喀斯特地区水稻氮素利用效率、产量及品质对氮素减量与有机肥料结合施用的响应

《Phyton-International Journal of Experimental Botany》：Response of Nitrogen Use Efficiency, Yield and Quality of Rice to Nitrogen Reduction Combined with Organic Fertilizer in Karst Region

氮肥减少与有机肥结合应用对杂交籼稻氮利用、产量及品质的影响研究。采用裂区设计，主处理为有机肥施用量（0、1673、3346 kg/ha），副处理为氮减少率（0%、25%、50%、100%）。结果表明：50%氮减少结合有机肥（R3M1/M2）产量最高达9893.81-9912.98 kg/ha，显著高于单施化肥（R1M0 9623.15 kg/ha）；氮利用效率（RE、AE、PE、PFP）随氮减少率增加呈持续上升趋势，100%氮减少时RE达34.56%，显著高于0%处理；稻米外观品质（CD、CRR）改善明显，50%氮减少时CD降低13.83%，CRR降低11.83%；烹饪品质（GC）提升显著，100%氮减少时GC达78.667 mm，较单施化肥提高3.66%。该模式有效协调了产量与品质，为喀斯特地区可持续农业提供了技术支撑。

　　### 研究背景与意义

氮素是水稻生长过程中不可或缺的重要营养元素，对提高产量和改善稻米品质具有显著作用。然而，传统农业生产中氮肥的过量施用不仅造成了土壤和生态环境的破坏，还导致了氮肥利用效率的降低。因此，如何在减少氮肥使用的同时，保证水稻产量和质量，成为农业可持续发展的重要课题。近年来，有机肥与氮肥的结合施用作为一种新兴的施肥模式，受到广泛关注。有机肥富含多种营养元素和有机质，有助于改善土壤结构、提高土壤肥力，并在一定程度上缓解氮肥过量带来的负面影响。同时，有机肥的缓释特性能够促进作物对养分的持续吸收，为水稻生长提供稳定的营养供给。因此，研究氮肥减量与有机肥结合施用对水稻产量、养分利用效率和品质的影响，对于推动农业绿色转型、实现资源高效利用具有重要意义。

### 实验设计与实施

本研究在贵州省黄平县九舟镇寨碧村进行，采用分组设计实验方法，以“宜香优2115”杂交籼稻品种为实验材料。实验分为两个主要部分：主区为有机肥施用量（M0、M1、M2），分别代表不施用有机肥（0 kg/ha）、低量有机肥（1673 kg/ha）和高量有机肥（3346 kg/ha）；副区为氮肥减量率（R1、R2、R3、R4），分别代表氮肥施用率为0%、25%、50%和100%。在相同有机肥施用量条件下，氮肥减量率的增加对产量、养分利用效率和品质产生了不同影响。研究发现，在相同有机肥施用量下，氮肥减量率为50%（R3）时，水稻产量达到最高；而在氮肥减量率与有机肥施用量的交互作用下，R2M2（25%氮减量与高量有机肥结合）的产量显著高于R1M0（不减量氮肥，不施用有机肥）。这一结果表明，合理的氮肥减量与有机肥施用相结合，能够在不牺牲产量的前提下，提高氮肥的利用效率。

在养分利用效率方面，随着氮肥减量率的提高，氮肥的回收效率（RE）、农学效率（AE）和部分因子生产力（PFP）均呈现出持续上升的趋势。而在相同氮肥施用量条件下，50%氮减量与低或高量有机肥结合时，AE、生理效率和PFP均显著提升。这说明，有机肥的施用能够在一定程度上弥补氮肥减量带来的影响，从而提升氮肥的利用效率。此外，研究还发现，随着氮肥减量率的增加，稻米的品质呈现出不同的变化模式。例如，在相同有机肥施用量下，氮肥减量率越高，稻米的垩白度和垩白率越低，而糙米率和整精米率则有所下降。因此，氮肥减量与有机肥施用的结合对稻米品质的影响具有复杂性，需要综合考虑各种因素。

### 氮肥减量与有机肥施用对产量的影响

在本研究中，实验结果表明，氮肥减量率对水稻产量的影响具有一定的非线性特征。当氮肥减量率为50%（R3）时，无论是在低量有机肥（M1）还是高量有机肥（M2）条件下，水稻产量均达到最高。这表明，在一定范围内，氮肥减量率的提高有助于产量的提升。然而，当氮肥减量率达到100%（R4）时，产量却显著下降。这一现象可能与水稻在氮肥减量过程中对养分的需求未得到充分满足有关，特别是在水稻分蘖和穗分化阶段，氮肥的供应不足可能导致生长受限，进而影响产量。

此外，研究还发现，有机肥的施用能够缓解氮肥减量带来的产量下降问题。例如，在低量有机肥（M1）条件下，25%氮减量（R2）与50%氮减量（R3）相结合时，产量均高于单施氮肥（R1M0）。而在高量有机肥（M2）条件下，25%氮减量（R2）与50%氮减量（R3）的结合同样表现出显著的增产效果。这说明，有机肥的施用能够在一定程度上补偿氮肥减量对产量的影响，从而实现产量与氮肥利用效率的双重提升。

