黃土高原綠肥填閑種植的水分與產(chǎn)量效應(yīng)：Meta分析*

張少宏,王 俊,3**,RAJAN Ghimire,邢文超,胡映明,張南南

(1.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院 西安 710127;2.陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點(diǎn)實驗室 西安 710127;3.中國科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心 楊凌 712100;4.New Mexico State University,Agricultural Science Center at Clovis,NM 88101,USA)

推廣減施增效技術(shù)、實現(xiàn)“藏糧于地、藏糧于技”是當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食安全的重大國家戰(zhàn)略。黃土高原是我國典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū),受水熱條件限制,糧食作物多為一年1 熟到兩年3 熟。糧食作物收獲到下一季糧食作物播種存在一定時間的裸地休閑。即使夏季休閑期間降水充沛,由于無植被覆蓋和高溫環(huán)境,依然造成大量土壤水分無效蒸發(fā)[1]。在糧食作物收獲至播種的休閑期間種植填閑作物(cover crop 或 catch crop),一方面可以通過覆蓋地表保護(hù)土壤,吸收多余礦質(zhì)養(yǎng)分,降低污染風(fēng)險;另一方面其生長一定時間后翻耕入土也可作為綠肥(green manure)補(bǔ)充土壤養(yǎng)分,提高土壤質(zhì)量[1]。研究表明,綠肥填閑種植具有增加土壤有機(jī)質(zhì)、促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)、改良土壤結(jié)構(gòu)、增加微生物數(shù)量、抑制雜草和病蟲害以及防止土壤侵蝕等多種生態(tài)效益[2-3]。歷史上種植填閑作物是黃土高原旱作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)得以穩(wěn)定持續(xù)的重要管理措施之一,而在當(dāng)前綠色化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新形式下,亟待深化對綠肥填閑種植系統(tǒng)這一傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)精華的理解。

與裸地休閑相比,綠肥作物的“遮蔭效應(yīng)”可以減少土壤水分的無效蒸發(fā)[4-6],翻壓后能增加土壤中的有機(jī)物,改善土壤的物理性質(zhì)[7-9],達(dá)到一定的保水目的。但是,綠肥種植也可能會增加土壤水分消耗,與后茬作物產(chǎn)生土壤水分的競爭性利用[4-5]。在旱作農(nóng)業(yè)區(qū),綠肥作物對土壤水分的競爭性利用可能會直接影響到后茬糧食作物產(chǎn)量形成過程[1]。當(dāng)前關(guān)于綠肥填閑種植土壤水分效應(yīng)的研究結(jié)論存在爭議。在黃土高原地區(qū),李小涵等[10]、李婧等[11]、張祺等[12]的觀測結(jié)果表明,夏季休閑期間種植豆科綠肥均顯著增加了土壤水分消耗,而張樹蘭等[13]研究表明,綠肥種植對土壤水分平衡及后茬作物水分利用沒有產(chǎn)生顯著影響。而國外研究表明,綠肥種植可以有效提高表層土壤含水量和田間持水量[2,8,14]。綠肥填閑種植的土壤水分效應(yīng)可能與其生物量、田間管理措施以及土壤氣候條件有關(guān)。水分匱乏是限制黃土高原旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素,休閑期引種綠肥作物是否會過度消耗土壤水分并進(jìn)而影響后茬糧食作物產(chǎn)量形成和水分利用目前尚缺乏全面系統(tǒng)的評估。

本研究通過收集黃土高原地區(qū)相關(guān)綠肥填閑種植的田間試驗數(shù)據(jù),基于整合分析方法,定量探究了綠肥種植對休閑期降水儲存效率(PSE)、糧食作物播種時土壤儲水量(SWSP)、糧食作物產(chǎn)量、生育期蒸散量(ET)和水分利用效率(WUE)的影響,并定量分析了綠肥作物生物量和翻壓播種間隔時間與土壤水分、糧食作物產(chǎn)量和水分利用的關(guān)系,旨在探討本地區(qū)旱作農(nóng)田綠肥填閑種植系統(tǒng)的水分生產(chǎn)力形成機(jī)制,為其在黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的恢復(fù)與推廣提供科學(xué)依據(jù)與實踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

