水稻是我国重要的粮食作物之一，其产量在全国粮食总产量的占比达到了 1/3 以上。土壤肥力是限制水稻高产和稳产的重要因素之一^[1]。近年来我国稻田土壤肥力下降，进一步限制了水稻产量的提高，同时单季稻种植模式还存在冬闲田的问题。种植绿肥还田在解决冬闲田问题的同时还能提高稻田复种指数、改善土壤肥力，促进水稻增产^[2]。因此，探究种植绿肥对水稻产量和土壤肥力的影响及其关键作用因子对于水稻高产稳产、土壤培肥等具有重要意义。

种植绿肥对土壤腐殖质和有机质有着较好的提升作用，在提高土壤养分有效性和改善土壤理化性质上具有显著效果^[3-5]。高嵩涓等^[6]发现紫云英-稻草联合还田相对于单独稻草还田，水稻产量增加了 11.71%。王璐等^[7]研究表明，秸秆还田配合种植绿肥可使土壤有机质、全氮和速效氮分别增加 10.85%、7.83% 和 5.66%。然而很少从不同种植区域、管理措施（如施氮量）、土壤理化性质等方面探讨种植绿肥对水稻产量及土壤肥力的影响特征。首先在品种和其他管理措施相对稳定的情况下，施肥处理的产量主要决定于施肥处理本身与环境互作效应^[8]，其次我国的水稻种植面积较大，不同种植区域因地力基础或农民耕作措施使得土壤肥力差异较大^[9]，这就导致土壤肥力和水稻产量对绿肥的响应特征不同^[10]。因此，探明不同稻田土壤肥力水平下种植绿肥对水稻产量及土壤肥力的影响，进而为各水稻种植区域不同水稻种植制度下合理种植绿肥提供依据显得尤为重要。

首先，独立田间试验研究难以准确回答较大区域上种植绿肥对产量的影响，且在不同种植区域探究种植绿肥对水稻产量和土壤肥力的影响及其关键因素的研究到目前为止还鲜见报道。其次，基于随机森林算法——一种高效的组合分类方法，根据变量重要性程度提取特征变量^[11]。进而探究绿肥对水稻产量和土壤肥力影响的关键因素。因此，本研究运用整合分析方法，探讨不同土壤背景、绿肥品种、水稻种植模式、施氮量等因素下种植绿肥对水稻产量和土壤肥力的综合效应，明确不同因素水平下种植绿肥的效果，并通过随机森林模型明确产生影响的关键因素。旨在为种植绿肥提升土壤肥力和水稻产量提供理论支持，也为水稻-绿肥轮作制的制定和推广提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究是对 2011 年 1 月 1 日 —2022 年 12 月 30 日已发表的文献进行数据的收集、整合与分析。在中国知网（CNKI）和 Web of Science 数据库设置 “水稻”“绿肥”“产量”“土壤肥力”和“Rice”“green manure”“yield”“soil fertility”关键词进行文献检索。文献筛选中需通过以下条件进行控制：（1）以水稻为研究对象的大田试验，且具有确切的试验地点与时间；（2）相同试验须同时包含冬闲田（FFP）和种植绿肥（GM）处理，且具有相应的产量（双季稻产量为两季总产量）和土壤肥力的数据或者其中之一；（3）每个试验处理至少有 3 次的重复；（4） 试验前土壤的基础理化性质（土壤有机质、全氮、速效氮、有效磷、速效钾含量和 pH）以及水稻期的施肥量（水稻整个生育期的施氮量，双季稻的施氮量为两季稻施氮量的加和）有明确说明；（5）绿肥在试验前冬季空闲田时种植的，成熟之后翻压还田，且 GM 和 FFP 水稻施肥和其他管理相同。针对选择的每一个研究，可以直接从表格中获取原始数据，而对于文献中以图呈现的数据需通过用 Get Data Graph Digitizer 2.24（Get Data Pty Ltd，Kogarah NSW 2210，澳大利亚）提取。经过筛选，共获取62 篇文献，产量数据 291 组，土壤有机质数据 217 组，土壤全氮数据 151 组等，表1 是对文献中解释变量的具体划分，解释变量包括有地区（根据绿肥生长环境并根据武良^[12]的划分方法进行划分）、水稻种植模式及土壤有机质、全氮、速效氮、有效磷、速效钾含量、pH、施氮量、绿肥种类。本研究中绿肥种植连续年限（yr.）有明确结果的有 358 组，其中 1 ≤ yr. ≤ 3 的有 322 组，占比 90%， 3<yr. ≤ 5 的有 24 组，占比 7%，yr.>5 的仅有 12 组，占比 3%，因此本研究未对绿肥种植年限进行分组。

