氮肥用量和運(yùn)籌對我國水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子影響的整合分析

肖大康 胡仁 韓天富 張衛(wèi)峰 侯俊,* 任科宇,*

氮肥用量和運(yùn)籌對我國水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子影響的整合分析

肖大康1胡仁1韓天富2張衛(wèi)峰3侯俊1,*任科宇2,*

(1長江大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心，湖北 荊州 434025；2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國家工程實驗室，北京 100081；3中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100193;*通信聯(lián)系人, email:houjungoodluck1@163.com；1173557108@qq.com)

【目的】合理的氮肥用量和運(yùn)籌能夠有效提高水稻產(chǎn)量和氮肥利用率。明確氮肥用量和運(yùn)籌對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響可為水稻高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)?！痉椒ā炕?19篇已發(fā)表的有關(guān)稻田氮肥管理的論文，采用整合分析(Meta-analysis)的方法量化了不同施氮量、基肥+分蘗肥、穗肥、種植區(qū)域和土壤性質(zhì)等條件下氮肥管理對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響，并探究了我國各水稻主產(chǎn)區(qū)提高產(chǎn)量構(gòu)成因子以獲得高產(chǎn)的適宜措施?！窘Y(jié)果】與不施氮肥相比，施用氮肥能夠顯著提高水稻實際產(chǎn)量(+42.2%)和理論產(chǎn)量(+43.1%)，有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)分別增加了33.2%和13.5%，而結(jié)實率和千粒重分別下降了4.2%和1.6%。在不同施氮量和氮肥運(yùn)籌下，水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子存在顯著差異。水稻實際和理論產(chǎn)量在施氮量為150～200 kg/hm2時增幅最大，有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)在施氮量為250～300 kg/hm2時增幅最大。另外，隨著施氮量的增加，水稻的結(jié)實率和千粒重顯著下降?；?分蘗肥的氮比例(基肥+分蘗肥占總施氮量的比例)為30%～50%和穗肥氮比例為10%～30%時，水稻增產(chǎn)幅度最大；基肥+分蘗肥氮比例(≤70%)增加，水稻有效穗數(shù)的提升幅度呈上升趨勢，而每穗粒數(shù)和結(jié)實率的提升幅度呈下降趨勢；穗肥氮比例(穗肥占總施氮量的比例)增加(≤30%)，每穗粒數(shù)和結(jié)實率的提升幅度呈上升趨勢。對于不同稻區(qū)而言，水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的提升幅度存在顯著差異，主要表現(xiàn)為東北單季稻區(qū)產(chǎn)量增幅最大，長江流域單雙季稻區(qū)次之，南方單雙季稻區(qū)和云貴川湘高原單季稻區(qū)最小。所有稻區(qū)均通過增加有效穗數(shù)和穗粒數(shù)以獲得高產(chǎn)。水稻實際和理論產(chǎn)量的增幅受SOM(土壤有機(jī)質(zhì))影響較小，各SOM水平間的增幅差異不超過4.39%和2.26%，而受土壤TN(總氮)、AN(有效氮)、AP(有效磷)、AK(速效鉀)的含量變化影響較大，但亞組間沒有顯著差異?！窘Y(jié)論】我國水稻的推薦施氮量不宜超過250 kg/hm2，推薦基肥+分蘗肥比例不要超過總施氮量的70%，穗肥比例10%～30%時更有利于水稻增產(chǎn)。在保證水稻有效穗數(shù)和穗粒數(shù)前提下，提高結(jié)實率是所有稻區(qū)未來增產(chǎn)的關(guān)鍵，需通過化學(xué)調(diào)控、適宜的栽培密度和優(yōu)良品種等綜合管理措施來實現(xiàn)。

