《Field Crops Research》：Effects of higher planting density with reduced nitrogen on rice yield and nitrogen use efficiency in China: A meta-analysis
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摘要背景与目标：在维持产量的同时减少氮（N）投入是水稻生产面临的中心挑战。提高种植密度可能抵消因减氮而造成的产量损失，但其补偿程度及其对氮供给的依赖性尚不明确。本研究量化了产量补偿，评估了产量组成要素和氮肥利用效率（NUE）的变化，并考察了产量响应如何随氮素和密度条件而变化。
摘要
背景与目标：在维持产量的同时减少氮（N）投入是水稻生产面临的中心挑战。提高种植密度可能抵消因减氮而造成的产量损失，但其补偿程度及其对氮供给的依赖性尚不明确。本研究量化了产量补偿，评估了产量组成要素和氮肥利用效率（NUE）的变化，并考察了产量响应如何随氮素和密度条件而变化。
方法
我们采用随机效应荟萃分析综合了中国水稻田间试验的证据，处理效应以相对于相应参考处理的百分比变化表示。因子比较量化了减氮和增密处理的产量响应并评估了二者的交互作用。荟萃回归考察了产量响应如何随氮素和密度条件而变化。
结果与结论
增密处理配合减氮处理相对于较高氮和较低密度的处理并未显著降低产量，总体变化为?1.04%，95%置信区间为?2.53%至0.47%。在较低密度下减氮使产量下降了4.83%，而在较低氮水平下增密使产量提高了3.83%，在较高氮水平下增密使产量提高了1.52%，支持了部分补偿的作用以及低氮下更大的产量收益。氮减幅≤15%和>15–25%的组别比减幅>25%的组别具有更有利的产量响应。参考处理和组合处理中的氮肥施用量四分位数范围分别为180–247.5和120–180 kg N ha?1。在移栽稻中，对应的丛密度四分位数范围分别为16.7–25.0和24.0–33.3丛 m?2。在组合处理下，单位面积穗数增加而每穗小穗数减少，结实率和千粒重的增幅较小。组合处理还使施氮部分因子生产率提高了52.58%，这在很大程度上反映了较低氮投入的影响。农学效率和表观恢复效率均有所提高，而全株氮吸收量和内部氮利用率的变化不显著。
意义：协调种植密度与氮素施用为以较低化肥投入维持水稻生产提供了一种可行的途径。起始氮肥用量和减氮幅度应指导本文中所述中国水稻体系的密度调整。
引言
氮循环是人类活动最严重突破的地球边界之一（Steffen等，2015年；Richardson等，2023年），农业化肥是其最主要的驱动因素。灌溉稻种植正处于这一挑战的核心，它在全球粮食安全中具有重要地位，但稻田系统将大部分施用的氮素返还给大气和水体。水稻是中国最重要的粮食作物，养活了超过一半的人口，其高产长期依赖于大量氮（N）投入。中国是全球最大的水稻氮素化肥消费国之一，但其稻田的氮肥利用效率（NUE）仅为约30–35%，低于世界平均水平（Peng等，2006年）。在以产量为导向的管理模式下，农户通常施用超过作物需求的氮素以防止减产。这些过量氮素中的大部分随后通过氨挥发、淋溶和反硝化作用损失，而非被作物吸收（Shang等，2024年）。
