确定经济合理施氮量的新方法：基于施氮量与稻米产量效应函数

彭显龙，车俊杰，宋 聪，齐文晶，李鹏飞*，刘智蕾，于彩莲

（1 东北农业大学资源与环境学院，黑龙江哈尔滨 150030；2 哈尔滨理工大学材料科学与化学工程学院，黑龙江哈尔滨 150040）

水稻是中国最重要的粮食作物之一，全世界超3/5的人口以精米为主食[1]。随着经济的发展和生活水平的提高，人们对优质米的需求越来越高。农民常常通过盲目增肥试图促进水稻增产，然而过量施氮会造成精米食味品质降低，因此水稻高产和优质难以统一。采取有效措施改善品质，促进高产优质协同具有重要意义。施氮量和密度是影响水稻产量和品质的主要因素，密度与水稻产量关系研究显示，适宜的密度有利于水稻高产[2]。密度能够调节水肥气热等因素对水稻生长发育产生影响，过高过低都会影响水稻产量。由于环境、水稻品种和耕作技术的不同，密度对品质的影响研究结果也不尽相同。荆爱霞[3]认为，降低密度可以改善精米加工品质。但是董啸波[4]认为，增加密度不仅能够改善精米加工品质，还能够提高精米食味品质。关于施氮量对水稻产量和品质的研究结论也不完全一致。随着施氮量的增加，产量先增加后降低，北方稻田施氮量为109～190 kg/hm2时可达到高产目标。也有研究显示，施氮量与水稻产量呈显著正相关，施用氮肥可以提高水稻产量和单位面积穗数[5]。有研究[6]显示，氮肥用量提高，精米出米率增加，但是也有学者认为氮肥用量高，出米率反而降低[7]。还有研究表明[8]，施氮量与出米率无明显关系。多数研究表明，在180 kg/hm2以内随施氮量增加蛋白质含量和食味值提高，超过此施氮量增氮的优化作用不显著[9–12]。也有研究表明，随着氮素的增加，出米率和食味值等都下降[13]。氮肥和密度具有交互作用，稀植高氮和增密减氮的栽培模式都可以获得高产[14]。程效义等[15]提出，增氮或降密可提高蛋白质含量，适量少肥和密植可以改善品质。黑龙江是我国优质粳稻主产区，尤其五常大米享誉中外。以往都是按稻谷产量进行售卖。农户多通过增加氮肥施用量来达到高产的目标，从而造成氮损失和农业面源污染。随着精米品质越来越受重视，出米率和品质已经成为影响售价的主要因素。由于施氮量与出米率一般呈负相关关系，因此施氮量和精米产量的关系与施氮量与稻谷产量关系并不一致。以精米产量和施氮量的关系确定最佳肥料用量对品质和氮效率影响未见报道。为此，我们通过肥料效应函数，比较以稻谷产量和精米产量确定经济最佳施肥量的差异，并分析所确定施氮量差异对稻谷产量和品质等可能产生的潜在影响。研究结果能够为优质米生产科学施肥提供理论依据，并为高产优质相协同提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

于2018和2019年，在黑龙江省五常市龙凤山乡辉煌村 (127º54´E，44º89´N)进行田间试验。供试品种为‘五优稻4号’(稻花香2号)，长粒型水稻品种，为黑龙江省五常市主栽优质水稻品种。供试土壤为黑土型水稻土，土壤pH 6.30、有机质35.5 g/kg、土壤全氮含量1.44 g/kg、有效磷含量51.8 mg/kg、速效钾含量110 mg/kg。两年生育期的日平均气温如图1所示。

