几内亚萨瓦纳生态区玉米品种氮肥响应优化：提升产量与资源利用效率的基因型特异性管理策略

《Discover Plants》：Optimizing maize varietal response to nitrogen fertilization in the Guinea Savanna agroecological zone

本研究针对加纳几内亚萨瓦纳农业生态区玉米单产低下的问题，通过连续两年田间试验，系统评估了四个主栽玉米品种（Wang dataa、Sanzal-sima、Salin-kawana、Opeaburo）对四种氮肥水平（0、60、90、120 kg N ha-1）的生长、产量构成及籽粒产量的响应。结果表明，氮肥施用显著提高株高、茎秆生物量、叶绿素含量及籽粒产量，且品种间响应差异显著。Wang dataa和Salin-kawana在90–120 kg N ha-1下表现最优，籽粒产量达4.7 t ha-1，较对照增产超120%。回归分析显示氮肥响应呈非线性，存在收益递减效应。研究为小农系统下品种特异性养分管理提供了实践依据，对提升氮肥利用效率（NUE）及粮食安全具有重要意义。

　　

在撒哈拉以南非洲，玉米（Zea mays L.）是超过12亿人口的主粮作物，尤其在加纳，它更是保障粮食安全与农民生计的支柱。然而，当地玉米平均单产（约1.8–2.5 t ha^-1）远低于潜在产量（5–6 t ha^-1），这一差距主要源于土壤贫瘠、氮肥管理粗放以及品种适应性不足。氮素（N）作为限制玉米生长的关键元素，其利用效率（Nitrogen Use Efficiency, NUE）在非洲雨养系统中普遍偏低，盲目施肥不仅浪费资源，还可能加剧环境风险。更复杂的是，不同玉米品种在养分吸收、分配及产量形成上存在显著遗传差异，但针对西非几内亚萨瓦纳生态区的品种-氮肥互作研究仍较匮乏。

为破解这一难题，Abdul-Aziz等人在《Discover Plants》发表研究，通过两年田间试验系统解析了四个玉米品种与四个氮肥水平的互作效应。研究团队假设：品种间氮肥响应存在差异，且氮肥增产效应存在阈值。为此，他们在加纳北部几内亚萨瓦纳生态区的萨瓦纳农业研究所（SARI）试验站开展试验，该区域属典型单峰降雨模式，但2023与2024年降雨分布差异显著——2024年9月降雨达330.3 mm，而2023年8月为降雨高峰（254.3 mm），温度则相对稳定。试验地土壤为砂壤土，呈弱酸性（pH 6.5），有机碳（1.58 g kg^-1）和全氮（0.65 g kg^-1）含量均偏低，代表该区普遍贫瘠的土壤本底。

研究采用随机区组设计，设置4品种×4氮肥水平的双因子处理，重复4次。氮肥以底肥（NPK 15:15:15）和追肥（尿素）分两次施用，关键数据包括株高、茎秆生物量、叶绿素（SPAD值）、穗数、穗重、籽粒产量及百粒重等，通过方差分析和多项式回归模型评估效应。

主要技术方法

研究依托田间试验，采用随机区组设计比较品种与氮肥互作效应；通过土壤理化分析（pH、有机碳、全氮、有效磷等）明确本底肥力；利用SPAD-502叶绿素仪测定叶片氮状况；对生长与产量参数进行标准化测量与统计建模（ANOVA、LSD检验、多项式回归），以量化响应规律。

4.1 氮肥与品种对株高及茎秆生物量的影响

氮肥显著促进玉米营养生长，但品种响应策略各异。Wang dataa和Opeaburo在120 kg N ha^-1下株高最高（181–184 cm），而Sanzal-sima始终较矮（171 cm）。茎秆生物量在2023年以Salin-kawana在120 kg N ha^-1下最高（5.4 t ha^-1），但2024年在90 kg N ha^-1后出现下降，表明过量氮肥在降雨异常年份可能抑制生物量积累。结果印证了基因型在养分分配上的差异：Wang dataa偏向垂直生长，Salin-kawana优先积累茎秆生物量，而Opeaburo则更注重生殖分配。

4.2 叶绿素含量与穗数对氮肥的响应

叶绿素（SPAD值）随氮肥增加而上升，Wang dataa在120 kg N ha^-1下SPAD值超50，显著高于其他品种，显示其高效的氮素转化能力。穗数响应在品种间分化明显：Wang dataa通过增加穗数（68穗/小区）响应高氮，而Sanzal-sima和Opeaburo穗数较少。2024年因降雨分布不均，穗数普遍下降，凸显气候对生殖生长的制约。

4.3 穗重与籽粒产量的基因型特异性提升

穗重和籽粒产量呈现显著的品种×氮肥互作。Salin-kawana在120 kg N ha^-1下穗重近4.0 t ha^-1，籽粒产量达4.67 t ha^-1（2023年），其优势源于强“库”能力（籽粒灌浆充分）；Wang dataa则通过多穗实现增产；Opeaburo以百粒重最高（24–26 g）见长。Sanzal-sima响应较弱，进一步说明基因型对氮肥利用效率的支配作用。2024年整体产量下滑，但品种间优劣格局不变，证实Salin-kawana和Wang dataa在逆境下仍具稳定性。

4.4 百粒重与收获指数揭示分配策略

Opeaburo和Salin-kawana的百粒重在高氮下最高，体现其优先保障籽粒充实的策略；Wang dataa百粒重较低，但以穗数弥补。收获指数在2024年随氮肥提高，尤其Salin-kawana在120 kg N ha^-1下达1.4，表明其高效的干物质向籽粒分配能力。季节间波动再次警示气候因素可通过影响分配效率间接制约产量提升。

4.5 回归分析确认氮肥收益递减规律

多项式回归显示，籽粒产量对氮肥的响应呈非线性。2024年二次模型拟合优度（R²=0.78）优于2023年，且二次项显著（p=0.034），明确指向90 kg N ha^-1以上存在收益递减。这一规律呼吁氮肥用量优化而非最大化，以兼顾经济与环境可持续性。

结论与展望

本研究揭示了几内亚萨瓦纳生态区玉米氮肥响应的基因型依赖性，明确了Wang dataa和Salin-kawana在90–120 kg N ha^-1下的优异表现。其意义在于突破了传统“一刀切”的施肥策略，为小农提供了品种-养分协同优化的实践路径。然而，季节性气候波动对产量构成的显著影响警示，未来需结合土壤改良、水分管理及气候智能型品种选育，构建更具韧性的玉米生产体系。论文通过精准量化品种特性与氮肥互作，为西非玉米可持续增产提供了关键科学依据。