东北大豆农田保护性耕作水热效应的Meta分析*

弓晓雅，赵 锦，杨晓光

东北大豆农田保护性耕作水热效应的Meta分析*

弓晓雅，赵 锦**，杨晓光

（中国农业大学资源与环境学院，北京 100193）

基于公开发表文章中有关东北地区保护性耕作下大豆农田土壤温度和湿度数据，以传统耕作（CT）为对照，免耕（NT）、少耕（RT）、秸秆覆盖（SM）、免耕秸秆覆盖（NTSM）为处理，应用Meta分析方法定量评估保护性耕作措施对东北大豆农田土壤水热状况的影响程度。结果表明：与CT相比，保护性耕作总体上使东北大豆农田0-170cm土层的土壤体积含水量增加了9.2%，使浅层土壤（0-30cm）温度降低了8.2%；不同气候条件下4种保护性耕作措施均能提高土壤湿度；秸秆覆盖可以提高大豆整个生育时期土壤含水量，且在营养生长期对土壤水热的影响最大，土壤温度随秸秆覆盖量的增加而增加；保护性耕作措施降低土壤温度的幅度随着土壤黏粒减少而降低，提高土壤湿度的幅度随土壤深度增加而降低；免耕秸秆覆盖在不同土壤深度的蓄水保墒效果最明显，在0-20cm土层提高了32.9%的土壤湿度。综上，保护性耕作措施较传统耕作具有增湿降温效应，气温、降水、生育时期、秸秆覆盖量、土壤类型及土壤深度均对保护性耕作下大豆农田的土壤水热状况产生影响。

东北地区；大豆；保护性耕作；土壤水热；Meta分析

大豆作为重要的油料和粮食作物，在国民生产生活中占据重要地位。东北地区是中国大豆的优质主产区[1]，2018年仅黑龙江省的大豆播种面积就约占全国的42.41%，总产量约占41.19%[2]。然而，由于不合理的开发利用和使用翻耕等传统的耕作方式，东北地区正面临着严重的土壤退化问题，包括耕层变浅、水土流失加重、土壤有机质含量下降60%、自然生产力下降20%以上等[3]。保护性耕作措施是一项能够实现作物稳产高产与生态环境保护双赢的可持续发展农业技术，可以增加地表粗糙度，改善土壤理化性质，提高土壤肥力[4−6]，尤其在保水调温方面发挥重要的作用[7−9]。由于不同地区受气候生态环境因子的制约，保护性耕作措施的应用效果存在明显区域特征。因此，探究东北地区保护性耕作对大豆农田土壤水热的影响，对区域尺度上科学合理推广保护性耕作措施具有重要意义。

前人围绕保护性耕作措施对东北大豆农田土壤水热的影响，已经开展大量研究，表明保护性耕作与传统耕作相比可以提高土壤含水量，但不同条件下提高的幅度不一。郭孟洁等[10]通过16a的试验研究表明，免耕秸秆覆盖较传统耕作可增加土壤的田间持水量，提高土壤蓄水保墒能力，且只作用于表层土壤。在春季播种期，免耕措施下的土壤含水量显著高于传统耕作（6.6%）[11]。邱野等[12]研究表明，免耕和免耕秸秆覆盖较传统耕作可提高25.3%～33.6%土壤含水量；也有研究表明免耕秸秆覆盖全生育期0-100cm土壤贮水量比传统耕作显著高出197mm[13]。保护性耕作对东北大豆农田土壤温度的影响不同。杨水源[13]研究表明，免耕、秸秆覆盖和免耕秸秆覆盖在整个生育时期都表现为降温效应，且免耕秸秆覆盖降温效应最明显，全生育期0-20cm土壤平均温度较传统耕作降低1.1℃。也有研究表明，秸秆覆盖在结荚期可以显著提高土壤温度，覆盖量为2500kg·hm−2和5000kg·hm−2时分别提高6.9%和8.8%[14]。

