我国稻田氮肥利用率的研究进展

赵宏伟，沙汉景

（东北农业大学水稻研究所，哈尔滨 150030）

我国稻田氮肥利用率的研究进展

赵宏伟，沙汉景

（东北农业大学水稻研究所，哈尔滨 150030）

文章从施肥量、施肥模式、土壤氮素背景、养分配比以及品种角度分析我国氮肥利用率低的原因，综述近年来提高氮肥利用率的途径，主要包括传统方法的优化和组合方案，即氮肥减失与氮肥深施相结合、分次施肥与氮肥精确后移相结合、水肥调控与节水灌溉相结合以及平衡施肥与保护性耕作相结合；介绍提高氮肥利用率的四种新技术，即无损诊断、新型肥料、计算机决策支持系统和实地氮肥管理模式。并对今后提高稻田氮肥利用率进行展望。

水稻；氮肥利用率；研究进展

1 我国稻田氮肥投入及利用现状

1.1 我国稻田氮肥投入概况

氮素是水稻生产中最重要的营养元素，水稻高产与施用氮肥密切相关。据世界粮农组织（FAO）统计，1961～2009年，全球氮肥用量（以N计）从11.6×106t增加到10.5×107t，增加9.1倍，而中国在同期内氮肥用量增加67.9倍（见图1）[1]。1961年，中国氮肥用量约占世界氮肥总用量的5%，这一比例在2009年上升至35%[1]，中国已成为当前世界上最大的氮肥消费国。据IFA估计，2006～2007年，世界水稻消耗氮肥占氮肥消耗总量的15.8%，而中国水稻消耗氮肥约5.5×106t，占世界水稻氮肥总用量36.1%[2]。1991～2010年，我国水稻收获面积从1991年的3.3×107hm2下降到2010年的3.0×107hm2，占世界水稻收获面积的比例从1991年的22.5%下降到2010年的19.6%，降幅2.9%；我国水稻单产增加幅度16.4%，比世界水稻单产增加幅度23.7%低7.3%；水稻总产从1991年的185.7×106t增加到2010年的197.2×106t，占世界水稻总产量的比例却下降6.5%[1]。在水稻种植面积逐年减少的情况下，增加肥料投入，尤其是氮肥的投入成为提高水稻单产、增加粮食产量的常规途径。据FAO统计，1997年中国稻田单季氮肥用量平均为145 kg· hm-2[1]。2001～2005年中国水稻氮肥用量平均为150 kg·hm-2，比世界平均氮肥用量高67%[3]。而且随着水稻生产的发展，水稻本田期的施氮量呈现增加趋势。

图11961 ～2009年中国、世界氮肥消费量及中国占世界氮肥消费量的比例Fig.1 Fertilizer-N consumption in China,the world and percentage of world fertilizer-N that is consumed by China from 1961-2009

1.2 我国稻田氮肥利用现状

1.2.1 氮肥利用率的评价指标

国外通用的氮肥利用率（Fertilizer N use efficiency，FNUE）的定量指标有氮肥吸收利用率（Recovery efficiency或uptake efficiency，RE），氮肥生理利用率（Physiological efficiency，PE），氮肥农学利用率（Agronomic efficiency，AE）和氮肥偏生产力（Partial factor productivity of applied N，PFP）。这些指标从不同侧面评价作物对氮素的利用率[4]。其中，RE反应植株从土壤中吸收氮的能力；PE则反应作物吸收的氮转化为稻谷的利用效率；AE和PEP反应施氮量与产量间的关系，由于受施氮量的影响较大，该指标仅适合施氮量达到较高水平时对氮肥利用效率的比较。

1.2.2 我国稻田氮肥利用率状况

水稻氮肥吸收利用率（RE）一般相对较低，主要是由于灌溉稻田的土壤-淹水系统通过氨挥发和反硝化作用能够加快氮肥的损失。有研究认为热带稻田的氮肥吸收利用率一般为30%～50%，低于世界平均水平[5]。朱兆良研究不同形态氮素的吸收利用率，结果表明中国稻田碳铵氮素吸收利用率低于30%，尿素为30%～40%[5]。张福锁等通过分析2001～2005年全国不同地区间的试验数据，得出中国水稻氮肥利用率的地区间变异范围为27.1%～35.6%，目前中国水稻的氮肥利用率仅为28.3%[3,6]，呈下降趋势。

