江蘇省水稻減肥增產(chǎn)的潛力與機制分析

郭俊杰，柴以瀟，李玲，高麗敏，謝凱柳，凌寧，郭世偉

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江蘇省水稻減肥增產(chǎn)的潛力與機制分析

郭俊杰，柴以瀟，李玲，高麗敏，謝凱柳，凌寧，郭世偉

（南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院/江蘇省固體有機廢棄物資源化研究重點實驗室，南京 210095）

【目的】明確當前江蘇省水稻種植區(qū)域的施肥現(xiàn)狀與問題，定量研究化學氮肥減量對水稻產(chǎn)量形成和氮素吸收利用的影響，以評估氮肥減量優(yōu)化在水稻生產(chǎn)中的適用性?！痉椒ā恳越K省為研究對象，通過對1 502家農(nóng)戶進行調(diào)查，分析水稻施氮量（化肥氮）、產(chǎn)量與氮效率（氮肥偏生產(chǎn)力）現(xiàn)狀。同時結(jié)合文獻檢索獲得的 49篇大田試驗文獻共 195 組試驗數(shù)據(jù)，采用整合分析方法（Meta-analysis），定量分析氮肥減量對水稻產(chǎn)量形成和氮素吸收利用的影響特征?！窘Y(jié)果】農(nóng)戶調(diào)研數(shù)據(jù)表明，江蘇省農(nóng)戶水稻生產(chǎn)的平均產(chǎn)量、氮肥用量和氮肥偏生產(chǎn)力分別為8 273 kg·hm-2、358.10 kg·hm-2和 25.12 kg·kg-1。文獻數(shù)據(jù)整合分析表明，在江蘇地區(qū)，與傳統(tǒng)/常規(guī)施氮相比，氮肥減量顯著降低植株氮素吸收量（-5.8%—-14.0%），在一定程度上抑制了穗數(shù)的產(chǎn)生（-2.09%—-5.46%），同時通過增加穗粒數(shù)（3.96%—6.79%）、結(jié)實率（2.00%—3.88%）以及千粒重（0.89%—2.10%）來提高水稻產(chǎn)量（2.8%—5.7%）和氮肥偏生產(chǎn)力（52.4%—77.0%）。氮肥減量優(yōu)化下，秈稻的產(chǎn)量與氮效率的提升效果優(yōu)于粳稻。減量方式以氮肥減量后進行合理養(yǎng)分運籌同時增施有機肥（秸稈）對水稻增產(chǎn)增效的效果最顯著。 減量比例以≤25%最佳。高基礎地力條件下更有利于在保證水稻產(chǎn)量的前提下實現(xiàn)氮肥減量。綜合分析得出，江蘇省水稻的氮肥減量可以通過調(diào)控運籌與增施有機肥實現(xiàn)，其推薦減量空間為31%，其中基、蘗肥是其主要的減量方向?！窘Y(jié)論】江蘇省水稻化學氮肥減量可行，基肥與分蘗肥為主要的減量方向。將氮肥減量控制在31%以內(nèi)，同時進行優(yōu)化管理，能夠合理調(diào)控水稻各產(chǎn)量構成因素，實現(xiàn)水稻增產(chǎn)增效。

