中国水稻生产氮肥利用率研究

中国水稻生产氮肥利用率研究

1中国稻田肥料利用情况氮素对水稻生产的影响仅次于水，是水稻生产投资的主要部分。为满足人口的不断增加的需求,全球作物单产也一直在持续增长,这与肥料尤其是氮肥施用量的增加密切相关。农民常常施用过量的氮肥以获得高产。另一方面,氮肥价格的相对偏低也促使了氮肥的过量施用。1961～1999年,全球氮肥用量(以元素N计)从11.6×106t增加到85.5×106t,增加了6.4倍。而中国在同期内氮肥用量增加了43.8倍(图)。1961年,中国氮肥用量约占世界氮肥总用量的5%,这一比例在1980年上升至20%。鲁如坤等在15年前预测,中国2000年氮肥用量将达到18×106t。事实上,中国在1996年的氮肥用量就已经超过了25×106t。目前,中国氮肥用量占全球氮肥用量的30%,成为世界第一大消费国。从FAO提供的资料来看,中国1995～1997年水稻种植面积年均31.7×106ha,占世界水稻种植面积的20%(表1)。然而,中国水稻氮肥用量占全球水稻氮肥总用量的37%,水稻总产为世界稻谷总产的35%左右(表2)。中国稻田单季水稻氮肥用量平均为180kg/ha,这一用量比世界稻田氮肥单位面积平均用量大约高75%左右。中国水稻平均单产为6.18t/ha,比世界平均单产高65%左右。中国稻田氮肥用量约占氮肥总消费量的24%左右。到目前为止,氮肥利用率(fertilizer-Nuseefficiency,FNUE)的定义在国内仍然没有形成统一的标准。国外通用的氮肥利用率的定量指标有氮肥吸收利用率(recoveryefficiency或uptakeefficiency,RE),氮肥生理利用率(physiologicalefficiency,PE),氮肥农学利用率(agronomicefficiency,AE)和氮肥偏生产力(partialfactorproductivityofappliedN,PFP),这些指标从不同的侧面描述了作物对氮素或氮肥的利用率。氮肥吸收利用率(RE)是指施肥区作物氮素积累量与空白区氮素积累量的差占施用氮肥总氮量的百分数(表3)。氮肥生理利用率(PE)反映了作物对所吸收的肥料氮素在作物体内的利用率,其定义为作物因施用氮肥而增加的产量与相应的氮素积累量的增加量的比值。氮肥农学利用率(AE)则是作物氮肥吸收利用率与生理利用率的乘积,指作物施用氮肥后增加的产量与施用的氮肥量之比值。氮肥偏生产力(PFP)则反映了作物吸收肥料氮和土壤氮后所产生的边际效应,定义为作物施肥后的产量与氮肥施用量的比值。灌溉稻田施用氮肥后,由于在土壤-水系统中氨的挥发,反硝化作用,表面流失以及渗漏作用等造成氮肥的损失,因此氮肥利用率相对偏低。氮肥的损失量与氮肥施用时期,施用方法,氮肥种类,土壤理化性状,气候特点以及作物生长状况密切相关。一般而言,氨的挥发损失是灌溉稻田肥料氮素损失的主要途径。热带稻田的氮肥吸收利用率一般为30%～50%。朱兆良报道,在中国稻田碳铵的氮肥吸收利用率低于30%,尿素为30%～40%。李庆逵报道,中国稻田氮肥吸收利用率为30%～35%。李荣刚报道,江苏省水稻的氮肥吸收利用率仅19.9%,显著低于全国平均水平。如此低的氮肥吸收利用率主要是由于江苏稻农氮肥施用量过高所致(表4)。通常,氮肥的生理利用率比较稳定,受水稻产量的影响较小。热带稻作区氮肥生理利用率约为50kg稻谷/kgN(DeDatta)。一般认为,在温带地区,在适宜的施氮量的条件下,水稻的氮肥生理利用率比热带地区要高20%左右。当氮肥过量施用时,会造成水稻对氮的奢侈吸收,因而氮肥生理利用率将急剧下降。