基于施肥模型的有機肥等氮替代化肥對水稻產量與經濟效益的影響

水稻是我國的主要糧食作物，其產量直接影響糧食安全與社會穩定。施肥作為保障水稻持續高產和穩產的關鍵措施之一，對于提高水稻產量至關重要。統計數據顯示，肥料對水稻產量的提升貢獻率達到 。作為農業生產的重要基礎，化肥在促進糧食增產和農業發展中發揮著不可替代的作用。然而，化肥的過度使用已引發一系列嚴重的生態環境問題，如水體富營養化、地下水污染及王壤質量退化等5。2023年全國化肥使用量高達5714萬t，資源浪費和環境負擔問題愈發嚴峻。為應對這一挑戰，農業農村部明確提出“化肥減量”目標，并將其作為農村污染治理的重要任務之一。在此背景下，探索可持續的施肥模式成為推動農業綠色發展、提升水稻生產效率的關鍵方向。隨著化肥減量增效工作逐步深人，僅依靠調整化肥配比、秸稈還田等技術難以在確保作物產量的同時有效減少化肥施用。在此背景下，推廣有機肥作為養分補充來源，成為減少化肥施用的必要選擇。有機肥的施用能夠改善土壤結構，增加土壤有機質含量，優化土壤微生物群落，培肥地力，從而減少化肥的依賴-。陶玥玥等5]研究表明，有機肥的施用能顯著提高耕層土壤的全氮和有機質含量，改善土壤酸堿性。然而，也有研究指出，隨著有機肥替代化肥比例的提高，作物產量可能受到不利影響。萬辰等研究顯示，隨著有機肥替代比例的增加，水稻有效穗數顯著下降，進而導致產量降低。此外，張璐等研究發現，適當減少化肥施用比例或配合使用綠肥，能夠顯著提高水稻的氮肥偏生產力和農學利用率，在減少 40% 化肥氮的情況下，仍可實現作物穩產。上述研究表明，有機肥與化肥的合理配施對作物生產和環境保護具有重要意義。盡管有機肥在農業生產中的應用潛力巨大，但關于其與化肥不同配施比例對水稻產量和經濟效益影響的研究仍需進一步深化。特別是在稻作區，合理配置有機肥與化肥能有效提升水稻產量和品質，改善土壤肥力，提高養分利用效率，從而為化肥減量提供科學依據。基于上述背景，本研究以商品有機肥為試驗材料，結合縣稻作區的實際生產條件，進行有機肥替代化肥田間試驗，重點評估商品有肥在不同配施比例下對水稻生長、產量及經濟效益的影響，并通過肥料效應函數模型分析最佳施肥比例，明確有機肥替代化肥的效果和可行性，為縣等類似地區優化施肥策略和實現農業可持續發展提供科學依據。

1材料與方法

1.1試驗地概況

縣地處江蘇省北部，黃淮平原東部，淮河下游，水稻大區試驗設在漣城街道宣北村 ，稻田平整，肥力均勻，交通便利，利于觀察，具有代表性；前茬作物為小麥，平均產量為9750 ，試驗田具體養分含量情況如表1所示。

1.2試驗材料

供試水稻品種為寧香粳9號，屬粳型早熟常規水稻，株型緊湊，株高適中，莖稈較粗壯，分蘗力和成穗率中等偏上，抗倒性好，群體整齊度好，成熟期秸青籽黃，產量為9000kg·hm-2。

本試驗所使用的有機肥購自淮安柴采河農業科技股份有限公司，其中N+P2O2，有機質含量為 30% ，N含量為 1.6% ，P含量為 2.36% ，K含量為 1.27% 。供試化肥為尿素 （N46% ）過磷酸鈣 和硫酸鉀（ ）均為普通市售商品化肥。