水稻；化學氮肥減量；產(chǎn)量及產(chǎn)量構成；氮素吸收與利用；農(nóng)戶調(diào)研；整合分析

0 引言

【研究意義】水稻是中國最主要的糧食作物之一，其產(chǎn)量的提高對于保障中國乃至全世界的糧食安全至關重要。氮素作為決定水稻產(chǎn)量的一個關鍵因素，是水稻生產(chǎn)投入的主要部分[1]?；署B(yǎng)分尤其是氮肥投入的增加，為水稻的持續(xù)增產(chǎn)發(fā)揮了重要的作用[2]。但是，由于農(nóng)戶對氮肥增產(chǎn)的盲目信賴，導致當前中國與世界其他水稻主產(chǎn)國相比氮肥施用量偏高而利用率則顯著偏低[2]。作為中國主要的水稻生產(chǎn)優(yōu)勢集中區(qū)，江蘇省的稻田種植同樣存在氮肥過量施用的現(xiàn)象，其氮肥平均施用量超過300 kg·hm-2，水稻氮肥利用效率普遍偏低[3-6]。因此，當前江蘇省水稻生產(chǎn)中的氮肥利用狀況以及氮肥減量管理改良措施是國家和社會關注的焦點問題?！厩叭搜芯窟M展】位于江蘇省內(nèi)的一些長期定位試驗的研究結(jié)果證實，在當?shù)剞r(nóng)戶施肥水平下（270—300 kg·hm-2），水稻季氮肥用量減量20%—30%是可行的，對產(chǎn)量沒有顯著影響[7-8]。JU等[9]研究同樣表明，通過采用最佳氮肥施用技術，可以在不損失水稻產(chǎn)量的基礎上減少1/3的氮肥投入量。此外，國際水稻研究所（IRRI）提出的實地氮肥管理（SSNM）系統(tǒng)已被證明在氮肥效率提高和籽粒產(chǎn)量增加方面具有顯著作用，其可以在降低氮肥施用量10%—16%的同時實現(xiàn)產(chǎn)量提高14.4%，農(nóng)學利用率提高64.1%[10]。黃進寶等[11]通過田間試驗與15N微區(qū)試驗相結(jié)合，研究表明該地區(qū)水稻的經(jīng)濟生態(tài)適宜施氮量應該在219—255kg·hm-2。寧運旺等[12]依據(jù)肥料效應函數(shù)法，推薦江蘇省水稻最佳經(jīng)濟施氮量為（246.8±42.5）kg·hm-2，而當采用兼顧作物產(chǎn)量、效益和生態(tài)環(huán)境的氮素歸還指數(shù)法時，其推薦施氮量則繼續(xù)下調(diào)為（216.9±27.3）kg·hm-2?！颈狙芯壳腥朦c】以往針對稻田氮肥減量施用的研究主要是基于一個或幾個長期定位試驗而進行的分析，角度比較單一，缺乏普遍的區(qū)域指導意義。本研究從宏觀區(qū)域尺度出發(fā)，以江蘇省為研究重點，采用農(nóng)戶調(diào)研結(jié)合整合分析的方法，進行大樣本數(shù)據(jù)的綜合定量分析，研究水稻實際生產(chǎn)過程中氮肥施用現(xiàn)狀與問題，同時評價氮肥減量施用對水稻產(chǎn)量形成和氮素吸收利用的整體影響及其可行性?！緮M解決的關鍵問題】本研究立足于江蘇省，通過農(nóng)戶問卷調(diào)研以及對已發(fā)表文獻數(shù)據(jù)的收集與整合分析，定量評價水稻化學氮肥減量施用的可行性以及最佳減量施用條件，從而為江蘇省水稻生產(chǎn)管理提供科學的施肥措施和決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 農(nóng)戶調(diào)研

農(nóng)戶調(diào)研采用分層抽樣的方法，根據(jù)江蘇省的區(qū)域氣候環(huán)境條件和經(jīng)濟發(fā)展特征，由北向南共選取約30個市（縣），每市（縣）選取1—2個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），每鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）選擇選取1—2個村，每村隨機選取 6—8家農(nóng)戶進行問卷調(diào)查。農(nóng)戶調(diào)研數(shù)據(jù)必須包括農(nóng)戶的基本信息、農(nóng)戶在水稻生產(chǎn)過程中的化學氮肥投入量以及水稻產(chǎn)量情況。調(diào)研時間為2008—2014年，最終共篩選出有效問卷1 502份。

