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作物杂志, 2023, 39(4): 144-151 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2023.04.021

生理生化·植物营养·栽培耕作

北方粳稻最优产量氮肥阈值周年变化及其影响因素分析

陈玥,, 宫亮,, 金丹丹, 张鑫, 李波, 邹晓锦, 隋世江, 叶鑫, 刘艳

辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所，110161，辽宁沈阳

Annual Variation of Nitrogen Fertilizer Threshold for Optimal Yield of Northern Japonica Rice and Its Influencing Factors Analysis

Chen Yue,, Gong Liang,, Jin Dandan, Zhang Xin, Li Bo, Zou Xiaojin, Sui Shijiang, Ye Xin, Liu Yan

Institute of Plant Nutrition and Environmental Resources, Liaoning Academy of Agricultural Sciences, Shenyang 110161, Liaoning, China

通讯作者: 宫亮，主要从事农业资源利用与环境研究工作，E-mail：gongliang1900@sina.com

收稿日期: 2023-04-20   修回日期: 2023-05-16  

基金资助: “十三五”国家重点研发计划(2018YFD0200200)

Received: 2023-04-20   Revised: 2023-05-16  

作者简介 About authors

陈玥，主要从事植物营养与环境研究工作，E-mail：cyuewxf@126.com

摘要

为探讨水稻氮肥阈值周年间变化及其影响因素，科学制定化肥减施策略，通过8年的田间定位试验，利用线性加平台肥料效应函数分析水稻目标产量下的氮肥阈值周年变化及其影响因素。结果表明，试验区水稻目标产量为9860~10 019kg/hm2，氮肥阈值为205.02~220.61kg/hm2，基于稻田氮素表观平衡的目标产量氮肥阈值周年变化最大幅度为7.60%，其直接影响因素表现为土壤无机氮含量>植株吸氮量>灌溉输入无机氮含量，间接影响因素是降雨携带无机氮含量。

关键词： 水稻; 化肥减施; 氮肥阈值; 推荐施肥量; 氮平衡

Abstract

In order to explore the interannual change of nitrogen fertilizer threshold for rice and its impact factors and provide a theoretical basis for the scientific development of fertilizer reduction strategy, based on eight years field positioning experiments, interannual changes and the impact factors were determined under the target yield of rice by fertilizer response linear plus plateau and quadratic model. The results showed that target yields and threshold nitrogen of rice were 9860-10 019kg/ha and 205.02-220.61kg/ha. The maximum range of interannual change was 7.60% based on nitrogen surface balance in paddy field. The order of direct impact factors were inorganic nitrogen content > nitrogen acquisition of plant > input nitrogen through irrigation, and the indirect factor was nitrogen in precipitation.

Keywords： Rice; Fertilizer reduction; Nitrogen fertilizer threshold; Recommended fertilization rate; Nitrogen balance

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本文引用格式

陈玥, 宫亮, 金丹丹, 张鑫, 李波, 邹晓锦, 隋世江, 叶鑫, 刘艳. 北方粳稻最优产量氮肥阈值周年变化及其影响因素分析. 作物杂志, 2023, 39(4): 144-151 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2023.04.021

Chen Yue, Gong Liang, Jin Dandan, Zhang Xin, Li Bo, Zou Xiaojin, Sui Shijiang, Ye Xin, Liu Yan. Annual Variation of Nitrogen Fertilizer Threshold for Optimal Yield of Northern Japonica Rice and Its Influencing Factors Analysis. Crops, 2023, 39(4): 144-151 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2023.04.021

水稻是中国主要的粮食作物，占中国粮食总产量的1/3，对保障中国粮食安全起着举足轻重的作用。氮肥是影响作物产量的主要因子之一，对粮食增产的贡献率高达40%[1]，我国稻田氮肥消费量占氮肥总消费量的30%以上[2]，但当季回收利用率仅为27.2%[3]，过量的氮肥投入一方面增加了生产成本，降低了氮肥利用效率，另一方面，导致氮素以各种途径流失到环境中，引发了一系列环境问题[4-5]。研究以维持作物高产和降低环境污染风险为限量依据的氮肥施用量，对保障国家粮食和环境安全具有重要意义[6]。目前，我国常用的推荐施肥方法有基于土壤养分的推荐施肥方法，如通过测土配方施肥法设计“3414”田间试验来建立推荐施肥指标体系，实现平衡施肥，提高作物产量[7]；基于作物的推荐施肥方法，有实时氮肥管理模式[8]和实时实地氮肥管理技术[9]，根据水稻氮素营养状况实时调节氮肥用量，实现了田块尺度的氮肥精量管理[10]；通过肥料效应函数法建立作物产量与肥料用量的统计关系，可作为推荐施肥的依据[11-12]；基于作物产量反应和农学效率的农田养分专家系统（nutrient expert）以多年多点数据库为基础，在测土条件不充分时，仍可针对农田快速生成个性化的施肥方案[13]，实现节肥增效[14]。上述推荐施肥方法分别提出了有利于土壤肥力、作物生长或者减少氮肥损失的氮肥推荐施用量，但利用不同推荐施肥方法确定的施肥量往往存在差异。王永欢等[15]利用一元二次方程函数模型计算得出辽河三角洲稻区最佳纯N用量为270~315kg/hm2，李波等[16]利用线性加平台肥料效应函数法计算该地区合理施氮量为221~235kg/hm2，应用“作物理论施氮量”[17]计算得到该区域水稻氮肥推荐用量为214~245kg/hm2，氮素归还指数（RNRI）法[18]则预测该地区合理氮素投入量为209kg/hm2。已有研究在氮肥区域宏观用量推荐及田块尺度上的微观调节方面取得了很大进展，然而氮肥推荐用量的周年变化及其影响因素则少见报道。本研究通过8年的田间定位试验，研究氮肥输入（施肥、灌溉、降水）和输出（作物吸收、损失、土壤残留）等土壤氮素表观平衡影响因子年际间变化特征，分析其对推荐施氮量周年变化的影响，为科学制定氮肥减施奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