以“綠肥作物(green manure)”或“填閑作物(cover crop 或catch crop)”為關(guān)鍵詞,在Web of Science、中國知網(wǎng)(CNKI)和百度學(xué)術(shù)等數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,檢索日期截至2020年6月15日。然后基于以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行文獻(xiàn)篩選:1)試驗地點(diǎn)在中國黃土高原地區(qū);2)僅考慮田間試驗數(shù)據(jù),所有室內(nèi)培養(yǎng)試驗、模型模擬和文獻(xiàn)綜述均不予考慮;3)同一試驗設(shè)計必須包含綠肥種植試驗組和裸地休閑對照組,除此之外其他田間管理措施需一致;4)研究結(jié)果中至少包含土壤水分、糧食作物產(chǎn)量和WUE 中的一項;5)觀測結(jié)果包含樣本量、均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差;6)對不同研究的同一試驗數(shù)據(jù)只納入一次。經(jīng)過篩選最終獲得了46 篇文獻(xiàn)[11-12,15-58]、486 組試驗數(shù)據(jù)。本研究數(shù)據(jù)來源的試驗地點(diǎn)分布如圖1所示。

除PSE、SWSP、糧食作物產(chǎn)量、ET 和WUE數(shù)據(jù)外,還收集了包括各項田間試驗研究的土壤初始有機(jī)碳(SOCi)、年均降水(MAP)、休閑期降水和年均氣溫(MAT)數(shù)據(jù),另外收集了綠肥生物量干重數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)中缺乏試驗所在地氣象數(shù)據(jù)時,通過國家氣象信息中心中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)進(jìn)行獲取。數(shù)據(jù)收集過程中,對文字、表格形式展示的數(shù)據(jù)進(jìn)行直接提取,對以圖形形式展示的數(shù)據(jù)使用Getdata graph digitizer 2.26(http://getdata-graphdigitizer.com/index.php)進(jìn)行提取。

采用以下公式分別計算土壤儲水量(SWS)、PSE、后茬糧食作物生育期ET 和WUE[12,29]:

式中:SWC 為土壤重量含水量(g·kg?1),BD 為土壤容重(g·cm?3),D為土層厚度(cm),i為土壤層次2。

式中:SWSP 為糧食作物播種時土壤儲水量(mm),SWSH′為上一季糧食作物收獲時土壤儲水量(mm),Pf代表休閑期間降水量(mm)。

式中:SWSH 為后茬糧食作物收獲期土壤儲水量,Pg為后茬糧食作物生長期間的降水量(mm)。由于黃土高原地區(qū)土壤地下水補(bǔ)給深度超過60 m,且所獲取的文獻(xiàn)中田間試驗均在平地開展,因此在ET 計算中不考慮地下水補(bǔ)給和地表徑流。

式中:Yield 為后茬糧食作物籽粒產(chǎn)量(kg·hm?2)。

1.2 數(shù)據(jù)分析

使用Metawin 2.1 軟件(Sinaure Associate Inc.,Sunderland,USA)對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析(Metaanalysis),計算綠肥種植對PSE、SWSP、后茬糧食作物產(chǎn)量、ET 和WUE 的影響。數(shù)據(jù)包括綠肥種植和對照兩組各觀測指標(biāo)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。部分文獻(xiàn)不含各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差,但包含多個重復(fù)試驗的數(shù)據(jù),或者以上兩部分均未展示,但包含多年試驗的各指標(biāo)數(shù)據(jù)時,使用SPSS 23.0 軟件計算標(biāo)準(zhǔn)差[59]。

使用效應(yīng)量(response ratio,RR)來反映綠肥種植對各觀測指標(biāo)的影響大小[60-61],計算公式如下:

式中:Xc為綠肥種植試驗組的均值,Xn為對照組均值。

RR 的方差(V)計算公式為:

式中,Sc和Sn分別為綠肥種植試驗組和對照組的標(biāo)準(zhǔn)差,Nc和Nn分別為綠肥種植試驗組和對照組的重復(fù)次數(shù)。每個RR 的權(quán)重(W)計算公式為:

數(shù)據(jù)分析過程中,相比于較小的變異研究賦予較大變異更小的權(quán)重,以消除研究中得到不等變異?？傮wRR(RRE++)計算公式為:

式中:n為試驗處理數(shù),m為每個類別的比較數(shù)。

RRE++的標(biāo)準(zhǔn)差計算公式為:

為了便于對結(jié)果的解釋,將總體RR 轉(zhuǎn)換為百分比變化率RR(%),相應(yīng)的轉(zhuǎn)換公式為[59]:

