整合分析秸秆还田对农田杂草多度和多样性的影响

苏尧，叶苏梅，鲁梦醒，马跃，王玉宝，王珊珊，柴如山，叶新新，张震，马超*

（1. 安徽省绿色磷肥智能制造与高效利用工程研究中心， 农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室， 安徽农业大学资源与环境学院， 安徽 合肥 230036；2. 肥西县严店乡植保服务专业合作社， 安徽 合肥 231232；3. 安徽省文胜生物工程股份有限公司， 安徽 阜阳 236000）

杂草发生状况是影响农田生态系统稳定性的重要因素之一， 草害防治一直是农田生态管理的重要工作[1］。单施除草剂因其对作物引起的药害频发， 以及杂草抗药性增强而难以满足农田除草需求[2-3］。秸秆作为农田生态系统中的重要资源， 已有大量研究表明其富含的养分可有效改善土壤环境， 有利于作物的优质增产， 然而关于其在不同环境条件和管理措施下还田对杂草发生的影响仍不明确[4-6］。因此， 研究不同环境条件和管理措施下秸秆还田对草害发生的影响， 有利于秸秆还田条件下的草害科学防控， 以减轻过度依赖化学除草带来的问题。

目前关于不同环境条件和管理措施下秸秆还田对农田杂草的影响尚无一致结论。张大伟等[7］在江苏水稻（Oryza sativa）田上的试验得出，与免耕不还田相比， 免耕条件下将小麦（Triticum aestivum）秸秆以2250 kg·hm-2的量还田后杂草总株数显著降低了97.3%。王慧敏等[8］在内蒙古春小麦田上的研究结果则表明， 深翻条件下秸秆还田比不还田春小麦成熟期杂草密度增加了22.3%。张震等[9］在安徽巢湖流域小麦田上研究发现秸秆还田可提高杂草多样性， 而陈浩等[10］在陕西的试验却表明常规施肥条件下秸秆还于稻田与不还田相比， 杂草Shannon指数显著降低了61.5%。此外， 农田杂草发生对秸秆还田地响应在不同条件下有所差别。前期相关研究较为关注不同作物秸秆类型、还田方式等条件下秸秆还田对草害发生的影响， 而对于气候条件、土壤性质等相关因子的影响并未给予足够的重视。桂浩然等[11］在河南开封开展的研究发现， 双倍秸秆还田于大豆（Glycine max）地后杂草Shannon 指数增加了26.0%， 而还于玉米（Zea mays）地后杂草Shannon 指数显著降低了71.6%。李贵等[12］在江苏沿江地区沙壤土上的研究表明， 秸秆全量覆盖还田的抑草效果要显著优于全量深埋还田。秸秆还田对农田草害影响的关联因素有很多， 如作物类型、耕作方式、秸秆还田量等， 现有研究大多侧重于单一因素对秸秆还田抑草效应的影响分析， 而不同影响因子在此过程中的相对重要性仍不明确。

因此， 本研究整理全国范围内的相关独立试验数据， 运用整合分析方法， 综合分析不同环境条件和管理措施下秸秆还田对我国农田杂草多度和多样性的影响， 评估作物类型、秸秆类型、秸秆还田量、年均气温、年均降水量等因子对秸秆还田影响草害发生过程的关联度， 并比较分析了杂草多度和多样性对不同条件下秸秆还田的不同响应机制及其原因， 以期为秸秆还田条件下优化田间管理措施， 以便于有效抑制农田草害的发生提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究基于中国知网（CNKI）和Web of Science （WoS）等文献数据库， 以“秸秆还田”“杂草数量”“杂草密度”“杂 草 发 生 规 律”“杂 草 多 样 性”和“straw returning”“weed abundance”“weed diversity”等 为 关 键 词 检 索 于2000-2022 年间发表的相关论文。对检索出的文献按照以下标准进行筛选： 1）田间试验范围限于中国； 2）同一试验需包含相应的对照组（秸秆不还田）和处理组（秸秆还田），且对照组与处理组除秸秆是否还田外， 其余试验条件（包括环境条件、农艺措施等）应完全一致； 3）试验处理的重复数≥3； 4）从结果中可直接或通过计算间接获得杂草密度或杂草多样性数据。为了消除试验指标差异所带来的影响， 本研究选择杂草密度反映杂草多度， 选择Shannon 指数反映杂草多样性[13］。本研究提取文献中对照组和处理组的杂草密度、密度标准差及杂草Shannon多样性指数、Shannon 多样性指数标准差、处理重复数等信息。直接提取表格中的相关数据， 使用GetData Graph Digitizer 软件提取以图片形式展示的数据， 然后利用R studio 软件进行标准差数据的补充[14］， 最终共获得426 组试验数据， 其中包括359 组杂草密度数据及67 组杂草多样性数据。