由于当前保护性耕作对东北大豆农田土壤水热状况的研究多基于单点试验，而单点试验存在研究站点的气候和土壤等具有特异性等问题，导致无法在区域尺度上明确保护性耕作对大豆农田土壤水热的影响。Meta分析是对同一主题下多个独立研究成果进行定量、科学的综合分析[15]。由于它有明确的文献选择标准和使用效应值作为统一的数量结合指标，得出的结果比传统叙述性综述结果更具客观性和科学性[16]。因此，本研究采用Meta分析方法，定量东北大豆农田4种保护性耕作措施对土壤水热的影响程度，并在此基础上深入探讨气候特征、生育时期、土壤类型、土壤深度等特征下保护性耕作对东北大豆农田土壤水热的影响，以期在东北区域尺度上明确保护性耕作对大豆农田土壤水热的影响，为东北地区大豆农田科学推广应用保护性耕作措施提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源

数据来源于中国知网、万方、维普、the Web of Science等中英文数据库中已发表的关于中国东北地区大豆农田土壤温度和湿度的相关文献，并以“大豆、保护性耕作/免耕/少耕/秸秆覆盖/免耕秸秆覆盖、土壤湿度/土壤水分/土壤含水量、土壤温度/地温、soybean、conservation tillage/no-tillage/reduced tillage/straw mulching/no-tillage straw mulching、soil moisture/ moisture/soil moisture content、soil temperature/ground temperature”等中英文为检索词进行筛选，将检索到的文献按以下筛选标准进行再次筛选。

（1）研究对象为中国东北地区农田，试验作物为大豆；

（2）试验方式为大田试验，无模拟试验；

（3）试验的重复次数3次及以上；

（4）耕作措施为轮作，提取的数据为大豆生长季土壤温湿度；

（5）试验处理为免耕（NT）、少耕（RT）、秸秆覆盖（SM）、免耕秸秆覆盖（NTSM）中的任意一项及以上，且每个试验均以传统耕作（CT）为对照；

（6）试验中的数据易于获得或可通过计算得出；

（7）同一作者同一时期发表的文献，要检查数据是否相同，剔除相同的数据。

研究具体数据来源情况见表1。

表1 保护性耕作数据来源的文献描述统计

注：NT代表免耕，即在全生育期不进行耕作；RT代表少耕，即在全生育期减少耕作次数；SM代表秸秆覆盖，即在传统耕作的基础上，秋收后进行秸秆覆盖；NTSM代表免耕秸秆覆盖，即在免耕的基础上，秋收后覆盖作物秸秆。下同。

Note: NT stands for no-tillage, i.e. no tillage during the whole growth period; RT stands for reduced tillage, i.e. reducing the number of tillage during the whole growth period; SM stands for straw mulching, i.e. on the basis of conventional tillage, straw mulching is carried out after autumn harvest; NTSM stands for no-tillage straw mulching, i.e. on the basis of no-tillage, straw mulching is carried out after autumn harvest. The same as below.

1.2 数据整理

筛选到符合条件的有效数据共2242对，包括885对土壤湿度数据，1357对土壤温度数据。汇总有效文献中试验的基本信息（篇名、作者、发表时间、地点、经纬度、重复次数等）及土壤温度和土壤湿度等数据，并将土壤类型按照国际制土壤质地分类标准[17]进行归类，文献中未给出土壤类型的从中国土壤科学数据库查找补齐，未给出年均温和年降水量数据的从中国气象科学数据共享服务网（http://cdc.cma.gov.cn）的气象资料中补全。

汇总的原始土壤湿度数据中存在多种形式的表达，为了能够充分利用收集到的数据，明确保护性耕作对土壤湿度的影响，需要将原始土壤湿度数据进行统一处理，将其统一转化为土壤体积含水率。若原始土壤湿度数据中有土壤质量含水率和体积含水率，则利用每个文献中或同期发表文章中所给出的土壤容重将土壤质量含水率全部转化为土壤体积含水率[17]，转化公式为

式中，W为土壤质量含水率（%）；Mw为土壤中水的质量（kg）；Ms为干土质量（kg）；V为土壤体积含水率（%）；Vw为土壤水容积（m3）；Vt为土壤总容积（m3）；ρw为水的密度（g·cm−3），可近似为1g·cm−3；ρb为土壤容重，即土壤密度（g·cm−3）。

