確定經濟合理施氮量的新方法：基于施氮量與稻米產量效應函數

彭顯龍，車俊杰，宋 聰，齊文晶，李鵬飛*，劉智蕾，于彩蓮

（1 東北農業大學資源與環境學院，黑龍江哈爾濱 150030；2 哈爾濱理工大學材料科學與化學工程學院，黑龍江哈爾濱 150040）

水稻是中國最重要的糧食作物之一，全世界超3/5的人口以精米為主食[1]。隨著經濟的發展和生活水平的提高，人們對優質米的需求越來越高。農民常常通過盲目增肥試圖促進水稻增產，然而過量施氮會造成精米食味品質降低，因此水稻高產和優質難以統一。采取有效措施改善品質，促進高產優質協同具有重要意義。施氮量和密度是影響水稻產量和品質的主要因素，密度與水稻產量關系研究顯示，適宜的密度有利于水稻高產[2]。密度能夠調節水肥氣熱等因素對水稻生長發育產生影響，過高過低都會影響水稻產量。由于環境、水稻品種和耕作技術的不同，密度對品質的影響研究結果也不盡相同。荊愛霞[3]認為，降低密度可以改善精米加工品質。但是董嘯波[4]認為，增加密度不僅能夠改善精米加工品質，還能夠提高精米食味品質。關于施氮量對水稻產量和品質的研究結論也不完全一致。隨著施氮量的增加，產量先增加后降低，北方稻田施氮量為109～190 kg/hm2時可達到高產目標。也有研究顯示，施氮量與水稻產量呈顯著正相關，施用氮肥可以提高水稻產量和單位面積穗數[5]。有研究[6]顯示，氮肥用量提高，精米出米率增加，但是也有學者認為氮肥用量高，出米率反而降低[7]。還有研究表明[8]，施氮量與出米率無明顯關系。多數研究表明，在180 kg/hm2以內隨施氮量增加蛋白質含量和食味值提高，超過此施氮量增氮的優化作用不顯著[9–12]。也有研究表明，隨著氮素的增加，出米率和食味值等都下降[13]。氮肥和密度具有交互作用，稀植高氮和增密減氮的栽培模式都可以獲得高產[14]。程效義等[15]提出，增氮或降密可提高蛋白質含量，適量少肥和密植可以改善品質。黑龍江是我國優質粳稻主產區，尤其五常大米享譽中外。以往都是按稻谷產量進行售賣。農戶多通過增加氮肥施用量來達到高產的目標，從而造成氮損失和農業面源污染。隨著精米品質越來越受重視，出米率和品質已經成為影響售價的主要因素。由于施氮量與出米率一般呈負相關關系，因此施氮量和精米產量的關系與施氮量與稻谷產量關系并不一致。以精米產量和施氮量的關系確定最佳肥料用量對品質和氮效率影響未見報道。為此，我們通過肥料效應函數，比較以稻谷產量和精米產量確定經濟最佳施肥量的差異，并分析所確定施氮量差異對稻谷產量和品質等可能產生的潛在影響。研究結果能夠為優質米生產科學施肥提供理論依據，并為高產優質相協同提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

于2018和2019年，在黑龍江省五常市龍鳳山鄉輝煌村 (127o54′E，44o89′N)進行田間試驗。供試品種為‘五優稻4號’(稻花香2號)，長粒型水稻品種，為黑龍江省五常市主栽優質水稻品種。供試土壤為黑土型水稻土，土壤pH 6.30、有機質35.5 g/kg、土壤全氮含量1.44 g/kg、有效磷含量51.8 mg/kg、速效鉀含量110 mg/kg。兩年生育期的日平均氣溫如圖1所示。

