将保护性农业与耐旱作物相结合，可以提高津巴布韦小农系统的生产力和稳定性

《Field Crops Research》：Bundling conservation agriculture with drought-tolerant crops improves system productivity and stability in Zimbabwean smallholder systems

小农户在津巴布韦面临干旱、降雨不均和土壤退化威胁，本研究通过2018-2025年四个社区的田间试验，评估保护农业（CA）结合抗旱杂交玉米（如PAN53、PGS63）和豆科轮作（牛毛豆优于花生）对产量、系统稳定性和能量效率的影响。结果显示CA使玉米产量三年过渡期后增加202-1104 kg/ha·yr，并提升系统能量3-10%，同时豆科轮作贡献更多能量（26-27 GJ/ha）。不同传统作物（高粱、珍珠粟、 finger粟）表现显著基因型差异。CA通过保水、抗逆和轮作效益提升生产力，但需结合本地环境条件应用。

　　

克里斯蒂安·蒂尔费尔德（Christian Thierfelder）| 布莱辛·姆兰加（Blessing Mhlanga）| 汉布洛·恩戈马（Hambulo Ngoma）

国际玉米小麦改良中心（CIMMYT）- 津巴布韦分中心，地址：Mazowe路12.5公里处，哈拉雷（Harare），津巴布韦

摘要

背景或问题

津巴布韦的小农户由于干旱、降雨不规律以及土壤退化，面临作物产量下降的问题。这严重威胁到了粮食和营养安全。

研究目标

本研究旨在评估将保护性农业（Conservation Agriculture, CA）与耐旱作物及豆类轮作结合是否能够在低产量环境中提高产量、系统能量以及系统的稳定性。

方法

2018年至2025年间，在津巴布韦的四个社区进行了田间试验，比较了保护性农业与传统耕作方式（Conventional Tillage, CP）在种植玉米、高粱、小米、豇豆和花生时的效果。通过线性混合模型（linear mixed models）、时间序列产量分析（temporal yield analyses）以及基因型-基因型-环境交互作用分析（genotype-plus-genotype-by-environment interaction, GGE）来量化产量响应、系统稳定性和能量产出。

结果

经过三年的过渡期，保护性农业使玉米产量提高了202–1104公斤/公顷/年，其中PAN53和PGS63这两个杂交品种表现尤为突出。豇豆的产量超过了花生，并且对系统能量的贡献更大（在保护性农业条件下为26–27吉焦/公顷，而在传统耕作条件下为19–21吉焦/公顷）。传统谷物作物（高粱、珍珠粟和指状粟）表现出显著的基因型差异。玉米产量在保护性农业条件下呈现出先下降后上升的趋势，第7年时产量比传统耕作方式高出10–15%。植物密度对产量的影响表明，玉米的最佳密度约为55,000株/公顷，豇豆的最佳密度约为90,000株/公顷。总体而言，保护性农业使系统能量产出提高了3–10%，并增强了产量稳定性。

结论

来自津巴布韦南部和北部地区的结果表明，将保护性农业与耐旱杂交品种及豇豆轮作相结合，可以提高小农户系统的生产力、稳定性和能源效率。对于小农户而言，这种结合方式可以有效提升产量和系统稳定性。然而，由于研究结果基于特定地点的田间试验和季节性变化，因此应在研究区域所代表的环境条件下进行解读。