氮肥管理；水稻；產(chǎn)量；產(chǎn)量構(gòu)成因子；整合分析

我國是全球水稻總產(chǎn)量最高的國家，占全球水稻總產(chǎn)量的30%[1]。隨著人口增長，水稻產(chǎn)量需求仍在增大，而施用氮肥是提高水稻產(chǎn)量的重要途徑。隨著水稻高產(chǎn)品種培育和推廣，水稻氮肥需求也在增加，目前增施氮肥成為增加產(chǎn)量的主要途徑之一。然而，過量氮肥施用降低了水稻抗倒性，增加了稻田病蟲害風(fēng)險，導(dǎo)致水稻減產(chǎn)，同時還加劇了農(nóng)業(yè)面源污染[3]。因此，實施合理的氮肥管理措施對水稻增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。大量研究表明，在稻田系統(tǒng)中施氮量、施氮時期和施氮比例等均能顯著影響水稻產(chǎn)量[4]。呂小紅等[6]發(fā)現(xiàn)氮肥施用量增加到375 kg/hm2時能夠獲得更高的產(chǎn)量；王琳等[7]研究發(fā)現(xiàn)不同的水稻品種獲得最高產(chǎn)量時其最佳施氮量不同，例如岡優(yōu)188與陽鑫優(yōu)1號的最佳施氮量分別為105 kg/hm2和195 kg/hm2。還有研究表明，水稻的施氮量與追肥比例和施肥次數(shù)有關(guān)，通過優(yōu)化氮運(yùn)籌和減少氮肥投入同時增加追肥次數(shù)，均可增加穗粒數(shù)進(jìn)而顯著增加水稻產(chǎn)量[8]。因此，探究最佳施氮量和追肥比例對水稻增產(chǎn)具有重要意義。

有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重是水稻產(chǎn)量的重要構(gòu)成因子。陳桂芬等[9]研究發(fā)現(xiàn)，施氮量對水稻穗粒數(shù)及千粒重?zé)o顯著影響，但也有研究指出隨著施氮量的增加，水稻的有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒重顯著增加，結(jié)實率顯著降低[10]。水稻的總穎花量和每穗粒數(shù)對氮肥響應(yīng)變幅較大，而結(jié)實率和千粒重變化幅度較小[11]。由于水稻不同生育期的需肥量不同，氮肥基追比例也會影響水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子的形成，其中基肥和穗肥分別調(diào)控水稻生育前、后期的植株生長，是最重要的兩個施肥時期，對產(chǎn)量的形成具有重要影響[12]。在基肥施氮量和穗肥施氮量相同的處理下，基肥用量可以調(diào)控水稻的前期分蘗速度[13]；而等氮條件下穗肥用量可以調(diào)控穎花數(shù)[14]。此外，氮肥管理對產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響也會受到種植區(qū)域和土壤肥力的影響，我們需要根據(jù)區(qū)域特征及肥力針對性調(diào)控產(chǎn)量因子來實現(xiàn)增產(chǎn)。目前，氮肥管理對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的研究多是基于一個或幾個特定試驗點(diǎn)展開的，其結(jié)果會受該區(qū)域特征和土壤條件的影響。

為了全面認(rèn)識氮肥管理對產(chǎn)量及構(gòu)成因子的影響，需收集全國范圍內(nèi)獨(dú)立試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，在全國尺度上定量氮肥管理對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響來明確水稻產(chǎn)量增產(chǎn)的原因和機(jī)制，為水稻精準(zhǔn)氮管理提供新思路。

本研究通過收集已發(fā)表的有關(guān)水稻氮肥管理的文獻(xiàn)，采用整合分析(Meta-analysis)方法，定量分析不同施氮量、基肥+分蘗肥、種植區(qū)域和土壤肥力等條件下氮肥管理對水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因子的影響，從水稻產(chǎn)量因子的視角解析增產(chǎn)機(jī)制，為我國水稻綠色生產(chǎn)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

利用中國知網(wǎng)(CNKI)和Web of Science兩個數(shù)據(jù)庫，分別選擇“氮運(yùn)籌、施氮量和水稻產(chǎn)量”和“N application, N rate, rice yield”等為關(guān)鍵詞對2000年至2021年發(fā)表的關(guān)于中國水稻施氮量、產(chǎn)量的國內(nèi)外期刊及學(xué)位論文(重復(fù)出現(xiàn)取其一)進(jìn)行檢索，并根據(jù)以下條件對文獻(xiàn)進(jìn)行篩選：1）以水稻(包括單季稻和雙季稻，再生稻不考慮)為研究對象的大田試驗，且有明確的時間和地點(diǎn)信息；2）試驗必須包含不施氮肥和施氮肥處理，且每一個處理重復(fù)至少3次；3）試驗數(shù)據(jù)需至少包含水稻理論或?qū)嶋H產(chǎn)量；4）需詳細(xì)記錄試驗前土壤的化學(xué)性質(zhì)(至少包含土壤全氮含量、有機(jī)質(zhì)含量、速效氮含量、速效磷含量和速效鉀含量)和施氮量信息。氮肥指常規(guī)氮肥，緩/控釋肥等增效氮肥產(chǎn)品不統(tǒng)計。根據(jù)以上條件共獲取119篇文獻(xiàn)，對于每個選定的研究，直接從表格和文本中收集原始數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)為圖形，則使用Get Data Graph Digitizer 2.26軟件(Get Data Pty Ltd, Kogarah NSW 2210, Australia)提取。

