秸稈還田對中國主要糧食作物病害影響的Meta分析

章力干，石心怡，王玉寶，楊欣潤,2，余 舫，江 彤，常婷婷，馬 超

秸稈還田對中國主要糧食作物病害影響的Meta分析

章力干1，石心怡1，王玉寶1，楊欣潤1,2，余 舫1，江 彤3，常婷婷4，馬 超1※

（1. 農田生態保育與污染防控安徽省重點實驗室，安徽省綠色磷肥智能制造與高效利用工程研究中心，自然資源部江淮耕地資源保護與生態修復重點實驗室，安徽農業大學資源與環境學院，合肥 230036；2.南京農業大學資源與環境科學學院，南京 210095；3.安徽農業大學植物保護學院，合肥 230036；4.河海大學農業科學與工程學院，南京 210095）

秸稈還田作為一項重要的生態農業措施，對于農作物病害的影響一直備受關注卻尚未形成完全一致的觀點。為明確秸稈還田對中國主要糧食作物病害的影響及其在不同病害類型、環境條件和農業管理方式下的具體表現，該研究采用Meta方法，系統分析了公開發表的中國范圍內秸稈還田對作物病害影響相關研究。結果表明：秸稈還田會顯著增加中國主要糧食作物病害發病率和病情指數，增幅分別達9.5%和12.2%（<0.05）。病害類型、環境條件和農業管理措施會顯著改變秸稈還田對作物病害發生的影響。具體地，病毒病害和土傳病害對秸稈還田的響應較為敏感；亞熱帶季風氣候下還田病害顯著減輕，溫帶季風氣候下顯著加重，水田下還田病害較輕，旱地，尤其是冬小麥與春玉米輪作下還田病害加重顯著，微酸性土壤中還田病害輕于微堿性土壤，此外，土壤有機質含量大于15 g/kg、土壤小于7 000 kg/hm2、初始碳氮比大于15時還田均會導致病害的加重。線性回歸分析顯示，秸稈還田病害發生與年平均降雨量、有機質含量呈顯著負相關，與初始碳氮比和土壤pH值呈正相關。綜上，通過增加初始氮肥用量、改善土壤墑情以及在微酸性土壤上的應用，可最大限度地減少秸稈還田下中國主要糧食作物的病害發生。研究可為中國主要糧食作物病害的綠色防控以及秸稈資源高效利用提供理論依據。

作物；秸稈；病害；主要糧食作物；發病率；病情指數；Meta分析

0 引 言

中國秸稈每年生產量超過10億t，其中三大主要糧食作物秸稈產量接近8億t[1]。秸稈富含N、P、K等多種營養元素及有機質等，秸稈還田具有提高土壤肥力、改良土壤結構和提高作物產量等作用[2-3]。然而，隨著秸稈還田的不斷推廣，越來越多的證據顯示秸稈還田可能會增加農作物的病害，且在糧食作物上表現的尤為明顯[4]。而小麥、玉米和水稻作為中國主要糧食作物，明確秸稈還田對其病蟲害發生的影響具有重要意義。為此，前人開展了大量田間試驗[5-6]，但由于獨立的田間試驗結果會受到其特定的試驗條件的影響，導致相關研究的結論表現出較大的變異性。有學者指出秸稈還田能夠抑制病原菌生長和病害的發生，但也有研究表明秸稈還田后作物病害明顯加重[7-8]，以小麥為例，喬玉強等[7]研究表明，秸稈還田提高了小麥赤霉病病穗率和病情指數，并且隨施氮量的增加，赤霉病病穗率和病情指數均呈遞增勢；而Rodgers-Gray等[8]的研究指出秸稈還田減少了冬小麥赤霉病、白粉病等病害的發生。上述分歧產生的原因可能與其環境條件和農業管理措施有關[9-12]。目前，秸稈施用對作物病蟲害發生的綜合效應及影響因素并不清楚。例如，秸稈還田對作物病蟲害的影響是否因氣候條件和土壤性質不同而異，當季作物種類、秸稈類型和還田量是否會影響秸稈還田的作用效果。此外，前述問題難以通過傳統的單一小區試驗研究解決。前人研究表明，Meta分析研究可以對現有試驗數據進行綜合的定量化分析，系統分析某種措施的綜合效應及其影響因素，能夠有效解決單組試驗不能解決的問題。

綜上，本研究擬采用Meta分析方法，對全國范圍的主要糧食作物秸稈還田獨立試驗結果進行綜合分析，定量研究秸稈還田對中國主要糧食作物病害的影響及其在不同環境條件和農業管理措施下的差異，以探明秸稈還田對中國主要糧食作物病蟲害的綜合效應及影響因素。

