我國(guó)稻田氮肥利用率的研究進(jìn)展

趙宏偉，沙漢景

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所，哈爾濱 150030）

我國(guó)稻田氮肥利用率的研究進(jìn)展

趙宏偉，沙漢景

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所，哈爾濱 150030）

文章從施肥量、施肥模式、土壤氮素背景、養(yǎng)分配比以及品種角度分析我國(guó)氮肥利用率低的原因，綜述近年來(lái)提高氮肥利用率的途徑，主要包括傳統(tǒng)方法的優(yōu)化和組合方案，即氮肥減失與氮肥深施相結(jié)合、分次施肥與氮肥精確后移相結(jié)合、水肥調(diào)控與節(jié)水灌溉相結(jié)合以及平衡施肥與保護(hù)性耕作相結(jié)合；介紹提高氮肥利用率的四種新技術(shù)，即無(wú)損診斷、新型肥料、計(jì)算機(jī)決策支持系統(tǒng)和實(shí)地氮肥管理模式。并對(duì)今后提高稻田氮肥利用率進(jìn)行展望。

水稻；氮肥利用率；研究進(jìn)展

1 我國(guó)稻田氮肥投入及利用現(xiàn)狀

1.1 我國(guó)稻田氮肥投入概況

氮素是水稻生產(chǎn)中最重要的營(yíng)養(yǎng)元素，水稻高產(chǎn)與施用氮肥密切相關(guān)。據(jù)世界糧農(nóng)組織（FAO）統(tǒng)計(jì)，1961～2009年，全球氮肥用量（以N計(jì)）從11.6×106t增加到10.5×107t，增加9.1倍，而中國(guó)在同期內(nèi)氮肥用量增加67.9倍（見(jiàn)圖1）[1]。1961年，中國(guó)氮肥用量約占世界氮肥總用量的5%，這一比例在2009年上升至35%[1]，中國(guó)已成為當(dāng)前世界上最大的氮肥消費(fèi)國(guó)。據(jù)IFA估計(jì)，2006～2007年，世界水稻消耗氮肥占氮肥消耗總量的15.8%，而中國(guó)水稻消耗氮肥約5.5×106t，占世界水稻氮肥總用量36.1%[2]。1991～2010年，我國(guó)水稻收獲面積從1991年的3.3×107hm2下降到2010年的3.0×107hm2，占世界水稻收獲面積的比例從1991年的22.5%下降到2010年的19.6%，降幅2.9%；我國(guó)水稻單產(chǎn)增加幅度16.4%，比世界水稻單產(chǎn)增加幅度23.7%低7.3%；水稻總產(chǎn)從1991年的185.7×106t增加到2010年的197.2×106t，占世界水稻總產(chǎn)量的比例卻下降6.5%[1]。在水稻種植面積逐年減少的情況下，增加肥料投入，尤其是氮肥的投入成為提高水稻單產(chǎn)、增加糧食產(chǎn)量的常規(guī)途徑。據(jù)FAO統(tǒng)計(jì)，1997年中國(guó)稻田單季氮肥用量平均為145 kg· hm-2[1]。2001～2005年中國(guó)水稻氮肥用量平均為150 kg·hm-2，比世界平均氮肥用量高67%[3]。而且隨著水稻生產(chǎn)的發(fā)展，水稻本田期的施氮量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

圖11961 ～2009年中國(guó)、世界氮肥消費(fèi)量及中國(guó)占世界氮肥消費(fèi)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 我國(guó)稻田氮肥利用現(xiàn)狀

1.2.1 氮肥利用率的評(píng)價(jià)指標(biāo)

國(guó)外通用的氮肥利用率（Fertilizer N use efficiency，F(xiàn)NUE）的定量指標(biāo)有氮肥吸收利用率（Recovery efficiency或uptake efficiency，RE），氮肥生理利用率（Physiological efficiency，PE），氮肥農(nóng)學(xué)利用率（Agronomic efficiency，AE）和氮肥偏生產(chǎn)力（Partial factor productivity of applied N，PFP）。這些指標(biāo)從不同側(cè)面評(píng)價(jià)作物對(duì)氮素的利用率[4]。其中，RE反應(yīng)植株從土壤中吸收氮的能力；PE則反應(yīng)作物吸收的氮轉(zhuǎn)化為稻谷的利用效率；AE和PEP反應(yīng)施氮量與產(chǎn)量間的關(guān)系，由于受施氮量的影響較大，該指標(biāo)僅適合施氮量達(dá)到較高水平時(shí)對(duì)氮肥利用效率的比較。