1.2 水稻化學氮肥減量效應的數(shù)據(jù)庫構建

通過中國知網(wǎng)（CNKI）、谷歌學術（Google Scholar）等數(shù)據(jù)庫，基于“水稻（rice）”和（and）“減氮（reducing nitrogen）、優(yōu)化施氮（optimizing nitrogen）、氮肥管理（nitrogen management）”等關鍵詞，檢索2000年1月至2017年7月期間已發(fā)表的關于水稻氮肥減量的同行評審文獻。文獻篩選標準如下：（1）試驗地點為江蘇省內(nèi)區(qū)域；（2）必須是田間試驗，排除室內(nèi)盆栽或模擬試驗等；（3）試驗設有對照組（當?shù)貍鹘y(tǒng)/常規(guī)施氮量）與試驗組（氮肥減量），且至少有3次重復；（4）對照組與試驗組均有明確的氮肥施用量；（5）排除緩（控）釋肥、硝化抑制劑、脲酶抑制劑、機械深施等特殊施肥技術的施肥試驗；（6）數(shù)據(jù)至少含有水稻產(chǎn)量、產(chǎn)量構成（穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實率、千粒重）、氮素吸收量、氮肥偏生產(chǎn)力等指標中的一項；（7）不同發(fā)表文獻中的同一試驗數(shù)據(jù)只納入一次；（8）只考慮化學氮肥的減量。最終通過標準篩選出49篇符合要求的試驗性研究文獻。

利用搜集的文獻，建立水稻化學氮肥減量效應數(shù)據(jù)庫。所有指標參數(shù)的相關數(shù)據(jù)直接從文獻中獲取。對于數(shù)據(jù)以圖形展示的文獻，通過GetData Graph Digitizer 2.24 軟件，將圖形數(shù)值化后再提取。為了比較不同因素對水稻氮肥減量效應的影響，根據(jù)水稻品種（粳稻和秈稻）、減量方式（直接減量、減量+養(yǎng)分運籌、減量+增施有機肥（秸稈）、減量+增施有機肥（秸稈）+養(yǎng)分運籌）、減量比例（≤25%、25%—50%、＞50%）。此外，根據(jù)土壤基礎地力[13]的定義，以不施（氮）肥區(qū)水稻產(chǎn)量作為表征土壤基礎地力的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)按＜5.5、5.5—7、＞7 t·hm-2分為低、中、高土壤基礎地力。

1.3 農(nóng)戶調(diào)研數(shù)據(jù)分析

農(nóng)戶水稻生產(chǎn)過程中的施氮量按其所用化肥產(chǎn)品的實際含氮量折算，最終以純氮量（kg·hm-2）表示。氮肥效率用氮肥偏生產(chǎn)力（PFPN，Partial factor productivity of applied nitrogen）（kg·kg-1），即單位面積水稻籽粒產(chǎn)量與單位面積施氮量的比值表示，該指標適用于農(nóng)戶調(diào)研數(shù)據(jù)中化肥效率的分析[14]。

1.4 水稻化學氮肥減量效應meta分析

使用響應比（response ratio，簡稱）的自然對數(shù)（ln）作為水稻氮肥減量相關考慮指標的效應值（）[15]：

=ln=ln(t/c) （1）

式中，t和c是某一指標試驗組和對照組的平均值。

通過以下公式計算加權累積效應值（++）[16]：

++=（2）

式中，是試驗組和對照組成對比較的總數(shù)，是單個數(shù)據(jù)對效應值的權重，是單個數(shù)據(jù)效應值。由于本研究中所搜集的文獻絕大多數(shù)未展示平均值的標準差或者標準誤，因此效應值的權重（）基于樣本重復數(shù)進行計算[17]：

=(t×c)/(t+c) （3）

式中，t和c是試驗組和對照組的樣本重復數(shù)。

利用 MetaWin 2.1中的重取樣（resampling tests）和靴襻法（bootstrap CI）（4 999次迭代次數(shù)）[18-19]，確定95%置信區(qū)間（CI），并用偏差校正法（bias- corrected method）進行校正。同時使用隨機檢驗法（randomization test），判斷組間差異的顯著性。

為了便于解釋，將 ln的分析結(jié)果轉(zhuǎn)化成變化百分比（percentage changes）[16]：

percentage changes =（-1)×100% （4）

式中，若=1，即變化百分比為 0，表明試驗組和對照組沒有差異；若＞1，則說明產(chǎn)生了正效應，氮肥減量導致相關指標的增加；若＜1，則說明產(chǎn)生了負效應，氮肥減量導致相關指標的減少。