张绍林等根据在太湖地区进行的26个田间试验的研究结果指出,当稻田施氮量由46kg/ha增加到230kg/ha时,氮肥的生理利用率由45.0kg/kgN下降至22.7kg/kgN。张绍林等报道,在江苏太湖地区,早稻,晚稻的一季晚稻的氮肥生理利用率分别为36.2、41.5和33.1kg/kgN。在水稻生长后期过量施用氮肥比在水稻生长前期过量施用氮肥引起的氮肥生理利用率降低的幅度更大。Yoshida指出,在热带地区水稻的氮肥农学利用率(AE)为15～25kg/kgN。Cassman等报道,在菲律宾旱季水稻的氮肥农学利用率为15～18kg/kgN。在中国,1958～1963年氮肥农学利用率为15～20kg/kgN,1981～1983年下降至9.1kg/kgN。此后,随着氮肥用量的增加,其农学利用率可能仍在继续下降。氮肥偏生产力与氮肥施用量呈负相关。当氮肥用量较低时,氮肥偏生产力主要反映了水稻从土壤及灌溉水系统中吸收的氮素对稻谷生产的贡献。因此,只有当氮肥用量较高时氮肥偏生产力用作氮肥利用率的指标才更具意义。中国的氮肥偏生产力略低于世界平均水平,但是显著低于日本(表2)。中国稻田单位面积氮肥用量是日本的两倍,但两者水稻产量相当。对以上氮肥利用率各个组成因素进行分析清楚地表明,尽管中国稻田氮肥利用率在世界主要产稻国中不是最低的,但仍然相当低。因此,为提高我国水稻氮肥利用率,我国的水稻科学家、稻农和决策者将面临着巨大的挑战。氮肥利用率低和大量的氮素损失将导致一系列环境问题。氮肥的表面流失和渗漏直接导致地下水污染和江河湖泊的富营养化作用。调查显示,稻作区稻农饮用的地下水中能检测出铵和硝酸盐。而饮用水中硝酸盐浓度高于10mg/L将可能导致婴儿高铁血红蛋白血症和成人胃癌。富营养化作用是水面由于水体中过多的营养元素,尤其是氮、磷的富集促进藻类和其它水生植物的大量生长繁殖的结果。据报道,中国水面富营养化作用的面积正在逐年增加,其原因之一就是作物氮肥利用率低所致。反硝化作用由于释放出温室气体氧化亚氮(N2O)可能导致全球气候变暖。从全球范围来看,农业生产过程中释放的氧化亚氮占大气层总量的70%。一分子的N2O导致气候变暖的效应与310分子的CO2相当。大气中氧化亚氮的浓度正以每年0.25%的速率递增。因此,改善作物氮肥利用率,尤其是氮肥吸收利用率,在环境保护中也将起到重要的作用。1999年,中国耗费47.2×106美元进口1.54×106t氮肥,氮肥进口量占全国氮肥总量的6%。在中国,氮肥成本占水稻生产外部投入总成本的份额高达35%(只包括肥料,农药,种子和灌溉成本)。在维持一定水稻产量的前提下,提高氮肥利用率和降低氮素的损失也有利于增加稻农的收入,同时也可以减少氮肥进口而节省外汇。此外,在齐穗期后降低氮肥的施用量有利于提高稻米的食味品质。2对作物施肥效果的影响过去30年来,提高水稻氮肥利用率的研究重点主要锁定在如何最大限度地减少氨的挥发和反硝化作用而降低氮素的损失。人们在研究新的施肥法以及改变氮肥型态来降低氮素损失方面取得了重大进展。另一重要的研究领域是关于最适施肥时期和采用最佳施氮量的研究,研究目标是促进作物对氮肥的吸收利用。研究者们也试图通过育种的手段来提高作物的氮肥利用率,不过这一方面所取得的进展目前还未见大面积应用的报道。绿肥、农家肥以及固氮作用也间接影响着氮肥利用率,限于篇幅,本文没有对此进行讨论。2.1对超粒尿素深施的初步施肥氮肥面施后,稻田表面水中铵态氮浓度增加,pH值上升,从而导致氨的挥发损失。而将铵态氮肥施用于处于还原态土壤中能显著地降低氨的挥发损失。DeDatta认为,氮肥深施是提高淹水稻田氮肥利用率的最有效的途径。