STR | 留茬和少耕对农田土壤物理环境的改善：一个全球meta分析（全文精读）

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论文信息

原名：Residue retention and minimum tillage improve physical environment of the

soil in croplands: A global meta-analysis

译名：秸秆还田和少耕对农田土壤物理环境的改善：一项全球meta分析

期刊：Soil & Tillage Research

2021影响因子：5.374

5年影响因子：4.375

第一作者：Yuan Li，[e-mail]

文章摘要

保护性耕作措施，在这里定义为免耕（NT）或少耕（RT）有/无秸秆还田，已被广泛用于缓解集约耕作措施造成的负面影响。实施有效和可持续的农业需要更深入地了解保护性耕作措施对土壤物理性质的影响。基于1980年以来全球发表的264项研究的数据，本研究探讨了保护性耕作措施对土壤物理特性的影响，包括土壤容重、团聚体大小和稳定性、水力特性和土壤pH。结果表明，NT和RT比传统耕作（CT）分别增加了1.4和2.1%的容重；随着实验时间的延长，容重效应比变化显著降低。与CT相比，保护性耕作增加了团聚体平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）和水稳性团聚体（WSA）。与CT相比，NTS（免耕+秸秆还田）下MWD（51.9%）和WSA（54.9%）增加效果最明显；NT下MWD和WSA的效应比随实验时间的延长而增大。与CT相比，NT提高了24.6%的饱和导水率和10.2%的土壤有效水分含量。与CT相比，NT可使土壤pH降低2.8%。总体而言，保护性耕作措施对许多土壤物理性质有积极影响，这些结果的大小随实验时间的长短有所变化。

1 研究背景

保护性耕作措施，在这里定义为有/无秸秆还田的免耕（NT）或少耕（RT），保护性耕作方法在降低投入成本、提高水分利用效率和保持土壤碳方面具有优势，且已在全球超过1.55亿公顷（11%的全球耕地）的农田上采用；保护性耕作最显著的好处之一是它能够改善土壤的理化性质。

保护性耕作措施通过秸秆还田，减少土壤扰动和碳流失直接影响土壤的物理性质。许多研究已经综合分析了保护性耕作措施对作物产量、土壤酶活性、土壤微生物丰度和温室气体排放的影响。以往的研究表明，土壤物理性质的变化会极大地影响土壤提供的大多数生态服务功能，包括保水能力、土壤侵蚀、养分循环和作物生产力。因此，需要一个系统研究加强我们对全球范围内保护性耕作措施对土壤物理性质影响的认识。

农田土壤的主要物理性质指标包括土壤容重、团聚体粒径和稳定性以及水力性质。传统耕作（CT）是被广泛采用的农田管理措施，主要指深耕土壤使耕作层深度达到200~250毫米。CT对作物生长和种植系统生产力有显著的促进作用。然而，CT也会对土壤结构产生不利影响，从而显著影响土壤的团聚性和水力特性。土壤团聚体粒径的指标有几何平均直径（GMD）和平均质量直径（MWD）。水稳性团聚体（WSA）是土壤结构质量的常用指标。较差的团聚体结构和团聚体稳定性会减少水分入渗，增强可蚀性，降低土壤碳和团聚体保护的养分。保护性耕作通过减少耕作和增加秸秆还田，可以促进土壤团聚体形成。同时，改善土壤的渗透性及饱和导水率等决定土壤水分和养分运移的水力特性。

土壤pH是重要的土壤化学指标之一，对土壤健康、养分有效性和循环、微生物C积累和多样性以及作物生产力具有重要影响。施肥和土地利用变化是土壤pH值变化的关键驱动因素。保护性耕作措施对土壤pH值的影响虽然已有研究，但尚未进行全球定量分析。

近年来，综合研究已经总结了不同保护性耕作措施在国家、区域和全球尺度上对土壤物理性质的影响。然而，这些研究都没有考虑到不同的秸秆还田和耕作管理措施的直接和间接的交互作用。目前还没有基于综合数据集的关于保护性耕作方式对土壤物理性质和土壤pH的影响的最新的全球综合研究。我们假设保护性耕作措施能减少土壤干扰，提高微生物的丰度和多样性；从而改善土壤的各种物理结构。我们还认为保护性耕作措施会增加土壤容重，降低土壤pH值。因此，这个全球范围的meta分析的目标是：1）确定保护性耕作对土壤物理性质和土壤pH变化的方向和幅度；2）评价实验时间和保护性耕作对土壤物理性质变化的交互作用。

