莫桑比克热带田间条件下豇豆（Vigna unguiculata [L.] Walp.）锌与铁农艺生物强化的生物经济优化

《PLOS One》：Bioeconomic optimization of zinc and iron agronomic biofortification in cowpea (Vigna unguiculata [L.] Walp.) in Mozambique under tropical field conditions

　　

摘要：锌（Zn）和铁（Fe）的农艺生物强化已成为提高作物生产力并改善粮食与营养安全的一种有前景的途径。然而，仅基于最大生物学产量的肥料推荐未必能使农民的经济收益最大化。本研究整合了农艺学与经济学分析，以确定在莫桑比克热带田间条件下豇豆（Vigna unguiculata [L.] Walp.）在生物学和经济学上最优的锌和铁施肥策略。采用随机完全区组设计，以3×4×4因子安排，评估了三种施肥方式（土壤施用、叶面施用以及土壤+叶面联合施用）和四种元素锌和铁施用水平。籽粒产量响应可由二阶多项式回归模型充分描述（R2=0.767），预测最大技术效率出现在18.92 kg ha?1 Zn和19.17 kg ha?1 Fe。相比之下，最大经济效率在较低施用量下实现（16.94 kg ha?1 Zn和10.09 kg ha?1 Fe），铁投入减少47.4%，同时保持超过最大预测籽粒产量的97%，并增加了净收益。在所有评估处理中，土壤+叶面联合施用的籽粒产量和农艺效率均高于任一单独施用方式。经济稳健性进一步通过盈亏平衡、敏感性和随机风险分析进行评估，结果表明在本研究考虑的农艺、环境和经济条件下，所有评估处理均表现出积极的经济绩效。在本单点、单季研究评估的农艺、环境和经济条件下，经济最优点先于生物学最优点达到，表明整合农艺与经济优化可在保持高生产力和盈利性的同时大幅减少微量营养素投入。这些发现为在热带小农种植系统下制定经济高效的豇豆锌和铁施肥策略提供了循证框架。

豇豆（Vigna unguiculata [L.] Walp.）是热带和亚热带地区最重要的豆类作物之一，尤其在撒哈拉以南非洲（SSA），其在粮食安全、家庭收入和可持续农业生产中发挥关键作用。该作物因对干旱环境的显著适应性、生长周期短以及能固定大气氮从而改善土壤肥力并减少对合成氮肥的依赖而被小农户广泛种植。除农艺重要性外，豇豆籽粒是数百万以植物性食物为主的人群膳食蛋白质、维生素和必需矿物质的重要来源。尽管其重要性显著，但许多热带生产系统中豇豆生产力仍远低于其遗传潜力。主要限制因素中，锌（Zn）和铁（Fe）等必需微量营养素的缺乏在高风化热带土壤中十分普遍，这些土壤通常有机质含量低、养分保持能力差且微量营养素有效性有限。这些营养限制抑制植物生长，损害与生物量积累和生殖发育相关的生理过程，降低养分利用效率，最终减少籽粒产量和农场利润。农业土壤中的微量营养素缺乏与人类营养密切相关。锌和铁缺乏是全世界"隐性饥饿"的主要原因之一，影响超过20亿人，导致免疫功能受损、贫血、认知发育降低和健康风险增加，尤其影响低收入国家的妇女和儿童。已有研究进一步强调，充足的膳食铁和锌对认知发育、神经功能、健康生长和整体人类福祉至关重要，这加强了通过可持续农业策略提高主粮作物微量营养素密度的必要性。因此，提高主粮作物的生产力和营养品质已成为全球粮食与营养安全倡议的重要组成部分。

