《Experimental Agriculture》：Unravelling the contribution of G × E × M interactions to maize productivity in Central Mozambique amid climate change
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玉米是撒哈拉以南非洲最重要的主食。然而，小农的平均产量仅约为采用最佳农艺措施所能达到产量的20%。研究人员在莫桑比克中部连续两个种植季开展了田间试验，以研究基因型（Genotype）与环境（Environment）及管理（Management）互作（G × E
玉米是撒哈拉以南非洲最重要的主食。然而，小农的平均产量仅约为采用最佳农艺措施所能达到产量的20%。研究人员在莫桑比克中部连续两个种植季开展了田间试验，以研究基因型（Genotype）与环境（Environment）及管理（Management）互作（G × E × M）对玉米产量的贡献，涉及改良品种、播种时间和不同土壤肥力条件下的施肥制度。在2022–2023年，高肥力地块上的玉米产量变异由肥料制度、播种日期和品种之间的三者互作解释，而在低肥力地块上，仅由肥料制度解释。最高产量出现在早熟或中熟（Maturity）品种早播并施肥的情况下，分别为3.6 t ha?1和3.1 t ha?1，而晚播产量最低（1.6 t ha?1）。在2023–2024年，该季节受到严重的厄尔尼诺（El Ni?o）干旱影响，高肥力地块的产量变异由品种解释（中熟品种产量最高），低肥力地块则由肥料制度解释。同一季节进行的农民自主管理试验证实了品种选择和肥料使用的重要性。采用改良玉米品种和矿物肥料的盈利能力取决于土壤肥力和玉米生长受水分限制的程庺，当使用改良的遗传材料和农艺管理措施时，粮食安全和投资回报之间出现了权衡。研究发现在气候变化背景下，针对中熟玉米品种进行早播并配合肥料投入对于提高粮食安全至关重要。
本文解读的论文《Unravelling the contribution of G × E × M interactions to maize productivity in Central Mozambique amid climate change》发表于期刊《Experimental Agriculture》。
研究背景方面，农业是撒哈拉以南非洲小农的主要生计来源，但该地区的农业生产力全球最低。玉米作为该地区最重要的谷类主食，小农的产量通常仅约为最佳农艺措施下可能达到产量的20%。这种巨大的产量差（Yield gap，即雨养条件下水分限制潜在产量与实际农场产量之差）是多种农艺和生物物理限制因素的结果。贫瘠的农艺措施表现为次优的作物群体、晚播和杂草控制不当，以及由于连续耕作和有限肥料投入导致的土壤肥力下降。气候变率，特别是不稳定的降雨，进一步加剧了雨养玉米生产的风险，往往损害了肥料使用的投资回报。可持续的作物集约化是满足撒哈拉以南非洲未来粮食需求所必需的，作物产量是基因型×环境×管理（G × E × M）互作的结果。尽管已有适应当前气候条件的改良遗传学玉米品种可供小农使用，且气候变化对作物生产的影响可通过现有品种部分抵消，但这种影响取决于土壤肥力状况和可受农民影响的农艺管理措施。莫桑比克是全球受气候变化影响最严重且准备最不足的国家，干旱、洪水和气旋频发，农业以自给自足的小农（约98%）为主。过去该国玉米产量的增加是通过耕地扩张而非现有耕地的生产力提高实现的，而扩张受劳动力限制并伴随温室气体排放和生物多样性丧失。因此，需要通过增加肥料使用、采用改良品种和良好农艺措施来提高单位面积产量。
基于此，研究人员开展了此项研究，旨在调查莫桑比克中部小农条件下G × E × M互作对玉米产量的相对贡献，并探索在土壤肥力和降雨变率背景下玉米生产可持续集约化的选项。研究人员在布兹区（Buzi District）建立了研究人员管理和农民管理的田间试验，涵盖不同土壤肥力状态，评估不同玉米品种在两个连续种植季中对播种日期和施肥制度变化的响应。研究假设玉米对改良品种和播种日期的产量响应取决于养分有效性和土壤肥力状况，而这仍是研究区玉米生产力最限制的因素。该研究明确了改良农艺措施和遗传学在气候变化下小农玉米生产中的益处。
