第1章 概論
　　水稻（Oryza sativa L.）是世界上*主要的糧食作物之一，為30多億人口提供60%的飲食熱量[1，2]。水稻是我國(guó)*主要的口糧作物，稻谷產(chǎn)量約占糧食產(chǎn)量的1/3，全國(guó)有2/3的人口以稻米為主食，持續(xù)提高水稻產(chǎn)量對(duì)保障我國(guó)乃至世界的糧食和人民的生活具有重要的作用[3，4]。長(zhǎng)期以來，我國(guó)水稻生產(chǎn)以矮稈、抗倒、耐肥品種的培育和應(yīng)用為基礎(chǔ)，以增加化肥、農(nóng)藥和水資源的用量為手段，大幅度地提高了單位面積的產(chǎn)量，使我國(guó)水稻單產(chǎn)從1950年的2.1t/hm2增加到2020年的7.08t/hm2，單產(chǎn)在世界主要產(chǎn)稻國(guó)中名列前茅，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)[4-6]。但與此同時(shí)也形成了高投入、高產(chǎn)出、高污染、低效益的“三高一低”生產(chǎn)模式，給社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境帶來了巨大的壓力[5-8]。氮素是水稻生產(chǎn)中的關(guān)鍵因子，也是水稻生產(chǎn)成本投入的主要部分。多年來我國(guó)水稻增產(chǎn)過度依賴氮肥的大量投入，氮肥利用率低[9-12]。目前我國(guó)水均氮肥施用量（折合純氮，下同）為180kg/hm2，高出世界水稻氮均施用量的75%；在高產(chǎn)的太湖稻區(qū)，氮均施用量達(dá)270kg/hm2，較全國(guó)一季水稻均氮肥施用量高出50%，氮均農(nóng)學(xué)利用率（單位施氮量增加的產(chǎn)量）不足12kg/kg N，不到發(fā)達(dá)國(guó)家的一半[13-16]。氮肥投入量過多、利用效率低不僅增加生產(chǎn)成本，而且還會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染并降低稻米品質(zhì)[15-18]。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和消費(fèi)升級(jí)，以及受外部形勢(shì)等影響，持續(xù)提高水稻單產(chǎn)仍是剛性需求[19-21]。持續(xù)提高水稻產(chǎn)量是否必須依賴于氮肥的大量投入？水稻產(chǎn)量與氮肥利用率能否協(xié)同提高？這是國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)，也是學(xué)術(shù)界仍在爭(zhēng)論的重大科學(xué)命題[5，19-23]。探明高產(chǎn)水稻氮肥利用的原理與技術(shù)，對(duì)于解答水稻產(chǎn)量與氮肥利用率協(xié)同提高的科學(xué)問題，建立綠色、、優(yōu)質(zhì)和可持續(xù)發(fā)展的水稻生產(chǎn)技術(shù)體系，保障我國(guó)糧食具有十分重要的理論和實(shí)踐意義。
　　1.1 氮肥（素）利用率的評(píng)價(jià)指標(biāo)
　　氮肥或氮素利用率常用的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)有氮素干物質(zhì)利用率、氮素產(chǎn)谷利用率、氮肥吸收利用率、氮肥生理利用率、氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥偏生產(chǎn)力等，這些指標(biāo)從不同角度反映了作物對(duì)氮肥或氮素的吸收利用狀況[24-26]。
　　1.1.1 氮素利用率
　　計(jì)算氮素利用率時(shí)無須設(shè)立氮空白區(qū)，直接以水稻吸氮量表示水稻對(duì)氮素的利用效率。又可分為氮素干物質(zhì)利用率和氮素籽粒生產(chǎn)效率兩種。