氮肥生理利用率的影响因子较多，如水稻品种、气候、种植密度、水分供应、其他营养元素以及病虫害发生水平。一般认为健康的水稻群体在无明显其他限制因子的情况下，氮肥生理利用率约为50.0 kg·kg-1。当过量施用氮肥时，由于水稻过度吸收氮肥而造成氮肥生理利用率急剧下降。张绍林等研究指出，当稻田施氮量由46 kg·hm-2增至230 kg·hm-2时，氮肥生理利用率由45.0 kg·kg-1下降至22.7 kg·kg-1。在水稻生长后期过量施用氮肥比在水稻生长前期过量施用氮肥，氮肥生理利用率降低的幅度更大[7]。Yoshida研究表明热带地区水稻氮肥农学利用率为15～25 kg·kg-1[8]。Cassman等报道菲律宾旱季水稻氮肥农学利用率为15～18 kg·kg-1[9]。据统计，我国水稻氮肥农学利用率1958～1963年为15～20 kg·kg-1，1981～1983年下降至9.1 kg·kg-1[10]，2001～2005年为10.4 kg·kg-1[3]。我国1995～1997年水稻PFP只有34 kg·kg-1[11]，在较好的作物管理条件下，氮肥偏生产力可超过50 kg·kg-1，如2001～2005年，我国水稻氮肥偏生产力为54.2 kg·kg-1[3]。“十五”以来，我国开展高产超高产的攻关研究，但是高产试验中水稻氮肥偏生产力仅为26 kg·kg-1[6]。

2 我国稻田氮肥利用率低的原因

2.1 施肥过量

施肥过量是我国氮肥利用率低的最主要原因。据报道，在施氮量小于60 kg·hm-2时，水稻氮肥利用率为49.0%；当氮肥用量大于240 kg·hm-2时，水稻氮肥利用率降至15.0%，水稻氮肥利用率随着施氮量的增加呈下降趋势[3]。我国普遍施氮量在150～250 kg·hm-2，而在江苏省某些稻田施氮量可达300 kg·hm-2[12-13]。2000～2002年我国水稻氮肥平均施用量为215 kg·hm-2[3]。2007年，我国水稻氮肥平均施用量为231 kg·hm-2[14]。在“施肥越多，产量越高”、“要高产就必须多施肥”等传统观念的影响下，稻农大量施用氮肥，致使稻田氮肥利用率下降。

2.2 施肥模式不合理

沿用传统的稻田施氮模式，如：我国双季稻地区的“一轰头”施肥法（全部肥料于整田时一次性施用或再少施分蘖肥）、单季稻地区的“前促施肥法”（70%～80%作基面肥，20%～30%作返青肥）、“前促、中控、后保”施肥法（70%～80%作基蘖肥，中期不施氮，20%～30%作保花肥或粒肥）等，施肥与水稻对氮的生理需求以及实地土壤氮素状况不一致，这是造成我国稻田氮肥利用率低的另一个重要原因。据Fan等报道，在我国西南稻麦轮作区，农民通常在稻季的前10 d内施用两次氮肥（基肥和追肥），而在麦季氮肥作为基肥一次性施入（大于120 kg·hm-2）[15]。由于水稻生长前期根系吸收能力低，地上部分的郁闭度也低，前期大量施肥往往造成氮素挥发损失。彭少兵等认为中期晒田（中控）会导致土壤氮素损失加剧和水稻吸氮量减少，导致氮肥利用率下降[16]。

