覆蓋作物對我國糧食作物的產(chǎn)量效應(yīng)及影響因素的Meta分析

馬佳玉，王濤，劉小利，王麗，張學(xué)成，王文濤，孔繁盛，黃學(xué)郡，王子怡，王彥東，甄文超

覆蓋作物對我國糧食作物的產(chǎn)量效應(yīng)及影響因素的Meta分析

馬佳玉1，王濤1，劉小利2，王麗1，張學(xué)成1，王文濤3，孔繁盛1，黃學(xué)郡1，王子怡1，王彥東1，甄文超1

1河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/作物改良與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省作物生長調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071000；2西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西楊凌 712100；3中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083

【目的】明確種植覆蓋作物對我國主要糧食作物產(chǎn)量的影響，探究覆蓋作物對糧食作物產(chǎn)量效應(yīng)的影響因素，為覆蓋作物在我國的科學(xué)應(yīng)用與推廣提供理論依據(jù)。【方法】以常規(guī)休耕為對照，以休耕期種植覆蓋作物為處理，系統(tǒng)收集1980—2022年公開發(fā)表的文獻(xiàn)137篇，建立含有903組種植覆蓋作物對我國主要糧食作物產(chǎn)量及影響因素的數(shù)據(jù)庫，采用Meta分析的方法定量化種植覆蓋作物對糧食作物產(chǎn)量的影響，并通過Meta回歸研究覆蓋作物對糧食產(chǎn)量效應(yīng)的影響因素?！窘Y(jié)果】相比于休耕，覆蓋作物處理下糧食作物的產(chǎn)量顯著提高了12.2%，其中，小麥、水稻和玉米分別增產(chǎn)了9.5%、11.9%和19.6%。另外，冬季和夏季種植覆蓋作物的糧食產(chǎn)量分別增加了9.5%和12.4%，并且豆科覆蓋作物的增產(chǎn)效果較好，為12.9%（二月蘭為14.2%，紫云英為11.8%，苕子為9.5%，豌豆為7.8%，大豆為7.4%），十字花科次之，為9.3%（油菜為7.0%），禾本科最差，為8.3%（黑麥草為7.9%），值得注意的是不同覆蓋作物的混播增產(chǎn)效果最好，為17.3%。此外，種植年限和日照時數(shù)顯著增加了覆蓋作物的糧食增產(chǎn)效應(yīng)，并且在高緯度地區(qū)，高的降水和溫度增加了覆蓋作物的糧食增產(chǎn)效應(yīng)，而在低緯度地區(qū)，高的降水和溫度降低了覆蓋作物的糧食增產(chǎn)效應(yīng)?！窘Y(jié)論】休耕期采用混播的方式種植覆蓋作物，有助于提高糧食作物的產(chǎn)量，能夠減少地表的裸露并充分利用光熱水土等資源，尤其在北方的夏季和南方的冬季休耕期種植更為適宜。