　　氮素干物質(zhì)利用率（biomass nitrogen use efficiency，BEN），又稱為氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率、氮素生物產(chǎn)量利用率等，表示水稻吸收單位氮素所能產(chǎn)生的干物質(zhì)的量。其計(jì)算公式為 BEN（kg/kg N）＝某一生育時(shí)期地上部水稻生物產(chǎn)量/對(duì)應(yīng)生育時(shí)期的水稻吸氮量。用該指標(biāo)可了解水稻不同生育階段的氮素吸收利用狀況。
　　氮素產(chǎn)谷利用率（grain nitrogen use efficiency，GEN或 internal efficiency，IEN），又稱為氮素籽粒生產(chǎn)效率、氮素體內(nèi)利用效率等，表示水稻吸收單位氮素所能產(chǎn)生的稻谷數(shù)量。其計(jì)算公式為 IEN（kg/kg N）＝稻谷產(chǎn)量/成熟期水稻吸氮量。在較好的栽培管理及無明顯其他限制因素的情況下，氮素籽粒生產(chǎn)效率可達(dá)68kg/kg N [27]。我國(guó)目前水稻生產(chǎn)中的氮素籽粒生產(chǎn)效率，粳稻和秈稻分別在40～50kg/kg N和45～55kg/kg N [15，28]。
　　以上兩個(gè)指標(biāo)均是以水稻植株吸氮量來衡量水稻氮素利用效率的，而水稻吸氮量來源于兩個(gè)方面，一方面是來源于施入土壤的氮素，另一方面是來源于土壤本身的氮括灌溉水、干濕沉降、生物固氮等。因此，上述兩個(gè)指標(biāo)無法真正反映當(dāng)季施入土壤的氮肥利用率。因此通常稱之為氮素利用率。
　　1.1.2 氮肥利用率
　　通過設(shè)立無氮區(qū)（不施氮區(qū)或氮空白區(qū)），在計(jì)算氮肥利用率時(shí)需減去無氮區(qū)的本底值。主要指標(biāo)有氮肥吸收利用率、氮肥生理利用率和氮肥農(nóng)學(xué)利用率等。
　　氮肥吸收利用率（recovery efficiency，REN），也稱為回收利用率，表示被地上部植株吸收的氮占施入土壤的肥料氮的比例。其計(jì)算公式為 REN（%）＝（施氮區(qū)作物吸氮量－氮空白區(qū)作物吸氮量）/作物施氮量×100。氮肥吸收利用率的高低不僅與施肥技術(shù)有關(guān)，而且與施用氮肥的種類有密切關(guān)系。在較好的栽培管理?xiàng)l件下，氮肥吸收利用率可達(dá)50%以上，甚至80%[29-31]。我國(guó)大多數(shù)農(nóng)戶稻田氮肥吸收利用率一般低于40%[24-26，32-34]。通常，我國(guó)水稻碳銨的吸收利用率低于30%，尿素的吸收利用率為30%～40%[35-37]。
　　氮肥生理利用率（physiological efficiency，PEN）反映了作物將所吸收的肥料氮素轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的能力，其定義為作物因施用氮肥而增加的產(chǎn)量與相應(yīng)的植株氮素增加量的比值。其計(jì)算公式為 PEN（kg/kg N）=（施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量－氮空白區(qū)籽粒產(chǎn)量）/（施氮區(qū)植株吸氮量－氮空白區(qū)植株吸氮量）。氮肥生理利用率受到水稻品種、施氮量等多種因素的影響，在氮肥運(yùn)籌較好的情況下，氮肥生理利用率約為50kg/kg N[24-26]。一般認(rèn)為，在溫帶地區(qū)，在適宜的施氮量條件下，水稻的氮肥生理利用率比熱帶稻區(qū)要高20%左右[29]。當(dāng)?shù)�肥過量施用時(shí)，會(huì)造成水稻對(duì)氮素的奢侈吸收，降低氮肥生理利用率，我國(guó)南方水稻的氮肥生理利用率為25～35kg/kg N [24-26，38-40]。