2.3 氮素养分来源广，土壤氮素背景过高

一般而言，土壤肥力水平状况是决定肥料利用率的基本因素，即在土壤肥力较低水平容易获得高的肥料利用率和农学效率，反之，在土壤高肥力水平上较难得到高肥料利用率和农学效率[3]。20世纪80年代至今，我国土壤养分由大面积缺乏向过量积累方向发展[6]，随着施氮量的增加，我国很多地区土壤中出现过量的无机氮累积。张福锁等报道大气氮素干湿沉降以及灌溉水中氮素对作物营养的贡献[3]。全国稻田生态系统7个试验点的测定结果表明，大气湿沉降输入氮量12～42 kg·hm-2，同样灌溉水中也还有大量的氮、磷、钾和微量元素[17]。环境中氮素进入农田，进一步增加土壤氮素含量。刘立军等研究认为土壤氮素背景高是水稻氮肥利用率低的重要原因[18]。

2.4 养分配比不合理

我国稻田养分配比不平衡的现象普遍存在。通常认为，在单施氮肥或氮肥、磷肥、钾肥两两配施的情况下均不能最有效地利用养分资源，只有3者配施才能获得高产，养分表观利用率最高[19]。土壤基础肥力状况、产量水平和水稻类型均影响平衡养分配比。1995年调查数据显示，中国不同省份稻田N∶P2O5∶K2O变化范围为1.6～4.9∶0.4～1.2∶1，平均施用比例为2.8∶0.8∶1，而当地推荐氮磷钾适宜比例范围为1.2～2.5∶0.3～0.6∶1，由此Jin等认为还有很大空间进一步改善水稻平衡施肥[20]。此外，Jin等还认为不平衡施肥是导致中国水稻生产氮肥农学利用率从15～20 kg·kg-1下降到9.1 kg·kg-1的主要原因[21]。

2.5 缺少氮高效吸收和利用的水稻品种

据FAO数据显示，2010年世界水稻平均单产3.7 t·hm-2，我国水稻单产6.5 t·hm-2，是世界平均水平的1.77倍。但是我国水稻单产在世界上排名11位，与发达国家水稻单产水平有很大差距，如澳大利亚水稻单产10.8 t·hm-2，美国7.5 t·hm-2[1]。而在高产栽培试验中，水稻单产可达13 t·hm-2[3]。由此可见，水稻实际单产仅仅是高产潜力的一半。前文中也提到通过施肥尤其是氮肥提高水稻单产是较为常见的措施。一般来说，在一定范围内施氮量增加，作物产量随之增加，氮肥利用率显著降低；降低施肥量，氮肥利用率提高，但作物产量不一定高。要想实现水稻高产和氮肥的高效利用，需要挖掘水稻自身对氮的吸收和利用潜力。而当前在高供氮水平育种田育成的超级稻品种耐肥性强，由此造成水稻对氮肥的敏感性降低，这也是我国稻田氮肥利用率低的一个原因[16]。

3 提高我国稻田氮肥利用率的途径

3.1 传统方法的优化和组合

农业生产中较为普及的提高氮肥利用率方法主要有：适宜的氮肥施用量、氮肥深施及分次施肥、肥水调控技术和平衡施肥等。近年来随着农业生产发展，传统提高氮肥利用率的方法又呈现出不断优化和组合趋势，单一的传统方法越来越难以满足提高氮肥利用率的迫切需求。传统方法的优化和组合是从施肥的各个环节进行综合考量，并结合生产中遇到的其他问题对传统方法进行组装和优化。

3.1.1 氮肥减施与氮肥深施相结合

针对我国目前稻田氮肥施用量偏高的情况，在满足高产高效优质栽培基础上有必要减施氮肥，这也是保护生态环境和保证农业可持续发展的需要。现有研究表明，氮肥深施是各项提高氮肥利用率中效果最好且较稳定的一种措施[22-23]。氮肥减施与氮肥深施相结合，从施氮量和施用技术的角度尽可能减少氮肥损失，提高氮肥利用率。