1.2.2 我國(guó)稻田氮肥利用率狀況

水稻氮肥吸收利用率（RE）一般相對(duì)較低，主要是由于灌溉稻田的土壤-淹水系統(tǒng)通過(guò)氨揮發(fā)和反硝化作用能夠加快氮肥的損失。有研究認(rèn)為熱帶稻田的氮肥吸收利用率一般為30%～50%，低于世界平均水平[5]。朱兆良研究不同形態(tài)氮素的吸收利用率，結(jié)果表明中國(guó)稻田碳銨氮素吸收利用率低于30%，尿素為30%～40%[5]。張福鎖等通過(guò)分析2001～2005年全國(guó)不同地區(qū)間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出中國(guó)水稻氮肥利用率的地區(qū)間變異范圍為27.1%～35.6%，目前中國(guó)水稻的氮肥利用率僅為28.3%[3,6]，呈下降趨勢(shì)。

氮肥生理利用率的影響因子較多，如水稻品種、氣候、種植密度、水分供應(yīng)、其他營(yíng)養(yǎng)元素以及病蟲(chóng)害發(fā)生水平。一般認(rèn)為健康的水稻群體在無(wú)明顯其他限制因子的情況下，氮肥生理利用率約為50.0 kg·kg-1。當(dāng)過(guò)量施用氮肥時(shí)，由于水稻過(guò)度吸收氮肥而造成氮肥生理利用率急劇下降。張紹林等研究指出，當(dāng)?shù)咎锸┑坑?6 kg·hm-2增至230 kg·hm-2時(shí)，氮肥生理利用率由45.0 kg·kg-1下降至22.7 kg·kg-1。在水稻生長(zhǎng)后期過(guò)量施用氮肥比在水稻生長(zhǎng)前期過(guò)量施用氮肥，氮肥生理利用率降低的幅度更大[7]。Yoshida研究表明熱帶地區(qū)水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用率為15～25 kg·kg-1[8]。Cassman等報(bào)道菲律賓旱季水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用率為15～18 kg·kg-1[9]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用率1958～1963年為15～20 kg·kg-1，1981～1983年下降至9.1 kg·kg-1[10]，2001～2005年為10.4 kg·kg-1[3]。我國(guó)1995～1997年水稻PFP只有34 kg·kg-1[11]，在較好的作物管理?xiàng)l件下，氮肥偏生產(chǎn)力可超過(guò)50 kg·kg-1，如2001～2005年，我國(guó)水稻氮肥偏生產(chǎn)力為54.2 kg·kg-1[3]?！笆濉币詠?lái)，我國(guó)開(kāi)展高產(chǎn)超高產(chǎn)的攻關(guān)研究，但是高產(chǎn)試驗(yàn)中水稻氮肥偏生產(chǎn)力僅為26 kg·kg-1[6]。

2 我國(guó)稻田氮肥利用率低的原因

2.1 施肥過(guò)量

施肥過(guò)量是我國(guó)氮肥利用率低的最主要原因。據(jù)報(bào)道，在施氮量小于60 kg·hm-2時(shí)，水稻氮肥利用率為49.0%；當(dāng)?shù)视昧看笥?40 kg·hm-2時(shí)，水稻氮肥利用率降至15.0%，水稻氮肥利用率隨著施氮量的增加呈下降趨勢(shì)[3]。我國(guó)普遍施氮量在150～250 kg·hm-2，而在江蘇省某些稻田施氮量可達(dá)300 kg·hm-2[12-13]。2000～2002年我國(guó)水稻氮肥平均施用量為215 kg·hm-2[3]。2007年，我國(guó)水稻氮肥平均施用量為231 kg·hm-2[14]。在“施肥越多，產(chǎn)量越高”、“要高產(chǎn)就必須多施肥”等傳統(tǒng)觀念的影響下，稻農(nóng)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

沿用傳統(tǒng)的稻田施氮模式，如：我國(guó)雙季稻地區(qū)的“一轟頭”施肥法（全部肥料于整田時(shí)一次性施用或再少施分蘗肥）、單季稻地區(qū)的“前促施肥法”（70%～80%作基面肥，20%～30%作返青肥）、“前促、中控、后?！笔┓史ǎ?0%～80%作基蘗肥，中期不施氮，20%～30%作?；ǚ驶蛄７剩┑?，施肥與水稻對(duì)氮的生理需求以及實(shí)地土壤氮素狀況不一致，這是造成我國(guó)稻田氮肥利用率低的另一個(gè)重要原因。據(jù)Fan等報(bào)道，在我國(guó)西南稻麥輪作區(qū)，農(nóng)民通常在稻季的前10 d內(nèi)施用兩次氮肥（基肥和追肥），而在麥季氮肥作為基肥一次性施入（大于120 kg·hm-2）[15]。由于水稻生長(zhǎng)前期根系吸收能力低，地上部分的郁閉度也低，前期大量施肥往往造成氮素?fù)]發(fā)損失。彭少兵等認(rèn)為中期曬田（中控）會(huì)導(dǎo)致土壤氮素?fù)p失加劇和水稻吸氮量減少，導(dǎo)致氮肥利用率下降[16]。

