乌干达小农户玉米系统土壤异质性与养分响应：对平衡施肥推荐的启示

《Soil Systems》：Soil Heterogeneity and Nutrient Response in Smallholder Maize Systems in Uganda: Implications for Balanced Fertilizer Recommendations

　　

低生产力与撒哈拉以南非洲地区土壤肥力下降及肥料施用不合理密切相关。尽管平衡施肥能够提升作物产量并维持土壤肥力，但在小农户玉米系统中，关于肥料优化的证据仍然有限且具有地点特异性。本研究评估了乌干达不同农业生态区（AEZs）内，玉米产量对不同氮（N）、磷（P）、钾（K）及中微量元素（SMN）组合的响应。研究人员在两个种植季中，于101个农场采用随机完全区组设计开展了多点试验。多变量分析显示，不同地点和AEZ间的玉米产量存在显著异质性，这主要归因于土壤性质差异。氮是最主要的限产养分。各AEZ间N×P交互作用不显著（p > 0.05），表明在所测试的P施用量范围内，N的响应模式总体相似；然而，P的效果在不同地点间存在差异。氮响应呈二次曲线趋势，在30–80 kg N ha-1施用量下产量增幅显著（45–132%），但当施用量超过120–160 kg N ha-1后，增产效果不再显著。对K和SMN的响应不一致且具有地点特异性。农业生态区解释了产量变异中远大于肥料处理的比例（77%对比13%），这强调了本底土壤肥力和农业生态背景在决定玉米生产力和肥料响应中的重要性。这些发现表明，玉米施肥推荐应优先考虑氮素管理并辅以充足的磷供应，而钾和中微量元素的施用则应依据具体地点的条件来指导。

1. 研究背景、存在问题与研究意义

撒哈拉以南非洲地区（SSA）农业生产率低下，与土壤肥力持续下降和肥料施用不足密切相关。乌干达作为典型的小农户农业国家，其玉米平均产量远低于潜在水平。主要原因包括：土壤本底肥力低，特别是氮（N）和磷（P）缺乏；土壤退化严重，约46%的土壤处于退化状态；肥料施用量极低，全国平均仅为3.3 kg ha^-1 year^-1，远低于SSA平均水平（22 kg ha^-1）和全球平均水平（154 kg ha^-1）。此外，农民对平衡施肥和“4R”养分管理原则（正确的来源、正确的用量、正确的时间、正确的位置）认知有限。尽管已有研究指出氮是主要的限产因子，并提出了基于经济最优化的施肥量，但这些研究通常评估的养分组合范围较窄，且未能充分阐明在纠正氮磷缺乏后，钾（K）和中微量元素（SMN）的响应规律，以及不同农业生态区（AEZs）和土壤条件下肥料响应的空间变异性。因此，开展此项研究的目的是：确定氮和磷的最佳施用量，评估在不同养分背景下钾和中微量元素的效果，并量化土壤性质对乌干达不同农业生态区间玉米产量变异的贡献。其重要意义在于为制定农学合理、因地制宜的肥料推荐方案提供科学依据，以实现小农户玉米系统的可持续集约化。

2. 关键技术方法

研究人员采用了多点田间试验设计，在乌干达五个主要农业生态区（Lake Victoria Crescent, Mbale Farmlands, Mt. Elgon High Farmlands, Northern Moist Farmlands, Western Medium High Farmlands）的101个农户田块上，于2023年两个种植季进行试验。试验采用随机完全区组设计，每个农户田块作为一个重复。肥料优化试验的处理结构包含三组分析目标：NP响应曲面处理、K响应处理和中微量元素响应处理。数据收集后，研究人员运用多元回归分析、方差分析（ANOVA）、协方差分析（ANCOVA）和主成分分析（PCA）等统计方法来评估处理效应、建立养分响应函数并量化土壤性质对产量变异的贡献。

3. 研究结果

3.1 NP响应曲面对玉米产量的影响

通过多元回归分析，研究人员未检测到一致的N×P交互作用，表明在所测试的P水平范围内，P对N响应的影响并不一致。氮响应呈现非线性增长模式，在低至中等施氮量（30–80 kg N ha^-1）下产量增幅显著（45–132%），但当施氮量超过120–160 kg N ha^-1后增产效果不再显著。方差分析进一步证实，虽然回归模型显示农学最佳施氮量较高，但在实际农户条件下，中等施氮量即可获得大部分可实现的产量收益，继续增施氮肥并未带来统计学上的显著增产。