2 結(jié)果

2.1 江蘇省水稻生產(chǎn)與化學氮肥施用現(xiàn)狀

如圖1所示，江蘇省農(nóng)戶調(diào)研所獲得的水稻產(chǎn)量（圖1-a）、施氮量（圖1-b）及氮肥偏生產(chǎn)力（圖1-c）的數(shù)據(jù)符合偏正態(tài)分布。江蘇省農(nóng)戶水稻產(chǎn)量為（8 273± 1 062）kg·hm-2，變化范圍在3 571—12 998 kg·hm-2，變異系數(shù)為12.83%；水稻施氮量為（358.10±98.73）kg·hm-2，變化范圍在94.88—699.75 kg·hm-2，變異系數(shù)為27.57%；水稻氮肥偏生產(chǎn)力為（25.12±8.90）kg·kg-1，變化范圍在8.14—88.93 kg·kg-1，變異系數(shù)為35.44%。

2.2 化學氮肥減量對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構成的影響

總體而言，與當?shù)貍鹘y(tǒng)/常規(guī)施氮量相比，氮肥減量能夠顯著提高水稻產(chǎn)量（圖2），增幅為4.2%（CI=2.8%—5.7%）。對于不同水稻品種而言，氮肥減量均顯著提高其水稻產(chǎn)量，但是氮肥減量對秈稻產(chǎn)量（6.8%）的促進作用顯著高于粳稻（3.6%）。不同減量方式下，氮肥減量對水稻產(chǎn)量的影響存在顯著差異。氮肥直接減量會導致水稻產(chǎn)量顯著降低（-2.3%），但是減量的基礎上增施有機肥（秸稈）可以維持水稻產(chǎn)量甚至有所提高（3.6%）。而氮肥減量并調(diào)控氮肥運籌或者在減量基礎上同時調(diào)控運籌與增施有機肥，分別可使水稻產(chǎn)量顯著提高5.4%和8.0%。對于不同減量比例而言，隨著氮肥減量比例的增加，水稻產(chǎn)量的增幅呈現(xiàn)顯著下降趨勢。水稻產(chǎn)量在氮肥減量比例≤25%和25%—50%時分別增加6.3%和2.8%，而在減量比例＞50%時增產(chǎn)不顯著。對于不同土壤基礎地力而言，當基礎地力＜5.5 t·hm-2時，氮肥減量對水稻的增產(chǎn)不顯著。當基礎地力為5.5—7或者＞7 t·hm-2時，氮肥減量分別提高水稻產(chǎn)量6.8%和6.6%。

曲線表示數(shù)據(jù)的正態(tài)分布，虛線表示數(shù)據(jù)的上、下內(nèi)限（即上、下四分位至1.5倍四分位距的點的值），Mean表示數(shù)據(jù)的算術平均值，SD表示數(shù)據(jù)的標準差，C.V.表示數(shù)據(jù)的變異系數(shù)，Sk表示數(shù)據(jù)的偏度，Bk表示數(shù)據(jù)的峰度，n表示數(shù)據(jù)的樣本量

n為觀察樣本量。下圖同 n is numbers of experimental observation. The same as Fig. 3 and Fig. 4

整合分析還表明，氮肥減量顯著影響水稻的產(chǎn)量構成因素（圖3）。整體而言，與當?shù)貍鹘y(tǒng)/常規(guī)施氮量相比，氮肥減量會導致水稻的穗數(shù)顯著下降3.6%（CI=-2.09%—-5.46%），而水稻的穗粒數(shù)、結(jié)實率與千粒重則分別提高了5.36%（CI=3.96%—6.79%）、2.92%（CI=2.00%—3.88%）和 1.50%（CI=0.89%— 2.10%）。對于不同水稻品種而言，除了秈稻的千粒重無顯著變化外，粳、秈稻的產(chǎn)量構成因素均受到氮肥減量的影響，其變化趨勢與整體變化相似。其中氮肥減量對秈稻穗粒數(shù)（9.42%）的促進效應顯著強于粳稻（4.51%），而對粳稻千粒重（1.8%）的增幅則顯著高于秈稻（0.2%）。不同的減量方式對水稻穗數(shù)和結(jié)實率的影響不顯著，但會顯著改變氮肥減量對水稻穗粒數(shù)以及千粒重的調(diào)控。氮肥直接減量會導致穗粒數(shù)顯著降低（-6.24%）。氮肥減量基礎上增施有機肥（秸稈）則能夠使水稻籽粒的千粒重顯著提高3.46%。相比之下，無論是否增施有機肥（秸稈），氮肥減量后通過調(diào)控養(yǎng)分運籌，均可以提高水稻的穗粒數(shù)和千粒重（減量+養(yǎng)分運籌下水稻千粒重除外）。除了結(jié)實率以外，不同減量比例顯著影響氮肥減量后的水稻穗數(shù)、穗粒數(shù)與千粒重。與對照相比，水稻穗數(shù)在氮肥減量比例≤25%時無顯著差異，但隨著減量比例的增加，水稻穗數(shù)呈現(xiàn)明顯下降趨勢。與穗數(shù)的趨勢不同，穗粒數(shù)隨著減量比例的增加而增加，而千粒重則呈現(xiàn)先增加后下降趨勢。不同土壤基礎地力下的氮肥減量顯著影響水稻的穗粒數(shù)，隨著土壤基礎地力增加，穗粒數(shù)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。