2.3 氮素養(yǎng)分來(lái)源廣，土壤氮素背景過(guò)高

一般而言，土壤肥力水平狀況是決定肥料利用率的基本因素，即在土壤肥力較低水平容易獲得高的肥料利用率和農(nóng)學(xué)效率，反之，在土壤高肥力水平上較難得到高肥料利用率和農(nóng)學(xué)效率[3]。20世紀(jì)80年代至今，我國(guó)土壤養(yǎng)分由大面積缺乏向過(guò)量積累方向發(fā)展[6]，隨著施氮量的增加，我國(guó)很多地區(qū)土壤中出現(xiàn)過(guò)量的無(wú)機(jī)氮累積。張福鎖等報(bào)道大氣氮素干濕沉降以及灌溉水中氮素對(duì)作物營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)[3]。全國(guó)稻田生態(tài)系統(tǒng)7個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的測(cè)定結(jié)果表明，大氣濕沉降輸入氮量12～42 kg·hm-2，同樣灌溉水中也還有大量的氮、磷、鉀和微量元素[17]。環(huán)境中氮素進(jìn)入農(nóng)田，進(jìn)一步增加土壤氮素含量。劉立軍等研究認(rèn)為土壤氮素背景高是水稻氮肥利用率低的重要原因[18]。

2.4 養(yǎng)分配比不合理

我國(guó)稻田養(yǎng)分配比不平衡的現(xiàn)象普遍存在。通常認(rèn)為，在單施氮肥或氮肥、磷肥、鉀肥兩兩配施的情況下均不能最有效地利用養(yǎng)分資源，只有3者配施才能獲得高產(chǎn)，養(yǎng)分表觀利用率最高[19]。土壤基礎(chǔ)肥力狀況、產(chǎn)量水平和水稻類型均影響平衡養(yǎng)分配比。1995年調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)不同省份稻田N∶P2O5∶K2O變化范圍為1.6～4.9∶0.4～1.2∶1，平均施用比例為2.8∶0.8∶1，而當(dāng)?shù)赝扑]氮磷鉀適宜比例范圍為1.2～2.5∶0.3～0.6∶1，由此Jin等認(rèn)為還有很大空間進(jìn)一步改善水稻平衡施肥[20]。此外，Jin等還認(rèn)為不平衡施肥是導(dǎo)致中國(guó)水稻生產(chǎn)氮肥農(nóng)學(xué)利用率從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種

據(jù)FAO數(shù)據(jù)顯示，2010年世界水稻平均單產(chǎn)3.7 t·hm-2，我國(guó)水稻單產(chǎn)6.5 t·hm-2，是世界平均水平的1.77倍。但是我國(guó)水稻單產(chǎn)在世界上排名11位，與發(fā)達(dá)國(guó)家水稻單產(chǎn)水平有很大差距，如澳大利亞水稻單產(chǎn)10.8 t·hm-2，美國(guó)7.5 t·hm-2[1]。而在高產(chǎn)栽培試驗(yàn)中，水稻單產(chǎn)可達(dá)13 t·hm-2[3]。由此可見(jiàn)，水稻實(shí)際單產(chǎn)僅僅是高產(chǎn)潛力的一半。前文中也提到通過(guò)施肥尤其是氮肥提高水稻單產(chǎn)是較為常見(jiàn)的措施。一般來(lái)說(shuō)，在一定范圍內(nèi)施氮量增加，作物產(chǎn)量隨之增加，氮肥利用率顯著降低；降低施肥量，氮肥利用率提高，但作物產(chǎn)量不一定高。要想實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)和氮肥的高效利用，需要挖掘水稻自身對(duì)氮的吸收和利用潛力。而當(dāng)前在高供氮水平育種田育成的超級(jí)稻品種耐肥性強(qiáng)，由此造成水稻對(duì)氮肥的敏感性降低，這也是我國(guó)稻田氮肥利用率低的一個(gè)原因[16]。

3 提高我國(guó)稻田氮肥利用率的途徑

3.1 傳統(tǒng)方法的優(yōu)化和組合

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中較為普及的提高氮肥利用率方法主要有：適宜的氮肥施用量、氮肥深施及分次施肥、肥水調(diào)控技術(shù)和平衡施肥等。近年來(lái)隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，傳統(tǒng)提高氮肥利用率的方法又呈現(xiàn)出不斷優(yōu)化和組合趨勢(shì)，單一的傳統(tǒng)方法越來(lái)越難以滿足提高氮肥利用率的迫切需求。傳統(tǒng)方法的優(yōu)化和組合是從施肥的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行綜合考量，并結(jié)合生產(chǎn)中遇到的其他問(wèn)題對(duì)傳統(tǒng)方法進(jìn)行組裝和優(yōu)化。

3.1.1 氮肥減施與氮肥深施相結(jié)合

針對(duì)我國(guó)目前稻田氮肥施用量偏高的情況，在滿足高產(chǎn)高效優(yōu)質(zhì)栽培基礎(chǔ)上有必要減施氮肥，這也是保護(hù)生態(tài)環(huán)境和保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要?，F(xiàn)有研究表明，氮肥深施是各項(xiàng)提高氮肥利用率中效果最好且較穩(wěn)定的一種措施[22-23]。氮肥減施與氮肥深施相結(jié)合，從施氮量和施用技術(shù)的角度盡可能減少氮肥損失，提高氮肥利用率。

