雨养撒哈拉以南非洲地区等高垄作与地表覆盖对土壤水分、作物产量及水分生产力的影响：一项农业水资源管理元分析

《Agricultural Water Management》：Effects of tied ridging and mulching on soil moisture, crop yields and water productivity in rainfed sub-Saharan Africa: a meta-analysis for agricultural water management

　　

• 等高垄作与地表覆盖提高了玉米（maize）与高粱（sorghum）体系的土壤水分（soil moisture）。
• 产量增益（yield gains）显著，但较土壤水分响应具有更强的异质性（heterogeneity）。
• 等高垄作提高了产量，但对玉米水分生产力（Water productivity, WP）显示出不确定效应。
• 地表覆盖对玉米WP产生了强烈且一致的改善作用。
• 建议应基于降雨（rainfall）、土壤类型（soil type）、作物（crop）及区域（region）进行针对性制定。

雨养撒哈拉以南非洲（Sub-Saharan Africa, SSA）小农户的生产体系高度依赖季节性降雨，降雨变率、季节性干旱、高蒸发需求及有限的土壤蓄水能力日益制约雨养农业的表现。由于这些种植系统缺乏灌溉，作物建植、开花与灌浆过程对短期土壤水分亏缺极为敏感；水分亏缺胁迫通过限制蒸腾、养分吸收、光合作用及生殖发育，成为气候变异降低雨养玉米与高粱生产力的主要途径。尽管改善原位土壤水分保持对该地区的农业水资源管理、气候适应及粮食安全规划至关重要，但现有证据仍较零散，单项田间试验常报告积极效应，响应却因降雨制度、土壤类型、区域、作物及管理实践而异。此外，已有研究对水分利用效率（water use efficiency, WUE）与水分生产力（water productivity, WP）的混用造成了概念混淆。因此，定量综合对于明确等高垄作（tied ridging）与地表覆盖（mulching）的土壤水分增益是否能在SSA一致呈现、以及这些增益能否转化为产量与WP效益十分必要，从而超越一刀切的推广建议并识别不同环境条件下的响应模式。

基于Population-Intervention-Comparator-Outcome框架，研究人员系统检索了Scopus与Web of Science数据库中同行评议的田间试验，遵循系统综述与元分析优先报告条目（PRISMA）原则筛选证据。纳入标准限定为SSA地区雨养玉米或高粱农田，干预措施为等高垄作或有机覆盖，对照为常规平作或不覆盖处理，结局指标包括土壤水分、籽粒产量及WP。研究以偏差校正标准化均差（Hedges' g）作为效应量，采用限制性最大似然法（restricted maximum likelihood, REML）拟合随机效应模型（random-effects model），并开展亚组分析、敏感性分析及发表偏倚诊断。样本来源于SSA地区已发表的雨养农业田间试验，涵盖东非、南部非洲与西非等多个区域。该研究为农业水资源管理提供了定量依据，有助于识别不同环境条件下的响应模式并指导差异化推广。

研究人员采用系统性文献检索与PRISMA框架筛选SSA地区雨养玉米与高粱的同行评议田间试验，提取土壤水分、籽粒产量及WP数据；针对仅以图形呈现的数据，利用WebPlotDigitizer进行数字化提取。当原始研究仅报告差异标准误（standard error of difference, SED）时，通过SED_common/√((1/n_t+1/n_c))重建共同标准差（SD_common），并基于处理组与对照组均数及样本量计算Hedges' g。采用REML法拟合各结局-措施-作物组合的随机效应模型，通过亚组分析评估土壤类型、降雨等级（<500 mm、500–700 mm、701–1500 mm、1501–4000 mm）及SSA区域的调节效应；对比较数k≥10的模型采用Egger回归检验与截距-填充法（trim-and-fill）评估发表偏倚（publication bias），并通过留一法（leave-one-out）进行敏感性分析。所有统计分析在R环境中使用metafor包完成。

3.1 证据基础与特征
证据可用性因结局、措施与作物而异，玉米覆盖产量的证据基础最强，WP数据仅来源于玉米体系；地理分布不均，东非、南部非洲与西非研究集中，中非代表性不足。