若原始土壤湿度数据中无土壤质量或体积含水率，但有土壤贮水量和相对应的土层厚度，则利用式（6）将土壤贮水量转化为土壤体积含水率[17]，即

式中，SWS为土壤贮水量（mm）；H为土层厚度（mm）

1.3 Meta分析

1.3.1 Meta分析概况

采用Meta分析方法定量4种保护性耕作措施对东北地区大豆农田土壤温/湿度的调控效应。将整理好的土壤温/湿度数据按照保护性耕作类型、气候特征、生育时期、秸秆覆盖量及土壤条件进行数据分组，通过计算保护性耕作对土壤温/湿度的调控效应值进而计算出其95%置信区间（95%CI），为了便于解释保护性耕作对土壤温/湿度的影响，需要通过调控效应值及其95%CI计算保护性耕作对土壤温/湿度的相对变化率及其95%CI。

1.3.2 数据分组

东北地区存在不同的保护性耕作措施，如免耕、少耕、秸秆覆盖和免耕秸秆覆盖等，且由于不同地区的气候特征和土壤类型不同，大豆不同的生育时期、土壤深度和秸秆覆盖量都对土壤温度和湿度存在一定影响。因此，将收集到的数据按照不同的保护性耕作措施、气候特征、生育时期、秸秆覆盖量、土壤类型和土壤深度进行分组，分组情况见表2-表6。

表2 不同保护性耕作样本与传统耕作（CT，作为对照）样本配对的对数描述统计

表3 不同气候特征样本与传统耕作（CT，作为对照）样本配对的对数描述统计

注：“-”表示不同保护性耕作措施与传统耕作方式无配对的土壤温/湿度样本对。下同。

Note: “-” indicates soil temperature and soil moisture sample pairs that are not matched between different conservation tillage measures and conventional tillage methods. The same as below.

表4 不同生育时期样本与传统耕作（CT，作为对照）样本配对的对数描述统计

表5 不同秸秆覆盖量的样本与传统耕作（CT，作为对照）样本配对的对数描述统计

表6 不同土壤条件样本与传统耕作（CT，作为对照）样本配对的对数描述统计

1.3.3 计算各种保护性耕作方式对土壤温/湿度的调控效应值

以保护性耕作措施下大豆农田的土壤温/湿度（Xe）与传统耕作（CT）下大豆农田的土壤温/湿度（Xc）的比值作为响应比（R），以响应比的自然对数（InR）作为效应值进行计算[18]，即

1.3.4 计算土壤温/湿度调控效应值的置信区间

由于收集的数据中缺少标准差或标准误，因此，无法得到土壤温/湿度相对变化率的95%置信区间（95%CI）。靴襻法（bootstrap）是非参数检验整合分析−重复取样检验法中的一种，它可以在不考虑原始数据是否遵循正太分布形式和标准差数据是否缺失的情况下计算出统计量的置信区间，对于样本量小或标准差数据缺失的文献，bootstrap是一种较为准确的分析方法[19−20]。因此，采用bootstrap计算95%CI，计算过程包括[20]

（1）计算研究数为i的每一分组或研究数为i的所有研究的总效应值（初值）；

（2）以放回式取样选取i个研究并计算其总效应值（靴襻值）；

（3）重复上述取样方法1000次，按从小到大的顺序排列总效应值，在两端分别取2.5%处的值作为95%CI的上限（UL）和下限（LL）。

当样本量较少时，使用偏差校正法（bias- corrected method）对95%CI进行校正，偏差校正后的百分置信区间的上下限计算公式分别为

1.3.5 计算土壤温/湿度相对变化率及其对应的置信区间

为了便于使用土壤温度和湿度的相对变化率解释不同保护性耕作对大豆农田土壤温度和湿度的影响，将效应值转化为相对变化率进行分析[16]，计算式为

土壤温/湿度相对变化率95%CI的上限CIUL和下限CILL计算式分别为[21]