图1 水稻生育期日平均气温Fig.1 Daily average air temperature during rice growth period

1.2 试验设计

采用裂区试验设计，以密度为主区，施氮量为副区。主区依据人工插秧和机械插秧常用的密度，设置2个栽培密度处理，15穴/m2(D1)和24穴/m2(D2)。副区为 4 个氮肥梯度：0 (N0)、75 (N75)、105(N105)、135 kg/hm2(N135)。每个处理小区面积为80 m2，重复4次，小区随机排列。所有处理P2O5用量为 50 kg/hm2、K2O 用量为 90 kg/hm2。在插秧前1周施用50%钾肥和100%磷肥，施肥后旋耕。插秧前1天、插秧后21天分别施用40%和30%的氮肥，水稻拔节期(穗大小约1 cm)施用剩余的氮肥和钾肥。试验中施用的氮、磷、钾肥分别为尿素(N 46%)、重过磷酸钙 (P2O544%)和氯化钾 (K2O 60%)。

2018和2019年均于4月中旬育苗，两年均在5月18日插秧，移栽时选取长势一致的秧苗，每穴苗数3～5株。小区间采用塑料池埂(插入土壤20 cm)间隔，防止肥料的串流，其他田间管理同当地高产栽培方式，科学防病除草以避免产量损失。

1.3 样品采集与测定

于成熟期，调查30穴水稻分蘖，取具有平均分蘖的4穴水稻，去除根系后，将水稻地上部105℃杀青30 min，85℃烘干至恒重。将样品粉碎后，经H2SO4–H2O2消煮，采用连续流动分析仪(AA3，Branand Luebbe，Norderstedt，Germany)测定含氮量。

每个小区收获5 m2水稻，脱粒去杂后，测定含水量，折合成14.5%含水量的产量。籽粒混匀后称取1 kg稻谷用试验砻谷机(THU35C，Satake corporation，Japan)脱壳、碾磨获得糙米并计算糙米率，糙米经精米机(VP-32，Yamamoto，Japan)碾磨获得精米并计算精米率，使用Shizuoka Siki PS-500食味仪测定精米的蛋白质含量、直链淀粉含量和食味值。

1.4 数据处理与分析

通过一元二次曲线(y=b0+b1x+b2x2)，拟合施氮量与稻谷产量及精米产量的关系，其中y为稻谷产量或精米产量，x为施氮量。利用边际效应分析[dy/dx=(R+1) Px/Py]计算施氮量，其中R、Px和Py分别为边际利润率、肥料价格和产品的价格。计算R值分别为–1、0、0.1、0.2、0.3、0.5、1时的施氮量、稻谷产量和经济效益。当R值为–1时对应的产量为最高产量施氮量(x=–b1/2b2)；R值为0时对应的产量为经济最佳施氮量[x=(Px/Py–b1)/2b2]。施氮量代入肥料效应函数可以计算对应的稻谷产量或精米产量。糙米产量=稻谷产量×糙米率；精米产量=糙米产量×精米率。

经济效益=稻谷产量×稻谷(精米)价格–施氮量×氮素价格–水稻生产固定成本。其中稻谷价格为5元/kg，精米价格为12元/kg，纯氮价格为4元/kg，水稻生产中固定生产成本约为15000元/hm2(包括种子、除氮肥外其它肥料、人工、植保、运输等费用)。精米加工成本约为0.2元/kg，因此精米生产成本为施肥成本+水稻生产固定成本+产量×加工成本。

氮肥农学效率(AEN, kg/kg)=(施氮区作物产量–不施氮区作物产量)/施氮量[16–17]

氮肥偏生产力(PFPN, kg/kg)=单位面积作物产量/单位面积施氮量[16–17]

氮肥回收利用率(REN, %)=(施氮肥区植株氮积累量–不施氮肥区植株氮积累量)/施氮量×100[16–17]

氮肥生理利用率(PEN, kg/kg)=(施氮区产量–不施氮区产量)/(施氮区地上部吸氮量–不施氮区地上部吸氮量)[16–17]

采用 Microsoft Office Excel 2013 进行数据统计、图表制作和相关分析，采用多因素方差分析，用邓肯法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 氮肥和密度对水稻产量和品质的影响

