《European Journal of Agronomy》：From application methods to rate recommendations: Integrated strategies for improving maize response to zinc fertilization
编辑推荐：
锌肥局部施用较撒施显著提升玉米产量，尤其在碱性土壤（pH>7）、有机质10-20 g/kg、氮含量>1 g/kg条件下优势更明显，建议根据DTPA锌含量分级施用（0.5-1.0 mg/kg用8 kg/ha，1.0-1.5 mg/kg用4 kg/ha，>1.5 mg/kg用3 kg/ha）。情景分析显示全国推广标准施用率6.8 kg/ha可使玉米增产3.9%，区域增量2.3%-4.4%。
高富成|陈珊|周成祥|于宝刚|邹春勤
中国农业大学资源与环境科学学院养分利用与管理实验室，北京 100193
摘要
锌（Zn）缺乏是全球玉米产量和谷物品质的主要限制因素，尤其是在碱性土壤中。传统的撒施锌肥的效果往往受到土壤固定作用和高空间变异性的限制。本研究评估了局部施锌相较于撒施锌肥的优越性，并确定了推荐的施用量。此外，还开发了空间明确的、分层管理土壤锌的策略，以提高玉米生产力，为不同农业生态系统的养分管理提供了定量依据。通过结合元分析和随机森林（RF）建模，评估了局部施锌与撒施锌肥的效果，并预测了不同农业生态系统中的产量响应。结果表明，局部施锌在提高谷物产量方面明显优于撒施方法，产量增加了8.8%，而撒施方法仅增加了5.2%。这种优势在pH值大于7的碱性土壤、土壤有机质（SOM）含量为10–20克/千克以及土壤总氮（N）含量大于1克/千克的条件下尤为明显。我们发现年降水量和土壤DTPA-Zn含量是预测产量响应的主要因素。推荐的锌肥施用量取决于土壤锌的状态：当土壤DTPA-Zn含量为0.5–1.0毫克/千克时，施用量为8千克/公顷；当土壤DTPA-Zn含量为1.0–1.5毫克/千克时，施用量为4千克/公顷；当土壤DTPA-Zn含量超过1.5毫克/千克时，施用量为3千克/公顷。情景分析表明，如果全国统一采用推荐的6.8千克/公顷的锌肥施用量，中国的玉米产量平均可增加3.9%，各地区的增幅范围为2.3%至4.4%。本研究通过明确局部施锌在何种情况下具有产量优势，并定义了调整施用量的土壤锌阈值，为玉米锌肥施用提供了统一的框架。这些指导措施有助于更高效地利用锌资源，并为不同农业生态系统中的玉米生产力提升提供了可行的策略。
引言
玉米（Zea mays L.）是全球农作物生产中的重要主粮作物，对粮食安全和农业可持续性具有重大贡献。在微量元素中，锌（Zn）对玉米生长和谷物品质至关重要，但农业土壤中锌的缺乏现象普遍存在。全球约有50%的谷物种植土壤存在锌缺乏问题，中国31%的玉米生产区域的锌有效含量较低或极低，这限制了玉米的产量潜力和谷物中的锌含量（Broadley等人，2007年；Cakmak和Kutman，2018年）。因此，优化锌肥施用策略对于维持玉米生产力和提高膳食锌摄入量至关重要（Moulick等人，2023年）。
施用土壤锌肥具有双重优势：既能提高作物产量，又能改善锌的营养价值（Cakmak和Hoffland，2012年）。研究表明，在水分充足条件下，撒施锌肥可使玉米产量增加12.5%；在非水分限制条件下，产量增加7.5%（Zhang等人，2020年）。然而，锌肥的回收效率通常低于5%，重复施用后大部分锌会累积在土壤中（Noulas等人，2018年）。大量研究表明，施肥方式的改变可以改善作物对相对不移动养分的吸收。局部施用磷（P）可以促进根系增殖并增强养分吸收，从而提高产量（Shen等人，2013年）。局部施锌的机制在于锌的有效性受快速吸附和沉淀反应以及向根部的缓慢扩散过程的影响，尤其是在碱性或钙质土壤中。在高pH值下，由于难溶性锌相的形成和吸附作用的增强，溶液中的锌活性急剧下降，从而减少了能够有效供给根部的锌量。研究表明，在锌缺乏的土壤中，低施用量无法带来持续的效果，而需要持续施用2.5千克/公顷的锌肥才能获得满意的产量（Lakshmi等人，2021年）。Liu等人（2017年）发现，在钙质土壤中，连续两年每年施用10千克/公顷的锌肥可使玉米产量显著增加（三年试验期间，产量从7.86毫克/公顷增加到8.44毫克/公顷，增幅为7.4%）。另一项为期六年的研究也表明，每年施用10千克锌肥能有效改善锌缺乏土壤中的作物产量（Lakshmi等人，2021年）。