1.4 数据获取与处理

使用GetData Graph Digitizer软件提取文献中用图表达的土壤温湿度数据；使用Excel2010进行数据库的收集、整理及建立；使用Excel2010和RStudio 4.0.3进行Meta分析的指标计算及作图。

2 结果与分析

2.1 不同保护性耕作措施对大豆农田土壤温/湿度的影响

由图1可知，总样本（湿度样本885对，温度样本1357对）显示，与传统耕作方式（CT）相比，保护性耕作分别使大豆农田土壤湿度显著提高了9.2%，土壤温度显著降低了8.2%。进一步分类统计结果显示，各种保护性耕作措施对大豆农田土壤湿度和温度的影响不同，其中仅RT显著提高了1.1%的土壤温度，NT、SM和NTSM均使土壤温度有不同程度的降低，分别降低了6.3%、12.7%和3.4%，且三者间差异显著；各种保护性耕作措施均不同程度的提高了土壤湿度，依次表现为NTSM（16.1%）>NT（7.4%）>SM（7.3%）>RT（2.2%）。

图1 不同保护性耕作与传统耕作相比大豆农田土壤湿度和温度相对变化率的统计结果

注：土壤湿度为0-170cm土层的土壤体积含水量；土壤温度为0-30cm土层的温度。括号内数据为配对的样本对数。虚线表示相对变化率为0。误差线表示95%置信区间（95%CI），95%CI不包含0，说明差异显著（P<0.05），若各分组间95%CI不重叠，则分组间差异显著（P<0.05）。若某一分组95%CI较大，会导致分析结果误差较大。因此，对于95%CI较大的分组在分析时不考虑。下同。

Note: Soil moisture is the soil volumetric water content in the 0-170cm layer. Soil temperature is the temperature of 0-30cm soil layer. Number of sample pairs is conservation tillage measures were paired with conventional tillage methods in parentheses. The dotted line indicates that the relative rate of change is 0. The error bars indicate 95% confidence interval (95%CI), 95%CI does not contain 0, indicating significant differences(P<0.05). If 95%CI between groups did not overlap, indicating significant differences between groups(P <0.05). If 95%CI is too large, the error of analysis results will be large. Therefore, the grouping with too large 95%CI is not considered in the analysis. The same as below.

2.2 不同条件下保护性耕作措施对大豆农田土壤温/湿度的影响

2.2.1 气候条件不同

在所有样本对中，根据气候条件不同，以年降水量550mm和年均温4℃为标准，分别对4种保护性耕作措施与传统耕作方式配对的土壤温/湿度样本对数进行统计，结果见图2。由图中可见，与CT相比，在年降水量≤550mm条件下，4种保护性耕作措施均提高了大豆农田的土壤湿度，降低了土壤温度；在年降水量>550mm条件下，NT和NTSM均提高了土壤湿度和温度，SM提高了土壤湿度，降低了土壤温度，RT提高了土壤温度。随着年降水量增加，4种保护性耕作措施的土壤湿度相对变化率不同，其中NT、SM使大豆农田的土壤湿度均提高了0.8%，NTSM使土壤湿度降低了2.4%；随着年降水量的增加，4种保护性耕作措施使土壤温度分别提高了17.3%（NTSM）、9.1%（NT）、7.2%（RT）和0.6%（SM）。

与CT相比，在≤4℃和＞4℃两种年均温条件下，NT、SM和NTSM均提高了大豆农田的土壤湿度，降低了土壤温度，RT均提高了土壤湿度和温度。随着年均温的增加，NT、NTSM处理下土壤湿度分别提高6.5%、13.3%，SM使大豆农田的土壤湿度降低了4.2%；随着年均温的增加，NT、NTSM处理下土壤温度分别降低8.9%、13.8%，RT处理下降低了1.4%土壤温度，但未降低到负相对变化率，整体上仍提高了土壤温度。可见，不同气候条件下，NT、RT、SM、NTSM对大豆农田土壤湿度和温度的影响不同。

