北方稻区水稻节水灌溉下氮肥减施潜力展望

邢素丽，邹拓，贾良良，杨云马，杨军芳，黄少辉，杨文方

（1.河北省农林科学院农业资源环境研究所，河北 石家庄 050051；2.河北省农林科学院滨海农业研究所，河北 唐山 301501）

水稻是耗水量最多的大田作物[1～3]，在淹水栽培条件下，80%的稻田灌溉水通过蒸发和淋失途径而损失[4]。与此同时，生产中氮肥管理粗放、使用过量，氮素利用率不断降低，导致大量水肥资源浪费。水和肥是形成水稻产量的决定性因素，水氮交互作用的关系更为复杂[5～8]。尤其在我国北方，水资源短缺与水肥管理不协调的矛盾始终是制约优质水稻生产的关键[9]。研究表明，科学控水管理可以增加水稻分蘖，进而提高产量[10，11]；而适量控水配合科学施肥，则可以有效调节水稻的生长[12，13]。通过分析节水控灌和适量氮肥供应对水稻生长发育、养分吸收和产量等的影响，对北方稻区水稻土壤环境、灌溉方式、施氮量以及不同生育期的施氮比例进行综述，提出北方稻区以节水灌溉为核心的氮肥管理技术研究方向，旨为北方水稻可持续发展提供参考。

1 节水控灌和适量施氮对水稻的促进效应

1.1 节水控灌和适量施氮能够促进水稻生长发育

水和肥是调控水稻生长发育的重要环境因子[14]。首先，灌溉方式和施氮水平能够显著影响水稻株高。相同施氮量条件下，控水处理的水稻株高高于常规灌水处理，其中分蘖期、拔节期和开花期的株高增幅较大[15]。其次，水氮互作能够显著影响水稻根系生长和分蘖发生。相同施氮水平下，控水处理的水稻根体积显著高于常规灌水处理，过量施用氮肥反而会抑制水稻根体积的增大[16]。在水分一定的条件下，适量增施氮肥可促进水稻分蘖，而过量施氮则会导致水稻分蘖数减少[17]。北方稻区控制灌溉还可通过地温升高来增加水稻的分蘖数量[18，19]。适当水分胁迫可明显抑制无效分蘖[20]。合理施用氮肥能够减少植物叶片的气孔密度，降低蒸腾速率，提高植株叶绿素含量，促进水分利用[21，22]。

1.2 节水控灌和适量施氮能够促进水稻产量提高

灌溉方式和施氮水平能够显著影响水稻产量及其构成因素[23]。水氮耦合可在节水的同时提高水稻产量，且存在显著的交互作用[24]。水氮互作可提高子粒灌浆速率，进而提高水稻产量[25，26]。施氮量过多，氮素收获指数、氮素生理利用率和氮肥农学利用率均降低，从而导致水稻产量降低[27，28]。

1.3 节水控灌和适量施氮能够促进水稻养分吸收

水稻对氮需求量最大，增施氮肥有利于促进植株氮素积累[29]。适宜水平的氮素供应有利于穗部氮的吸收；而氮肥供应过量，虽然可以提高水稻植株的养分积累总量，但不利于水稻生育后期子粒的养分积累，从而使灌浆期至成熟期的养分积累总量降低[30～34]。水稻生育期对氮素的需求规律表现为移栽后迅速增加，分蘖盛期达到最大，之后逐渐减少。水稻在移栽—分蘖期、分蘖—拔节期、拔节—齐穗期、齐穗—成熟期的吸氮量比例约为16∶53∶20∶1[35]。干湿交替节水控灌可以调节水稻氮、磷、钾养分的同化积累。研究表明，节水控灌能够降低分蘖期水稻的氮素积累量，提高抽穗期和成熟期的水稻氮素积累量[36～39]。同一施氮水平下，干湿交替节水控灌有助于磷素的积累，不同生育时期的植株磷素积累量均随氮素水平的提高而增加；还能提高成熟期植株钾素的积累量[40]。水氮互作对水稻氮、磷、钾累积量均有极显著的影响，可明显增加水稻体内的氮素积累量[41]，提高水稻子粒的磷、钾元素含量，促进水稻生长[42]。不施氮或施氮量过高均会抑制水稻对氮、磷、钾素的转运与吸收，水氮互作条件下各生育期氮、磷、钾素的吸收均存在显著的协同效应[43]。节水灌溉下，适当增加追肥次数有利于减少各种氮素养分的损失，提高氮肥利用率；与淹灌处理相比，促进水稻对氮素的吸收与利用，且有利于氮素养分向稻谷中转移[44]。

