氮肥优化管理协同实现水稻高产和氮肥高效

王玉雯，郭九信，孔亚丽，张瑞卿，宋立新，刘振刚，张　俊，王建中，郭世伟

（1 南京农业大学资源与环境科学学院，江苏南京 210095；2 吉林省土壤肥料总站，吉林长春 130033；3 溧阳市南渡镇农业综合服务站，江苏常州 213371）

氮肥优化管理协同实现水稻高产和氮肥高效

王玉雯1，郭九信1，孔亚丽1，张瑞卿1，宋立新2，刘振刚2，张俊3，王建中3，郭世伟1*

（1 南京农业大学资源与环境科学学院，江苏南京 210095；2 吉林省土壤肥料总站，吉林长春 130033；3 溧阳市南渡镇农业综合服务站，江苏常州 213371）

【目的】研究不同氮肥管理方式对水稻生长、氮累积分配和产量的影响，为通过氮肥优化管理提高水稻产量和氮肥利用率提供理论依据。【方法】以江苏省如皋市农业科学研究所的长期定位田间试验（2008年至今）为研究平台，以江苏省沿江及苏南地区主推水稻品种‘镇稻11号’为供试材料，设 3 种氮肥管理模式，即：不施氮肥对照（CK）、农民习惯施氮（N 350 kg/hm2，氮肥运筹为基肥∶分蘖肥∶促花肥=4 : 4 : 2，FFP）和氮肥优化管理（氮肥运筹为基肥∶分蘖肥∶促花肥 : 保花肥=4 : 2 : 2 : 2，OPTs），其中氮肥优化管理包括优化施氮处理（N 240 kg/hm2，OPT）、优化替氮处理（OPT 施氮基础上，有机肥氮替代 20% 化肥氮，OPT1）和优化减氮再替氮处理（OPT 施氮基础上，先减氮 20% 再用有机肥氮替代 20%化肥氮，OPT2），通过在水稻最大分蘖期、拔节期、开花期和成熟期采集地上部植株样品，分析生物量、产量、氮累积和氮转运及其相互关系的差异。【结果】OPTs 处理较 FFP 处理平均增产 8.4%，其原因是提高了水稻花后的氮累积和生物量，进而提高了水稻的穗粒数、结实率和千粒重。水稻氮累积和转运的结果表明，FFP 处理主要是通过增加花后植株体内氮转运来提高籽粒氮累积，而 OPTs 处理则主要是通过提高花后水稻植株氮累积来增加籽粒氮累积。同时，水稻氮肥利用率随施氮量的增加而降低，与 FFP 处理相比，OPTs 处理的氮肥偏生产力（PFPN）、氮肥农学效率（AEN）和氮肥回收效率（REN）分别平均提高 99.4%、137.6% 和 70.0%；且优化替氮处理（OPT1）在稳定增产的基础上仍可进一步提高水稻的氮肥利用率。另外，分析不同氮肥管理模式对水稻的产量贡献阶段可知，相较于 FFP 处理与 CK 处理间的氮肥低产低效阶段，氮肥优化管理则可实现从 FFP 提升到 OPTs 的高产高效阶段。【结论】利用氮肥总量控制、分期调控和适量有机替代的氮肥优化管理措施，可协同实现水稻高产和氮肥高效。

水稻；氮肥优化管理；生物量；产量；氮累积；氮转运；氮肥利用率

水稻是我国第一大粮食作物，全国近60%的人口以稻米为主食，水稻在我国粮食生产中占有极其重要的地位［1］。近20年来，由于城市化进程的快速发展，水稻播种面积减少了8.9%，但稻米总产量依然呈现出逐年增长的趋势，这主要是单产提升的结果，如全国水稻平均单产从1990年的5800 kg/hm2提高到2012年的6679 kg/hm2，增长了15.2%。因此，水稻单产的提升对稳定和提高粮食生产能力，保障国家粮食安全具有至关重要的作用和意义［2-3］。在粮食单产和总产均大幅度提高的过程中，优良品种的培育与推广、高产栽培技术的应用与完善发挥了重要作用，其中化肥养分投入，尤其是氮肥的施用为粮食增产做出了巨大贡献［4-5］。但近年来我国水稻种植中的肥料投入大、利用率低和增产迟缓等问题逐渐显现［4，6］。据报道，我国稻田氮肥吸收利用率为30%～35%，而江苏省由于过量施氮导致其氮肥吸收利用率显著低于全国平均水平，仅为19.9%［7］。为了片面追求产量和经济效益，农民在水稻生产中普遍存在由于过量和不合理施氮及粗放管理，而直接或间接导致植株倒伏，病虫害加剧，产量和品质下降，土壤氮残留和环境风险增加等一系列生产及生态问题［8-10］。因此，对氮素养分进行优化管理、保持养分合理流动和循环是提高作物产量和品质、保障资源可持续利用的有效途径［11］。

合理施肥具有提高作物产量及构成（穗数和千粒重）［12-14］，提高土壤微生物功能，培肥土壤地力，降低氨挥发损失等作用［15-18］，从而提高产量和肥料利用率。大量研究表明，在当前农民习惯施氮条件下，采用氮肥优化管理可实现减氮10%～30%，增产3.2%～38.6%和提高氮肥吸收利用效率17.2%～98.2%的应用效果［19-20］，但多数研究主要关注化学氮肥优化管理对水稻生物量、氮素吸收利用、产量形成等生理生化特征的影响，而对包括化学氮肥和有机氮肥在内的氮肥优化管理体系下，水稻花前与花后生物量生产、氮积 累、氮转运及其对作物产量 的影响研究较少。本研究主要针对这一问题，探索分析农民习惯施氮和氮肥优化管理对水稻氮素吸收及再利用的影响，试图揭示不同氮肥管理模式对水稻生长发育、植株体内氮累积和再转运及其与产量形成之间的关系，旨在为氮肥优化管理实现水稻稳产增产和提高氮肥利用率提供理论和实践依据。

