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*主要的口糧作物，稻谷產(chǎn)量約占糧食產(chǎn)量的1/3，全國有2/3的人口以稻米為主食，持續(xù)提高水稻產(chǎn)量對保障我國乃至世界的糧食和人民的生活具有重要的作用[3，4]。長期以來，我國水稻生產(chǎn)以矮稈、抗倒、耐肥品種的培育和應用為基礎，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)稻國中名列前茅，為我國經(jīng)濟發(fā)展做出了重要貢獻[4-6]。但與此同時也形成了高投入、高產(chǎn)出、高污染、低效益的“三高一低”生產(chǎn)模式，給社會、經(jīng)濟和環(huán)境帶來了巨大的壓力[5-8]。氮素是水稻生產(chǎn)中的關鍵因子，也是水稻生產(chǎn)成本投入的主要部分。多年來我國水稻增產(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270kg/hm2，較全國一季水稻均氮肥施用量高出50%，氮均農(nóng)學利用率（單位施氮量增加的產(chǎn)量）不足12kg/kg N，不到發(fā)達國家的一半[13-16]。氮肥投入量過多、利用效率低不僅增加生產(chǎn)成本，而且還會造成嚴重的環(huán)境污染并降低稻米品質[15-18]。隨著我國社會經(jīng)濟發(fā)展和消費升級，以及受外部形勢等影響，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？這是國內(nèi)外關注的熱點，也是學術界仍在爭論的重大科學命題[5，19-23]。探明高產(chǎn)水稻氮肥利用的原理與技術，對于解答水稻產(chǎn)量與氮肥利用率協(xié)同提高的科學問題，建立綠色、、優(yōu)質和可持續(xù)發(fā)展的水稻生產(chǎn)技術體系，保障我國糧食具有十分重要的理論和實踐意義。
　　1.1 氮肥（素）利用率的評價指標
　　氮肥或氮素利用率常用的定量評價指標有氮素干物質利用率、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)學利用率、氮肥偏生產(chǎn)力等，這些指標從不同角度反映了作物對氮肥或氮素的吸收利用狀況[24-26]。
　　1.1.1 氮素利用率
　　計算氮素利用率時無須設立氮空白區(qū)，直接以水稻吸氮量表示水稻對氮素的利用效率。又可分為氮素干物質利用率和氮素籽粒生產(chǎn)效率兩種。
　　氮素干物質利用率（biomass nitrogen use efficiency，BEN），又稱為氮素干物質生產(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)生的干物質的量。其計算公式為 BEN（kg/kg N）＝某一生育時期地上部水稻生物產(chǎn)量/對應生育時期的水稻吸氮量。用該指標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68kg/kg N [27]。我國目前水稻生產(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]。
　　以上兩個指標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，上述兩個指標無法真正反映當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
　　通過設立無氮區(qū)（不施氮區(qū)或氮空白區(qū)），在計算氮肥利用率時需減去無氮區(qū)的本底值。主要指標有氮肥吸收利用率、氮肥生理利用率和氮肥農(nóng)學利用率等。
　　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有關，而且與施用氮肥的種類有密切關系。在較好的栽培管理條件下，氮肥吸收利用率可達50%以上，甚至80%[29-31]。我國大多數(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化為經(jīng)濟產(chǎn)量的能力，其定義為作物因施用氮肥而增加的產(chǎn)量與相應的植株氮素增加量的比值。其計算公式為 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，在氮肥運籌較好的情況下，氮肥生理利用率約為50kg/kg N[24-26]。一般認為，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?shù)�肥過量施用時，會造成水稻對氮素的奢侈吸收，降低氮肥生理利用率，我國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、氣候條件等對氮肥農(nóng)學利用率有很大影響。氮肥深施或施用緩控釋氮肥，農(nóng)學利用率可達20～30kg/kg N[41-43]。有學者認為，在較好的營養(yǎng)及作物管理條件下，水稻的氮肥農(nóng)學利用率應大于或等于20kg/kg N[27]。