圖3 化學氮肥減量對水稻穗數(shù)（a）、穗粒數(shù)（b）、結(jié)實率（c）和千粒重（d）的影響

2.3 化學氮肥減量對水稻氮素吸收與利用的影響

圖4表明，與當?shù)貍鹘y(tǒng)/常規(guī)施氮量相比，氮肥減量使水稻地上部氮素吸收量平均降低了9.5%（CI= -5.8%—-14.0%），卻顯著提高了水稻的氮肥偏生產(chǎn)力（63.9%，CI=52.4%—77.0%）。對于不同品種而言，氮肥減量均顯著降低水稻的氮素吸收量，同時提高其氮肥偏生產(chǎn)力。但是，氮肥減量對秈稻氮素吸收量的降低（-19.6%）比粳稻（-6.6%）更顯著。而氮肥偏生產(chǎn)力則是秈稻的增幅（117.1%）顯著高于粳稻（43.7%）。對于不同減量方式而言，氮肥直接減量以及在此基礎上進行養(yǎng)分運籌調(diào)控均會顯著降低水稻地上部氮素吸收量，但是增施有機肥（秸稈）能夠維持甚至增加水稻的氮素吸收量，變幅-3.6%— 8.7%。此外，所有減量方式均能夠在不同程度上顯著提高水稻的氮肥偏生產(chǎn)力。對于不同減量比例而言，與對照相比，水稻氮素吸收量在氮肥減量比例≤25%時無顯著差異，但隨著減量比例的增加，水稻氮素吸收量顯著下降。相反，隨著氮肥減量比例的增加，水稻的氮肥偏生產(chǎn)力呈現(xiàn)明顯上升趨勢。對于不同基礎地力而言，氮肥減量對水稻氮素吸收與利用的效應無明顯差異。

圖4 化學氮肥減量對水稻氮素吸收量（a）和氮肥偏生產(chǎn)力（b）的影響

2.4 水稻化學氮肥減量模式

基于整合分析數(shù)據(jù)庫的相關數(shù)據(jù)，構建水稻化學氮肥減量效應示意圖。如圖5所示，傳統(tǒng)/常規(guī)施氮處理的基肥、分蘗肥與穗肥平均施用量分別為127.66、73.88和92.48 kg·hm-2，而氮肥減量處理的基肥、分蘗肥與穗肥平均施用量則分別降低38.10%、39.74%和13.85%。氮肥的減施主要集中在基肥與分蘗肥上，減量比例約占傳統(tǒng)/常規(guī)施氮處理總施氮量的26.56%，是主要的氮肥減量方向。此外，試驗中專家氮肥推薦的減施量均值為90.81 kg·hm-2，占傳統(tǒng)/常規(guī)施氮處理總施氮量的30.89%。從分配比例上看，傳統(tǒng)/常規(guī)施氮中的基肥、分蘗肥與穗肥比例約為4﹕3﹕3，而氮肥減量處理則為4﹕2﹕4，即氮肥減量的同時運籌比例也進行了調(diào)整。示意圖還表明，氮肥減量主要通過影響水稻的氮素吸收量（-5.8%—-14.0%），一定程度上抑制了穗數(shù)的產(chǎn)生（-2.09%—-5.46%），同時調(diào)控穗粒數(shù)（3.96%— 6.79%）、結(jié)實率（2.00%—3.88%）以及千粒重（0.89%—2.10%）的增加，進而提高水稻產(chǎn)量（2.8%—5.7%）與氮肥偏生產(chǎn)力（52.4%—77.0%）。