1　材料与方法

1.1试验点概况和试验材料

试验点位于南京农业大学2008年在江苏省如皋市农业科学研究所设置的长期定位肥料试验平台（32.44°N、120.49°E），该区域属亚热带海洋性季风气候区，年均日照时数2016.4 h，年均气温14.7℃，年均降雨量1056.8 mm。试验田为典型的稻麦轮作生态系统，供试土壤为薄层高沙土，地力均匀，耕层土壤基本理化性状分别为 pH 7.07、有机质11.97 g/kg、全氮1.02 g/kg、有效磷23.96 mg/kg、速效钾83.53 mg/kg。

本研究选取2014年5～12月的单季水稻为研究对象。供试水稻品种为常规早熟晚粳稻—‘镇稻11号’，属粳型两系杂交水稻，在江苏省沿江及苏南地区普遍种植。

氮肥、磷肥和钾肥分别为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O514%）和氯化钾（含K2O 60%）；有机肥为江苏田娘农业科技有限公司提供的猪粪有机肥，其含水量 36.2%、有机质 45.07%、N 1.86%、P2O53.11%、K2O 0.85%。

1.2试验设计

采用随机区组试验设计，设置3种氮肥管理模式：1）不施氮肥处理（CK），作对照用于计算肥料利用效率；2）农民习惯施氮肥处理（FFP），通过实地农户调研确定施氮量为 350 kg/hm2，氮肥运筹为3次，分别为基肥、分蘖肥和促花肥，比例为4 :4 :2；3）氮肥优化管理（OPTs），其包括优化施氮处理（OPT），依据前期水稻氮肥水平试验确定其施氮量为 240 kg/hm2；优化替氮处理（OPT1），在OPT处理的基础上用有机肥氮替代 20% 的化肥氮，即 192 kg/hm2化肥氮和48 kg/hm2有机肥氮；优化减氮再替氮处理（OPT2），即在OPT处理的基础上先减氮 20%，再用有机肥氮替代 20%化肥氮，最终氮肥用量为 154 kg/hm2化肥氮和 38 kg/hm2有机肥氮，共 5 个处理，各处理重复4次。氮肥优化管理各处理氮肥运筹为4次，分别为基肥、分蘖肥、促花肥和保花肥，比例为 4 : 2 : 2 : 2。有机肥和磷肥（90 kg/hm2）均做基肥于移栽前一次性施入，钾肥（90 kg/hm2）分基肥和促花肥各半施用。基肥、分蘖肥、促花肥和保花肥分别在移栽前1d（6月23日）、移载后15 d（7月9日）、倒 4 叶期（7月30日）和倒 2 叶期（8月20日）施入。

试验小区面积为90m2（10 m×9 m），小区间田埂用防水布覆盖，隔离防渗，四周设保护行。水稻育秧30 d（6月24日）后移栽，种植密度为每公顷 30.77×104穴，每穴定植 2 株，株行距为 25 cm×13 cm。田间管理采用高产栽培管理方式，水分按照淹水-烤田-复水-落干的模式管理，严格控制病虫草害。上茬小麦季选用“扬麦16号”，施肥情况如下：FFP 处理施氮量为 240 kg/hm2，分基肥（11月20日）和返青肥（2月25日）2次施用，比例为7 :3；OPT处理施氮量为200 kg/hm2；OPT1 处理为 160 kg/hm2化肥氮与 40 kg/hm2有机肥氮；OPT2 处理为 128 kg/hm2化肥氮与 32 kg/hm2有机肥氮。氮肥优化管理各处理氮肥运筹为3次，分基肥、拔节肥（3月10日）和孕穗肥（4月5日）3次施用，比例为 4 : 3 : 3。各处理与水稻处理一一对应，磷肥和钾肥用量与水稻一致，其中，有机肥和磷肥均作基肥施用，而钾肥则分基肥和拔节肥各半施入。

1.3测定项目与方法

1.3.1样品的采集和处理在水稻生长期内分别于最大分蘖期（2014年7月28日）、拔节孕穗期（2014年8月16日）、开花期（2014年9月8日）和成熟期（2014年10月29日）进行采样。水稻采集样品时选择长势一致的 3 穴（约 40 株）植株地上部，分叶片、鞘、茎和穗四部分，洗净后 105℃杀青 30 min，75℃烘至恒重，冷却后称重各器官重量计算生物量。对样品进行粉碎处理用于养分含量测定。

1.3.2产量及其构成因素成熟期水稻各小区随机选择 30 穴，测定植株的穗数、穗粒数、千粒重等。取5 m2样方测定水稻实际产量。

1.3.3植株养分含量的测定采用浓 H2SO4-H2O2法消解后，全自动连续流动分析仪（AA3，BRANLuEBBE，德国）测定全氮。标准样品来自环境保护部标准样品研究所地球物理地球化学勘察研究所（GSB-11）。

1.3.4肥料利用率计算方法［21-22］

氮累积量（N accumulation，kg/hm2）=地上部生物量×氮浓度；

氮肥农学利用率（N agronomy efficiency，AEN，kg/kg）=（施氮区产量-空白区产量）/施氮量；

氮肥回收效率（N recovery efficiency，REN）=（施氮区氮累积量-空白区氮累积量）/施氮量×100%；

氮肥偏生产力（partial factor productivity of N，PFPN，kg/kg）=施氮区产量/施氮量；

氮转运量（N remobilization account，NRA，kg/hm2）=开花期营养器官氮累积量-成熟期营养器官氮累积量；

氮转运率（N remobilization efficiency，NRE）=（开花期营养器官氮累积量-成熟期营养器官氮累积量）/开花期营养器官氮累积量×100%；

转运氮对籽粒贡献率（contribution to grain by N remobilization，CGNR）=（开花期营养器官氮累积量-成熟期营养器官氮累积量）/成熟期穗器官氮累积量×100%；

