埃塞俄比亚西北部Luvisols土壤中玉米产量限制性养分的鉴定与定量分析

《Heliyon》：Yield-limiting nutrients for maize (Zea mays L.) production in Luvisols, Northwest Ethiopia

本研究针对埃塞俄比亚西北部Dera地区Luvisols土壤中玉米(Zea mays L.)生产的显著产量差距问题，通过养分省略试验系统评估了宏量和微量养分对玉米产量的影响。研究发现氮(N)是首要限制因子，平均产量响应达4487.6 kg ha-1，磷(P)和钾(K)分别在75%和50%的试验点表现出显著限制作用。土壤本底养分供应(SINS)评估显示N严重缺乏(11%充足率)，而硫(S)、锌(Zn)、硼(B)供应充足。该研究为埃塞俄比亚玉米生产的精准施肥提供了关键依据，强调需优先保障氮肥供应并实施因地制宜的磷钾管理策略。

　　

在埃塞俄比亚的农业版图中，玉米(Zea mays L.)占据着举足轻重的地位——它是全国总产量最高的谷物作物，然而其平均单产仅4.2吨/公顷，远低于全球平均水平5.97吨/公顷，更不及美国(10.8吨/公顷)等高产国家的六成。这一巨大的产量差距背后，隐藏着土壤肥力限制与施肥管理不当的双重困境。特别是在西北部Dera地区的Luvisols(淋溶土)上，长期集约化耕作、作物残留物完全移除以及不科学的施肥实践，导致土壤养分严重失衡，成为制约玉米生产的关键瓶颈。

面对这一挑战，埃塞俄比亚农业研究所(EIAR)的Abebe Getu Asfaw领衔的研究团队在《Heliyon》期刊上发表了重要研究成果。研究人员选择在Dera地区的8个农户田块展开试验，采用随机区组设计，系统比较了10种施肥处理对玉米生长的影响。这些处理包括全养分施用(NPKSZnB)、单一养分省略(-N、-P、-K、-S、-Zn、-B)、当地推荐NP施肥(138 kg N + 92 kg P₂O₅ha^-1)以及不施肥对照。通过精准测量植株生长指标、产量构成要素和最终籽粒产量，研究团队首次在该区域建立了完整的养分限制性等级体系。

研究采用的关键技术方法包括：基于随机区组设计的田间养分省略试验、土壤化学性质系统分析(pH、全氮、有效磷、交换性钾等)、作物生长指标标准化测定，以及产量响应(YR)、产量差距(YG)、土壤本底养分供应(SINS)和农艺利用效率(AE)等综合评估模型。

生长和产量属性

氮素供应对玉米生长发育表现出决定性影响。缺氮处理(-N)使植株群体数平均降低58.6%，株高降至155.2厘米，果穗数减少67%，果穗重量下降81.6%。相比之下，磷、钾缺失仅在部分试验点(磷在75%点位，钾在50%点位)表现出显著影响，而硫、锌、硼的缺失则未引起生长参数的显著变化。这一现象直观反映了不同养分在该地区农业生产中的相对重要性。

籽粒产量和干物质积累

全养分处理(NPKSZnB)获得最高平均籽粒产量(5039.5 kg ha^-1)，而缺氮处理产量骤降至551.9 kg ha^-1，降幅高达89.0%。缺磷和缺钾处理分别导致37.0%和24.7%的产量损失。干物质积累表现出相似规律，缺氮处理生物量比全养分处理低80.2%。值得注意的是，硫、锌、硼的施用并未带来显著增产效果，表明这些元素在当前生产条件下并非限制因子。

产量响应和农艺效率

氮肥的产量响应最为突出，介于3260.1-5925.9 kg ha^-1之间，平均达4487.6 kg ha^-1。磷和钾的响应值分别为1865.5 kg ha^-1和1243.9 kg ha^-1。农艺利用效率分析显示，每公斤氮、磷、钾肥分别可增产32.5、46.6和24.9公斤籽粒，这一结果为指导农民科学施肥提供了经济性依据。

土壤本底养分供应能力

土壤本底养分供应评估揭示了更为深层的机制。氮素的相对供应量仅11%，属于严重缺乏级别；磷和钾的供应充足率分别为63.9%和76.9%，表现为中度供应；而硫、锌、硼的供应充足率均超过90%，完全能满足作物需求。这些数据与田间观测到的产量响应模式高度吻合，验证了评估方法的可靠性。

产量差距量化

通过产量差距分析，研究人员精确量化了各养分的限制程度：氮缺失导致89.0%的产量损失，磷和钾缺失分别造成36.1%和23.0%的损失。这一量化结果不仅证实了氮是首要限制因子，还提示在部分特定区域，磷钾肥的合理配施对缩小产量差距具有重要价值。

本研究通过系统论证，确立了埃塞俄比亚西北部Luvisols土壤上玉米生产的养分限制优先级为N > P > K。这一结论对打破传统"一刀切"的施肥模式、推动精准农业发展具有里程碑意义。研究提出的土壤本底养分供应评估框架，为资源有限条件下最大化肥料利用效率提供了实用工具。尽管本研究仅基于单季数据，但它为后续多年定位试验奠定了坚实基础，对实现埃塞俄比亚玉米生产的可持续集约化目标具有重要指导价值。