《Agronomy》：Meta-Analysis of the Factors Influencing Straw Return Effects on Maize Yield in China
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背景：秸秆还田（Straw return，将作物残留物返还农田的耕作措施）作为土壤改良和养分循环的重要实践，在提升土壤肥力和作物生产力方面具有巨大潜力。然而，在不同的生态环境和农业管理条件下，其增产效果及主要驱动因素仍不明确。为探讨这一问题，研究人员基于已
背景：秸秆还田（Straw return，将作物残留物返还农田的耕作措施）作为土壤改良和养分循环的重要实践，在提升土壤肥力和作物生产力方面具有巨大潜力。然而，在不同的生态环境和农业管理条件下，其增产效果及主要驱动因素仍不明确。为探讨这一问题，研究人员基于已发表的数据开展了一项荟萃分析（Meta-analysis，对多项独立研究结果进行定量综合的统计方法），以对数响应比（Log response ratio）作为效应量（Effect size，衡量处理效应大小的标准化指标），并辅以亚组分析（Subgroup analysis）和偏最小二乘结构方程模型（Partial least squares structural equation modeling, PLS-SEM），定量评估了秸秆还田对玉米（Zea mays L.）产量的影响并识别了主要影响因素。结果：与不进行秸秆还田相比，秸秆还田显著提高了玉米产量，总体增产幅度为26.75%（p < 0.001）。在不同管理措施中，秸秆还田配施氮肥的增产效果最为突出。气候条件显著影响产量响应，干旱地区（增产28.8%）和半湿润地区（增产25.3%）的增产幅度较高。秸秆还田在低至中等养分水平的土壤中增产效果更为明显，表明秸秆还田可有效缓解土壤养分限制。种植制度和管理措施对玉米产量也发挥了重要的调控作用。偏最小二乘结构方程模型显示，种植制度（路径系数0.26）和管理措施（0.38）对玉米产量具有显著正向效应，而土壤因素（?0.236）则呈现显著负向效应。气候因素通过影响土壤性质间接调控玉米产量，而土壤因素亦通过影响种植制度间接影响玉米产量。结论：秸秆还田被证实是提升中国玉米生产力的高效且可持续的田间管理措施，其效果在很大程度上取决于氮肥施用制度、种植制度和管理措施。未来需进一步开展微生物和酶学机制研究，并应将其纳入后续的荟萃分析中，以补充微观层面的理论证据，为秸秆资源的高效利用提供科学依据。
**论文解读**
**一、研究背景与问题提出**
玉米是全球重要的粮食作物，在粮食安全、饲料供给和工业生产中发挥着关键作用。在中国，玉米种植面积和总产量持续增长，2025年种植面积已达4496万公顷，总产量达30124万吨。集约化玉米生产在保障粮食供应的同时，也产生了大量秸秆残留物。秸秆还田（Straw return）作为资源化利用秸秆和改善土壤质量的有效途径，已成为可持续玉米生产的重要措施。
秸秆还田可通过协调土壤化学、物理和生物学性质的变化来改善土壤质量。一般而言，秸秆还田能够提高土壤有机碳（Soil organic carbon）和养分有效性，降低土壤容重（Soil bulk density），改善团聚体稳定性（Aggregate stability）和持水能力。同时，秸秆输入为微生物提供底物，刺激微生物生物量和胞外酶活性，从而加速土壤有机质的分解与转化。这些变化又通过改变底物供应、微生物活性、土壤水分、通气性和温度来调控碳氮矿化速率，而气候条件则可改变这些过程及其对秸秆还田的响应。因此，秸秆还田对玉米生产力的影响不仅取决于秸秆投入本身，还受到环境和农艺条件的制约。近年来的研究越来越强调气候、土壤性质、氮素投入、种植制度和秸秆管理等因素在决定产量响应中的作用。然而，这些因素往往被单独考察，其综合效应及对玉米产量的相对贡献和潜在交互作用在国家尺度上尚未得到充分量化。针对上述研究空白，亟需一个整合性框架来定量评估产量响应的总体效应，并识别不同因素调控该响应的直接和间接路径。