1 材料與方法

1.1 數據收集與分類

以“秸稈還田或殘茬保留或秸稈摻入（straw return or residue retention or straw incorporation）、病害（diseases）、水稻（rice）、小麥（wheat）、玉米（maize）”為關鍵詞，在中國知網、Web of Science進行文獻檢索，收集2021年12月之前公開發表的期刊論文。通過以下標準來進行文獻篩選：1）試驗區域為中國且在田間進行試驗；2）同一試驗需包含配對的處理組和對照組，處理組為秸稈還田，對照組為秸稈不還田，且處理組和對照組除秸稈還田與否之外，其他試驗條件嚴格一致；3）收集數據包含發病率、病情指數及其他相關信息；4）種植作物種類為水稻、小麥和玉米三大糧食作物?；谝陨蠘藴?，共篩選出符合要求的數據369組，涉及河北、安徽、江蘇等糧食生產大省，覆蓋了中國東北、華北、西北和東南4個區域，本文收集的數據主要源于以下文獻（表1）。

表1 Meta分析所用的研究

本文根據獲取數據情況及前人研究經驗綜合考慮，選取病害類型（氣傳病害、種傳病害、病毒病害、土傳病害）、氣候類型（亞熱帶季風氣候、溫帶季風氣候和溫帶大陸性氣候）、土壤pH值（<6.5、6.5～7.5、>7.5）、土壤有機質（Soil Organic Matter，SOM）（≤15 g/kg、>15 g/kg）[23]作為環境因素，還田條件（旱地和水田）、作物類型（水稻、小麥、玉米）、秸稈類型（水稻、小麥、玉米）[24]、秸稈還田量（<4 000 kg/hm2、4 000～7 000 kg/hm2、>7 000 kg/hm2）和還田初始C/N（<15、15～25、>25）作為農業管理措施，以闡明秸稈還田對糧食作物病害的影響。其中氣傳病害主要包括小麥銹病、水稻稻瘟病、玉米大小斑病等；種傳病害主要包括小麥赤霉病、水稻惡苗病等；病毒病害主要包括水稻條紋葉枯病、小麥黃矮病等；土傳病害主要包括玉米紋枯病、小麥紋枯病等。還田初始C/N的計算式如下[25]：

式中為秸稈施用量，g/hm2；Cs為秸稈碳含量，g/kg；Ns為秸稈氮含量，g/kg，Nf為基礎氮肥使用量，g/hm2。

1.2 整合分析

以對照組（秸稈不還田）糧食作物的發病率或病情指數與處理組（秸稈還田）糧食作物的發病率或病情指數的比值為響應比。采用式（2）計算效應值[26]。

ln=ln(X/X)（2）

式中為響應比，ln為效應值，X和X代表秸稈還田處理和秸稈不還田處理下水稻、小麥或玉米的發病率或病情指數。

Meta分析得到效應值，用式（3）計算作物病害效應的變化百分數：

lnRR=(elnR?1)×100% （3）

式中lnRR為處理組相對于對照組病害增加或減少的變化。

發表偏倚檢驗使用R語言中的“metafor”軟件包[27-28]進行分析，采用Egger test法或羅森塔爾失安全系數法進行評判[29-31]。

1.3 統計分析

總體效應大小用隨機效應模型的加權重采樣方法計算[32]。如果95%的置信區間不與0重合，則效果顯著為正或負[33]；如果某一因素不同分組95%的置信區間不重疊，則分組之間的作用差異顯著。采用線性回歸分析效應值與各個可量化的影響因子（如年平均降水量、年平均溫度、土壤pH值等）。Meta分析采用METAWIN 2.1軟件進行，線性回歸分析和圖表均使用Origin 9.0進行。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田對主要糧食作物病害的總體影響

本研究共篩選后得到369組數據，經羅森塔爾失安全系數分析，發病率和病情指數數據的檢驗結果分別為失效安全數分別為1 820 206和8 883，其統計學意義為至少需要1 820 206和8 883組具有發表偏倚性的研究數據才能改變本研究的結論，可知數據不存在偏倚[29-30]。整合分析結果顯示，與秸稈不還田相比，秸稈還田總體上會顯著增加主要糧食作物的發病率和病情指數，增幅分別為9.5%和12.2%（<0.05）（圖1）。