2.2.2 生育时期不同

在所有样本对中，分营养生长期和生殖生长期分别对保护性耕作措施与传统耕作方式配对的土壤温/湿度样本对数进行统计，结果见图3。由图中可见，与CT（对照）相比，在两个时期中，NT（免耕）、SM（桔杆覆盖）、NTSM（免耕秸杆覆盖）均提高了大豆农田的土壤湿度，降低了土壤温度，在营养生长期分别使大豆农田的土壤湿度提高7.1%、7.9%和13.9%，分别使土壤温度降低12.8%、1.9%和20.2%；在生殖生长期，分别使大豆农田的土壤湿度提高7.7%、7.3%和17.6%，土壤温度分别降低1.8%、5.2%和3.2%；在两个时期中，RT（少耕）对大豆农田土壤湿度的影响不同，在营养生长期使大豆农田的土壤湿度提高了0.4%，在生殖生长期使大豆农田土壤湿度降低了0.04%。可见，随着大豆生育时期推进，NT、NTSM均提高了土壤湿度和温度，RT降低了土壤湿度，SM降低了土壤湿度和温度。

图2 不同年降水量(a)和年平均气温(b)条件下4种保护性耕作下大豆农田土壤湿度(1)和温度(2)相对变化率的统计结果

图3 不同生育时期4种保护性耕作下大豆农田土壤湿度(a)和温度(b)相对变化率的统计结果

2.2.3 秸秆覆盖量不同

在所有样本对中，分1800～3000kg·hm−2和3000～6000kg·hm−2两种秸秆覆盖量分别对保护性耕作措施与传统耕作方式配对的土壤温/湿度样本对数进行统计，结果见图4。由图中可见，与CT相比，当秸秆覆盖量为1800～3000kg·hm−2时，SM、NTSM均提高了大豆农田的土壤湿度，分别为5.2%、7.8%，均降低了3.1%的土壤温度；当秸秆覆盖量为3000～6000kg·hm−2时，SM降低了0.8%的土壤湿度，提高了6.7%的土壤温度，NTSM提高了18.8%的土壤湿度。可见，不同秸秆覆盖量下，SM和NTSM对大豆农田土壤湿度和温度相对变化率的影响不同，SM处理随着秸秆覆盖量的增加土壤湿度降低，土壤温度提高，NTSM正好相反。

图4 不同秸秆覆盖量下两种保护性耕作下大豆农田土壤湿度(a)和温度(b)相对变化率的统计结果

2.2.4 土壤条件不同

在所有样本对中，分3种土壤类型（黏土、壤土和黏壤土）和5个土壤深度（0-20、20-40、40-60、60-80和80-100cm）分别对保护性耕作措施与传统耕作方式配对的土壤温/湿度样本对数进行统计，结果见图5。由图中可见，与CT相比，在3种土壤类型上，4种保护性耕作措施均提高了大豆农田的土壤湿度，在黏土和壤土条件下，NTSM提高大豆农田土壤湿度均为最大，分别为37.3%和15.4%，NT次之，分别为19.0%和7.1%，SM最小，分别为4.7%和5.2%；在黏壤土条件下，NT提高大豆农田土壤湿度最大，为4.9%，NTSM次之，为3.2%，ST最小，为0.7%。同一耕作措施在不同土壤类型条件下对土壤湿度的影响不同，以NT、NTSM均在黏土上提高土壤湿度最大，在黏壤土上提高土壤湿度最小。在不同土壤类型条件下，4种保护性耕作措施对大豆农田土壤温度的影响不同。在黏土和壤土条件下，NT均降低了土壤温度，分别为19.0%和1.3%，SM在黏土条件下，提高了1.1%的土壤温度，在壤土条件下降低了5.2%的土壤温度。NTSM在3种土壤类型条件下均降低了土壤温度，且在黏土上降低土壤温度最大，为21.9%，壤土最小，为3.1%。可见，保护性耕作措施降低土壤温度的幅度随着土壤黏粒减少而降低。