辽河三角洲稻区是北方单季粳稻主产区之一，水稻常年种植面积在15.33万hm2（230万亩）以上，产量最高可达12 750kg/hm2，但氮肥投入量较大，农民习惯纯氮施用量可达260~300kg/hm2。试验于2011-2018年在辽宁省盘锦市盘山县墙子镇航呈农场进行，该地位于辽河三角洲中心地带，属温带半湿润季风气候类型，年均降水量650mm，年均气温8℃~9℃，无霜期165~170d。供试土壤为盐碱型水稻土，0~20cm土壤理化性质为pH 8.2、有机质22.57g/kg、全氮1.42g/kg、碱解氮105.24mg/kg、有效磷21.61mg/kg、速效钾164.22mg/kg、容重1.39g/cm3。

1.2 试验设计

设置6个氮肥水平，纯氮用量分别为0（N0）、160（N160）、210（N210）、260（N260）、315（N315）和420kg/hm2（N420），小区面积50m2，3次重复，随机区组排列。氮肥为尿素（含N 46%），基肥:分蘖肥:穗粒肥=40:30:30。各处理磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）用量均为90kg/hm2，磷肥为磷酸二铵（P2O5 46%，N 18%）和过磷酸钙（P2O5 18%），钾肥为氯化钾（K2O 60%），全部基施。各小区之间用PVC板分隔并筑埂，PVC板埋深30cm，以减少小区间肥水渗透。各小区均设有单独的排水口和进水口，单排单灌。供试水稻品种为盐丰47，插秧密度为30cm×16.5cm。每年5月下旬插秧，10月上旬收获，田间管理措施按当地习惯统一进行管理。

1.3 测定项目与方法

用LXS-15E型流量计测定各小区灌溉量，再折算成单位面积灌溉量。每次灌溉开始15min后，取灌渠中段水样500mL，3次重复。用SDM6A型雨量器测定降水量并收集雨水样品，24h降水量超过5mm时，单独采集降水水样；全年所有小于5mm降水的水样混合成一个样品。雨水样品和灌溉水样品采集后立即冷冻保存，并于1个月内完成化验。采用连续流动分析仪（AA3，德国布朗卢比公司）测定样本NO3--N和NH4+-N含量。

收获后每个小区用“十字交叉”法采取5点土壤样品，采样深度20cm，混合为1个土样。冷藏保存带回实验室后立即测定，如当天未能完成测定，将样品放置-20℃冰柜中保存。用烘干法测定新鲜土壤水分含量，用连续流动分析仪（AA3，德国布朗卢比公司）测定新鲜土壤样本NO3--N和NH4+-N含量。

水稻成熟后，各处理随机选3块样方测定水稻产量，每个样方6m2，将样方产量折算成单位面积产量。各处理随机取10穴水稻，按茎、叶和籽粒分别测定全氮含量，测定方法为H2SO4―H2O2消煮―凯氏定氮法。

1.4 模型选择

二次项、指数、直线及直线加平台等肥料效应函数分别适用于不同条件下计算肥料用量和作物产量的相关性。函数统计检验的拟合程度、同一产量水平下推荐施肥量的节省程度和稳定性是选择效应函数的3个重要条件[19]。作物产量与肥料用量两者符合报酬递减率关系，因此，通常利用二次多项式函数模型计算作物最高理论产量及对应的施肥量。而近年来，随着育种水平的不断提高，高产作物品种通常具有基础产量高、耐肥水、抗倒伏等特点，在某一产量范围内，施肥量与作物产量无显著相关性，产量和施氮量曲线在适宜施氮量附近已相当平缓，少量增加或减少氮肥的施用量对产量的影响很小[6,20]，因此，可应用线性加平台函数拟合作物产量与施氮量的相关性[21]，计算得到作物目标产量和推荐施氮量。

