南非干旱区玉米品种改良与肥料协同增效的气候风险适应机制研究

本研究针对南非干旱区玉米生产面临的气候风险，通过时间序列协整分析揭示了品种改良(CH/TH)与肥料施用(FNPK)的协同增效机制。研究人员发现转基因杂交种(TH)的快速推广与肥料利用率(FUE)提升共同驱动产量(YN)增长达7倍，为干旱区作物适应气候变化提供了关键实证。该成果对全球半干旱区农业可持续发展具有重要启示。

　　

研究背景

在全球气候变化加剧的背景下，干旱区农业生产面临严峻挑战。南非作为撒哈拉以南非洲最大的玉米生产国，其核心产区"玉米三角区"（涵盖西北省、自由州省等地）长期受到干旱、霜冻等气候威胁。历史上1982-83、2015-16等重大干旱季节曾造成产量剧烈波动。尽管全球玉米产量近三十年持续增长，但干旱区产量提升仍严重依赖品种改良与农业管理措施的协同优化。然而，关于品种更新换代（从开放授粉品种OP到常规杂交种CH再到转基因杂交种TH）如何与肥料施用动态互作以应对气候风险，始终缺乏系统研究。

研究方法

研究团队整合了南非1922-2022百年尺度的农业生产数据，包括：国家统计局玉米种植面积(A_N)、产量(P_N)、肥料施用率(F_NPK)等核心指标。通过构建含结构突变的协整模型，解析产量(Y_N)与肥料使用的非线性关系。模型引入5个关键转折点（如TH品种采用率达7%和85%时的产量突变），并采用GAUSS v.23软件进行时间序列分析。数据来源包括南非作物评估委员会和南部非洲肥料协会的公开数据集。

研究结果

1. 1.

   产量跃迁特征

   国家尺度单产在CH-TH品种过渡期（1998-2016）增速达150%，显著快于OP-CH阶段（1949-1980）。TH品种推广高峰期（2016年达93.8%）恰逢肥料用量激增期，形成"品种-肥料"双驱动模式。

1. 1.

   气候适应机制

   干旱年份TH品种的产量优势显著减弱，但通过动态调整F_NPK仍可维持基本产出。研究还发现种植区域向多雨地区（自由州省）迁移的适应性策略，该区域种植占比从1945年的28%提升至2022年的43%。

2. 2.

   肥料利用效率阈值

   协整模型揭示当TH品种采用率达85%时，肥料利用效率(FUE)进入平台期，表明现有技术组合的改良潜力已接近极限。这与美国玉米带持续增产模式形成鲜明对比，凸显干旱环境的特殊约束。

结论与展望

Mitsuru Tsubo与Mokhele Moeletsi的研究证实，南非干旱区玉米产量提升本质上是品种改良与精准施肥协同适应的结果。特别是TH品种与肥料用量的动态匹配，使百年尺度产量增长突破7倍。该发现为理解干旱农业系统应对气候风险提供了新视角：未来育种需结合基因组编辑等前沿技术，重点突破水分胁迫下的生理效率瓶颈。研究同时警示，随着气候带持续干旱化，现有适应策略可能面临失效风险，亟需开发新一代抗逆品种。

技术方法概要

研究采用时间序列协整分析，建立含k个结构突变的回归模型：

1. 1.

   基础模型：y_t=α₀+Σα_iD_i,t+β₀x_t+u_t（水平突变）

2. 2.

   扩展模型：y_t=α₀+Σα_iD_i,t+β₀x_t+Σβ_ix_tD_i,t+u_t（机制突变）

   通过TSPDLIB软件包识别关键转折点，解析Y_N与F_NPK的动态关系。数据源自南非官方统计和肥料协会百年记录。