意义

我们的研究为提高津巴布韦半干旱地区小农户农业系统的生产力提供了新的思路。

引言

津巴布韦的小农户农业面临多重挑战，包括气候变化的影响日益加剧、土壤肥力下降以及对外部经济冲击的抵御能力减弱（Brown等人，2012年；Gukurume等人，2013年；Madamombe等人，2024年；Muoni等人，2025年；Mutekwa等人，2009年）。2023/2024年的厄尔尼诺现象导致许多农民缺乏可食用或可销售的粮食，牲畜也因饥饿或被迫出售而减少（Mugiyo等人，2023年）。这种情况凸显了需要能够抵御气候冲击、维持生产力并确保粮食和营养安全的农业系统（Matunhu等人，2022年；Wheeler和von Braun，2013年）。 津巴布韦的农业部门以低产量和高度不稳定的产量为特征，尤其是在半干旱地区（自然区域IV和V），年降水量在450至600毫米之间。作为国家主食的玉米主要依靠雨养农业种植，长期平均产量通常在0.8至1.5吨/公顷之间，而在干旱年份甚至低于0.5吨/公顷（Nyamangara等人，2013a；FAOSTAT，2026年）。尽管玉米易受气候影响，但它仍然是大多数农业生态区的首选作物（Rurinda等人，2014年）。农业贡献了津巴布韦国内生产总值（GDP）的12–18%，并养活了60–70%的人口。大多数农民耕种的土地面积不足2公顷（ZIMSTAT，2023年；世界银行，2024年）。过去二十年里，保护性农业得到了积极推广，使津巴布韦成为南部非洲保护性农业推广的领先国家之一。保护性农业基于三个相互关联的原则：最小化土壤扰动（即不进行翻耕）、保留作物残余物（将活的或死的植物材料留在土壤表面）以及作物多样化（通过轮作和/或间作）。在南部非洲的条件下，保护性农业需要配套措施才能充分发挥作用（Thierfelder等人，2018年）。 尽管如此，全国范围内仅有约10–15%的小农户真正采用了保护性农业的所有三个原则（Nyagumbo等人，2016年；Ngoma等人，2025年）。低产量、气候变异性以及高度依赖农业的生计状况凸显了采用气候智能型集约化策略以提高小农户农业系统抵御能力的重要性。 自2018年以来，国际玉米小麦改良中心（CIMMYT）一直在津巴布韦易受干旱影响的地区开展田间试验，主要目的是引入包括保护性农业、耐旱品种和轮作在内的综合创新措施，以支持更可持续的农业生产方式。 先前的研究表明，在年平均降水量低于600毫米、土壤为花岗岩沙质的条件下，保护性农业结合良好的农艺措施可以提高产量（Nyamangara等人，2013b）。其主要优势在于减少了土壤扰动和表面覆盖，从而提高了水分保持能力（Mupangwa等人，2008年；Thierfelder和Wall，2009年）。 为了充分利用这些优势，必须将保护性农业与其他气候智能型农业措施相结合，以增强气候适应性和减少土壤退化（Thierfelder等人，2017年）。技术上的综合措施包括将保护性农业与耐旱种质资源、适应性轮作以及改进的养分和作物管理相结合。提供气候信息服务也能提高农民的抵御能力（Mabhaudhi等人，2025年），从而进一步促进保护性农业的采纳（Ngoma等人，2025年）。 耐旱作物要么因其自身特性而具有抗旱能力（例如高粱和小米），要么通过专门的育种工作而具备更强的抗旱性（B?nziger等人，2006年；Setimela等人，2018年）。虽然一些研究表明在边缘地区种植高粱和小米具有优势（Mukarumbwa和Mushunje，2010年），但也有人认为这对津巴布韦的小农户来说并不总是有益的，因为他们更倾向于种植玉米作为主食（Rurinda等人，2014年）。 关于不同管理措施下种子表现的证据仍然有限。过去只有少数研究探讨了基因型×环境×管理（G × E × M）的交互作用（Mhlanga等人，2024年；Muoni等人，2024年），但结果并不一致。尽管逻辑上合理，目前仍缺乏关于将不同作物系统结合使用的额外效果和益处的明确结论。大多数先前的研究都是单独评估这些措施，因此关于管理措施、作物选择和品种特性如何共同影响小农户系统产量和稳定性的证据仍然不足。 本研究旨在探讨不同种植系统（保护性农业与传统耕作方式）、玉米品种、豆类和传统谷物之间的相互作用对产量的影响。具体目标包括：（i）量化保护性农业相对于传统耕作方式的产量优势；（ii）识别在不同环境中表现始终优异的玉米杂交品种并分析其稳定性；（iii）评估轮作豆类（豇豆和花生）对系统产量的相对贡献；（iv）探索传统谷物作物内的基因型变异作为半干旱条件下实现多样化和提高抵御能力的途径。 我们首先假设，保护性农业结合改良的玉米杂交品种和耐旱豆类轮作能够在多种环境中提高系统生产力。其次，玉米和传统谷物作物内的基因型变异将为产量提升和适应特定环境提供机会。最后，我们假设管理措施与基因型的交互作用将提高产量、稳定性和抵御能力，从而缓解气候压力。在本研究中，我们将稳定性与抵御能力区分开来：稳定性指的是产量表现在不同环境和年份间的一致性和可预测性，通常通过基因型×环境（G×E）交互作用和时间序列变化来衡量；而抵御能力则指系统吸收干扰（如干旱、生长不良、害虫压力）并随时间恢复或维持功能的能力。稳定性强调减少方差和限制交叉效应，而抵御能力强调缓冲能力和恢复动态。稳定性通过多环境G×E分析和时间序列产量趋势来评估，而抵御能力则通过长期系统表现、在压力条件下的产量响应以及系统层面的能量产出来评估。我们的研究结果将有助于根据气候变化调整干预措施，支持津巴布韦农村小农户的长期抵御能力建设。