研究者们通过人工或专用机械将普通尿素或液体肥料深施效果明显。近年来,研究者将尿素制成超大粒(ureasupergranules,USM),单颗重达1g甚至更重,以便于氮肥颗粒深施。朱兆良认为,综合考虑氮素的损失,作物对氮的吸收以及劳力消耗等诸因素,氮肥深施的深度以6～10cm比较适宜。DeDatta报道,氮肥点状深施比条状深施效果更好。试验证明,与传统的面施方法相比,氮肥深施不仅能减少氮素的损失,而且能增加产量。因此,氮肥深施往往能获得较高的农学利用率。朱兆良指出,超大颗粒尿素采用深施的方法,其适宜的氮肥用量是传统施肥法要求的最适用量的76%～93%。因此,他建议采用超大颗粒尿素深施可考虑降低氮肥用量以进一步提高水稻氮肥利用率。值得注意的是,在热带地区试验条件下,水稻幼穗分化期庞大根系基本发育形成,水稻对氮的需求和吸收氮的能力都很强,此时面施普通尿素其氮肥吸收利用率也高达78%。在这种情况下,氮肥深施是否还有必要?今后氮肥深施的研究将致力于开发简单的施肥机械以利于精量施肥和降低劳动强度。2.2控释肥的释放水稻生产最常见的氮肥种类包括尿素、碳铵、硫铵和磷铵。如果使用得当,应用这些氮肥获得的最高产量差异不大。其中尿素在水稻生产中应用最广。缓释氮肥能减少氮素的损失。目前大面积试用的缓释氮肥是硫包尿素(sulfur-coatedurea,SCU)。许多研究表明,硫包尿素能降低土壤和田面水中的氮浓度,因而降低氨的挥发损失。更有意义的是硫包尿素能为水稻全生长期提供足量的氮素供应。大量的试验结果表明,硫包尿素在大多数土壤和环境条件下均表现出明显的增产效果。研究者们还对其它几种缓释氮肥的效果进行了评价。例如钙镁磷肥包衣碳铵、尿素甲醛(ureaformaldehyde)、异丁烯缩二脲(isobutylidenediurea)、丁烯缩二脲(crotonylidenediurea)和鸟苷磷酸化尿素(guanylureaphosphate)。这些形态的缓释氮肥能明显地降低肥料氮素的损失,但由于生产成本过高而制约了它们在水稻生产中的应用。控释肥的目的是在肥料一次基施后,根据作物在不同生长期对养分的需要适量地提供所需养分。其原理是在特定的温度下,控释肥养分的释放模拟作物生长发育进程及不同时期的需肥量。例如日本Sierra化学工业公司上市的控释肥Osmocote,采用dicyclopentadine和乙二醇酯的聚合物作包衣材料。日本Chisso-Asahi肥料公司最近开发了一种新的控释肥产品“Meister”,其包衣材料是人造热缩树脂(如多孔polyolefinic和多孔偏二氯乙烯树脂及其聚合体)。已经有7种型号的Meister控释肥产品适用不同生育期的作物,它们在田间条件下和20℃的温度下,80%的氮素可以在70～400d内释放。同样,控释肥的生产成本过高也是制约这一技术成果在水稻生产中应用的主要限制因素。2.3尿素抑制剂的筛选硝化抑制剂能抑制铵态氮向硝态氮的转化从而降低氮素损失。最常用的硝化抑制剂有2-氯-6-(三氯甲基)-嘧啶[2-chloro-6-(trichloromethyl)pyridine]和双氰胺(dicyandiamide,DCD)。DeDatta报道,即使在尿素颗粒中加入10%或15%的双氰胺,其产量与等氮量的对照差异并不明显。朱兆良认为,硝化抑制剂没有明显降低氮损失的效果。因此,今后的研究应该致力于筛选出比现有的硝化抑制剂效果更好的制剂。脲酶抑制剂能延缓尿素施人土壤后转化为铵态氮的速度,从而降低田面水中铵的浓度以减少氨的挥发损失。许多研究者在尿素中加入1%的脲酶抑制剂苯基磷酸酰胺(Phenylphosphorodiamidate,PPD)测试其应用效果。