与CT相比，在5种土壤深度条件下，NT、NTSM均提高了大豆农田的土壤湿度，在0-20cm、20-40cm、40-60cm和80-10cm的土壤深度，SM均提高了大豆农田的土壤湿度。在0-20cm、20-40cm、40-60cm和80-10cm的土壤深度，均表现出NTSM提高土壤湿度最大，NT次之，SM最小；在60-80cm土壤深度，NTSM提高土壤湿度最大，NT最小。且随着土壤深度的增加，3种保护性耕作措施提高大豆农田土壤湿度的幅度均逐渐降低，各土壤深度下NTSM处理分别提高土壤湿度32.9%、18.5%、13.4%、12.4%和1.5%，NT分别为14.2%、9.1%、6.4%、4.9%和4.7%，SM分别为9.8%、6.1%、10.2%、4.5%和3.7%。可见，保护性耕作提高土壤湿度的幅度随土壤深度增加而降低。在0-20cm土壤深度，NT、SM和NTSM均降低了大豆农田土壤温度，分别为7.0%、15.%和3.5%，仅RT提高了大豆农田1.1%的土壤温度，且4种措施间差异显著。

图5 不同土壤类型(a)和深度(b)下4种保护性耕作下大豆农田土壤湿度(1)和温度(2)相对变化率的统计结果

3 结论与讨论

3.1 讨论

3.1.1 保护性耕作措施对大豆农田土壤湿度和温度的影响

本研究表明，保护性耕作措施较传统耕作均可以提高大豆农田土壤含水量，且免耕秸秆覆盖提高效果最佳。这与邱野等[12]研究表明保护性耕作提高了土壤含水量，且免耕秸秆覆盖能明显改善土壤含水量的研究结果一致。这可能是因为免耕秸秆覆盖可以减少雨水直接打击表土和土粒的移动，减少地气间水分交换，从而减少地表径流[22]，减少土壤水分蒸发，使土壤不易形成板结层，耕层土壤结构[23]、土壤容重、孔隙度和水稳性团聚体数量[24−26]得到改善，从而提高作物根系孔隙的渗透性[27]、土壤的吸水能力和土壤结构的稳定性[24−26]，从而提高土壤含水量。

在本研究中，与传统耕作相比，仅少耕处理提高了大豆农田的土壤温度，这与刘爽等[28]通过长期定位试验研究得出少耕措施下的土壤温度比传统耕作高出5.27℃较为一致。少耕提高土壤温度的可能原因包括：（1）与免耕相比，少耕增加了土壤孔隙度，减少了土壤密实度[29]，使少耕的地表反射率较小，净辐射较高，吸收热量较多[28]；（2）与传统耕作和秸秆覆盖相比，少耕减少了对土壤的扰动且地表无秸秆覆盖，使少耕可以大面积接受太阳辐射且热量不易散失[28,30]。本研究表明，免耕、秸秆覆盖和免耕秸秆覆盖均降低了土壤温度，且秸秆覆盖降低土壤温度最严重。多数研究表明免耕、秸秆覆盖和免耕秸秆覆盖均降低了土壤温度[11,13,31]。然而，武淑娜等[31]研究表明，传统耕作+秸秆覆盖在全生育期内较传统耕作土壤温度降低1.39℃，杨水源[13]研究表明，免耕秸秆覆盖较免耕、秸秆覆盖的降温效应明显，全生育期内较传统耕作降低了1.13℃，这与本研究得出的结果不太一致，可能与不同单点试验研究的土壤深度不同等有关，也可能与研究区域的尺度不同有关。

3.1.2 不同条件下保护性耕作措施对土壤温度和湿度的影响

保护性耕作对土壤水热的影响在不同的条件下具有不同的响应。（1）气候特征。目前，保护性耕作已经在全球不同气候区得到了广泛评估及使用，如在热带、亚热带及温带气候区[32]。在德国温带气候区秸秆覆盖可以改善土壤水热状况[33]，与本研究结果一致，东北地区也属于温带气候区，秸秆覆盖可以明显改善土壤水热状况。在东北寒冷的北方地区（年均降水量为530mm，年均温为1.5℃），免耕是一种广泛应用于大豆生产的耕作方式[34]。也有研究表明免耕适用于年降水量≤500mm和年均温≤10℃的黄土高原地区[33]，在本研究中当年降水量≤550mm和年均温＞4℃时，免耕的降温效应加剧，当年降水量＞550mm和年均温≤4℃时降温效应明显得到缓解。这可能是由于黄土高原与东北地区的地形气候不同所致。在干旱地区也同样适合保护性耕作的应用[35]，研究表明秸秆覆盖可用于西北干旱区[36]，少耕是最适合东北旱作黑土区的保护性耕作方式[28]，这与本研究结果一致，在年降水量≤550mm和年均温>4℃时秸秆覆盖和少耕仍然可以提高土壤含水量，缓解干旱。在湿润及降水较多的地区，保护性耕作的应用较少[32]，可能是因为保护性耕作在潮湿的环境中容易诱发植物病害[37]，导致在该地区无法推广应用。由此可见，由于气候条件不同，保护性耕作对土壤水热的影响不同，导致其应用具有区域性。