地点描述

农艺研究在津巴布韦南部和北部的Masvingo区和Rushinga区的四个田间社区进行。这些社区属于同一行政单位，每个单位约有2200户农民，通常称为“Wards”。三个目标社区分别为Chikarudzo（Ward 13，纬度：-20.364；经度：30.935）、Chebvute（Ward 17，纬度：-20.427；经度：30.892）和Njovo（Ward 18，纬度：-20.437）。

计算和统计分析

进行了一系列定量分析，以评估不同小农户环境下的种植系统、作物种类和品种的表现和动态。研究结合了特定作物的时间序列数据、稳定性（通过基因型×环境交互作用衡量产量表现的一致性）以及抵御能力（通过评估种植系统在压力和时间下的生产力维持或恢复能力）。

天气

2018/2019年至2024/2025年间，四个地点的累积降水量表现出明显的空间和时间变化。实施时间最长的Chebvute地区降水量最高且变化最大，2018/2019年和2019/2020年的降水量分别为614毫米和2020/2021年的超过1647毫米，主要降水高峰出现在10月后的60至140天内（图1a）。Chikarudzo地区的降水量变化也较为显著。

种植系统、作物种类和品种的产量响应

在所有地点，种植系统和基因型都对玉米产量产生了显著影响。保护性农业在Chebvute、Chikarudzo和Njovo地区始终优于传统耕作方式。这一结果与南部非洲的先前研究一致，保护性农业改善了水分渗透、减少了径流，并在干旱期间保护了作物（Thierfelder等人，2014年；Nyagumbo等人，2016年）。元分析进一步证实了这一优势。

结论

研究表明，当保护性农业与合适的作物和品种选择相结合时，可以提高半干旱地区小农户系统的生产力与稳定性。在所有地点，保护性农业的表现均优于传统耕作方式，玉米产量提高了约3–10%，系统层面的能量产出也相应增加。特别是当使用PAN53和PGS63等耐旱杂交品种时，这种效果更为明显。

作者贡献

CT负责筹集资金、设计研究方案，并与CIMMYT的工作人员共同实施研究，同时参与了论文初稿和终稿的撰写；BM负责数据分析、结果总结及部分草稿的撰写；HN支持研究工作，并参与了草稿的撰写和审阅。

CRediT作者贡献声明

汉布洛·恩戈马（Hambulo Ngoma）：撰写、审稿与编辑、验证、调查。 布莱辛·姆兰加（Blessing Mhlanga）：撰写、初稿撰写、可视化、验证、正式分析、数据管理。 克里斯蒂安·蒂尔费尔德（Christian Thierfelder）：撰写、初稿撰写、验证、监督、资源协调、方法设计、调查、资金争取、数据管理、概念构建。

利益冲突

作者声明与本研究结果无关。

致谢

本研究得到了瑞士发展合作组织（SDC）和美国国际开发署（USAID）资助的R4 Rural Resilience项目和ZAMBUKO倡议的支持，并通过世界粮食计划及其在津巴布韦的合作伙伴实施。我们感谢这些机构的支持。同时，也感谢Masvingo和Rushinga地区的农民和推广人员提供的土地和劳动力，他们的贡献对于数据收集至关重要。