在我國，水稻的氮肥農(nóng)學利用率在1958～1965年為15～20kg/kg N30年南方稻區(qū)的氮肥農(nóng)學利用均不到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)學利用率反映了氮素投入與產(chǎn)出之間的關系，可以衡量氮肥的投入對產(chǎn)量增加的貢獻度。長期以來，我國將氮肥吸收利用率作為氮肥利用率的一個重要評價指標。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并不能充分反映施氮的增產(chǎn)效應或經(jīng)濟效益；而氮肥的農(nóng)學利用率直接反映了施氮的增產(chǎn)效率，且該指標不需要測定稻株中含氮量和氮積累量，計算方便。鑒于此有人認為，在生產(chǎn)上用氮肥農(nóng)學利用率評定氮肥利用率及作為計算施量的一個參數(shù)更為直接和簡單[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。計算該指標值既不需要設置氮空白小區(qū)，也無須測定植株的氮素吸收量，方法簡單。其計算公式為 PFP（kg/kg N）=水稻產(chǎn)量/施氮量。但該指標不僅受到土壤供氮能力的影響，還受到施氮量的影響。當施氮量相同，土壤有效氮供應不同，土壤供氮能力強或基礎地力產(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，當施氮量很低時，氮肥偏生產(chǎn)力值會很高。因此，只有當施氮量較高時，氮肥偏生產(chǎn)力才能較為客觀地反映氮肥的利用效率。在較好的作物管理條件下，氮肥偏生產(chǎn)力可超過50kg/kg N[48]。在我國南方稻區(qū)，氮肥偏生產(chǎn)力大多在30～40kg/kg N [49-51]。
　　除了上述氮肥（素）利用率的評價指標，還有一些用于表示水稻氮素轉運和分配的指標，主要有氮轉運率（nitrogen translocation rate）和氮收獲指數(shù)（nitrogen harvest index）。氮轉運率主要反映水稻抽穗至成熟期營養(yǎng)器官中的氮向其他器官（如籽粒）轉運的情況，計算公式為氮轉運率（%）=（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，我國水稻各氮肥（素）利用率指標明顯低于日本等發(fā)達國家，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稻作科學的一個熱點和。
　　1.2 水稻主要氮肥施用技術
　　多年以來，我國農(nóng)業(yè)科學工作者對水稻氮肥吸收規(guī)律、氮肥的損失途徑和施用技術行了大量研究，創(chuàng)建、集成或了一系列水稻氮肥施用技術。早期的水稻氮肥施用技術主括單季晚稻的“三黃三黑”葉色診斷施肥技術，雙季早稻的“前促一炮轟”施肥技術，雙季晚稻的“基肥足、追肥早、穗肥巧”施肥技術，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，在我國水稻生產(chǎn)上推廣應用的氮肥施用技術主要有：區(qū)均適宜施氮量法、測土配方施肥技術、實地氮肥管理、定量施肥技術、“三定”栽培技術、“三控”施肥技術、“三因”氮肥施用技術、水氮耦合調(diào)控技術等[14，51，57-65]。這些技術為提高水稻產(chǎn)量和氮肥利用率，減少氮素損失對環(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。該方法的要點是，通過多年多點的田間肥料試驗得到產(chǎn)量與施氮（主要為化學氮肥）量關系的一元二次方程，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的結果表明，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、和降低氮素損失的效果[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，還需結合田塊的供肥能力及水稻各生育期氮素需求特行實時實地的氮肥管理。
　　1.2.2 測土配方施肥技術
　　測土配方施肥技術（soil testing formula fertilization technology）是以土壤養(yǎng)分含量測試和肥料田間試驗為基礎，根據(jù)作物對氮、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，實現(xiàn)各種養(yǎng)衡供應，達到提高作物產(chǎn)量和肥料利用率、改善農(nóng)產(chǎn)品品質、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，土壤氮素轉化過程復雜，任何單純的化學浸提方法測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62個田塊的觀察，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