文獻(xiàn)中的水稻實際產(chǎn)量、理論產(chǎn)量、有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實率、千粒重為響應(yīng)變量，水稻施氮量、基肥+分蘗肥比例、穗肥比例、種植區(qū)域和土壤養(yǎng)分指標(biāo)為解釋變量。其中，種植區(qū)域參照武良的研究[15]劃分，土壤養(yǎng)分指標(biāo)劃分以第二次土壤普查為準(zhǔn)[16]，具體分如表1所示。

1.2 數(shù)據(jù)計算與分析

整合分析(Meta-analysis)方法可對多個相互獨(dú)立的研究結(jié)果進(jìn)行定量綜合評價[17]。本研究采用 Meta Win 2.1 軟件進(jìn)行整合分析。為了描述施氮對水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因子的影響，用自然對數(shù)響應(yīng)比ln來表示[18]：

ln=ln (a/b)；

公式中的a和b分別是施氮和不施氮處理對應(yīng)的水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因子的平均值。在分組計算合并效應(yīng)時，需對獨(dú)立的響應(yīng)比進(jìn)行加權(quán)處理，公式如下[19]：

=1/2)

1.3 數(shù)據(jù)與分析

采用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，MetaWin 2.1軟件進(jìn)行Meta統(tǒng)計分析，運(yùn)用SPSS單因素分析中的Duncan法進(jìn)行顯著性分析，采用 Sigmaplot 10.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因子的描述性分析

如圖1所示，樣本范圍內(nèi)在不施氮肥處理下，我國水稻的平均實際產(chǎn)量、理論產(chǎn)量、有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實率、千粒重分別為6389.4 kg/hm2、6606.1 kg/hm2、227×104穗/hm2、140粒/穗、87.3%、27.6 g；施用氮肥后可分別達(dá)到9085.2 kg/hm2、10007 kg/hm2、301×104穗/hm2、158粒/穗、84.1%、26.2 g。Meta分析結(jié)果表明，與不施氮肥相比，施用氮肥顯著提高了水稻的實際產(chǎn)量(提升幅度42.2%)和理論產(chǎn)量(提升幅度43.1%)，水稻的有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)分別顯著增加33.2%和13.5%，而結(jié)實率和千粒重則分別顯著下降4.2%和1.6%。

表1 氮肥管理對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子效應(yīng)數(shù)據(jù)庫解釋變量的分組

括號內(nèi)為樣本數(shù)；虛線為輔助線。

Fig. 1. Effects of nitrogen application on rice yield and yield components.

2.2 施氮量對水稻產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

與不施氮肥處理相比，不同施氮量下水稻的產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的提升幅度存在差異(圖2)。隨施氮量的增加，水稻實際產(chǎn)量和理論產(chǎn)量的提升幅度變化趨勢為先增加后降低或平穩(wěn)，均在施氮量150～200 kg/hm2時增幅達(dá)到最大，分別為47.4%(圖2-A)和49.6%(圖2-B)。隨著施氮量的增加(≤200 kg/hm2)，水稻有效穗數(shù)提升幅度增加，超過200 kg/hm2，沒有顯著性提升。每穗粒數(shù)在施氮量超過300 kg/hm2后增幅顯著下降，結(jié)實率和千粒重的增幅分別在施氮量超過100 kg/hm2和150 kg/hm2后顯著下降。

n為樣本數(shù)；虛線為輔助線。

Fig. 2. Increase range of actual yield (A), theoretical yield (B), number of effective panicles (C), number of grains per panicle (D), seed setting rate (E) and thousand grain weight (F) of rice under various nitrogen levels.

n為樣本數(shù)；虛線為輔助線。

Fig. 3. Increase range of actual yield (A), theoretical yield (B), number of effective panicles (C), number of grains per panicle (D), seed setting rate (E) and 1000-grain weight (F) of rice under different basal+tillering fertilizer ratios.