3.1.2 分次施肥與氮肥精確后移相結(jié)合

不同時(shí)期分次進(jìn)行施肥較一次性施肥能夠有效減少施肥造成的損失，提高氮肥利用率[22]。我國(guó)稻田施氮模式也經(jīng)歷從“一轟頭”施肥法和“前促施肥法”向“前促、中控、后?！焙汀胺€(wěn)頭、顧中、顧尾”施肥法的轉(zhuǎn)變，逐漸形成“前氮后移”的模式。張洪程等在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上又提出水稻氮肥精確后移技術(shù)，認(rèn)為倒四、倒三葉是早熟晚粳稻最利于高產(chǎn)高效的追肥葉齡期，氮肥精確后移模式產(chǎn)量顯著提高，氮素當(dāng)季利用率、生理利用率、施氮增產(chǎn)力以及表觀生產(chǎn)力均顯著提高，百公斤籽粒需氮量則略低，在大面積生產(chǎn)上應(yīng)用表現(xiàn)顯著增產(chǎn)增效[24]。

3.1.3 水肥調(diào)控與節(jié)水灌溉相結(jié)合

由于傳統(tǒng)的灌溉模式不僅造成水資源嚴(yán)重浪費(fèi)，而且易造成土壤滲漏、地表徑流、氮素?fù)]發(fā)等問(wèn)題，因此開(kāi)展節(jié)水灌溉下的水肥調(diào)控有節(jié)本增效作用。水和肥料是限制水稻生長(zhǎng)發(fā)育的兩個(gè)主要因子，并且耦合作用明顯。據(jù)朱兆良報(bào)道，在水稻田中基施氮肥采用“無(wú)水層混施法”，追肥采用“以水帶氮法”等節(jié)氮水肥綜合管理技術(shù)，有助于降低氨揮發(fā)和徑流損失[25]。

3.1.4 平衡施肥與保護(hù)性耕作相結(jié)合

過(guò)去對(duì)于稻田保護(hù)性耕作的研究主要集中在土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)特性、節(jié)能減排和病蟲(chóng)害生態(tài)調(diào)控等方面。近年來(lái)，關(guān)于稻田保護(hù)性耕作和氮肥利用率的研究才見(jiàn)報(bào)道。王靜等研究認(rèn)為，秸稈覆蓋和平衡施肥能有效降低徑流氮的流失量，保護(hù)性耕作（少免耕+秸稈還田+平衡施肥）能有效降低氮素徑流流失負(fù)荷，使得氮素流失潛能大大減小，可作為源頭控制稻田氮素?fù)p失的措施加以推廣[26-27]。

3.2 現(xiàn)代新技術(shù)的推廣和應(yīng)用

3.2.1 氮素的無(wú)損診斷

氮素營(yíng)養(yǎng)診斷技術(shù)的研究和應(yīng)用是合理氮素管理的前提。傳統(tǒng)的氮素營(yíng)養(yǎng)無(wú)損診斷主要有肥料窗口法和葉色卡片法，但這些方法均屬于定性或半定量的方法。隨著科技發(fā)展，氮素營(yíng)養(yǎng)診斷逐漸向精確定量方向發(fā)展，如通過(guò)葉綠素儀、圖像及機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、光譜遙感技術(shù)等診斷植株含氮情況，進(jìn)而指導(dǎo)合理施氮和氮素調(diào)控[28]。稻田氮肥無(wú)損診斷技術(shù)近年來(lái)發(fā)展較快，其中應(yīng)用最廣的應(yīng)屬葉綠素儀診斷。葉綠素儀可以在一定程度表征作物的氮素營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，但在實(shí)際應(yīng)用中往往受作物的品種、生育期、生長(zhǎng)環(huán)境的影響[29]，要精確地估測(cè)氮素營(yíng)養(yǎng)水平，還需建立校正曲線或改進(jìn)計(jì)算方法、不同學(xué)者采用校正方法不同，如利用SPAD/SLW（比葉重）[30]，相對(duì)葉色差(RSPAD)[31]等對(duì)SPAD值進(jìn)行校正。其中RSPAD模型僅與水稻亞種類型有關(guān)，可以不受具體品種和生育進(jìn)程的影響，具有較好的普適性。目前，仍需進(jìn)一步研究水稻氮素含量水平與氮素豐缺指標(biāo)間的關(guān)系，消除品種、生育階段及生態(tài)環(huán)境影響[29]。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)用于作物氮肥診斷的理論依據(jù)是作物對(duì)光的反射和吸收反映作物內(nèi)部組成物質(zhì)的特征。Casady和Singh等利用機(jī)器視覺(jué)在自然光照和水田灌水情況下采集水稻稻冠圖像，并利用灰度中值和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)進(jìn)行水稻稻冠圖像與背景的正確分割和特征抽取，并在此基礎(chǔ)上建立基于機(jī)器視覺(jué)的水稻中期氮肥管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用所測(cè)定的稻冠尺寸判斷水稻生長(zhǎng)情況，建立根據(jù)中期氮肥施用量和中期水稻生長(zhǎng)情況（稻冠尺寸和葉綠素）預(yù)測(cè)水稻產(chǎn)量的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.846。該模型為進(jìn)行水稻中期需氮情況分析和確定最佳中期施氮量提供了客觀的方法[32-33]。祝錦霞等研究認(rèn)為第3完全展開(kāi)葉可作為機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的水稻氮素診斷最佳葉位[34]。劉江桓等研究發(fā)現(xiàn)G以及G/（R+G+B）與植株全氮間有最高相關(guān)性，并以之作為參數(shù)建立水稻氮素營(yíng)養(yǎng)診斷模型[35]。目前，水稻氮素遙感監(jiān)測(cè)研究多集中在構(gòu)建地面反射光譜與氮含量的反演模型，以及反演精度研究[36-37]。而利用航片或航天衛(wèi)星圖像進(jìn)行水稻氮素監(jiān)測(cè)，由于費(fèi)用昂貴或受光譜和空間分辨率限制，在作物氮素監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用報(bào)道甚少[38]?；诠庾V信息的作物氮素營(yíng)養(yǎng)無(wú)損監(jiān)測(cè)技術(shù)，在今后的發(fā)展中需要加強(qiáng)在氮素營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)手段、建模方法創(chuàng)新、軟硬件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及與其他技術(shù)結(jié)合方面的研究[39]。