圖1 水稻生育期日平均氣溫Fig.1 Daily average air temperature during rice growth period

1.2 試驗設計

采用裂區試驗設計，以密度為主區，施氮量為副區。主區依據人工插秧和機械插秧常用的密度，設置2個栽培密度處理，15穴/m2(D1)和24穴/m2(D2)。副區為 4 個氮肥梯度：0 (N0)、75 (N75)、105(N105)、135 kg/hm2(N135)。每個處理小區面積為80 m2，重復4次，小區隨機排列。所有處理P2O5用量為 50 kg/hm2、K2O 用量為 90 kg/hm2。在插秧前1周施用50%鉀肥和100%磷肥，施肥后旋耕。插秧前1天、插秧后21天分別施用40%和30%的氮肥，水稻拔節期(穗大小約1 cm)施用剩余的氮肥和鉀肥。試驗中施用的氮、磷、鉀肥分別為尿素(N 46%)、重過磷酸鈣 (P2O544%)和氯化鉀 (K2O 60%)。

2018和2019年均于4月中旬育苗，兩年均在5月18日插秧，移栽時選取長勢一致的秧苗，每穴苗數3～5株。小區間采用塑料池埂(插入土壤20 cm)間隔，防止肥料的串流，其他田間管理同當地高產栽培方式，科學防病除草以避免產量損失。

1.3 樣品采集與測定

于成熟期，調查30穴水稻分蘗，取具有平均分蘗的4穴水稻，去除根系后，將水稻地上部105℃殺青30 min，85℃烘干至恒重。將樣品粉碎后，經H2SO4–H2O2消煮，采用連續流動分析儀(AA3，Branand Luebbe，Norderstedt，Germany)測定含氮量。

每個小區收獲5 m2水稻，脫粒去雜后，測定含水量，折合成14.5%含水量的產量。籽?；靹蚝蠓Q取1 kg稻谷用試驗礱谷機(THU35C，Satake corporation，Japan)脫殼、碾磨獲得糙米并計算糙米率，糙米經精米機(VP-32，Yamamoto，Japan)碾磨獲得精米并計算精米率，使用Shizuoka Siki PS-500食味儀測定精米的蛋白質含量、直鏈淀粉含量和食味值。

1.4 數據處理與分析

通過一元二次曲線(y=b0+b1x+b2x2)，擬合施氮量與稻谷產量及精米產量的關系，其中y為稻谷產量或精米產量，x為施氮量。利用邊際效應分析[dy/dx=(R+1) Px/Py]計算施氮量，其中R、Px和Py分別為邊際利潤率、肥料價格和產品的價格。計算R值分別為–1、0、0.1、0.2、0.3、0.5、1時的施氮量、稻谷產量和經濟效益。當R值為–1時對應的產量為最高產量施氮量(x=–b1/2b2)；R值為0時對應的產量為經濟最佳施氮量[x=(Px/Py–b1)/2b2]。施氮量代入肥料效應函數可以計算對應的稻谷產量或精米產量。糙米產量=稻谷產量×糙米率；精米產量=糙米產量×精米率。

經濟效益=稻谷產量×稻谷(精米)價格–施氮量×氮素價格–水稻生產固定成本。其中稻谷價格為5元/kg，精米價格為12元/kg，純氮價格為4元/kg，水稻生產中固定生產成本約為15000元/hm2(包括種子、除氮肥外其它肥料、人工、植保、運輸等費用)。精米加工成本約為0.2元/kg，因此精米生產成本為施肥成本+水稻生產固定成本+產量×加工成本。

氮肥農學效率(AEN, kg/kg)=(施氮區作物產量–不施氮區作物產量)/施氮量[16–17]

氮肥偏生產力(PFPN, kg/kg)=單位面積作物產量/單位面積施氮量[16–17]

氮肥回收利用率(REN, %)=(施氮肥區植株氮積累量–不施氮肥區植株氮積累量)/施氮量×100[16–17]

氮肥生理利用率(PEN, kg/kg)=(施氮區產量–不施氮區產量)/(施氮區地上部吸氮量–不施氮區地上部吸氮量)[16–17]

采用 Microsoft Office Excel 2013 進行數據統計、圖表制作和相關分析，采用多因素方差分析，用鄧肯法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 氮肥和密度對水稻產量和品質的影響

