基于Meta 分析的垄沟集雨措施对作物生长和水分利用效率的影响

郑诗然 ，任思琪 ，张建珍 ，赵金媛 ，唐书玥 ，王 靖 ，潘志华 ，潘学标 ，胡 琦

（1.中国农业大学 资源与环境学院，北京 100193；2.农业部武川农业环境科学观测实验站，内蒙古 呼和浩特 011700）

水资源短缺是制约全球干旱半干旱区农业健康发展的关键问题之一[1]，联合国粮食及农业组织（FAO）在《2020年粮食及农业状况：应对农业中的水资源挑战》中指出，气候变化将加剧区域间降水的不均匀分配，导致干旱频发，进而影响全球粮食安全体系[2]。我国干旱和半干旱地区面积占全国陆地面积的50%左右，是我国农业生产系统的重要组成部分，但是目前该地区的灌溉面积仅为20%左右，降水量少且时空分布不均导致该地区粮食产量低而不稳，单位面积产量仅为全国平均值的1/2[3-4]。旱作农业区如何更好管理当前有限的农业水资源和最大限度提高雨养农业水分利用效率，实现可持续发展目标，成为当前研究的热点和难点。

田间集雨种植是旱作区协调农田水分供需矛盾的一项重要技术，其原理是将非耕地上的雨水引导到耕地中，或通过减少有效耕地面积来实现“雨量叠加增值”，例如，垄沟集雨措施通过改变田间微地形将降水以局部截渗、富集和叠加收集等方式进行再分配，从而改善和调节农田土壤水分，提高作物产量及水分利用效率（WUE）。自20 世纪以来，田间集雨种植逐渐成为欧洲和南非干旱和半干旱地区农民提高作物生产效益的有效抗旱耕作措施。20 世纪90年代，垄沟技术开始被广泛用于我国西北半干旱地区农业生产[5]，引起了国内外诸多学者的关注和研究。总体而言，经过30 多年的应用和发展，关于我国旱作区田间集雨方面的研究已积累了大量的试验数据，涉及的作物包括玉米（Zea maysL.）[6-14]、向日葵（Helianthus annuusL.）[15-16]、莜麦（Avena chinensis（Fisch. ex Roem. et Schult.）Metzg.）[17-20]、马铃薯（Solanum tuberosumL.）[21-28]以及一些饲草[29-38]和豆类作物[39-40]等；涉及的集雨技术模式包括起垄沟植、垄膜沟植、全膜覆盖及其他覆盖等技术[41-44]；涉及到的集雨技术效应包括土壤水分含量、产量、水分利用效率（WUE）等[45-48]。已有的研究结果对相关试验点或区域内的农业生产具有重要的理论指导意义，然而，目前系统分析我国旱作区不同垄沟集雨措施对不同作物的产量和WUE 影响的研究比较少，特别是对于垄沟集雨技术措施与降水条件的适应和匹配关系研究较为罕见。

本研究基于荟萃分析（Meta）方法研究了我国不同旱作区（农牧交错带、黄土高原半干旱、东部半湿润区）不同垄沟集雨措施（集雨面无覆盖、塑料膜覆盖、其他材料覆盖）对不同作物（玉米、莜麦、小麦、向日葵、饲草、马铃薯、谷子、豆类）的产量及水分利用效率的影响，并探究了生长季内不同降雨量对垄沟集雨技术效应的影响，旨在为我国旱作农业区选择和推广适宜垄沟集雨措施提供重要的科学依据。

1 材料和方法

1.1 数据收集与筛选

本研究通过在Web of Science、万方数据知识服务平台、中国知网等中英文数据库上收集2021年9月之前发表并经过同行评议的文章，所使用的关键词为：垄沟、田间集雨、集雨措施等。完成初步的收集后，对收集到的文章进行二次筛选，二次筛选的要求为：（1）试验地点位于国内；（2）试验方式为田间试验；（3）各文献中的试验必须包含试验组（RFM）和对照组（CK），即试验中设置了垄沟集雨处理和平作；（4）试验的重复次数不低于3 次。本研究收集的每一项研究均互相独立，且各独立试验研究中的地点、处理等数据均互相独立，对于相关图表利用GetData Graph Digitizer 软件将图形数值化后提取利用，共收集到有效文献95 篇，包含产量条目数668 条，水分利用效率（WUE）条目数531 条，其中，本研究涉及到的WUE 为作物产量与生育期耗水量（降水量和试验始末土壤水分差值之和）的比值。

