热带强淋溶区水稻氮肥利用效率提升的技术途径与实现方案

《Agronomy》：Technologies and Implementation Pathways for Improving Nitrogen Use Efficiency in Rice in Highly Leached Tropical Region

　　

热带地区，尤其是中国南部的海南岛，凭借其独特的气候条件为作物生长提供了丰富的自然资源。然而，这些地区高度风化、强淋溶的酸性土壤易发生大量养分损失，形成了一种恶性循环：为追求高产而过度施肥，但肥料利用效率却始终偏低。在此类生产条件下，针对特定热带土壤与气候环境，减少肥料投入并同步提升肥料利用效率的可行路径仍十分有限。为探寻这一路径，研究人员开展了为期三年、覆盖八个试验环境的田间试验，系统评估了三种提升肥料利用效率的技术途径：缓释肥（slow-release fertilizer, SRF）、侧深施肥（side-deep fertilization, SBF）以及有机替代（SRF+20%有机肥，SRF+20% OF），并以常规农户施肥为对照、优化配方施肥（optimized formula fertilization, OPT）为比较处理。缓释肥与有机替代的组合将氮投入由220 kg ha?1降至150 kg ha?1，而常规农户施肥的氮、磷（P2O5）、钾（K2O）投入量分别为220、180和180 kg ha?1。与此同时，OPT处理的施氮量由2023年的180 kg N ha?1逐步降至2024年的160 kg N ha?1，并于2025年进一步降至150 kg N ha?1。与肥料投入同步减少27.3%的OPT相比，缓释肥使水稻籽粒产量提高6.5%–12.2%，氮肥利用效率提高1.4%–26.3%；侧深施肥使籽粒产量提高2.8%–13.6%，氮肥利用效率提高3.6%–20.5%。在肥料投入同步减少31.8%的条件下，与OPT相比，SRF+20% OF处理的籽粒产量变化幅度为?7.5%至1.3%，氮肥利用效率变化幅度为?10.9%至12.5%。该研究为热带地区提升氮肥利用效率提供了切实可行的技术路径，并有助于推动农业的可持续发展。

一、研究背景与科学问题

水稻在全球粮食安全中占据核心地位，是全球近半数人口的主要口粮。亚洲占世界水稻种植面积的86%和产量的89%，中国水稻收获面积达2.89×10⁷ ha。然而2010年后，中国水稻产量年均增长率由4%降至1%，保障水稻持续生产已成为国际性挑战。热带地区气候条件优越、土地资源丰富，对未来全球粮食供给至关重要，但高温、多雨、土壤风化、养分淋溶和土壤退化等问题严重制约了其可持续生产。海南岛作为中国唯一的热带农业生产基地，其土壤普遍高度风化、呈酸性，阳离子交换量（CEC）较低（3.00–9.59 cmol·kg^?1，均值6.18 cmol·kg^?1），养分保蓄能力有限；强降水进一步加剧氮素通过淋溶和地表径流的损失。在此背景下，农户为追求高产往往过量施用化肥，导致肥料偏生产力低于20 kg kg^?1，氮肥利用效率低下。已有研究显示，海南香蕉园0–4 m土壤剖面硝酸盐累积量达1131 kg N ha^?1，典型稻菜轮作系统中NH₄⁺-N约占径流氮的50%，流域尺度上农业用地在枯水年和丰水年对总氮（TN）负荷的贡献分别达60.97%和71.98%。因此，减少养分损失、提升肥料利用效率是热带农业亟待解决的问题。

已有多种技术被用于提升氮肥利用效率，包括配方施肥、缓释肥、有机无机配施和侧深施肥等。配方施肥虽能优化养分投入量和比例，但无法完全解决热带地区养分损失问题，且劳动力投入较高。缓释肥可通过调控养分释放速率实现与作物需求同步，显著降低养分损失，但主要优化当季养分利用。热带季风气候加速有机质分解，过去30年土壤有机碳下降20%，有机肥投入有助于恢复土壤质量。侧深施肥可将肥料精准置于根系附近3–5 cm处，减少表层氮素矿化损失，增强根系氮吸收。然而，以往研究多独立评估各技术，缺乏在同一热带生产环境下对多种技术的系统比较，尤其不清楚在海南高度风化、强淋溶土壤中这些技术的相对效果及其在不同肥力土壤间的响应差异，也不清楚其在多变热带气候条件下跨年份的稳定性。为此，研究人员提出假设：（i）优化配方施肥（OPT）通过匹配养分投入与土壤养分状况和作物需求提升肥料利用效率；（ii）缓释肥（SRF）通过改善养分释放与作物需求的同步性减少潜在养分损失；（iii）侧深施肥（SBF）通过将肥料置于根系附近减少表施损失；（iv）有机替代通过提升土壤有机质和养分保蓄能力发挥作用，但部分替代可能暂时改变氮有效性。基于此，研究人员于2023–2025年开展田间试验，在推荐施氮量逐年递减（180→160→150 kg N ha^?1）的条件下，系统评估各施肥策略对水稻产量、氮肥利用效率（NUE）、氮肥偏生产力（PFP）及土壤矿质氮动态的影响。