1.5 计算方法和数据分析

1.5.1 计算方法

降雨量（m3/hm2）=降雨量/1000× 10000；降雨携氮量（kg/hm2）=降雨量×（铵态氮含量+硝态氮含量）/103/106；植株吸氮量（kg）=（籽粒含氮量×籽粒产量+秸秆含氮量×秸秆产量）/ 1000；氮素收获指数（%）=籽粒氮素积累量/植株氮素积累总量×100；无机氮素表观损失（kg）=（施氮量+土壤起始无机氮+土壤氮素净矿化量）-（作物吸收氮+收获后土壤残留无机氮），无机氮素表观损失是指铵态氮和硝态氮以径流、淋溶和挥发等途径损失的氮素。土壤氮素净矿化量（kg）=不施氮小区作物吸氮量+不施氮肥区土壤残留无机氮-不施氮肥区土壤起始无机氮；其中，氮素矿化是根据无氮区作物吸氮量与试验前后土壤无机氮的净变化来加以估计，由于不考虑氮肥的激发效应，故假定施肥处理的土壤矿化量和无肥区相同。土壤残留无机氮含量（kg）=（铵态氮含量+硝态氮含量）×土层深度×容重×面积/103/106，式中，土层深度为20cm，容重为1.39g/cm3，面积为10 000m2。

1.5.2 推荐施氮量年际间变化因素分析

氮表观平衡理论认为[17]，农田氮投入与氮输出应该保持动态平衡，其中氮投入包括化学氮肥（fertilizer nitrogen，FN）、降雨（nitrogen in precipitation，PN）及灌溉（nitrogen in irrigation，IN）带入农田的氮素和土壤无机氮矿化（soil inorganic nitrogen mineralization，SIN）。氮输出包括植株吸收氮（nitrogen uptake，UN）、土壤残留无机氮（soil residual inorganic nitrogen，SRN）和各种途径损失的氮素（nitrogen losses，LN）。农田氮投入与输出符合以下关系：

FN+(I+P)N+SIN=UN+SRN+LN
(1)

由此推导出两者变量符合以下关系：

ΔFN+Δ(I+P)N+ΔSIN=ΔUN+ΔSRN+ΔLN
(2)
ΔFN=ΔUN+ΔSRN+ΔLN-Δ(I+P)N-ΔSIN
(3)

因此，影响化学氮肥投入量变化的因素应该与降雨及灌溉带入农田的氮素、农田土壤氮库、植株吸收氮量及各种途径损失的氮素等相关。

1.6 数据处理

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 19软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 推荐施肥量的年际间变化

利用线性加平台函数和二次多项式函数分别计算2011-2018年目标产量及推荐施氮量、最高产量及最高产量施氮量，其年际间变化趋势（图1）表明，试验区目标产量在9860~10 019kg/hm2，推荐施氮量为205.02~220.61kg/hm2，施氮量高低相差7.60%，2011-2015年有较大波动，2016年开始趋于稳定。最高产量为9876~9966kg/hm2，最高产量施氮量为258.97~280.41kg/hm2，2011-2013年逐渐增加，2014年以后基本保持稳定。推荐施氮量与目标产量及最高产量的年际间变化趋势相近，与最高产量施氮量的年际间变化趋势并不相同。

图1

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图1   2011-2018年水稻推荐施肥量及其周年变化

Fig.1   Recommended fertilizer application rate and annual change during 2011-2018


2.2 降雨及灌溉带入农田氮素的变化

图2表明，2011-2018年，从泡田到水稻收获（5-9月）期间降雨量（R）为266.4~665.4mm，折合用水量为2.66×103~6.65×103m3/hm2，携带无机氮含量（PN）为7.04~16.83kg/hm2；灌溉用水量（I）为8.56×103~10.33×103m3/hm2，携带无机氮含量（IN）为17.61~21.39kg/hm2；水稻生育期内净用水总量折合11.23×103~15.50×103m3/hm2，灌溉和降雨总携氮量为24.66~34.96kg/hm2。降雨和灌溉输入农田无机氮含量年际间变化分别为-9.64~7.56m3/hm2和-3.11~3.26m3/hm2。降雨和灌溉总输入无机氮含量周年变化为-10.30~4.62×103m3/hm2，2011-2012年和2017-2018年变化分别为0.06m3/hm2和0.03m3/hm2，波动较小，其他年份间变化均较大。

图2

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图2   水稻生育期内降雨量、灌溉量及输入无机氮含量（2011-2018年）

Fig.2   Rainfall, irrigation and inorganic N input during the rice growth period (2011-2018)


2.3 土壤氮素含量年际间变化

图3表明，与试验前相比，N0和N160处理土壤无机氮含量分别下降了15.99~25.53和11.91~ 19.30kg/hm2，呈现出逐年下降的趋势；年际间变化量分别为-2.08~-0.89和-2.20~-0.20kg/hm2，表现出逐年亏缺的规律。N210处理土壤无机氮含量为78.19~81.38kg/hm2，与基础土壤无机氮含量基本持平，呈现盈余与亏缺互现的变化规律。N260、N315和N420处理土壤无机氮含量分别增加31.65~ 41.79、38.35~43.84和42.66~45.31kg/hm2，呈现逐年上升的趋势；年际间变化分别为0.35~2.06、0.27~2.75和-0.81~1.69kg/hm2，均表现出逐年盈余的规律。

