肥料是农作物的“粮食”,在我国农产品生产中发挥着不可替代的作用。我国用占世界不到10%的耕地,生产了世界25%的谷物,养活了世界近21%的人口。尤其在20世纪80年代初期,中国农业生产力较低,化肥的使用使中国农业生产呈现突飞猛进的跨越^[1],直至21世纪初期,出现过度依靠化肥投入增加农业单产的现象。然而,人们对化肥的过度依赖导致了21世纪以来的诸多环境问题,如水体的富营养化,地下水的硝酸盐污染等。如何正确使用化肥,减少农业生产带来的环境副效应,是当今农业研究需要解决的重要问题。

辽河三角洲地区位于辽宁省盘锦市冲积平原地带,该地区光温条件较好,水稻产量潜力较高且品质佳。近年来,该地区已经成为辽河平原水稻高产区的典型代表,水稻种植面积约18万hm²,产量最高可达12 750kg/hm²。该地区农民氮肥施用量较大,最高可达300kg/hm²,导致氮肥当季利用率较低^[2],造成了资源浪费,增加了水体污染风险。为实现主要农作物化肥使用量的零增长,针对辽河三角洲稻区氮肥施用现状,我们开展了不同氮肥梯度下作物生长对氮素的响应以及产量指标变化的研究,从而确定目标产量条件下的合理施氮范围,为该地区农业健康发展以及农民增收提供切实的技术支持。

试验在辽宁省农业科学院长期定位试验区完成。该地点位于辽河三角洲中心地带盘锦市盘山县坝墙子镇姜家村（122°14′17″N,41°9′31″E）,属温带半湿润季风气候类型,年均降雨量650mm,年均气温8℃~9℃,无霜期165~170d。供试土壤为盐碱水稻土,土壤pH 7.57,有机质30.8g/kg,全氮1.67g/kg,碱解氮100mg/kg,速效磷34.1mg/kg,速效钾264mg/kg,土壤容重1.39g/cm³。

试验于2018年开展,设置6个氮肥处理,纯氮用量分别为0、160、210、260、315和420kg/hm²,分别记为N0、N160、N210、N260、N315、N420,其中N260为当地常规施氮水平,定义为中氮处理,N210也定为中氮处理,N160定为低氮处理,高于常规施氮水平N260的N315定为高氮处理,N420为极高氮处理。小区面积50m²,3次重复,随机区组排列。氮肥的基肥-分蘖肥-穗肥施用比例为60%-30%-10%。各处理磷肥（P₂O₅）和钾肥（K₂O）用量均为90kg/hm²,且全部基施。氮肥使用大颗粒尿素,磷肥为磷酸二铵和过磷酸钙,钾肥为硫酸钾。各小区之间用黑色塑料隔板分隔,单排单灌。供试水稻品种为盐丰47,5月25日插秧（移栽）,插秧密度为30cm×18.2cm,10月8日收获,田间管理与当地常规管理方法一致。

生育期内每个小区采用定期定点法测量10穴水稻的株高、叶绿素相对含量（SPAD值）、分蘖数、植株氮素含量等指标。水稻成熟后,每个小区随机选1m²测定水稻产量,取3穴植株测定每穴水稻产量构成因子指标,包括株高、有效穗数、千粒重、穗粒数和秕谷率等。采用凯氏定氮法测定水稻植株、籽粒氮素含量。

籽粒氮积累量（kg/hm²）=（籽粒产量×N₁₀₀）/100,秸秆氮积累量（kg/hm²）=（秸秆产量×N₁₀₀）/100,N₁₀₀为100kg籽粒/秸秆的氮素吸收量^[3]。

水稻植株氮积累量（kg/hm²）=籽粒氮积累量+秸秆氮积累量;氮肥利用率（%）=（施氮区作物氮积累量-不施氮区作物氮积累量）/施氮量×100。

株高是水稻重要的农艺性状之一。随着生育时期的推进,水稻株高逐渐增大,在秧苗移栽后第68天（孕穗期）达最大值;在稻苗移栽后第138天（收获期）,由于水稻成熟秸秆脱水萎蔫,秸秆高度比孕穗期有所降低（表1）。施氮量与水稻株高呈显著正相关关系。不施氮肥处理,水稻株高最低;施氮量为420kg/hm²时,水稻株高最高;施氮量为160~315kg/hm²时,水稻株高变化不显著。不同施氮处理,株高随生育时期的变化表现为生育前期差异不明显,生育中后期差异增大的趋势,其结果与Zhang等^[4]的研究结果一致。然而,施氮量过低会导致植株营养体矮小、结实率低;施氮量过高会导致植株徒长、管壁变薄,增加倒伏风险。