为开展研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：在莫桑比克中部布兹区的班杜阿（Bandua）和因哈龙圭（Inharongue）两个站点，于2022–2023和2023–2024两个连续种植季进行田间试验。根据农民经验及土壤持水力、质地将田间划分为高肥力和低肥力两类。试验采用随机完全区组设计（Randomized complete block design），主要因子包括播种日期（11月早播、12月中播、1月晚播，后者两水平在第二季因干旱取消）、玉米品种（早熟杂交种110–115天，中熟杂交种115–130天）和施肥制度（施矿物肥与不施）。其中施基肥为NPK 23:10:5 + 6S + 1Zn（125 kg ha?1），膝高期追施尿素（125 kg ha?1）。除施肥外，农民管理试验的所有农事由农户完成。收获时测定籽粒产量（校正至12%水分）、地上生物量及收获时植株群体。经济评估基于利润（Gross return - Input costs）和投资回报率（Return on investment, ROI）。数据分析采用线性混合模型（Linear mixed models）拟合不同数据子集，使用lmer()函数（lmerTest包），固定效应交互作用通过方差分析检验，最小二乘均值用emmeans()预测；并采用累积分布曲线（Cumulative distribution curves）评估产量响应变异，分位数回归（Quantile regression）拟合边界线函数评估产量与植株群体的关系。
研究结果部分，首先是土壤肥力状况（Soil fertility status）。农民对低肥力和高肥力田块的分类主要基于粘土含量和缓冲容量，尤其是底土。高肥力田块土壤质地以粘土为主，低肥力田块为粘壤土至砂质粘壤土。两组田块表土和底土的pH（H2O）均值在6.0至6.2之间，适于玉米生长。土壤有机碳处于19–24 g kg?1的适宜水平，全氮较低（1.1–1.4 g kg?1）。有效磷（Mehlich 3）为64.7–90.4 mg kg?1，交换性钾在大部分田块表土和底土中较低（139–242 mg kg?1）。硫、镁和锌处于最佳水平，硼和钙在低水平。
其次是玉米对品种类型、播种日期和施肥制度的产量响应（Maize yield response to cultivar type, sowing date, and fertilizer regime）。在2022–2023年，高肥力田块研究人员管理试验中，产量受肥料制度、播种日期和品种类型三者互作的显著影响（p < 0.01），最高产量来自中熟（3.6 t ha?1）或早熟（3.1 t ha?1）品种早播并施肥；晚播不施肥产量最低（平均约1.6 t ha?1）。低肥力田块仅肥料制度效应极显著（p < 0.001），施肥处理平均2.1 t ha?1，不施肥1.4 t ha?1；高肥力田块产量比低肥力田块高23%。在2023–2024年（El Ni?o干旱年），高肥力田块研究人员管理中早熟品种（4.0 t ha?1）产量显著高于早熟品种（3.3 t ha?1）（p < 0.05）；低肥力田块施肥（1.3 t ha?1）显著高于不施肥（0.4 t ha?1）（p < 0.001）。农民管理试验中，高、低肥力田块产量变异均由品种类型（p < 0.001）和肥料制度（p < 0.001）的加性效应解释，最高产量均出现在中熟品种施肥处理。
第三是品种类型、播种日期和施肥制度的产量响应变异（Variation in yield response to cultivar type, sowing date, and fertilizer regime）。玉米产量对各因子的响应在试验和田间类型间高度可变，肥料制度的响应更大且更一致。中熟品种在2022–2023年高肥力田块研究人员管理中34/60个组合优于早熟品种，低肥力25/51；其中产量增益≥1 t ha?1的分别占50%和20%。2023–2024年相应比例降低。早播在高肥力田块优于中播（30/40）和晚播（26/40），产量差≥1 t ha?1的分别占77%和65%；低肥力相应比例较低。施肥处理在2022–2023年高、低肥力田块分别43/60和43/51优于不施肥，增益≥1 t ha?1的占60%和49%；2023–2024年高肥力仅4/8，低肥力28/33；农民管理中高肥力27/32，低肥力160/232。