图3

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图3   不同处理0~20cm土层土壤无机氮含量变化趋势

Fig.3   Variation tendency of inorganic N concentration in the soil arable layer (0-20cm) under different treatments


0~20cm土层土壤无机氮含量与施氮量呈线性加平台相关性（表1），利用该函数模型可计算得到，土壤无机氮含量峰值为121.15~125.86kg/hm2，其对应的施氮量为273.61~289.71kg/hm2，呈现出先逐年下降，再趋于稳定的趋势；推荐施氮量条件下的土壤无机氮含量为81.87~89.31kg/hm2，较基础土壤无机氮含量增加了1.31%~10.52%，与推荐施氮量年际间波动趋势一致，含量达到约89kg/hm2时，趋于稳定。

表1   土壤无机氮含量与施氮量的相关性

Table 1  Correlation of soil inorganic N content and N application kg/hm2

年份
Year		线性加平台
Linear plus plateau		R²饱和施氮量
Saturated N
application		最高无机氮含量
Highest inorganic
nitrogen content		推荐施氮量
Recommend
N application		推荐施氮量下的无机氮含量
Inorganic nitrogen content
of recommend N application
2011
y=0.477x-15.925 x≤287.35
y=121.15 x>287.35		0.957
287.35
121.15
211.64
85.03
2012
y=0.475x-12.832 x≤289.71
y=124.78 x>289.71		0.970
289.71
124.78
205.02
81.87
2013
y=0.509x-19.599 x≤284.85
y=125.39 x>284.85		0.976
284.85
125.39
218.84
88.46
2014
y=0.487x-15.384 x≤287.77
y=124.76 x>287.77		0.988
287.77
124.76
207.39
83.00
2015
y=0.537x-24.482 x≤277.77
y=124.68 x>277.77		0.978
277.77
124.68
216.65
87.42
2016
y=0.561x-28.84 x≤274.42
y=125.11 x>274.42		0.979
274.42
125.11
218.07
88.09
2017
y=0.58x-33.094 x≤273.61
y=125.6 x>273.61		0.983
273.61
125.60
220.36
89.19
2018
y=0.549x-24.753 x≤274.34
y=125.86 x>274.34		0.983
274.34
125.86
220.61
89.31

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2.4 植株吸收氮量与施氮量的相关性

图4表明，水稻籽粒吸氮量随着施氮量的增加呈现出先明显增加，随后趋于稳定，再下降的趋势，在氮肥用量低于315kg/hm2范围内，两者符合线性加平台相关性，籽粒最大吸氮量为140.18kg/hm2，对应氮肥用量为237.39kg/hm2；水稻秸秆吸氮量随施氮量的增加呈逐渐增加的趋势。氮素收获指数与施氮量符合平台加线性的相关性（图5），施氮量低于232.64kg/hm2时，氮素收获指数保持在70.31%，高于此施氮量，氮素收获指数开始下降，水稻秸秆吸收氮素比例增加，出现奢侈吸收现象。

图4

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图4   植株吸氮量与施氮量的关系

Fig.4   Correlation of N uptake and N application


图5

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图5   氮素收获指数与施氮量的关系

Fig.5   Correlation of N harvesting index and N application


2.5 无机氮表观损失总量与氮肥用量的关系

各处理无机氮表观损失量为24.65~368.52 kg/hm2，无论是否过量施肥，各处理均有无机氮表观损失，且无机氮表观损失量与施氮量呈正相关（图6a）。N0、N160和N210处理无机氮表观损失量年际间变化量为-10.31~7.29kg/hm2；N260、N315和N420处理2011-2012年度间无机氮表观损失量相差38.85~42.38kg/hm2（图6b），在试验第2年损失量即达到峰值，但随着时间推移各处理无机氮表观损失量年际间变化量逐渐降低。

图6

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图6   0~20cm土壤无机氮表观损失量与施氮量的关系

Fig.6   Relationship between the apparent loss amount of inorganic N in the soil arable layer (0-20cm) and N application


2.6 推荐施氮量与各因素通径分析

2011-2018年推荐施氮量及氮表观平衡各因素氮含量如表2所示，其中植株吸氮量、土壤无机氮含量和氮表观损失量由其与推荐施氮量的相关性计算获得，降雨和灌溉携氮量由当年实地监测获得。推荐施氮量与植株吸氮量、土壤无机氮残留量、氮损失量、灌溉和降雨携带无机氮的周年变化线性回归方程为y=3.94301+2.63267x1+1.80279x2- 0.57659x3+1.28852x4-4.13286x5，R2=0.951，F=58.21（P<0.0001）达极显著水平，说明对其进行通径分析有意义（表3）。

表2   2011-2018年推荐施氮量条件下的氮表观平衡

Table 2  N apparent balance at recommended N application rates from 2011 to 2018 kg/hm2