2.3 氮運(yùn)籌對水稻產(chǎn)量和構(gòu)成因子的影響

2.3.1 基肥＋分蘗肥比例對水稻產(chǎn)量和構(gòu)成因子的影響

不同的基肥+分蘗肥比例顯著影響水稻的產(chǎn)量及其構(gòu)成因子(圖3)?；?分蘗肥比例超過70%顯著降低了水稻實際和理論產(chǎn)量的提升幅度(圖3-A～B)。隨著基肥+蘗肥比例提高，水稻有效穗數(shù)提升幅度變化趨勢先增加后降低，基肥+分蘗肥比例在30%～70%時增幅達(dá)到最大(34.3%～37.3%)(圖3-C)。水稻每穗粒數(shù)提升幅度變化趨勢隨基肥+分蘗肥比例增加降低，基肥+分蘗肥比例在不超過30%時增幅達(dá)到最大(15.7%)，整體變化趨勢未達(dá)顯著差異(圖3-D)。在不同基肥+蘗肥比例水平下，水稻結(jié)實率和千粒重均降低，增幅均小于0%(圖3-E～F)。

n為樣本數(shù)。

Fig. 4. Increase range of actual yield (A), theoretical yield (B), number of effective panicles (C), number of grains per panicle (D), seed setting rate (E) and 1000 grain weight (F) of rice under different ratios of topdressing for panicle initiation.

2.3.2 穗肥比例對水稻產(chǎn)量和構(gòu)成因子的影響

不同穗肥施用比例下水稻實際和理論產(chǎn)量的變化趨勢一致，兩者的增幅均在穗肥比例為10%～30%時最大，分別為45.9%和45.2%(圖4)。隨著穗肥施用比例的增加，水稻的有效穗數(shù)、結(jié)實率和千粒重的提升幅度均表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢，均在穗肥比例為10%～30%時提升幅度最大(圖4-C,D,F)；水稻結(jié)實率的提升幅度則表現(xiàn)為先降低后增加，穗肥比例在30%～50%時提升幅度最大，為?1.2%(圖4-E)。

2.4 不同水稻種植區(qū)域下氮肥管理對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

與不施氮肥處理相比，各稻區(qū)施氮處理對水稻的產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響存在顯著差異(圖5)。東北單季稻區(qū)水稻實際產(chǎn)量和理論產(chǎn)量增幅分別為52.4%和65.8%，顯著高于其他稻區(qū)(圖5-A,B)。東北單季稻區(qū)的有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)增幅也顯著高于其他稻區(qū)，其中南方單雙季稻區(qū)和云貴川湘山地高原單季稻區(qū)有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)增幅最低，分別為20.3%～23.0%和9.8%～11.2%(圖5-C,D)。長江流域單雙季稻區(qū)、云貴川湘山地高原單季稻和東北單季稻區(qū)的水稻結(jié)實率分別顯著降低4.6%、4.1%和1.6%，且云貴川湘山地高原單季稻的千粒重顯著提高0.5%，但長江流域單雙季稻區(qū)和東北單季稻區(qū)的水稻千粒重分別顯著降低了2.1%和2.0%。氮肥管理對南方單雙季稻區(qū)水稻的結(jié)實率和和千粒重均無顯著影響。

2.5 土壤肥力對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子增幅的影響

如表4所示，與不施氮肥處理相比，施用氮肥對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響在不同壤養(yǎng)分含量下存在差異。有效穗數(shù)主要受到土壤全氮(TN)、土壤有效氮(AN)含量的影響，TN≤1 g/kg、AN≤90 mg/kg時，有效穗數(shù)增幅顯著。每穗粒數(shù)在有機(jī)質(zhì)(SOM, 10-20 g/kg)、AN(90-150 mg/kg)和AK(80-160 mg/kg)中水平下提升幅度最大。結(jié)實率和千粒重受土壤肥力的影響較小，各土壤因子不同含量水平下均無顯著差異。水稻實際產(chǎn)量在TN≤1 g/kg、AN≤90 mg/kg和AP＞10 mg/kg時，實際產(chǎn)量增幅顯著。理論產(chǎn)量在AK≤160 mg/kg水平下提升幅度顯著。水稻實際和理論產(chǎn)量的增幅受SOM影響較小，各SOM水平間的增幅差異不超過4.39%和2.26%，而受土壤TN、AN、AP、AK的含量影響較大，但亞組間沒有顯著性。

YRR－長江流域單雙季稻區(qū); SR－南方單雙季稻區(qū); YSSR－云貴川湘山地高原單季稻區(qū); NER－東北單季稻區(qū)。

Fig. 5. Increase range of actual yield, theoretical yield, effective panicles (A), grains per panicle (B), seed setting rate (C) and 1000 grain weight (D) of rice in different rice areas.