如图1 所示，本研究根据文献中的试验地点将研究区域划分为农牧交错带、黄土高原半干旱和东部半湿润区，根据不同田间集雨措施分为无覆盖、塑料膜覆盖（简称覆膜）和其他材料覆盖，根据作物种类分为玉米、莜麦、小麦、向日葵、饲草、马铃薯、谷子和豆类。

图1 试验数据采样点的分布情况Fig.1 Distribution of test data sampling points

1.2 研究方法

1.2.1 Meta 分析方法 Meta 分析可以较客观的依据统计学原则进行定性和定量的综合分析，获得综合性的分析结论，现已广泛用于各个领域中。以处理项（Xt）与对照项（Xc）的比值为响应比（R），以响应比的自然对数来计算效应值（lnR）。

lnR的方差v根据公式（2）计算。

式中，St和Sc分别是处理组和对照组的标准差；Nt和Nc分别是处理组和对照组的样本量。处理组的综合效应值lnR'根据公式（3）、（4）计算。

式中，lnR'为加权后的综合效应值；lnRi和wi分别为第i对数据对的效应值和权重。为便于分析影响程度，一般使用相对变化率Y来表示结果。

经过Kolmogorov-Smirnov 检验，全部研究数据都不服从正态分布（P<0.001）；所有数据都是用非参数估计方法生成95%靴襻法置信区间。当Y的95%靴襻法置信区间与0 重叠时，则表明处理组与对照组之间的差异不显著；当不与0 重叠时，则表明试验组和对照组之间的差异显著。

1.2.2 靴襻法 靴襻法（bootstrap）能够给出统计量的置信区间，其重复取样检验不会受到参数检验分布假设的影响，许多情况下效率高于使用传统的非参数检验排列法。本研究采用百分靴襻法来求算总效应值及其置信区间，假设某一分组中样本数为i，首先计算该组总效应值（即初值），然后有放回地重复取样多次并进行计算，得到效应值序列并按照由小到大顺序排列，取序列两端2.5%处的值即得到95%置信区间的上下界。样本数较少会导致高（或低）于初值的靴襻值个数超过总靴襻值个数的50%，本研究使用偏差校正法（bias-corrected method）进行校正。

本研究采用随机检验方法验证组间异质性是否显著。首先使用原始数据计算组间异质性Q0值，再将j个分组中的样本混合后随机分成j组，并保持各分组的样本数与原本分组的样本数相同，再进行组间异质性计算，得到Q值，多次重复，即得到Q值的分布，Q值≥Q0值的数占重复随机取样数的百分比即为Q0值的显著性。这种方法得到的显著水平与重复次数在一定程度上相关，增加重复次数能够降低最小可检验显著水平的值，为保证合适的显著水平，通常重复次数为999～4 999，当重复次数超过4 999 会降低随机检验的标准误差，无法保证合适的显著水平。

1.3 数据处理

本研究使用Excel 2016 进行数据收集和数据集的建立，利用R Studio 4.0 进行作图及Meta分析，利用ArcGIS 10.2 对数据进行可视化处理，利用SPSS 方差分析中的LSD 法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 垄沟集雨对不同作物产量和WUE 的影响

垄沟集雨处理下作物产量区域间存在显著差异（表1），玉米、莜麦、小麦、向日葵、饲草、马铃薯、谷子、豆类的产量变化范围分别为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。垄沟集雨模式处理下玉米、莜麦、小麦、向日葵、饲草、马铃薯、谷子、豆类的WUE 变 化范围 分别为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）。