由表1可知，施氮量和密度对地上部干物重、稻谷产量、精米产量、蛋白质含量等均有显著影响，栽培密度和施氮量两者对直链淀粉含量的影响具有显著交互作用。除直链淀粉之外，其它指标具有显著年际间差异。施氮量、密度和年际之间两者或者三者交互作用绝大多数不显著。

表1 不同处理下水稻的产量和品质Table 1 Yield and quality of rice under different treatments

在N0、N75、N105、N135处理下，D1处理精米蛋白质含量较D2处理分别提高了5.63%、4.94%、4.07%、1.83%；而D2处理的稻谷产量较D1分别提高了13.93%、9.12%、8.78%、7.82%，地上部干物重分别增加了8.86%、7.82%、3.97%、1.72%，精米产量分别增加了12.68%、13.06%、11.40%、6.59%。高氮条件下增产少，而低氮条件下高密度栽培增产较多。

在相同栽培密度下，随着施氮量增加，稻谷产量、地上部干物重、精米产量均呈现出先增加后降低趋势，以N105处理最高。N105处理的稻谷产量除2019年D1密度下与N135处理差异不显著外，其余均显著高于其他处理，而N135处理的稻谷产量与N75处理没有显著差异，但2018年地上部干物重却显著高于N75处理。

氮肥对精米产量的影响2018年与2019年结果不同。2018年，N75、N105、N135处理在2个密度下的精米产量没有显著差异。2019年，D1栽培密度下，3个氮水平处理的稻谷产量也无显著差异，而在D2栽培密度下，N105处理的精米产量显著高于N75和N135处理，分别提高6.88%和16.74%；N75和N135处理之间无显著差异。D1栽培密度下，施氮水平增加对精米的蛋白质含量和食味值无显著影响，而D2栽培密度下，施氮量增加有提高精米蛋白质含量但是降低食味值的趋势，且N135处理与N0相比，蛋白质含量显著增加0.82个百分点，精米率和食味值分别显著降低8.40和7.58个百分点。栽培密度和施氮量对精米的直链淀粉含量没有显著影响。

2.2 施氮量和稻谷产量的关系及经济效益分析

由图2可知，施氮量与稻谷产量呈二次曲线关系。D1栽培密度下，两年稻谷最高产量分别为6974和7451 kg/hm2，对应的最高产量施氮量分别为126.4和113.2 kg/hm2；D2栽培密度下，两年稻谷最高产量分别为7708和7979 kg/hm2，对应的最高产量施氮量分别为110.8和98.6 kg/hm2。随着边际利润(R值)增加，氮肥用量降低，稻谷产量降低，但是农户效应先增加后降低(表2)。R值在0～0.3，施氮量、产量和施肥利润相差不大。相对而言，2019年产量稍高、效益好。

表2 利用肥料效应函数计算的稻谷产量、施氮量和经济效益Table 2 Rice grain yield, N application rate and benefit calculated by fertilizer response function

图2 两个密度下施氮量与稻谷产量的关系Fig.2 Relationship between nitrogen rate and rice grain yield under two plant densities

2.3 施氮量和精米产量的关系及经济效益分析

由图3可知，与施氮量和产量关系相似，施氮量与精米产量也呈二次曲线关系。随着栽培密度增加，最高精米产量施氮量和经济最佳施氮量均明显降低。在D1栽培密度下，精米产量最高时的施肥量为102.8～109.8 kg/hm2。D2栽培密度下，精米产量最高时的施氮量为78.1～101.0 kg/hm2。随着R值增加，D1和D2栽培密度下经济最佳施氮量分别下降到 98.8～105.9 (平均 102.4)和 73.2～98.0 (平均 87.1)kg/hm2，D2较D1处理减少经济最佳施氮量约15 kg/hm2。相对于最高精米产量施氮量，经济最佳施氮量减少3 kg/hm2左右，精米产量下降约1 kg/hm2，但是施肥利润提高了约8元。R值在0～0.3，施肥量和对应的精米产量相差不大，施肥利润相差也不多(表3)。施氮量具有明显的年际间差异，2个密度下2019年的施氮量均低于2018年，D1密度下年际间施氮量差异较小，D2密度下年际间施氮量差异变大。2019年温度高于2018年，可见温度高的年份，合理密植更有利于氮肥减施。