在虛線箭頭上的數(shù)值表示各施肥時期的基于傳統(tǒng)總施氮量的氮肥減量比例。在實線箭頭上的數(shù)值表示氮肥減量對箭頭所指指標的影響，括號中加號（+）表示正效應，減號（-）表示負效應

3 討論

農(nóng)戶調(diào)研數(shù)據(jù)表明，當前江蘇省農(nóng)戶間水稻氮肥施用不足與過量的現(xiàn)象并存，其中以過量施肥尤為突出。WU等[20]通過研究表明，全國農(nóng)戶水稻生產(chǎn)的平均產(chǎn)量、施氮量以及氮肥偏生產(chǎn)力分別為7 140 kg·hm-2、214.00 kg·hm-2和 37.00 kg·kg-1。對比本研究中農(nóng)戶調(diào)研的數(shù)據(jù)（圖1）可以發(fā)現(xiàn)，江蘇省水稻單產(chǎn)比全國農(nóng)戶平均水平高16.52%，然而其施氮量是全國平均水平的1.67倍，導致氮肥偏生產(chǎn)力顯著偏低，這與前人的研究結(jié)果相一致[4-5, 21]。這主要是由于在中國農(nóng)民的傳統(tǒng)觀念中，高氮肥投入就意味著高產(chǎn)量，因此農(nóng)戶常常為了片面追求產(chǎn)量而過量偏施氮肥[22]。江蘇省發(fā)達的經(jīng)濟水平與較高的農(nóng)業(yè)集約化程度，也可能是導致現(xiàn)階段高投入、高產(chǎn)出局面的原因之一。此外，長期不合理的化肥施用也可能會削弱土壤對養(yǎng)分匱乏的緩沖能力，進而迫使農(nóng)戶不得不過量施肥以維持作物產(chǎn)量[23]，導致肥料利用率降低。過量的施肥不僅會極大地降低施肥的經(jīng)濟效益，還可能引發(fā)病蟲害或倒伏，給農(nóng)民造成沉重的經(jīng)濟負擔，同時也容易導致一系列嚴重的環(huán)境問題[24]?？傊瑸榱舜龠M農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和減輕環(huán)境污染的風險，減少氮肥施用量是當務之急。

基于49篇文獻的整合分析發(fā)現(xiàn)，江蘇省稻季氮肥的減量施用能夠顯著增加水稻產(chǎn)量（2.8%—5.7%）與氮肥偏生產(chǎn)力（52.4%—77.0%）。XIA等[25]的研究表明，單獨使用一種氮肥優(yōu)化管理技術（包括優(yōu)化氮肥施用量、緩控釋肥、脲酶抑制劑、硝化抑制劑等技術），可以顯著提高中國三大主要糧食作物的產(chǎn)量，增幅1.3%—10%，這與本文研究的結(jié)果相似。此外，研究表明，如果綜合地應用這些氮肥優(yōu)化管理技術，則能夠顯著地增加糧食產(chǎn)量18%—35%[26]。不同的是，XIA等[25]基于所有氮肥優(yōu)化管理技術對水稻的影響總結(jié)得出，產(chǎn)量的增加主要歸因于水稻更多的氮素吸收量和更高的氮素利用率。而本研究主要是關于水稻氮肥施用量的減量優(yōu)化，結(jié)果表明氮肥減量會導致水稻氮素吸收量顯著降低5.8%—14.0%，因此產(chǎn)量的增加顯然不是由于氮素吸收累積的提高而導致的。進一步分析表明，本研究中水稻的增產(chǎn)可能是由于氮肥用量的改變導致水稻各主要生育時期氮素的吸收與分配的改變，進而使各時期氮素的功能發(fā)生變化，調(diào)控了水稻的產(chǎn)量構成因素，最終實現(xiàn)產(chǎn)量的增加與氮肥效率的提高[6]。LONGNECKER 等[27]研究表明，在分蘗期，葉片的氮素濃度會影響植株分蘗的發(fā)生及存活。葉面積指數(shù)也會影響分蘗數(shù)目，而高葉面積指數(shù)同樣需要高的葉片氮素濃度以維持分蘗的存活，反之亦然[28]。因此對于傳統(tǒng)/常規(guī)施氮而言，水稻前期（基、蘗肥）施氮量大，前期較高的氮素含量會造成分蘗數(shù)目及無效分蘗數(shù)的增加，最終導致穗數(shù)偏高。此外，過量的分蘗還會導致穗粒數(shù)減少，籽粒灌漿不足，結(jié)實率降低[6]。而氮肥減量優(yōu)化可以通過降低水稻的基、蘗肥的施用，進而減少分蘗的產(chǎn)生，一定程度上抑制水稻穗數(shù)的形成。SUN等[29]的研究結(jié)果表明，隨著后期氮肥比例的增加，水稻穗粒數(shù)的增加。另外，有研究指出，小穗分化期前穗粒數(shù)與氮吸收量之間的關系非常緊密[30]。而水稻籽粒產(chǎn)量的形成大多受限于最終的穗粒數(shù)[31]。因此，通過氮肥減量優(yōu)化，可以提高后期穗肥的比例，保證花后較高的綠葉面積從而提高生物量[32]，同時能夠維持葉片氮代謝相關酶類活性，促進水稻后期光合作用[33]，進行籽粒灌漿，提高結(jié)實率與千粒重最終提高水稻產(chǎn)量。