3.2 氮素利用效率（NUE）

氮素的农学效率（AE-N）和偏生产力（PFP-N）在不同AEZs和施氮量间表现出显著差异。两种效率指标均在低至中等施氮量下达到最高值，随后随施氮量增加而逐渐下降。Mt. Elgon地区的氮素利用效率普遍高于其他区域。

3.3 钾对玉米产量的影响

钾的响应具有高度地点特异性。在2023A季，仅在Mt. Elgon地区，施用25 kg K ha^-1显著提高了玉米产量14%，但继续增加钾肥用量无进一步增产效果。在2023B季，在Western Medium High Farmlands和Lake Victoria Crescent地区，施用25 kg K ha^-1也带来了10%-15%的增产，而在土壤钾含量较高的Mbale地区则无显著响应。

3.4 中微量元素对玉米产量的影响

中微量元素的应用效果同样不一致且不稳定。仅在2023B季的Western Medium High Farmlands地区，在中等的NP水平下配施中微量元素使玉米产量增加了14%。在其他地区和养分组合下，中微量元素并未带来显著的增产效果，甚至在某些情况下出现了减产趋势。

3.5 土壤性质对玉米产量的影响

协方差分析结果显示，在2023A季，农业生态区解释了产量变异的最大比例（77%），其次是肥料处理（13%）和土壤协变量。在2023B季，土壤协变量解释了32.5%的产量变异，农业生态区解释了19.1%，肥料处理解释了9%。阳离子交换量（CEC）、全氮、有效磷、交换性钾和土壤pH等土壤性质与产量显著相关。

3.6 主成分分析（PCA）

主成分分析表明，土壤质地（砂粒、粉粒、黏粒含量）以及与肥力相关的化学属性（如K、Ca、Mg、S含量）是区分不同试验地点的主要梯度。养分含量高、质地较细的土壤通常支撑着更高的玉米产量。

4. 讨论与结论

讨论部分指出，研究结果表明氮是乌干达不同农业生态区玉米产量的首要限制因子，这与前人研究一致。氮响应曲线的“平台期”现象和中等施氮量的有效性，意味着从经济和环境角度出发，肥料推荐应整合农学和经济最优施用量。未检测到一致的N×P交互作用，可能与试验点间土壤有效磷水平的高度变异性有关，但这并不意味着磷不重要，维持基础的磷供应对于优化产量仍是必要的。钾和中微量元素响应的地点特异性，强调了因地制宜进行养分管理的必要性，不应采取“一刀切”式的推荐策略。土壤性质和农业生态区对产量变异的巨大解释力，再次凸显了本底土壤肥力和生长环境在决定肥料响应中的主导作用。

研究结论部分翻译如下：

本研究确定氮是乌干达不同农业生态区玉米的首要限产养分，充足的磷供应有助于支撑氮的响应。玉米产量对施氮反应强烈，在中等施氮量（30–80 kg N ha^-1）下可实现45–132%的增产，而超过120–160 kg N ha^-1后增产有限或无进一步增产。在各AEZs，中等施氮量在农民条件下捕获了大部分可实现的产量效益。N×P交互作用不显著，表明在所测试的P水平范围内，N响应模式基本一致，但P的效果在不同地点间存在差异。相比之下，对K和中微量元素（S、Zn、B）的响应不一致且具有地点特异性，仅在特定AEZs观察到产量增加（例如，某些区域增产10–15%），而在其他地方无显著效果。玉米产量变异性受农业生态背景影响，农业生态区解释了77%的变异，而肥料处理仅解释了13%，突显了本底土壤性质和环境的支配作用。结果进一步证明，玉米产量潜力和肥料响应受土壤性质（尤其是有机碳、全氮、土壤质地和pH）的强烈影响。这些发现表明，肥料推荐应优先考虑氮素管理并结合充足的磷供应，而钾和中微量元素的施用应根据具体地点的土壤肥力状况而非“一刀切”的推荐来指导。在土壤本底养分供应充足的土壤中，短期内省略钾和中微量元素可能不会降低产量；但其在维持长期土壤肥力和可持续性方面的作用不应被忽视。