為便于分析和解釋,除RR 外,同時使用RR 的95%置信區(qū)間進(jìn)行表達(dá)。若總體效應(yīng)量的95%置信區(qū)間全部小于0,表明綠肥填閑種植對該指標(biāo)有顯著的負(fù)面影響;若95%置信區(qū)間包含0,說明綠肥填閑種植對該指標(biāo)的影響不顯著;若區(qū)間范圍大于0,表明綠肥填閑種植對該指標(biāo)有顯著的正面影響。

為進(jìn)一步解釋總體結(jié)果的變異性,根據(jù)氣候和土壤特性將數(shù)據(jù)庫分成不同的子數(shù)據(jù)庫,進(jìn)行分組整合分析。參照Wang 等[62]的氣候分類方法,按試驗地點(diǎn)MAP≤450 mm、450 mm600 mm 分別將試驗地點(diǎn)劃分為半干旱(semi-arid)、半濕潤易旱(dry semi-humid)和半濕潤(semi-humid)地區(qū)。試驗地點(diǎn)按MAT≤8 ℃和>8 ℃分別劃分為中溫(mid-temperate)和溫暖(warm-temperate)地區(qū)。田間試驗土壤初始有機(jī)碳(SOCi)含量(g·kg?1)劃分為≤5、5～8、8～11 和>11 不同組別[62]。利用回歸分析確定綠肥作物參數(shù)與PSE、SWSP、糧食作物產(chǎn)量、ET 和WUE 之間的關(guān)系。

使用Metawin 2.1 軟件(Sinaure Associate Inc.,Sunderland,USA)檢驗數(shù)據(jù)異質(zhì)性和發(fā)表偏倚。數(shù)據(jù)異質(zhì)性包括總體異質(zhì)性(total heterogeneity)、組間異質(zhì)性(heterogeneity between-group)和組內(nèi)異質(zhì)性(heterogeneity within-group),數(shù)值越大代表數(shù)據(jù)異質(zhì)性越大。通過組間異質(zhì)性來檢驗同一指標(biāo)的效應(yīng)量在不同亞組之間的差異[60]。通過計算失安全系數(shù)(fail-safe number)來判斷發(fā)表偏倚[61],其中失安全系數(shù)閾值為(5n+10),n為觀察數(shù)。失安全系數(shù)低于閾值或無顯著性排序表明本研究數(shù)據(jù)存在發(fā)表偏倚性問題。

2 結(jié)果與分析

2.1 休閑期降水儲存效率和后茬糧食作物播種時土壤儲水量

PSE 和SWSP 的試驗數(shù)據(jù)分別為60 組和202組,且均呈正態(tài)分布。表1 和表2 顯示,PSE 和SWSP的數(shù)據(jù)異質(zhì)性較高,且不存在發(fā)表偏倚,能夠滿足整合分析要求。

表1 休閑期降水儲存效率、后茬糧食作物播種時土壤儲水量及后茬糧食作物產(chǎn)量、蒸散量和水分利用效率的數(shù)據(jù)異質(zhì)性分析Table 1 Data heterogeneity for precipitation storage efficiency during the fallow period,soil water storage at succeeding crop planting,succeeding crop yield,evapotranspiration,and water-use efficiency

表2 休閑期降水儲存效率、后茬糧食作物播種時土壤儲水量及后茬糧食作物產(chǎn)量、蒸散量和水分利用效率的數(shù)據(jù)分布(高斯)及發(fā)表偏倚性檢驗結(jié)果Table 2 Data distribution(Gaussian test)and publication bias for precipitation storage efficiency during the fallow period,soil water storage at succeeding crop planting,succeeding crop yield,evapotranspiration and water-use efficiency

與裸地休閑相比,綠肥種植PSE 平均降低了28.28%(P<0.05),其中種植豆科綠肥PSE 降低了29.53%,而非豆科綠肥僅有3 組數(shù)據(jù),結(jié)果存在不確定性(圖2a)。關(guān)于PSE 的試驗主要集中在半濕潤溫暖地區(qū),且綠肥種植對PSE 的負(fù)效應(yīng)在SOCi為5～8 g·kg?1時大于8～11 g·kg?1。綠肥種植SWSP 較裸地休閑降低了4.93%(P<0.05),其中豆科和非豆科綠肥降低幅度分別為5.00%和4.00%(圖2b)。在半干旱或中溫區(qū)綠肥種植對SWSP 沒有顯著影響,而在半濕潤易旱區(qū)、半濕潤區(qū)以及溫暖地區(qū)均具有顯著負(fù)效應(yīng)。土壤SOCi<5 g·kg?1時綠肥種植對SWSP 沒有顯著影響,而當(dāng)SOCi>5 g·kg?1時均呈顯著負(fù)效應(yīng),其中在SOCi>11 g·kg?1時的負(fù)效應(yīng)顯著大于5～11 g·kg?1。