第四是收获时植株群体对玉米产量的影响（Effect of plant population at harvest on maize yield）。品种类型对收获时植株群体有显著效应（p < 0.05），中熟品种群体高于早熟品种。研究人员管理中中熟品种约42,000 plants ha?1，早熟约32,000 plants ha?1；农民管理中分别为约28,000和22,000 plants ha?1。农民管理试验变异更大。平均群体低于目标53,333 plants ha?1（研究人员管理约38,000，农民管理约26,000）。分位数回归表明产量在约50,000 plants ha?1时最大化（90分位2.0 t ha?1，95分位2.6 t ha?1），超过则略降，表明植株群体及其他因素共同贡献生产力。
第五是种子和肥料投资的利润收入和投资回报率（Profit revenue and return on investment in seeds and fertilizer）。2022–2023年，高、低肥力田块种植改良品种均有利润，中熟品种利润中位数高于早熟（高肥力370 vs 200 USD ha?1；低肥力200 vs 100 USD ha?1）。施肥利润相当，肥料成本被增产抵消。早熟品种种子投资回报率高于中熟，施肥后降低，低肥力略低。2023–2024年，研究人员管理中利润微薄，最大约100 USD ha?1，施肥可将最大利润提至250 USD ha?1但不盈利田块增近25%。农民管理中施肥不盈利，尤低肥力；高肥力最大利润约100–250 USD ha?1。
讨论部分总结，改善土壤肥力和农艺管理是撒哈拉以南非洲作物生产可持续集约化的公认途径。研究表明玉米对改良品种和早播的产量响应是否取决于土壤养分有效性（该区产量最限制因素）。2022–2023年正常降雨下，早播并施肥的中、早熟品种增益可观，中熟品种在正土肥力下增产明确，适时播种重要性已知。低肥力田块表明播期和品种响应仅在施肥时显现，凸显贫瘠土壤施肥重要性；低肥力下早熟品种风险更大，故建议确保早播时首选中熟品种。总体短期应优先土壤肥力管理。2023–2024年干旱年，高肥力田块研究人员管理下施肥产量可与第一季相当，归因于良好土壤结构和持水力，显示高肥力田块间异质性（过往管理、资源禀赋差异）。低肥力田块产量大降但施肥仍是不施肥约两倍，响应变异可归因砂含量/持水力、肥料率/类型不当、钙硼缺乏；支持综合土壤肥力管理（Integrated soil fertility management）以提高和稳定产量，并强调干旱年采用改良品种保障粮食安全。包含研究人员和农民管理试验显示两者在高肥力田块（施肥低肥力亦然）生产力大差异，指向改善农艺对玉米生产力关键，超出适时播种施肥，包括适时除草等确保好发育和收获群体；农民手动/畜力整地影响苗床质量、播种深度、水肥可及性，El Ni?o水分胁迫下晚除草加剧水肥竞争。长期土壤肥力和作物生产力维持需互补措施因地制宜，如免耕（No-tillage）保墒增产（砂土），玉米-豆科间作（Intercropping）管理干旱风险并提升肥力（土地受限）；但适用性取决于资源及残茬管理权衡（混合农牧场）。次优收获群体由季中干旱、差肥力、品种选择、农忙劳力竞争导致农事不及时等加重。此外，种子引发（Seed priming）、集水技术、粪肥、矿物肥微量施用（Micro-dosing）对半干旱环境重要；粪肥稀缺时这些替代选项可行。改良品种可增加莫桑比克中部小农盈利能力（正常降雨季），但不施肥连续种植导致肥力下降；低肥力土壤投资良种常无经济吸引力（尤低降雨年施肥）。两季降雨变率显示尽管肥料增产，但投资有风险；干旱年施肥大幅降利甚至亏损，若目标是利润和高产，肥料可针对高肥力好持水性田块。矿物肥料对非洲小农集约化重要，但莫桑比克获取有限；试验显示肥料可显著提高稳产；干旱年施肥降利但适雨年增益大。智能投入补贴（Smart agro-input subsidy）可提升生产力、粮食安全和营养；残肥效干旱季比多雨季显著，利益可延续。中间和晚播作物失败虽致数据不平衡，但显示干旱年早播关键；两季水可用性情 contrast 丰富 G × E × M 在极端条件表现认知，统计考量了不平衡，建议长期多季证据以明确限制因素并指导投资优先序。
结论部分翻译：莫桑比克中部玉米产量变异可由播种日期、品种类型和施肥制度互作解释，强化了理解南部非洲玉米生产 G × E × M 互作的重要性。总体而言，中熟品种比早熟品种具有更好的农艺表现和经济回报。施肥应用低投资回报率成为当前粮食价格和肥料价格下农民投资肥料的阻碍。需要诸如智能投入补贴等措施降低肥料成本，以改善农民肥料获取并确保长期作物生产可持续性和土壤肥力恢复。通过多种互补方法，结果强调了改良品种、播种时间、施肥和推荐种植密度在气候变化下维持玉米生产力的潜力，并突出了其附带的小农盈利能力和风险。