由表1可知，施氮量和密度對地上部干物重、稻谷產量、精米產量、蛋白質含量等均有顯著影響，栽培密度和施氮量兩者對直鏈淀粉含量的影響具有顯著交互作用。除直鏈淀粉之外，其它指標具有顯著年際間差異。施氮量、密度和年際之間兩者或者三者交互作用絕大多數不顯著。

表1 不同處理下水稻的產量和品質Table 1 Yield and quality of rice under different treatments

在N0、N75、N105、N135處理下，D1處理精米蛋白質含量較D2處理分別提高了5.63%、4.94%、4.07%、1.83%；而D2處理的稻谷產量較D1分別提高了13.93%、9.12%、8.78%、7.82%，地上部干物重分別增加了8.86%、7.82%、3.97%、1.72%，精米產量分別增加了12.68%、13.06%、11.40%、6.59%。高氮條件下增產少，而低氮條件下高密度栽培增產較多。

在相同栽培密度下，隨著施氮量增加，稻谷產量、地上部干物重、精米產量均呈現出先增加后降低趨勢，以N105處理最高。N105處理的稻谷產量除2019年D1密度下與N135處理差異不顯著外，其余均顯著高于其他處理，而N135處理的稻谷產量與N75處理沒有顯著差異，但2018年地上部干物重卻顯著高于N75處理。

氮肥對精米產量的影響2018年與2019年結果不同。2018年，N75、N105、N135處理在2個密度下的精米產量沒有顯著差異。2019年，D1栽培密度下，3個氮水平處理的稻谷產量也無顯著差異，而在D2栽培密度下，N105處理的精米產量顯著高于N75和N135處理，分別提高6.88%和16.74%；N75和N135處理之間無顯著差異。D1栽培密度下，施氮水平增加對精米的蛋白質含量和食味值無顯著影響，而D2栽培密度下，施氮量增加有提高精米蛋白質含量但是降低食味值的趨勢，且N135處理與N0相比，蛋白質含量顯著增加0.82個百分點，精米率和食味值分別顯著降低8.40和7.58個百分點。栽培密度和施氮量對精米的直鏈淀粉含量沒有顯著影響。

2.2 施氮量和稻谷產量的關系及經濟效益分析

由圖2可知，施氮量與稻谷產量呈二次曲線關系。D1栽培密度下，兩年稻谷最高產量分別為6974和7451 kg/hm2，對應的最高產量施氮量分別為126.4和113.2 kg/hm2；D2栽培密度下，兩年稻谷最高產量分別為7708和7979 kg/hm2，對應的最高產量施氮量分別為110.8和98.6 kg/hm2。隨著邊際利潤(R值)增加，氮肥用量降低，稻谷產量降低，但是農戶效應先增加后降低(表2)。R值在0～0.3，施氮量、產量和施肥利潤相差不大。相對而言，2019年產量稍高、效益好。

表2 利用肥料效應函數計算的稻谷產量、施氮量和經濟效益Table 2 Rice grain yield, N application rate and benefit calculated by fertilizer response function

圖2 兩個密度下施氮量與稻谷產量的關系Fig.2 Relationship between nitrogen rate and rice grain yield under two plant densities

2.3 施氮量和精米產量的關系及經濟效益分析

由圖3可知，與施氮量和產量關系相似，施氮量與精米產量也呈二次曲線關系。隨著栽培密度增加，最高精米產量施氮量和經濟最佳施氮量均明顯降低。在D1栽培密度下，精米產量最高時的施肥量為102.8～109.8 kg/hm2。D2栽培密度下，精米產量最高時的施氮量為78.1～101.0 kg/hm2。隨著R值增加，D1和D2栽培密度下經濟最佳施氮量分別下降到 98.8～105.9 (平均 102.4)和 73.2～98.0 (平均 87.1)kg/hm2，D2較D1處理減少經濟最佳施氮量約15 kg/hm2。相對于最高精米產量施氮量，經濟最佳施氮量減少3 kg/hm2左右，精米產量下降約1 kg/hm2，但是施肥利潤提高了約8元。R值在0～0.3，施肥量和對應的精米產量相差不大，施肥利潤相差也不多(表3)。施氮量具有明顯的年際間差異，2個密度下2019年的施氮量均低于2018年，D1密度下年際間施氮量差異較小，D2密度下年際間施氮量差異變大。2019年溫度高于2018年，可見溫度高的年份，合理密植更有利于氮肥減施。