（2）生育时期。随着作物生育进程的变化，保护性耕作对土壤水热的影响也发生变化。研究表明，秸秆覆盖在作物整个生育期可以提高土壤含水量[38]，但由于作物生长后期群体变大，叶片蒸腾增加，降水增多[29]，秸秆覆盖的增湿效应将逐渐减弱[39−40]，与本研究结果一致。王兆伟等[40]研究表明秸秆覆盖对土壤温度的响应主要表现在作物生长前期，与本研究结果一致。然而，在本研究中，免耕秸秆覆盖在生殖生长期的土壤含水量逐渐增多，可能是由于免耕提高了土壤容重，减少了土壤孔隙度[41]，使土壤蒸发变慢，土壤含水量较营养时期有所提高。因此，秸秆覆盖在大豆整个生育时期可以提高土壤含水量，且在大豆营养生长时期对土壤水热的响应最大。

（3）秸秆覆盖量。秸秆覆盖量会影响土壤的水热状况[42]。前人研究表明，在0-200cm土层中，秸秆覆盖下农田土壤含水量随覆盖量的增加而增加[43]，这与本研究结果较为一致。在本研究中，免耕秸秆覆盖的土壤含水量随着秸秆覆盖量增加而提高，而秸秆覆盖处理下降低，进行Meta分析时只对已发表的文献进行综合常常会带有系统性的正偏差[16]可能是导致上述结果的原因。多数研究表明[14,44]，秸秆覆盖下的土壤温度随覆盖量的增加而降低，但李佳文[45]研究表明，在大豆播种后覆盖秸秆，鼓粒中期-成熟期土壤温度随秸秆覆盖量增加而增加，与本研究结果较为一致。因此，秸秆覆盖下的土壤温度随秸秆覆盖量的增加逐渐增加，但可能与大豆生育时期有关。

（4）土壤条件。土壤类型显著影响土壤含水量，并且随着土质变粗土壤保水能力逐渐减弱[46]。本研究中，保护性耕作在壤土上提高土壤含水量比黏壤土上高，这可能是由于黏壤土黏粒含量比壤土高，较高的黏粒含量将限制大豆根系对土壤的穿透[47]，因而在壤土中大豆根系的穿透力比黏壤土好，壤土的通气透水性也较黏壤土好，土壤水分可下渗到深层土壤中。若收集的土壤深度数据在土壤类型中分布不均匀，则可能出现壤土的含水量比黏壤土高的现象。也有研究表明，免耕较深耕无覆盖和深松有覆盖在砂壤土上比黏壤土上节水效果好[48]；免耕覆盖较传统耕作在砂质壤土上的保水效果比在砂土和砂质黏壤土好[49]。本研究未考虑土壤深度与土壤类型的协同作用对土壤含水量的影响，未来还需进一步进行研究。Yusefi等[50]通过研究秸秆覆盖对浅层含盐地下水土壤温度的影响，表明秸秆覆盖在壤土上土壤温度的波动率小于砂土，而在壤土和砂土上相同[17]，这与本研究得出保护性耕作降低土壤温度的幅度随着土壤黏粒减少而降低不一致，这可能与土壤组成中的粉粒、砂粒含量有关。