年份
Year		推荐施氮量
Recommended N
application		植株吸氮量
N uptake
by plants		土壤无机氮含量
Soil mineral N		无机氮表观损失量
Apparent loss amount
of inorganic N		降雨携氮量
N in precipitation		灌溉携氮量
N in irrigation
2011211.64±6.35195.49±2.1084.98±3.03164.28±4.1513.51±0.0821.39±0.21
2012205.02±6.00189.11±2.1484.55±2.85178.88±4.6616.68±0.1718.28±0.18
2013218.84±5.99191.51±2.1691.79±3.05179.45±4.657.04±0.0417.61±0.13
2014207.39±4.29187.37±1.6985.62±2.09167.82±3.308.50±0.0517.68±0.22
2015216.65±6.40192.12±2.5093.54±3.44178.16±4.849.27±0.0720.94±0.21
2016218.07±3.97192.24±1.6079.01±0.90181.92±2.9916.83±0.0818.00±0.27
2017220.36±5.48196.43+2.2080.83±1.28179.89±4.1810.54±0.0120.00±0.19
2018220.61±3.91192.51±1.1080.81±0.85181.06±2.9811.52±0.0119.05±0.14

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表3   氮表观平衡条件下各因素对推荐施氮量周年变化的影响分析

Table 3  Effects of various factors on annual changes of recommended N application rate under N apparent equilibrium condition

参数估算Parameter estimation项目
Item		方差分析Variance analysis
变量
Variable		参数
Parameter		标准差
Standard deviation		自由度
Degree of freedom		平方和
Sum of squares		均方
Mean square		FP
y3.948.89模型Model51502.77300.5558.210.0001
x12.634.26误差Error1577.465.16
x21.807.47总和Sum201580.23
x3-0.578.14均方根Root mean square2.27
x41.285.51均值Mean value1.29
x5-4.132.26变异系数Coefficient of variation175.36

y=推荐施氮量，x1=植株吸氮量，x2=土壤无机氮，x3=无机氮表观损失量，x4=降雨携带无机氮，x5=灌溉携带无机氮，下同

y=recommended N application, x1=N uptake by plants, x2=soil mineral N, x3=apparent loss amount of inorganic N, x4=N in precipitation, x5=N in irrigation, the same below

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通径分析结果（表4）表明，直接影响推荐施氮量周年变化的因素按照影响程度依次为土壤无机氮含量>植株吸氮量>灌溉输入无机氮>降雨携带无机氮量>氮损失量的周年变化。其中，推荐施氮量周年变化与植株吸氮量、土壤无机氮含量和灌溉携氮量的周年变化呈显著正相关，其相关系数均低于直接通径系数，表明这3个因素直接影响推荐施氮量的周年变化；降雨携氮量变化相关系数为负，且其直接通径系数为正，表明其主要受土壤无机氮量、植株吸氮量和灌溉携氮量变化来间接影响推荐施氮量变化。

表4   氮表观平衡各因素与推荐施氮量周年变化的通径分析

Table 4  Path analysis of the annual changes of nitrogen apparent balance and recommended nitrogen application

因素
Factor		通径系数Path coefficient相关系数
Correlation coefficient
x1x2x3x4x5
x11.2616**0.6440-0.0084-0.3881*-0.7260**0.7831**
x20.53621.5152**-0.1423-0.5722**-0.6283**0.7087**
x30.02010.4080-0.5283**0.21040.20190.3121
x4-0.6125*-1.0846**-0.13900.7994**0.4704*-0.5663**
x50.8720**0.9063**0.1015-0.3580*-1.0504**0.4715*

“**”表示差异极显著，“*”表示差异显著

“**”indicates extremely significant difference,“*”indicates significant difference

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3 讨论

已有研究[22-23]证实了氮肥推荐量存在空间变异性，其原因主要是地区间气候和土壤肥力的差异，导致这种区域间大尺度的推荐施肥量存在较大差异[24]，但不同学者得出的同一地区的推荐施肥量也可能相差悬殊[25]，本研究也得到了相似的结论。8年试验结果表明，最高产量施氮量在试验开展前3年波动较大，而目标产量推荐施氮量在试验开展前5年变化较大。在保证目标产量变化1%以内的条件下，推荐施氮量与最高产量施氮量相比，2011-2014年减少18%~25%，表现出降低―升高―降低的变化规律；2015-2018年减少约20%，较为稳定。

