《International Journal of Agronomy》：Sustainable Intensification Option for Sorghum-Based Cropping Systems in the West African Savanna: A Review of Soil and Crop Management Practices
摘要
撒哈拉以南非洲面临土壤退化、降雨不稳定与土地利用强化的多重压力，西非稀树草原的高粱种植系统成为区域粮食安全的核心议题。本文系统整合1990–2024年的同行评审与机构文献，识别出限制生产的五大瓶颈：土壤肥力下降、化肥使用低效失衡、寄生杂草侵扰、季节性干旱及推广服务薄弱。研究证实，集成有机输入与氮磷精准配施的综合土壤肥力管理（ISFM）、优良农艺实践、谷物-豆类轮作/间作，以及适配小农户的保护性残茬与耕作措施，可使高粱产量较传统种植提升约30%–80%，同时改善土壤有机质与养分平衡。该增产幅度源于多项试验研究的聚合结果，而非单一荟萃分析。结论强调，推广因地制宜的ISFM、微施肥与气候韧性品种，配套强化推广与市场支持，是缩小西非稀树草原高粱产量差的关键路径。
1. 引言
撒哈拉以南非洲是全球粮食最不安全的区域，约30%人口面临周期性粮食短缺，根源在于农业单产长期低迷。尽管对气候变化贡献极小，该区域因依赖雨养农业且技术适应滞后，承受着不成比例的气候风险。作物生产力显著低于其他地区，主要归因于土壤质量差与作物管理粗放，二者均被气候变化加剧。此外，主要谷物的实际产量与潜力产量存在巨大差距。
西非稀树草原的农业生产正因人口增长与市场需求加速集约化，覆盖萨赫勒与苏丹等 agroecological zones（AEZs）。尼日利亚干旱稀树草原生长季仅4–6个月，谷物与豆类占主导，近年玉米（Zea mays）与大豆（Glycine max）等新作物被引入，但高粱（Sorghum bicolor）、珍珠粟（Pennisetum glaucum）、黑豌豆（Vigna unguiculata）与花生（Arachis hypogaea）等传统作物仍是支柱。西非稀树草原是高粱主产区，尼日利亚贡献区域总产量的71%。2020年尼日利亚高粱收获量超640万吨，占非洲总产量23%，是仅次于玉米与水稻的第三大谷物。
高粱常与黑豌豆、花生间作，因其比玉米与旱稻更具耐旱性。珍珠粟虽更耐旱且产量潜力更高，但多种植于降雨量更少的西非北部。1980–2020年间，西非高粱产量从5.1万吨飙升至1360万吨，但平均单产仅从1980年的873 kg ha?1增至2020年的973 kg ha?1，停滞源于持续依赖耐热但低产的传统品种。
在西非苏丹稀树草原，以小农户高粱系统为基础的生计支撑着农村生计与区域粮食供应，实现粮食安全与环境可持续性尤为关键。提高高粱生产力与减贫的努力必须与保护土壤、水与农田生物多样性等关键自然资源相协同，以应对日益多变的气候条件。本文探讨如何通过农艺与土壤管理策略的战略调整，提升西非稀树草原高粱系统的生产力与可持续性，重点关注适配小农户雨养种植场景的方案。强调应立足本地生态知识、农民自留种系统与区域适应性遗传资源——这些资源反映了苏丹-萨赫勒带高粱多样性的强民族语言结构。
本综述聚焦集约化高粱种植的农艺与土壤管理干预措施，包括改良且受本地青睐的品种、平衡的矿质肥料施用，以及可改善土壤肥力、水分利用效率与气候韧性的谷物-豆类间作与轮作。优先研究需求包括：评估不同家庭类型采用此类措施的经济可行性与风险特征、分析气候变化与变率对高粱产量稳定性的影响，以及与社区共同设计管理方案以强化土地与遗传资源的长期管护。本文通过叙述性综述整合1990–2024年关于西非稀树草原高粱系统的同行评审与灰色文献，提炼可持续集约化与气候韧性高粱生产的农艺与土壤管理选项，为提升高粱生产力、土壤健康与生计成果提供情境化洞见，助力区域粮食安全与环境可持续性目标。