### 氮肥减量与有机肥施用对养分利用效率的影响

氮肥的利用效率是衡量施肥效果的重要指标之一。研究发现，随着氮肥减量率的增加，氮肥的回收效率（RE）、农学效率（AE）和部分因子生产力（PFP）均呈现持续上升的趋势。然而，在相同氮肥施用量下，氮肥的收获指数（NHI）则表现出先升后降的变化趋势。这表明，氮肥的减量施用虽然提高了氮肥的利用效率，但对氮肥的总吸收量和转化率存在一定的限制。

在有机肥施用的条件下，氮肥减量率的提高对氮肥利用效率的影响更加显著。例如，在高量有机肥（M2）条件下，50%氮减量（R3）与25%氮减量（R2）相结合时，氮肥的回收效率、农学效率和部分因子生产力均显著高于单施氮肥。这说明，有机肥的施用能够有效提升氮肥的利用效率，尤其是在氮肥减量的情况下。同时，研究还发现，氮肥的减量率与有机肥的施用量之间存在交互作用，即在不同的有机肥施用量下，氮肥减量率对氮肥利用效率的影响存在差异。这提示我们在实际应用中，应根据土壤条件和作物需求，合理调整氮肥减量率和有机肥施用量，以实现最佳的养分利用效果。

### 氮肥减量与有机肥施用对稻米品质的影响

稻米品质是衡量水稻种植效益的重要指标之一，包括加工品质、外观品质、烹饪品质和营养价值等方面。在本研究中，氮肥减量率对稻米品质的影响表现出一定的复杂性。例如，在相同有机肥施用量下，氮肥减量率的增加导致稻米的加工品质指标（如糙米率、整精米率）下降，而外观品质指标（如垩白度、垩白率）则有所改善。这表明，氮肥减量对稻米外观品质具有积极影响，但可能对加工品质产生一定的负面影响。

此外，研究还发现，有机肥的施用能够改善稻米的烹饪品质和营养价值。例如，在氮肥减量率与有机肥施用量的交互作用下，高量有机肥（M2）与25%氮减量（R2）或50%氮减量（R3）相结合时，稻米的直链淀粉含量（AC）和胶稠度（GC）均有所增加，而蛋白质含量（PC）则有所下降。这一现象可能与有机肥中的氮含量较低，以及其释放速度较慢有关。在氮肥减量率较高的情况下，水稻在后期灌浆期对氮肥的需求可能无法得到充分满足，从而影响蛋白质的合成。然而，有机肥的施用能够提供丰富的其他营养元素，如磷、钾和有机质，有助于改善稻米的口感和营养价值。

### 实验结果的分析与讨论

在实验过程中，研究人员对水稻的产量、养分利用效率和品质进行了系统的测定和分析。实验结果表明，氮肥减量率与有机肥施用量的结合能够显著提高水稻的产量和氮肥利用效率，同时对稻米品质产生积极影响。例如，在氮肥减量率为50%（R3）且施用高量有机肥（M2）的条件下，水稻产量达到最高，而氮肥的回收效率、农学效率和部分因子生产力也显著提升。这说明，在一定范围内，氮肥减量率的提高有助于提高氮肥的利用效率，从而提升产量。

然而，氮肥减量率对稻米品质的影响则表现出一定的差异性。在相同有机肥施用量下，氮肥减量率的增加会导致稻米的加工品质指标下降，但外观品质指标有所改善。这可能是因为氮肥减量率的增加导致水稻在后期灌浆期对氮肥的需求未能得到充分满足，从而影响了稻米的加工品质，但同时提高了稻米的外观品质。此外，研究还发现，有机肥的施用能够改善稻米的烹饪品质和营养价值，尤其是在氮肥减量的情况下。例如，在高量有机肥（M2）条件下，25%氮减量（R2）和50%氮减量（R3）相结合时，稻米的直链淀粉含量和胶稠度均有所增加，而蛋白质含量则有所下降。这说明，有机肥的施用能够改善稻米的口感，但可能对蛋白质含量产生一定影响。

### 实验的局限性与未来研究方向

尽管本研究在氮肥减量与有机肥施用对水稻产量、养分利用效率和品质的影响方面取得了较为全面的结论，但仍存在一定的局限性。例如，实验仅在特定的土壤条件下进行，未能全面反映不同土壤类型和气候条件下的适用性。此外，实验中使用的有机肥种类和施用量可能对结果产生一定影响，因此在实际应用中，需要根据具体的土壤状况和作物需求，选择合适的有机肥种类和施用量。

未来的研究可以进一步探讨氮肥减量与有机肥施用在不同土壤类型和气候条件下的适用性，以及不同有机肥种类对氮肥利用效率和稻米品质的影响。此外，还可以研究氮肥减量与有机肥施用对水稻其他生长指标的影响，如根系发育、抗逆性等，以期为农业可持续发展提供更全面的理论支持和实践指导。