氮肥残效已被众多学者所证实[26-27]，因此，如果肥料管理措施脱离了土壤氮素平衡，将难以实现持续增产，甚至会导致减产[28]。研究[29]表明，土壤供氮是水稻吸收氮素的主要来源，然而，土壤饱和施氮增加了氮素损失风险。已有的研究指出了过量施氮会导致氮肥生产效率下降[30]，稻米的营养品质变差[31]，产量降低[32]，对环境造成污染[33]等一系列危害。本研究结果表明，N260、N315和N420处理0~20cm土壤无机氮盈余量每年可高达31.65~45.31kg/hm2，其中，N315和N420处理施氮量比N260分别增加21.15%和61.54%，但无机氮盈余量仅分别增加了4.91%~21.14%和8.03%~ 28.71%，说明过量施氮导致氮素流失风险增加。彭少兵等[34]研究表明，在灌溉稻田中，并不需要保持很高的土壤背景氮来维持土壤的生产力，以避免过高的生产投入成本和休耕的氮素损失。本研究认为，0~20cm土壤无机氮含量保持在约89kg/hm2时，既可达到保持土壤肥力的目的，又能实现高产稳产，氮肥施用量为220.61kg/hm2应为最优产量氮肥阈值上限，高于此施氮量将增加氮素流失风险。Ju等[35]研究认为，在合理施用氮肥条件下，可以将作物获得目标产量时的地上部分吸氮量近似于理论施氮量，本研究也得到了相似的结论。水稻地上部分最大吸氮量为201.05~ 203.89kg/hm2，可作为最优产量氮肥阈值下限，低于此施氮量将有减产风险。

水稻产量受灌溉量和氮肥用量互作效应的影响[36]。一方面，田间水分状况改变，间接影响土壤含氧量，从而改变氮素形态，最终导致水稻生长环境发生较大改变[37]。另一方面，水分胁迫和氮素形态变化有利于提高水稻根系活力、总吸收面积和活跃吸收面积，增加分蘖期生物量积累及产量[38]。本研究结果表明，灌溉可直接影响推荐施氮量年际间变化，与上述研究结论一致。而降雨则间接影响推荐施氮量，可能是因为水稻生育期内灌溉量相对稳定，已经能够满足水稻生长需要，降雨带来的水量变化对水稻生长影响较小，其携带的氮素不能显著影响水稻对氮素的吸收利用效率。但需要注意的是应该尽量减少雨季追施氮肥，减少氮素径流损失风险[39]，以降低其对推荐施氮量的影响。

4 结论

试验区水稻目标产量为9860~10 019kg/hm2，氮肥阈值为205.02~220.61kg/hm2，基于稻田氮素表观平衡的目标产量氮肥阈值周年变化最大幅度为7.60%，其直接影响因素按照影响程度从大到小依次为土壤无机氮含量、植株吸氮量和灌溉输入无机氮含量，降雨携带无机氮含量是间接影响因素。

参考文献

Pan J R, Ju X T, Liu X J, et al.

Fate of fertilizer nitrogen for winter wheat sunner maize rotation in North China Plain under optimization of irrigation and fertilization

Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2009, 23(2):334-340.

[本文引用: 1]

贺帆, 黄见良, 崔克辉, 等.

实时实地氮肥管理对不同杂交水稻氮肥利用率的影响

中国农业科学, 2008, 41(2):470-479.

[本文引用: 1]

朱兆良, 金继运.

保障我国粮食安全的肥料问题

植物营养与肥料学报, 2013, 19(2):259-273.

[本文引用: 1]

俞巧钢, 叶静, 杨梢娜, 等.

不同施氮量对单季稻养分吸收及氨挥发损失的影响

中国水稻科学, 2012, 26(4):487-494.

[本文引用: 1]

Delgado J A, Shaffer M J, Lai H, et al.

Assessment of nitrogen losses to the environment with a Nitrogen Trading Tool (NTT)

Computers and Electronics in Agriculture, 2008, 63(2):193-206.

DOI:10.1016/j.compag.2008.02.009      URL     [本文引用: 1]

朱兆良.

推荐氮肥适宜施用量的方法论刍议

植物营养与肥料学报, 2006, 12(1):1-4.

[本文引用: 2]

卜容燕, 李小坤, 鲁剑巍, 等.

中稻氮磷钾肥的施肥效果及推荐用量

中国农学通报, 2010(14):218-221.

[本文引用: 1]

Peng S, Garcia F V, Laza R C, et al.

Increased N-use efficiency using a chlorophyll meter on high yielding irrigated rice

Field Crops Research, 1996, 47(1/2):243-252.

DOI:10.1016/0378-4290(96)00018-4      URL     [本文引用: 1]

Dobermann A, Witt C, Dawe D, et al.

Site-specific nutrient management for intensive rice cropping systems in Asia

Field Crops Research, 2002, 74(1):37-66.

DOI:10.1016/S0378-4290(01)00197-6      URL     [本文引用: 1]

贺帆, 黄见良, 崔克辉, 等.

实时实地氮肥管理对水稻产量和稻米品质的影响

中国农业科学, 2007, 40(1):123-132.

[本文引用: 1]

宫亮, 曲航, 刘艳, 等.

辽河三角洲地区高产水稻氮肥投入阈值及利用率

中国土壤与肥料, 2017(5):23-28.

[本文引用: 1]

连彩云, 马忠明.

北方平原区春玉米化学氮肥投入阈值

西北农业学报, 2016, 25(1):9-15.

[本文引用: 1]

何萍, 金继运, Mirasol F P, 等.

基于作物产量反应和农学效率的推荐施肥方法

植物营养与肥料学报, 2012, 18(2):499- 505.