2. 方法学路径
本综述整合西非稀树草原区（重点为苏丹与北几内亚稀树草原AEZs）高粱种植系统可持续集约化策略的证据，采用叙述性合成法整合现有关于综合土壤与作物管理实践的知识，聚焦应对土壤肥力下降、气候变率、寄生杂草与技术采用社会经济障碍的干预措施。
文献来源通过系统检索Google Scholar、Web of Science、Scopus及机构知识库（包括CAB Abstracts与AGRIS），覆盖西非主要农业研究机构（如国际半干旱热带作物研究所ICRISAT、国际热带农业研究所IITA）与国家农业研究系统。检索词组合“高粱”“可持续集约化”“土壤肥力管理”“西非”“苏丹稀树草原”“保护性农业”“综合土壤肥力管理”“谷物-豆类系统”“气候韧性”“作物管理实践”，时间跨度为1990–2024年以涵盖基础研究与近期进展。
纳入标准优先选择同行评审期刊论文、知名研究机构技术报告、会议论文集与政府出版物，要求呈现西非稀树草原区高粱生产系统的实证数据或证据合成。研究筛选基于其与土壤管理实践、作物生产力干预、气候适应策略及农民技术采用的关联性，重点关注尼日利亚、加纳、马里、布基纳法索与尼日尔等主产国的研究，同时纳入试验研究与农场参与式研究以确保覆盖控制试验与现实农民条件。提取的信息按主要挑战领域与对应干预策略主题归类，系统整理合格研究中的作物产量、养分施用量、农艺效率（AE）、经济回报与采用率数据。对于解决相似研究问题的多项研究的定量数据，首先将产量响应百分比相对于对照或基线标准化，再汇总获得30%–80%的总体增产幅度。该合成整合了不同空间尺度（从小区试验到区域评估）与时间尺度（短期生产力增益与长期可持续性结果）的研究，特别关注土壤类型、降雨模式、种植系统与制约可持续集约化实践增产幅度与可采纳性的社会经济条件等情境因素。
3. 西非稀树草原高粱种植系统的主要农艺与系统性约束
农业可持续集约化旨在通过战略管理从田间到景观的农业生态系统，结合生物、化学、文化与机械资源，提升生产力、增强生态韧性并最小化环境影响。稀树草原农业生产面临多重瓶颈：土壤肥力下降、化肥使用低效、改良种子获取有限，以及病虫害与杂草（尤其是谷物作物的Striga hermonthica与Striga gesneroides侵染）导致的严重损失。机械化采用率低与遗传多样性下降进一步加剧挑战。降雨模式不稳（包括长期干旱与洪水）、刀耕火种、森林砍伐与小型采矿对农田的破坏也雪上加霜。技术采用受限源于多重因素：农产品缺乏溢价、资金约束、劳动力短缺、高贴现率与农民风险厌恶。此外，不友好的政策、不健全的种子系统、薄弱的机构支持、基础设施不足，以及农民、推广人员与研究人员协作缺失，持续阻碍改良技术与实践的推广。
3.1. 不可持续的土壤肥力管理
土壤肥力与土壤有机质密切相关，后者受生物量投入、管理措施、矿化、淋溶与侵蚀影响。土壤有机质增强结构稳定性与抗侵蚀能力，改善入渗率并支持土壤动物活动。土壤肥力耗竭是导致人均粮食产量下降的关键因素，源于不可持续的农业实践与持续养分提取而未充分补充，在稀树草原地区尤为突出，加剧了贫困与粮食不安全。土壤物理与化学性质恶化导致作物产量显著下降。历史上农民依赖长期休耕恢复土壤肥力与有机碳，但当前休耕期已不足以实现养分恢复，使种植系统不可持续。
此外，作物残茬移出田间与土壤养分有效性低的叠加，导致区域养分平衡为负。例如Bationo等人报道每年氮素损失440万吨，而施用量仅80万吨。尼日利亚稀树草原区的估算显示，1983年328万公顷耕地因养分开采导致11.1万吨P2O5与94.6万吨K2O损失，相当于超过8亿美元的NPK化肥价值。这表明养分开采对农业生产力的破坏性影响，凸显有效管理养分输入输出以保育土壤肥力的必要性。研究表明，若不加剧环境退化，开垦新农田带来的产出增长不超过1%，因此集约化成为最可行选项。