2 北方稻区水稻氮肥减施的潜力分析

2.1 北方稻区0耀20 cm耕层土壤肥力的变化规律

北方稻区土壤类型主要有黑土、白浆土、草甸土、棕壤和滨海盐渍土等。该区耕层土壤有机质含量呈现一定的地域线性变化规律，具体表现为自北（黑龙江省第三积温带大兴农场、857农场、友谊农场[46]）向南（河北省唐山市曹妃甸区水稻主产区）逐渐降低，回归方程为y=-0.936 9x+44.724（R2=0.331 6）（图1）。黑龙江省耕层土壤有机质含量最高，达到30.8～51.7 g/kg[42，45，46]，平均为39.7 g/kg；其次是吉林省和辽宁省，耕层土壤有机质含量分别为29.5～36.5 g/kg[31，32]和21.0～25.7g/kg[28，35，47]，平均值分别为32.47和22.63g/kg；河北省稻区耕层土壤有机质含量最低，平均为15.5g/kg。土壤速效氮含量的变化规律也呈自北向南线性降低（图2），与土壤有机质含量的变化规律一致。土壤有机质含量较高的省份，土壤碱解氮含量也相应较高，回归方程为y=-5.526 1x+208.56（R2=0.511 9）。土壤有效磷和速效钾含量南北差异不大，地域规律性不明显（图3～4）[45～48]。

图1 北方稻区0耀20 cm耕层土壤的有机质含量Fig.1 Soil organic matter content of 0-20 cm layer in northern rice area

图2 北方稻区0耀20 cm耕层土壤的碱解氮含量Fig.2 Soil available nitrogen content of 0-20 cm layer in northern rice area

图3 北方稻区0耀20 cm耕层土壤的有效磷含量Fig.3 Soil available phosphorus content of 0-20 cm layer in northern rice area

2.2 北方稻区水稻的氮肥减施技术与减氮潜力

研究表明，在较高供氮水平下或农民习惯施氮量条件下，北方稻区土壤的平均供氮量为199.08 kg/hm2，供氮水平为111～470 kg/hm2[42]。氮肥施用量呈明显的地域变化，区域内的施氮量总体表现为越往北越小、越往南越高。河北稻区的施氮量为农户调查数据，该区也是我国北方稻区施氮量最高的区域。在优化施氮或经济供氮条件下，平均施氮量为141.15 kg/hm2，供氮水平为85～370 kg/hm2[46]。在此条件下，氮肥施用量总体也表现为北部较小、南部偏大的趋势。优化施氮较农民习惯施氮平均减施氮肥29.1%[31，32，45，49，50]。

图4 北方稻区0耀20 cm耕层土壤的速效钾含量Fig.4 Soil available potassium content of 0-20 cm layer in northern rice area

从不同时期的施氮比例看，优化施氮方式下，北方水稻全生育期主要施肥4次，其中，基肥的施氮量平均占全年施氮总量的38.2%，第1次、第2次、第3次追肥的施氮量分别占全年施氮总量的30.8%、20.2%和10.8%（表1）。

表1 北方稻区优化施氮条件下不同时期的施氮比例Table 1 Nitrogen application ratio at different stages under optimized nitrogen fertilization conditions in northern rice area （%）

从水稻产量看，优化施氮量或经济供氮水平下，北方水稻平均产量为9 632.04 kg/hm2，较农民习惯施氮量或较高供氮水平下的水稻平均产量（8 897.28 kg/hm2）提高8.26%（表2）。

表2 北方稻区的施氮量和水稻产量Table 2 Nitrogen fertilization rate and rice yield in northern rice area

3 问题与展望

水和氮是影响水稻生长发育的重要因素。采用有效的灌溉管理措施，配合合理的施用氮肥，通过促进根系发育和水稻分蘖以及对营养生长与生殖生长过程的调控，促进养分吸收以及养分向子粒转化，促进干物质向子粒中分配，从而有效提高水稻产量。北方稻区水稻的水、氮管理，需要根据水稻生长发育对水分和养分的需求进行。合理的节水灌溉与氮肥管理，对水稻生长、分蘖、发育、根系生长、产量、养分吸收等具有积极作用；反之，不利于水稻的生长发育和产量提高。目前在较高供氮水平或农民习惯施氮条件下，土壤的平均供氮量为199.08 kg/hm2，供氮水平为110～470 kg/hm2；在优化施氮或经济供氮水平下，水稻的平均施氮量为141.15 kg/hm2，土壤供氮水平为85～370 kg/hm2。优化施氮较农民习惯施氮平均减施氮肥29.1%，水稻增产8.26%。优化施氮方式下，基肥和3次追肥的施氮比例为38.2%、30.8%、20.2%和10.8%。建议加强水氮供应与水肥需求同步对北方水稻分蘖、生长发育、光合作用的调控机制研究，强化在节水灌溉条件下不同生育期氮调控对水稻产量形成和氮利用的影响研究，阐明节水灌溉下氮肥减施技术及其机理，对北方稻区水稻提高水肥利用，解决水资源短缺和氮肥过量施用的问题具有重要的理论与生产实际意义。