农艺生物强化是基于施用含必需微量矿质元素肥料的策略，已成为同时改善作物表现和增加可食用植物组织中微量营养素浓度的一种实用且可快速部署的方法。与传统育种不同，农艺生物强化可在现有生产系统内立即实施，因此在补充长期遗传改良计划的同时为农民提供快速收益。已有研究表明，氮铁一体化施肥可提高面包小麦籽粒铁浓度和生物有效性，同时保持农艺表现。大量研究报道了锌和铁施肥对作物生长、籽粒产量、养分利用效率和籽粒微量营养素浓度的积极影响。同样，有研究报道铁基和锌基肥料联合施用显著提高了大豆的营养生长、养分吸收、生物量生产和籽粒产量，证明了这些微量营养素在豆科作物生产力中的互补生理作用。然而，作物响应高度依赖于肥源、施用方式、养分互作、土壤特性和环境条件，强调了制定特定地点肥料推荐的重要性。尽管锌和铁施肥的农艺效益已被充分记录，但肥料推荐仍主要基于最大化生物学产量。然而，对小农户而言，肥料管理决策不仅取决于生产力，还取决于生产成本、预期经济回报和投资风险。最大技术效率与最大经济效率之间的区别对于制定经济可行的肥料推荐日益重要。最大技术效率确定最大化作物产量的养分组合，而最大经济效率通过同时考虑作物响应和生产成本来确定最大化经济回报的组合。尽管具有实际重要性，但相对较少的研究整合农艺和经济优化来建立热带田间条件下种植的豆类作物的微量营养素肥料推荐。响应面方法学提供了一个稳健的分析框架，可同时评估非线性作物响应、养分互作和优化标准。因此，本研究旨在利用响应面方法学，整合农艺和经济分析，确定莫桑比克热带田间条件下豇豆生产锌和铁施肥的生物学和经济最优组合。具体而言，研究旨在量化最大技术效率与最大经济效率之间的差异，并确定在保持高籽粒生产力的同时最大化农场盈利能力的施肥策略，促进小农种植系统更可持续的微量营养素管理。

田间试验于2025年雨季在莫桑比克赞比西亚省纳马库拉区的莫桑比克农业研究所试验站进行。根据K?ppen–Geiger气候分类，研究区属热带稀树草原气候，特点是温暖的雨季和明显的旱季。试验土壤为砂壤土，pH 6.9，化学分析显示有机碳、有效磷和DTPA提取锌浓度低，表明锌缺乏，而交换性钾和铁含量充足。试验采用随机完全区组设计，3×4×4因子安排，四次重复，共192个小区。评估三个试验因素：施肥方式（土壤施用、叶面施用和土壤+叶面联合施用）；锌肥施用水平（0、7.5、15.0和22.5 kg Zn ha?1）；铁肥施用水平（0、5.0、15.0和25.0 kg Fe ha?1）。豇豆品种IT-16于2025年4月12日播种，基肥根据播前土壤分析结果施用。锌以硫酸锌一水合物形式供应，铁以Fe-EDTA形式供应。经济分析将所有生产成本从莫桑比克梅蒂卡尔转换为美元，基线生产成本估计为234.72 USD ha?1。锌肥和铁肥成本根据肥源、施用量和市场价格分别计算，施用成本因方法而异。总收益通过校正后的籽粒产量乘以上市价格计算，净收益和效益成本比随后得出。为评估所提施肥策略的稳健性，进行了盈亏平衡、敏感性和随机风险分析。籽粒产量数据首先按3×4×4因子安排的随机完全区组设计进行方差分析，随后应用响应面方法学拟合二阶多项式回归模型，确定最大技术效率。净收益也使用相同模型分析以确定最大经济效率。

