在干旱地区系统中，土壤水分与氮素之间的拮抗、叠加和协同关系对玉米产量的影响

水分管理技术与氮肥结合对肯尼亚旱地玉米产量的交互效应研究。在Embu和Siakago进行三年两季实验，比较塑料膜、作物残渣、水凝胶与常规/缓释/硝酸铵钙的交互作用。结果表明94%产量反应为加性，协同效应罕见，建议分阶段采用低成本技术积累资本。

莫森达·埃诺克（Mosenda Enoch）|奥内斯穆斯·基托尼奥（Onesmus Kitonyo）|詹姆斯·穆特吉（James Mutegi）|维克托·萨德拉斯（Victor Sadras）|乔治·切米宁瓦（George Chemining’wa）

肯尼亚内罗毕大学植物科学与作物保护系

摘要

在干旱地区，水分和氮素之间的相互作用会影响玉米的产量。这些相互作用的程度和类型取决于环境和管理措施。在这些系统中，由于水分限制，氮肥施用往往具有风险，因为这会影响作物对养分的需求与养分供应之间的同步性。然而，将土壤水分保持措施与更好的氮肥配方（特别是缓释型氮肥）相结合，可以改善作物的氮素利用效率和产量。这项实验在恩布（Embu）和西亚卡戈（Siakago）两个地点进行了三个生长季的重复研究，分别对应2022年的短雨季和2023年的长雨季及短雨季。水分保持措施包括塑料薄膜覆盖、作物残茬覆盖和超强吸水性聚合物（水凝胶），同时设有裸地对照组。氮肥来源包括缓释尿素、常规尿素、硝酸钙铵（CAN）以及不施肥的对照组。在恩布，累计谷物产量比对照组增加了10%至111%；而在西亚卡戈，产量增加了高达120%。塑料薄膜覆盖结合硝酸钙铵、常规尿素或缓释尿素以及水凝胶的组合显著高于对照组（平均产量为1.5吨/公顷）。塑料薄膜覆盖结合硝酸钙铵或缓释尿素，以及作物残茬覆盖结合硝酸钙铵的处理的生物量也高于对照组（平均为4吨/公顷）。在54种水分和氮肥组合中，94%的组合对产量具有增效作用，6%的组合则产生拮抗作用。缺乏技术协同效应的情况表明，应逐步采用技术，先从成本较低的技术开始，逐步过渡到更昂贵的选项。关于水分和氮素之间协同作用的说法可能被高估了，需要进一步严格验证。

引言

全球粮食安全日益受到气候变化的威胁，气候变化影响了农业生产力，尤其是在像干旱地区这样的水资源有限的系统中（Liu等人，2025年；Xing等人，2024年）。在这些地区，水分和养分管理对于提高作物产量和确保可持续性至关重要（Liu等人，2025年；Xing和Wang，2024年）。在肯尼亚的干旱地区，玉米产量差距仍然很大，实际产量徘徊在1.0吨/公顷以下，而潜在产量可达8.0吨/公顷（Omoyo等人，2015年；Kiboi等人，2023年）。潜在产量是指在最适合该品种的环境中，且水分和养分供应充足、杂草、害虫和病害等限制因素得到有效控制的情况下所能达到的产量（Evans和Fischer，1999年；Foulkes等人，2009年；Fischer，2015年）。这种巨大的产量差距主要归因于土壤水分和养分的限制，尤其是氮素的限制（Kitonyo等人，2018年；Aluoch等人，2022年）。

尽管土壤覆盖具有公认的好处（Valbuena等人，2012年），包括对土壤碳储量的贡献（Lal，2005年；Blanco-Canqui和Lal，2007年；Powlson等人，2011年），但在肯尼亚的干旱地区，其应用率仍然较低。特别是将作物残茬用作覆盖物的做法面临着与其他用途（如牲畜饲料）的竞争（Jaleta等人，2013年；Tittonell等人，2015年）。此外，作物残茬的应用在物流方面效率低下且成本较高（Akinyi等人，2021年）。常见的作物残茬是碳氮比高的谷物，当施用于土壤时会导致氮素固定，尤其是在氮素投入较低的情况下（Blanco-Canqui和Lal，2007年）。这些挑战因生物质产量低而进一步加剧，从而限制了残茬作为土壤覆盖物的可用性（Kitonyo等人，2018年）。

虽然最大化水分保持效益所需的作物土壤覆盖量仍有争议，且可能因环境而异（Kitonyo等人，2018年；El-Beltagi等人，2022年；Demo和Asefa Bogale，2024年），但可以在更广泛的农业和家庭资源背景下设定现实的土壤覆盖目标（Govers等人，2013年；Gatkal等人，2024年）。为此，应寻求替代的土壤覆盖方法以减轻对作物残茬的压力（Rusinamhodzi等人，2015年）。塑料薄膜覆盖和水凝胶可以替代作物残茬，它们具有增加土壤水分保持、调节温度和控制杂草等优点（Agbna和Zaidi，2025年；Saputra等人，2025年）。然而，Monzon等人（2006年）指出，当降雨量足够高以满足蒸发和储存需求时，土壤水分保持措施的好处会减弱。在这方面，土壤水分保持对氮肥施用和最终产量的影响程度取决于环境，但交互效应的程度各不相同（Sadras等人，2016年）。

Kitonyo等人（2018年）得出结论，在肯尼亚的干旱地区，提高氮肥施用量并在作物关键生长阶段更好地匹配氮肥供应对于提高玉米产量至关重要。然而，由于土壤水分不可预测，这些系统中的氮肥施用往往具有风险，因为这会导致作物养分需求与土壤养分供应之间的同步性差（Monjardino等人，2013年；Rao等人，2015年；Kubota等人，2018年）。为了减少不确定性，缓释肥料可以在水分有限的条件下改善作物养分需求与土壤养分供应之间的同步性（Guo等人，2022年）。与传统肥料相比，缓释肥料能够随着土壤水分的逐渐释放而缓慢释放养分，从而减少养分损失（Zhao等人，2025年；Guo等人，2022年）。