1.3試驗設計

試驗共設6個處理，分別為純化肥施肥（CK）有機肥替代 10% 化學氮肥（T1）有機肥替代 20% 化學氮肥（T2）有機肥替代 30% 化肥氮肥（T3）有機肥替代 40% 化肥氮肥（T4）和純有機肥（CF），具體養分施用量如表2所示。因有機肥引入的磷、鉀，每個小區均從化學磷、鉀肥中相應扣除。

1.4 田間管理

土地平整后，每個小區面積為 ，均實行灌溉與排水分開，單獨設立排灌水溝，并進行埂包隔離，防止水流和肥料交叉影響。各小區的四周設有保護行，防止外部干擾。試驗于2024年6月27日開始施用基肥，并采用定點插植方式進行作物種植。隨后，分別于7月10日施用分蘗肥，8月7日施用穗肥。各個時期的化肥施用量詳見表3。整個試驗期間，各小區水分管理保持一致，直至10月26日收割。

1.5測定項目與數據處理

每個小區單獨收獲，割方計產，同時記錄實產及產量構成因子，用以計算理論單產。植株樣品全氮含量通過自動定氮儀進行測定[2]。

以上數據通過Excel進行初步處理，通過統計軟件進行統計分析。每組試驗重復3次，每個數值均為不同處理的均值和標準差，小寫字母表示處理之間差異顯著（ Plt;0.05根據下列公式計算氮累積量與氮收獲指數等指標：

氮累積量 氮含量（mg·g-1）× 干物質量（kg·hm-2）x1000

氮收獲指數 （%）= 籽粒中氮累積量 /地 上部氮累積量

2 結果與分析

2.1有機肥等氮替代對水稻產量及其構成因素的影響

表4展示了不同處理對水稻產量構成因素的影響。結果表明，各處理的株高均顯著高于CF處理，并且與CK無顯著差異 Pgt;0.05 ）。其中，T1、T2處理的株高均為 97.00cm ，為最高值。穗長方面，除CF處理外，各處理間差異不顯著（ Pgt;0.05 ，而CF處理的穗長最短，僅為 13.36cm 。有效穗數方面，各處理顯著高于CF處理（ Plt;0.05 ），其中T2處理的有效穗數最高，為 穗· 。穗粒數方面，T2處理的穗粒數為198.14粒，顯著高于其他處理，表明適當比例的有機肥替代有利于增加穗粒數。結實率方面，各處理間差異不顯著 ，但CK的結實率最高，為 76.40% 。千粒質量方面，各處理間無顯著差異（ Pgt;0.05 ）。理論產量方面，T2處理的理論產量達到 ，顯著高于T4、CF處理 ），表現出最佳的綜合效果。

2.2有機肥等氮替代對氮素養分吸收的影響

圖1顯示了不同處理對水稻籽粒與稻秸氮素含量、氮累積量和氮收獲指數的影響。結果表明，成熟期水稻籽粒中全氮含量顯著高于稻秸，各處理間籽粒氮含量無顯著差異。有機肥替代化肥降低了稻秸中全氮含量，但替代比例低于 40% 時，各處理間差異不顯著。然而，隨著有機肥替代比例的提高，稻秸氮含量顯著下降 Plt;0.05 ）。氮累積量方面，隨著有機肥替代比例的增加，呈現先增加后減少趨勢。與CK相比，CF處理的氮累積量顯著降低，籽粒和稻秸的降幅分別達到 40% 和 42% 。氮收獲指數在各處理中無顯著差異。

2.3有機肥等氮替代對水稻產量與經濟效益的影響

圖2顯示了有機肥等氮下各處理的實際產量。由圖2可知，有機肥等氮替代化肥比例低于 30% 時，水稻實際產量無顯著差異 （Pgt;0.05 ）。T2處理的實際產量最高，達到 較 1增產 6.62% ，顯著高于 處理（ Plt;0.05 。T1處理的產量為 ，較CK增產 3.66% 。相比之下，CF處理的產量最低，僅為 ，較CK減少 37.13% 。增產比顯示，T2處理在促進水稻生長和提高產量方面表現最佳。