2 研究方案

通过ISI Web of Science（http://apps.Webofknowledge.com/）和中国知识资源综合数据库（http://www.cnki.net/）检索1987年1月至2018年4月的期刊文章，收集相关文章。具体关键词包括：“土壤物理性质”、“水力导流性”、“团聚体”、“有效水分”、“孔隙度”、“容重”和“养护措施”、“耕作”。为了尽量减少偏差，我们按照以下标准来选择和收录文章；（1）选取的文章包括对照（CT）和基于田间实验的保护性耕作措施；（2）meta分析结果的平均值和标准误差（≥3田间重复）；（3）秸秆还田和耕作措施为实验的主要处理。根据这些标准，最终收集到264篇同行评审的期刊文章（图1）。

通过计算每个土壤性质指标的响应比（lnRR）来分析数据，即比较处理（NT，RT，NTS，RTS）与对照（CT）的自然对数。最终结果表示为处理组与对照组的加权响应比（RR₊₊，也定义为效应量）。Meta分析使用rma中的限制性最大似然估计（RMLE）进行。利用Pearson相关分析土壤性质之间的相关性。同时，使用meta回归研究土壤性质的响应比与实验时间之间的线性关系。

图1 meta分析中所用研究的地理分布。

3 结果与讨论

3.1 保护性耕作措施对土壤容重和紧实度的影响

与CT相比，NTS、NT和RT分别使土壤容重了增加1.4%，2.6%，2.1%（图2）。然而，最近一篇综合62项研究结果的综述论文表明，NT可以增加或减少土壤容重，这取决于NT管理下的持续时间。同样，与CT相比，NT显著地使土壤紧实度增加了36.5%。与NT相比，NTS处理土壤容重和紧实度分别下降2.9%和10.1%。meta回归结果还表明，随着实验持续时间的增加，NT降低了土壤容重的效应比，秸秆还田使土壤容重效应比的降低（表1）。随着实验持续时间的增加，NT处理的土壤紧实度效应减小，但秸秆还田逆转了这种趋势。

这项meta分析表明，保护性耕作确实增加了土壤容重；然而，NT处理下最大容重低于可能影响作物生长的临界值。本研究发现保护性耕作措施下，粘土、壤土、砂土和粉土的平均容重为分别为1.35，1.37，1.40和1.45 Mg m⁻³。而在粘土、壤土、砂土和粉土中，限制植物生长的容重阈值为1.40，1.70，1.70和1.50Mg m⁻³。

图2 不同保护性耕作措施下a）土壤容重（BD）和b）土壤紧实度（PR）的效应量。

表1 在各种保护性耕作措施下，土壤性质效应比大小（y）与实验持续时间（x）的meta回归。

3.2 保护性耕作对土壤团聚体大小、稳定性和孔隙度的影响

总的来说，MWD和GMD可以反映土壤中不同粒径团聚体比例的变化。与CT相比，所有保护性耕作措施都增加了GMD（图3）。NTS和CTS分别导致GMD增加了6.3%和10.6%。NTS（0.22）的效应比显著高于NT（0.06）。

与CT相比，所有保护性耕作措施都显著增加了MWD，NTS（51.9%）和NT（49.0%）的效果最大。与NT相比，NTS使MWD增加了20.3%。

与CT相比，所有保护性耕作措施都增加了WSA。NTS组的效应比最大（0.44）。与NT相比，NTS使WSA增加了42.3%。与CT相比，NT和RT导致WSA分别增加31.0和20.6%。此外，RTS和CTS分别使WSA增加了19.1和15.6%。此外，NT处理下，MWD和WSA的效应比随着实验长度的增加而增加（表1），秸秆还田进一步增强了效应比。

与连续耕作相比，保护性耕作措施显著减少了土壤扰动，并增强了土壤表层的有机质积累。富含土壤有机质的稳定团聚体具有较低的润湿性，减少了团聚体的崩解。秸秆还田也可缓冲地表附近的土壤水分和温度波动，从而更好地防止土壤团聚体崩解。相反，CT直接破坏土壤团聚体，将团聚体保护的大部分碳暴露在大气中，从而加速了有机质的分解。