綠肥種植對PSE 和SWSP 的影響隨綠肥翻壓至后茬糧食作物播種間隔時間延長先增加后減少(y=?0.0019x2+0.0421x?0.2826;y=?0.0004x2+0.0117x?0.1054),其兩個指標(biāo)RR 值在間隔13 d 左右達(dá)最大(圖3a、3b)。其中,豆科綠肥變化趨勢與總體一致;受數(shù)據(jù)量限制,種植非豆科綠肥PSE 和SWSP 的RR值與綠肥翻壓至后茬糧食作物播種間隔時間相關(guān)性不顯著。

綠肥種植對PSE 和SWSP 的影響與MAP 和MAT 不相關(guān)(數(shù)據(jù)略),但與休閑期降水存在顯著的二項式相關(guān)性(圖4)。隨休閑期降水量增加,PSE 的RR 值呈先增加后減少趨勢(y=?4E?07x2+0.0009x?0.3946)(圖4a),而SWSP 的RR 值呈先減少后增加趨勢(y=2E?06x2?0.0011x+0.1184)(圖4b),其RR 值在休閑期降水量320 mm 附近時最小。兩個指標(biāo)RR 值的22%和5%變異性可以由休閑期降水加以解釋。種植豆科綠肥與總體變化基本一致,而受數(shù)據(jù)量限制,非豆科綠肥PSE 和SWSP 的RR 值與休閑期降水量間相關(guān)性不顯著。

2.2 后茬糧食作物產(chǎn)量

后茬糧食作物產(chǎn)量的試驗數(shù)據(jù)為368 組,呈正態(tài)分布(P<0.05),數(shù)據(jù)異質(zhì)性較高且無發(fā)表偏倚(表1、表2),能夠滿足整合分析要求。

與裸地休閑相比,綠肥種植導(dǎo)致后茬糧食作物產(chǎn)量平均增加2.37%(P<0.05),其中豆科綠肥增產(chǎn)3.48%(P<0.05);而非豆科綠肥導(dǎo)致后茬糧食作物產(chǎn)量下降8.69%(P<0.05)(圖5a)。在半干旱和半濕潤易旱地區(qū),綠肥種植對后茬糧食作物產(chǎn)量分別提高15.05%和2.37%(P<0.05),而在半濕潤地區(qū)產(chǎn)量下降6.88%(P<0.05)。綠肥種植在中溫區(qū)顯著提高了后茬糧食作物產(chǎn)量,但在溫暖地區(qū)產(chǎn)量效應(yīng)不顯著。當(dāng)土壤SOCi<5 g·kg?1時,綠肥種植顯著增加了后茬糧食作物產(chǎn)量,但隨著SOCi的增加,其對后茬糧食作物產(chǎn)量的影響不再顯著。

隨綠肥翻壓至后茬糧食作物播種間隔時間延長,后茬糧食作物產(chǎn)量RR 值總體上呈先增加后減少變化(y=?0.0007x2+0.0177x?0.0355),并在間隔時間13 d左右時達(dá)最大(圖6a)。綠肥翻壓至后茬糧食作物播種時間間隔能夠解釋19%的產(chǎn)量變異。豆科綠肥與翻壓至后茬糧食作物播種間隔時間之間的相關(guān)關(guān)系與總體一致,而后茬糧食作物產(chǎn)量的RR 隨間隔時間的延長并未發(fā)生顯著變化。盡管綠肥填閑種植產(chǎn)量效應(yīng)總體上與總體綠肥生物量相關(guān)性不顯著,綠肥種類間存在差異(圖6b)。隨著綠肥生物量的增加,后茬糧食作物產(chǎn)量在種植豆科綠肥時呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,并在綠肥生物量為2200 kg·hm?2左右時達(dá)最大;而在種植非豆科綠肥時,后茬糧食作物產(chǎn)量呈先減少后增加的趨勢,最低值出現(xiàn)在非豆科綠肥生物量為1400 kg·hm?2左右。