与平作相比，垄沟集雨种植使作物产量总体提高40%以上，但不同作物间存在差异（图2）。相较于平作，垄沟集雨处理下饲草、马铃薯和谷子产量增加幅度最大，平均增产率分别为57.5%（43.7%～80.2%）、57.7%（43.9%～70.2%）、60.1%（40.8%～80.1%），玉米和豆类作物平均增产率大于30%，分别为42.0%（35.5%～49.9%）和34.9%（19.2%～54.1%），莜麦、小麦和向日葵平均增产率分别为27.8%（12.9%～49.2%）、29.5%（24.5%～35.1%）和14.6%（9.8%～19.7%）。垄沟集雨措施使作物WUE 显著提高了43.4%，但对于不同作物其提升效果差异较大。相较于平作，垄沟集雨处理下马铃薯WUE 提升效果最为显著，为64.2%（50.3%～82.8%）；饲草次之，WUE 提高了50.2%（40.9%～58.8%）；玉米、谷子、豆类、向日葵、莜麦、小麦WUE 分别提高了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%）。

图2 垄沟集雨措施下作物产量和WUE 的效应值Fig.2 The effect values of crop yield and WUE under furrow rainwater harvesting measures

2.2 垄沟集雨对不同地区作物产量和WUE 的影响

垄沟集雨模式处理下农牧交错带区、东部半湿润区和黄土高原半干旱区的产量变化范围分别 为658.0～53 403.5、379.8～20 470.0、283.3～49 657.0 kg/hm2，WUE 变 化 范 围 分 别 为1.3～195.1、2.1～28.2、0.7～143.1 kg/（hm2·mm）。垄沟集雨处理对不同地区作物产量和WUE 提高程度不同，较平作相比，黄土高原半干旱区的垄沟集雨措施增产增效最显著，产量和WUE 分别增加了47.8%（41.3%～53.9%）和49.7%（44.7%～55.6%）；农牧交错带次之，产量和WUE 分别增加了34.1%（28.5%～41.4%）和30.1%（25.3%～35.6%）；东部半湿润地区平均增产15.4%（11.4%～19.0%），WUE 提升20.9%（13.5%～27.9%）（图3）。

图3 垄沟集雨措施对不同地区作物产量和WUE 的影响Fig.3 Effect of furrow rainwater harvesting measures on crop yield and WUE in different regions

2.3 不同垄沟集雨措施对作物产量和WUE 的影响

不同措施下垄沟集雨对作物产量和WUE 的影响如图4 所示。

图4 不同措施下垄沟集雨对作物产量和WUE 的影响Fig.4 Effect of different measures of furrow rainwater harvesting on crop yield and WUE

不同垄沟集雨措施对作物产量和WUE 影响差异较为显著（图4）。覆膜、其他材料覆盖、无覆盖的垄沟集雨措施下的作物产量变化范围分别为699.0～53 403.5、2 855.0～26 541.0、283.3～35 491.2 kg/hm2，WUE 变化范围分别为1.5～195.1、2.8～56.1、1.3～104.8 kg/（hm2·mm）。采用塑料膜覆盖的垄沟集雨措施对作物的增产增效效果优于采用其他材料覆盖或不覆盖。较平作相比，塑料膜覆盖的垄沟集雨措施下作物产量和WUE 分别增加了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产效果分别为37.7%（28.3%～49.5%）和39.0%（32.4%～45.7%），WUE分别提升了33.9%（26.4%～43.0%）和38.2%（31.4%～44.6%）。