3.2.2 新型氮肥的應(yīng)用

氮肥種類也會(huì)影響水稻對(duì)氮素的利用率。目前根據(jù)脲酶抑制劑和硝化抑制劑原理制成的緩效氮肥、改性氮肥以及涂層專用肥等在生產(chǎn)應(yīng)用上取得較好的增產(chǎn)增效效果。據(jù)鄭圣先等研究，控釋氮肥氨揮發(fā)量比尿素降低54.0%，氮淋失量降低32.5%，硝化—反硝化損失量降低32.5%，水稻氮肥利用率平均為65.6%[40]。孫永紅等比較硫磺加熱固性樹(shù)脂包膜尿素與普通尿素對(duì)水稻的增產(chǎn)效應(yīng)，研究表明在低氮水平下包膜尿素處理氮素利用率為76.9%，產(chǎn)量比施用普通尿素增加22.2%，增產(chǎn)效果顯著[41]。張玉玲等研究表明施用涂層尿素可顯著抑制NH3和NOX揮發(fā)損失，可極顯著提高水稻氮肥利用率[42]。據(jù)報(bào)道，應(yīng)用表面分子膜可降低NH3揮發(fā)速率，減少氮素?fù)p失[43]。中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所發(fā)明的稻田抑氨膜，應(yīng)用該膜可顯著減少稻田中氨揮發(fā)損失，減少水分蒸發(fā)，此外還有節(jié)氮增效作用[44]。

3.2.3 計(jì)算機(jī)決策支持系統(tǒng)

當(dāng)前應(yīng)用于指導(dǎo)稻田施肥的計(jì)算機(jī)決策支持系統(tǒng)主要有水稻管理系統(tǒng)（MANAGE RICE）、氮素管理模型（MANAGE-N）和養(yǎng)分決策支持系統(tǒng)（Nutrient decision support system，NuDSS）。除上述模型外，作物-環(huán)境資源綜合系統(tǒng)模型CERES（Crop environment resource synthesis）、DSSAT（Decision support system for agrotechnology transfer）模型、作物氮模型—作物對(duì)施氮反應(yīng)模擬模型SMCR-N（Simulation model for crop response to nitrogen fertilizer）等均能模擬土壤氮素平衡情況。

由澳大利亞科學(xué)家Angus等開(kāi)發(fā)的水稻管理系統(tǒng)（MANAGE RICE），不僅可以模擬不同施氮量情況下水稻生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程和最終產(chǎn)量，并且能夠根據(jù)最新的稻谷價(jià)格和氮肥價(jià)格，提供最佳氮肥管理決策方案，用于指導(dǎo)施肥[45]。荷蘭科學(xué)家Ten Berge等為灌溉稻田最佳氮素管理建立由水稻生長(zhǎng)模擬模型（ORYZA-O）和優(yōu)化程序兩部分組成的氮素管理決策支持系統(tǒng)（MANAGE-N）。其中ORYZA-O模擬作物的吸氮量、氮素分配和作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量；優(yōu)化程序模擬則通過(guò)改變施肥時(shí)間推導(dǎo)出最大模擬產(chǎn)量[46]。養(yǎng)分決策支持系統(tǒng)是以QUEFTS模型和實(shí)地養(yǎng)分管理技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的[47]，可以幫助用戶估計(jì)一定目標(biāo)產(chǎn)量下的N、P、K用量，選擇最合理的肥料組合等[48]。據(jù)報(bào)道，MANAGE-N推薦施肥方案可增產(chǎn)5%～10%，氮肥農(nóng)學(xué)利用率可增加20%～50%[49]。國(guó)內(nèi)研制的基于模擬模型的水稻管理決策支持系統(tǒng)有水稻栽培優(yōu)化決策系統(tǒng)RCSOD和雙季稻生產(chǎn)管理決策系統(tǒng)RICOS，稻麥輪作生產(chǎn)管理決策支持系統(tǒng)，基于知識(shí)模型的水稻管理決策支持系統(tǒng)KMDSSRM，網(wǎng)絡(luò)化作物管理決策支持系統(tǒng)、基于WebGIS農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間信息管理及決策系統(tǒng)等。部分決策系統(tǒng)在指導(dǎo)水稻生產(chǎn)上起到增產(chǎn)增效的作用，但是應(yīng)用決策支持系統(tǒng)提高氮肥利用率的報(bào)道較少。