保护性耕作会增加土壤紧实度，相反，CT扰动土壤并增加土壤孔隙度。本研究中，NT、RT和RTS对总孔隙度几乎没有影响（图4）。与CT相比，CTS处理的土壤总孔隙度增加了2.5%；NTS土壤总孔隙度分别增加了2.3%和3.5%。

图3 不同保护性耕作措施下a）平均质量直径（MWD）、b）几何平均重量直径（GWD）和c）水稳性团聚体（WSA）的效应量。

图4 a）土壤总孔隙度和b）不同养护耕作措施下土壤毛管孔隙度的效应量。

3.3 保护性耕作对土壤饱和导水率和有效持水量的影响

由于干旱、洪水和土壤侵蚀事件的不断发生，管理土壤水力特性变得越来越重要。饱和导水率对耕作制度响应的一致性低于土壤其他物理性质的响应。Blanco-Canqui和Ruis发现，在一半的研究中，NT并不影响饱和导水率。与CT相比，NT显著提高了24.6%的饱和导水率（图5）。留茬的保护性耕作方式可以通过保留中、大型土壤动物活动形成的大孔隙和腐烂的根，进而提高饱和导水能力。然而，即使在同一块地内，导水能力的空间变异性也相当大，这会极大地影响保护性耕作措施所产生的效果。这在一定程度上解释了其研究结果的异质性。此外，保护性耕作系统中缺乏土壤结构扰动也增加了土壤大孔隙空间分布的异质性，导致饱和导水率和其他土壤结构属性的变异性增加。

总体而言，与CT相比，保护性耕作措施持续增加了土壤有效水分。这可能是由于保护性耕作在增加了C输入同时减少了对土壤的干扰。土壤有机质积累的增加可以通过促进土壤团聚体的形成，从而增加土壤中小孔隙和大孔隙的数量，为土壤微生物的生长创造有利的环境。与NT相比，NTS增加了10.2%的土壤有效水。

Blanco-Canqui和Ruis最终得出结论，与CT相比，NT并不总是提高土壤持水能力；NT效应似乎与处理的时间无关。然而，我们的研究表明，在NT下，随着试验时间的增加，饱和导水率效应幅度将增大。此外，随着实验持续时间的延长，AWC的效应量在RT和NT处理中显著增加（表1）。

3.4 保护性耕作对土壤pH的影响

保护性耕作通常会降低土壤pH值，然而，NT处理下的土壤pH值保持在5.5以上。与CT相比，NT处理导致土壤pH值降低了2.8%（图6）。这种影响可能是由于初始有机质含量较高或土壤有机质分解增加，导致与有机阴离子相关的氢离子释放增加；加速铵盐向硝酸盐的转化；NT促进根系生长，从而增加了根系分泌物。此外，土壤扰动抑制氮肥渗入更深的土壤剖面，从而增强了地表土壤的酸化。相反，CT有助于肥料均匀分配，从而减少表层土壤的酸化。

与CT相比，NTS使表层土壤pH值增加1.3%。然而，RTS处理没有产生与NTS相同的结果。可能的解释是，与NTS相比，RT的中度土壤干扰促进了植物残留物的重新分布，促进了有机质的快速分解，从而降低了对表层土壤pH变化的缓冲能力。

图5 a）饱和导水率和b）不同养护耕作措施下土壤有效水容量的效应量。

图6 不同保护性耕作措施对土壤pH的效应量。

4 研究结论

本研究采用基于全球数据集的meta分析，结果证明保护性耕作措施对土壤物理性质有许多积极影响，但影响的大小和趋势取决于保护性耕作措施所持续时间以及是否秸秆还田。与对照组(CT)相比，保护性耕作增加了MWD、GMD、WSA和AWC。随着实验时间的增加，NT条件下MWD、WSA和AWC的效应量显著增大。此外，尽管保护性耕作措施导致了土壤容重的增加和土壤pH值的降低，但这些土壤指标的上限值通常低于显著影响作物生产的阈值；随着实验持续时间的延长，其作用也会减弱。

原文链接 ↓

https://doi.org/10.1016/j.still.2019.06.009

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