2.3 蒸散量和水分利用效率

后茬糧食作物ET 和WUE 的試驗數(shù)據(jù)分別為97 和84 組,均呈正態(tài)分布(P<0.05),數(shù)據(jù)異質(zhì)性較高且無發(fā)表偏倚(表1、表2),能夠滿足整合分析要求。

與裸地休閑相比,綠肥種植ET 總體上降低了2.51%(P<0.05),其中種植豆科綠肥降低了ET,而種植非豆科綠肥對ET 沒有影響(圖5b)。綠肥種植對后茬糧食作物ET 的負(fù)面影響在半干旱地區(qū)顯著大于半濕潤易旱區(qū),在中溫區(qū)顯著大于溫暖區(qū)。土壤SOCi<8 g·kg?1時,綠肥種植較裸地休閑降低了ET(P<0.05),但當(dāng)SOCi在8～11 g·kg?1時,綠肥對ET 的影響不顯著。后茬糧食作物ET 的RR 值隨總體綠肥生物量增加并沒有顯著變化(圖7a),且與MAP、MAT 間無顯著相關(guān)關(guān)系(數(shù)據(jù)略)。

與裸地休閑相比,綠肥種植對后茬糧食作物WUE 總體上提高8.97%(P<0.05),其中豆科綠肥導(dǎo)致后茬糧食作物WUE 提高9.81%,而非豆科綠肥僅有

4 組數(shù)據(jù),對WUE 具有負(fù)效應(yīng)但不顯著(圖5c)。綠肥種植對后茬糧食作物WUE 的影響在半干旱和半濕潤易旱區(qū)具有顯著正效應(yīng),且在半干旱區(qū)顯著大于半濕潤易旱區(qū),但在半濕潤區(qū)沒有顯著影響。綠肥種植對后茬糧食作物WUE 的正效應(yīng)在中溫區(qū)顯著大于溫暖區(qū)。土壤SOCi在5～11 g·kg?1時,綠肥種植較裸地休閑顯著提高了后茬糧食作物WUE,但當(dāng)SOCi<5 g·kg?1時,影響不顯著。隨綠肥生物量的增加,后茬糧食作物WUE 的RR 值呈二項式變化,綠肥生物量可以解釋23%的WUE 變異(圖7B)。豆科綠肥對WUE 的影響與總體一致,但非豆科綠肥受數(shù)據(jù)量的影響,與其生物量的關(guān)系不顯著。

3 討論

3.1 綠肥種植對土壤水分的影響

與傳統(tǒng)的裸地休閑方式相比,休閑期種植綠肥作物會引起其對土壤水分的競爭性利用,而休閑期土壤儲水量的變化本質(zhì)上是綠肥作物生長耗水和遮蔭抑蒸相互權(quán)衡的結(jié)果[63]。本文采用整合分析得出,綠肥種植對PSE 和SWSP 總體上具有顯著負(fù)效應(yīng),表明綠肥作物的耗水效果顯著大于其遮蔭保水效應(yīng)。但有研究表明,相比于裸地休閑,綠肥種植可以通過增加土壤有機(jī)質(zhì)[7],提高土壤孔隙度[8]、導(dǎo)水率[4]和團(tuán)聚作用[8,14]來增強(qiáng)土壤保水持水能力,但這種保水效果可能只體現(xiàn)在表層土壤,且需要較長的種植年限才能得以實現(xiàn)[2]。本文收集的相關(guān)試驗數(shù)據(jù)中土壤儲水量計算深度均超過了200 cm,表層保水效果未能得到充分體現(xiàn)。

綠肥生物量大小可以通過改變作物遮蔭能力和蒸騰過程來影響PSE 和SWSP。綠肥作物生物量的積累通常以消耗土壤水分作為代價,但也增強(qiáng)其“遮蔭效應(yīng)”[1,6]來減少土壤蒸發(fā)失水。從理論上分析,應(yīng)該存在一個綠肥生物量閾值,其對土壤水分的負(fù)面影響可以達(dá)到最低。但并未發(fā)現(xiàn)PSE 和SWSP 與綠肥生物量間的定量關(guān)系,表明綠肥翻壓至后茬糧食作物播種間隔期間降水量對后茬糧食播種時的土壤水分儲存具有重要影響。但由于數(shù)據(jù)限制,本文未收集到間隔期間的降水?dāng)?shù)據(jù)。隨休閑期降水量(包括綠肥作物生長期間后翻壓至糧食作物播種期間的降水),超過320 mm 后降水量的進(jìn)一步增加可以有效提高SWSP,表明足夠的休閑期降水補(bǔ)充能顯著降低綠肥種植對土壤水分造成的負(fù)面影響。Alvarez 等[64]在阿根廷潘帕斯地區(qū)的研究也發(fā)現(xiàn),除極干旱的年份外,綠肥種植不會影響后茬作物的土壤水分供應(yīng)。