不同的水稻品種顯著影響水稻氮肥減量的效果。研究表明，秈稻的氮素吸收效率高于粳稻而氮素需求低于粳稻[34-35]，這可能導致氮肥減量對秈稻的產(chǎn)量和氮肥效率的提高均要高于粳稻。不同的減量方式和比例同樣會影響產(chǎn)量和氮肥利用效率對氮肥減量優(yōu)化的響應。當?shù)手苯訙p量而不進行其他調(diào)控措施，雖然能夠減少化學肥料的投入，但穗數(shù)以及穗粒數(shù)均顯著下降，最終導致減產(chǎn)。而在減量基礎上調(diào)控氮肥運籌，則可以優(yōu)化水稻各主要生育期的氮素供應，滿足水稻生長的氮素需求，實現(xiàn)氮素供應與作物需求同步，進而達到減氮增產(chǎn)增效的目的[36]。當在氮肥減量基礎上增施有機物料，則有利于提高土壤的微生物活性[37]，改善土壤肥力，維持土壤養(yǎng)分的持續(xù)供應[38]。就減量比例而言，當減量比例≤25%時，產(chǎn)量不但沒有降低，反而顯著增加，說明水稻生產(chǎn)中適當?shù)牡蕼p量是可行的。而當減量比例大于50%時，雖然氮肥偏生產(chǎn)力能夠顯著地提升，但是水稻產(chǎn)量卻出現(xiàn)了降低趨勢，因此氮肥的減量應在合理范圍之內(nèi)。本研究的結(jié)果表明，江蘇省區(qū)域?qū)＜彝扑]的氮肥減量比例約為31%，屬于較為適宜的減量范圍，這與前人的研究基本一致[7-9]。需要注意的是，研究表明氮肥的施用導致江蘇省農(nóng)田土壤氮素出現(xiàn)盈余現(xiàn)象[39]，進而提高土壤氮素的供應能力，這可能間接地增加了水稻的氮肥減量潛力。因此，當前的氮肥減量空間是基于現(xiàn)階段施肥過量以及土壤氮盈余的前提，一味地減施可能會導致土壤養(yǎng)分匱乏，降低作物生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，影響作物產(chǎn)量[40]。此外，不同的基礎土壤地力也會影響水稻氮肥減量的效果。在高基礎地力土壤上進行氮肥減量對水稻產(chǎn)量的負面影響小于低基礎地力土壤，這主要是由于高基礎地力稻田的外源氮肥貢獻率低于低基礎地力稻田[41]。