种植绿肥是影响水稻产量和土壤肥力的重要因素。本文参考 Zhang 等^[13]研究将施氮水平划为 3 个水平；土壤养分指标分类以第二次土壤普查为准^[14]，将土壤有机质含量、土壤全氮含量、土壤速效氮含量、土壤有效磷含量、土壤速效钾含量、土壤 pH 均划分为高、中、低 3 水平。见表1。

注：长江流域包括湖北省、江苏省、湖南省、江西省、安徽省、河南省南部、上海市，南方地区包括广东省、福建省、浙江省、广西省。其他为天津市和陕西省，由于样本数分别为 4 和 10 组，故不做统计。豆科包括紫云英、箭筈豌豆、毛叶苕子等，非豆科包括油菜和黑麦草；混合绿肥是两种或者两种以上绿肥品种混合，至少包括 1 种豆科和 1 种非豆科。

1.2 数据计算与分析

整合分析方法可对多个相互独立的研究结果进行定量综合评价^[15]。本研究采用 Meta Win 2.1 进行整合统计分析^[16]，为了描述绿肥对水稻产量和土壤肥力的影响，用自然对数响应比 lnR 来表示^[13]：

$\mathrm{l}\mathrm{n}R=\mathrm{l}\mathrm{n}\left(X_A/X_B\right)$

式中，X_A 和 X_B 分别是 GM 和 FFP 对应的水稻产量、土壤肥力的平均值。在分组计算合并效应时，利用对独立的响应比进行加权处理^[17]，公式如下：

$\begin{array}{c}V=\frac{S{D}_a^2}{n{x}_a^2}+\frac{S{D}_b^2}{n{x}_b^2}\\ W=\frac{1}{V}\end{array}$

式中，V 为平均变异系数，W 为权重系数，$S{D}_a^2$ 和 $S{D}_b^2$ 分别代表 GM 和 FFP 处理的标准差，由于分析的大多数研究没有报告结果的标准偏差，因此，通过产量平均数的 5% 作为相应处理的标准差（SD）。其中 n 分别对应 GM 和 FFP 各自的重复数。采用随机效应模型计算平均效应值，95% 置信区间（CI） 采用 bootstrapping（n=4999）法进行估计。本研究中的合并效应值以百分比表示，通过公式（${\mathrm{e}}^{\ln R}-1$） ×100% 进行换算^[18]。

如果一个变量的 95%CI 重叠于零，表明该种 GM 处理的变量被认为与 FFP 处理无显著差异。如果分类变量的 95%CI 没有重叠，则认为它们的均值存在显著差异，在零刻度右边表明 GM 显著高于 FFP；左边表明 GM 显著低于 FFP^[19]。通过卡方检验对不同分组间的效应值进行异质性检验，若检验结果 P<0.05，表示分组间结果存在异质性，采用随机效应模型，反之采用固定效应模型^[20]。

1.3 数据与分析

采用 Excel 2010 进行数据整理，采用 Meta Win 2.1 进行 Meta 统计分析。运用 SPSS 22.0 单因素分析中的 Duncan 法进行显著性分析。随机森林方法则是运用 R 语言中的软件包“Random Forest”来计算各因素对种植绿肥“增效”作用的重要度，采用 Sigmaplot 10.0 和 Origin 9.0 绘图。

