秸秆还田对作物产量及产量稳定性的影响机制：一项全球尺度的Meta分析

为探究秸秆还田对作物产量及年际波动的调控机制，研究人员通过整合全球44个试验点的185组数据开展Meta分析。结果表明，长期秸秆还田虽未显著提升产量增幅（短期10% vs 长期12%），但将产量变异系数降低9个百分点（短期+27%→长期+18%）。研究发现低NPK输入配合秸秆还田在pH>7.3的弱碱土及500-1200mm降水区可同步实现增产（最高27%）与稳产（变异降低23%），为气候变化下的可持续农业提供了优化方案。

　　

【研究背景】
在全球气候变化加剧的背景下，农作物产量的年际波动已成为威胁粮食安全的隐形杀手。联合国粮农组织数据显示，极端气候事件导致全球谷物产量年际差异高达15-20%，这种波动通过价格传导机制可引发区域性粮食危机。传统农业实践中，秸秆焚烧或移出虽能短期解决田间管理难题，却导致土壤有机质以每年0.5%的速度流失，形成"增产依赖化肥→土壤退化→产量不稳"的恶性循环。中国作为秸秆资源大国，虽已有60%秸秆还田率，但学术界长期聚焦于秸秆的增产效应，对其能否缓解"丰年更丰、歉年更歉"的产量波动困局缺乏系统认知。

西北农林科技大学联合加拿大农业与农业食品部的研究团队，通过大数据挖掘揭示了秸秆还田对产量稳定性的时空调控规律。这项发表于《Soil and Tillage Research》的研究，首次量化了不同环境条件下秸秆还田对产量变异系数(CV)的影响阈值，为精准农业管理提供了理论依据。

【关键技术】
研究团队采用系统评价与Meta分析方法，从Web of Science筛选44个试验站的185组数据，涵盖小麦、玉米和水稻等主粮作物。通过响应比(RR)计算效应值，采用随机效应模型分析秸秆还田对产量均值及变异系数的综合影响。关键协变量包括：试验年限（短期≤5年 vs 长期>5年）、土壤性质（pH、TN、容重）、施肥水平（NPK输入量）及气候因子（年均降水量）。所有统计分析采用R语言metafor包完成。

【研究结果】

1. 秸秆还田对作物产量和产量变异性的总体、短期和长期影响
   • 无论年限长短，秸秆还田使作物平均增产11%（短期10%，长期12%）
   • 产量波动呈现显著时间异质性：短期试验中70%数据点显示变异系数增加27%，而长期试验中58%数据点变异系数仅增18%

2. 短期秸秆还田导致更高产量变异性，而长期秸秆还田降低变异性
   • 微生物氮竞争效应：短期还田时微生物分解秸秆需消耗速效氮，造成作物暂时性氮饥饿
   • 土壤结构改良效应：长期还田使土壤容重降低0.15 g/cm³，孔隙度提升12%，缓冲极端降水影响

3. 土壤性质和管理措施的影响
   • 最佳增产区间：pH 7.3-8.5的弱碱土配合TN≤1 g/kg，增产效果达峰值27%
   • 低投入协同效应：NPK用量减少20%时，秸秆还田使产量变异降低19-23%

4. 气候因子的调节作用
   • 降水阈值效应：500-1200mm年降水区增产显著，<500mm或>1200mm区域可能出现减产
   • 干旱缓冲机制：每增加1吨/公顷秸秆还田量，干旱年份产量损失减少8.3%

【结论与意义】
该研究揭示了秸秆还田的"时间-空间-管理"三维调控规律：时间维度上，5年是用产量波动由增转降的关键转折点；空间维度上，500-1200mm降水带与弱碱土构成最佳适用区；管理维度上，低NPK投入与秸秆还田联用可实现"减施增效稳产"三重效益。这些发现为《巴黎协定》框架下的气候智慧型农业提供了实操方案，特别对东亚季风区（年降水变率>30%）的种植制度优化具有指导价值。

研究创新性体现在三方面：首次建立秸秆还田年限与产量稳定性的量化关系；发现土壤pH与TN的协同调控阈值；提出"降水-施肥-秸秆"三位一体的精准配置模型。正如通讯作者Yongqing Ma指出，该成果为全球粮食系统的气候韧性建设提供了基于自然的解决方案(NbS)，其建立的评价框架可扩展至其他农业废弃物资源化利用研究。