4 結(jié)論

盡管當前江蘇省的水稻生產(chǎn)處于領先水平，但是其過量的氮肥施用仍然制約著水稻高產(chǎn)高效的實現(xiàn)，水稻氮肥施用量的降低勢在必行。水稻氮肥減量可行，其推薦減量空間為31%，主要減少基肥和分蘗肥。氮肥減量能夠同時實現(xiàn)水稻增產(chǎn)2.8%—5.7%和氮肥偏生產(chǎn)力提高52.4%—77.0%。氮肥減量優(yōu)化的實現(xiàn)主要是通過影響水稻的氮素吸收量（-5.8%—-14.0%），調(diào)控各生育時期氮素的功能，在一定程度上抑制了穗數(shù)的產(chǎn)生（-2.09%—-5.46%），同時促進穗粒數(shù)（3.96%—6.79%）、結(jié)實率（2.00%—3.88%）以及千粒重（0.89%—2.10%）的形成。在進行氮肥減量時，還應考慮水稻品種間差異，優(yōu)先選擇中或高基礎地力（≥5 t·hm-2）的土壤，在適宜的減量比例（≤25%）下，合理調(diào)控減量后的化肥運籌以及有機無機養(yǎng)分的協(xié)同。

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The Potential and Related Mechanisms of Increasing Rice Yield by Reducing Chemical Nitrogen Application in Jiangsu Province

GUO JunJie, CHAI YiXiao, LI Ling, GAO LiMin, XIE KaiLiu, LING Ning, GUO ShiWei

(College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University/Jiangsu Provincial Key Laboratory of Solid Organic Waste Utilization, Nanjing 210095)

【Objective】To evaluate the applicability of nitrogen fertilizer reduction and optimization for rice productivity in Jiangsu Province, the current situations and existed problems of fertilizer application were studied, and the effects of reducing nitrogen application on rice yield formation, nitrogen uptake and utilization were quantified.【Method】The current situations of rice nitrogen application rate (chemical nitrogen), grain yield and nitrogen use efficiency (PFPN, Partial factor productivity of applied nitrogen) were conducted by 1 502 farmer surveys in Jiangsu Province. Moreover, the effect of nitrogen reduction on rice productivity was evaluated by using Meta-analysis with 195 observations from 49 previous published studies. 【Result】The data of farmer practices survey showed that the averaged rice yield, nitrogen application rate and PFPNin Jiangsu Province were 8 273 kg·hm-2, 358.10 kg·hm-2and 25.12 kg·kg-1, respectively. Meta-analysis showed that after reducing the N rate, the yield and PFPNincreased by 2.8%-5.7% and 52.4%-77.0%, respectively, compared with traditional/conventional nitrogen application in Jiangsu province. The increased rice yield and PFPNwere attributed to the regulated nitrogen uptake (-5.8%- -14.0%), which reducing the rice panicle number by 2.09%-5.46%, while increasing the grains per panicle, seed setting rate and 1000-grain weight by 3.96%-6.79%, 2.00%-3.88% and 0.89%-2.10%, respectively. The enhancing effects of reducing nitrogen application on rice yield and nitrogen efficiency inrice were higher than those ofrice. Reducing the nitrogen application based on reasonable nutrient management combined with organic matter (straw) input had the best effects (high yield and high nutrient efficiency). Present study also showed that the best reduction proportion of nitrogen application was supposed to lower than 25%. Moreover, the soils with high fertility were more conducive to achieve nitrogen fertilizer reduction with ensured rice yield.Taken together, the nitrogen reduction of rice in Jiangsu province could be realized by adjusting the nitrogen management and applying organic fertilizer. The recommended reduction space of nitrogen fertilizer was 31%, in which the basal and tillering fertilizers were the main decreasing direction. 【Conclusion】The reduction of chemical nitrogen fertilizer application of rice in Jiangsu province could be achieved while the basal fertilizer and tillering fertilizer should be most considered. The yield components of rice could be controlled reasonably, and the yield and nitrogen utilization efficiency of rice could be improved by reducing nitrogen application when controlling the reduction of nitrogen fertilizer within 31% and combined with optimizing management.

rice; reducing chemical nitrogen application; yield and yield component; nitrogen uptake and utilization; farmer practices survey; Meta-analysis

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.05.007

2018-07-06；

2018-12-17

國家公益性行業(yè)科研專項（201503122）、江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項目（CX(16)1001）

郭俊杰，E-mail：2014203030@njau.edu.cn。通信作者郭世偉，E-mail：sguo@njau.edu.cn

（責任編輯 李云霞）