累积氮对籽粒贡献率（contribution to grain by N accumulation，CGNA）=1-（开花期营养器官氮累积量-成熟期营养器官氮累积量）/成熟期穗器官氮累积量×100%。

1.3.5不同氮肥管理模式下氮肥养分产量贡献阶段描述把当地农民习惯施氮处理（FFP）与不施氮肥处理（CK）间的水稻产量差定义为氮肥养分产量贡献的低产低效阶段；把 FFP 处理与氮肥优化管理（OPTs）间的水稻产量差定义为氮肥养分产量贡献的高产高效阶段。

1.4数据处理与分析

采用 SAS 9.0 和 Microsoft Office Excel 2010 对试验数据进行统计分析。

2　结果与分析

2.1氮肥优化管理对水稻地上部生物量的影响

水稻地上部生物量随生育进程呈逐渐增加趋势，但不同氮肥管理模式间存在显著差异（图1）。总体而言，与 CK 相比，施用氮肥处理（FFP 和OPTs处理）均显著提高各生育时期的地上部生物量，成熟期平均提高 62.06%，表明氮肥对水稻生长具有显著促效作用。同时，不同氮肥施用下水稻开花前各处理地上部生物量均为 FFP 处理最高，而开花后则以 OPTs 处理显著高于 FFP 处理，表明 FFP处理这种重基蘖氮、轻穗粒氮的施用模式易促进水稻生育前期生物量生产，而不利于花后生物量的形成。另外，OPTs 处理中的 OPT 处理通过氮肥的总量控制和合理运筹可持续增加水稻生物量并最终达到最大值，但在 OPT 处理上进行氮肥再优化的OPT1 和 OPT2 处理均小于 OPT 处理且与 FFP 处理差异不显著，表明在优化施氮 OPT 处理的基础上化肥氮仍具有减施和替代的空间，但不宜过多减施和替代，否则会影响水稻生物量生产。

图1　氮肥优化管理对水稻地上部生物量的影响Fig.1　Effect ofnitrogen optimize managements on above-ground biomass of rice

不同氮肥管理模式也显著地影响不同生育时期水稻生物量的累积分配（图2）。总体而言，水稻移栽—分蘖、分蘖—拔节、拔节—开花和开花—收获各生育期的生物量累积分配的平均值分别为11.15%、19.13%、25.42% 和 44.30%，表明生物量累积随生育进程呈显著增加的变化。移栽—分蘖和分蘖—拔节期表现为 FFP 处理明显高于 OPTs 处理，拔节—开花期 FFP 与 OPTs 间差异不显著，而开花—成熟期则 OPTs 显著高于 FFP，表明 FFP 处理有利于水稻花前地上部生物量积累分配而不利于花后地上部生物量积累分配。

图2　氮肥优化管理对水稻地上部生物量分配的影响Fig.2　Effect of nitrogen optimize managements on the distribution of above-ground biomass of rice

2.2氮肥优化管理对水稻产量及产量构成的影响

不同氮肥管理模式在显著影响不同生育时期水稻地上部生物量和分配的同时，也显著影响水稻产量及产量构成（表1）。与 CK 相比，FFP 和 OPTs处理均能显著提高水稻产量，其增产幅度为 37.3%～56.7%；其中以 OPT 处理产量最高，且 OPT、OPT1和 OPT2 处理分别较 FFP 处理增产 14.1%、7.1%和4.1%，表明合理的氮肥运筹和替代管理可在习惯施氮的基础上实现减氮增产的效果。从产量构成来看，穗数随氮肥用量的增加而增加，以 FFP 处理最高；结实率和千粒重则随氮肥用量的增加而降低，均以 CK 处理最高；而每穗粒数则表现为 OPTs＞FFP＞CK。从不同处理水稻产量和产量构成可知，施氮增产的原因是由于氮肥促进穗数和穗粒数的形成，其效应大于施氮所致结实率和千粒重的降低，且 FFP 处理易形成低结实率的小穗，从而降低产量。

表1　氮肥优化管理对水稻产量及产量构成的影响Table 1　Effect of nitrogen optimize managements on yield and yield components of rice

2.3开花前后水稻地上部生物量与产量间的相关性分析

对水稻开花前（移栽—分蘖）和开花后（开花—成熟）地上部生物量与产量间进行相关性分析（图3），结果表明水稻花前和花后地上部生物量与产量间均呈显著正相关，但花后的线性方程斜率（1.5556）和相关性系数（R2=0.7910**）均显著高于花前（0.5302，R2=0.4015），表明水稻花后生物量生产更有利于产量的形成。

图3　开花前后水稻地上部生物量与产量间的相关性Fig.3　The correlation between above-ground biomass and yield of rice at pre-and post-flowering stage

2.4氮肥优化管理对不同生育期水稻氮累积量的影响

水稻地上部氮积累量随生育进程呈逐渐增加趋势，但不同氮肥管理间存在显著差异（图4）。总体而言，不同氮肥处理下水稻成熟前地上部氮累积均表现为 FFP＞OPT＞OPT1＞OPT2＞CK，而成熟期则以 OPT 处理最高，OPT1 与 FFP 持平，表明地上部氮累积与施氮量有关，且 FFP 处理易促进水稻花前氮累积而不利于花后氮累积。

图4　氮肥优化管理对水稻地上部氮累积量的影响Fig.4　Effect of nitrogen optimize managements on the above-ground N accumulation of rice

不同氮肥管理模式也显著影响不同生育时期水稻地上部氮累积分配（图5）。水稻移栽—分蘖、分蘖—拔节、拔节—开花和开花—收获各生育期的氮累积量占全生育期的比例分别为 16.1%、24.4%、26.3%和 33.3%，表明氮累积量随生育进程而显著增加。移栽—分蘖和分蘖—拔节期均表现为 FFP 处理显著高于 OPTs 处理，拔节—开花期 FFP 与 OPTs 间差异不显著，而开花—成熟期则表现为 OPTs 显著高于 FFP，表明 FFP 处理有利于花前水稻地上部氮累积分配，而不利于花后地上部氮累积分配。