表3 利用肥料效應函數計算的精米產量、施氮量和經濟效益Table 3 Milled rice yield, nitrogen application rate and benefit calculated by fertilizer response function

圖3 兩個種植密度下施氮量與精米產量的關系Fig.3 Relationship between nitrogen rate and milled rice yield under two plant densities

2.4 氮肥和密度對水稻氮素積累和氮肥效率的影響

由表4可知，氮肥對水稻氮素積累和氮效率有顯著影響，密度對氮積累量和氮肥偏生產力影響顯著。多數指標存在顯著的年際間差異，指標之間多數沒有明顯的交互作用。

由表4可知，相同密度下，隨著氮肥用量增加，氮素積累顯著增加，施氮量超過105 kg/hm2，氮積累增加多數不顯著。因此，氮肥回收利用率在N105處理達最大值，同N75和N135處理相比，提高了4.00～18.38個百分點。隨著施氮量的增加，農學效率、生理利用率、偏生產力均呈現遞減的趨勢，與N105處理相比，N135處理兩年平均分別降低了38.88%、28.17%和26.74%。

各氮肥水平下，D2密度氮積累和偏生產力比D1密度平均值分別提高了40.35%和40.31%，在N0、N75、N105、N135水平上，D2密植較D1稀植氮積累量分別提高10.93%、5.38%、4.46%、2.18%；在N75、N105、N135水平上，D2密植較D1稀植偏生產力分別提高11.55%、8.73%、7.24%。兩個密度處理的氮肥回收利用率、農學效率、生理利用率無顯著差異。

3 討論

3.1 合理密植有利于減氮并提高水稻產量

施氮量和密度是影響水稻產量的主要因素，大量研究表明，在一定范圍內，氮肥可以提高水稻產量，但是達到峰值后，過量的氮肥會造成水稻減產[18]。本研究也證實過量施氮會造成水稻減產(表1)。干物質積累是水稻產量形成的基礎，產量是干物質積累量與收獲指數的乘積。通常施氮量增加，葉片含氮量增加，水稻葉片光合效率提高，有利于干物質積累[19]。隨著氮肥用量提高，水稻葉片和莖稈夾角變大，葉片披垂相互遮蔭反而會使光合效率降低。同時，莖稈中氮鉀比例與水稻莖稈充實度密切相關，隨著施氮量增加，莖稈氮鉀比增加，莖稈充實度變差，甚至出現倒伏[20]。葉片披垂和倒伏后有效葉面積變小，顯著影響干物質積累，干物質積累不足容易造成水稻結實率降低，收獲指數下降[21]。在本研究中，五優稻4號高氮處理田間表現出葉片披垂和后期的倒伏，因此干物質積累和運轉受到抑制，造成高氮處理干物質積累不足，收獲指數降低，這可能是高氮造成水稻減產的主要原因。密度增加無氮區有較高的稻谷產量和吸氮量(表4)，這可能是因為密度增加，水稻根系與養分接觸概率增加，可以截獲更多的養分。因此增加密度有利于節氮并增加水稻產量，這與其他研究結果[22]相一致。本試驗中合理密植減氮更容易獲得高產，可能與其干物質積累較多有關。增加密度雖然單株生產能力下降，但是低氮量條件下葉片直立，群體光合效率更高，因此干物質積累增加。一般來說增加密度會增加水稻倒伏風險[23]，但增密的同時減氮，能增強水稻抗折力，提高水稻抗倒伏能力。增密減氮處理葉片直立，抗倒伏能力強是其增產的主要原因。齊穗期和灌漿盛期的溫度與水稻千粒重呈顯著的正相關，較高的溫度有利于籽粒的形成，提高產量[24]。本研究中造成兩年產量差異的原因可能是溫度，2019年比2018年日平均溫度高1℃，并且灌漿期溫度較高，因此2019年產量稍高。