3.1.2 分次施肥与氮肥精确后移相结合

不同时期分次进行施肥较一次性施肥能够有效减少施肥造成的损失，提高氮肥利用率[22]。我国稻田施氮模式也经历从“一轰头”施肥法和“前促施肥法”向“前促、中控、后保”和“稳头、顾中、顾尾”施肥法的转变，逐渐形成“前氮后移”的模式。张洪程等在总结前人经验的基础上又提出水稻氮肥精确后移技术，认为倒四、倒三叶是早熟晚粳稻最利于高产高效的追肥叶龄期，氮肥精确后移模式产量显著提高，氮素当季利用率、生理利用率、施氮增产力以及表观生产力均显著提高，百公斤籽粒需氮量则略低，在大面积生产上应用表现显著增产增效[24]。

3.1.3 水肥调控与节水灌溉相结合

由于传统的灌溉模式不仅造成水资源严重浪费，而且易造成土壤渗漏、地表径流、氮素挥发等问题，因此开展节水灌溉下的水肥调控有节本增效作用。水和肥料是限制水稻生长发育的两个主要因子，并且耦合作用明显。据朱兆良报道，在水稻田中基施氮肥采用“无水层混施法”，追肥采用“以水带氮法”等节氮水肥综合管理技术，有助于降低氨挥发和径流损失[25]。

3.1.4 平衡施肥与保护性耕作相结合

过去对于稻田保护性耕作的研究主要集中在土壤理化性质和生物学特性、节能减排和病虫害生态调控等方面。近年来，关于稻田保护性耕作和氮肥利用率的研究才见报道。王静等研究认为，秸秆覆盖和平衡施肥能有效降低径流氮的流失量，保护性耕作（少免耕+秸秆还田+平衡施肥）能有效降低氮素径流流失负荷，使得氮素流失潜能大大减小，可作为源头控制稻田氮素损失的措施加以推广[26-27]。

3.2 现代新技术的推广和应用

3.2.1 氮素的无损诊断

氮素营养诊断技术的研究和应用是合理氮素管理的前提。传统的氮素营养无损诊断主要有肥料窗口法和叶色卡片法，但这些方法均属于定性或半定量的方法。随着科技发展，氮素营养诊断逐渐向精确定量方向发展，如通过叶绿素仪、图像及机器视觉技术、光谱遥感技术等诊断植株含氮情况，进而指导合理施氮和氮素调控[28]。稻田氮肥无损诊断技术近年来发展较快，其中应用最广的应属叶绿素仪诊断。叶绿素仪可以在一定程度表征作物的氮素营养状态，但在实际应用中往往受作物的品种、生育期、生长环境的影响[29]，要精确地估测氮素营养水平，还需建立校正曲线或改进计算方法、不同学者采用校正方法不同，如利用SPAD/SLW（比叶重）[30]，相对叶色差(RSPAD)[31]等对SPAD值进行校正。其中RSPAD模型仅与水稻亚种类型有关，可以不受具体品种和生育进程的影响，具有较好的普适性。目前，仍需进一步研究水稻氮素含量水平与氮素丰缺指标间的关系，消除品种、生育阶段及生态环境影响[29]。机器视觉技术用于作物氮肥诊断的理论依据是作物对光的反射和吸收反映作物内部组成物质的特征。Casady和Singh等利用机器视觉在自然光照和水田灌水情况下采集水稻稻冠图像，并利用灰度中值和数学形态学进行水稻稻冠图像与背景的正确分割和特征抽取，并在此基础上建立基于机器视觉的水稻中期氮肥管理系统。该系统利用所测定的稻冠尺寸判断水稻生长情况，建立根据中期氮肥施用量和中期水稻生长情况（稻冠尺寸和叶绿素）预测水稻产量的数学模型，预测结果与实测结果的相关系数为0.846。该模型为进行水稻中期需氮情况分析和确定最佳中期施氮量提供了客观的方法[32-33]。祝锦霞等研究认为第3完全展开叶可作为机器视觉技术的水稻氮素诊断最佳叶位[34]。刘江桓等研究发现G以及G/（R+G+B）与植株全氮间有最高相关性，并以之作为参数建立水稻氮素营养诊断模型[35]。目前，水稻氮素遥感监测研究多集中在构建地面反射光谱与氮含量的反演模型，以及反演精度研究[36-37]。而利用航片或航天卫星图像进行水稻氮素监测，由于费用昂贵或受光谱和空间分辨率限制，在作物氮素监测方面的应用报道甚少[38]。基于光谱信息的作物氮素营养无损监测技术，在今后的发展中需要加强在氮素营养监测手段、建模方法创新、软硬件产品开发及与其他技术结合方面的研究[39]。