3.2.4 實(shí)地施肥管理模式

國(guó)際水稻所（IRRI）最早提出水稻實(shí)地氮素管理模式。該模式包括實(shí)時(shí)氮素管理方法（Real-time N management，RTNM）和固定分期調(diào)控氮素管理方法（Fixed-time adjustable-dose N management, FTNM）[12]。兩種氮素管理方法均是以比色卡或葉綠素測(cè)定儀（SPAD）對(duì)葉片含氮量進(jìn)行估計(jì)。實(shí)時(shí)氮素管理方法中，農(nóng)民周期性（如每周）監(jiān)測(cè)水稻葉片顏色，只有當(dāng)葉片顏色超過(guò)某個(gè)臨界閾值的黃綠色時(shí)才進(jìn)行施肥，施氮時(shí)間根據(jù)季節(jié)和地點(diǎn)變化而變化，但每次施氮量不變；固定分期調(diào)控氮素管理方法中，農(nóng)民在水稻生長(zhǎng)的幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)期根據(jù)葉片顏色對(duì)施氮量進(jìn)行增減調(diào)節(jié)，施氮時(shí)間和施肥次數(shù)是固定的，但每次施氮量卻隨季節(jié)和地點(diǎn)變化而變化。彭少兵等研究得出，在中國(guó)試驗(yàn)點(diǎn)，與農(nóng)民改良施肥實(shí)踐相比，RTNM和FTNM近一步增加氮肥農(nóng)學(xué)利用率，總體上來(lái)說(shuō)，施氮量更加接近最優(yōu)施氮量的FTNM方法比RTNM方法效果更好[13]。彭顯龍等研究認(rèn)為實(shí)地氮肥管理技術(shù)能夠提高氮肥利用率[50]。

4 展望

過(guò)去50年里，通過(guò)施肥尤其是氮肥，在提高糧食產(chǎn)量方面取得長(zhǎng)足進(jìn)步，但同時(shí)我國(guó)糧食單產(chǎn)增加速率卻在逐年降低[13]。要同時(shí)實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)與氮肥高效利用，應(yīng)在以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究：一是明確水稻氮效率基因型差異的生態(tài)、生理及遺傳機(jī)理，對(duì)現(xiàn)有品種進(jìn)行遺傳改良或是直接選育可對(duì)氮素高效吸收利用的水稻品種，挖掘水稻高效利用氮素營(yíng)養(yǎng)的潛力；二是對(duì)傳統(tǒng)提高氮肥利用率的方法進(jìn)一步優(yōu)化和組合，探究主栽品種在不同地區(qū)、不同種植方式下的最優(yōu)施肥方案；三是根據(jù)“水-肥-根”耦合理論，研究不同土壤及作物的供肥及需肥規(guī)律，開(kāi)發(fā)新型緩控釋肥料及環(huán)境友好型控釋尿素、控釋復(fù)混肥及專用肥和控釋膠粘復(fù)混肥等，重視發(fā)展工藝簡(jiǎn)單、能耗小、成本低、效果好的緩釋肥料，在發(fā)展樹(shù)脂包膜肥料的同時(shí)，還應(yīng)重視發(fā)展非樹(shù)脂包膜型緩釋肥料；四是提高稻田氮素營(yíng)養(yǎng)狀況的診斷精度，完善氮素管理知識(shí)模型的參數(shù)化技術(shù)；五是重點(diǎn)剖析3S精確施肥技術(shù)機(jī)理，開(kāi)發(fā)適合我國(guó)農(nóng)戶小規(guī)模生產(chǎn)的精確施肥技術(shù)，同時(shí)加快精確栽培技術(shù)與空間信息技術(shù)的融合，建立合理有效的空間分區(qū)方法及基于分區(qū)、按需投入的精確處方，實(shí)現(xiàn)水稻氮素管理由點(diǎn)到面、由田塊到區(qū)域的尺度化跨越，提升精確施肥技術(shù)的空間適用性。

[1]FAO.Statistical databases[EB/OL],2012-08-21.http://faostat. fao.org/site/575/default.aspx#ancor.