覆蓋作物；糧食作物；產(chǎn)量；Meta分析

0 引言

【研究意義】在過去的50多年中，集約化的土地管理和新技術(shù)的應(yīng)用使得全球糧食產(chǎn)量急劇增長[1]，但高水肥集約化的種植制度造成了農(nóng)業(yè)面源污染、溫室氣體排放、地下水漏斗等生態(tài)環(huán)境問題的產(chǎn)生，并且地力透支，耕地質(zhì)量下降，危及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[2]。科學(xué)的輪作休耕能夠減少土壤水分、養(yǎng)分等過度消耗，使耕地休養(yǎng)生息，是保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要辦法，但簡單休耕會造成光熱水土等資源的浪費(fèi)，同時還易產(chǎn)生沙塵、水土流失和土壤有機(jī)質(zhì)的礦化等問題[3]。種植覆蓋作物是一種已被生產(chǎn)者廣泛采用的減少土壤侵蝕的有效措施，與休耕相比，種植覆蓋作物可以增加土壤有機(jī)質(zhì)[4]，改善土壤氮循環(huán)[5]，改良土壤結(jié)構(gòu)[6]，并減少病蟲害和氮浸出[7]。因此，明確覆蓋作物對糧食產(chǎn)量的影響以及影響因素，對覆蓋作物在我國的科學(xué)應(yīng)用和推廣具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】研究表明種植覆蓋作物能夠提升后續(xù)主要作物的產(chǎn)量[8-10]。Chen等[8]研究發(fā)現(xiàn)覆蓋作物可以增加土壤固氮能力從而增加水稻產(chǎn)量27.8%。Tao等[9]發(fā)現(xiàn)覆蓋作物能通過改善微生物群落使玉米增產(chǎn)31%。Li等[10]發(fā)現(xiàn)覆蓋作物可以通過持續(xù)改善土壤質(zhì)量從而增加水稻產(chǎn)量。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)種植覆蓋作物會降低后續(xù)作物產(chǎn)量[11-12]。Vigil等[11]發(fā)現(xiàn)由于覆蓋作物對土壤水分的消耗而造成了小麥的產(chǎn)量降低。Zhang等[12]發(fā)現(xiàn)在覆蓋作物與雜草競爭水分養(yǎng)分等資源的同時，同樣也可能與主栽作物競爭資源從而降低產(chǎn)量。覆蓋作物的增產(chǎn)效應(yīng)受氣候地理因素影響[8-12]，在南方濕潤地區(qū)覆蓋作物可以顯著增加后續(xù)作物產(chǎn)量[8-10]，而在干旱地區(qū)覆蓋作物在豐水年可以增加后季小麥產(chǎn)量，而在干旱年降低小麥產(chǎn)量[11-12]。覆蓋作物的種類以及后續(xù)糧食作物的種類影響覆蓋作物增產(chǎn)的效果，F(xiàn)an等[13]發(fā)現(xiàn)在水稻系統(tǒng)中使用冬季覆蓋作物的產(chǎn)量效益較高，但小麥系統(tǒng)的夏季覆蓋作物中沒有明顯的產(chǎn)量效益，并且，在水稻系統(tǒng)中，豆科覆蓋作物對作物產(chǎn)量的影響大于非豆科覆蓋作物。試驗(yàn)?zāi)晗迣Ω采w作物的增產(chǎn)效應(yīng)具有一定的影響，高菊生等[14]發(fā)現(xiàn)紫云英對水稻的增產(chǎn)效果隨著時間的推移逐漸優(yōu)于非豆科的油菜和黑麥草。【本研究切入點(diǎn)】由于目前研究關(guān)于種植覆蓋作物對糧食產(chǎn)量的影響結(jié)論不一致，并且覆蓋作物的增產(chǎn)效應(yīng)受覆蓋作物種類、糧食作物種類和試驗(yàn)?zāi)晗蕖夂虻乩硪蛩氐榷喾矫嬉蛩赜绊?，單一研究無法明確覆蓋作物的種類、氣候地理因素等對糧食作物產(chǎn)量的影響。為了明確在糧食作物中使用覆蓋作物的效果，明晰覆蓋作物糧食增產(chǎn)效應(yīng)的影響因素，有必要整合全國范圍內(nèi)的獨(dú)立試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)分析，為我國覆蓋作物的科學(xué)應(yīng)用和推廣提供理論依據(jù)。【擬解決的關(guān)鍵問題】通過Meta分析，明確種植覆蓋作物對糧食產(chǎn)量的定量化效應(yīng)，探明小麥、水稻和玉米的產(chǎn)量對種植覆蓋作物的響應(yīng)，以及不同覆蓋作物的種類對糧食產(chǎn)量的影響，并且探究影響覆蓋作物效應(yīng)的因素，為覆蓋作物在我國的合理推廣應(yīng)用提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

本研究選擇“Web of Science”“中國知網(wǎng)”“維普”和“萬方”數(shù)據(jù)庫，以“覆蓋作物（cover crop）”“綠肥（green manure）”“填閑（catch crop）”和“產(chǎn)量（yield）”為關(guān)鍵詞，檢索1980年至2022年4月已公開發(fā)表的所有相關(guān)文獻(xiàn)。