2 结果与分析

2.1 种植绿肥处理下水稻产量和土壤肥力差异及其响应比的分布

利用 Meta 分析了 271 组水稻产量和 195 组土壤有机质的响应比（本研究水稻的响应比是指种植绿肥对产量和土壤有机质的提升幅度），且分布检验表明全部响应比符合正态分布（P<0.01），水稻产量和土壤有机质含量的响应比平均值分别为 0.10±0.10 和 0.10±0.13，因此不用进行数据转换而直接进行因素分析，下述响应比进一步转化为提升幅度。见图1。

注：曲线代表数据呈极显著的正态分布（P<0.01）；M 和 SE 分别代表数据的平均值和标准误。

2.2 种植绿肥对水稻产量提升的影响

2.2.1 不同水稻种植区和水稻种植模式下种植绿肥对产量增幅的影响

与 FFP 处理相比，GM 处理能显著提高水稻的产量（图2）。在不同种植区域下，GM 处理对产量的提升幅度表现为长江流域稻区（10.21%）>南方稻区（10.03%）。在不同水稻种植模式下，GM 处理对单季稻产量和双季稻产量的提升幅度分别为 9.87% 和 9.95%，且差异不显著（P>0.05）。

2.2.2 不同全氮、速效氮、有效磷和速效钾含量下种植绿肥对产量增幅的影响

不同土壤条件下 GM 处理对水稻产量的影响具有显著性差异（图3）。GM 处理对产量的提高受到稻田土壤养分影响。就土壤全氮含量而言，GM处理较 FFP 处理在低全氮含量（≤ 1.5 g/kg）下对水稻产量的提升幅度为 10.85%，在中等全氮含量 （1.5～2 g/kg）和高全氮含量（>2 g/kg）下提升幅度仅分别为 8.56% 和 8.52%，可见随着全氮含量的增加，GM 处理对产量的提升幅度呈下降趋势。就速效氮含量而言，在速效氮含量较低（≤ 90 mg/kg） 情况下，GM 处理的水稻产量提升幅度（17.70%）显著高于速效氮含量较高（>150 mg/kg）情况下的提升幅度（8.54%）。随着速效钾含量的增加，GM 处理对水稻产量的提升幅度呈先增加后减少的趋势。在低有效磷含量（≤ 10 mg/kg）下，GM 处理的产量提升幅度最高为 11.56%，而中等有效磷（10～20 mg/kg）和高有效磷含量（>20 mg/kg）的提升幅度相对较低，分别为 7.66% 和 8.96%。可见，在较低土壤养分下种植绿肥对水稻产量的提升效果更佳。

注：点和误差线分别代表响应比及其 95% 的置信区间，如果误差线没有跨越零线表示处理和对照存在显著差异；后面的数值代表样本数。下同。

2.2.3 不同有机质含量、pH 下种植绿肥对产量增幅的影响

由图4 可知，GM 处理对水稻产量的提高受到土壤有机质含量和 pH 影响。随着有机质含量的增加，GM 处理对水稻产量的提升幅度呈下降趋势，有机质含量≤ 20 g/kg 时产量提升幅度为 12.34%；20 g/kg<有机质含量≤ 30 g/kg 时为 9.63%；有机质含量 >30 g/kg 时为 7.13%。偏酸性土壤（pH ≤ 6.5）下， GM 处理对产量提升幅度最高，为 10.78%，而在中性 （6.5～7.5）和偏碱性（>7.5）土壤上的提升幅度较低，分别为 7.51% 和 7.33%。总体来看，绿肥的增产效果在土壤理化性质上存在差异，在较低有机质含量和偏酸性的土壤下，GM 处理后水稻产量的增幅较高。