2.2 秸稈還田對中國主要糧食作物不同類型病害的影響

與秸稈不還田相比，秸稈還田會顯著增加主要糧食作物病毒病害和土傳病害的發病率和病情指數（<0.05）；秸稈還田雖對氣傳病害和種傳病害的發病率的增加未達顯著水平（>0.05），但還田后會顯著增加二者的病情指數，其中種傳病害顯著增加75.7%（<0.05）（圖2）。

注：括號內的數值代表樣本數，點和誤差線分別代表效應值及其95%的置信區間，如果95%的置信區間沒有跨越零線表示處理與對照存在顯著差異；下同。

2.3 不同環境條件下秸稈還田對主要糧食作物病害的影響

在亞熱帶季風氣候地區，秸稈還田會顯著降低中國主要糧食作物病害的發病率和病情指數，分別降低了24.9%和16.6%（<0.05）；而在溫帶季風性氣候地區，秸稈還田則會顯著增加中國主要糧食作物病害的發病率和病情指數，分別增加了26.2%和21.7%（<0.05）（圖3）。對比土壤狀況發現，酸性土壤下秸稈還田，作物病害發病率顯著降低了41.6%（<0.05）；在堿性土壤條件下還田，作物病害的發病率和病情指數顯著增加，分別達26.2%和18.4%（<0.05）；中性土壤條件下秸稈還田，作物病害的病情指數顯著增加14.6%（<0.05）（圖3）。而從SOM含量上看，SOM >15 g/kg下秸稈還田會顯著增加中國主要糧食作物病害的發病率和病情指數，分別增加了26.2%和9.2%，≤15 g/kg的條件下秸稈還田顯著增加作物病害的病情指數27.1%（<0.05）（圖3）。

圖2 秸稈還田對主要糧食作物不同病害類型發病率和病情指數的影響

注：STM：亞熱帶季風氣候；NTM：溫帶季風氣候；NTC：溫帶大陸氣候。SOM為土壤有機質。下同。

2.4 不同農業管理措施下秸稈還田對中國主要糧食作物病害的影響

旱地進行秸稈還田會顯著增加中國主要糧食作物病害的發病率（13.8%，<0.05）和病情指數（16.3%，<0.05），但在水田條件下作物病害發病率卻顯著降低了24.9%（<0.05）（圖4）。在作物為玉米和水稻時，秸稈還田對病害發病率和病情指數的影響不顯著，而當作物為小麥時病害發病率和病情指數顯著增加，分別增加了8.6%和15.6%（<0.05）（圖4）。玉米秸稈還田將作物病害的發病率和病情指數分別顯著增加16.2%和18.0%，而水稻秸稈還田卻使得作物病害發病率顯著降低了43.7%（<0.05）（圖4）。秸稈還田量>7 000 kg/hm2時，作物病害的發病率和病情指數分別顯著了16.5%和14.3%（<0.05）；初始C/N為15～25時也會顯著增加病害發病率（26.2%，<0.05）和病情指數（18.9%，<0.05），但是當C/N>25時，秸稈還田僅會顯著增加病害病情指數（圖4）。

圖4 不同農藝措施下秸稈還田對主要糧食作物發病率和病情指數的影響

2.5 秸稈還田對中國主要糧食作物病害影響與環境和管理因子關聯性分析

通過線性回歸分析了6個環境變量（年平均降雨量、年平均溫度、pH值、SOM、秸稈還田量和還田初始C/N）對秸稈還田效應值的影響（圖5）。結果顯示，中國主要糧食作物病害發病率對秸稈還田的響應與年平均降雨量呈顯著負相關（<0.05），而與土壤pH值呈極顯著正相關（<0.01）；中國主要糧食作物的病害病情指數對秸稈還田的響應與年平均降雨量（<0.01）和土壤有機質含量（<0.05）分別呈極顯著和顯著負相關，而與初始C/N卻呈顯著正相關（<0.05）。

注：lnR1為發病率效應值，lnR2為病情指數效應值。

3 討 論

3.1 秸稈還田對主要糧食作物病害的總體影響

研究結果表明，秸稈還田與秸稈不還田相比會顯著增加中國主要糧食作物病害的發病率和病情指數，尤其對土傳病害和病毒病害（圖1和圖2）。這或歸因于還田秸稈中本身存在一些病原菌，秸稈還田后會將其自身攜帶的病菌帶入土壤，并為病菌提供了生存場所，導致病菌數量不斷累積，增加初侵染源數量導致病害的加重發生[34]。至于種傳病害也會因秸稈還田而有所增加（圖2），主要原因可能是因為秸稈中存在有病殘體植株，如果未經過處理就直接混入土壤中，可導致土壤中病原菌數量大量增加，極易導致種傳病害的發生[35]。此外，秸稈混入土壤后還可通過增加耕層土壤的溫度和濕度[9]以及釋放多種營養元素等為病原菌提供較為充足的營養和生長條件[21]，從而促進病原菌的存活，導致水稻、小麥和玉米等作物病害發生程度顯著加重。