表5比較了不同處理下水稻的經濟效益。T2處理的產值最高（2.53萬元· ），較CK增加0.15萬元。成本方面，CF處理的成本最高（0.92萬元 ），而CK的成本最低（0.30萬元 ）。經濟效益方面，T2處理的經濟效益為0.83萬元 ，高于其他處理，凈增收益為1076.0元 ，表現最佳。相比之下，CF處理因成本高、產量低，經濟效益為負值，說明當前條件下，純有機肥施用模式不可行。產投比方面，T1、T2處理的產投比均為1.5，表現出較高的投入回報。

2.4水稻產量的模型擬合與經濟效益分析

由圖2可知，有機肥等氮替代氮肥比例低于40% 時，各處理間產量存在差異。通過產量曲線模型可以反映出產量隨有機肥等氮替代施用量變化的趨勢[5.I3]。本研究對有機肥等氮替代氮肥比例低于40% 處理的產量進行函數擬合。由圖2可知，水稻實際產量與有機肥施用比之間呈現出二次函數關系，公式為 Y（X）=-26.21X2+7.95X+8.79，0lt;40%，R2=0.9889。隨著有機肥施用比的增加，水稻實際產量呈先增長后降低趨勢。超出 40% 施用比后，實際產量不斷降低，最終將會無限趨近于土壤背景產量未施肥時，土壤自然產量14，二次函數模型將不再適用。對此，本研究對二次函數進行極值運算，擬推算出最佳有機肥施用量比及最高水稻產量。模型擬合表明，當有機肥施用比例為 15.2% 時，水稻產量達到最大值 ）

為了提高有機肥施用經濟效益，通過總產量曲線對生產利潤 P（X） 和利潤率 R（X） 進行分析，公式如下：

式中， 為總產量曲線中不同有機肥施用比下的水稻產量； 為水稻收購價格2700元· 為生產總成本； 為有機肥施用比 X 下有機肥、氮肥、磷肥及鉀肥施用成本函數； 為土地耕作固定成本，取值為13500元 。

肥料施用成本函數 公式如下：

式中， 267.8，60.0，84.5 為單位土地氮磷鉀養分的總施入量 為有機肥中氮磷鉀養分的含量， 46%12%.52% 為單質化肥氮磷鉀養分的含量， 0.55、2.7、1.25、5.0為有機肥、尿素、過磷酸鈣及硫酸鉀的單價（元· ）。

生產利潤函數 P（X） 與 R（X） 公式如下：

由圖3可知，隨著有機肥施用比的增加，生產利潤與利潤率不斷增加。當有機肥替代 13.6% 化學氮肥時，施肥利潤率最大 （51.7% ）。當有機肥替代比例超過 13.6% 時，施肥利潤率不斷降低。當有機肥施用比達到 14.1% 時，施肥利潤最大（8635元），之后繼續增加有機肥施肥比，生產利潤和利潤率急劇下滑。因此，有機肥等氮替代化肥的經濟施肥區間為13.6%～14.1% 。