二、研究设计与技术方法

试验于2023–2025年在海南省多个试验点开展，采用随机完全区组设计，3次重复，每小区24 m²（8 m×3 m）。2023年试验设在东方市感城镇（中、高肥力土壤）；2024年设于琼海市中原镇、大路镇、万泉镇、博鳌镇，东方市八所镇及三亚市崖城镇共6个试验点；2025年设于琼海市大路镇和三亚市崖城镇2个试验点。所有试验点均属热带海洋性季风气候区。试验设置常规农户施肥（FP，N-P₂O₅-K₂O为220-180-180 kg ha^?1）、优化配方施肥（OPT）、缓释肥（SRF）、侧深施肥（SBF）和缓释肥+20%有机肥替代（SRF+20% OF）等处理，各施肥处理均设对应零氮（N0）处理用于计算氮肥利用效率，另设不施肥对照（CK）。主要技术方法包括：田间小区试验与产量构成测定、植株氮含量测定（凯氏定氮法）、土壤理化性质分析（pH、有机质、全氮、碱解氮、CEC等）、土壤无机氮（NH₄⁺-N和NO₃^?-N）测定、氮肥利用效率（NUE）与氮肥偏生产力（PFP_N）计算、min-max归一化多指标综合评价、随机森林（Random Forest）模型与SHAP分析等。

三、主要研究结果

3.1 配方施肥对水稻产量的影响

2023年结果表明，与FP相比，OPT在氮投入减少18.18%的条件下，使中肥力土壤水稻氮肥利用效率显著提高40.16%，高肥力土壤提高76.60%。2024年，OPT在低肥力土壤上氮投入减少27.27%，水稻产量提高1.42%–29.81%，PFP_N提高43.07%–83.36%，NUE提高24.34%–48.44%；施肥处理与试验点间存在显著交互作用（p=0.001）。2025年，OPT在氮投入减少31.81%的条件下维持了水稻产量稳定，PFP_N显著提高48.30%–50.18%，NUE显著提高37.41%–58.83%。总体而言，OPT在减少氮投入的同时维持了水稻产量，并显著提升了PFP_N和NUE。

3.2 肥料减施增效的优化途径

3.2.1 肥料产品替代途径：缓释肥

以OPT为对照，SRF在相同减氮水平下显著提高水稻产量，在ZY、YC、DL、BS、BA五个试验点分别增产8.05%、12.20%、6.99%、11.89%和6.51%；PFP_N提高6.50%–12.26%；NUE分别提高17.85%、7.44%、25.46%、26.34%和1.39%。其中BA为中肥力土壤，其产量和NUE增幅低于其他低肥力试验点。

3.2.2 施肥方式优化途径：侧深施肥

以OPT（撒施）为对照，SBF在YC、DL和WQ三个试验点对水稻产量和PFP_N无显著影响，但NUE分别提高20.53%、19.01%和3.62%。其中WQ为高肥力土壤，其产量和NUE提升幅度低于低肥力试验点。

3.2.3 不同施肥技术对产量、PFP_N和NUE的综合影响

施肥方式（F，p<0.001）和试验点（S，p<0.001）对水稻产量、PFP_N和NUE均有极显著影响，施肥方式与试验点的交互作用显著影响产量（p=0.005）。在YC点，FP的产量、PFP_N和NUE均最低；OPT显著低于SRF和SBF；SRF与SBF间无显著差异。在DL点，FP显著低于OPT、SRF和SBF，三者间产量和PFP_N无显著差异；NUE方面SRF和SBF显著高于FP和OPT。

3.2.4 土壤培肥途径：有机替代

与OPT和SRF相比，SRF+20% OF未显著提高水稻产量，PFP_N也无显著差异，但NUE有所降低。在DL点，SRF处理的NUE显著高于其他处理，达38.00%。