[2]Heffer P.Assessment of fertilizer use by crop at the global level 2006/07-2007/08[C].International Fertilizer Industry Association,2009.

[3]張福鎖,王激清,張衛(wèi)峰,等.中國(guó)主要糧食作物肥料利用率現(xiàn)狀與提高途徑[J].土壤學(xué)報(bào),2008,45(5):915-924.

[4]李敏,張洪程,李國(guó)業(yè),等.水稻氮效率基因型差異及其機(jī)理研究進(jìn)展[J].核農(nóng)學(xué)報(bào),2011,25(5):1057-1063.

[5]朱兆良.中國(guó)土壤氮素肥力與農(nóng)業(yè)中的氮素管理[M]//沈善敏.中國(guó)土壤肥力.北京:科學(xué)出版社,1999:160-211.

[6]張福鎖,崔振嶺,王激清,等.中國(guó)土壤和植物養(yǎng)分管理現(xiàn)狀與改進(jìn)策略[J].植物學(xué)通報(bào),2007,24:687-694.

[7]張紹林,朱兆良,徐銀華,等.關(guān)于太湖地區(qū)稻麥上氮肥的適宜用量[J].土壤,1988,20:5-9.

[8]Yoshida S.Fundamentals of rice crop science[D].Philippines: International Rice Research Institute,1981:135-146.

[9]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 Res,1996,47(1): 1-12.

[10]劉立軍,楊立年,孫小淋,等.水稻實(shí)地氮肥管理的利用效率及其生理原因[J].作物學(xué)報(bào),2009,35(9):1672-1680．

[11]劉立軍.水稻氮肥利用效率及其調(diào)控途徑[D].揚(yáng)州:揚(yáng)州大學(xué), 2005.

[12]Peng S B,Buresh R J,Huang J L,et al.Strategies for overcoming low agronomic nitrogen use efficiency in irrigated rice systems in China[J].Field Crops Res,2006,96(1):37-47.

[13]Fan M S,Shen J B,Yuan L X,et al.Improving crop productivity andresourceuseefficiencytoensurefoodsecurityand environmental quality in China[J].J Exp Botany,2011,63(1): 13-24.

[14]李紅莉,張衛(wèi)峰,張福鎖,等.中國(guó)主要糧食作物化肥施用量與效率變化分析[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2010,16(5):1136-1143.

[15]Fan M S,Lu S H,Jiang R F,et al.Nitrogen input15N balance and mineral N dynamics in a rice-wheat rotation in southwest China [J].Nutr Cycling Agroeco,2007,79(3):255-265.

[16]彭少兵,黃見(jiàn)良,鐘旭華,等.提高中國(guó)稻田氮肥利用率的研究策略[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2002,35(9):1095-1103.

[17]劉宏斌,李志宏,張?jiān)瀑F,等.北京市農(nóng)田土壤硝態(tài)氮的分布與累積特征[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2004,37:692-698.

[18]劉立軍,徐偉,唐成,等.土壤背景氮供應(yīng)對(duì)水稻產(chǎn)量和氮肥利用率的影響[J].中國(guó)水稻科學(xué),2005,19(4):343-349.

[19]湯雷雷,萬(wàn)開(kāi)元,李祖章,等.施氮模式對(duì)雙季稻產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收及經(jīng)濟(jì)效益的影響[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2011,17(2):259-268.

[20]Jin J Y,Wu R G,Liu R L.Rice production and fertilization in China[J].Better Crops Int,2002,16:26-29．

[21]Jin J Y,Lin B，Zhang W L.Improving nutrient management for sustainable development of agriculture in China[C]//Smaling E M A,Oenema Q,Fresco L Q.Nutrient disequilibria in agroecosystems.CAB International,1999:157-174.

[22]巨曉棠,張福鎖.關(guān)于氮肥利用率的思考[J].生態(tài)環(huán)境,2003,12 (2):192-197.

[23]閆湘,金繼運(yùn),何萍,等.提高肥料利用率技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,41(2):450-459.

[24]張洪程,吳桂成,戴其根,等.水稻氮肥精確后移及其機(jī)制[J].作物學(xué)報(bào),2011,37(10):1837-1851.

[25]朱兆良.農(nóng)田中氮肥的損失與對(duì)策[J].土壤與環(huán)境,2000,9(1): 1-6.

[26]王靜,郭熙盛,王允青,等.保護(hù)性耕作與平衡施肥對(duì)巢湖流域稻田氮素徑流損失及水稻產(chǎn)量的影響研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2010,29(6):1164-1171.

[27]王靜,郭熙盛,王允青.秸稈覆蓋與平衡施肥對(duì)巢湖流域農(nóng)田氮素流失的影響研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2011,42(2):331-335.

[18]馮偉,王永華,謝迎新,等.作物氮素診斷技術(shù)的研究綜述[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2008,24(11):179-185.