2.4 不同降雨量对垄沟集雨效果的影响

根据田间试验数据和气象数据，进一步探究了生长季内不同降雨量下垄沟集雨措施对作物增产率的影响（图5）。覆膜垄沟集雨措施的作物增产率高于无覆盖的垄沟集雨措施，二者的差异在降水量小于200 mm 时最大，随着生长季内降水量的增加差异不断减小。不同集雨措施随生长季内降水量变化的增产效果曲线也存在差异，覆膜垄沟集雨效果随着降水量的增加而下降，在生长季内降水量为50～350 mm 时增产效果最好，增产率在49.0%～93.4%，对于西北地区马铃薯、玉米等作物增产率超过了150.0%；无覆盖垄沟集雨处理的作物增产率随着生长季降水量的增加呈先增加后减少的趋势，在生长季内降水量为250～450 mm 时增产效果较好，为26.0%～29.8%；当生长季降水量多于450 mm 时，覆膜的垄沟集雨种植方式较不覆膜的增产率提高较小。在黄土高原半干旱区，推荐使用覆膜垄沟集雨模式；在农牧交错带区，覆膜和不覆膜的垄沟集雨模式均可；在东部半湿润区，推荐使用不覆膜垄沟集雨模式。

图5 不同降水量下垄沟集雨措施对作物增产率的影响Fig.5 The effect of furrow rainwater harvesting on yield increase rate of crops under different precipitation

3 结论与讨论

垄沟集雨技术由于显著的增产效果在我国干旱半干旱地区得到了广泛应用，本研究将经过同行评议的文章数据进行整合、筛选和分析，通过Meta分析方法系统分析了不同垄沟集雨措施对我国不同地区不同作物产量以及WUE 的影响，且进一步评估了不同生长季降水下垄沟集雨措施增产效果，以期能够阐明垄沟集雨效果与降水的内在关联，进而得到垄沟集雨模式在我国旱作农业生产中综合的、量化的结论。研究结果表明，垄沟集雨对促进农作物的生长发育、提升作物产量和WUE 具有重要作用，主要原理在于垄沟集雨技术通过集雨面汇集一部分降水至种植区，能够有效提高种植区土壤水分。需要指出的是，集雨处理使得种植区获得相对更多的水分，但大部分的文献中耗水量没有考虑集雨增加的水分，这是造成本研究结果中WUE 增加的一项重要原因。理论而言，如果集雨只是单纯增加了水分输入，没有增加作物的抗旱能力，那么WUE 应该不会发生改变。然而，胡琦等[49]研究发现，即使耗水量考虑了集雨增加的水分，计算的WUE也仍显著大于平作处理，原因可能在于干旱半干旱区作物生长季一般受水分胁迫的影响，集雨处理能够提高土壤水分含量，特别是关键需水期的土壤水分状况，例如，北方农牧交错带在平水年、丰水年和歉水年等不同气候年型下，马铃薯垄沟集雨措施的种植区水分分别增加了49.0、81.1、21.0 mm，且超过60%的集雨量发生在马铃薯关键生育期[50]，集雨技术减少了水分胁迫干旱半干旱区雨养农业的影响，导致在一定降水范围内作物产量与耗水量并不呈线性关系，类似的研究结果在小麦[51]、向日葵[52]等作物也有报道。此外，本研究表明，不同生长季降雨量条件下垄沟集雨措施对不同作物增产效果存在差异，并量化了覆膜和不覆膜条件下效果最高时的降水范围，使得不同地区能够根据气候条件选择适宜的集雨措施，在保证能够有效提高产量的同时尽可能地减小对环境的损害，从而为促进作物生产和农民增收提供理论依据。

值得一提的是，旱作区农民长期以来大多采取“广种薄收”的做法，无法短时间改变种植方式，导致垄沟集雨技术应用没能推广开来，因此，建议政府可以建立示范点，提高使用可降解地膜的政府补贴，加强垄沟集雨技术利于农业生产和提高农民收入的宣传。本研究未考虑垄沟集雨过程中除覆盖之外的措施，如设置施肥、不同垄沟比等对垄沟集雨效果的影响，没有细化垄沟集雨措施对各个地区不同作物的影响。此外，在实际推广应用过程中还应该考虑投入产出比，如垄沟集雨措施一方面减少了实际的种植面积，降低了区域的种植密度，可能会对总产量产生负面影响；另一方面由于投入更多劳动力以及覆盖材料导致成本增加，可能会出现集雨技术提高产量所增加的收益不足以弥补增加的成本的情况[50]，未来还需要进一步的深入分析和研究。