**二、研究内容与意义**
基于上述背景，研究人员对全国范围内已发表的田间试验进行了荟萃分析（Meta-analysis），并进一步运用偏最小二乘结构方程模型（Partial least squares structural equation modeling, PLS-SEM）解析各因素对玉米产量的直接和间接效应，以期为秸秆资源高效利用和农田可持续管理提供科学依据。
**三、关键技术方法**
研究人员从ScienceDirect、Web of Science和中国知网（China National Knowledge Infrastructure, CNKI）三大数据库中检索了1981年至2025年间发表的相关文献，经筛选后共纳入203篇文献，包含3395个观测值，试验地点覆盖中国黄淮海平原、东北平原和长江中下游等主要玉米产区。数据提取采用Engauge Digitizer从图表中获取数据，利用R软件（版本4.4.1）进行统计分析和荟萃分析：使用metafor包计算效应量（以对数响应比lnRR表示）并构建随机效应模型（Random-effects model），使用multcompView包进行多重比较，使用mice包进行缺失值插补，使用plspm包构建偏最小二乘结构方程模型。相对变化率（Relative change rate, RCR）用于标准化不同研究间的差异，95%置信区间（Confidence interval, CI）采用重抽样方法估计，异质性统计量Q
b用于评估各独立试验结果间的异质性。
**四、主要研究结果**
**（1）秸秆还田在不同因素下对玉米产量的影响**
在全国尺度上，与不进行秸秆还田相比，秸秆还田总体上使玉米产量显著提高26.75%（p < 0.001）。在秸秆还田条件下，所有考察因素的增产效应均显著优于不还田处理。其中，氮肥施用的增产率最高（45.49%），随后依次为土壤pH（43.67%）、全钾（Total potassium, TK, 32.54%）、还田管理措施（30.93%）、全磷（Total phosphorus, TP, 29.34%）、全氮（Total nitrogen, TN, 28.18%）、速效钾（Available potassium, AK, 28.07%）、土壤有机质（Soil organic matter, SOM, 27.20%）、速效磷（Available phosphorus, AP, 26.82%）、速效氮（Available nitrogen, AN, 26.10%）、土壤质地（25.80%）、秸秆还田量（19.84%）、种植密度（19.49%）、年均降水量（Mean annual precipitation, MAP, 19.16%）、年均温（Mean annual temperature, MAT, 19.16%）和试验年限（11.18%）。
**（2）气候因素的影响**
依据年均降水量，研究区域被划分为四个气候带：干旱区（MAP < 300 mm）、半干旱区（300–500 mm）、半湿润区（500–900 mm）和湿润区（≥900 mm）。秸秆还田在所有降水带中均显著提高了玉米产量（p < 0.001），增产幅度分别为干旱区28.8%、半湿润区25.3%、湿润区19.6%和半干旱区11.6%。半湿润和干旱地区的增产效果显著优于半干旱地区，分别高出118.1%和148.3%。年均温也显著影响产量响应：年均温在10–15 °C条件下的增产效应（31.0%）显著高于5–10 °C（18.2%）和15–20 °C（13.8%）组，增幅分别为70.3%和124.6%；<5 °C组（26.2%）亦显著高于15–20 °C组（高出89.9%）。
**（3）土壤性质的影响**
就土壤有机质而言，SOM < 10 g kg
?1的土壤中产量增幅显著高于SOM > 20 g kg
?1的土壤（高出101.89%）。对于全钾、速效氮和速效磷，低至中等养分水平下普遍观察到更高的增产幅度。在土壤质地方面，黏土（Clay）和壤土（Loam）条件下的增产率分别为42.8%和29.9%。总体而言，秸秆还田在低至中等土壤养分条件下的增产效应更为突出。