在干旱条件下，作物对深层土壤水分的需求量大于表层土壤水分[51]。保护性耕作措施可以提高深层土壤含水量，是旱地农业水分调控的主要技术之一[40]。在本研究中，各保护性耕作措施在不同的土壤深度均显著提高了大豆农田的土壤含水量，且免耕秸秆覆盖在各土层提高土壤含水量最大，免耕次之，且在0-20cm耕层中土壤温度降低幅度小。因此，保护性耕作提高土壤湿度的幅度随土壤深度增加而降低。

本研究采用Meta分析方法定量了不同保护性耕作措施及不同条件下保护性耕作措施对土壤水热的影响，其结果具有普遍性，但仍存在不足。其不足主要表现在：（1）由于国内外做大豆研究的人较少，搜集的文献数量受到限制；（2）未考虑到土壤类型与土壤深度，秸秆覆盖量与大豆生育时期的协同作用及其它因素相互间的作用对土壤水热的影响，也未考虑不同作物品种、施肥等对土壤水热的影响；（3）本研究只对东北地区进行了综合分析，未考虑保护性耕作措施在东北不同气候区的适用性。

3.2 结论

（1）Meta分析表明，与传统耕作相比，保护性耕作措施总体上具有增湿降温效应，分别使土壤湿度显著提高9.2%，土壤温度显著降低8.2%。

（2）保护性耕作对土壤水热的影响因气候条件的不同而不同，但在不同气候条件下4种保护性耕作措施均能提高土壤湿度。

（3）秸秆覆盖在大豆整个生育时期可以提高土壤含水量，且在大豆营养生长时期对土壤水热的影响最大，土壤温度还随秸秆覆盖量的增加而增加，但可能与大豆生育时期有关。

（4）保护性耕作降低土壤温度的幅度随着土壤黏粒减少而缓和，提高土壤湿度的幅度随土壤深度增加而降低，其中免耕秸秆覆盖不同土壤深度的蓄水保墒效果最明显，在0-20cm土层提高了32.9%的土壤湿度。

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Hydrothermal Effects of the Conservation Tillage in Soybean Farmland in Northeast China: a Meta-analysis

GONG Xiao-ya, ZHAO Jin,YANG Xiao-guang

(College of Resources and Environment, China Agricultural University, Beijing 100193, China)

Based on the soil temperature and humidity data of soybean farmland under conservation tillage in Northeast China in the published article, the impact of conservation tillage measures on the soil hydrothermal status of soybean farmland in Northeast China was quantitatively assessed by using conventional tillage (CT) as a control, no-tillage (NT), reduced tillage (RT), straw mulching (SM), and no-till straw mulching (NTSM) as treatments. The results showed: compared with CT, conservation tillage increased the soil volume water content of 0-170cm soil layer in soybean farmland in Northeast China by 9.2%, and reduced the temperature of the shallow soil layer (0-30cm) by 8.2%. Four conservation tillage could increase soil moisture under different climatic conditions; straw mulching could increase soil moisture content throughout the growth period of soybeans, and the effect on soil hydrothermal was greatest during the nutrition period of soybean, and soil temperature increased with the increase of straw mulching; the magnitude of soil temperature reduction by conservation tillage decreases with the decrease of soil clay particles, the magnitude of soil moisture increased by conservation tillage decreases with the increase of soil depth. Among them, NTSM at different soil depths was the most obvious effect of water storage and moisture retention, and the soil moisture in the soil layer of 0-20cm was increased by 32.9%. In summary, conservation tillage could increase soil moisture but reduce soil temperatures. Temperature, precipitation, growth period, straw mulching amount, soil type and soil depth all had an impact on soil hydro-thermality in soybean farmland under conservation tillage.

Northeast China; Soybean; Conservation tillage; Soil hydrothermal; Meta-analysis

10.3969/j.issn.1000-6362.2022.11.001

弓晓雅,赵锦,杨晓光.东北大豆农田保护性耕作水热效应的Meta分析[J].中国农业气象,2022,43(11):867-880

2021−12−30

国家重点研发计划（2019YFA0607402）；中国农业大学2115人才工程

赵锦，副教授，研究方向为气候变化对农业的影响与适应，E-mail：jinzhao@cau.edu.cn

弓晓雅，E-mail：gongxiaoya111@163.com