表3 利用肥料效应函数计算的精米产量、施氮量和经济效益Table 3 Milled rice yield, nitrogen application rate and benefit calculated by fertilizer response function

图3 两个种植密度下施氮量与精米产量的关系Fig.3 Relationship between nitrogen rate and milled rice yield under two plant densities

2.4 氮肥和密度对水稻氮素积累和氮肥效率的影响

由表4可知，氮肥对水稻氮素积累和氮效率有显著影响，密度对氮积累量和氮肥偏生产力影响显著。多数指标存在显著的年际间差异，指标之间多数没有明显的交互作用。

由表4可知，相同密度下，随着氮肥用量增加，氮素积累显著增加，施氮量超过105 kg/hm2，氮积累增加多数不显著。因此，氮肥回收利用率在N105处理达最大值，同N75和N135处理相比，提高了4.00～18.38个百分点。随着施氮量的增加，农学效率、生理利用率、偏生产力均呈现递减的趋势，与N105处理相比，N135处理两年平均分别降低了38.88%、28.17%和26.74%。

各氮肥水平下，D2密度氮积累和偏生产力比D1密度平均值分别提高了40.35%和40.31%，在N0、N75、N105、N135水平上，D2密植较D1稀植氮积累量分别提高10.93%、5.38%、4.46%、2.18%；在N75、N105、N135水平上，D2密植较D1稀植偏生产力分别提高11.55%、8.73%、7.24%。两个密度处理的氮肥回收利用率、农学效率、生理利用率无显著差异。

3 讨论

3.1 合理密植有利于减氮并提高水稻产量

施氮量和密度是影响水稻产量的主要因素，大量研究表明，在一定范围内，氮肥可以提高水稻产量，但是达到峰值后，过量的氮肥会造成水稻减产[18]。本研究也证实过量施氮会造成水稻减产(表1)。干物质积累是水稻产量形成的基础，产量是干物质积累量与收获指数的乘积。通常施氮量增加，叶片含氮量增加，水稻叶片光合效率提高，有利于干物质积累[19]。随着氮肥用量提高，水稻叶片和茎秆夹角变大，叶片披垂相互遮荫反而会使光合效率降低。同时，茎秆中氮钾比例与水稻茎秆充实度密切相关，随着施氮量增加，茎秆氮钾比增加，茎秆充实度变差，甚至出现倒伏[20]。叶片披垂和倒伏后有效叶面积变小，显著影响干物质积累，干物质积累不足容易造成水稻结实率降低，收获指数下降[21]。在本研究中，五优稻4号高氮处理田间表现出叶片披垂和后期的倒伏，因此干物质积累和运转受到抑制，造成高氮处理干物质积累不足，收获指数降低，这可能是高氮造成水稻减产的主要原因。密度增加无氮区有较高的稻谷产量和吸氮量(表4)，这可能是因为密度增加，水稻根系与养分接触概率增加，可以截获更多的养分。因此增加密度有利于节氮并增加水稻产量，这与其他研究结果[22]相一致。本试验中合理密植减氮更容易获得高产，可能与其干物质积累较多有关。增加密度虽然单株生产能力下降，但是低氮量条件下叶片直立，群体光合效率更高，因此干物质积累增加。一般来说增加密度会增加水稻倒伏风险[23]，但增密的同时减氮，能增强水稻抗折力，提高水稻抗倒伏能力。增密减氮处理叶片直立，抗倒伏能力强是其增产的主要原因。齐穗期和灌浆盛期的温度与水稻千粒重呈显著的正相关，较高的温度有利于籽粒的形成，提高产量[24]。本研究中造成两年产量差异的原因可能是温度，2019年比2018年日平均温度高1℃，并且灌浆期温度较高，因此2019年产量稍高。