3.2.2 新型氮肥的应用

氮肥种类也会影响水稻对氮素的利用率。目前根据脲酶抑制剂和硝化抑制剂原理制成的缓效氮肥、改性氮肥以及涂层专用肥等在生产应用上取得较好的增产增效效果。据郑圣先等研究，控释氮肥氨挥发量比尿素降低54.0%，氮淋失量降低32.5%，硝化—反硝化损失量降低32.5%，水稻氮肥利用率平均为65.6%[40]。孙永红等比较硫磺加热固性树脂包膜尿素与普通尿素对水稻的增产效应，研究表明在低氮水平下包膜尿素处理氮素利用率为76.9%，产量比施用普通尿素增加22.2%，增产效果显著[41]。张玉玲等研究表明施用涂层尿素可显著抑制NH3和NOX挥发损失，可极显著提高水稻氮肥利用率[42]。据报道，应用表面分子膜可降低NH3挥发速率，减少氮素损失[43]。中国科学院南京土壤研究所发明的稻田抑氨膜，应用该膜可显著减少稻田中氨挥发损失，减少水分蒸发，此外还有节氮增效作用[44]。

3.2.3 计算机决策支持系统

当前应用于指导稻田施肥的计算机决策支持系统主要有水稻管理系统（MANAGE RICE）、氮素管理模型（MANAGE-N）和养分决策支持系统（Nutrient decision support system，NuDSS）。除上述模型外，作物-环境资源综合系统模型CERES（Crop environment resource synthesis）、DSSAT（Decision support system for agrotechnology transfer）模型、作物氮模型—作物对施氮反应模拟模型SMCR-N（Simulation model for crop response to nitrogen fertilizer）等均能模拟土壤氮素平衡情况。

由澳大利亚科学家Angus等开发的水稻管理系统（MANAGE RICE），不仅可以模拟不同施氮量情况下水稻生长发育进程和最终产量，并且能够根据最新的稻谷价格和氮肥价格，提供最佳氮肥管理决策方案，用于指导施肥[45]。荷兰科学家Ten Berge等为灌溉稻田最佳氮素管理建立由水稻生长模拟模型（ORYZA-O）和优化程序两部分组成的氮素管理决策支持系统（MANAGE-N）。其中ORYZA-O模拟作物的吸氮量、氮素分配和作物生长及产量；优化程序模拟则通过改变施肥时间推导出最大模拟产量[46]。养分决策支持系统是以QUEFTS模型和实地养分管理技术为基础发展起来的[47]，可以帮助用户估计一定目标产量下的N、P、K用量，选择最合理的肥料组合等[48]。据报道，MANAGE-N推荐施肥方案可增产5%～10%，氮肥农学利用率可增加20%～50%[49]。国内研制的基于模拟模型的水稻管理决策支持系统有水稻栽培优化决策系统RCSOD和双季稻生产管理决策系统RICOS，稻麦轮作生产管理决策支持系统，基于知识模型的水稻管理决策支持系统KMDSSRM，网络化作物管理决策支持系统、基于WebGIS农业生产空间信息管理及决策系统等。部分决策系统在指导水稻生产上起到增产增效的作用，但是应用决策支持系统提高氮肥利用率的报道较少。

