玉米-大豆间作系统中大豆叶片衰老与源库动态：降雨模式极端化对玉米生产力和氮素利用的影响

针对撒哈拉以南非洲雨养玉米系统面临季节性降雨变异加剧的挑战，研究人员通过田间降雨调控实验，探究了极端干湿事件与覆盖措施、氮肥施用的交互作用。研究发现降雨季节内分布模式解释78%的产量变异，极端降雨事件影响远超覆盖和施肥效应，为气候适应性种植策略设计提供了关键依据。

　　

在全球气候变化背景下，撒哈拉以南非洲的雨养农业系统正面临前所未有的挑战。该地区作为全球粮食安全最脆弱的区域之一，其主食作物玉米(Zea mays L.)的生产受到季节性降雨模式变化的严重威胁。随着全球变暖加剧，极端气候事件频率倍增，特别是热带地区的干旱和暴雨事件频发，这对依赖自然降水的玉米种植系统造成巨大冲击。更令人担忧的是，传统的季节性降雨总量评估方法往往掩盖了关键生育期内水分供需错配的风险，而现有研究对极端事件发生时机与作物敏感期的匹配关系认知仍然有限。与此同时，该地区普遍存在的土壤肥力低下和养分管理粗放问题，使得气候变化应对策略的制定变得更为复杂。

正是在这样的背景下，由Abderrahim Bouhenache等来自法国兰斯大学、法国国家农业食品与环境研究院(INRAE)等机构的研究团队，在津巴布韦开展了为期两年的田间降雨调控实验。研究团队创造性地采用多因子交互设计，通过搭建遮雨棚（30%降雨削减）和人工灌溉（模拟100 mm·d^-1极端降雨事件）构建不同降雨情景，结合覆盖处理（6 t DM·ha^-1）和氮肥施用（80 kg N·ha^-1），系统评估了这些因素对玉米生产力及氮素利用的影响。

研究采用了三项关键技术方法：首先，建立标准化的降雨调控系统，包括透明聚碳酸酯遮雨棚和精准灌溉装置；其次，运用世界气象组织(WMO)推荐的极端气候指数（如标准化降水指数SPI）量化降雨模式特征；最后，采用随机森林机器学习算法解析生物量与产量变异的驱动因素。实验地点选择津巴布韦大学农业工业园试验站（17°42'S），土壤为典型的红壤(Rhodic Ferralsol)，种植当地主栽抗旱玉米品种PGS 63。

3.1 天气与降雨模式特征

两个试验季节呈现截然不同的气候特征：2022-23季节接近历史平均水平（727mm），而2023-24厄尔尼诺年份则出现极端早期降雨（占季节总量72%）接续长期干旱的特殊模式。标准化降水指数(SPI)分析显示，十叶期至开花期的极端干旱（SPI=-2.5）是造成产量损失的关键阶段。

3.2 玉米生产力与氮素利用

在干旱的2023-24季节，环境降雨处理的地上生物量（2.9 t DM·ha^-1）和氮积累量（22.7 kg N·ha^-1）较正常年份下降75%。随机森林分析表明，开花期前后21天降雨量(Prec_R1)和六至十叶期连续干旱日数(CDD_V6-V10)是解释产量变异的首要因素（贡献率78%）。值得注意的是，极端降雨处理在干旱季节使籽粒产量翻倍，特别是在配合氮肥使用时（N80处理达1.0 t·ha^-1）。

3.3 影响因素解析

覆盖措施在干旱季节出人意料地使生物量降低34%，这归因于高碳氮比（C:N=69.4）残茬引发的氮固定。氮肥效应高度依赖水分供应，仅在极端降雨处理中表现出显著增产效果，表观氮肥利用率从正常年份的39%骤降至干旱季节的15%。

这项发表在《Field Crops Research》的研究打破了传统认知，首次报道了极端强降雨事件（100 mm·d^-1）在特定条件下的增产效应，同时揭示了覆盖措施在干旱条件下的潜在风险。研究强调，仅关注季节性降雨总量会严重低估气候风险，必须结合作物物候期分析降雨分布模式。这些发现为撒哈拉以南非洲设计气候智能型农业系统提供了关键科学依据：在育种策略上需要关注开花期抗旱性，在管理措施上应建立基于生长阶段的动态水分-养分调控体系，而政策制定则需重新评估当前推广的覆盖耕作在极端气候频发地区的适用性。该研究为联合国可持续发展目标(SDGs)中的"零饥饿"和"气候行动"目标提供了重要的实践指导。