土壤退化现已被视为撒哈拉以南非洲的关键环境问题。研究显示，林地转为农田会降低土壤养分与阳离子交换容量（黏土中从9.6降至21.0 cmol·kg?1，壤质砂土中从7.0降至15.5 cmol·kg?1）及微生物碳（黏土中从0.06%降至0.54%，壤质砂土中从0.02%降至0.37%），变化幅度因土壤类型与深度而异。优化土壤资源管理以获取最佳产品与服务，需要谨慎处理有机资源、矿质输入与土壤有机碳（SOC）库。SOC的重要性推动了对其在土壤-植物系统中积累的研究，尤其是通过保护性耕作实践。维持SOC对抗土地退化与提升未来粮食生产至关重要。更高水平的土壤有机质可提高矿质肥料的利用效率。
近期研究表明，产量变异性与SOC变异性相关，但稀树草原土壤有机质水平通常较低，多在1–10 g/kg之间。热带高温加速有机质分解，导致比其他地区更快的衰减速率。因此，提升土壤有机质水平对增强稀树草原作物生产至关重要，可通过种植高产地上与地下生物量的品种、实施原位残茬管理技术、利用异地植物残茬，以及生产优质粪肥与有机肥实现。
北几内亚稀树草原（毗邻苏丹稀树草原）的初步观测显示，豆类需约30 kg ha?1P2O5，而玉米等谷物至少需60 kg ha?1P2O5——多数农民难以达到此水平。此外，收获与残茬移除可能导致酸化（因淋溶），造成钙、镁、钾流失及可溶性锰、铝毒性升高。尽管矿质肥料可替代这些养分损失，但社会经济约束常限制其使用；许多农民因资金限制或肥料 unavailable 而施用量不足。因此，尽管区域具备可持续农业实践潜力，最优作物生产仍难以实现。
当前缓解养分耗竭的努力主要聚焦于施用含NPK的肥料，但剂量往往不足。增加NPK用量可提升产量，但也可能加速硫、锌等其他必需养分的耗竭。持续施钾可能破坏土壤阳离子平衡，抑制植物对钙等 vital 阳离子的吸收，最终降低作物生产力。矿质与有机肥输入对改善该次区域土壤肥力均属必要。多项研究得出结论：土壤肥力对农业生产的限制作用大于降雨。
3.2. 气候变率与季节效应对作物生产力的影响
稀树草原气候全年高温，干湿季分明。该AEZ雨季为5–9月，年均降雨量600–800 mm，最大降雨通常出现在8月。雨季长度4–5个月，降雨量自南向北递减。西非降雨与干旱月份的交替受大尺度大气环流模式显著影响，塑造区域降雨变率与气候。这些影响主要与西非季风（WAM）、热带辐合带（ITCZ）位移及全球海气相互作用有关，不仅决定贡献区域年降雨量80%以上的雷暴与飑线的发生时间与强度，还受全球气候现象影响的年际变率调控。
近期证据表明，稀树草原区降雨减少与气温上升的趋势令人担忧。实证研究与过程作物模型均显示对谷物生产的显著负面影响，产量变化范围从?50%至+90%，中位产量损失约?11%。近期综述指出潜在产量变化为?57%至+15%，中位损失?9%。此外，西非稀树草原高粱产量预测显示，当前气候情景下近期下降约2%–5%，到本世纪中叶至末叶上升至10%–20%，塞内加尔、马里西南部与尼日利亚北部损失尤为严重。这些影响源于更频繁的高温极端事件、生长期缩短及季风起讫时间偏移，放大了布基纳法索、尼日尔与马里等国小农户的年际产量变异与生产风险。预测还表明，到本世纪中叶，大气CO2浓度升高可能与区域气温上升1.5°C–2.8°C及年降雨量减少或季节性重分配100–400 mm相伴随，部分抵消但不会消除苏丹与萨赫勒带高粱系统的净产量损失。
