力的影響，為世界范圍內(nèi)合理推廣免耕措施以保障農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了理論依據(jù)。

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Effect of No-tillage on Maize Productivity：A? Global Meta-analysis

Abstract In this study， a global meta-analysis was couducted by synthesizing data from 1? 043 data pairs extracted from 196 relevant studies.We assessed changes in maize grain yield， straw biomass， and leaf area index under no-tillage condition and explored the extent and direction of the influence of climate， soil， and management factors. The results showed that no-tillage significantly reduced maize grain yield， straw biomass， and leaf area index by 5.7%， 4.1%， and 9.7%， respectively， compared to conventional tillage. However， these effects varied depending on climate， soil and management practices. In relatively arid climatic conditions （annual average temperature >15 ℃， annual average rainfall <600 mm） and adverse soil conditions （soil volumic mass >1.4 g/cm？倕， soil organic carbon content <5.8 g/kg， soil total nitrogen <0.75 g/kg），maize productivity （grain yield and straw biomass） were relatively better under no-tillage conditions.Specially， soil organic carbon content and soil available potassium content were significantly negatively correlated with maize grain yield， while annual average rainfall and soil available phosphorus content were significantly negatively correlated with maize grain yield and straw biomass.Soil? volumic mass? was significantly positively correlated with maize grain yield and straw biomass. In addition， efficient fertilizer application， diversified cropping patterns （intercropping and crop rotation）， and straw-return management can counteract the negative effects of maize productivity under no-tillage. In conclusion， regions with relatively harsh climate and soil conditions can benefit more from no-tillage technology， and proper field management practices can enhance the productivity effects of no-tillage.

Key words No-tillage; Maize; grain yield; Straw biomass; Leaf area index; Meta-analysis