2.6 施氮量和氮運(yùn)籌對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的相關(guān)性分析

如圖6所示，施氮量、基肥比例、穗肥比例與水稻理論和實際產(chǎn)量均呈極顯著相關(guān)(<0.01)。從構(gòu)成因子角度分析，三者與水稻有效穗數(shù)的相關(guān)性高于每穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重。穗肥比例與水稻的有效穗數(shù)和結(jié)實率極顯著正相關(guān)(<0.01)，與每穗粒數(shù)和千粒重相關(guān)不顯著。產(chǎn)施氮量和基肥比例均與結(jié)實率顯著負(fù)相關(guān)，2分別為?0.051(<0.05)和?0.198(<0.01)。施氮量、基肥比例、穗肥比例與千粒重均相關(guān)性不顯著(>0.05)。

圖6 施氮量和氮運(yùn)籌對水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因子的相關(guān)性分析

Fig. 6. Correlation analysis of nitrogen application and nitrogen operation on rice yield and component factors.

圖7 氮水平對水稻實際產(chǎn)量（A）、理論產(chǎn)量（B）和構(gòu)成因子（C）的影響

Fig. 7. Effect of nitrogen level on actual yield (A), theoretical yield (B) and yield component factors (C) of rice.

表4 不同土壤全氮和速效氮含量下水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因子的增幅

為樣本數(shù); Bootstrap CI為置信區(qū)間。is the number of samples；Bootstrap CI is the confidence interval.

2.7 氮肥管理對水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因子增幅的關(guān)系

如圖7-A和7-B所示，水稻的實際產(chǎn)量和理論產(chǎn)量增量隨施氮量增加先升高后下降，通過水稻實際和理論產(chǎn)量增量與施氮量的擬合方程，施氮280.1和283.7 kg/hm2，實際和理論產(chǎn)量分別增加3013.5和3296.6 kg/hm2。水稻有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)增幅與施氮量為開口向下的二次函數(shù)關(guān)系，施氮310 kg/hm2和211 kg/hm2兩者增幅最大分別為42.4%、18.7%。水稻結(jié)實率和千粒重增幅隨施氮量升高趨向于下降。綜合計算水稻的有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實、和千粒重提升幅度的擬合方程，施氮量在274 kg/hm2綜合增幅最大為49.5%(圖7-C)。

3 討論

3.1 氮肥用量和運(yùn)籌對水稻產(chǎn)量的影響

施用氮肥是提高水稻產(chǎn)量最有效的方法之一[24]。本研究通過整合施氮與水稻產(chǎn)量的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在150～200 kg/hm2水稻實際和理論產(chǎn)量增幅最大，超過該施氮量水稻產(chǎn)量增幅不顯著，實際和理論水稻產(chǎn)量分別在施氮量超過350、300 kg/hm2增幅顯著降低(圖2-A, B)。與武良[15]和胡群等[25]研究結(jié)果相似，前者對我國水稻多個區(qū)域統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，吉遼單季稻區(qū)施氮量為126～180 kg/hm2；川陜盆地單季稻區(qū)151～173 kg/hm2等，后者發(fā)現(xiàn)在施氮量超過300 kg/hm2時，水稻增產(chǎn)不明顯。

施肥時期和比例對水稻產(chǎn)量也尤為重要，一般認(rèn)為，在移栽水稻系統(tǒng)中，應(yīng)在營養(yǎng)生長前期施氮，目的是促進(jìn)分蘗和增加有效穗數(shù)[26]。本研究中基肥＋分蘗肥比例超過70%，水稻產(chǎn)量顯著下降(圖3-A, B)，穗肥比例在10%～30%，水稻產(chǎn)量最高(圖4-A, B)，這一結(jié)果與前人研究基本一致；張四海等發(fā)現(xiàn)基蘗肥量占總施氮量70%時有利于水稻高產(chǎn)[27]。在相同施氮量下，機(jī)插早、晚稻的基蘗肥比例分別為80%和70% 時，有利于水稻的高產(chǎn)[28]。

不同稻區(qū)的產(chǎn)量增幅也存在顯著差異，東北單季稻區(qū)實際和理論產(chǎn)量增幅顯著優(yōu)于其他稻區(qū)，這可能與各地區(qū)種植的水稻類型和氣候有關(guān)，與其他稻區(qū)相比，東北單季稻區(qū)水稻季平均氣溫較低，氮素?fù)p失（氨揮發(fā)等）少，土壤有機(jī)質(zhì)含量高對氮素的固持能力強(qiáng)，均能降低氮素?fù)p失，為此增產(chǎn)幅度大。東北單季稻區(qū)主要種植一季稻，生育期較長，通過光合作用能夠累積更多的產(chǎn)物，武良[15]通過各稻區(qū)產(chǎn)量和氮素效率比較發(fā)現(xiàn)東北單季稻區(qū)的氮素利用效率明顯高于其他稻區(qū)。