2.2.4 不同施氮量、绿肥种类下种植绿肥对产量增幅的影响

由图5 可知，GM 处理对水稻产量的提高与施氮量及绿肥种类有着密切的关系。施氮量是影响水稻增产的一个重要因素。低施氮量（≤ 150 kg/hm²） 下的产量提升幅度为 12.47%，比中施氮量（150～250 kg/hm²） 和高施氮量（>250 kg/hm²）下的提升幅度分别高 4.41 和 5.15 个百分点，综合不同绿肥种类而言，绿肥种类为豆科绿肥时，GM 对产量的提升幅度（12.47%）分别是种植非豆科绿肥（7.22%）和混合绿肥（6.32%）的 1.7 和 2.0 倍。综上所述，在配施较低施氮量下种植绿肥对水稻产量的增幅效果更好，豆科绿肥对产量的提升效果优于非豆科绿肥和混合绿肥。

注：NR，施氮量；TGM，绿肥种类。

2.3 种植绿肥对土壤有机质的提升

2.3.1 不同种植区、水稻种植模式、土壤养分下种植绿肥对土壤有机质含量提升的影响

GM 处理对有机质含量有着较大的提高（图6）。南方稻区种植绿肥对有机质含量的提升幅度 （21.17%）高于长江流域稻区（6.85%），且 GM 处理后 2 个稻区的土壤有机质含量平均分别可达到 29.68 和 38.42 g/kg，显著高于 FFP 处理（P<0.05）。在不同水稻模式下，FFP 处理的有机质含量分别为 28.03 和 29.79 g/kg，GM 处理后有机质含量分别显著增加了 1.76 和 3.59 g/kg。全氮是影响土壤有机质含量提升的重要因素之一，GM 处理全氮含量由低到高下的土壤有机质含量分别为 27.81、30.83 和 36.37 g/kg，相对于 FFP 处理分别增加了 3.96、1.40 和 2.36 g/kg。就速效养分（速效氮、有效磷、速效钾含量）而言，GM 处理下土壤速效养分含量中等或较高时对土壤有机质含量提升较好，增幅分别为 14.96%、22.47% 和 13.12%。

注：n 代表样本数，* 表示 P<0.05；** 表示 P<0.01。increase 为提升幅度；GM：种植绿肥；FFP：冬闲田。下同。

2.3.2 不同土壤有机质含量、pH、施氮量和绿肥种类下种植绿肥对有机质提升的影响

由图7 可知，GM 处理对有机质含量提高与稻田基本土壤理化性质和绿肥种类有着很大的联系。随着有机质含量的增加，GM 处理对有机质含量的提升幅度分别为 6.02%、13.63% 和 8.81%，呈现先增加后降低的趋势。在偏酸性土壤下，GM 处理对有机质含量的提升幅度最大（9.81%），中性土壤次之（5.64%），碱性土壤最低（2.05%）。施氮量是影响有机质含量提升的重要因素之一，施氮量由低到高，GM 处理对有机质含量的提升幅度分别为 12.56%、6.95% 和 22.36%，在高施氮量下有机质含量可达到 31.45 g/kg，且在 3 种不同施氮水平下 GM 处理的有机质含量均显著高于 FFP （P<0.01）。在种植不同种类绿肥下 GM 处理的有机质含量均显著高于 FFP（P<0.05），GM 处理中种植豆科绿肥、非豆科绿肥和混合绿肥的有机质含量分别为 30.92、 25.54 和 34.36 g/kg，其中种植混合绿肥下，GM 处理对有机质含量的提升幅度相对较高（12.69%）。总之，在中等土壤理化性质和偏酸性的土壤中种植绿肥对土壤有机质含量的提升效果较好；种植混合绿肥对土壤有机质含量的提升优于种植豆科绿肥和非豆科绿肥。