3.2 不同環境條件和下秸稈還田對主要糧食作物病害的影響

亞熱帶季風氣候區進行秸稈還田能顯著降低中國主要糧食作物病害（圖3）。這可能歸因于亞熱帶季風氣候的高溫高濕條件超出了病原菌生長最適范圍，不利于病害的發生[36]，降雨量較大時秸稈更易被發酵腐解，病原菌喪失優良的存活場所，導致病原菌數量顯著下降[37]，且降水強度過大，尤其是降大暴雨或連續降雨，對于部分病菌如小麥白粉病等是不利的，因為這會使得病株上的菌絲變褐、表面黏結、減少和延長分生孢子的產生和傳播[38]。線性回歸分析也表明，秸稈還田后糧食作物的發病率和病情指數均隨年平均降水量的增加而下降（圖5a和5g）。研究發現溫帶大陸性氣候也屬于不適宜病菌生存的環境，而溫帶季風性氣候屬于較為適宜的氣候條件，原因可能是其降雨和溫度條件有利于大多數病菌的繁殖和擴散，其田間條件下更加適宜病原菌的生存，因此還田后顯著增加作物病害的發病率和病情指數[39]。中性和堿性土壤條件下秸稈還田會顯著增加中國主要糧食作物病害，而在酸性土壤條件下作物病害顯著降低（圖3）。這可能是由于酸性條件不利于病原菌的生存，研究表明，秸稈腐解產生的酸性物質能抑制病原菌生長，且濃度越高抑制作用越強[40-41]。然而，無論SOM含量小或大，秸稈還田均會顯著增加農作物病害的病情指數，且較高的有機質含量導致病害更為嚴重（圖3和圖5）。這或是由于土壤有機質通過提供營養的方式促進了病原菌的增殖，導致作物病害加重發生[4]。

3.3 不同農藝管理措施下秸稈還田對主要糧食作物病害的影響

旱地秸稈還田會顯著增加中國主要糧食作物病害的發病率和病情指數，而水田秸稈還田后作物的發病率卻會顯著降低（圖4）。這可能是秸稈混入旱地后易導致表層土壤的濕度和溫度升高，有利于病原菌的生長和繁殖[42-43]；而水田條件下土壤病原菌則會因其厭氧環境和秸稈厭氧發酵而受到抑制[44-46]。玉米秸稈還田可顯著增加作物病害的發病率和病情指數，這或是由于玉米本身品種和病害種類多樣，以及玉米秸稈還田極大地增加了多種病原菌在土壤中的數量，導致這些土傳病害逐年加重[47-48]。此外，水稻、玉米和小麥病原菌寄生轉化性的差異也是其發病率發生變化的原因[49-50]。當作物類型為小麥時病害會顯著增加，這可歸因于小麥根系分泌物對病原菌的繁殖或孢子萌發均有明顯促進作用[51-52]。秸稈還田量>7 000 kg/hm2時會顯著增加作物病害的發病率和病情指數，而<7 000 kg/hm2時對作物病害的發生影響不顯著。這可能是秸稈可為病原菌的繁殖提供基質和營養[42]，還田秸稈量大時會將更多的病原菌帶入土壤，增加病害的發生可能性[21]。初始C/N范為15～25時顯著增加發病率和病情指數，而>25時顯著增加病情指數，這可能是因為氮肥施用不足導致微生物與作物競氮，導致作物苗期生長弱、易染病。線性回歸顯示，作物病害與初始C/N比呈顯著正相關，也證實了上述推論[53-54]。

本研究是應用Meta分析對秸稈還田條件下主要糧食作物病害及其影響因素進行了初步定量的分析，這有助于揭示秸稈還田對主要糧食作物病害影響機制。但病害發生受多種因素的影響，這些因素之間可能存在一定的交互作用，對病害影響機制還需要進一步的研究。