然而，对降雨与作物产量数据的分析显示，西非、中非与东非约50%的玉米种植区因常年降雨量不足导致减产。农民通常在初雨时播种，但若后续降雨延迟，则面临因长期干旱需补种的的风险。尼日利亚苏丹稀树草原的干旱概率在生长季初期与末期均达峰值。生长季早期的干旱胁迫会严重阻碍植株建植，而许多小农户缺乏补种资源。因此，在出苗或灌浆等关键生育期的干旱可导致建植不良或绝收。即使季节性总降雨量看似充足，其分布仍存在不确定性，这意味着基因型成熟期与播种日期均无法完全缓解干旱影响。亟需制定降低作物干旱敏感性、同时在丰年维持或提升产量的策略，以稳定农村收入并缓解收获前慢性粮食短缺。
3.3. 寄生杂草
寄生杂草（尤其是Striga与Alectra属）对稀树草原区域的谷物与豆类作物构成重大威胁。Striga hermonthica是西非干旱稀树草原谷物生产的主要限制因子。Striga侵染约4000万公顷谷物作物（主要为高粱与粟），近7000万公顷为中度侵染，影响超1亿农民的生计。
Striga spp.仍是尼日利亚北几内亚与苏丹稀树草原小米、高粱、玉米、旱稻与豇豆生产的主要限制因子，造成严重减产。苏丹稀树草原超过80%的玉米与高粱田受侵染，产量损失从部分减少到绝收不等，取决于侵染强度。类似模式见于西非各国，Striga hermonthica与S. gesnerioides侵染约1700万公顷（约占谷物用地的64%），包括贝宁、尼日尔、马里、布基纳法索、多哥与塞内加尔，造成巨大经济损失。布基纳法索与加纳北部记录到易感豇豆品种30%–60%的产量损失，重度侵染下绝收。Striga增殖的关键驱动因素包括土壤肥力下降、休耕期缩短、连续谷物连作及易感种质的使用。为此，区域育种计划与综合管理倡议正在开发与推广抗Striga或耐Striga的玉米、高粱、水稻与豇豆品种，并配套互补控制措施。
作物轮作、与大豆等豆类间作及使用抗性品种是降低Striga侵染的主流控制措施。玉米与大豆间作可提供低成本控制Striga hermonthica的途径，因为豆类可作为诱捕作物，刺激Striga种子萌发但阻止寄生虫附着于其根系。
3.4. 社会经济约束与薄弱的推广服务
在开发测试增强农业集约化的创新技术方面已取得显著进展，但这些技术在广大小农户中的传播收效甚微，导致不同 farming 社区的采用率有限。多种因素（包括技术、社会经济、制度与政策障碍）被识别为技术采用的障碍。许多西非国家的推广服务常提供不适当或无效的推荐。此外，不考虑土壤与气候差异而 indiscriminately 推广矿质肥料，对其有效利用构成挑战。
在受控条件下表现良好的技术可能无法有效转化为农民的现实场景，原因包括管理实践、投入品可得性与土壤类型的差异。经济激励被广泛认为是技术采用的关键驱动力。农民、推广人员与研究人员之间的沟通不畅，常导致研究成果的潜在效益未能实现。
例如尼日利亚的参与式研究与推广方法（PREA）是传播改良农业技术的流行模式，但因资金不足与训练有素人员缺乏面临可持续性挑战。推广人员被期望指导生产、收获后处理与畜牧管理等广泛主题，尽管他们常缺乏跨领域的综合知识。研究表明PREA通过弥合差距，使农业技术在 farming 社区 readily available 且 accessible，同时让参与组织获得促进研究者-农民-推广合作关系的宝贵经验。因此，解决社会经济约束并提升推广服务有效性，对改善西非小农户的技术采用至关重要，这需要协同努力使推广推荐与本地条件对齐，并改善农业发展所有利益相关者之间的沟通渠道。
4. 可持续土壤作物管理战略的优先干预措施
4.1. 矿质肥料在提升高粱生产力中的作用