然而,PPD对于降低氮素损失,提高作物的吸收利用率以及提高作物产量的效果相对较小,而且不同的试验结果报道的效果不一。朱兆良总结出脲酶抑制剂效果低的原因可能是由于脲酶抑制剂本身的稳定性,脲酶抑制剂在田间实际能延缓尿素水解的时间,以及田间风速等多因素所致。2.4化肥科学施用量低由于氮肥施用后直观效果更明显,因此稻农往往重视氮肥的施用,磷、钾肥施用量则相对较少。过量偏施氮肥可能导致土壤磷、钾以及某些中量和微量元素养分的缺乏。金继运等认为,中国水稻生产氮肥农学利用率从15～20kg/kgN下降到9.1kg/kgN,主要的原因之一是偏施氮肥,而没有合理地施用适量的磷、钾肥所致。许多研究结果也支持这一观点。朱兆良报道,平衡施用氮、磷、钾肥和其它必需的营养元素能提高水稻氮肥利用率。通过氮、磷、钾肥的平衡施用,水稻产量得到进一步提高,随之而来的是部分地区出现了某些中量和微量元素的缺乏。研究结果证明,中国分别有51%、35%、21%、28%和30%的耕地缺锌、硼、锰、硫和钙。要进一步提高氮肥利用率和作物产量,就必须补充土壤所缺乏的这些养分。2.5水稻最佳化肥管理决策模型2.5.1水稻管理系统(MANAGERICE)MANAGERICE是澳大利亚科学家开发的一个计算机决策支持系统,其目的是优化水稻氮肥管理。它是水稻决策支持系统Ricecheck为基础开发出来的。在Ricecheck系统中,稻农在幼穗分化始期测定水稻地上部冠层密度,同时应用近红外光反射分光法测定叶片的氮浓度来衡量水稻氮素营养状况。Ricecheck再根据水稻氮素营养状况和其与产量的相关性推荐施氮量。应用播种期,灌水深度,温度,以及水稻叶片中的氮素浓度进行模拟模型。该模型能模拟不同氮肥用量情况下水稻的生长发育进程并计算出最终产量。MANAGERICE同时能根据最新的稻谷价格和氮肥价格,以及根据模拟出可能获得的最终产量,提供最佳氮肥管理决策推荐。2.5.2氮素管理模型(MANAGE-N)MANAGE-N是荷兰科学家为灌溉稻田最佳氮素管理而建立的决策支持系统。它是由水稻生长模拟模型(ORYZA-0)和优化程序两部分组成。ORYZA-0模拟作物的吸氮量、氮素分配和作物生长及产量。优化程序模拟则通过改变施肥的时间推导出最大模拟产量。在给定的施肥总量的基础上,优化程序推荐获得最佳产量的肥料分配方案。MANAGE-N的推荐施肥方案可增产5%～10%,同时由于施肥时间与水稻对氮素的需求更吻合,因此氮肥的农学利用率可增加20%～50%。2.5.3实地施肥管理模式(site-specificnutrientmanagement,SSNM)SSNM是通过对所输入数据综合分析后为用户提供更为经济有效的施肥推荐。该系统的输入项包括土壤氮、磷、钾的有效供应量,水稻产量,稻草带走的养分量,上季作物的施肥量,当地稻谷价格以及微量元素养分缺乏的临界值。SSNM的操作程序如下:在第1年测定土壤氮、磷、钾的有效供应量和诊断微量元素养分是否缺乏;推荐氮、磷、钾施肥量和补充所缺微量元素量;从移栽到开花灌浆期根据植株氮素状况监测结果调整最优施氮肥时间和施肥量;预测稻谷产量,稻草返还土壤的养分量以及实际施肥量。以后就可通过上一个循环获得的数据,估算养分平衡状况,进而预测土壤氮、磷、钾的变化。这样的预测值又作为下一个循环计算肥料推荐量的输入项,如此每季作物连续运转。2.6施氮模式及施肥效果实时氮肥管理强调施肥时间和氮肥施用量与作物对氮的需求量协调一致。由于叶片氮素含量与光合速率及干物质生长密切相关,因此,在一个生长季内,叶片氮素含量可以较灵敏地反映作物对氮的需求动态。