4 結 論

對發表文獻進行Meta分析，研究結果表明：

1）整體而言，與不還田相比，秸稈還田增加了中國主要糧食作物病害，可使發病率增加9.5%，病情指數增加12.2%。

2）在不同環境條件和農業措施下，秸稈還田對病害發生的影響表現出明顯差異。其中，亞熱帶季風氣候下秸稈還田引起的病害會減輕，而溫帶季風氣候下病害加重；土壤偏酸性時秸稈還田導致的病害會減少，而土壤偏堿性時病害會增加；水田條件下還田秸稈帶來的病害會降低，而在旱地，特別是麥玉輪作制度下秸稈還田后作物的病害會增加。

3）秸稈還田下作物病害會隨著土壤有機質、秸稈還田量、初始C/N的增加而增加。

綜上，在中國年平均降雨量和年平均溫度較高的區域，水田和偏酸性土壤條件下進行秸稈還田不會導致嚴重的病害發生，并且秸稈還田時提高初始氮肥用量和改善土壤墑情將有助于減少秸稈還田后作物病害。

致謝：衷心感謝南京農業大學韋中教授在研究設計和數據分析過程中給予的寶貴建議！

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Meta-analysis for the impacts of straw return on the diseases of major grain crops in China

Zhang Ligan1, Shi Xinyi1, Wang Yubao1,Yang Xinrun1,2, Yu Fang1, Jiang Tong3, Chang Tingting4, Ma Chao1※

(1.,230036,; 2.,,210095,; 3.,230036,; 4.,,210095)

Straw returning has been one of the most important practices in agricultural management. At the same time, crop diseases, in this case, have been always concerned in China. It is a high demand to clarify the effect of straw returning on the prevalence of diseases of main grain crops. In this study, a meta-analysis was conducted to determine the overall impact of straw returning on the occurrence of the main grain crop diseases. The key factors were also evaluated in response to various environmental factors and agronomic interventions. The data was collected from the published studies before December, 2021. The effective data was selected from the works of literature including: 1) the experiments were conducted in the croplands of China, and 2) the same experiment needed to include the paired treatment and control group. The treatment group was the straw returning to the field, and the control group was no straw returning. The rest experimental conditions of the treatment and control group were strictly consistent, except for whether the straw returned to the field or not. 3) The collected articles contained the incidence rate or disease index data. 4) The crops and returned straw were set as the main food crops rice, wheat, and maize. A total of 369 data sets were obtained to classify, according to the environmental conditions and agricultural management measures. Specifically, the environmental conditions included the climate type, soil pH, and soil organic matter (SOM). Agricultural management measures included the land use type, crop type, straw type, straw returning amount, and initial C/N. The results showed that the straw returning to the field significantly increased the incidence rate and disease index of the main grain crops, indicating an increase of 9.5% and 12.2%, respectively (<0.05). There was a most serious increase in the virus and soil-borne diseases. Different environmental conditions and agricultural management practices presented a significant impact on the occurrence of major grain crop diseases under straw returning. Among them, the diseases of returning farmland decreased significantly in the subtropical monsoon climate, whereas, there was an increase in the temperate monsoon climate. Returning rice straw to the paddy field was beneficial to the reduction of the diseases. The disease increased significantly in the dry land, especially the wheat-corn rotation. The disease in the slightly acidic soil was lower than that in the slightly alkaline soil. In addition, the occurrence of diseases significantly increased under the conditions of soil organic matter (SOM), the straw returning amount, and the initial C/N were greater than 15 g/kg, 7 000 kg/hm2, and 15, respectively. The linear analysis demonstrated that there was a strong negative correlation of the annual precipitation and organic matter content with the occurrence of straw-returning disease, whereas, the initial C/N and soil pH presented a substantial positive correlation. Therefore, straw returning to the paddy fields and acidic soil cultivation greatly contribute to the fewer diseases in China with the high annual average rainfall and warmth. At the same time, a better way is to raise the initial application rate of nitrogen fertilizer.

crops; straw; diseases; main crop; incidence rate; disease index; Meta-analysis

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.21.012

S141.9; S432

A

1002-6819(2022)-21-0093-08

章力干，石心怡，王玉寶，等. 秸稈還田對中國主要糧食作物病害影響的Meta分析[J]. 農業工程學報，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 China[J]. 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

2022-03-33

2022-08-10

國家自然科學基金項目（32071628）；安徽省科技重大專項(201903b06020013)；安徽省高校自然科學研究項目（KJ2021ZD0009）；安徽省大學生創新創業項目（S20211036113）

章力干，副教授，研究方向為養分高效利用研究。Email：zhligan@ahau.edu.cn

馬超，博士，副教授，研究方向為土壤生態學研究。Email：chaoma@ahau.edu.cn