表4 不同處理下水稻氮素積累量和氮肥利用效率Table 4 N accumulation and nitrogen use efficiency of rice under different treatments

肥料效應函數是確定經濟最佳施肥量的主要方法，過去市場交易時主要考慮稻谷的價值，都是用施氮量和稻谷產量的函數關系來確定最佳施氮量。本研究中的水稻品種出米率(精米率)與施氮量呈負相關關系，最高稻谷產量并不是最高精米產量。傳統的肥料效應函數法計算的經濟最佳施氮量為96.4～123.7 kg/hm2，而按照施氮量和精米產量關系函數計算的經濟最佳施氮量為76.2～105.9 kg/hm2，這兩種方法計算的施氮量存在明顯差異。如果施氮量與水稻出米率為負相關，在這種條件下按照施氮量和水稻產量關系確定的最佳施氮量，氮肥投入高，而實際上精米產量降低。因此，傳統肥料效應函數按稻谷定價而不考慮出米率(精米率)，一方面會降低精米經銷商的利益；另一方面農戶因追求高產而增加氮肥施用，加劇了農業面源污染等一系列不良環境風險[25]。為了協同農戶、經銷商和環境效應，建議在水稻收購中增加出米率這一指標，把稻谷價格和出米率聯系起來，出米率高稻谷售價就高。這樣就需要研究產量、出米率和稻谷價格的關系，確定出米率適宜范圍。本研究中適宜的出米范圍為55%～60%，在此范圍內出米率每增加1%，稻谷每500 g售價增加0.05～0.10元。出米率低于55%，建議每500 g售價降低0.1～0.2元。按照這樣的定價方式引導農戶追求較高的出米率而不是單純的追求高產，這樣將有利于節肥和高效目標協同。考慮到氮肥用量和出米率的關系并不一致，有些研究認為施氮量與出米率為正相關，此時用施氮量和精米產量關系計算最佳施氮量則更高，環境風險可能加大。由此可見，施氮量與出米率的關系是確定最佳施氮量的關鍵，如果施氮量對出米率沒有影響，則兩種方法所確定的施肥量相同。由于水稻是人類主要口糧，多以精米的形式出現，建議在確定最佳施氮量前要研究施肥量與出米率的關系，根據此關系來確定采用哪種肥料效應函數來確定最佳施氮量，從而更好地協調產量、品質和環境三者的關系。

3.2 合理密植條件下減氮有利于改善精米品質

施氮量和密度會影響精米率、蛋白質含量、直鏈淀粉和食味值等品質指標，施氮量對于精米率的影響研究結果并不相同。彭斌等[26]認為，隨著氮肥用量的增加，精米率提高；李禹堯[27]認為，氮肥的用量與精米率呈倒拋物線型變化趨勢。丁濤[28]認為，密度對精米率無顯著影響。本研究表明，氮肥用量與精米率呈顯著負相關，隨著氮肥用量的增加，精米率降低。精米率高低與稻谷硬度有關，稻谷灌漿充分，硬度大則精米率高。隨著氮肥用量提高，水稻灌漿充實度下降，硬度也降低，千粒重和結實率均降低，因此精米率降低。有人認為增加插秧密度，精米率會降低[29]。本試驗中高密度處理精米率有降低趨勢，但是差異不顯著。

