中国农田防护林对作物产量影响的整合分析

任伟征,田宇,任泉静,杨毅,杨喜田

(河南农业大学林学院,河南 郑州 450046)

农田防护林(farmland shelterbelt)属于典型的农林复合系统(agroforestry system),不仅有助于改善农业生产条件和稳定粮食生产,而且在经济效益、生态效益和社会效益上实现了有机统一[1-3]。中国的防护林建设规模居世界首位,在农田防护林的经营理论和技术研究上都取得了长足进步[4]。在最具有代表性的“三北防护林”中农田防护林面积达到165.6万hm2,有效防护农田面积3 021.4万hm2[5]。

大量研究表明,农田防护林不仅通过调节田间小气候[6-9]和改善土壤状况[10-11]直接提高作物生产力,还可通过调节生物群落降低病虫害导致的作物减产风险[12-14]。例如,TSITSILAS等[15]发现农田防护林可显著增加鸟类的数量及多样性,从而提高对虫害的生物控制能力。ZHENG等[16]在区域尺度上的分析表明,中国东北地区农田防护林促进玉米增产4.68%～9.45%。此外,防护林通过直接固碳和影响土壤碳稳定性有效提高了农田系统的碳汇功能[11,17]。因此,推进农田防护林建设有助于实现农田生态系统的健康管理与农业的可持续发展。

然而,随着农田防护林的不断推广,农林边界“胁地问题”的负面影响日益凸显。资源竞争导致局部作物减产,为减轻“胁地效应”挖沟断根造成的农田占用面积增加,这些影响了农民建设和维护田间林带的积极性,多地防护林出现不同程度退化[18-20]。DENG等[21]在区域尺度的分析发现,东北地区防护林面积自2000年开始出现下降趋势,农田有效防护比例一度下降至18.28%[12]。

受研究周期、试验成本和地区差异等多重因素制约,关于农田防护林对作物产量的影响缺乏系统性、全面性的研究。整合分析(meta-analysis)利用同一主题下多个独立试验结果验证科学假设,是目前应用广泛的系统性综述方法[22]。本研究利用整合分析研究中国农田防护林对作物产量的综合效应并分析影响该效应的可能因素,以期为评价农田防护林的生态效应提供理论基础,为优化农田防护林的建设提供借鉴和参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

相关文献的检索在中国知网(http://kns.cnki.net)和Web of Science (https://www.webofscience.com/)数据库进行,检索关键词分别为“农田防护林和产量”“(shelterbelt OR windbreak)AND (yield)”,检索时间设置为1900—2022年,共获取文献203篇。

按照以下标准对文献筛选:1)研究地点位于中国境内,研究类型限定为田间试验或调查;2)研究包括严格的处理(有防护林保护的农田)和对照(无防护林保护的农田),由于防护林有效防护范围最大延伸至林带株高(H)的30倍,因此距离林带大于30H的农田也可视为对照;3)作物产量信息明确,具有平均值、标准差和重复数等;4)研究时间、作物类型、防护林网(带)规格等基本信息清晰。

为避免分析数据的非独立性,对同一篇文献中有多组研究数据的情况,仅将不同地点、不同作物种类、不同林网规格的数据视为独立研究。对于年际重复、多时间点测定、多方位测定等情况,随机保留一组数据。

1.2 数据处理

从目标文献中提取3类有效信息:(1)作物产量,即不同处理下的均值、重复数、标准差,对于图形结果使用GetData Graph Digitizer 2.24获取数据;(2)背景信息,包括研究地点、作物品种、林网规格、林带占地等;(3)文献信息,包括作者、出版物、出版时间等。

对缺失的信息进行填补和估算。其中地理坐标数据利用百度地图坐标拾取器(http://api.map.baidu.com/lbsapi/getpoint/index.html)获取;林网规格和林带占地比例(%)根据样点设置、林带带宽、平均株高等信息估算;标准差参照KORICHEVA等[23]的方法进行估算。