3.3 不同施肥技术的多指标综合评价

基于min-max归一化的多指标评价矩阵显示，SBF、SRF和OPT在减氮量、PFP_N和NUE等指标上表现良好。OF处理在减氮量上归一化得分最高（1.00），但其NUE归一化得分仅0.28，表明有机替代在减氮方面优势明显，但氮肥利用效率相对较低。

3.4 土壤理化性质变化

减少氮肥投入显著提高了土壤pH。SRF处理在DL点的土壤有机质含量显著高于其他处理，达21.26 g kg^?1。SRF+20% OF处理在DL点的全氮含量显著低于其他处理（0.87 g kg^?1），且碱解氮含量在DL和YC两点均显著低于OPT和SRF处理。各处理间CEC无显著差异。

3.5 土壤NH₄⁺-N和NO₃^?-N含量变化

矿质氮含量随土层深度增加而显著降低。在0–20 cm土层，SRF和SRF+20% OF处理的NH₄⁺-N含量显著高于其他处理。在20–40 cm土层，SRF+20% OF处理的NO₃^?-N含量在两个试验点均显著高于其他处理，且YC点该处理NO₃^?-N含量达所有处理最大值，与试验期间较高降雨事件相吻合。

3.6 影响水稻产量的随机森林与SHAP分析

随机森林模型显示，有效穗数、氮吸收量（N uptake）、试验点（Site）、阳离子交换量（CEC）和有机质（OM）是影响产量预测的主要因素，%IncMSE均超过13%。模型袋外（OOB）预测的R²达0.948。SHAP分析表明，有效穗数、氮吸收量和CEC的增加与预测产量提高相关，而OM与产量的负向关联主要与两个试验点的双峰分布有关（DL点OM高但产量低，YC点OM低但产量高）。

四、讨论与结论

讨论部分指出，海南典型热带地区高肥力土壤水稻产量高于低肥力土壤，土壤肥力对作物产量的贡献约56%，大于化肥投入的影响。2024年施肥处理与试验点的显著交互作用表明，配方施肥的产量响应因初始土壤养分供应和产量潜力的差异而变化。海南2020年平均氮投入超过250 kg ha^?1，本研究中FP处理氮投入为220 kg ha^?1，低于2020年水平，表明近年氮肥投入呈下降趋势。中国76.5%的稻田存在过量施肥现象，已有研究提出的中国水稻氮投入阈值介于90–135 kg ha^?1之间。本研究三年试验表明，150 kg N ha^?1的氮投入可在热带地区维持水稻产量稳定，为强淋溶热带地区养分管理提供了精确的量化依据。

缓释肥通过调控养分释放实现与作物需求的时间与空间同步，60天释放期的缓释尿素可使水稻增产11.7%。本研究中SRF较OPT增产6.5%–12.2%，NUE提高1.4%–26.3%。侧深施肥可使肥料与水稻移栽同步进行，减少过早施肥造成的损失，已有研究报道侧深施肥可增产15%–20%，提高氮肥利用效率8.1%–21.28%。本研究中SBF较OPT增产2.8%–13.6%，NUE提高3.6%–20.5%。有机替代处理下，有机肥中养分需经微生物分解矿化释放，其矿化时机可能与水稻需氮高峰期不完全吻合，且有机肥施用后微生物活性增强可能暂时增加矿质氮的微生物固持，造成氮供应与作物需求的暂时错配，这在一定程度上解释了SRF+20% OF处理NUE和产量表现相对较低的原因。此外，有机肥施用显著提高了土壤pH，但土壤有机质、全氮和碱解氮含量在短期内有所降低，表明通过有机肥培肥土壤是一个长期过程。

研究结论：在强淋溶热带地区，整合适宜的增效施肥技术可将农户常规施氮量由220 kg ha^?1降至150 kg ha^?1。在三种增效技术中，缓释肥和侧深施肥分别通过调控养分释放速率和肥料施用位置，在氮投入减少27.27%的条件下同步提升了水稻产量和肥料利用效率；与对应优化配方施肥相比，缓释肥增产6.5%–12.2%，侧深施肥增产2.8%–13.6%。有机替代在氮投入减少31.82%的条件下通过改善土壤肥力维持了水稻产量稳定。有效穗数、氮吸收量、试验点、CEC和有机质被识别为水稻产量的主要预测因子。综合而言，缓释肥和侧深施肥是维持或提高水稻产量并减少氮投入的适宜技术，150 kg N ha^?1施氮量配合缓释肥或侧深施肥可作为本研究所评价条件下的适宜技术策略。