施氮量與精米直鏈淀粉含量關系研究結果也不盡相同。Deng等[30]認為，在一定范圍內隨著氮肥用量的增加，直鏈淀粉含量先升高，達到最大值后降低。占新春等[31]研究認為，氮肥對直鏈淀粉含量影響差異不顯著。隨著施氮量與栽培密度的增加，直鏈淀粉含量表現為先降低后升高的趨勢[32]。本試驗結果表明，密度和施氮量對直鏈淀粉含量影響不顯著。蛋白質含量主要受到植株氮素營養的影響，前人對施氮肥與水稻籽粒蛋白質含量變化關系的研究結果基本一致，認為增加氮肥施用量可以提高水稻的蛋白質含量，本研究進一步確認了上述觀點。一般蛋白質含量和食味品質具有一定的負相關關系，蛋白質含量增加食味值則下降。密度增加后植株含氮量是否增加國內外研究結果并不一致，在一定范圍內密度增加，水稻植株氮積累總量和產量一般均增加，密度增加籽粒含氮量是否增加與產量和吸氮量比值有關。本研究中密度增加，產量和吸氮量比值有增加趨勢，也就是單位吸氮量生產了更多的稻谷，產量增加快于吸氮量的增加，表現為稀釋效應，因此精米蛋白含量降低。施氮量和密度對水稻產量和品質的影響與其他研究結果[3–4]一致。本試驗中高氮和低密度處理精米蛋白質含量增加，對應的食味值降低。可見適當減少氮肥用量并合理密植能夠提高精米食味品質，改善精米口感。從精米品質角度看，在推薦施氮量時引入出米率(精米率)這一指標有利于減氮，從而提高精米食味品質，使口感更佳，因此在確定氮肥用量時考慮出米率這一指標有利于節氮提質。

3.3 合理密植條件下減氮有利于提高水稻氮肥利用效率

施氮量和密度對氮效率有顯著影響[33]。在一定范圍內，隨著施氮量的增加，氮肥回收利用率降低。也有研究顯示，隨著氮肥用量增加氮肥回收利用率先增加后降低[3]。本研究顯示，隨著氮肥用量增加氮肥回收利用率先增加后降低。這可能是因為施氮量過低導致群體結構不佳從而影響氮素吸收利用。隨著施氮量的增加，氮肥農學效率、生理利用率和偏生產力均呈現下降趨勢，這與其他研究[34–35]結果一致。2019年氮肥回收利用率和氮肥農學效率均低于2018年，而氮肥偏生產力則高于2018年。一般認為溫度升高有助于提高植株吸氮量[36]，因此2019年無氮肥區吸氮量和施氮后吸氮量均顯著高于2018年，施肥后產量也高于2018年，因此氮肥偏生產力高于2018年。2019年無氮肥區吸氮量比2018年平均增加18.30% (表4)，造成施肥后吸氮量增加以及單位氮增產的水稻均降低，因此2019年氮肥回收效率和氮肥農學效率均低于2018年。這可能與水稻優先利用土壤氮有關，深層次原因尚需深入研究。

一般認為增加種植密度，適當降低氮肥施用量是提高水稻氮肥利用效率的重要措施[37]。本研究證實增加密度有利于氮累積，但是對氮肥回收利用率和生理利用率影響均不顯著。合理密植促進了群體平衡，保證了根系對土壤氮素及氮肥的吸收，養分吸收量同步增加，但養分在作物體內的利用沒有發生明顯的改變，因此氮肥生理利用率和氮肥回收利用率都沒有明顯差異。可見合理密植更容易發揮根冠、庫源等株型優勢，合理增密利于減氮。由于增密提高了產量，因此密度增加使氮肥偏生產力明顯提高(表4)。可見，減氮增密可不同程度提高氮肥偏生產力等相關指標[38]。

4 結論

合理密植和減氮能夠增加水稻產量，改善精米品質。增密促進了水稻對土壤氮吸收，提高氮素積累和氮肥偏生產力，但是對氮肥回收利用率影響不大。在本試驗合理密植(24穴/m2)條件下，‘五優稻4號’施氮量為76.2～105.9 kg/hm2時有利于稻米高產和優質，并實現氮肥減施高效。精米率對氮肥有負響應的水稻品種，應以施氮量和精米產量效應函數確定適宜施氮量。