翻壓綠肥至后茬糧食作物播種間隔時間同樣影響著PSE 和SWSP。雖然提前翻壓綠肥會降低其生物量的積累,但加大間隔時間可以增加降水補(bǔ)充土壤水分的可能性,進(jìn)而有效緩解綠肥種植對土壤水分的負(fù)面影響。本文發(fā)現(xiàn),綠肥翻壓至后茬糧食作物播種的間隔時間維持在13 d 左右,綠肥種植對PSE 和SWSP 的負(fù)面影響最小(圖3 a,3b)。Daigh 等[65]在美國愛荷華州和印第安納州的研究也表明,間隔時間在14 d 左右有利于增加SWSP,與本研究結(jié)果一致。而Clark 等[66]在美國馬里蘭州研究發(fā)現(xiàn),間隔時間延長至4 周左右時,綠肥種植較裸地休閑顯著降低SWSP。

綠肥種植的水分效應(yīng)在不同氣候和土壤條件下也存在較大變異。半干旱地區(qū)有限的降水限制綠肥生物量的積累,但較少的生物量降低了蒸騰失水,導(dǎo)致綠肥種植對SWSP 的影響不顯著(圖2b)。而在濕潤地區(qū),更多的降水加速了綠肥作物生長,進(jìn)而導(dǎo)致土壤水分的過度消耗,影響生物量可能過度積累,增加水分消耗,進(jìn)而影響到后茬糧食作物播種時的土壤水分儲存。土壤初始肥力較好時,更多的有機(jī)碳含量有利于不同微生物群生長和分泌物的釋放,促進(jìn)土壤團(tuán)聚作用[67],進(jìn)而提高土壤持水性能。研究表明,綠肥種植提供了額外的有機(jī)物輸入,能夠顯著改善土壤水分相關(guān)的物理指標(biāo)(增加土壤孔隙度、提高土壤容重、增加土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性等),促進(jìn)水分入滲[8,14],然而這種保水作用可能需要更長的種植年限才能得以實現(xiàn)。受數(shù)據(jù)限制,本文未能發(fā)現(xiàn)綠肥種植水分效應(yīng)與種植年限之間的關(guān)系。

3.2 綠肥種植對后茬糧食作物產(chǎn)量的影響

本文結(jié)果顯示,綠肥種植較裸地休閑總體上顯著提高了后茬糧食作物產(chǎn)量(圖5a),這與Lee 等[68]在地中海地區(qū)的整合分析結(jié)果一致。Fontana 等[69]在阿根廷潘帕斯地區(qū)的長期試驗研究發(fā)現(xiàn),雖然綠肥種植顯著降低了土壤水分,但其同時可以有效改善土壤質(zhì)量,并未導(dǎo)致后茬大豆(Glycine max)出現(xiàn)產(chǎn)量下降。本文主要集中在我國黃土高原地區(qū),綠肥種植的增產(chǎn)效應(yīng)可能與綠肥翻壓后的培肥作用有關(guān)。綠肥翻壓后可以增加養(yǎng)分還田量,改善土壤養(yǎng)分狀況,增加土壤有機(jī)質(zhì),特別是豆科綠肥還可以通過生物固氮進(jìn)一步提高土壤肥力[70-72];另一方面綠肥翻壓后土壤物理性狀得到有效改善,促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成,更利于后茬作物根系生長發(fā)育,從而促進(jìn)后茬作物對土壤養(yǎng)分的吸收[1,11-12]。國內(nèi)外大量研究也表明[10,14,73-75],休閑期引種綠肥作物能夠顯著提高土壤肥力,進(jìn)而維持或提高后茬糧食作物產(chǎn)量。綠肥種植的產(chǎn)量效應(yīng)與綠肥翻壓至后茬糧食作物播種間隔時間有關(guān)。豆科綠肥翻壓至后茬糧食作物播種間隔時間在13 d 左右時,對后茬糧食作物的增產(chǎn)效果最好(圖6a)。另外也有研究表明[9,12,63],綠肥生物量也會影響到其產(chǎn)量效應(yīng)。一般翻壓的綠肥生物量越大,土壤培肥效果越好,更有利于后茬作物增產(chǎn),但綠肥生物量的增加會消耗休閑期土壤水分,反而不利于后茬作物的生產(chǎn)。本文中豆科綠肥作物生物量在2200 kg·hm?2附近時,后茬糧食作物產(chǎn)量效應(yīng)可以實現(xiàn)最大,這對于實際生產(chǎn)中合理控制綠肥生物量具有指導(dǎo)意義。