　　氮肥農(nóng)學(xué)利用率（agronomic use efficiency，AEN），是指施入單位氮肥所能增加的稻谷產(chǎn)量。其計(jì)算公式為 AEN（kg/kg N）=（施氮區(qū)水稻產(chǎn)量－氮空白區(qū)水稻產(chǎn)量）/施氮量。施氮方式、氮肥施用技術(shù)、氣候條件等對(duì)氮肥農(nóng)學(xué)利用率有很大影響。氮肥深施或施用緩控釋氮肥，農(nóng)學(xué)利用率可達(dá)20～30kg/kg N[41-43]。有學(xué)者認(rèn)為，在較好的營(yíng)養(yǎng)及作物管理?xiàng)l件下，水稻的氮肥農(nóng)學(xué)利用率應(yīng)大于或等于20kg/kg N[27]。在我國(guó)，水稻的氮肥農(nóng)學(xué)利用率在1958～1965年為15～20kg/kg N30年南方稻區(qū)的氮肥農(nóng)學(xué)利用均不到12kg/kg N [12-16，44]。
　　氮肥吸收利用率反映了氮肥投入被植株吸收的狀況。氮肥生理利用率和氮肥農(nóng)學(xué)利用率反映了氮素投入與產(chǎn)出之間的關(guān)系，可以衡量氮肥的投入對(duì)產(chǎn)量增加的貢獻(xiàn)度。長(zhǎng)期以來，我國(guó)將氮肥吸收利用率作為氮肥利用率的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。但有研究表明，在高投入超高產(chǎn)栽培條件下，氮肥吸收利用率較高（>50%），但氮肥的農(nóng)學(xué)利用率、生理利用率并不高（AEN<15kg/kg N，PEN<30kg/kg N）[15，45-47]。說明在高投入超高產(chǎn)栽培條件下稻株吸收的氮并沒有充分地在增加產(chǎn)量上發(fā)揮作用，吸收的氮滯留在稻草中，形成氮的奢侈吸收。所以氮肥吸收利用率指標(biāo)并不能充分反映施氮的增產(chǎn)效應(yīng)或經(jīng)濟(jì)效益；而氮肥的農(nóng)學(xué)利用率直接反映了施氮的增產(chǎn)效率，且該指標(biāo)不需要測(cè)定稻株中含氮量和氮積累量，計(jì)算方便。鑒于此有人認(rèn)為，在生產(chǎn)上用氮肥農(nóng)學(xué)利用率評(píng)定氮肥利用率及作為計(jì)算施量的一個(gè)參數(shù)更為直接和簡(jiǎn)單[22-24，45-47]。
　　1.1.3 氮肥偏生產(chǎn)力
　　氮肥偏生產(chǎn)力（partial factor productivity，PFP）是指產(chǎn)量與施氮量的比值，反映了作物吸收肥料氮和土壤氮后所產(chǎn)生的邊際效應(yīng)。計(jì)算該指標(biāo)值既不需要設(shè)置氮空白小區(qū)，也無須測(cè)定植株的氮素吸收量，方法簡(jiǎn)單。其計(jì)算公式為 PFP（kg/kg N）=水稻產(chǎn)量/施氮量。但該指標(biāo)不僅受到土壤供氮能力的影響，還受到施氮量的影響。當(dāng)施氮量相同，土壤有效氮供應(yīng)不同，土壤供氮能力強(qiáng)或基礎(chǔ)地力產(chǎn)量（不施氮區(qū)產(chǎn)量）高的田塊，氮肥偏生產(chǎn)力較高；同一田塊，當(dāng)施氮量很低時(shí)，氮肥偏生產(chǎn)力值會(huì)很高。因此，只有當(dāng)施氮量較高時(shí)，氮肥偏生產(chǎn)力才能較為客觀地反映氮肥的利用效率。在較好的作物管理?xiàng)l件下，氮肥偏生產(chǎn)力可超過50kg/kg N[48]。在我國(guó)南方稻區(qū)，氮肥偏生產(chǎn)力大多在30～40kg/kg N [49-51]。
　　除了上述氮肥（素）利用率的評(píng)價(jià)指標(biāo)，還有一些用于表示水稻氮素轉(zhuǎn)運(yùn)和分配的指標(biāo)，主要有氮轉(zhuǎn)運(yùn)率（nitrogen translocation rate）和氮收獲指數(shù)（nitrogen harvest index）。氮轉(zhuǎn)運(yùn)率主要反映水稻抽穗至成熟期營(yíng)養(yǎng)器官中的氮向其他器官（如籽粒）轉(zhuǎn)運(yùn)的情況，計(jì)算公式為氮轉(zhuǎn)運(yùn)率（%）=（抽穗期水稻莖葉中氮積累量–成熟期水稻莖葉中氮積累量）/抽穗期水稻莖葉中氮積累量×100。氮收獲指數(shù)是指籽粒氮積累量與植株氮積累量的比值，反映了植株吸收的氮向籽粒分配的狀況，其計(jì)算公式為氮收獲指數(shù)=成熟期籽粒中氮積累量/成熟期植株的氮積累量體而言，我國(guó)水稻各氮肥（素）利用率指標(biāo)明顯低于日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，也低于世均[51，52]。因此，協(xié)同提高產(chǎn)量和氮肥利用率已成為我國(guó)稻作科學(xué)的一個(gè)熱點(diǎn)和。