2.4 影响种植绿肥效果的主控因素

GM处理下，影响水稻产量和土壤肥力提高的主控因素存在差异（图8）。GM 处理下对水稻产量的提升作用主要受有机质含量（ 重要度 18.47%）、施氮量（ 重要度 15.51%）、有效磷含量（重要度 15.00%）的影响，三者的总贡献率达到 48.98%；对有机质的提升作用主要受地区（重要度 13.54%）、速效钾含量（重要度 12.41%）、速效氮含量（重要度 11.48%）的影响，总贡献率达到 37.43%。

注：柱后的数字代表各因素的重要度。NR：施氮量；SOM：有机质；AN：速效氮；AK：速效钾；AP：有效磷；TN：全氮；pH：酸碱度；RT：水稻种植模式；TGM：绿肥种类；region：地区。

3 讨论

3.1 种植绿肥对水稻产量提升的影响

本研究中，GM 较 FFP 能够促进水稻增产，在不同水稻种植区域、土壤状况、施氮量和绿肥种类下水稻产量的增幅不同。绿肥是稻田中重要的有机肥源^[21]，GM 能调整土壤结构，促进养分循环^[22]，实现水稻增产。吴玉红等^[23]研究表明种植绿肥能使水稻产量增产 8.59%。然而受到以下因素影响增产幅度不同。首先，本研究中长江流域稻区的产量提升幅度高于南方稻区（图2），是因为在中国南方水稻种植区，高温多雨，使得豆科作物固氮能力有所下降^[24]，削弱了绿肥对水稻的增产效果。其次，曾祥明等^[25]研究发现与不施肥处理比较，高地力和低地力下施肥产量分别平均提高 17.3% 和 30.3%。这与本研究结果相似。研究中在低土壤肥力状况下，GM 对水稻产量的提升幅度最大，原因可能是低肥力土壤对氮肥敏感性更强^[26]，低氮情况下，水稻结实率较高，与水稻穗数的相关性更大^[27]。此外，绿肥增产还受施氮量的影响，胡启良等^[28]研究发现，施肥较不施肥处理早稻产量增加 24.42%～39.23%，晚稻增产 19.34%～31.59%，徐新朋等^[29]进一步发现当施氮量小于 180 kg/hm² 时，单位面积穗数和有效穗数随着施氮量的增加而增加，从而产量得到提高。在本研究中施氮量≤ 150 kg/hm² 时，GM 对产量的提升幅度较大（12.47%）。这可能是因为在施用适当的氮肥后，作物对氮肥的利用率提高，从而有助于水稻的增产^[30]。同时也可能是在土壤地力基础较差条件下土壤氮素依存率低，使得从外界加入土壤中的氮贡献最大，施肥增产的潜力大^[25]。最后，由于不同区域因地带气候特征的不同导致 GM 对产量的影响差异较大^[31]，所以我们应注意绿肥品种选择上的因地制宜。胡启良等^[28]研究发现绿肥混播下，早稻和晚稻增产效果好，本研究发现种植豆科绿肥对产量提升幅度优于非豆科和混合绿肥，分别为 12.47%、7.22% 和 6.32%，导致此结果可能与豆科绿肥具有较强的固氮能力有关。同时本研究中并未进行土壤中微生物以及物理作用对水稻产量提升的影响，需进一步进行分析。