3.3 綠肥種植對后茬糧食作物水分利用的影響

與裸地休閑相比,豆科綠肥種植在增加后茬糧食作物產(chǎn)量的同時降低ET,從而提高WUE(圖5b、5c)。這與Currie 等[76]在美國堪薩斯州和Frasier 等[77]在阿根廷拉潘帕地區(qū)的報道相一致。而非豆科綠肥種植較裸地休閑對ET 沒有影響(圖5b),這可能是有限的試驗數(shù)據(jù)(n=4)導(dǎo)致的不確定結(jié)果。SWSP 的減少導(dǎo)致ET 降低,從而提高WUE。例如在土壤SOCi5～8 g·kg?1地區(qū),綠肥種植相比于裸地休閑可維持后茬糧食作物產(chǎn)量,但會降低SWSP 和ET,從而有效提高WUE。已有研究表明[7-8,78],綠肥翻壓后土壤有機(jī)碳含量的增加會降低ET。然而本文中,在SOCi8～11 g·kg?1分組,綠肥種植較裸地休閑對ET 并沒有影響,可能是其他因素抵消了高SOCi的影響。本研究中未發(fā)現(xiàn)綠肥生物量及降水量(數(shù)據(jù)略)與ET 的定量關(guān)系,這有待進(jìn)一步試驗驗證。相比之下,綠肥種植系統(tǒng)后茬糧食作物減產(chǎn)可能會降低WUE,這與Nielsen 等[79]在美國科羅拉多州的田間試驗研究結(jié)果一致。本文中當(dāng)豆科綠肥生物量>1200 kg·hm?2時,后茬糧食作物WUE 有顯著提高,表明維持豆科綠肥生物量在這個水平上,能夠有效促進(jìn)后茬糧食作物水分利用。

3.4 不足之處

本文發(fā)現(xiàn)綠肥種植可以減少休閑期的土壤水分,但將綠肥翻壓入土能夠總體上提高后茬糧食作物產(chǎn)量和WUE。這與大多數(shù)田間試驗結(jié)果一致。但也有部分報道顯示,綠肥種植并沒有顯著增加后茬糧食作物產(chǎn)量和水分利用,甚至出現(xiàn)減產(chǎn)現(xiàn)象。受綠肥翻壓至后茬糧食作物播種間隔期間降水?dāng)?shù)據(jù)的限制,本研究采用了整個休閑期降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了分析,僅能在一定程度反映休閑期降水對綠肥種植水分效應(yīng)的影響。此外,目前黃土高原地區(qū)種植的綠肥多為豆科綠肥,涉及非豆科綠肥數(shù)據(jù)較少,這對客觀評價非豆科綠肥的水分和產(chǎn)量效應(yīng)會產(chǎn)生一定偏差。而國外研究表明,非豆科綠肥可能具有更大的固碳潛力以及土壤質(zhì)量改善效果[64,71,74],今后本地區(qū)生產(chǎn)實踐中應(yīng)對非豆科綠肥開展更多的研究。

4 結(jié)論

基于46 篇黃土高原綠肥相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析研究,發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的裸地休閑方式相比,休閑期種植綠肥作物雖然對土壤水分儲存具有顯著負(fù)效應(yīng),但總體上能夠顯著促進(jìn)后茬糧食作物產(chǎn)量形成和水分利用。綠肥種植的水分和產(chǎn)量效應(yīng)與綠肥翻壓至后茬糧食作物播種時間間隔、綠肥生物量以及土壤和氣候條件均顯著相關(guān),在后茬糧食作物播前13 d左右時翻壓豆科綠肥、控制豆科綠肥生物量在2200～3100 kg·hm?2,能夠有效提高黃土高原旱作農(nóng)田綠肥填閑種植系統(tǒng)水分生產(chǎn)可持續(xù)性。