　　1.2 水稻主要氮肥施用技術(shù)
　　多年以來，我國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)工作者對(duì)水稻氮肥吸收規(guī)律、氮肥的損失途徑和施用技術(shù)行了大量研究，創(chuàng)建、集成或了一系列水稻氮肥施用技術(shù)。早期的水稻氮肥施用技術(shù)主括單季晚稻的“三黃三黑”葉色診斷施肥技術(shù)，雙季早稻的“前促一炮轟”施肥技術(shù)，雙季晚稻的“基肥足、追肥早、穗肥巧”施肥技術(shù)，一季水稻的“兩促”施肥法和“V”字形施肥法等[53-56]。自1980年以來，在我國(guó)水稻生產(chǎn)上推廣應(yīng)用的氮肥施用技術(shù)主要有：區(qū)均適宜施氮量法、測(cè)土配方施肥技術(shù)、實(shí)地氮肥管理、定量施肥技術(shù)、“三定”栽培技術(shù)、“三控”施肥技術(shù)、“三因”氮肥施用技術(shù)、水氮耦合調(diào)控技術(shù)等[14，51，57-65]。這些技術(shù)為提高水稻產(chǎn)量和氮肥利用率，減少氮素?fù)p失對(duì)環(huán)境的不利影響發(fā)揮了重要作用。
　　1.2.1 區(qū)均適宜施氮量法
　　區(qū)均適宜施氮量法（methodology of the regional mean optimal application rate of chemical fertilizer nitrogen）由南京土壤朱兆良提出。該方法的要點(diǎn)是，通過多年多點(diǎn)的田間肥料試驗(yàn)得到產(chǎn)量與施氮（主要為化學(xué)氮肥）量關(guān)系的一元二次方程，并采用某一邊際產(chǎn)量值得出各田塊的適宜施氮量均后得出某一地區(qū)均適宜施氮量，將這均適宜施給該區(qū)域的農(nóng)戶使用[57-59]。在太湖地行比較試驗(yàn)的結(jié)果表明，采用區(qū)均適宜施氮量法得到的產(chǎn)量與各田施氮量得到的產(chǎn)量差異很小，但該方法與獲得*高產(chǎn)量的施肥量或農(nóng)民肥量相比，具有減氮、和降低氮素?fù)p失的效果[57-59，66]。由于在同一區(qū)域內(nèi)不同田塊間的土壤供肥特性和基礎(chǔ)地力產(chǎn)量相差較大，且年度間的溫度、降水量等氣候因子也有變化，所以采用區(qū)均適宜施氮量法，還需結(jié)合田塊的供肥能力及水稻各生育期氮素需求特行實(shí)時(shí)實(shí)地的氮肥管理。
　　1.2.2 測(cè)土配方施肥技術(shù)
　　測(cè)土配方施肥技術(shù)（soil testing formula fertilization technology）是以土壤養(yǎng)分含量測(cè)試和肥料田間試驗(yàn)為基礎(chǔ)，根據(jù)作物對(duì)氮、磷、鉀及中、微量元素等肥料的需求規(guī)律，研制成配方肥料，并提出施用數(shù)量、施肥時(shí)期和施用方法，采用量控制、分期調(diào)控”及“大配方、小調(diào)整”的策略，實(shí)現(xiàn)各種養(yǎng)衡供應(yīng)，達(dá)到提高作物產(chǎn)量和肥料利用率、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、節(jié)省勞力、節(jié)支增收的目的[60]。由于稻田氮素受淹水等各種因素的影響，土壤氮素轉(zhuǎn)化過程復(fù)雜，任何單純的化學(xué)浸提方法測(cè)定的土壤氮含量均不能反映土壤的供氮能力[67]。根據(jù)作者對(duì)62個(gè)田塊的觀察，在土壤含氮量相同或的條件下，不同田塊的不施氮區(qū)產(chǎn)量