被納入數(shù)據(jù)庫的文獻(xiàn)必須滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：（1）以大田作物小麥、水稻和玉米為主要作物的田間試驗(yàn)；（2）以休耕為對照，處理至少包含覆蓋作物、綠肥作物、填閑作物中的一種；（3）結(jié)果指標(biāo)包含糧食作物產(chǎn)量；（4）試驗(yàn)設(shè)置重復(fù)次數(shù)。通過整理篩選，最終獲得符合本研究要求的中英文文獻(xiàn)137篇。從符合條件的文獻(xiàn)中提取以下數(shù)據(jù)，包括糧食作物的產(chǎn)量、覆蓋作物種類、試驗(yàn)?zāi)晗抟约霸囼?yàn)地點(diǎn)的經(jīng)度、緯度、海拔、年降水量、年平均溫度、日照時數(shù)數(shù)據(jù)。對文獻(xiàn)中以圖形式展示的數(shù)據(jù)，通過Webplot Digitizer軟件獲取。對于文獻(xiàn)中氣象和地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)未給出的，通過“國家氣象信息中心數(shù)據(jù)庫”和“地理空間數(shù)據(jù)云”等方法進(jìn)行查詢補(bǔ)充，對于標(biāo)準(zhǔn)差未給出的，基于SINCLAIR等[15]的方法進(jìn)行補(bǔ)齊。對于初步建立的數(shù)據(jù)庫，剔除異常值，最終獲得用于本研究的903組數(shù)據(jù)。

1.2 Meta分析

1.2.1 效應(yīng)值和權(quán)重的計(jì)算 選擇對數(shù)反應(yīng)比（lnR）表征覆蓋作物對糧食作物產(chǎn)量影響的效應(yīng)值：

式中，Ye為種植覆蓋作物的糧食作物產(chǎn)量，Yc為休耕的糧食作物產(chǎn)量。

權(quán)重（wi）的計(jì)算方法：

式中，vi為案例內(nèi)方差，SDe和SDc分別為覆蓋作物和休耕處理下的糧食作物產(chǎn)量的標(biāo)準(zhǔn)差，Ne和Nc分別為覆蓋作物和休耕處理下的糧食作物產(chǎn)量的重復(fù)數(shù)，τ2為案例間方差。

1.2.2 累計(jì)效應(yīng)值的計(jì)算 考慮到文獻(xiàn)的異質(zhì)性會對結(jié)果造成影響，因此將案例嵌套于文獻(xiàn)，采用隨機(jī)效應(yīng)模型計(jì)算累計(jì)效應(yīng)（Y），公式如下：

式中，CI為95%置信區(qū)間，若置信區(qū)間包括0，則表明處理對糧食產(chǎn)量不具有顯著的影響，SE為總體標(biāo)準(zhǔn)差。

1.2.3 影響因素分析 若數(shù)據(jù)存在顯著的異質(zhì)性（Qt），引入影響因素進(jìn)行亞組分析或Meta回歸，若組間異質(zhì)性（QM）顯著（＜0.05），表明影響因素對效應(yīng)值具有顯著影響。

1.2.4 模型診斷 通過漏斗圖和失安全數(shù)（Rosenthal）進(jìn)行發(fā)表偏愛性和穩(wěn)健性檢驗(yàn)。若漏斗圖對稱且失安全數(shù)大于5k+10（k為案例個數(shù)），則表明結(jié)果不受發(fā)表偏愛性的影響，結(jié)果可靠。

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

2 結(jié)果

2.1 覆蓋作物種植的空間分布

如圖1所示，覆蓋作物在西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古、東北和海南的研究案例較少，其余省份均有研究，但南北方種植覆蓋作物的種類存在差異，南方地區(qū)案例數(shù)較多，但覆蓋作物種類少，主要有紫云英、油菜、雜豆類等覆蓋作物，而北方地區(qū)種植覆蓋作物的種類較多，如豌豆、苕子、草木犀、二月蘭、油菜等，但案例數(shù)少。