[29]李剛?cè)A,丁艷鋒,薛利紅,等.利用葉綠素計(jì)（SPAD-502）診斷水稻氮素營(yíng)養(yǎng)和推薦追肥的研究進(jìn)展[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2005,11(3):412-416．

[30]Peng S,Laza M R C,Garcia F V,et al.Chlorophyll meter estimates leaf area-based nitrogen concentration of rice[J].Commun Soil Sci Plant Anal,1995,26(5-6):927-935.

[31]Wang S H,Zhu Y,Jiang H D,et al.Positional differences in nitrogen and sugar concentrations of upper leaves relate to plant N status in rice under different N rates[J].Field Crops Research, 2006,96(2-3):224-234

[32]Casady W W,Singh N,Costello T A.Machine vision for measurement of rice canopy dimensions[J].Trans of the ASAE, 1996,39(5):1891-1898.

[33]Singh N,Casady W W,Costello T A.Machine vision based nitrogen management models for rice[J].Transaction of the ASAE, 1996,39(5):1899-1904.

[34]祝錦霞,鄧勁松,林芬芳,等.水稻氮素機(jī)器視覺(jué)診斷最佳葉位和位點(diǎn)的選擇研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010,41(4):179-183.

[35]劉江桓.基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的水稻營(yíng)養(yǎng)快速診斷研究[D].南昌:江西農(nóng)業(yè)大學(xué),2011．

[36]劉偉東,項(xiàng)月琴,鄭蘭芬,等.高光譜數(shù)據(jù)與水稻葉面積指數(shù)及葉綠素密度的相關(guān)分析[J].遙感學(xué)報(bào),2000,4(4):279-283．

[37]張浩,姚旭國(guó),張小斌,等.基于多光譜圖像的水稻葉片葉綠素和籽粒氮素含量檢測(cè)研究[J].中國(guó)水稻科學(xué),2008,22(5): 555-558.

[38]張浩,姚旭國(guó),張小斌,等.區(qū)域水稻穗期葉片氮素的遙感估測(cè)初探[J].核農(nóng)學(xué)報(bào),2009,23(3):364-368．

[39]田永超,朱艷,姚霞,等.基于光譜信息的作物氮素營(yíng)養(yǎng)無(wú)損監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].生態(tài)學(xué)雜志,2007,26(9):1454-1463.

[40]鄭圣先,劉德林,聶軍,等.控釋氮肥在淹水稻田土壤上的去向及利用率[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2004,10(2):137-142.

[41]孫永紅,范曉暉,高豫汝,等.包膜尿素對(duì)水稻的增產(chǎn)效應(yīng)及提高氮素利用率的研究[J].土壤,2007,39(4):590-597.

[42]張玉玲,張玉龍,虞娜,等.施用涂層尿素對(duì)水田土壤氮去向及其利用率的影響[J].土壤通報(bào),2006,37(6):1110-1113.

[43]Yin B,Shen R F,Zhu Z L.Use of new water soluble surface film-forming material to reduce ammonia loss nom water solution [J].Pedosphere,1996,6(4):329-334.

[44]何文壽,孫權(quán),尹斌.寧夏水稻田噴施液態(tài)分子膜及節(jié)肥節(jié)水技術(shù)試驗(yàn)研究[C]//氮素循環(huán)與農(nóng)業(yè)和環(huán)境學(xué)術(shù)研討會(huì)論文（摘要）集,2001．

[45]Angus J F,Williams R L,Durkin C O.Manage rice:Decision support for tactical crop management[C]//Ishii R,Horie T.Crop research in Asia:Achievements and perspective,Proceedings of the 2nd Asian Crop Science Conference,1996:274-279.

[46]Ten Berge H F M,Thiyagarajan T M,Drenth D P,et al.Numerical optimization of nitrogen application to rice.Part I.Description of MANAGE-N[J].Field Crops Research,1997,51(1):29-42.

[47]Witt C,Fairhurst T H,Sheehy J E,et al.A nutrient decision support system(NuDSS)for irrigated rice[C].Philippines,PPI/PPIC and IPI,Singapore,and IRRI,Los Ba?os,2005.

[48]謝文霞,徐紹輝,王光火.浙江水稻氮肥優(yōu)化的決策支持系統(tǒng)ONI[J].土壤,2009,41(5):812-820.

[49]Ten Berge H F M,Shi Q,Zheng Z,et al.Numerical optimization of nitrogen application to rice.Part II.Field evaluations[J].Field Crops Research,1997,51(1):43-54.

[50]彭顯龍,劉元英,羅盛國(guó),等.實(shí)地氮肥管理對(duì)寒地水稻干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2006,39(11):2286-2293.

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

國(guó)家科技支撐項(xiàng)目（2011BAD16B11）；黑龍江省“十二·五”科技攻關(guān)項(xiàng)目（GA10B102-5）

趙宏偉（1967-），女，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樗驹耘嗌?。E-mail：hongweizhao@163.com

時(shí)間2014-1-17 16:36:09[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140117.1636.002.html

趙宏偉,沙漢景.我國(guó)稻田氮肥利用率的研究進(jìn)展[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),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)