通过便携式叶绿素仪测定植株功能叶片的SPAD值来诊断水稻植株氮素的营养盈缺状况是一种实时的动态监测管理技术^[5]。依据水稻叶色和叶片氮营养间的关系调节实际氮肥用量,既能提高水稻产量,又能提高氮肥利用率。水稻功能叶片剑叶在不同生育时期内的SPAD值如图1所示。不同施氮处理之间的SPAD值差异显著,总体趋势为施氮量越高,SPAD值越大,说明充足的氮肥供应,有助于植株进行光合作用和干物质积累。然而,SPAD值随水稻生育周期的变化并无规律可循（图1）,其高值点分别出现在移栽后第26天、第68天和第82天,分别处于水稻施用基肥、第1次追肥、第2次追肥的肥效期内,其氮素供应充足,叶片光合作用旺盛,因而SPAD值较高。由于使用SPAD值指导田间氮素施用受施肥时期及水稻品种的影响,因此应用SPAD值的氮素快速诊断技术还需要进一步研究。

不同施氮条件下,水稻群体茎蘖动态变化如图2所示。水稻分蘖高峰期为秧苗移栽后的33~47d,这与孟亚利等^[6]研究结果基本一致。对于中低氮肥处理（N160~N260）,最大茎蘖数出现在移栽后33~40d,对于高氮、极高氮处理（N315~N420）,最大茎蘖数出现在移栽后47d,比中低氮处理推迟1周左右。茎蘖数与株高的动态变化一致。整体上,水稻茎蘖动态变化呈现出茎蘖数从苗期至分蘖高峰期急速上升,之后稳定1周（中低氮处理）至2周（高氮处理）后,无效茎蘖逐渐萎蔫死亡,茎蘖数显著降低。本研究中,施氮量与水稻植株的总茎蘖数呈显著的正相关关系,即施氮量越高,茎蘖总数越高。此外,施氮量还与水稻植株的分蘖期长短有关,即施氮量越高,分蘖期越长;施氮量越低,分蘖期越短,此结果与前人的研究^[7,8,9]结果一致。然而,分蘖期延长会导致孕穗到成熟的时间缩短、贪青晚熟,最终生殖发育不完全、籽粒减产。茎蘖数与分蘖时期是水稻籽粒生长的重要影响因素,因此合理的氮肥施用技术对保障水稻产量至关重要。

从图3得知,水稻植株氮素占植物干物质总量的0.5%~4.0%,与前人的研究结果0.3%~5.0%基本吻合^[10]。施氮量与N₁₀₀呈显著的正相关,即施氮量越高,植株的干物质中氮吸收量越高。水稻秸秆中,N0处理的N₁₀₀数值最低,显著低于其他处理,N420处理的N₁₀₀数值最高,显著高于其他处理。比较不同生育时期,发现生育前期各处理的N₁₀₀的差异较大,随着生育时期的推进,到成熟期秸秆、籽粒的N₁₀₀差异明显缩小。此外,随着生育时期的推进,水稻秸秆中的氮素含量逐渐降低,说明N₁₀₀随着水稻植株生物量的增加呈现出明显的生物学稀释效应。移栽后第138天（收获期）秸秆的N₁₀₀降到最低,而籽粒的N₁₀₀显著升高,说明大部分氮素从植株茎秆转移到籽粒中形成蛋白质,参与生殖器官的建成^[10]。

适宜的氮肥用量和施肥时期可以改善水稻产量构成因子,从而提高籽粒产量^[11]。不同施氮处理下水稻籽粒产量及构成因子如表2所示。从产量构成因子来看,N210、N260的穗粒数（107.9~109.7）最高,有效穗数（327万~332万/hm²）、千粒重（27.53~27.62g）、秕谷率（1.38%~2.52%）、植株氮积累量（194~204kg/hm²）在所有处理中都处于较优水平;N315的有效穗数（336万/hm²）最高,其他各项指标也处于较优水平;N420的有效穗数（286万/hm²）、穗粒数（103.1）、千粒重（25.24g）较低,而秕谷率最高（7.82%）。综合以上结果得出,产量最高的3个处理分别为N210、N260、N315,虽然N260、N315的产量比N210略有增加,但处理之间差异不显著;低氮处理（N160）及极高氮处理（N420）会因为氮素供应不足与供应过量而导致水稻干物质积累转运受阻、籽粒产量显著下降。N420的茎蘖数最高,然而其有效穗数并不高,一定比例的茎蘖成为了无穗茎蘖,说明过量的氮素供应会导致植株营养生长旺盛、生殖生长受阻。就氮肥利用率来说,N210处理的最高（42%）,其次为N160（38%）,再次为N260（36%）。因此,从节约氮素的角度来说,N210处理最好,既能保证水稻高产,又能最大限度地利用化肥资源,减少氮损失对环境造成的负面效应。