**（4）种植制度和管理措施的影响**
在不同种植密度处理下，秸秆还田均显著提高了玉米产量：60,000–80,000株 ha
?1组的增产效应显著高于<60,000株 ha
?1组（高出71.63%）。随着秸秆还田量的增加，玉米产量的效应量呈下降趋势，但组间差异不显著。试验年限方面，1–5年和5–10年的增产率分别为20.7%和21.0%，随着试验年限的延长，增产效应呈增加趋势。在管理措施方面，秸秆还田配施氮肥的增产率（52.3%）显著高于秸秆还田单独施用（28.1%）和秸秆还田配施耕作措施（27.0%），分别高出93.70%和86.12%。在耕作方式中，深翻还田（Deep tillage with straw return, 62.2%）、深松还田（Subsoiling with straw return, 75.5%）和免耕覆盖还田（No-tillage straw mulching, 60.5%）均显著提高了玉米产量，处理间差异不显著。氮肥施用量方面：<200 kg ha
?1的增产率为50.4%，200–300 kg ha
?1为52.8%，>300 kg ha
?1为34.0%，其中200–300 kg ha
?1组的增产效应相对更高。
**（5）各因素相对贡献的综合分析**
偏最小二乘结构方程模型揭示了不同因素影响玉米产量的直接和间接路径。在直接路径中，管理措施和种植制度对玉米产量具有显著正向效应（p < 0.001），路径系数分别为0.26和0.38；而土壤因素对玉米产量具有显著负向效应（p < 0.01）。在间接路径中，土壤因素对种植制度具有显著正向效应（p < 0.001），进而影响玉米产量；气候因素与土壤因素呈显著负相关（p < 0.05）；土壤因素和气候因素均对氮肥投入具有显著正向效应（p < 0.001），但氮肥投入对玉米产量的直接效应不显著。
**五、讨论与结论**
在讨论部分，研究人员围绕气候因素、土壤因素、管理措施及各因素的综合贡献展开深入分析。在干旱地区，秸秆还田可通过增加土壤有机质含量、改善土壤结构和增强土壤持水能力来有效缓解干旱胁迫；在半湿润地区，秸秆还田的保水效应与适宜的降水条件形成协同效应。关于土壤因素，黏土和壤土因其较强的保水保肥能力更有利于秸秆分解和养分释放；碱性土壤中秸秆还田的增产效应更强，而酸性土壤中微生物活性受到抑制，秸秆还田可有效缓解这些限制。管理措施方面，种植密度增加使秸秆还田的增产效应提升；秸秆还田量在6000–9000 kg ha
?1时产量表现最佳，但超过9000 kg ha
?1可能导致产量下降；长期试验（>10年）中产量响应趋于增强。氮肥与秸秆还田之间存在显著的协同效应，200–300 kg ha
?1的施氮量表现出较高的增产效果，而过量施氮可能导致氮素淋失和温室气体排放。综合模型结果表明，气候通过调控土壤条件和投入水平间接影响生产系统，而土壤性质和管理措施作为系统内的关键中介和调节因子发挥重要作用。同时，研究人员也指出本研究的局限性：土壤微生物特性、土壤结构和持水能力未被纳入分析，未来纳入上述因子的荟萃分析将进一步完善对秸秆还田调控玉米产量机制的理解。
研究结论：秸秆还田在全国尺度上显著提高了玉米产量，总体增产幅度为26.75%，表明其是提升玉米生产力的重要农艺措施。在不同管理组合中，秸秆还田配施氮肥的增产效果最为突出，表明补充氮肥可有效缓解秸秆分解过程中微生物与作物之间的氮素竞争。气候条件显著影响秸秆还田的产量响应。种植制度和管理措施对秸秆还田的产量响应具有显著的调控作用。偏最小二乘结构方程模型进一步揭示，种植制度和管理措施是玉米产量的主要直接驱动因素，而土壤因素则呈现显著的负向效应。总体而言，秸秆还田是提高玉米产量的有效措施，其效果由气候条件、种植制度和管理措施共同塑造。这些发现强调了根据当地条件优化秸秆和氮肥管理以最大化秸秆还田增产效益的重要性。未来需要进一步开展微生物和酶学机制研究，并应将其纳入后续的荟萃分析中。