3.2.4 实地施肥管理模式

国际水稻所（IRRI）最早提出水稻实地氮素管理模式。该模式包括实时氮素管理方法（Real-time N management，RTNM）和固定分期调控氮素管理方法（Fixed-time adjustable-dose N management, FTNM）[12]。两种氮素管理方法均是以比色卡或叶绿素测定仪（SPAD）对叶片含氮量进行估计。实时氮素管理方法中，农民周期性（如每周）监测水稻叶片颜色，只有当叶片颜色超过某个临界阈值的黄绿色时才进行施肥，施氮时间根据季节和地点变化而变化，但每次施氮量不变；固定分期调控氮素管理方法中，农民在水稻生长的几个关键时期根据叶片颜色对施氮量进行增减调节，施氮时间和施肥次数是固定的，但每次施氮量却随季节和地点变化而变化。彭少兵等研究得出，在中国试验点，与农民改良施肥实践相比，RTNM和FTNM近一步增加氮肥农学利用率，总体上来说，施氮量更加接近最优施氮量的FTNM方法比RTNM方法效果更好[13]。彭显龙等研究认为实地氮肥管理技术能够提高氮肥利用率[50]。

4 展望

过去50年里，通过施肥尤其是氮肥，在提高粮食产量方面取得长足进步，但同时我国粮食单产增加速率却在逐年降低[13]。要同时实现作物高产与氮肥高效利用，应在以下几个方面加强研究：一是明确水稻氮效率基因型差异的生态、生理及遗传机理，对现有品种进行遗传改良或是直接选育可对氮素高效吸收利用的水稻品种，挖掘水稻高效利用氮素营养的潜力；二是对传统提高氮肥利用率的方法进一步优化和组合，探究主栽品种在不同地区、不同种植方式下的最优施肥方案；三是根据“水-肥-根”耦合理论，研究不同土壤及作物的供肥及需肥规律，开发新型缓控释肥料及环境友好型控释尿素、控释复混肥及专用肥和控释胶粘复混肥等，重视发展工艺简单、能耗小、成本低、效果好的缓释肥料，在发展树脂包膜肥料的同时，还应重视发展非树脂包膜型缓释肥料；四是提高稻田氮素营养状况的诊断精度，完善氮素管理知识模型的参数化技术；五是重点剖析3S精确施肥技术机理，开发适合我国农户小规模生产的精确施肥技术，同时加快精确栽培技术与空间信息技术的融合，建立合理有效的空间分区方法及基于分区、按需投入的精确处方，实现水稻氮素管理由点到面、由田块到区域的尺度化跨越，提升精确施肥技术的空间适用性。

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Recent research of fertilizer-nitrogen use efficiency in paddy flied of China/

ZHAO Hongwei,SHA Hanjing(Rice Research Institute,Northeast Agricultural University, Harbin 150030,China)

The paper analyse the reasons for the low nitrogen use efficiency(NUE)in China were analyzed from the perspective of the rates of N fertilizer,fertilization methods,indigenous soil N supply and variety.Summed up research progress made internationally and domestically on the approaches to improving the NUE from two aspects of the traditional methods and modern technology.With the development of agricultural production practices,the traditional methods were optimized and assembled as minimizing N application rate with deep placement,split application with precise postponing nitrogen application,fertilizer with water-saving irrigation and balanced fertilization with conservation tillage. Simultaneously,four kinds of new technology such as non-destructive diagnosis,new fertilizer, computer decision support systems and site-specific nutrient management(SSNM)were presented. Future outlook in technologies related to NUE improvement was also discussed.

rice;fertilizer-nitrogen use efficiency;research progress

S154.1

A

1005-9369（2014）02-0116-07

2012-08-21

国家科技支撑项目（2011BAD16B11）；黑龙江省“十二·五”科技攻关项目（GA10B102-5）

赵宏伟（1967-），女，教授，博士，博士生导师，研究方向为水稻栽培生理。E-mail：hongweizhao@163.com

时间2014-1-17 16:36:09[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140117.1636.002.html

赵宏伟,沙汉景.我国稻田氮肥利用率的研究进展[J].东北农业大学学报,2014,45(2):116-122.

Zhao Hongwei,Sha Hanjing.Recent research on fertilizer-nitrogen use efficiency in paddy flied of China[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(2):116-122.(in Chinese with English abstract)