3討論與結論

3.1討論

3.1.1有機肥與化肥配施對水稻產量與氮素吸收的綜合影響有機肥因富含多種營養元素、活體微生物和有機質，在農業生產中具有養分持續供給的顯著優勢[15-17]。李明瑞等8研究表明，單獨施用有機肥能夠改善土壤性質、提高土壤肥力，增加土壤微生物數量，并在一定程度上提升作物產量。然而，本研究結果顯示，CF處理的水稻株高、穗長、有效穗數、穗粒數及產量均顯著低于CK，這一結果與陶玥玥等[5]研究一致。這說明商品有機肥在當前試驗條件下肥力有限，無法完全滿足水稻對養分的需求，盡管表面上看有機肥與化肥的替代是等氮替代，實際上氮素供應的數量和動態特性存在顯著差異。有機氮的礦化過程和釋放速率決定了水稻對氮素的需求是否能夠得到及時滿足。與化肥氮不同，有機氮的釋放速率較慢，其礦化過程依賴于微生物活動，通常在水稻生長的初期階段（如分蘗期和拔節期）釋放較慢，導致氮素供應滯后。因此，盡管理論上在氮的替代過程中看似實現了“等氮替代”，但在實際施肥過程中，尤其是在初期階段，有機肥的緩釋特性可能使得水稻的氮素需求未能及時得到滿足，從而影響了水稻的早期生長和發育。本研究進一步發現，當有機肥替代化肥的比例低于 40% 時，水稻產量仍能保持穩定甚至略有提升。尤其是在有機肥替代比例為 20% 化肥（T2）條件下，水稻理論產量達到最高值 ），同時經濟效益表現最佳，這與田麗云等[9和付斌等[2研究結果相符。此外，水稻籽粒和秸稈氮素養分吸收分析結果表明，氮素收獲指數無顯著差異，并且有機肥配施基本不會影響作物的氮素養分含量，氮素累積量處理間差異顯著，這與張濟世等2研究結果一致。綜合來看，有機肥中氮素緩釋特性通過微生物逐步降解釋放，可有效保障作物的持續生長需求，避免養分快速流失[20，22-23]。

3.1.2有機肥等氮替代比例與水稻產量的非線性關系施肥效應函數模型結果表明，水稻產量與有機肥等氮替代比例之間呈現出先增加后下降的非線性關系，并且隨著有機肥等氮替代比例的增加，產量在一定范圍內會因養分供應充足而增加，但當替代比例過高時，產量因養分供應不足而逐漸下降。模型擬合結果顯示，當有機肥等氮替代化肥比例為 15.2% 時，水稻產量達到最大值 ，而進一步提高替代比例后，產量下降至土壤背景產量水平，這一非線性關系與毛達如等24和Thole等2研究結果一致。這表明有機肥速效養分含量相對較低，隨著施用量的增加，其效果會逐漸遞減，并且無法完全替代化肥在關鍵生長期（如分蘗期、拔節期）的養分供給作用。此外，模型分析表明，單一函數曲線難以全面描述不同有機肥替代比例對水稻產量的復雜影響，通常需要結合平臺函數等方法進行補充分析4。由于本研究的試驗范圍涵蓋了有機肥替代 40% 至純有機肥的廣泛跨度，針對純有機肥替代的討論未被納入研究重點。

3.1.3有機肥等氮替代化肥對經濟效益的提升從經濟效益的角度來看，當有機肥等氮替代化肥的比例為 14.1% 時，水稻生產利潤達到最高值（8635元 ，同時利潤率達到 51.6% 。這一最佳替代比例不僅能夠實現較高的經濟回報，還能減少化肥的使用，降低環境污染，對農業可持續發展具有重要意義。相比之下，因肥料成本較高且產量較低，純有機肥處理表現出負經濟效益（-15016.6元 ），表明在當前條件下，純有機肥完全替代化肥的模式并不適宜。綜合考慮養分供應、產量水平與經濟效益，有機肥等氮替代化肥的經濟最佳區間為 13.6%～ 14.1% 。這一施肥策略的實施可以減少化肥使用，顯著提高了水稻的經濟效益，有效減少了養分流失，降低了農業生產對生態環境的負面影響。本研究為稻作區合理配置有機肥與化肥提供了科學依據，進一步支持了通過適度替代化肥實現綠色農業發展的可行性。

3.2結論

本研究表明，有機肥適度替代化肥可顯著改善水稻生長性能，提高產量及經濟效益，尤其是有機肥替代 20% 氮肥時，水稻表現最佳。通過模型擬合分析可知，當有機肥替代比例為 14.1% 時，施肥收益最高，為8635元 。與純有機肥施用相比，配施化肥的效果明顯較好，尤其在產量和經濟效益方面。這表明有機肥與化肥的合理配施對水稻生產的可持續性具有重要意義。

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