尽管撒施锌肥操作简便，但其高昂的成本常常促使农民减少施用量或完全放弃使用，从而导致锌缺乏和产量下降。此外，土壤性质（如pH值、有机质和碳酸盐含量）也会影响锌的有效性（Hafeez，2013年）。元分析显示，靠近种子的局部施锌可使玉米产量平均增加4.5%（Nkebiwe等人，2016年）。因此，根据具体地点调整锌肥施用量可以显著提高锌的生物有效性，通过改变根际微环境来实现。然而，现有研究存在局限性：（1）大多数研究仅限于单一生态区，缺乏对多种环境因素相互作用对施肥效果影响的全面分析；（2）实际操作中，锌肥施用量往往与土壤DTPA-Zn含量不匹配，可能导致施用不足或过量。此外，给定DTPA-Zn水平下的产量响应存在变异性，因为这些响应同时受到气候和农艺管理的影响。因此，现有的锌管理策略缺乏空间适应性和实用性，无法满足精准农业的需求。
本研究结合元分析和随机森林（RF）建模来解决这些互补问题。元分析综合了田间证据，以验证局部施锌是否优于撒施锌，并确定差异最明显的土壤和管理条件。随后，我们使用基于RF的预测框架来估计不同环境和管理条件下玉米产量对锌施用量的响应，从而对不同锌施用量策略下的潜在产量增益进行情景分析。通过独立的训练-测试划分和10折交叉验证来评估模型的稳健性。本研究旨在：（1）利用元分析量化局部施锌是否优于撒施锌，并确定与响应变异性相关的土壤和管理因素；（2）研究产量响应如何随基础土壤锌状态的变化而变化，以确定不同锌有效性类别下的锌施用量范围；（3）利用针对中国的数据驱动模型，评估预测产量响应如何随锌施用量的变化而变化，为区域情景评估提供数据条件下的指导。区域情景结果基于汇编的数据集，旨在为更大范围的锌施用量决策提供指导。然而，将这些发现转化为具体地点的施用建议需要独立的空间验证和严格的不确定性量化。
文献检索与数据提取
文献来源于Web of Science和中国国家知识基础设施（CNKI）数据库，时间范围为1990年至2024年5月，因为早期研究可能无法反映当前情况。Web of Science的检索使用了以下公式：“maize OR Zea mays L. AND zinc OR Zn OR micronutrient OR trace element”。检索使用了逻辑运算符（AND、OR）和通配符（*）以实现全面覆盖。为确保元分析的准确性和减少偏差，对研究进行了筛选。
不同锌施用方法对玉米产量和谷物锌含量的总体影响
无论是局部施用还是传统撒施锌肥，都能显著提高玉米产量和谷物锌含量。图S2和图S3显示了不同因素下的产量分布情况。与不施锌的对照组相比，局部施锌使玉米产量增加了8.8%（95%置信区间：7.1%-10.6%），而撒施锌使产量增加了5.2%（95%置信区间：4.4%-6.0%），这两种施用方法之间存在统计学上的显著差异。
锌施用方法对产量和谷物锌含量的影响
我们的元分析表明，局部施锌比传统撒施锌更有效地提高玉米生产力。局部施锌使产量增加了8.8%，显著优于撒施锌带来的5.2%的增幅。两种施用方法都显著提高了谷物中的锌含量。值得注意的是，锌施用的效果受到关键环境因素的调节。在碱性土壤（pH值大于7）中，产量响应最为显著。
结论
本研究通过元分析和随机森林建模系统地评估了不同锌施用方法对玉米产量和谷物锌含量的影响及其主要驱动因素。局部施锌使玉米产量增加了8.8%，而撒施锌仅增加了5.2%。在pH值较高的土壤中，局部施锌的产量优势更为明显，这表明在碱性、锌缺乏的土壤中应优先考虑局部施锌。
CRediT作者贡献声明
邹春勤：撰写初稿、监督、资源协调、资金获取。周成祥：数据验证、软件开发、方法论设计。于宝刚：数据可视化、资源管理、方法论实施。高富成：撰写初稿、数据验证、软件开发、资源协调、调查工作、数据分析。陈珊：数据整理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢所有为本研究提供数据集的个人和机构。同时感谢审稿人对我们手稿提出的建设性建议和意见。本研究得到了国家重点研发计划（2023YFD1900600）、德国研究基金会（DFG，项目编号328017493/GRK 2366，中德国际研究培训项目AMAIZE-P）以及相关研究基金的资助。