图5　氮肥优化管理对水稻地上部氮累积量分配的影响Fig.5　Effect of nitrogen optimize managements on the distribution of above-ground N accumulation of rice

2.5氮肥优化管理对花后水稻植株体内氮转运的影响

由表2可知，不同氮肥管理模式显著影响花后水稻营养器官和穗器官氮累积量，成熟期水稻营养器官氮累积量随施氮量的增加而增加；穗器官氮累积量则表现为 OPT 和 OPT1 处理显著高于 FFP 处理，而 FFP 和 OPT2 间差异不显著，表明氮肥优化管理（OPTs）可显著提高穗器官氮累积而降低营养器官氮累积，进而影响花后水稻植株体内的氮转运。另外，与 FFP 处理相比，OPTs 处理减少了花后氮的转运量（NRA）、转运率（NRE）和转运氮对籽粒贡献率（CGNR），而提高了花后累积氮对籽粒贡献率（CGNA），表明 FFP 处理主要是通过增加花后植株体内氮转运来提高籽粒氮累积，而 OPTs 处理则主要是通过提高花后植株氮累积来增加籽粒氮累积。

表2　氮肥优化管理对开花前后水稻氮累积和转运的影响Table 2　Effect of nitrogen optimize managements on pre-and post-flowering N accumulation and remobilization of rice

2.6氮肥优化管理对成熟期水稻氮肥利用率的影响

不同氮肥管理模式在显著影响水稻产量和氮累积与转运的同时，也显著地影响水稻的氮肥利用率，表现为氮肥利用率随施氮量的增加而降低的变化（表3）。与 FFP 处理相比，OPTs 处理的 PFPN、AEN和 REN均大幅度地提高，且分别平均提高99.4%、137.6% 和 70.0%，表明在稳产增产基础上的氮肥优化管理可显著提高水稻氮肥利用率、降低氮肥环境损失。另外，OPT1 处理的 PFPN、AEN和 REN较 OPT 处理分别增加 17.2%、3.5% 和 8.2%，表明在OPT 处理的基础上进行有机氮适量替代化肥氮可实现水稻氮肥利用率的进一步提高；OPT2 与 OPT1 处理的趋势一致。

2.7不同氮肥管理模式下的氮肥养分产量贡献阶段模型分析

根据不同氮肥管理模式下水稻产量效应曲线和产量差，绘制氮肥养分贡献阶段模型（图6）。在氮肥养分产量贡献的低产低效阶段，FFP 处理对产量贡献为 37.3%，表明该阶段是在水稻作物氮素缺乏情况下，为满足作物对养分的需求而不科学习惯式的施用氮肥以此来实现氮肥增产。在氮肥养分产量贡的途径［23］。农民习惯施氮注重基蘖氮而忽视穗粒氮，易促进作物生育前期生物量的累积，而不利于花后生物量的累积；而氮肥优化管理稳步持续提高各时期水稻生物量的累积，避免农民习惯施氮前期由于分蘖中后期水分的搁田落干所致的无效分蘖的大量死亡，最终在减少施氮量的前提下使生物量与农民习惯施氮持平或增加。农民习惯施氮条件下，成熟期生物量降低的原因主要是前期施氮量过多产生较多的无效分蘖，以及后期氮肥供应不足、氮代谢减弱、叶片衰老和物质生产减少等。有研究表明，水稻产量的高低取决于抽穗至成熟期光合生产能力，抽穗后生产的干物质越多，产量越高［24］，这与本研究结果一致，并指出开花前、后水稻生物量与产量间均存在显著的线性相关，但花后线性方程的斜率和相关性系数均显著高于花前，表明花后生物量生产献的高产高效阶段，OPT 较 FFP 处理对产量贡献高达 19.4%，表明氮肥优化管理可以在减少氮肥施用量的同时，通过调控氮肥运筹使之符合水稻生长对氮肥的需求规律来实现产量的进一步提高；另外，OPT1 和 OPT2 处理同样可达到氮肥养分产量贡献的高产高效阶段，且较 FFP 处理对产量贡献分别为9.7% 和 5.7%，表明在 OPT 处理的基础上，进一步应用有机氮肥替代化学氮肥的管理措施可进一步实现水稻高产和氮肥高效。

表3　氮肥优化管理对水稻氮肥利用率的影响Table 3　Effect of nitrogen optimize managements onfertilizer-N use efficiency of rice

图6　不同氮肥管理模式下的氮肥养分产量贡献阶段模型Fig.6　The model of N contribution stage to grain on different N management models

3　讨论与结论

3.1氮肥优化管理对水稻生长发育的影响

作物生物量的生产与累积是作物产量形成的物质基础，增加干物质的生产是提高作物产量最直接更有利于水稻产量的形成，进而指出氮肥优化管理改善水稻后期生物量生产和分配是提高水稻产量的重要原因。另外有研究表明，有机、无机肥配施有利于促进水稻中后期生物量积累和养分吸收，改善生物量分配比例［25］，这与本研究一致，但氮肥的过量减施和有机氮替代则明显降低水稻生物量生产，进而影响水稻的产量。

3.2氮肥优化管理对水稻产量形成的影响

许多研究结果［14，22，26］表明，氮肥对作物（如水稻、小麦、玉米等）的增产效果主要体现在增加有效穗数、每穗粒数和提高结实率。这与本研究中氮肥优化管理较农民习惯施氮能提高水稻穗粒数、结实率和千粒重的结果一致，表明氮肥优化管理不仅有利于同化物生产，而且促进了光合产物向穗部转运，使库容（穗粒数）和充实度（粒重、千粒重）增加，进而提高水稻产量。林晶晶等［27］指出，水稻分蘖数决定于前期的吸氮量，而成穗数的差异与中期吸氮量有关，增加中期施氮量即施用穗肥有助于巩固前期有效分蘖，减少和防止颖花退化，促进穗型发育，提高成穗率。研究也表明，农民习惯施氮的前期过量施氮有利于分蘖成穗数的增加，而忽视后期施氮则降低了穗粒结构的发育。另外，有研究报道，农民习惯施氮结实率和千粒重降低的原因，一方面可能是习惯施氮前期过多的氮素吸收消耗了大量光合产物用于蛋白质的合成，降低碳水化合物在营养器官的累积和向穗部的转运量［28-29］；另一方面忽视穗粒氮肥，不利于水稻不定根的形成，降低不定根数和根干重，易形成不发达的根系而制约后期生物量生产和体内物质的再转运能力［30］。