2.2 覆蓋作物對糧食作物產(chǎn)量的影響

種植覆蓋作物對糧食作物產(chǎn)量的累計(jì)效應(yīng)值為0.115（95%CI，0.085—0.146）（圖2），即與休耕相比，在95%的置信區(qū)間下，種植覆蓋作物能夠增加糧食產(chǎn)量8.8%—15.7%，均值為12.2%。另外，隨機(jī)效應(yīng)模型的結(jié)果表明，整體數(shù)據(jù)存在顯著的異質(zhì)性（Qt=81449.7，＜0.0001），因此需要引入解釋變量進(jìn)一步研究對覆蓋作物糧食增產(chǎn)效應(yīng)的影響因素。

2.3 覆蓋作物對糧食作物增產(chǎn)效應(yīng)的影響因素分析

2.3.1 糧食作物種類 覆蓋作物對不同糧食作物的增產(chǎn)效應(yīng)具有顯著差異（QM=21.03，＜0.01），并且覆蓋作物均顯著增加了小麥、水稻和玉米的產(chǎn)量，其中，玉米對覆蓋作物的響應(yīng)最好，為19.6%（95%CI，14.6%—24.8%），水稻和小麥分別為11.9%（95%CI，8.0%—15.9%）和9.5%（95%CI，5.2%—14.0%）（圖3）。

圖2 覆蓋作物對糧食作物產(chǎn)量的影響

圖3 不同糧食作物對種植覆蓋作物的響應(yīng)

2.3.2 覆蓋作物種類亞組分析 從覆蓋作物的種植季節(jié)來看，覆蓋作物對糧食作物的增產(chǎn)效應(yīng)不受種植季節(jié)的影響（QM=3.41，＞0.05），但冬季和夏季種植覆蓋作物均能顯著地增加糧食產(chǎn)量，分別增產(chǎn)9.5%（95%CI，6.0%—12.0%）和12.4%（95%CI，8.6%—16.3%）。不同科的覆蓋作物均能顯著增加糧食產(chǎn)量，其中，豆科覆蓋作物的增產(chǎn)效果最好，為12.9%（95%CI，9.4%—16.6%），十字花科增產(chǎn)9.3%（95%CI，5.1%—13.7%），禾本科增產(chǎn)8.3%（95%CI，3.1%—13.8%），并且值得注意的是不同科覆蓋作物的混播增產(chǎn)效果最好，為17.3%（95%CI，10.8%—24.2%）。另外，覆蓋作物紫云英、苕子、豌豆、大豆、黑麥草、油菜和二月蘭對糧食作物產(chǎn)量影響的亞組分析表明，二月蘭、紫云英和苕子的增產(chǎn)幅度最好，分別為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、黑麥草和油菜的增產(chǎn)效應(yīng)分別為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%）（圖4）。

圖4 不同種類覆蓋作物的增產(chǎn)效應(yīng)

2.3.3 覆蓋作物的種植年限對糧食增產(chǎn)效應(yīng)的影響 在本數(shù)據(jù)集中，覆蓋作物試驗(yàn)?zāi)晗拮疃虨?年，最長達(dá)29年，5年以下的案例，占總案例數(shù)的90.4%，6—10年占總案例數(shù)的7.0%，而大于10年的占2.6%。Meta回歸的結(jié)果表明，覆蓋作物的種植年數(shù)對于其糧食增產(chǎn)效應(yīng)具有顯著的正向影響（QM=14.51，＜0.001）（圖5），即在休耕期采用覆蓋作物的種植年限越長對后續(xù)糧食作物的增產(chǎn)效應(yīng)越大，表明長期種植覆蓋作物對于糧食作物的產(chǎn)量具有顯著的促進(jìn)作用。