在2025年豇豆生长季节观察到的气候条件总体上代表该区域气候，尽管某些月份降雨分布与长期平均有所不同。方差分析显示，豇豆籽粒产量受区组、施肥方式、锌施用量、铁施用量以及所有实验因素间的交互作用显著影响。锌和铁施用量的联合效应可由二阶多项式回归模型充分描述，模型解释了籽粒产量总变异的76.7%。锌和铁的正线性系数表明在较低施用量下籽粒产量随微量营养素供应增加而增加，而负二次系数表明随着施肥量增加边际响应递减。正的锌×铁互作系数表明同时施用两种微量营养素对籽粒生产力产生协同效应。优化拟合响应面确定了最大技术效率的内部驻点，预测最大籽粒产量为1,875.97 kg ha?1，对应施用量为18.92 kg Zn ha?1和19.17 kg Fe ha?1。响应面分析显示施肥策略间预测籽粒产量存在明显差异，土壤+叶面联合施用始终产生最高预测产量。农艺效率在施肥方式间存在差异，联合施用策略对锌和铁均产生最高农艺效率。方差分析显示，施肥方式、锌水平、铁水平及所有交互作用显著影响效益成本比和净收益。净收益响应可由二阶多项式回归模型充分描述，解释了总变异的86.99%。经济响应面优化确定了最大经济效率出现在16.94 kg Zn ha?1和10.09 kg Fe ha?1，对应预测净收益为909.57 USD ha?1。农艺与经济优化比较显示，相对农艺最优点，经济最优点分别降低了锌和铁施用量10.48%和47.39%，仅导致预测籽粒产量下降2.01%，同时降低肥料成本42.50%，净收益增加2.99%。盈亏平衡分析表明所有处理产生的籽粒产量均远高于抵消生产成本所需的最低阈值。随机风险分析显示净收益均值为812.87 USD ha?1，标准差为86.03 USD ha?1，所有评估处理均产生正净收益。敏感性分析表明粮食价格和籽粒产量是对净收益影响最大的变量，而锌肥和铁肥成本影响相对较小。

讨论部分指出，研究环境中的豇豆生产力主要受严重锌缺乏限制，DTPA提取锌浓度极低是主要限制因素。锌在酶活化、蛋白质合成和激素调节中发挥核心作用，观察到的强产量响应很可能反映了锌缺乏条件下受损的关键代谢功能的恢复。响应面模型识别的正锌×铁交互作用表明这些微量营养素在试验条件下存在协同效应。虽然在过量养分供应下已有锌铁拮抗相互作用的报道，但在缺乏条件下联合施用可增强养分吸收、改善生理表现并提高作物生产力。土壤+叶面联合施用的优越表现强调了将养分供应与作物生理需求同步的重要性。该研究的主要贡献是清晰区分了豇豆锌铁施肥的农艺和经济最优。最大技术效率在相对较高的微量营养素施用量下实现，而最大经济效率在显著较低的肥料投入下实现，尤其对铁而言。这种差异与边际报酬递减原则一致，即连续增加施肥量产生的产量增量逐渐减小，最终不足以补偿额外生产成本。铁肥相对较高的成本是观察到的农艺和经济最优之间差异的主要因素。在所有评估条件下，所有施肥处理在观察数据集中均产生正净回报，表明锌铁农艺生物强化在本研究条件下代表一种相对低风险的投资。敏感性分析确定粮食价格和籽粒产量是经济表现的主要决定因素，而锌铁肥料成本变化对净盈利影响相对较小。这些发现对撒哈拉以南非洲的可持续农业集约化和粮食营养安全具有更广泛意义。农艺生物强化代表了一种同时提高作物生产力和改善主粮营养品质的实用策略。经济优化的微量营养素施肥可大幅减少肥料投入而不显著影响籽粒产量，强调了整合农艺和经济标准以改善养分利用效率、增加农场盈利能力和促进更可持续肥料管理的重要性。从政策角度看，肥料推荐计划应超越产量最大化，纳入经济优化以更好地反映农民的生产现实。

研究结论部分翻译如下：本研究证明，整合农艺与经济优化比仅基于最大生物学产量的方法为确定锌和铁施肥策略提供了更有效的框架。在本研究评估的莫桑比克热带田间条件下，经济最优施肥策略要求的微量营养素投入低于农艺最优，尤其对铁而言，同时保持了超过最大预测籽粒产量的97%并提高了经济回报。土壤+叶面联合施肥策略始终产生最高的籽粒产量和农艺效率，强调了将微量营养素供应与作物需求同步的重要性。这些发现表明，在本研究条件下，生物经济优化可通过减少不必要的微量营养素投入同时保持高生产力和盈利能力来显著改进肥料推荐。由于本研究在单一试验点和一个生长季节内进行，所提出的肥料推荐应被解释为特定于所调查的环境、农艺和经济条件。需要在不同土壤类型、气候条件和生产环境中进行额外的多点、多季节研究，以验证所提最优施肥策略的稳健性。未来研究应将农艺生物强化与基因型选择、籽粒微量营养素积累和多环境验证相结合，以进一步提高热带条件下豇豆生产锌和铁施肥策略的效率、稳健性和可扩展性。