氮（N）、磷（P）、钾（K）是矿质肥料 targeting 的关键元素，其中氮通常是稀树草原土壤中最受限的养分。在苏丹与萨赫勒带，湿季开始时会出现氮素释放高峰，其 magnitude 与前期旱季长度相关。这种氮释放范围为13–183 kg N/ha，能否被作物充分利用取决于生长季早期的降雨模式。为恢复土壤肥力，农民同时使用化肥与有机肥，但采用率有限。尼日利亚高粱与粟最常用的化肥是复合NPK肥料（20:10:10与15:15:15），但施用量通常较低。研究表明，施用矿质氮肥可显著提升苏丹稀树草原的高粱籽粒产量。例如BUK与Minjibir的试验显示增产35%–64%与23%–78%，证实高粱对氮的强烈响应，并确定80 kg N ha?1为经济最优施用量（高于常见的60 kg N ha?1推荐值）。西非苏丹-萨赫勒带与苏丹带的相关研究也报告19%–90%的增产，最优施用量通常为40–80 kg N ha?1（取决于农业生态与管理强度）。高粱品种间的农艺氮利用效率差异显著，凸显了可利用的遗传多样性，有助于在维持生产力的同时减少对矿质氮输入的依赖。
类似地，MacCarthy等人在加纳稀树草原区发现，集约管理的宅旁田与集约度较低的灌木田的经济最优施氮量分别为40与80 kg N/ha。农艺氮利用效率（NUE）在宅旁田为21–37 kg 籽粒/kg N，灌木田为15–49 kg 籽粒/kg N。Bationo也发现西非苏丹-萨赫勒带高粱的最优施氮量为50 kg N/ha。为最大化氮效率，通常推荐分两次等量施用氮肥。生长季早期氮吸收可能因侵蚀或淋溶损失而较低，因此在后期（如播种后42天）施用更有效（此时根系发育更完善）。更高的种植密度可进一步提升养分利用率。苏丹-萨赫勒带的氮损失平均为40%，导致低产。因此，改进作物管理、优化种植密度与田间几何配置对提高氮回收至关重要。
磷（P）是苏丹稀树草原带的另一个关键限制养分。研究长期聚焦于评估土壤磷缺乏与本地磷矿（PRs）的潜力。Bationo估计80%的撒哈拉以南非洲土壤缺磷，限制了其他投入的效果。沙质苏丹-萨赫勒土壤的有效磷与全磷水平尤其低，全磷低至40 mg P/kg，有效磷低于2 mg P/kg。Bationo发现西非珍珠粟种植土壤的全磷范围为25–340 mg/kg（平均109 mg/kg）。西非拥有大量磷矿资源，若管理得当可补充土壤磷并提升谷物产量。在尼日利亚苏丹稀树草原，磷肥可使高粱籽粒产量较不施肥对照提高20%–40%，最优施用量约为45 kg P ha?1。本地加工的磷矿基肥料（如部分酸化或煅烧产品）在布基纳法索雨养条件下显示出对高粱的良好增产效果。磷矿富集堆肥同样改善了布基纳法索中部高原退化土壤上的高粱表现。尼日尔及周边国家的试验表明，在酸性至中度酸性土壤上结合有机资源使用时，天然磷矿可与常规矿质磷在粟与豇豆系统中效果相当。然而，磷矿溶解度低、运输约束及在非酸性土壤上效果有限仍是重要障碍。因此，将磷矿与有机改良剂及更广泛的农业生态实践相结合，对维持土壤肥力、支持持续耕种、提高农民收入并减少西非生产系统的环境退化至关重要。
4.2. 综合土壤肥力管理（ISFM）
ISFM被认为是资源受限农民的有价值策略，可应对贫困与粮食不安全挑战，提升粮食数量、质量、收入与土壤生产力。增加有机肥与无机肥使用及改进作物多样性（包括豆类）对恢复或维持西非干旱稀树草原集约种植系统的土壤肥力至关重要。然而，肥料成本高导致农民使用率低，尼日利亚平均施肥量约11.4 kg ha?1，其他西非国家更低。
为应对这些挑战，针对西非干旱草原长期作物生产提出了多种概念。20世纪90年代末推广的平衡养分管理针对尼日利亚、贝宁与多哥的氮磷缺乏。平衡养分管理的关键特征是结合有机与无机养分源，可将氮肥成本降低约50%。此外，利用难溶性磷或岩磷的谷物或草本豆类似乎比 other 土壤作物具有更高效的磷获取机制。国际半干旱热带作物研究所（ICRISAT）已开发出耐旱与磷高效的高粱品种与杂交种，并在西非稀树草原（特别是马里与尼日利亚）推广，结合平衡养分管理与微施肥技术。