此外，本研究依托的稻-麦轮作长期定位试验平台，虽然年际间会有所变化，但不同氮肥管理模式下的结果呈现出一致的变化趋势（数据未列出）。因此，比较不同氮肥管理模式下水稻的产量差概括出的氮肥养分产量贡献阶段模型表明，在依据水稻生长发育对氮素需求规律的基础上，综合应用氮肥的总量控制、分期调控和有机氮肥替代无机氮肥的优化管理措施，协调水稻的源库关系，最终实现氮肥养分产量贡献由低产低效阶段提升到高产高效阶段，这与前人研究的结果一致［10，12，14，20-22，26，31-32］。另外，该氮肥养分产量贡献阶段的概念提出，也为解决作物氮肥优化管理实现高产高效提出了新的研究思路；有研究表明，通过合理的栽培措施如轻干湿交替灌溉［33］、适度增密减氮［34］、宽窄行栽培［35］等也能较常规种植显著提高作物的产量，表明产量贡献阶段模型在作物高产栽培上也具有一定的实用性，但有关氮肥优化管理与高产栽培技术相结合的研究将是未来继续关注的重点。

3.3氮肥优化管理对水稻氮累积、氮转运及氮肥利用率的影响

当开花后进入灌浆期，水稻吸收的氮主要供给穗部，同时贮藏器官中的氮也大量向穗部转运，有研究发现水稻茎鞘中的氮对籽粒产量的贡献率为57.0%，且花前营养器官贮藏氮素的转运高于花后同化氮素的转运，但这两部分氮源对籽粒氮素贡献率均受施氮量和作物基因型的影响［23，36］。较高的产量需要叶片保持持久的光合活性，而这依赖于花后氮累积和氮转运的平衡；同时，氮累积、氮转运和干物质生产相互联系，所以提高花前氮转运和花后氮累积均有利于提高水稻产量和籽粒品质［37］。

与农民习惯施氮相比，氮肥优化管理水稻花前营养器官中积累的氮量和花后向穗部转移的氮量无差异，但显著提高花后氮累积，最终提高花后累积氮对籽粒氮贡献率。农民习惯施氮处理转运氮对籽粒贡献率达 77.1%，显著高于氮肥优化管理的49.0%；而花后累积氮对籽粒贡献率则显著低于氮肥优化管理，表明习惯施氮主要是通过增加花后水稻植株体内氮转运来提高籽粒氮累积，而氮肥优化管理则主要是通过提高花后水稻植株氮累积来增加籽粒氮累积，从而增强植株体内氮代谢和提高氮肥利用率。另外，优化替氮处理（OPT1）较优化施氮处理（OPT）显著降低了水稻花后氮转运量、转运率和转运氮对籽粒贡献率，而显著提高了水稻花后累积氮对籽粒贡献率，表明有机氮适量替代无机氮更有利于花后植株氮累积对籽粒贡献率。杨长明等［25］研究发现有机-无机氮肥配施可促进水稻植株养分向籽粒中转移和分配，随着有机氮素的营养释放，生育后期水稻氮素含量迅速累积，其花后吸收氮对籽粒贡献率达 45.0%。本试验结果还表明，优化减氮再替氮处理（OPT2）的氮累积、转运和对籽粒贡献率的变化趋势均与优化施氮处理（OPT）一致，而与OPT1 处理差异显著，表明过量的减施氮肥和有机替代不利于发挥有机氮肥在水稻生产上的后效和促效作用，过低的化肥氮用量对作物的影响掩盖了有机氮肥对作物的影响。另外，氮转运量和转运率的降低也导致了氮肥回收效率的降低，说明调控作物花后吸收的氮向籽粒中转运是提高氮肥利用率的重要措施［38］。

3.4氮肥优化管理对稻田环境可持续性的影响

不同氮肥管理模式在影响水稻产量和氮肥利用率的同时也显著影响稻田温室气体的排放，且其依赖于肥料类型、施用量和施用方式等［39-40］。谢义琴等［39］用盆栽模拟水稻试验指出，先减氮 20%再有机肥替氮 20%处理较习惯施氮处理的产量差异不显著，但减少了 31.72%的 N2O 排放，增加了 13.06%的CH4排放。霍莲杰等［40］研究稻田施用不同有机物对CH4排放的影响表明，有机物的施用显著增加 CH4排放，且稻草＞鸡粪＞猪粪，并指出 CH4的排放与有机物中易氧化有机碳的含量有关。本研究结果表明，有机肥适当替代化肥（OPT1）可实现水稻高产和养分高效，但过量减施化肥再有机肥替代（OPT2）虽显著提高氮肥效率但增产效应不明显，且没有关注不同有机肥施用对稻田环境可持续性的影响评价。因此，结合固体废弃物资源化利用和稻田氮肥高产高效施用原则，综合考虑不同有机肥的选择、有机无机配施比例及施肥运筹对水稻产量、氮肥效率和环境效应的影响仍需进一步研究和探讨。

综上所述，利用氮肥总量控制、分期调控和有机肥适量替代的优化管理措施可在减少施氮量的基础上，实现氮素养分供应与作物需求同步，促进植物体内的氮累积和氮转运，进而有利于生物量生产，最终协同提高水稻产量和氮肥利用率。

［1］翟虎渠， 程式华. 发展稻米产业造福中国百姓 ［J］. 中国稻米， 2003，（6）: 5-11. Zhai H Q， Cheng S H. Development of rice industry for the benefit of the Chinese people ［J］. China Rice， 2003，（6）: 5-11.

