《European Journal of Agronomy》：Impacts of climate variability and multiple fertilization strategies on rainfed maize production in Sub-Saharan Africa
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在撒哈拉以南非洲，雨养玉米生产深受气候多变性和土壤肥力下降的双重制约。为解决此问题，研究人员利用DSSAT-CERES-Maize模型，模拟分析了1984-2023年气候变率与四种施肥处理对五个代表性地点玉米物候和产量的影响。研究发现，温度升高持续加速玉米发育，而产量对施肥的响应存在显著的站点特异性。无机肥在降雨梯度上产量最高最稳，而有机-无机结合的养分管理则能适度缓冲产量损失。这项研究强调了因地制宜制定养分和气候适应策略，对于提升该地区玉米生产力和韧性的重要性。
在广袤的撒哈拉以南非洲，玉米是数亿人赖以生存的主粮。然而，这里的农业严重依赖不稳定的降雨，脆弱的小农在气候变化带来的日益频繁的干旱和极端天气面前，常常显得力不从心。更严峻的是，长期的低投入耕作导致土壤养分耗竭，使得玉米产量远低于全球平均水平。气候多变性与土壤肥力低下相互交织，构成了威胁该地区粮食安全与生计的双重挑战。人们普遍认识到，要提升玉米的生产力和韧性，必须同时应对气候风险和改善农艺管理。其中，通过施肥来补充土壤养分是关键策略之一，但化肥、有机肥或者两者结合，哪种方式更能帮助玉米抵御多变的气候，实现稳定增产？这个问题的答案并非放之四海而皆准，因为它高度依赖当地的降雨、温度和土壤条件。为此，一个国际研究团队开展了一项跨越五大生态区的模拟研究，旨在揭示气候变率与不同施肥策略如何共同塑造撒哈拉以南非洲雨养玉米的未来。这项研究成果已发表在农学领域知名期刊《European Journal of Agronomy》上。
为了深入探究上述问题，研究人员采用了农业系统模拟这一关键技术。他们利用DSSAT模型中的CERES-Maize模块，构建了一个覆盖40年（1984-2023年）的长期模拟框架。研究选取了布基纳法索的Béréba、加纳的Nabdam、肯尼亚的Bumula、塞拉利昂的Bombali和坦桑尼亚的Monduli这五个代表不同农业生态区的站点。核心工作包括：首先，收集并验证了NASA POWER卫星源的每日天气数据；其次，获取了各站点的土壤剖面数据并设定了初始条件；然后，针对各地使用的当地玉米品种，校准了DSSAT模型所需的六个关键遗传系数，使模型能准确模拟当地的物候和产量。基于此，研究设定了四种养分管理情景：不施肥对照、单施有机肥、单施无机肥、有机无机配施，并在每年生长季开始时重置相同的土壤初始条件，以孤立出年际气候变率对产量的影响。最后，通过线性回归、方差分析和协方差分析等统计方法，量化了温度、降雨与施肥处理对玉米物候和产量的影响。
结果部分如下：
3.1. 天气数据验证
研究表明，NASA POWER卫星天气数据与地面站点记录在降雨和温度上具有高度一致性，确认了卫星数据在缺乏地面观测地区用于作物模拟的可靠性。
3.2. 校准和评估
DSSAT模型在校准和评估阶段对玉米物候（开花期和成熟期）及产量的模拟表现出较高的准确性。对于物候，开花期和成熟期的模拟值与观测值紧密相关；对于产量，模型在多数站点能很好地捕捉趋势，尽管在低产环境（如Bombali）存在一定高估。
3.3. 温度驱动的玉米物候动态
模拟结果清晰显示，温度升高显著加速了玉米发育。在所有五个站点，开花期和成熟期均随生长季平均温度的上升而提前。线性回归分析表明，季节性平均温度每升高1°C，开花时间缩短3-7%，成熟时间缩短3.7-6.4%。其中，Bumula (KE) 和 Bombali (SL) 对温度升高的响应最为强烈。
3.4. 玉米产量对施肥处理的响应
产量对施肥的响应在不同站点间差异巨大。在Bumula (KE) 和 Nabdam (GH)，施肥显著提高了产量，其中无机肥处理产量最高，有机无机配施次之。然而，在Béréba (BF)、Bombali (SL) 和 Monduli (TZ) 三个站点，未观察到施肥带来的显著增产效果。这种差异与各站点的气候和土壤条件密切相关：有响应的站点通常具有适度且稳定的降雨，而无响应的站点则受限于干旱胁迫（如Monduli）或过量降雨导致的养分淋失（如Bombali）。
3.5. 气候和肥料变率下的产量模式
降雨是产量年际变率的主要驱动因子。在Bombali (SL) 和 Nabdam (GH)，过多的降雨与产量呈显著负相关。在Bumula (KE)，出现了显著的降雨与施肥处理交互作用。分析表明，无机肥处理不仅产量最高，而且对降雨量变化的敏感性最低（斜率最平缓），表现出最佳的产量稳定性。有机无机配施处理的表现介于无机肥和单施有机肥或对照之间，能在一定程度上缓冲产量损失，但稳定性不及单施无机肥。
3.6. 局限性与未来展望
研究也指出了其局限性，包括：年度重置的模拟方式未能体现长期土壤变化；未考虑病虫害、杂草等生物胁迫；未进行经济效益分析；未模拟CO2浓度升高的肥效效应；管理措施固定化，未体现农户的适应性调整等。
结论与讨论部分归纳如下：
这项长达40年的模拟研究揭示，撒哈拉以南非洲的玉米生产是由温度、降雨变率和土壤肥力动态交互作用所主导的。变暖趋势会持续加速玉米物候进程，这可能缩短灌浆期，潜在地制约产量提升。降雨变率仍然是导致产量年际波动的首要气候因子。
更为关键的发现是，施肥措施的有效性高度依赖站点具体环境。只有在水分条件相对适宜、基础土壤肥力尚可的地区（如Bumula和Nabdam），施用无机肥或有机无机配施才能带来显著的增产效果。在水分胁迫严重或养分淋失风险高的地区，单纯增加肥料投入则收效甚微。在提升产量稳定性方面，无机肥在条件适宜的地区表现出色，其产量对降雨变化的敏感度最低。有机无机结合的集成养分管理策略，则展现出了在维持产量和适度增强系统韧性方面的互补价值，其益处可能更多地体现在长期土壤改良方面。
综上所述，该研究强调，在面对日益加剧的气候不确定性时，提升撒哈拉以南非洲玉米系统的韧性需要超越单一的肥料干预。必须采取综合考虑土壤肥力恢复、水分管理和适应性农艺措施的、因地制宜的综合策略。这项研究通过多站点对比分析，为制定针对特定农业生态区的、具有气候适应性的养分管理方案提供了重要的科学依据。