土壤全氮(TN)和速效氮(AN)含量分別低于1.5 g/kg和150 mg/kg時，水稻實際和理論產(chǎn)量增幅最高，與土壤氮含量較低地區(qū)受施氮量響應(yīng)較大有關(guān)，例如，云貴川湘山地高原單季稻區(qū)平均AN含量為167 mg/kg，而平均施氮量為204 kg/hm2，黑龍江地區(qū)平均AN含量211 mg/kg，而平均施氮量只有131 kg/hm2[15]。土壤AP和AK的含量對水稻產(chǎn)量增幅有顯著影響(表4)，但增幅效果低于土壤氮素。

3.2 施氮量和氮運(yùn)籌對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

施氮對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子均有顯著影響，有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重增幅分別為33.2%、13.5%、?4.2%和?3.0%(圖2)。水稻有效穗數(shù)對施氮量的響應(yīng)最大，依次是每穗粒數(shù)、結(jié)實率、千粒重，這一結(jié)果和章星傳等[11]的結(jié)論類似。水稻有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)增幅均隨施氮量升高而增大，且均在250～300 kg/hm2達(dá)到最大，分別為40.1%和15.0%，隨后前者趨于穩(wěn)定，后者明顯隨施氮量升高而降低。與不施氮肥相比，水稻結(jié)實率和千粒重分別在施氮量超過100 kg/hm2和150 kg/hm2時均會顯著下降。楊曉龍等[29]研究認(rèn)為水稻的結(jié)實率和千粒重隨施氮量先升高后降低。氮素營養(yǎng)管理能通過延緩葉片衰老和延長光合時間使水稻擁有更長的籽粒灌漿期，進(jìn)而提高水稻千粒重和結(jié)實率[30, 31]，但高氮投入下水稻的有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)大幅增加，而后期氮供給不足，會導(dǎo)致水稻結(jié)實率和千粒重下降[32]。

水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子與氮肥運(yùn)籌密切相關(guān)，通過氮肥運(yùn)籌能有效提高水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子和產(chǎn)量。隨著基肥比例增加，水稻的每穗粒數(shù)和結(jié)實率增幅顯著下降，當(dāng)基肥比例大于70%，水稻有效穗數(shù)增幅會顯著下降。水稻生產(chǎn)早期氮肥的施用能夠促進(jìn)分蘗，增加分蘗數(shù)量，后期追肥能夠保證有效分蘗數(shù)，因此，過高的基肥施用比例雖然增加了前期的分蘗數(shù)量，但后期養(yǎng)分供應(yīng)不足，有效分蘗絕對數(shù)量和百分比下降，同時降低每穗粒數(shù)和結(jié)實率[33, 34]。本研究中，在穗肥比例10%～30%條件下，隨著穗肥比例增加，水稻的有效穗數(shù)、結(jié)實率和千粒重增幅增大，而每穗粒數(shù)則呈下降趨勢(圖4)。但近年來也有研究表明，在水稻幼穗分化期施用氮肥能改善水稻群體動態(tài)，增加穗粒數(shù)，提高穗重[35, 36]。前人也發(fā)現(xiàn)提高穗肥的比例可以提高有效分蘗的百分比而增產(chǎn)，而千粒重幾乎無變化，可能由于不同水稻品種，特別是地方品種對施肥管理和生態(tài)條件的響應(yīng)不同造成這樣的差異[37]。

此外，南方單季稻區(qū)和云貴川湘山地高原稻區(qū)有效穗數(shù)增幅顯著低于其他稻區(qū)，而千粒重與不施氮處理無顯著差異(圖5)。這與前人研究結(jié)果一致，例如，西南稻區(qū)主要以提高水稻有效穗數(shù)和結(jié)實率來實現(xiàn)增產(chǎn)[38]。云南高海拔地區(qū)的高原粳稻通過改良實粒數(shù)和有效穗數(shù)來實現(xiàn)增產(chǎn)的潛力較大[39]。