叶绿素测定仪(SPAD)提供了简单、快速和无损估测叶片含氮量的方法。在利用SPAD指导的氮肥管理模式中,从移栽后15～20d开始,直至开花灌浆期每周采用SPAD测定最上一片全展叶片,当SPAD读数低于某一给定阈值时,追施氮肥30～45kgN/ha。研究表明,SPAD阈值为35适用于大多数热带现代籼稻品种。如果无氮区对照的水稻产量达4t/ha,则不需施用基肥。许多研究结果表明,SPAD施氮模式比定时施氮处理的氮肥农学利用率显著提高。在稻农田块,采用SPAD施氮模式的产量和氮肥农学利用率均高于稻农习惯施肥法。Hussain等研究采用SPAD足量指数(SPADsufficiencyindex)代替SPAD阈值来指导施肥。SPAD足量指数是指SPAD施肥处理区测得的SPAD值占足量氮肥处理区SPAD读数值的百分数。为保证参照处理区氮素供应,足量施肥处理区按常规推荐量180%～200%的用量施肥。当SPAD足量指数低于90%时,追施30kgN/ha肥。由于SPAD测定仪价格偏高而限制了其推广应用。许多国家尝试采用叶色卡(leafcolorchart,LCC)指导实时施肥管理Balasubramanian。诚然,叶色卡不如SPAD那样能精确估测水稻叶片的氮素状况。然而,我们可以对特定的品种和在当地的生长条件下应用SPAD对叶色卡进行校正,给出适宜的临界叶色来指导施肥。这样,稻农能应用叶色卡来判定水稻是否需要追肥。可见,引导稻农应用叶色卡指导施肥具有更广的应用前景。3化肥用量持续增加尽管前人在降低氮素损失和提高氮肥利用率方面做了大量工作,但中国稻田氮肥利用率仍在逐步下降。其中主要原因可能是与氮肥施用量持续增加有关。其次是降低氮素损失和提高氮肥利用率的新知识和新技术没有在水稻生产中广泛地推广和应用。与其它主要的产稻国相比,中国水稻生产氮肥利用率低的原因和需要采取的对策如下:3.1化肥系统及其施用量对化肥利用率的影响从已有的资料和文献中可以发现,中国稻田土壤无氮区对照水稻产量通常能达到5～6t/ha甚至更高,而其它产稻国通常为3～4t/ha。可见中国稻田背景氮高于其它国家的稻田。土壤背景氮高是由于长期施用大量无机和有机肥料在稻田土壤中积累所致。长期以来,中国施肥管理是以培肥土壤,提高稻田土壤生产力为宗旨。土壤背景氮是土壤肥力的一个重要参数。国际水稻研究所的土壤长期定位试验表明,无肥区产量水平为4t/ha,在氮肥用量为120～150kgN/ha,也能获得8～9t/ha的产量。尽管其空白区产量远低于中国多数稻田,但这一系统自1963年开始以来已经连续种植了113季水稻,其土壤生产力仍没有降低。相反,这一系统中氮肥的农学利用率达20～25kg/kgN,远高于中国的平均值9.1kg/kgN。由此,笔者认为,在灌溉稻田中,并不需要保持很高的土壤背景氮来维持土壤的生产力。因为培肥土壤达到高的背景氮水平往往需要消耗大量的有机和无机氮肥。而且,背景氮含量高的土壤在休耕期将会有更多的氮素损失进入环境。更重要的是土壤背景氮过高,当氮肥施用量大时将导致氮肥农学利用率降低。显然,施肥后的肥料氮素尽量让当季作物吸收利用要比施肥后的肥料氮素残留于土壤中更有利于减少氮素的损失。水稻在低背景氮的土壤条件下应该比高背景氮条件下对氮肥的反应更为敏感。笔者推测,高背景氮可能是中国氮肥利用率低的主要原因。当前面临的课题是如何在不影响土壤肥力其它性状的前提下,能否适当降低稻田的背景氮来提高氮肥利用率。3.2根据施肥要求,建议制定大量的化肥投入量中国大约有50%的稻田种植杂交水稻。农民往往通过稀植和减少本苗数来节省种子成本。为达到高产所需要的穗数,稻农不得不施用大量的基肥和分蘖肥来促进水稻分蘖。