优化种植密度与氮肥用量：基于CERES-Wheat模型模拟的埃塞俄比亚高原硬粒小麦可持续增产策略

本研究针对埃塞俄比亚中部高原硬粒小麦(Triticum turgidum L. var. durum)因管理粗放导致的产量低下问题，通过田间试验与CERES-Wheat模型模拟相结合，系统评估了不同种植密度(175-425 plants m-2)和氮肥施用量(0-350 kg ha-1)对产量、氮素利用效率(NUE)及经济效益的影响。研究发现275 plants m-2密度配合200 kg ha-1氮肥可提升产量49%、氮效率23%，实现2114美元/ha净收益，为雨养农业系统提供了优化管理方案。

　　

在埃塞俄比亚中部高原，硬粒小麦作为主要粮食作物，长期面临产量低下的困境。农民普遍采用175 plants m^-2的低种植密度和100 kg ha^-1的氮肥"一刀切"施用模式，导致资源利用率不足，平均产量仅达潜在产量的40%。更严峻的是，随着人口增长导致人均耕地面积锐减至0.5公顷，传统靠扩大种植面积的粗放模式已难以为继。如何通过科学管理实现"藏粮于技"，成为当地农业可持续发展的核心命题。

针对这一挑战，埃塞俄比亚农业研究所德布雷泽特中心的研究团队开展了一项历时四年的系统研究。他们创新性地将田间试验与CERES-Wheat模型模拟相结合，通过校准Utuba品种的7个遗传参数（包括光周期响应系数P1D=70.7%，灌浆期参数P5=577°C·d等），构建了适合当地条件的作物生长模型。研究团队在2017-2020年间进行了多组对照试验，测试了4种种植密度（175-325 plants m^-2）与4种氮肥水平（0-200 kg ha^-1）的组合效应，并利用37年（1985-2022）历史气象数据进行了长期情景模拟。

关键技术方法包括：（1）采用GLUE（广义似然不确定性估计）算法进行模型参数校准；（2）通过Zadoks生长阶段（GS24-GS80）系统监测叶面积指数（LAI）和冠层重量；（3）结合季节性分析程序评估48种管理组合的经济效益；（4）使用均值-基尼优势分析法（Mean-Gini）量化风险收益。

模型校准与验证
通过2017-2019年田间数据校准的模型表现出优异性能：开花期和成熟期的预测误差仅0-2天（d指数>0.85），籽粒产量模拟误差11.5%（4346 vs 4373 kg ha^-1）。2020年验证试验中，模型对275 plants m^-2+200 kg ha^-1处理的预测尤为精准，LAI和地上部生物量的nRMSE分别为10.9%和15.9%。

最优管理方案
长期模拟显示：

• 经济最优组合为275 plants m^-2+200 kg ha^-1，较传统模式增产49%（6071 vs 4075 kg ha^-1）
• 氮肥农艺效率（AE）提升23%至27 kg kg^-1，净收益达2114美元/ha
• 密度超过275 plants m^-2会导致光竞争加剧，尤其在干旱年份减产显著

机制解析
高密度种植（275 plants m^-2）通过三方面提升系统效率：

1. 增强氮素捕获：根系密度增加促进土壤氮吸收
2. 优化资源分配：冠层LAI维持在4.8-5.1 m² m^-2的理想范围
3. 缓冲气候风险：37年模拟中产量变异系数降低18%

这项发表在《Scientific Reports》的研究首次量化了埃塞俄比亚雨养条件下硬粒小麦的密度-氮肥互作效应。其创新价值在于：

1. 将过程模型（CERES-Wheat）与长期气象数据结合，克服了单年试验的偶然性
2. 提出"适度集约化"理念，避免盲目追求高投入带来的环境风险
3. 为小农经济提供了可操作的管理参数，每亩增收约合1400元人民币

研究团队特别指出，该方案在年降雨量400-600mm区域具普适性，但需配合分次施肥（基肥+拔节期追肥）才能发挥最大效益。未来研究将探索该模型在灌溉条件下的适用性，以及气候变化情景下的适应性管理策略。