表4 不同处理下水稻氮素积累量和氮肥利用效率Table 4 N accumulation and nitrogen use efficiency of rice under different treatments

肥料效应函数是确定经济最佳施肥量的主要方法，过去市场交易时主要考虑稻谷的价值，都是用施氮量和稻谷产量的函数关系来确定最佳施氮量。本研究中的水稻品种出米率(精米率)与施氮量呈负相关关系，最高稻谷产量并不是最高精米产量。传统的肥料效应函数法计算的经济最佳施氮量为96.4～123.7 kg/hm2，而按照施氮量和精米产量关系函数计算的经济最佳施氮量为76.2～105.9 kg/hm2，这两种方法计算的施氮量存在明显差异。如果施氮量与水稻出米率为负相关，在这种条件下按照施氮量和水稻产量关系确定的最佳施氮量，氮肥投入高，而实际上精米产量降低。因此，传统肥料效应函数按稻谷定价而不考虑出米率(精米率)，一方面会降低精米经销商的利益；另一方面农户因追求高产而增加氮肥施用，加剧了农业面源污染等一系列不良环境风险[25]。为了协同农户、经销商和环境效应，建议在水稻收购中增加出米率这一指标，把稻谷价格和出米率联系起来，出米率高稻谷售价就高。这样就需要研究产量、出米率和稻谷价格的关系，确定出米率适宜范围。本研究中适宜的出米范围为55%～60%，在此范围内出米率每增加1%，稻谷每500 g售价增加0.05～0.10元。出米率低于55%，建议每500 g售价降低0.1～0.2元。按照这样的定价方式引导农户追求较高的出米率而不是单纯的追求高产，这样将有利于节肥和高效目标协同。考虑到氮肥用量和出米率的关系并不一致，有些研究认为施氮量与出米率为正相关，此时用施氮量和精米产量关系计算最佳施氮量则更高，环境风险可能加大。由此可见，施氮量与出米率的关系是确定最佳施氮量的关键，如果施氮量对出米率没有影响，则两种方法所确定的施肥量相同。由于水稻是人类主要口粮，多以精米的形式出现，建议在确定最佳施氮量前要研究施肥量与出米率的关系，根据此关系来确定采用哪种肥料效应函数来确定最佳施氮量，从而更好地协调产量、品质和环境三者的关系。

3.2 合理密植条件下减氮有利于改善精米品质

施氮量和密度会影响精米率、蛋白质含量、直链淀粉和食味值等品质指标，施氮量对于精米率的影响研究结果并不相同。彭斌等[26]认为，随着氮肥用量的增加，精米率提高；李禹尧[27]认为，氮肥的用量与精米率呈倒抛物线型变化趋势。丁涛[28]认为，密度对精米率无显著影响。本研究表明，氮肥用量与精米率呈显著负相关，随着氮肥用量的增加，精米率降低。精米率高低与稻谷硬度有关，稻谷灌浆充分，硬度大则精米率高。随着氮肥用量提高，水稻灌浆充实度下降，硬度也降低，千粒重和结实率均降低，因此精米率降低。有人认为增加插秧密度，精米率会降低[29]。本试验中高密度处理精米率有降低趋势，但是差异不显著。