事实上,前期施用的氮肥吸收利用率低于中后期施用的氮肥。尽管杂交种子的单价远高于氮肥,但为了获得足够的穗数,稻农就得加大氮肥的投入量,最后多施肥料增加的成本有可能高于所节省的种子成本。笔者推测,增加杂交稻移栽时的本苗数和适当降低前期施氮量,在产量持平的前提下能提高氮肥利用率。3.3品种或组合对化肥的敏感性和利用率育种家们在如何提高水稻品种的产量潜力方面主要关注选育大穗和茎秆粗壮、抗倒性强的品种或组合。为了提高抗倒性,育种家往往在高供氮水平的育种田选择耐肥性强的材料,很少有人考虑筛选对氮肥反应敏感的材料。因此,大多数新育成的品种和杂交组合即使在氮肥用量相当高的情况下也不会倒伏。笔者在湖南长沙观察到,超级杂交稻两优培九即使施氮量达到240kgN/ha仍然没有出现倒伏,而在此施氮水平下汕优63已全部倒伏。当农民应用这些新品种或组合时,通常会施用更多的氮肥以获得高产。因此,新育成的品种或组合由于其对氮肥反应的敏感性降低而可能也是氮肥利用率低的原因之一。这一现象会因农民实际施氮量的增加而加剧。有理由相信,在高供氮水平育种田选育的耐肥品种(组合),其氮肥利用率低于那些在中氮水平下选育出的品种(组合)。限制育种田的供氮水平,或者氮肥施用量控制在120～150kg/ha的水平,可能有助于提高新品种(组合)的氮肥利用率。3.4不同施肥条件对水稻中氮素的影响在江苏、浙江、湖南和广东的调查结果表明,农民通常将氮肥总量的55%～85%作为基肥和在移栽后前10d内追施。水稻前期施氮量高有利于返青和分蘖。尤其对于分蘖力偏低的超级杂交稻等及大穗型品种效果更明显。然而,大量的氮肥在前期就施入土壤和灌溉水中,而此时水稻庞大的根系尚未形成,水稻对氮素的需要的绝对量也不是很大,肥料氮在土壤和灌溉水中浓度高,停留时间长将加剧氮素的损失。背景氮高的土壤前期施用大量的氮肥其氮素损失量就更大。为此,笔者认为,在中国大部分稻区,在水稻生长前期减少30%的氮肥也不可能导致水稻产量明显降低。在背景氮高的土壤和施用高氮肥量的情况下,水稻对氮素会产生奢侈吸收现象。过量的氮素往往伴随着高呼吸消耗、病虫危害加剧、倒伏、降低收获指数,最终降低氮肥利用率。通过用SPAD测定水稻的氮素状况决定是否施肥,能最大限度地减少水稻对氮素的奢侈吸收。笔者认为,采用SPAD实时氮肥管理模式来确定施肥的最佳时期和适量不会明显降低水稻产量,但可获得较高的氮肥利用率。3.5晒田是控制水稻茎蝽数和创建健康群体的重要措施长期以来,中国稻农已经习惯于在水稻生长中期晒田以控制分蘖,创造健康群体以及改善根系活力。许多研究结果表明,中期晒田会导致土壤氮素损失加剧和水稻吸氮量的减少,从而导致氮肥利用率下降。如前所述,在前期大量施用氮肥将导致水稻分蘖的大量发生和叶片生长过旺,这一过程将持续到最高分蘖期,此时水稻群体可能出现过多的茎蘖数和过大的叶面积系数。因此,为控制有效茎蘖数和创建健康群体,晒田就成为必要而有效的农艺措施。如果有效地控制前期施氮量,水稻就不致出现大量的无效分蘖和过大的叶面积,那么,中期晒田措施是否还有必要?笔者推测,在水稻营养生长前期施用适量的氮肥,在中期不晒田,这样水稻氮肥利用率将得到改善。4对中国的试验与展望国际水稻研究所从1997年起在亚洲6个主要水稻生产国组织了通过优化施肥管理来提高稻田生产力的研究项目(projectonreachingtowardoptimumproductivity,RTOP)。RTOP研究项目的目的是通过实地和实时施肥管理模式改善灌溉稻田的施肥管理。RTOP研究项目在亚洲有10个试验基地,其中在中国的点由浙江大学负责,试验基地设在浙江金华