水分和氮素之间的关系可能是协同的、加性的或拮抗的，并且可能受到环境的影响（Hu等人，2023年）。协同效应意味着总效果超过各部分单独的效果；加性关系产生独立的效果；而拮抗作用则会降低水分和氮素结合的净效益（Piggott等人，2015年；Sadras等人，2016年；Rietra等人，2017年；Mu等人，2025年）。关于自然资源管理中的压力关系（Côté等人，2016年）、水涝和热胁迫（Ploschuk等人，2024年）、病毒和干旱胁迫（Sadras等人，2024年）以及干旱和其他胁迫（Sadras等人，2025年）的元分析表明，协同效应比预期的要少见，尤其是在农业相关的更高组织层次上。Rietra等人（2017年）在养分相互作用方面的研究以及He等人（2021年）在生物炭和氮素关系方面的研究支持了这一观点，因此需要更多基于田间条件的证据来了解这些相互作用如何在特定环境限制下影响产量，以及它们如何指导资源有限的农民逐步采用技术。

鉴于上述挑战，本研究在肯尼亚东部两个不同的农业生态区评估了54种水分管理和氮源组合在三个生长季的表现，以确定：（i）水分保持措施与氮肥之间的关系是拮抗的、加性的还是协同的；（ii）这些关系是否因土壤和气候条件而异；（iii）对于资源有限的农民来说，逐步采用技术是否具有合理性。研究假设土壤水分保持措施和氮肥类型独立影响雨养系统的玉米产量，且主要是加性效应而非协同效应。该研究为了解水分和氮素关系的本质提供了新的见解，特别是在降雨量和土壤特征不同的地区。通过研究这些关系在不同气候和土壤条件下的变化，为干旱地区的资源有限农民提供了关于逐步采用技术的实际指导。

实验地点

实验地点

实验在2022年短雨季（2022年10月9日至2023年3月3日）、2023年长雨季（2023年3月10日至7月6日）以及2023年短雨季（2023年10月10日至2024年3月5日）期间，在肯尼亚农业与畜牧业组织（KALRO Embu）的恩布基地和农业技术发展中心（ATDC Siakago）的研究农场进行。KALRO Embu位于南纬0°30'11''，东经37°27'20''，海拔1425米；ATDC Siakago位于南纬0°34'38''，东经37°……（坐标信息不完整）

谷物产量、生物量和收获指数

这里呈现的谷物产量和干生物量数据是三个生长季的累积值。在恩布，累计谷物产量从11.2吨/公顷（裸地）到18.3吨/公顷（塑料薄膜覆盖结合硝酸钙铵）不等，这些数据受水分保持措施和氮肥来源的影响（p<0.001），但没有交互作用（p>0.05）。在西亚卡戈，累计谷物产量从10.0吨/公顷（裸地）到16.5吨/公顷（塑料薄膜覆盖结合硝酸钙铵）不等，这些数据也受水分保持措施的影响

讨论

本研究提供了关于土壤水分-氮素关系的见解，这对撒哈拉以南非洲地区的干旱地区作物种植和小农户决策具有相关性。处理之间的关系主要是加性的。缺乏水分-氮素协同效应的情况表明，应逐步采用技术，从低成本技术开始，逐步过渡到更高成本、更高产量的选项。塑料薄膜覆盖和水凝胶提高了谷物产量、干生物量和水分保持效果

结论

在评估的案例中，加性相互作用占主导地位。协同作用较为罕见：在谷物产量方面占94%，在生物量方面占69%，在收获指数方面占98%。缺乏协同效应的情况表明，技术应逐步采用。塑料薄膜覆盖和水凝胶在土壤水分保持方面优于作物残茬覆盖，使其成为非常有效的替代方案。

作者声明

本手稿的所有作者均已阅读并批准了最终版本，并同意将其提交给《Field Crops Research》。我们确认所有作者均符合ICMJE的作者资格标准。我们还声明本研究不存在利益冲突。所呈现的数据和结果准确无误，我们同意发表这项研究。已指定通讯作者代表所有作者进行交流。

作者贡献声明

所有作者都对本研究的设计、数据收集、分析和解释做出了重要贡献。作者莫森达·埃诺克（Mosenda Enoch）、奥内斯穆斯·基托尼奥（Onesmus Kitonyo）和詹姆斯·穆特吉（James Mutegi）参与了概念构思、田间布局、试验管理、数据收集和数据分析，以及初稿的撰写和项目监督。作者维克托·萨德拉斯（Victor Sadras）和乔治·切米宁瓦（George Chemining’wa）对方法论、统计分析、数据解释和审稿提供了关键反馈

CRediT作者贡献声明

乔治·切米宁瓦（George Chemining’wa）：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、正式分析、概念构思。维克托·萨德拉斯（Victor Sadras）：撰写——审稿与编辑、监督、软件应用、方法论、调查、正式分析、概念构思。詹姆斯·穆特吉（James Mutegi）：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、概念构思。奥内斯穆斯·基托尼奥（Onesmus Kitonyo）：撰写——审稿与编辑、监督、项目协调、资金筹集、数据管理

利益冲突声明

作者声明本研究不存在利益冲突。

致谢

我们衷心感谢非洲植物营养研究基金对这项研究的资助，以及恩布和西亚卡戈工作人员提供的宝贵支持和研究设施。