ISFM旨在最大化施用养分的农艺效率（AE），包括合理肥料管理、使用改良品种、结合施用有机输入与肥料，以及根据农场内土壤肥力梯度调整投入施用量。马里、布基纳法索与尼日尔的研究显示，单施粪肥每产34–58 kg 谷物干物质与106–178 kg 秸秆干物质/吨粪肥；结合无机肥后，产量提升至80–90 kg 谷物/吨粪肥与84–192 kg 秸秆/吨粪肥，且高粱产量随时间持续增加。粪肥也可作为磷源。研究表明，5 t/ha 高质量粪肥可满足2 t/ha modest 玉米产量的氮需求，但在缺磷区无法满足磷需求。另有研究显示，家禽粪肥结合NPK微剂量（3 g/穴）可使高粱与珍珠粟产量较对照提高50%，证明了少量NPK与粪肥结合的有效性。
4.3. 气候韧性高粱品种
采用气候智慧型农业技术涉及整合可持续种植系统，以提升生产力并保护环境，途径包括开发对生物与非生物胁迫更具韧性、高产且具有理想市场性状的新高粱品种。由于种子是成本效益高的关键投入，品种在挑战条件下的稳产能力对整个种植系统生产力至关重要。
表2总结的大规模示范在尼日利亚苏丹稀树草原AEZ开展，因该地区拥有广泛可靠的试验数据以支持全面评估。这不仅反映了该国先进的研究基础设施，也证明了验证改良高粱技术在多样田间条件下性能所需的示范规模。正如Ajeigbe等人报告，改良高粱品种及相关技术在尼日利亚苏丹稀树草原AEZ多个州的小农户中进行了评估与示范。推广抗主要病虫害的高粱品种显著提升了不同技术干预下的产量。在Kano–Jigawa与Sokoto–Kebbi主粮加工区（SCPZs），改良品种较地方品种的籽粒增产分别为53%与64%。种子包衣分别增产27%与30%，耕作措施在同一SCPZs分别贡献18%与13%的增产。结合早熟、耐低磷且具有stay-green性状的高粱品种，以及抗霜霉病与Striga的粟品种，进一步增强了高粱生产系统的可持续性与韧性。
4.4. 谷物-豆类轮作/间作
在尼日利亚苏丹稀树草原，谷物-豆类间作是传统的常见种植实践，用于缓解气候风险、应对低出苗率并增加粮食作物多样性。研究表明，结合有机与无机肥料可进一步改善该地区小农户的间作系统。例如Ajeigbe等人发现，2行高粱:4行豇豆（2S:4C）系统结合改良豇豆品种与杀虫剂施用，对资源贫乏农民尤为有效。
2003–2005年间对改良豇豆-谷物种植系统进行了广泛评估（表3），涉及多个地点的1600多名农民。这项大规模示范旨在验证改良系统在多样农民管理条件下的稳健性与适应性，确保其实际相关性与可扩展性。结果显示改良系统优于传统系统，籽粒产量高出160%–680%，毛回报高出160%–571%。此外，改良系统产出更高质量的作物残茬，豆科材料比例增加，从而有利于牲畜生产力。农民小组组建以及与推广人员、投入品经销商与政府官员等利益相关者的网络联系，对有效的技术传播与能力建设至关重要。
除传统间作外，接力与顺序种植系统也受到关注。研究表明，谷物与豆类轮作可提高氮利用效率。例如Bationo与Ntare观察到，珍珠粟与豇豆轮作时，氮利用效率从连续珍珠粟种植的20%提升至28%。类似地，Roder报告称，高粱与其他作物轮作可改善土壤条件并减少杂草与昆虫种群，在未施肥条件下使高粱增产17%–60%。
4.5. 小农户低成本技术
4.5.1. 微施肥策略
微施肥涉及播种时在种植穴直接施用少量靶向肥料，或在出苗后2–3周施于植株附近。该技术提升肥料利用效率、增加产量并最小化投入成本，其适应性与盈利性是关键优势。尽管历史上推荐高施肥量，但其成本常阻碍农民采用。微施肥通过更低、更高效的肥料施用克服这一障碍，提供经济最优回报，使其成为更易获取且有吸引力的选项。成功采用微施肥可鼓励农民增加对投入的投资以实现持续生产力增长。除即时效益外，微施肥也是迈向可持续农业发展的第一步。布基纳法索、马里与尼日尔的试验显示出良好结果，高粱与粟产量较传统实践增加45%–120%，农民收入提高50%–130%。