3.3 氮肥綜合管理提高水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因子的建議

通過擬合水稻實際產(chǎn)量增量、理論產(chǎn)量增量與施氮量的方程，施氮量分別約在280和283 kg/hm2增量最高。通過分析水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子增幅的變化趨勢發(fā)現(xiàn)，水稻有效穗數(shù)的增幅最大值為310.5 kg/hm2，但施氮量大于250 kg/hm2，水稻每穗粒數(shù)、結(jié)實率、千粒重下降，導(dǎo)致實際和理論產(chǎn)量在200～300 kg/hm2達(dá)到最大增量。這也表明當(dāng)施氮量超過300 kg/hm2的有效穗數(shù)的貢獻(xiàn)不足以抵消每穗粒數(shù)、千粒重、結(jié)實率的下降。付景等[40]研究得出，當(dāng)施氮量超過270 kg/hm2，穗數(shù)和穗粒數(shù)的增加對產(chǎn)量做出的貢獻(xiàn)小于結(jié)實率和千粒重的降低對產(chǎn)量造成的影響。在適宜的一定施氮量下，降低水稻基、蘗肥的施用比例，可以有效避免水稻有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實率、千粒重的降低，達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)的作用，主要與兩方面有關(guān)。第一，水稻生長前期氮素需求有限，土壤固定和轉(zhuǎn)化能力存在一定限度，造成養(yǎng)分過于集中而大量損失；另一方面，前期施用氮素過多會促進(jìn)水稻營養(yǎng)生長，雖增加了水稻分蘗數(shù)但水稻無效分蘗占比更高，“前多后少”無法維持水稻生殖生長，降低水稻每穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重，導(dǎo)致產(chǎn)量降低；反之，適宜增施穗肥可以有效提高水稻成穗數(shù)，利于穩(wěn)定和提高水稻每穗粒數(shù)、結(jié)實率、千粒重，但穗肥比例不宜過高，水稻前期分蘗數(shù)決定了水稻產(chǎn)量的最大限度[41,42]。因此，施氮量不超過250 kg/hm2，基肥加分蘗肥比例不要超過總施氮量的70%，穗肥比例10%～30%能有效協(xié)調(diào)水稻有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重變幅，提高產(chǎn)量。此外，提高產(chǎn)量及構(gòu)成因子還需要氮肥綜合管理。首先，水稻品種要與氮肥施用匹配。呂小紅等[6]研究發(fā)現(xiàn)緊湊型品種“沈農(nóng)07425”和松散型品種“秋光”的施氮量可以適當(dāng)增大至375 kg/hm2。水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因子對不同氮肥種類的響應(yīng)存在差異。其次，灌溉、種植密度等栽培措施與氮管理要協(xié)調(diào)。灌溉水用量和水管理過程可以調(diào)控土壤理化環(huán)境，促進(jìn)水稻根系的生長，避免氮素的徑流和淋溶帶來的損失[43,44]；合理的種植密度與氮肥用量對水稻單位面積的光合面積和改善水稻有效穗數(shù)具有顯著影響[45]。最后，通過化學(xué)調(diào)控提高產(chǎn)量因子來增產(chǎn)。袁帥等發(fā)現(xiàn)噴施多效唑與殼寡糖均能提高水稻產(chǎn)量，多效唑能使水稻大量分蘗，提高了最高莖蘗數(shù)和最高分蘗數(shù)，噴施殼寡糖較多效唑同時能提高水稻成穗數(shù)[46]。

目前水稻種植技術(shù)多元化，水氮耦合技術(shù)，機(jī)械側(cè)深施肥技術(shù)，根區(qū)穴施技術(shù)，新型肥料以及有機(jī)肥等應(yīng)用，綠肥、秸稈還田技術(shù)，稻漁共作技術(shù)等，較單一氮肥調(diào)控因素均能在不同程度上減少氮肥的用量，提高水稻的氮素利用效率。多元化的技術(shù)也是通過調(diào)控水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子來穩(wěn)產(chǎn)減氮，或等氮增產(chǎn)，這些技術(shù)各有其優(yōu)勢和特點(diǎn)，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展可以考慮進(jìn)一步統(tǒng)計分析，促進(jìn)水稻種植生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展。

4 結(jié)論

施用氮肥主要通過提高水稻的有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)來實現(xiàn)增產(chǎn)，提高結(jié)實率和千粒重來避免減產(chǎn)。稻田施氮量為150～200 kg/hm2對水稻實際和理論產(chǎn)量提升幅度顯著增加，超過300kg/hm2有顯著減產(chǎn)的風(fēng)險，且施氮量與水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因子的擬合方程計算得出施氮量在274～284 kg/hm2水稻產(chǎn)量最大，因此，綜合考慮稻田施氮量在200～250 kg/hm2。結(jié)合氮運(yùn)籌對水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因子的影響，推薦基肥+分蘗肥比例不要超過總施氮量的70%，穗肥比例10%～30%。不同稻區(qū)實現(xiàn)水稻增產(chǎn)所需優(yōu)化的產(chǎn)量構(gòu)成因子不同，南方單雙季和云貴川湘山地高原單季稻區(qū)主要依靠提高水稻有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)使水稻增產(chǎn)，而長江流域單雙季和東北單季稻區(qū)增產(chǎn)限制因子是結(jié)實率。提高結(jié)實率是所有稻區(qū)增產(chǎn)的關(guān)鍵，宜通過化學(xué)調(diào)控、栽培密度和優(yōu)良品種等養(yǎng)分綜合管理措施提高結(jié)實率進(jìn)而增產(chǎn)。