[本文引用: 1]

刘东海, 陈云峰, 李双来, 等.

养分专家系统推荐施肥对湖北中稻产量和养分利用率的影响

中国土壤与肥料, 2019(4):84-88.

[本文引用: 1]

王永欢, 韩晓日, 王丽, 等.

盘锦地区水稻肥料效应函数法推荐施肥模型研究

土壤通报, 2010, 41(2):373-378.

[本文引用: 1]

李波, 宫亮, 曲航, 等.

辽河三角洲稻区施氮水平对水稻生长发育及产量的影响

作物杂志, 2020(1):173-178.

[本文引用: 1]

巨晓棠.

理论施氮量的改进及验证—兼论确定作物氮肥推荐量的方法

土壤学报, 2015, 52(2):249-260.

[本文引用: 2]

宁运旺, 张永春.

基于土壤氮素平衡的氮肥推荐方法——以水稻为例

土壤学报, 2015, 52(2):281-292.

[本文引用: 1]

陈新平, 周金池, 张福锁, 等.

小麦―玉米轮作制中氮肥效应模型的选择——经济、环境效益分析

土壤学报, 2000, 37(3):346-354.

[本文引用: 1]

贾良良, 陈新平, 张福锁, 等.

北京市冬小麦氮肥适宜用量评价方法的研究

中国农业大学学报, 2001, 6(3):67-73.

[本文引用: 1]

崔振岭. 华北平原冬小麦―夏玉米轮作体系优化氮肥管理——从田块到区域尺度. 北京: 中国农业大学, 2005.

[本文引用: 1]

Ding W C, Xu X P, He P, et al.

Estimating regional N application rates for rice in China based on target yield, indigenous N supply, and N loss

Environmental Pollution, 2020, 263:114408.

DOI:10.1016/j.envpol.2020.114408      URL     [本文引用: 1]

吴良泉, 武良, 崔振岭, 等.

中国水稻区域氮磷钾肥推荐用量及肥料配方研究

中国农业大学学报, 2016, 21(9):1-13.

[本文引用: 1]

Xu X P, He P, Pampolino M F, et al.

Spatial variation of yield response and fertilizer requirements on regional scale for irrigated rice in China

Scientific Reports, 2019(9):3589.

[本文引用: 1]

彭显龙, 王伟, 周娜, 等.

基于农户施肥和土壤肥力的黑龙江水稻减肥潜力分析

中国农业科学, 2019, 52(12):2092-2100.

DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.12.007      [本文引用: 1]

【目的】 黑龙江稻田面积320多万公顷,为全国稻田面积最大的省份,10多年来水稻产量一直徘徊在7 000 kg·hm <sup>-2</sup>,也是我国稻田化肥用量（纯N 约150 kg·hm <sup>-2</sup>）最低的省份。在化肥零增长的背景条件下,黑龙江是否存在节肥潜力有待研究。 【方法】 调查水稻主产区农户施肥情况。2005年调查区域为五常、方正、木兰、宁安、庆安、铁力、尚志、阿城;2008年调查区域为密山、虎林、庆安、五常、宁安、方正、萝北、桦川、富锦和尚志;2015年调查区域为五常、方正、宁安、虎林和庆安。每个地点随机选择一个乡,每个乡随机选择2或者3个村,每村调查10户,共638户。2009—2010年,采集了黑龙江水稻主产区8万多个土壤样品,测定0—20 cm土层速效磷、速效钾养分含量。采用理论适宜施氮量法估算黑龙江稻田氮肥用量;依据作物养分需求量和稻田土壤养分状况,采用磷钾衡量监控方法,估算稻田磷、钾肥适宜施用量,在此基础上分析黑龙江省水稻减肥潜力。【结果】 2005、2008和2015年黑龙江水稻平均产量分别为6 427、7 593和7 142 kg·hm <sup>-2</sup>,3年平均产量为7 104 kg·hm <sup>-2</sup>。农户间产量差异较大,高低相差近5 000 kg·hm <sup>-2</sup>。稻田N、P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>和K<sub>2</sub>O用量平均分别为141.0、56.6和51.6 kg·hm <sup>-2</sup>,N、P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>和K<sub>2</sub>O用量高低相差均超过300 kg·hm <sup>-2</sup>,农户间施肥变异较大,盲目施肥问题突出。稻田土壤速效磷和速效钾的含量分别约为26和138 mg·kg <sup>-1</sup>。速效磷的变异超过了40%,不同区域间土壤肥力差异较大。70%以上的样品速效磷、速效钾含量处于较高水平。要达到7 500 kg·hm <sup>-2</sup>的产量水平,对应的理论适宜N用量为105 kg·hm <sup>-2</sup>,只有20%的农户实现了高产氮素高效,有70%的农户具有节肥潜力,可以节氮超过26%。通过节肥,每千克氮素生产的粮食可由50 kg提高到70 kg。按照目前的产量和土壤养分状况,稻田P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>和K<sub>2</sub>O适宜用量分别为41.6和35.9 kg·hm <sup>-2</sup>,可以减量约30%。调研农户中,具有节磷和节钾潜力的农户分别约占总体的71%和72%,处于低产低效的农户均占总体的30%,节肥潜力最大。 【结论】 黑龙江作为全国施肥量最低的省份,有约70%的农户处于高产不高效或者低产低效水平,过量施肥问题突出,节肥潜力20%以上。

Hartmann T E, Yue S C, Schulz R, et al.