施氮量与精米直链淀粉含量关系研究结果也不尽相同。Deng等[30]认为，在一定范围内随着氮肥用量的增加，直链淀粉含量先升高，达到最大值后降低。占新春等[31]研究认为，氮肥对直链淀粉含量影响差异不显著。随着施氮量与栽培密度的增加，直链淀粉含量表现为先降低后升高的趋势[32]。本试验结果表明，密度和施氮量对直链淀粉含量影响不显著。蛋白质含量主要受到植株氮素营养的影响，前人对施氮肥与水稻籽粒蛋白质含量变化关系的研究结果基本一致，认为增加氮肥施用量可以提高水稻的蛋白质含量，本研究进一步确认了上述观点。一般蛋白质含量和食味品质具有一定的负相关关系，蛋白质含量增加食味值则下降。密度增加后植株含氮量是否增加国内外研究结果并不一致，在一定范围内密度增加，水稻植株氮积累总量和产量一般均增加，密度增加籽粒含氮量是否增加与产量和吸氮量比值有关。本研究中密度增加，产量和吸氮量比值有增加趋势，也就是单位吸氮量生产了更多的稻谷，产量增加快于吸氮量的增加，表现为稀释效应，因此精米蛋白含量降低。施氮量和密度对水稻产量和品质的影响与其他研究结果[3–4]一致。本试验中高氮和低密度处理精米蛋白质含量增加，对应的食味值降低。可见适当减少氮肥用量并合理密植能够提高精米食味品质，改善精米口感。从精米品质角度看，在推荐施氮量时引入出米率(精米率)这一指标有利于减氮，从而提高精米食味品质，使口感更佳，因此在确定氮肥用量时考虑出米率这一指标有利于节氮提质。

3.3 合理密植条件下减氮有利于提高水稻氮肥利用效率

施氮量和密度对氮效率有显著影响[33]。在一定范围内，随着施氮量的增加，氮肥回收利用率降低。也有研究显示，随着氮肥用量增加氮肥回收利用率先增加后降低[3]。本研究显示，随着氮肥用量增加氮肥回收利用率先增加后降低。这可能是因为施氮量过低导致群体结构不佳从而影响氮素吸收利用。随着施氮量的增加，氮肥农学效率、生理利用率和偏生产力均呈现下降趋势，这与其他研究[34–35]结果一致。2019年氮肥回收利用率和氮肥农学效率均低于2018年，而氮肥偏生产力则高于2018年。一般认为温度升高有助于提高植株吸氮量[36]，因此2019年无氮肥区吸氮量和施氮后吸氮量均显著高于2018年，施肥后产量也高于2018年，因此氮肥偏生产力高于2018年。2019年无氮肥区吸氮量比2018年平均增加18.30% (表4)，造成施肥后吸氮量增加以及单位氮增产的水稻均降低，因此2019年氮肥回收效率和氮肥农学效率均低于2018年。这可能与水稻优先利用土壤氮有关，深层次原因尚需深入研究。

一般认为增加种植密度，适当降低氮肥施用量是提高水稻氮肥利用效率的重要措施[37]。本研究证实增加密度有利于氮累积，但是对氮肥回收利用率和生理利用率影响均不显著。合理密植促进了群体平衡，保证了根系对土壤氮素及氮肥的吸收，养分吸收量同步增加，但养分在作物体内的利用没有发生明显的改变，因此氮肥生理利用率和氮肥回收利用率都没有明显差异。可见合理密植更容易发挥根冠、库源等株型优势，合理增密利于减氮。由于增密提高了产量，因此密度增加使氮肥偏生产力明显提高(表4)。可见，减氮增密可不同程度提高氮肥偏生产力等相关指标[38]。

4 结论

合理密植和减氮能够增加水稻产量，改善精米品质。增密促进了水稻对土壤氮吸收，提高氮素积累和氮肥偏生产力，但是对氮肥回收利用率影响不大。在本试验合理密植(24穴/m2)条件下，‘五优稻4号’施氮量为76.2～105.9 kg/hm2时有利于稻米高产和优质，并实现氮肥减施高效。精米率对氮肥有负响应的水稻品种，应以施氮量和精米产量效应函数确定适宜施氮量。