1.2 数据分类

考虑到秸秆还田对草害发生的影响可能会受到其他条件因子的控制， 因此对收集到的相关因子信息进行归纳分组， 整理得到以下12 种影响因素（表1）： 气候类型、年平均降水量、年平均气温、土壤质地、土壤有机质、土壤酸碱性、秸秆类型、还田方式、耕作方式、秸秆还田量、还田条件、作物类型， 并通过Meta 亚组分析比较不同因素下秸秆还田对草害发生的影响程度。

表1 试验相关数据分类Table 1 Classification of experiment data

1.3 整合分析

本研究采用随机效应模型评估秸秆还田对我国农田杂草的影响， 以处理组（秸秆还田）农田的草害参数Xt与对照组（秸秆不还田）农田的草害参数Xc的比值为响应比， 并以响应比（R）的自然对数作为Meta 分析的效应值（lnR）， 具体公式如下[15］：

式中：Xt和Xc代表秸秆还田处理和秸秆不还田处理下杂草密度（株·m-2）和Shannon 多样性指数参数。

通过Meta 分析得到综合效应值， 为便于理解和展示， 通过公式（2）计算秸秆还田对我国主要粮食作物草害效应的变化百分数：

式中：lnRR为处理组相对于对照组草害增加或减少的变化百分数。

使用R 语言中的“metafor”软件包进行发表偏倚检验。采用Egger test 法或罗森塔尔失安全系数法， 若P＜0.05 或Nfs 系数＞5n+10 （n为数据量），则认为不存在发表偏倚[16-17］。总体效应大小是用随机效应模型的加权重采样方法计算的。如果95%的置信区间在0.05 的水平上不与0 重合， 则效果显著为正或负。如果类别中95%的置信区间不重叠， 则两类效应大小的差异是显著的。如果文献的重复数大于3， 但是原始报告中没有给出标准差（standard deviation， SD）或标准误（standard error， SE）时， 用R 语言（version 3.6.1）的“metagear”数据包计算出标准差。对于每个属性， 总异质性（QT）分为组内变异（QW）和组间变异（QB）。QB的显著性表示分类亚组之间的平均效应量的差异显著水平。

1.4 统计分析

整合分析研究使用MetaWin 2.1 软件对随机效应模型进行加权重采样， 计算总体效应大小， 并针对不同环境条件及农业管理措施进行亚组效应值分析来评估不同条件下秸秆还田对草害发生的影响程度[18-19］。试验点分布图、罗森塔尔失安全系数检验及相对重要性分析于R 4.1.2 中实现， 森林图及线性回归分析图在Origin 9.0 中完成。

2 结果与分析

2.1 数据收集情况及秸秆还田对农田草害的总体影响

本研究共收集到符合要求的论文41 篇， 获得426 组观测数据， 所选研究涉及11个省份， 大多位于我国东部地区（图1a）。经Egger tests 和Nfs 分析得到： 本研究罗森塔尔失安全系数分别为518952690 和2175， 其统计学意义为至少需要518952690 组具有发表偏倚性的杂草多度数据和2175 组具有发表偏倚性的杂草多样性数据才能改变本试验的研究结论， 即本研究所用数据不存在偏倚。由图1b 可知， 与秸秆不还田（CK）相比， 秸秆还田可显著降低农田的杂草多度和杂草多样性， 抑制效应分别为-42.4%和-8.5%（P＜0.05）。

图1 秸秆还田对农田草害的整体影响Fig.1 Overall effects of straw returning on farmland weeds

2.2 不同条件下秸秆还田对农田杂草多度的影响

由图2 可知： 在亚热带季风气候区和温带季风气候区秸秆还田均可显著降低杂草多度（P＜0.05）， 而温带大陆性气候区的抑制效应不显著； 试验地土壤的有机质含量和酸碱性也会影响秸秆还田对田间杂草多度的抑制效果， 土壤有机质含量为15～25 g·kg-1或土壤呈碱性时秸秆还田可显著降低杂草多度（P＜0.05）。从秸秆类型上看， 麦秆还田可显著降低杂草多度（P＜0.05）， 而稻秆、玉米秆及油菜秆还田对杂草多度的抑制效应并不显著；比较不同还田量对杂草多度的抑制效果发现， 以＞7000 kg·hm-2的秸秆量还田对杂草多度的抑制效果最好（P＜0.05）。秸秆无论是还于水田还是旱地均可显著降低杂草多度（P＜0.05）， 而且水田环境下的抑制效果要明显优于旱地； 从作物类型上看， 种植水稻、玉米或油菜后秸秆还田能显著降低杂草多度， 其中秸秆还于稻田对杂草的抑制效果最好（P＜0.05）。

图2 不同条件下秸秆还田对农田杂草多度的影响Fig.2 Effects of straw returning on farmland weed abundance under different conditions