2.3.4 氣候地理因素對糧食產(chǎn)量效應(yīng)的影響 對氣候地理因素降水、氣溫、日照時數(shù)、海拔、經(jīng)度和緯度與覆蓋作物的糧食產(chǎn)量效應(yīng)值進(jìn)行了Meta回歸，結(jié)果如表1所示，降水、氣溫、日照時數(shù)、海拔和緯度對覆蓋作物的糧食增產(chǎn)效應(yīng)具有顯著影響（M＜0.01），而經(jīng)度不具有顯著影響（M＞0.05）。其中，降水、氣溫、海拔和緯度具有負(fù)向的影響，即隨著降水、氣溫、海拔和緯度的降低，增加了覆蓋作物的糧食增產(chǎn)效應(yīng)。該結(jié)果與常規(guī)結(jié)果不同，因此，引入降水和溫度與緯度的交互作用，結(jié)果表明降水和溫度與緯度之間均存在顯著交互作用（＜0.05），并且交互作用的系數(shù)大于0，表明在高緯度地區(qū)，高的降水和溫度能夠增加覆蓋作物的糧食增產(chǎn)效應(yīng)，而在低緯度地區(qū)，高的降水和溫度能夠降低覆蓋作物的糧食增產(chǎn)效應(yīng)。另外，日照時數(shù)的估計(jì)值為0.00008（M＜0.001），即日照時數(shù)的增加能夠顯著增加覆蓋作物的糧食增產(chǎn)效應(yīng)。

表1 氣候地理因素對覆蓋作物的糧食增產(chǎn)效應(yīng)的影響

Estimate為各變量的回歸系數(shù)，LCI和UCI為95%置信區(qū)間的上限和下限，為回歸系數(shù)的顯著性，QM為解釋變量的Q值，PM為解釋變量的顯著性

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

圖5 試驗(yàn)?zāi)陻?shù)的效應(yīng)值分析

為了進(jìn)一步明確降水、氣溫、日照時數(shù)、海拔和緯度對覆蓋作物的糧食增產(chǎn)效應(yīng)的影響，將降水、氣溫、日照時數(shù)、海拔和緯度與覆蓋作物的糧食產(chǎn)量效應(yīng)值進(jìn)行了單因素的Meta回歸，結(jié)果如圖6所示，隨降水、氣溫、海拔和緯度的升高，降低了覆蓋作物的糧食增產(chǎn)效應(yīng)，而日照時數(shù)的升高，增加了覆蓋作物的糧食增產(chǎn)效應(yīng)。

2.4 發(fā)表偏愛性檢驗(yàn)

漏斗圖結(jié)果顯示漏斗形狀對稱，結(jié)果受發(fā)表偏愛性的影響小。另外，失安全數(shù)為5 100 043，樣本量k為902，失安全數(shù)大于5k+10，表明結(jié)果穩(wěn)健。因此，本研究的結(jié)果可靠。

3 討論

3.1 種植覆蓋作物對作物產(chǎn)量的影響

覆蓋作物由于對地表的覆蓋和根系對土壤的固定，減少了土壤侵蝕[16]；另外，休耕期種植覆蓋作物，可以通過占據(jù)雜草生態(tài)位，與雜草直接競爭光照、營養(yǎng)和水分等資源，從而抑制雜草的生長[17]；此外，覆蓋作物的種植增加了土壤有機(jī)質(zhì)和土壤團(tuán)聚體的形成，改良了土壤結(jié)構(gòu)，并且改善了土壤水分的入滲能力和增加土壤養(yǎng)分，為后續(xù)主要作物的生長提供了有利條件[18-19]。本研究結(jié)果表明，種植覆蓋作物使得糧食作物顯著增產(chǎn)12.2%。但不同糧食作物之間存在顯著的差異，其中，玉米的增產(chǎn)效果最好，為19.6%，水稻和小麥分別增產(chǎn)了11.9%和9.5%，這種差異可能與作物生長季節(jié)的降水量有關(guān)。Abdalla等[20]的研究表明水是影響覆蓋作物對作物產(chǎn)量效應(yīng)的重要因素，種植覆蓋作物增加了蒸騰耗水從而減少了后續(xù)作物產(chǎn)量的4%。Vigil等[11]和Zhang等[12]研究也表明覆蓋作物在豐水年可以增加后季小麥產(chǎn)量，而在干旱年降低小麥產(chǎn)量。本研究中玉米的增產(chǎn)效果最好，可能是因?yàn)橛衩咨L季節(jié)多為雨季，玉米生育期降水較多，休耕期種植覆蓋作物造成的土壤水分消耗，對玉米生長的不利影響較小，并且覆蓋作物對土壤的積極作用有效地提高了最終產(chǎn)量。小麥的增產(chǎn)效果較差，這可能是因?yàn)榉N植覆蓋作物消耗了土壤水分，降低了后續(xù)小麥的可用水量，在小麥季降水量通常較少并且小麥為高耗水作物，因而降低了覆蓋作物對小麥的增產(chǎn)效果。因此，在種植覆蓋作物時，科學(xué)合理的作物組成和水分管理顯得尤為重要。

