秸秆还田对中国主要粮食作物病害影响的Meta分析_章力干.pdf

第 38 卷 第 21 期 农 业 工 程 学 报 Vol.38 No.21 2022 年 11 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Nov.2022 93 秸秆还田对中国主要粮食作物病害影响的 Meta 分析 章力干1，石心怡1，王玉宝1，杨欣润1,2，余 舫1，江 彤3，常婷婷4，马 超1（1.农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室，安徽省绿色磷肥智能制造与高效利用工程研究中心，自然资源部江淮耕地资源保护与生态修复重点实验室，安徽农业大学资源与环境学院，合肥 230036；2.南京农业大学资源与环境科学学院，南京 210095；3.安徽农业大学植物保护学院，合肥 230036；4.河海大学农业科学与工程学院，南京 210095）摘 要：秸秆还田作为一项重要的生态农业措施，对于农作物病害的影响一直备受关注却尚未形成完全一致的观点。为明确秸秆还田对中国主要粮食作物病害的影响及其在不同病害类型、环境条件和农业管理方式下的具体表现，该研究采用 Meta 方法，系统分析了公开发表的中国范围内秸秆还田对作物病害影响相关研究。结果表明：秸秆还田会显著增加中国主要粮食作物病害发病率和病情指数，增幅分别达 9.5%和 12.2%（P0.05）。病害类型、环境条件和农业管理措施会显著改变秸秆还田对作物病害发生的影响。具体地，病毒病害和土传病害对秸秆还田的响应较为敏感；亚热带季风气候下还田病害显著减轻，温带季风气候下显著加重，水田下还田病害较轻，旱地，尤其是冬小麦与春玉米轮作下还田病害加重显著，微酸性土壤中还田病害轻于微碱性土壤，此外，土壤有机质含量大于 15 g/kg、土壤小于 7 000 kg/hm2、初始碳氮比大于 15 时还田均会导致病害的加重。线性回归分析显示，秸秆还田病害发生与年平均降雨量、有机质含量呈显著负相关，与初始碳氮比和土壤 pH 值呈正相关。综上，通过增加初始氮肥用量、改善土壤墒情以及在微酸性土壤上的应用，可最大限度地减少秸秆还田下中国主要粮食作物的病害发生。研究可为中国主要粮食作物病害的绿色防控以及秸秆资源高效利用提供理论依据。关键词：作物；秸秆；病害；主要粮食作物；发病率；病情指数；Meta 分析 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.21.012 中图分类号：S141.9;S432 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2022)-21-0093-08 章力干，石心怡，王玉宝，等.秸秆还田对中国主要粮食作物病害影响的 Meta 分析J.农业工程学报，2022，38(21)：93-100.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.21.012 http:/www.tcsae.org Shi Xinyi,Wang Yubao,Yang Xinrun,et al.Meta-analysis for the impacts of straw return on the diseases of major grain crops in ChinaJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2022,38(21):93-100.(in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.21.012 http:/www.tcsae.org 0 引 言 中国秸秆每年生产量超过 10 亿 t，其中三大主要粮食作物秸秆产量接近 8 亿 t1。秸秆富含 N、P、K 等多种营养元素及有机质等，秸秆还田具有提高土壤肥力、改良土壤结构和提高作物产量等作用2-3。然而，随着秸秆还田的不断推广，越来越多的证据显示秸秆还田可能会增加农作物的病害，且在粮食作物上表现的尤为明显4。而小麦、玉米和水稻作为中国主要粮食作物，明确秸秆还田对其病虫害发生的影响具有重要意义。为此，前人开展了大量田间试验5-6，但由于独立的田间试验结果会受到其特定的试验条件的影响，导致相关研究的结论表 收稿日期：2022-03-33 修订日期：2022-08-10 基金项目：国家自然科学基金项目（32071628）；安徽省科技重大专项(201903b06020013)；安徽省高校自然科学研究项目（KJ2021ZD0009）；安徽省大学生创新创业项目（S20211036113）作者简介：章力干，副教授，研究方向为养分高效利用研究。Email： 通信作者：马超，博士，副教授，研究方向为土壤生态学研究。Email： 现出较大的变异性。有学者指出秸秆还田能够抑制病原菌生长和病害的发生，但也有研究表明秸秆还田后作物病害明显加重7-8，以小麦为例，乔玉强等7研究表明，秸秆还田提高了小麦赤霉病病穗率和病情指数，并且随施氮量的增加，赤霉病病穗率和病情指数均呈递增势；而 Rodgers-Gray 等8的研究指出秸秆还田减少了冬小麦赤霉病、白粉病等病害的发生。上述分歧产生的原因可能与其环境条件和农业管理措施有关9-12。目前，秸秆施用对作物病虫害发生的综合效应及影响因素并不清楚。例如，秸秆还田对作物病虫害的影响是否因气候条件和土壤性质不同而异，当季作物种类、秸秆类型和还田量是否会影响秸秆还田的作用效果。此外，前述问题难以通过传统的单一小区试验研究解决。前人研究表明，Meta分析研究可以对现有试验数据进行综合的定量化分析，系统分析某种措施的综合效应及其影响因素，能够有效解决单组试验不能解决的问题。