［2］施能浦. 近期我国稻谷（米）供求趋势分析及发展预测与对策 ［J］. 中国稻米， 2015， 21（1）: 1-5. Shi N P. Recent paddy（rice）supply and demand trends analysis and development forecasts and countermeasures ［J］. China Rice， 2015，21（1）: 1-5.

［3］章秀福， 王丹英， 方福平， 等. 中国粮食安全和水稻生产 ［J］. 农业现代化研究， 2005， 26（2）: 86-88. Zhang X F， Wang D Y， Fang F P， et al. Food safety and rice production in China ［J］. Research of Agricultural Modernization，2005， 26（2）: 86-88.

［4］张福锁， 王激清， 张卫峰， 等. 中国主要粮食作物肥料利用率现状与提高途径 ［J］. 土壤学报， 2008， 45（5）: 915-924. Zhang F S， Wang J Q， Zhang W F， et al. Nutrients efficiencies of major cereal crops in China and measures for improvement ［J］. Acta Pedologica Sinica， 2008， 45（5）: 915-924.

［5］李杰， 杨洪建， 邓建平. 稻作科技进步对江苏省水稻单产提升的分析 ［J］. 中国稻米， 2013， 19（2）: 27-30. Li J， Yang H J， Deng J P. Analysis on the improvement of rice yield in Jiangsu province ［J］. China Rice， 2013， 19（2）: 27-30.

［6］王璐， 肖键. 稻麦轮作体系下氮素的优化管理 ［J］. 安徽农学通报，2010， 16（17）: 78-80. Wang L， Xiao J. The Optimal management of nitrogen under ricewheat rotation system ［J］. Anhui Agricultural Science Bulletin， 2010，16（17）: 78-80.

［7］李荣刚， 崔玉亭， 程序. 苏南太湖地区水稻氮肥施用与环境可持续发展 ［J］. 耕作与栽培， 1999，（4）: 49-63. Li R G， Cui Y T. Cheng X. Application of nitrogen fertilizer and environmental sustainable development in Taihu area of south of Jiangsu ［J］. Tillage and Cultivation， 1999，（4）: 49-63.

［8］巨晓棠. 氮肥有效率的概念及意义—兼论对传统氮肥利用率的理解误区 ［J］. 土壤学报， 2014， 51（5）: 921-933. Ju X T. The concept and meanings of nitrogen fertilizer availability ratio-discussing misunderstanding of traditional nitrogen use efficiency ［J］. Acta Pedologica Sinica， 2014， 51（5）: 921-933.

［9］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［J］. 中国农业科学， 2002， 35（9）: 1095-1103. Peng S B， Huang J L， Zhong X H， et al. Research strategy in improving fertilizer-nitrogen use efficiency of irrigated rice in China［J］. Scientia Agricultura Sinica， 2002， 35（9）: 1095-1103.

［10］陈新红， 刘凯， 徐国伟， 等. 氮素与土壤水分对水稻养分吸收和稻米品质的影响 ［J］. 西北农林科技大学学报， 2004， 32（3）: 16-19. Chen X H， Liu K， Xu G W， et al. Effect of nitrogen and soil moisture on nutrient absorption and quality of rice ［J］. Journal of Northwest A &F University， 2004， 32（3）: 16-19.

［11］联合国粮食及农业组织. 水稻在亚洲及太平洋地区可持续农业及农村发展中的作用 ［J］. 中国稻米， 2004，（4）: 3-8. FAO. Role of rice in sustainable agriculture and rural development in Asia and the Pacific region ［J］. China Rice， 2004，（4）: 3-8.

［12］安宁， 范明生， 张福锁， 等. 水稻最佳作物管理技术的增产增效作用［J］. 植物营养与肥料学报， 2015， 21（4）: 846-852. An N， Fan M S， Zhang F S， et al. Best crop management practices increase rice yield and nitrogen use efficiency ［J］. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer， 2015， 21（4）: 846-852.

［13］吴文革， 张玉海， 张健美， 等. 氮肥运筹对机插杂交中籼水稻群体质量及产量形成的影响 ［J］. 安徽农业大学学报， 2011， 38（1）: 1-5. Wu W G， Zhang Y M， Zhang J M， et al. Effects of nitrogen management on mass quality and yield formation of machine transplanted middle-season indica hybrid rice ［J］. Journal of Anhui Agricultural University， 2011， 38（1）: 1-5.

［14］刘彩玲， 杨松楠， 隋标， 等. 太湖流域水稻最佳养分管理研究 ［J］. 南京农业大学学报， 2011， 34（4）: 71-76. Liu C L， Yang S N， Sui B， et al. Studies on the best nutrient management of rice in Taihu Lake basin ［J］. Journal of Nanjing Agricultural University， 2011， 34（4）: 71-76.

［15］侯朋福， 李刚华， 张国发， 等. 养分管理方式对江苏常规粳稻产量和氮素利用率的影响 ［J］. 土壤， 2012， 44（2）: 218-224. Hou P F， Li G H， Zhang G F， et al. Effects of nutrient management manner on yield and nitrogen use efficiency for Jiangsu conventional japonica rice ［J］. Soils， 2012， 44（2）: 218-224.

［16］解文艳， 周怀平， 杨振兴， 等. 秸秆还田方式对褐土钾素平衡与库容量的影响 ［J］. 植物营养与肥料学报， 2015， 21（4）: 936-942. Xie W Y， Zhou H P， Yang Z X， et al. Effect of different straw return modes on potassium balance and potassium pool in cinnamon soil ［J］. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer， 2015， 21（4）: 936-942.