圖6 降水、氣溫、日照時數(shù)、海拔和緯度對覆蓋作物的糧食增產(chǎn)效應(yīng)的影響

3.2 覆蓋作物種植季節(jié)和類型對作物產(chǎn)量的影響

由于受季風(fēng)氣候的影響，我國夏季休耕期多為雨熱同期，夏季休耕期種植覆蓋作物能夠有效利用水熱資源，并且也能夠促進(jìn)土壤水分的入滲，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分和水分的增加，進(jìn)而增加后續(xù)作物產(chǎn)量[21]。另外，相比于傳統(tǒng)休耕，覆蓋作物減少了冬季地表裸露，降低了土壤水分的無效蒸發(fā)，并且也抑制土壤有機(jī)質(zhì)的礦化，促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的積累，為后續(xù)作物的生長提供了有利條件，因此冬季覆蓋作物也能增加糧食產(chǎn)量[22-23]。這與本研究的結(jié)果一致，冬季和夏季覆蓋作物均顯著地增加了糧食作物的產(chǎn)量。

對于不同類型的覆蓋作物，豆科覆蓋作物的增產(chǎn)效果最好。豆科覆蓋作物具有生物固氮能力，可利用大氣中的氮?dú)膺M(jìn)行生物固氮，增加土壤氮含量并有效減少土壤中的氮淋溶，為后續(xù)作物提供養(yǎng)分，從而增加后續(xù)作物產(chǎn)量[24]。并且，相較于非豆類覆蓋作物，豆科覆蓋作物生長需要的土壤水分和養(yǎng)分更低，為后續(xù)作物提供了更多的水分和養(yǎng)分。但十字花科覆蓋作物能夠活化土壤中的難溶性磷，提高磷肥利用效率[25]，改善土壤微生物多樣性、抑制土壤病蟲害、培肥地力[26]，禾本科覆蓋作物碳氮比較高，翻壓還田能有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[27]，因此十字花科和禾本科覆蓋作物也顯著地增加了糧食作物的產(chǎn)量。另外，值得注意的是本研究表明相比于覆蓋作物單作，不同覆蓋作物混播的增產(chǎn)效果最好，研究表明不同覆蓋作物混作促進(jìn)了豆科覆蓋作物固氮、增加了土壤微生物多樣性、提高了資源利用效率，從而提高作物產(chǎn)量[28-30]。

3.3 覆蓋年限對作物產(chǎn)量的影響

本研究的結(jié)果表明應(yīng)用覆蓋作物的時間越長，對糧食作物的增產(chǎn)效果越好。經(jīng)過長期覆蓋作物處理，土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加，土壤肥力增強(qiáng)，避免了短期覆蓋作物試驗(yàn)中作物早期營養(yǎng)供應(yīng)不足，并且作物系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和較強(qiáng)抗逆能力，長期應(yīng)用覆蓋作物可以充分發(fā)揮覆蓋作物的增產(chǎn)作用[31]。另外，長期種植覆蓋作物可以使得覆蓋作物養(yǎng)分完全釋放進(jìn)而增加作物的產(chǎn)量[32]。同樣，高菊生等[33]的研究結(jié)果也表明，長期試驗(yàn)?zāi)軌蚩朔唐谠囼?yàn)的不足，改善了作物的種植環(huán)境，提高了土壤肥力，使作物產(chǎn)量增加，且穩(wěn)定性較好。