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Effects of Nitrogen Fertilizer Consumption and Operation on Rice Yield and Its Components in China：A Meta-analysis

XIAO Dakang1, HU Ren1, HAN Tianfu2, ZHANG Weifeng3, HOU Jun1,*, REN Keyu2,*

(College of Agriculture, Yangtze University/Engineering Research Center of Ecology and Agricultural Use of Wet land of Ministry of Education, Jingzhou 434025, China; Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081, China; College of Resources and Environmental Science, China Agricultural University, Beijing 100193, China; Communication Authors, )

【Objective】Moderate nitrogen (N) fertilizer rate and operation can effectively improve rice yield and N use efficiency. Clarifying the effects of N rate fertilizer rate and operation on rice yield and its components can provide theoretical guidance for high yield and high efficiency for rice. 【Methods】Based on 119 published articles on N fertilizer management in rice fields, a meta-analysis was conducted to summarize the effects of N management on rice yield and its components under different total N rates, basal fertilizer+tillering fertilizer, topdressing for panicle initiation, planting areas and soil properties, and explored the appropriate measures to improve yield components to get high yield in major Chinese rice production areas. 【Results】Compared with no N fertilizer application, N fertilizer application can significantly increase the actual yield (+42.2%) and theoretical yield (+43.1%), effective panicle number and grain number per panicle increased by 33.2% and 13.5%, respectively, while the seed setting rate and 1000-grain weight decreased by 4.2% and 1.6%, respectively. There were significant differences in rice yield and its components under different N rates and N operations. The actual and theoretical yield of rice increased significantly at the N rate of 150－200 kg/hm2, while the effective panicle number and grain number per panicle increased most at the N rate of 250－300 kg/hm2. In addition, with the increase of N rates, the seed setting rate and 1000-grain weight decreased significantly. When the ratio of basal fertilizer+tillering fertilizer to the total nitrogen application was 30%－50% and the N ratio of panicle fertilizer was 10%－30%, the rice yield peaked, while increasing the ratio of basal fertilizer+tillering fertilizer (≤70%) can significantly increase effective panicle number, but reduce grain number per panicle and seed setting rate. And, increasing the ratio of topdressing for panicle initiation (≤30%) can increase grain number per panicle and seed setting rate. For different rice growing regions, there were significant differences for rice yield and its components. The main performance is that the yield increase in the single-season rice from Northeast China is the largest, followed by the single-season and double-season rice in the Yangtze River basin, and the single-season and double-season rice region in South China and the single-season rice in the Yunnan-Guizhou and Sichuan-Hunan Plateau are the smallest. All rice regions achieved high yield by increasing the number of effective panicles and grain number per panicle. The increase of actual and theoretical yield of rice was less affected by SOM(soil organic matter), and the difference between the increase of each SOM level was not more than 4.39% and 2.26%, while the changes of soil TN(total nitrogen), AN(available nitrogen), AP(available phosphorus), AK(available potassium) contents had a greater impact, but there was no significant difference between subgroups. 【Conclusion】The recommended N rate should not exceed 250 kg/hm2, and the recommended ratio of base fertilizer +tillering fertilizer should not exceed 70% of the total N rate. When the ratio of panicle fertilizer is 10%－30%, it is more beneficial to increase rice yield. Under the condition of ensuring the effective panicles and grain number per panicle of rice, improving the seed setting rate is the key to increase yield in all the rice planting regions in China, which needs comprehensive management measures such as chemical regulation, cultivation density and excellent varieties.

nitrogen fertilizer management; rice; yield; yield components; meta-analysis

10.16819/j.1001-7216.2023.221111

2022-11-23；

2023-02-27。

國家自然科學(xué)基金資助項目(32372821)；湖北省重點(diǎn)研發(fā)計劃資助項目(2022BBA002); 衢州市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局委托項目(衢農(nóng)合2022-31)。