3.2 种植绿肥对稻田土壤肥力提升的影响

GM 在不同水稻种植区域、种植条件（如土壤状况、施氮量）和绿肥种类下对稻田土壤肥力的提升效果有所差异。绿肥还田具有提升土壤养分含量、改善土壤肥力的作用^[32]。本研究还进一步发现 GM 对土壤有机质含量提升表现为混合绿肥的提升效果最好（12.69%），陶云彬等^[33]通过 11 年的定位试验发现，绿肥混播还田处理土壤有机质含量最高，较初始值提高了 34%，土壤培肥效果优于紫云英清种还田。熊迎等^[34]研究发现混播绿肥下水稻植株的氮积累优于单种豆科绿肥，分别为 58.2 和 54.1 kg/hm²。一方面可能是混播中不同绿肥可以同时发挥各自的优势，能够更好地提高土壤肥力，提升方面也更加地全面^[35]，另一方面，GM 增加土壤有机质含量的同时促进了土壤固碳^[36]。同时本研究还发现 GM 南方稻区的土壤有机质含量提升最大（21.17%），这可能也与土壤碳氮含量有关。因为温度和降水强烈影响土壤有机碳的输入和输出过程，是土壤有机碳平衡的决定性因素^[37]，Chen 等^[38]发现年均降水量在 400～800 mm 时土壤有机碳储量的增加幅度最大，>800 mm 时土壤全氮储量的增加效应明显。除此之外，GM 提升土壤肥力还受土壤含氮量的影响，李文慧等^[24]研究发现土壤基础条件较差的地区土壤碳氮储量增加效应最高，分别达 32.3% 和 34.1%，这与本研究结果一致。造成此结果的原因可能是初始土壤碳氮含量高的地区容易发生碳氮损失，而初始土壤碳氮含量低的地区则更容易实现固碳^[39]。在水稻种植过程中，施氮量是影响土壤肥力提升的又一重要因子。廖育林等^[40]指出种植绿肥配施化肥较不施肥土壤有机质含量提升了 14.7%，研究中进一步发现施氮量≥ 250 kg/hm² 时，GM 对土壤有机质含量的提升效果（22.36%）更佳（图7），可能是施氮量较高有利于土壤中活性氮组分的转化^[30]，加速绿肥腐解转化为有机质，培肥地力^[41]。GM 除了能提高土壤肥力外，还能减少温室气体排放^[35]，其环境效应及机制需要深入研究。

3.3 影响绿肥“增效”作用的主控因素

总体来看，施氮量及有机质和有效磷含量是影响绿肥增产的主控因素（图8），可能因为土壤是作物生长的直接载体，土壤性状的变化会直接影响作物对养分的吸收利用^[42]，种植绿肥后土壤因子（如有机质和有效磷）作用于绿肥，当绿肥翻压还田时可能会对水稻增产产生较大影响，同时 Carvalhais 等^[37]研究发现土壤中的碳氮平衡也是影响水稻产量的重要因素之一，杨馨逸等^[30]进一步研究发现施氮会影响土壤中活性氮组分的转化，因此施氮量在影响绿肥对水稻增产方面也尤为重要。其次，与影响绿肥增产不同，影响绿肥增加土壤有机质的主控因素是地区及速效钾和速效氮含量（图8），Carvalhais 等^[37]研究发现气候条件是影响土壤有机质平衡的决定性因素，不同地区的气候差异较大，对绿肥生长造成差异影响，随之相对于其他因素，地区因素在绿肥增加土壤有机质含量上影响较大。除此之外，速效养分（速效钾和速效氮）作为主控因素之一，是因为不同地区速效钾含量差异较大，比如我国南方地区土壤钾含量普遍较低^[43]，这样对绿肥造成较大影响；而速效氮含量会影响绿肥转化为有机质^[42]，所以两者在影响绿肥“增效”上发挥重要作用。

4 结论

种植绿肥对水稻产量和土壤肥力均有显著的提高，具体结论如下：

（1）长江流域稻区种植绿肥对水稻产量的增幅高于南方稻区，而对土壤肥力的增幅表现为南方稻区较高，需要深入分析限制因素提高效能。

（2）低土壤肥力下，种植绿肥促进水稻增产增效的作用显著；反之，则增产增效作用不显著。

（3）施氮量不超过 150 kg/hm² 时，种植绿肥对水稻增产效果好；施氮量约 250 kg/hm² 以及土壤 pH 略低（≤ 6.5）有利于提升土壤有机质。

（4）绿肥提高稻田有机质含量要选用混合绿肥种类，提高水稻产量方面豆科绿肥更好，绿肥种植要综合考虑绿肥种类因素。

参考文献