3.4 氣候地理因素對作物產(chǎn)量的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，在高緯度地區(qū)，高的降水和溫度能夠增加覆蓋作物的糧食增產(chǎn)效應(yīng)，而在低緯度地區(qū)，高的降水和溫度降低了覆蓋作物的糧食增產(chǎn)效應(yīng)。在高緯度區(qū)域，水熱是限制作物生長的主要因素，在水熱資源較少的季節(jié)種植覆蓋作物會造成覆蓋作物與糧食作物對于水等資源的競爭，Zhang等[12]研究表明在使用覆蓋作物時應(yīng)減小覆蓋作物與主要作物間的競爭作用，因此，在高緯度地區(qū)降水量和溫度較高的夏季種植覆蓋作物的效果較好。此外，本研究中高緯度的案例主要分布于陜西、甘肅等區(qū)域，屬于干旱和半干旱地區(qū)，多為一年一熟制，冬小麥?zhǔn)侵饕N植的作物，其生育期為9月底到來年的6月底，水熱資源較為充沛的7—9月份為休耕期，在此期間種植覆蓋作物，能夠減少水土流失以及覆蓋作物與小麥對于水分等的競爭，進(jìn)而增加小麥的產(chǎn)量。但在低緯度地區(qū)，較高的溫度和降水量會導(dǎo)致植株早衰和澇害的發(fā)生，同化物質(zhì)積累減少，生物量顯著下降[34]，并且在水熱資源較為豐富的季節(jié)種植覆蓋作物易造成資源的浪費(fèi)，因此在低緯度地區(qū)于溫度和降水較低的冬季種植覆蓋作物的效果較好。與低緯度的結(jié)果一致，由于本研究中的案例多位于我國南方地區(qū)，整體數(shù)據(jù)的結(jié)果顯示緯度、海拔、降水和氣溫對覆蓋作物的糧食增產(chǎn)效應(yīng)具有負(fù)向的影響，即隨著緯度、海拔、降水和氣溫的降低，覆蓋作物的糧食增產(chǎn)效應(yīng)越好。研究還表明日照時數(shù)的升高，增加了覆蓋作物的糧食增產(chǎn)效應(yīng)。光合作用是作物生長的基礎(chǔ)，日照時間的增長促進(jìn)了覆蓋作物生物量的積累，增加了土壤有機(jī)質(zhì)的投入，從而增加作物產(chǎn)量[35]。

4 結(jié)論

與休耕相比，種植覆蓋作物顯著提高了糧食作物產(chǎn)量12.2%，其中，小麥、水稻和玉米分別增產(chǎn)9.5%、11.9%和19.6%。采用豆科覆蓋作物或者不同科覆蓋作物混作對糧食作物的增產(chǎn)效果較好，并且種植覆蓋作物的年限越長增產(chǎn)效果越好。另外，夏季和冬季休耕期種植覆蓋作物雖然均增加了糧食作物的產(chǎn)量，但在高緯度地區(qū)，應(yīng)在降水量和溫度較高的夏季休耕期種植覆蓋作物，而在低緯度地區(qū)，應(yīng)在降水量和氣溫較低的冬季休耕期種植覆蓋作物。本研究為覆蓋作物的高效應(yīng)用與合理布局提供了理論支撐。

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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

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.10.005

2022-07-31；

2022-10-13

國家自然科學(xué)基金（32101300）

馬佳玉，E-mail：1257810301@qq.com。通信作者王彥東，E-mail：wangyandong@hebau.edu.cn。通信作者甄文超，E-mail：wenchao@hebau.edu.cn

（責(zé)任編輯 楊鑫浩，岳梅）