1.3 数据分析

整合分析的效应值选择反应比的自然对数lnR,计算公式如下:

(1)

效应值对应的方差为:

(2)

式中:NT和NC分别指处理和对照的重复数;ST和SC分别指处理和对照的标准差。将各效应值按其方差的倒数进行加权平均后获得总效应值。若总效应值大于0,则表明农田防护林提高了作物产量;反之,则表明农田防护林降低了作物产量。对应的作物产量变化率可按公式(elnR-1)×100%计算。

整合分析使用混合效应模型,分别对不同作物种类、气候类型和林网规格下农田防护林影响作物产量的规律进行分析。为保证结果的可靠性,在分析中排除研究数小于5的分组。其中作物种类包括主粮作物小麦、玉米和水稻;气候类型的划分参照柯本分类法(http://koeppen-geiger.vu-wien.ac.at/present.htm),主要包括BSk(温带半干旱气候)、BWk(温带沙漠气候)、Cfa(亚热带湿润气候)、Cwa(亚热带季风气候)、Dwa(温带季风气候)。林网规格分类主要依据主林带间距,研究表明防护林的防风效应最远距离可达10～30倍株高(约300 m),结合文献中数据将主林带间距分为小于100 m、100～300 m、大于300 m。

所有数据处理、分析及作图过程在R软件[24]中进行,主要使用metaphor软件包[25]和ggplot2软件包[26]。

2 结果与分析

2.1 中国农田防护林的研究概况

经过数据库检索和严格筛选后,共获得相关文献31篇,包括71组研究。利用敏感性分析对其进行检验后,排除2个异常研究,剩余69组。效应值残差的正态性检验(W=0.97,p=0.12)表明,该组数据符合正态分布,抽屉分析(Fn=17 304)表明,数据的出版偏见风险较低,数据满足整合分析要求。

整合分析涉及的研究地点主要分布在东北、西北、华北和华东等地区,而在西南和大部分南方地区无分布。这表明农田防护林主要分布于平原地区,并且多数都位于中国的粮食主产区。农田防护林网内种植的作物种类主要为小麦、玉米和水稻,大豆、花生等经济作物相对较少。林带建植树种以速生杨为主,配合种植有榆树、沙枣、木麻黄等乡土树种,经济林树种相对较少。

2.2 中国农田防护林对作物产量的影响

农田防护林显著提升了作物产量,平均增产率为16.4%,不同作物(QM=8.55,p=0.02)的增产幅度有显著差异,而不同气候类型(QM=1.8,p=0.79)和不同林网规格(QM=3.25,p=0.16)中作物增产幅度无显著差异(图1)。

注:误差线表示95%置信区间,效应值上方数字表示研究数。

不同作物种类均显著增产,其中玉米增产率为22.02%,小麦增产率为14.36%,水稻为11.15%。这可能是由于玉米生长季节气象要素波动大,农田防护林对小气候的调节有效改善了作物生长环境。

不同气候条件下作物产量变化差异较小。其中增产率最高的是温带半干旱气候,为18.9%,最低的是亚热带季风气候,为13.8%。这表明在不同环境下农田防护林对作物的增产效应具有普遍性。

不同林网规格的分析发现,农田防护林的增产效应随着主林带间距增加而减小。其中主林带间距小于100 m时作物增产率为21.05%,而主林带间距大于300 m时增产率为12.92%。这表明随着主林带间距增加,防护林的防护效应下降,对作物的影响逐渐减小。

2.3 中国农田防护林对农作物产量影响的综合评价

为综合评价农田防护林对作物产量的影响,以玉米和小麦两作物数据为例,分析了林网占地以及背景生产力(对照产量)与作物增产效应的关系(图2)。结果表明,林带占地面积(t=0.31,p=0.76)与作物增产效应间无显著相关性,分析数据中林带平均占地为9.24%。在考虑林带占地造成的产量损失后,计算可得作物的实际增产率为5.6%。