综上，本研究拟采用 Meta 分析方法，对全国范围的主要粮食作物秸秆还田独立试验结果进行综合分析，定量研究秸秆还田对中国主要粮食作物病害的影响及农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2022 年 94其在不同环境条件和农业管理措施下的差异，以探明秸秆还田对中国主要粮食作物病虫害的综合效应及影响因素。1 材料与方法 1.1 数据收集与分类 以“秸秆还田或残茬保留或秸秆掺入（straw return or residue retention or straw incorporation）、病害（diseases）、水稻（rice）、小麦（wheat）、玉米（maize）”为关键词，在中国知网、Web of Science 进行文献检索，收集 2021年 12 月之前公开发表的期刊论文。通过以下标准来进行文献筛选：1）试验区域为中国且在田间进行试验；2）同一试验需包含配对的处理组和对照组，处理组为秸秆还田，对照组为秸秆不还田，且处理组和对照组除秸秆还田与否之外，其他试验条件严格一致；3）收集数据包含发病率、病情指数及其他相关信息；4）种植作物种类为水稻、小麦和玉米三大粮食作物。基于以上标准，共筛选出符合要求的数据 369 组，涉及河北、安徽、江苏等粮食生产大省，覆盖了中国东北、华北、西北和东南 4个区域，本文收集的数据主要源于以下文献（表 1）。表 1 Meta 分析所用的研究 Table 1 Studies used for meta-analysis 文献 References 试验位点 Sites 气候类型 Climate types 作物类型Crop types4 河北农业大学农业气象试验站 温带季风 小麦 7 安徽省蒙城县农业示范场 温带季风 小麦 9 江苏省江堰县试验基地 亚热带季风 小麦 13 河北省保定市郊 温带大陆性 小麦 14 黑龙江省牡丹江市温春镇 温带季风 玉米 15 甘肃省武威市试验基地 温带大陆性 小麦 16 渭北旱原东部合阳县甘井乡西北农林科技大学试验基地 温带大陆性 小麦 17 江苏省沿江农科所水稻试验田 亚热带季风 水稻 18 江苏省农业科学院试验田 亚热带季风 小麦 19 黑龙江省农垦总局建三江分局农业科技园区 温带季风 水稻 20 河北农业大学望都实验基地 温带季风 小麦 21 安徽省苏松县和丰阳县试验田 亚热带季风 水稻 22 河南省新乡市新乡县洪门镇乔谢村 温带季风 小麦 本文根据获取数据情况及前人研究经验综合考虑，选取病害类型（气传病害、种传病害、病毒病害、土传病害）、气候类型（亚热带季风气候、温带季风气候和温带大陆性气候）、土壤 pH 值（7.5）、土壤有机质（Soil Organic Matter，SOM）（15 g/kg、15 g/kg）23作为环境因素，还田条件（旱地和水田）、作物类型（水稻、小麦、玉米）、秸秆类型（水稻、小麦、玉米）24、秸 秆 还 田 量（7 000 kg/hm2）和还田初始 C/N（25）作为农业管理措施，以阐明秸秆还田对粮食作物病害的影响。其中气传病害主要包括小麦锈病、水稻稻瘟病、玉米大小斑病等；种传病害主要包括小麦赤霉病、水稻恶苗病等；病毒病害主要包括水稻条纹叶枯病、小麦黄矮病等；土传病害主要包括玉米纹枯病、小麦纹枯病等。还田初始 C/N 的计算式如下25：CsC/NNsNfSS=+还田初始（1）式中 S 为秸秆施用量，g/hm2；Cs 为秸秆碳含量，g/kg；Ns 为秸秆氮含量，g/kg，Nf 为基础氮肥使用量，g/hm2。1.2 整合分析 以对照组（秸秆不还田）粮食作物的发病率或病情指数与处理组（秸秆还田）粮食作物的发病率或病情指数的比值为响应比。采用式（2）计算效应值26。lnR=ln(Xt/Xc)（2）式中 R 为响应比，lnR 为效应值，Xt和 Xc代表秸秆还田处理和秸秆不还田处理下水稻、小麦或玉米的发病率或病情指数。Meta 分析得到效应值，用式（3）计算作物病害效应的变化百分数：lnRR=(elnR1)100%（3）式中 lnRR 为处理组相对于对照组病害增加或减少的变化。发表偏倚检验使用 R 语言中的“metafor”软件包27-28进行分析，采用 Egger test 法或罗森塔尔失安全系数法进行评判29-31。1.3 统计分析 总体效应大小用随机效应模型的加权重采样方法计算32。如果 95%的置信区间不与 0 重合，则效果显著为正或负33；如果某一因素不同分组 95%的置信区间不重叠，则分组之间的作用差异显著。采用线性回归分析效应值与各个可量化的影响因子（如年平均降水量、年平均温度、土壤 pH 值等）。Meta 分析采用 METAWIN 2.1软件进行，线性回归分析和图表均使用 Origin 9.0 进行。2 结果与分析 2.1 秸秆还田对主要粮食作物病害的总体影响 本研究共筛选后得到 369 组数据，经罗森塔尔失安全系数分析，发病率和病情指数数据的检验结果分别为失效安全数分别为1 820 206 和 8 883，其统计学意义为至少需要 1 820 206 和 8 883 组具有发表偏倚性的研究数据才能改变本研究的结论，可知数据不存在偏倚29-30。整合分析结果显示，与秸秆不还田相比，秸秆还田总体上会显著增加主要粮食作物的发病率和病情指数，增幅分别为 9.5%和 12.2%（P0.05）（图 1）。2.2 秸秆还田对中国主要粮食作物不同类型病害的影响 与秸秆不还田相比，秸秆还田会显著增加主要粮食作物病毒病害和土传病害的发病率和病情指数（P0.05），但还田后会显著增加二者的病情指数，其中种传病害显著增加 75.7%（P0.05）（图 2）。第 21 期 章力干等：秸秆还田对中国主要粮食作物病害影响的 Meta 分析 95 注：括号内的数值代表样本数，点和误差线分别代表效应值及其 95%的置信区间，如果95%的置信区间没有跨越零线表示处理与对照存在显著差异；下同。Note:The number of observations for each category is given in parentheses，The points and error lines represent the effect value