2.3 不同条件下秸秆还田对农田杂草多样性的影响

相较于对杂草多度的影响， 秸秆还田对杂草多样性的抑制效应较弱， 其效应值的显著性和强度也会因气候类型、土壤质地等条件的不同而有所差别（图3）。综合不同条件下的效应值可以发现： 将秸秆还田于温带季风气候区的砂质土壤中可显著降低杂草多样性（P＜0.05）。此外， 将麦秆以＞7000 kg·hm-2的还田量翻埋还田后可显著降低杂草多样性（P＜0.05）。作物类型的不同也会影响秸秆还田对杂草多样性的抑制效果， 秸秆还于玉米田或油菜田后杂草多样性会显著降低（P＜0.05）， 而还于水田或小麦田后的抑制效应不显著。另外， 通过比较不同耕作方式下秸秆还田对杂草多样性的影响可以发现， 翻耕处理可显著降低杂草多样性（P＜0.05）， 而旋耕或免耕处理下秸秆还田对杂草多样性并没有显著影响。

图3 不同条件下秸秆还田对我国农田杂草多样性的影响Fig.3 Effects of straw returning on farmland weed diversity under different conditions

2.4 秸秆还田下农田草害发生的主要变化及其影响因子

秸秆还田后农田杂草的多度和多样性会显著降低， 相对重要性分析结果发现： 秸秆还田影响杂草多度的最关键因子是作物类型， 其次是秸秆还田量、年平均气温、年平均降水量、土壤pH、还田条件（图4a）。秸秆还于不同作物农田后对杂草多度的影响存在显著差异， 其中秸秆还于稻田的杂草多度抑制效果最好， 而还于小麦田后却不存在显著抑制效果（图2）。线性拟合结果显示： 杂草多度效应值与年平均气温、年平均降水量、土壤pH 均呈极显著线性负相关（P＜0.01， 图5a～c）， 即随着年平均气温、年平均降水量及土壤pH 的增加， 秸秆还田对杂草多度的效应值会逐渐降低。秸秆还田影响杂草多样性的最关键因子是秸秆还田量， 其次是作物类型和土壤质地（图4b）， 其中杂草多样性效应值与秸秆还田量呈显著线性负相关关系（R2=0.021，P＜0.05， 图5d）， 即随着秸秆还田量的增加， 秸秆还田对杂草多样性的效应值是逐渐降低的。秸秆还于不同作物农田后对杂草多样性的影响存在显著差异， 其中秸秆还于油菜田的杂草多样性抑制效果最好， 而还于水稻田或小麦田的抑制效应均不显著。此外， 秸秆还于砂质土壤可显著降低杂草多样性， 而还于壤土或黏土后杂草多样性并不能显著降低（图3）。

图4 影响秸秆还田对农田草害发生的预测因子的相对重要性分析Fig.4 Model-averaged importance of the predictors for the effects of straw returning on farmland weeds

图5 关键因子与秸秆还田抑草效应的关系Fig.5 The relationship between significant factors and effects of straw returning on weed suppression

3 讨论

整合分析结果显示秸秆还田可显著降低农田杂草多度， 但在不同条件下秸秆还田对杂草多度的抑制效应存在差异， 本研究表明作物类型是影响该抑制效应的最重要因子。已有研究指出种植不同作物农田的杂草发生规律存在显著差异[20］， 本研究结果与其一致。作物类型对抑草效应的影响可能归因于以下几点： 一是不同作物产生的根系分泌物不同， 导致根际微生物群落结构存在差异， 进而影响作物对相邻杂草的抑制程度[21-22］； 二是种植不同作物农田的土壤呼吸存在差异， 土壤温度是引起上述差异的主要因素之一[23］。小麦生长季气温较低， 因此相较于其他作物， 小麦田的土壤呼吸速率较低， 秸秆的腐解效率下降， 进而降低了抑草效应。除此之外， 不同作物农田所使用的还田秸秆类型也是不同的， 而不同秸秆还田后所释放的化感物质及其腐解产物不同， 使得其对农田杂草发生的影响也存在差异[24-25］。

除了作物类型之外， 秸秆还田量、年平均气温、年平均降水量对秸秆还田的杂草多度抑制效应也存在显著影响。秸秆还田量的差异不会改变杂草多度抑制效应的显著性， 但会影响其作用强度。本研究表明＞7000 kg·hm-2秸秆还田量的抑草效果最好， 这可能是由于较高的秸秆还田量可有效改善土壤养分和微生物群落结构， 更有利于秸秆的腐解[26-27］。气温和降水量是影响土壤有机质含量的主要因子[28］。相对较高的温度和较大的降水量可能会从一定程度上改良微生物群落结构并增加其生物活性[29］， 以加速秸秆的腐解与化感物质的释放[30］， 进而提高秸秆对杂草的抑制效应。干燥少雨的环境下由于水热不足， 可能会导致秸秆养分的净释放量降低， 最终使得抑草效应有所降低[31］。