图2 作物产量的效应值与防护林占地面积以及背景产量的关系

背景生产力和作物增产效应呈显著负相关(t=-2.613,p=0.01),即在作物产量越高的地区,农田防护林对作物的增产效应越低。根据回归方程预测,在产量低于9 727.5 kg·hm-2时,农田防护林对作物均具有增产效应。

3 结论与讨论

本研究发现农田防护林促进作物平均增产16.4%,在考虑林带占地因素后增产率仍有5.6%。这表明林带的“胁地效应”并未造成作物整体减产风险,在实践中应当合理利用政策工具维护相关生产主体的利益,从而避免防护林体系的退化。进一步分析发现作物的增产效应与背景产量呈负相关,在背景产量达到9 727.5 kg·hm-2时,增产效应由正转负。根据国家统计局公报计算,2022年中国作物单产6 379.5 kg·hm-2时,其中小麦单产5 856 kg·hm-2,玉米单产6 436.5 kg·hm-2[27]。这表明持续建设与完善农田防护林对增加粮食供给潜力巨大,为提高经营主体的积极性,可探索研究引进经济林树种以及套种经济作物等新模式,逐步解决目前防护林经营效益不高的现实问题。

分类分析发现,农田防护林对不同作物的增产效应具有显著差异,而在不同气候类型和林网规格下其增产效应无明显差异。在不同作物中玉米的增产率最高,小麦和水稻依次降低,这可能主要与水分因子的调节有关。干旱是导致作物减产的重要因素,而农田防护林可有效降低水分蒸发,减轻干旱胁迫,从而有利于作物生长[8,28-29]。例如,尹昌君等[30]对防护林影响发现防护林带可使农田土壤贮水量提高1.9%～7.8%,小麦蒸散率降低19.1%～25.0%。玉米的生长季(6—9月)是干热风等气象灾害高发的季节[31],对水分变化最为敏感。而小麦生长季平均气温较低,水稻的种植区基本都有完善的灌溉条件,两者受到干旱胁迫相对较轻,因此农田防护林对其增产作用低于玉米。

在不同气候类型下农田防护林对作物的增产效应差异较小,这与此前关于农林复合系统对土壤性质影响的整合分析结果一致[32],气候变化是影响农业生态系统服务的重要因素[33],微气候相比于区域气候对作物的生长影响更加直接,例如间套作系统、农林复合系统以及稻田综合种养系统等通过影响微气候、养分循环以及生物多样性等对农田生态系统功能起到促进作用[34]。近年来更多的研究也开始将微气候因子纳入作物产量预测模型[35],这将有助于进一步揭示农业生物多样性调节生态系统服务的机制。

在不同林网规格下农田防护林对作物的增产效应差异不显著,但呈现随主林带间距增加而降低的趋势。防护林的物理阻隔效应是其影响局部气候因子的重要途径,林网内的风速、温度及湿度等变化趋势随着距主林带距离增加而明显减弱[8-9],因而对作物产量的影响也可能同步降低。此外,防护林带为许多生物群落提供了栖息环境,随着林带距离增加,生物群落数量下降,由此对病虫害的生物控制能力可能降低。例如研究表明农田中节肢动物群落数量和多样性与林带结构及距离密切相关[36]。林带结构对防护林效应具有显著影响[37-38],未来研究应更加关注林带宽度、疏透度和树种搭配等参数的优化策略。

研究发现中国许多省份粮食储备水平以及应对粮食安全风险能力仍需提升[39]。并且当前农业面临如何协调生态环境保护与农业经济发展[40],以及如何应对全球变化等多重挑战[41]。农林复合经营是加强农田生态系统健康管理、实现农业可持续发展的重要途径[42-43]。本研究表明,农田防护林在不同气候环境和生产条件下具有增加粮食供给的巨大潜力,为应对全球变化和保障粮食安全提供了一条路径。未来研究应注重政策工具的制定和综合经济效益的提升,有效推进农田防护林的建设与维护。