［17］杨滨娟， 黄国勤， 徐宁， 钱海燕. 秸秆还田配施不同比例化肥对晚稻产量及土壤养分的影响 ［J］. 生态学报， 2014， 34（13）: 3779-3787. Yang B J， Huang G Q， Xu N， Qian H Y. The effects of returning straw containing fertilizer with varying nutrient ratios on rice yield and soil fertility ［J］. Acta Ecologica Sinica， 2014， 34（13）: 3779-3787.

［18］李菊梅， 徐明岗， 秦道珠， 等. 有机肥无机肥配施对稻田氨挥发和水稻产量的影响 ［J］. 植物营养与肥料学报， 2005， 11（1）: 51-56. Li J M， Xu M G， Qin D Z， et al. Effects of chemical fertilizers application combined with manure on ammonia volatilization and rice yield in red paddy soil ［J］. Plant Nutrition and Fertilizer Science，2005， 11（1）: 51-56.

［19］薛亚光， 王康君， 颜晓元， 等. 不同栽培模式对杂交粳稻常优3号产量及养分吸收利用效率的影响 ［J］. 中国农业科学， 2011， 44（23）: 4781-4792.Xue Y G， Wang K J， Yan X Y， et al. Effects of different cultivation patterns on grain yield and nutrient absorption and utilization efficiency of japonica hybrid rice Changyou3 ［J］. Scientia Agricultura Sinica， 2011， 44（23）: 4781-4792.

［20］刘立军， 桑大志， 刘翠莲， 等. 实时实地氮肥管理对水稻产量和氮素利用率的影响 ［J］. 中国农业科学， 2003， 36（12）: 1456-1461. Liu L J， Sang D Z， Liu C L， et al. Effects of real-time and sitespecific nitrogen managements on rice yield and nitrogen use efficiency ［J］. Scientia Agricultura Sinica， 2003， 36（12）: 1456-1461.

［21］Cassman K G， Gines G C， Dizon M A， et al. Nitrogen-use efficiency in tropical lowland rice systems: contributions from indigenous and applied nitrogen ［J］. Field Crops Research， 1996， 47（1）: 1-12.

［22］曹雯梅， 刘松涛， 赵威， 等. 小麦高产及超高产优化管理模式对源叶光合特性及产量的调控效应［J］. 核农学报， 2014， 28（2）: 2254-2260. Cao W M， Liu S T， Zhao W， et al. Regulation effects of optimal highyield and super-high-yield cultivation modes on photosynthetic characteristics of source leaf and yield in winter wheat ［J］. Journal of Nuclear Agricultural Sciences， 2014， 28（2）: 2254-2260.

［23］Hasegawa H. High-yielding rice cultivars perform best even at reduced nitrogen fertilizer rate ［J］. Crop Science， 2003， 43（3）: 921-926.

［24］隋标. 江苏省稻麦轮作体系养分优化管理技术研究［D］. 南京: 南京农业大学博士学位 论文， 2013. 92. Sui B. Studies on the optimizing nutrient management practice or rice-wheat cropping system in Jiangsu province ［D］. Nanjing: PhD Dissertation of Nanjing Agriculture University， 2013. 92.

［25］杨长明， 杨林章， 颜廷梅， 等. 不同肥料结构对水稻群体干物质生产及养分吸收分配的影响 ［J］. 土壤通报， 2004， 35（2）: 200-202. Yang C M， Yang L Z， Yan T M， et al. Effects of nutrient regimes on dry matter production and nutrient uptake and distribution by rice plant ［J］. Chinese Journal of Soil Science， 2004， 35（2）: 200-202.

［26］Chen Y， Xiao C， Wu D， et al. Effects of nitrogen application rate on grain yield and grain nitrogen concentration in two maize hybrids with contrasting nitrogen remobilization efficiency ［J］. European Journal of Agronomy， 2015， 62: 79-89.

［27］林晶晶， 李刚华， 薛利红， 等.15N 示踪的水稻氮肥利用率细分 ［J］.作物学报， 2014， 40（8）: 1424-1434. Lin J J， Li G H， Xue L H， et al. Subdivision of nitrogen use efficiency of rice based on15N tracer ［J］. Acta Agronomica Sinica， 2014， 40（8）: 1424-1434.

［28］Nakano H， Morita S， Kitagawa H， et al. Grain yield response to planting density in forage rice with a large number of spikelets ［J］. Crop Science， 2012， 52（1）: 345-350.

［29］Pan J， Cui K， Wei D， et al. Relationships of non-structural carbohydrates accumulation and translocation with yield formation in rice recombinant inbred lines under two nitrogen levels ［J］. Physiologia Plantarum， 2011，141（4）: 321-331.

［30］董桂春， 王余龙， 黄建华， 等. 施氮时期对扬稻6号根系生长及产量的影响 ［J］. 江苏农业科学， 2001， 22（3）: 13-17. Dong G C， Wang Y L， Huang J H， et al. Effects of nitrogen fertilizer applied at different growth stages on root growth and grain yield of Yangdao 6（Oryza sativa L.）［J］. Jiangsu Agricultural Research，2001， 22（3）: 13-17.

［31］Sui B， Feng X， Tian G， et al. Optimizing nitrogen supply increases rice yield and nitrogen use efficiency by regulation yield formation factors ［J］. Field Crops Research， 2013， 150: 99-107.

［32］Chen X， Cui Z， Fan M， et al. Producing more grain with lower environmental costs ［J］. Nature， 2014， 514， 486-489.

［33］张自常， 李鸿伟， 陈婷婷， 等. 畦沟灌溉和干湿交替灌溉对水稻产量与品质的影响 ［J］. 中国农业科学， 2011， 44（24）: 4988-4998. Zhang Z C， Li H W， Chen T T， et al. Effect of furrow irrigation and alternate wetting and drying irrigation on grain yield and quality of rice ［J］. Scientia Agricultura Sinica， 2011， 44（24）: 4988-4998.