3.2 等高垄作对土壤水分、籽粒产量与WP的效应
基于随机效应模型，等高垄作显著提高玉米（Hedges' g=2.115, p<0.001, k=10）与高粱（g=1.965, p<0.001, k=10）土壤水分，且异质性极低（I²=0%）；亚组分析显示该措施在多数降雨等级与土壤类型下均呈正向效应。产量方面，等高垄作显著提高玉米（g=1.159, p<0.001, k=26）与高粱（g=1.193, p<0.001, k=13）籽粒产量，但玉米产量异质性较高（I²=67.09%），<500 mm与701–1500 mm降雨下响应最强。WP方面，玉米等高垄作效应不显著（g=0.280, p=0.803, k=4），且异质性极高（I²=80.62%），表明该结局证据有限且变异大。

3.3 覆盖对土壤水分、籽粒产量与WP的效应
覆盖显著提高玉米（g=1.441, p<0.001, k=36）与高粱（g=2.209, p<0.001, k=6）土壤水分，玉米异质性低（I²=11.49%），高粱异质性中等（I²=31.03%）；各降雨等级下玉米土壤水分响应均显著。产量方面，覆盖显著提高玉米（g=1.809, p<0.001, k=75）与高粱（g=1.850, p<0.001, k=9）籽粒产量，但两者异质性均较高（I²=72.37%与65.67%）。WP方面，覆盖对玉米WP产生强烈且一致的改善效应（g=1.977, p<0.001, k=7），异质性可忽略（I²=0%）。

3.4 发表偏倚与稳健性诊断
Egger检验提示部分模型存在小研究效应（small-study effects），trim-and-fill调整后合并估计值降低但效应方向未改变，表明主要发现方向稳健，但部分效应量（尤其产量响应）的幅度需谨慎解读。

讨论部分指出，两项措施均为有效的土壤水分管理实践，但效应因结局而异。土壤水分响应的异质性最低，表明其水文效益在多种雨养环境下具有稳健性；而产量响应较土壤水分响应更为异质，说明土壤水分改善并不总能等比转化为产量增益，其还受降雨分布、土壤肥力、作物管理、覆盖物数量及区域背景的共同影响。等高垄作通过构建微型集水区增加入渗、减少径流，但其对玉米WP的统计不显著可能源于证据不足及其他农艺限制（如养分、杂草）未解决。覆盖则兼具土壤水分保持与水分生产力提升双重功能，通过减少非生产性土壤蒸发、增加蒸腾比例，对玉米WP产生更强且更一致的积极效应。研究强调，年降雨量本身对土壤水分保持的解释力有限，降雨强度、季节内干旱时段及作物阶段特异性水分胁迫可能更为关键。实践层面，推广建议应依据降雨制度、土壤类型、劳动力可用性及残留物供应进行差异化制定，避免一刀切。局限在于证据分布不均、部分产量模型异质性高、缺乏日尺度降雨与作物阶段信息、存在小研究效应，且社会经济指标报告不足。未来研究应加强高粱、中非地区及WP的长期监测，联合报告土壤水分、径流、蒸散量、籽粒产量、WP及劳动力需求等指标。

研究结论表明，等高垄作与地表覆盖均可改善SSA雨养玉米与高粱体系的土壤水分和籽粒产量，其中土壤水分的改善最为一致。等高垄作显著提高两种作物土壤水分与产量，但对玉米WP的效应因证据有限且高度可变而仍不确定；覆盖则对两种作物产生积极效应，并对玉米WP表现出更强、更一致的改善。产量响应较土壤水分响应更具异质性，尤其在玉米中，反映了降雨分布、土壤类型、肥力状况及管理背景的影响。因此，两类措施不应作为统一建议推广：等高垄作更适合径流损失和季节内干旱制约生产的场景，覆盖则在残留物供应充足且蒸发损失较高时更具价值。未来需加强代表性不足领域的证据积累，并通过同时测定水文、农艺与社会经济指标的综合研究，以优化这些措施在小农户雨养系统中的定向推广。