Nitrogen dynamics, apparent mineralization and balance calculations in a maize- wheat double cropping system of the North China Plain

Field Crop Research, 2014, 160:22-30.

DOI:10.1016/j.fcr.2014.02.014      URL     [本文引用: 1]

Yan X Y, Ti C P, Vitousek P M, et al.

Fertilizer nitrogen recovery efficiencies in crop production systems of China with and without consideration of the residual effect of nitrogen

Environmental Research Letters, 2014, 9:095002.

DOI:10.1088/1748-9326/9/9/095002      URL     [本文引用: 1]

Pathak H, Mohanty S, Jain N, et al.

Nitrogen, phosphorus, and potassium budgets in Indian agriculture

Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2010, 86(3):287-299.

DOI:10.1007/s10705-009-9292-5      URL     [本文引用: 1]

陈星, 李亚娟, 刘丽, 等.

灌溉模式和供氮水平对水稻氮素利用效率的影响

植物营养与肥料学报, 2012, 18(2):283-290.

[本文引用: 1]

江立庚, 曹卫星, 甘秀芹, 等.

不同施氮水平对南方早稻氮素吸收利用及其产量和品质的影响

中国农业科学, 2004, 37 (4):490-496.

[本文引用: 1]

谢黎虹, 叶定池, 胡培松, 等.

氮肥用量和施用方式对水稻“甬优6号”产量和品质的影响

植物营养与肥料学报, 2011, 17(4):789-794.

[本文引用: 1]

晏娟, 尹斌, 张绍林, 等.

不同施氮量对水稻氮素吸收与分配的影响

植物营养与肥料学报, 2008, 14(5):835-839.

[本文引用: 1]

徐新朋, 周卫, 梁国庆, 等.

氮肥用量和密度对双季稻产量及氮肥利用率的影响

植物营养与肥料学报, 2015, 21(3):763- 772.

[本文引用: 1]

彭少兵, 黄见良, 钟旭华, 等.

提高中国稻田氮肥利用率的研究策略

中国农业科学, 2002, 35(9):1095-1103.

[本文引用: 1]

Ju X T, Christie P.

Calculation of theoretical nitrogen rate for simple nitrogen recommendations in intensive cropping systems: A case study on the North China Plain

Field Crops Research, 2011, 124(3):450-458.

DOI:10.1016/j.fcr.2011.08.002      URL     [本文引用: 1]

Ding L, Gao C, Li Y, et al.

The enhanced drought tolerance of rice plants under ammonium is related to aquaporin (AQP)

Plant Science, 2015, 234:14-21.

DOI:10.1016/j.plantsci.2015.01.016      PMID:25804805      [本文引用: 1]

Previously, we demonstrated that drought resistance in rice seedlings was increased by ammonium (NH4(+)) treatment, but not by nitrate (NO3(-)) treatment, and that the change was associated with root development. To study the effects of different forms of nitrogen on water uptake and root growth under drought conditions, we subjected two rice cultivars (cv. 'Shanyou 63' hybrid indica and cv. 'Yangdao 6' indica, China) to polyethylene glycol-induced drought stress in a glasshouse using hydroponic culture. Under drought conditions, NH4(+) significantly stimulated root growth compared to NO3(-), as indicated by the root length, surface area, volume, and numbers of lateral roots and root tips. Drought stress decreased the root elongation rate in both cultivars when they were supplied with NO3(-), while the rate was unaffected in the presence of NH4(+). Drought stress significantly increased root protoplast water permeability, root hydraulic conductivity, and the expression of root aquaporin (AQP) plasma intrinsic protein (PIP) genes in rice plants supplied with NH4(+); these changes were not observed in plants supplied with NO3(-). Additionally, ethylene, which is involved in the regulation of root growth, accumulated in rice roots supplied with NO3(-) under conditions of drought stress. We conclude that the increase in AQP expression and/or activity enhanced the root water uptake ability and the drought tolerance of rice plants supplied with NH4(+). Copyright © 2015 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

董桂春, 陈琛, 袁秋梅, 等.

氮肥处理对氮素高效吸收水稻根系性状及氮肥利用率的影响

生态学报, 2016, 36(3):642-651.

[本文引用: 1]

陆大克, 段骅, 王维维, 等.

不同干湿交替灌溉与氮肥形态耦合下水稻根系生长及功能差异

植物营养与肥料学报, 2019, 25(8):1362-1372.

[本文引用: 1]

晏军, 吴启侠, 朱建强, 等.

基于稻田控水减排的氮肥运筹试验研究

水土保持学报, 2018, 32(2):229-236,245.

[本文引用: 1]

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