本研究结果表明秸秆还田也可以显著抑制杂草多样性， 而不同条件下的抑制效果存在差异， 其中秸秆还田量是最主要的影响因子。线性拟合结果表明， 随着秸秆还田量的增加， 秸秆还田对杂草多样性的抑制效应值是逐渐降低的。秸秆还田量对该抑草效应的影响可能与土壤碳氮比有关， 桂浩然等[11］研究发现玉米地秸秆还田量和土壤碳氮比呈正相关关系， 而随着秸秆还田量的增加， 杂草多样性逐渐降低。这可能是由于过高的碳氮比不能为具有较高多样性的农田杂草区系提供足够的氮素。除了秸秆还田量之外， 作物类型和土壤质地也是影响该抑制效应的关键因子。徐琳等[32］研究发现， 种植不同作物耕地土壤的理化性质及微生物群落结构存在差异， 因此玉米田的杂草多样性抑制效果最好可能是由于土壤有效养分含量更高， 微生物代谢活性更高， 进而导致秸秆腐解效率更高。然而秸秆还于水稻田后杂草多样性并未发生显著降低， 这可能是由于秸秆还田作为一项田间管理措施， 其产生的生态环境变化可能会抑制稻田淹水环境下原有水生杂草优势种群的生长[33］， 使得杂草群落结构组成趋于平衡， 进而不利于秸秆还田对杂草多样性的抑制。土壤质地作为土壤重要的物理特性之一， 严重影响土壤的水肥气热状况[34］。相较于壤土与黏土， 砂质土壤水热条件较差， 不利于杂草种子库的存活[35］。

尽管秸秆还田对杂草多度和多样性均有显著的抑制效果， 但对比二者总体效应值可以发现： 秸秆还田对前者的抑制效应要显著高于后者， 这在某种程度上说明： 杂草多度与多样性对秸秆还田的响应机制是不同的[36］。因此， 单独秸秆还田防除杂草缺乏持续稳定的控制作用， 需结合其他物化因素对农田草害进行综合防治[37］。总体效应值存在较大差异可能是由于杂草多度和多样性对各种条件因子的响应机制不同。例如， 在亚热带季风气候条件下秸秆还田对杂草多度的抑制效果最好， 而杂草多样性的抑制效应在温带季风气候区最为显著， 这可能是由于更温暖的气候下杂草物种的丰富度会更高[38］。因此， 相较于亚热带季风气候， 温带季风气候更有利于田间杂草多样性的降低。另外， 秸秆还于水田对杂草多度的抑制效应要明显高于旱地， 而水田环境下秸秆还田对杂草多样性的抑制效应却并不显著。将秸秆覆盖还于壤质土壤虽然可以显著降低杂草多度， 但不能使杂草多样性显著降低。此外， 不同耕作方式可通过扰动土壤结构来改变土壤理化性质及微生物特性， 进而影响农田杂草的生长发育进程[39-41］。本研究主要涉及免耕、旋耕及翻耕3 种耕作方式， 其中免耕与旋耕翻动的土壤深度相对较浅， 从一定程度上限制了深土层杂草种子的出苗[42］， 减小了可出苗杂草的土层分布范围， 进而提高了秸秆还田对杂草的集中防除效果。然而， 这两种耕作方式下杂草多样性并未显著降低。这可能是由于保护性耕作对土壤的扰动较小， 有利于杂草群落内不同生态位的保持， 因此该条件下农田杂草多样性会有所提升[43-44］。综合上述差异可以看出， 杂草多度的显著降低可能并不会伴随着杂草多样性的显著降低， 这一研究结果说明在草害防治工作中应注意杂草多度和多样性的控制平衡。杂草多度在草害防治工作中是必须降低的指标， 而保持一定的田间杂草多样性或许有利于农田养分的循环与资源的多级利用[45］。

4 结论

秸秆还田可有效抑制农田草害的发生， 但是当作物类型、秸秆还田量、气候因子、土壤质地等因素不同时抑制效应会有所差别。总体来看： 在亚热带季风气候区将秸秆以＞7000 kg·hm-2的量还于稻田对杂草多度的抑制效果最好， 而在温带季风气候区以同等量的秸秆还于油菜田时可以更好地抑制杂草多样性。值得注意的是， 秸秆还田抑草效应的影响因素应不仅限于本研究中所讨论的， 可能的影响因素还有杂草类型（如单子叶和双子叶）、土壤初始碳氮比、还田年限等。由于现阶段相关文献数据的缺乏， 目前暂时无法对其他因素进行整合分析研究， 因此进一步的研究可以尝试从更多的角度去开展深入探讨。