施氮量与产量的肥效关系符合一元二次方程或线性加平台方程^[2,12]。根据表2的产量与施氮量数据可知,本研究的肥料效应方程更符合线性加平台模型。从图4看出,该肥效方程为两段函数,即在中、低氮端符合线性正相关（y=18.562x+6617,0<x<225,r²=0.98）,在中、高氮端符合产量恒定关系（y=10947,225<x<315）,在极高氮端符合线性或非线性负相关。由于此试验对极高氮水平的设置有限,因此产量显著降低的氮素临界点还无法确定。根据该模型预测,得出推荐氮肥用量为225kg/hm²,超过该施肥量,水稻籽粒产量不再显著增加,氮肥利用率显著下降,肥料对产量的贡献呈报酬递减趋势。根据此方程得出的推荐氮肥用量225kg/hm²,比农民习惯施氮量降低了45~75kg/hm²,该推荐值不仅保证了辽河三角洲地区的水稻产量,还节约了农民的成本投入,降低了土壤氮素盈余和淋溶风险。

土壤-植物是一个不可分割的系统,植物吸收的氮素35%来自于种植作物当年所施用的氮肥,65%来自于土壤氮库^[13]。为了保证水稻持续高产,施入土壤中的氮素除了满足作物生长发育需求之外,还要对土壤氮库进行合理的补充^[14],使土壤-植物系统的氮素处于平衡状态。所谓土壤-植物系统的氮素平衡,即所有输入到土壤系统的氮素（化肥氮、大气沉降氮、秸秆还田氮、灌溉水氮等）与所有从土壤中输出的氮素（籽粒氮、秸秆氮、氨挥发、地表径流氮、反硝化态氮等）达到平衡。鉴于辽河三角洲地区的气候条件,氨挥发、反硝化、氮淋溶形式的氮素损失并不高^[15,16],数值分别约为11.6%、10%、1%,根据土壤-植物系统的氮素平衡原理,推知该地区合理的施氮范围应在221~235kg/hm²。此外,土壤系统的氮素盈余（即施氮量与作物吸氮量之差）指标,也可作为推知合理氮素用量的参考指标,当该指标在30~50kg/hm²时,氮素既不在土壤中过度积累,又不消耗土壤氮库^[12]。根据该理论,当辽河三角洲地区的氮素盈余量为30kg/hm²时,计算得出的氮素推荐用量为234kg/hm²,此数值与基于产量肥料效应方程得出的结果非常相近。因此,基于土壤氮平衡指标与肥料效应方程模型,得到辽河三角洲单季稻区的合理氮素推荐用量为225~235kg/hm²。此用量的提出对于该区域找到合理的施氮平衡点以及环境友好型农业的发展具有重要的意义。

我国水稻种植区广泛,由于气候条件以及种植模式的不同氮素用量差别较大。东部沿海地区、南部双季稻种植区的农户实际施氮量远远超过了作物的推荐施氮量和全国尺度的平均施氮量^[17]。凌启鸿等^[18]提出我国南方水稻目标产量为10 500kg/hm²时,施氮范围应在255~334kg/hm²。相比之下,辽河三角洲稻区产量达10 000kg/hm²以上时,推荐施氮范围在225~234kg/hm²,该数值比南方稻区低很多,主要由于南北方气候条件不同导致的氮素损失不同所致。据报道^[15,16],稻田氨挥发与反硝化的程度与淹水条件的土壤温度呈显著正相关。

在东北区域内部,辽河平原稻区产量略高于松嫩平原、三江平原稻区,施氮量却显著高于后两者^[19,20],因此氮肥利用率显著低于后2个稻区。尤其是三江平原稻区,平均施氮量比辽河平原稻区低30%~40%,而产量下降却不到10%,主要与不同区域的土壤、气候条件有关。辽河三角洲稻区属于滨海盐碱土,土壤pH较高,有机质含量中等。而三江平原土壤属于白浆土,pH呈中性,有机质含量高,土壤供氮能力较强;此外,三江平原稻区昼夜温差较大,有利于水稻干物质积累,氮素损失较低而利用率较高;再次,施肥技术的优化也会提高肥料的利用效率,三江平原稻区普遍采用机械化侧深施肥技术,该技术泡田前期不施基肥,插秧与施肥同步,有效降低了氮素损失、提高了稻田氮肥利用率。相比之下,辽河平原稻区仍采用春季旋耕施入基肥,田面撒施方式进行追肥,大大增加了泡田过程以及非根区无效施肥导致的氮素损失。若在适合机械化操作的田块推广机械化侧深施肥技术,相信氮肥的利用效率也会显著提高,其区域合理施氮量相应降低。

水稻株高、SPAD值、茎蘖数、氮素含量指标,都与施氮量呈显著的正相关。而产量与其构成因子指标与施氮量符合线性加平台的肥料效应关系。施氮量不足以及过量施氮都会导致水稻籽粒干物质积累受阻、产量下降。基于产量肥料效应方程得出辽河三角洲地区推荐氮肥用量为225kg/hm²。基于土壤氮平衡理论推知,当辽河三角洲地区目标产量为10 000kg/hm²以上时,合理氮肥用量为221~235kg/hm²。因此,综合以上两因子得出辽河三角洲地区合理氮肥推荐用量为225~235kg/hm²。