［34］林鸿鑫， 潘晓华， 石庆华， 等. 施氮量与栽插密度对超级早稻中早22产量的影响 ［J］. 植物营养与肥料学报， 2011， 17（1）: 22-28. Ling X Y， Pan X H， Shi Q H， et al. Effects of nitrogen fertilization and planting density on yield of super early rice Zhongzao 22 ［J］. Plant Nutrition and Fertilizer Science， 2011， 17（1）: 22-28.

［35］李旭毅， 孙永健， 程洪彪， 等. 两种生态条件下氮素调控对不同栽培方式水稻干物质积累和产量的影响 ［J］. 植物营养与肥料学报，2011， 17（4）: 773-781. Li X Y， Sun Y J， Cheng H B， et al. Effects of nitrogen regulation on dry matter accumulation and grain yield of rice under different cultivation models and two kinds of ecological conditions ［J］. Plant Nutrition and Fertilizer Science， 2011， 17（4）: 773-781.

［36］Singh U， Ladha J K， Castillo E G， et al. Genotypic variation in nitrogen use efficiency in medium-and long-duration rice ［J］. Field Crops Research， 1998， 58（1）: 35-53.

［37］Uribelarrea M， Moose S P， Below F E. Divergent selection for grain protein affects nitrogen use in maize hybrids ［J］. Field Crops Research， 2007， 100: 82-90.

［38］Kichey T， Hirel B， Heumez E， et al. In winter wheat（Triticum aestivum L.）， post-anthesis nitrogen uptake and remobilisation to the grain correlates with agronomic traits and nitrogen physiological markers ［J］. Field Crops Research， 2007， 102: 22-32.

［39］谢义琴， 张建峰， 姜慧敏， 等. 不同施肥措施对稻田土壤温室气体排放的影响 ［J］. 农业环境科学学报， 2015， 34（3）: 578-584. Xie Y Q， Zhang J F， Jiang H M， et al. Effects of different fertilization practices on greenhouse gas emissions from paddy soil ［J］. Journal of Agro-Environment Science， 2015， 34（3）: 578-584.

［40］霍莲杰， 纪雄辉， 吴家梅， 等. 有机肥施用对稻田甲烷排放的影响及模拟研究 ［J］. 农业环境科学学报， 2013， 32（10）: 2084-2092. Huo L J， Ji X H， Wu J M， et al. The effect of organic manures application on methane emission and its simulation in paddy fields［J］. Journal of Agro-Environment Science， 2013， 32（10）: 2084-2092.

Nitrogen optimize management achieves high grain yield and enhances nitrogen use efficiency of rice

WANG Yu-wen1，GUO Jiu-xin1，KONG Ya-li1，ZHANG Rui-qing1，SONG Li-xin2，LIU Zhen-gang2，ZHANG Jun3，WANG Jian-zhong3，GUO Shi-wei1*
（1 College of Resources and Environmental Sciences， Nanjing Agricultural University， Nanjing 210095， China；2 Station of Soil and Fertilizer of Jilin Province， Changchun 130033， China；3 Station of Comprehensive Agricultural Service in Nandu Town， Liyang City， Changzhou 213371， China）

【Objectives】In order to provide theoretical basis for improving rice yield and N use efficiency， we studied the effect of different nitrogen（N）management models on rice growth， N accumulation and distribution，and yield formation.【Methods】‘Zhendao 11’， a widely planted rice in Jiangsu Province， was used in this study to investigate the biomass， yield， N accumulation， N transport and their relationships under different Nmanagements at four growth stages of rice， including tillering， shooting， flowering and maturity. The experiment was conducted in the long-term fertilizer experiment field from 2008 in the Agriculture Science Research Institute of Rugao， Jiangsu Province. The three N fertilizer management models were designed as follows: free N fertilizer control（CK）， farmer’s N fertilizer practices（N 350 kg/hm2， N application of basal: tillering: shooting was 4 : 4 : 2， FFP）， and optimum N fertilizer managements（N application of basal: tillering: shooting: flowering was 4 : 2 : 2 : 2， OPTs）that including optimal N treatment（N 240 kg/hm2， OPT）， the N rate was substituted by 20% N with organic fertilizer base on OPT treatment（OPT1）and the N rate was substituted by 20% N with organic fertilizer after reducing 20% N base on OPT treatment（OPT2）.【Results】The average yield of optimum N managements（OPTs）increased by 8.4% compared with FFP. In OPTs， the kernels per spike， seed setting rate and 1000-grain weight were higher than FFP treatment through improving the accumulation of biomass and N after anthesis. Grain N accumulation in FFP treatment was mainly resulted due to the increased amount of remobilized N from plant N absorption before anthesis， while in OPTs， it was mainly resulted from the increased amount of N uptake after anthesis. Furthermore， the N use efficiency of rice was decreased with increasing application levels of N fertilizer. Compared with FFP treatment， partial factor productivity of N（PFPN），N agronomy efficiency（AEN）and N recovery efficiency（REN）in OPTs were increased by 99.4%， 137.6% and 70%， respectively， and the N use efficiency was further increased in OPT1 treatment. Additionally， the results also showed that the rice yield contribution stages of different N managements， high yield and high efficiency stage from FFP to OPTs was more effective for improving yield than low yield and low efficiency stage from CK to FFP.【Conclusions】The optimum N managements can be coordinated to achieve high yield and high N use efficiency of rice plants by regulated the amount of N fertilizer with side dressing and substituted chemical fertilizer-N through organic fertilizer-N.

rice； optimum nitrogen management； biomass； yield； N accumulation； N remobilization；nitrogen use efficiency

S511.062

A

1008-505X（2016）05-1157-10

2015-10-26接受日期：2015-12-09

日期：2016-06-03

国家重点基础研究发展计划项目（973计划，2013CB127403）；公益性行业（农业）科研专项（20150312205，201203003）资助。

王玉雯（1990—），女，山东莘县人，硕士研究生，主要从事作物养分高产高效研究。E-mail：2013103133@njau.edu.cn

E-mail：sguo@njau.edu.cn