过量氮素的代价远超化肥浪费本身，还引发了一系列环境负担（Christie等，2014年；Bilotto等，2025年）。较高的氮肥用量加剧了氨挥发、氧化亚氮排放以及通过稻田排水向水体输出氮素，使过量氮成为非点源污染和富营养化的主要驱动因素（Wang，2013年；Wang，2021年；Smith等，2021年）。过量氮还会导致茎秆徒长、基部节间过度伸长和机械强度降低，从而增加倒伏和减产的风险（Tian等，2017年；Gong等，2025年）。相比之下，降低氮肥用量可减少稻田甲烷和氧化亚氮的排放强度（Zhou等，2020年；Wen，2020年）。因此，在提高肥料利用效率的同时减少肥料投入已成为水稻绿色生产的国家目标。优化的氮素管理为在减少氮投入和环境损失的同时维持水稻生产提供了机遇（Chen等，2014年；Cai等，2023年）。因此，确定能维持水稻产量的节氮管理组合是一项重要的农学任务。
提高种植密度提供了一种补偿因减少氮投入而造成的产量损失的方法。田间试验表明，在丛密度不变的情况下减氮降低了穗数、生物量积累和籽粒产量，而增加丛密度可恢复部分或全部产量损失（Huang等，2018年；Chong，2022年）。这种响应将管理组合与水稻产量形成联系起来。单位面积种植更多的丛可提供额外的穗，而产量还取决于每穗小穗数、结实率和粒重的伴随变化。Yang等（2020年）报道，低氮高密度管理协调了穗数和每穗小穗数，增加了总小穗数，并在水机插双季稻中维持了产量。这些发现支持以穗数补偿作为评估增密减氮管理的基础。相关的田间研究还考察了湖南的机插双季稻和东北地区的寒地稻（Huang等，2018年；Yang等，2020年；Jiao等，2024年）。
以密度为焦点的荟萃分析已考察了玉米产量和氮肥利用效率（Shao等，2024年；Zhang等，2025年）。Shao等（2024年）发现，增加密度显著提高了玉米的氮素部分因子生产率和氮肥回收率，Zhang等（2025年）报告增密提高了玉米产量。这些结果表明，增密是提高密植作物资源利用效率的一条可行途径，但它们大多将密度视为单一因素，且对照处理中并无相应的减氮。水稻与玉米在分蘖习性、穗数可塑性和水分管理上也有显著差异，因此这些结论不能直接推广到减氮条件下。在水稻氮管理方面，较早的荟萃分析评估了不同施肥方案如何提高产量和氮效率（Ding等，2018年），但其改变的是氮肥的种类和施用时期，而非种植密度。
田间研究为产量补偿提供了证据，但其幅度因所测试的组合而异。Chong（2022年）发现不同水稻品种之间存在不同程度的补偿，Jiao等（2024年）表明减氮时机在增密条件下影响了氮素利用响应。各单项试验的基础氮肥用量和种植密度也有所不同。因此，相同百分比的减幅可能意味着不同的最终氮投入量，而相同的相对增密幅度则可能产生不同的作物群体数量。需要进行跨研究综合以量化增密恢复了多少因减氮而损失的产量，低氮和高氮条件下的密度响应是否存在差异，以及产量响应如何随氮素-密度条件而变化。将这些比较与产量组成要素和氮素利用指标联系起来将有助于解释补偿的农学基础和实际应用价值。
我们综合了中国的田间试验以评估水稻对增密配合减氮施用的响应。所关注的处理增加了丛密度同时减少了氮投入。我们假设增密产生的额外穗数将对减氮造成的产量损失起到补偿作用，且补偿程度随氮素和密度条件而变化。我们量化了组合处理对籽粒产量、产量组成要素和氮素利用的响应，并利用匹配的四种处理试验评估了产量补偿和氮×密度交互作用。随后，我们将产量响应与基础氮肥用量、减氮幅度和增密幅度联系起来，以评估与补偿相关的条件。这些分析为评估节水型节氮水稻生产的氮素-密度组合提供了依据。
部分章节摘要
文献检索
系统检索了Web of Science和中国国家知识基础设施（CNKI）数据库，检索时间范围从建库至2026年6月，筛选和报告遵循系统评价和荟萃分析首选报告条目2020（PRISMA 2020，Page等，2021年；图1）。完整的PRISMA 2020核查表及完整的布尔检索策略见补充材料S3。
检索采用三个概念组以布尔运算符AND连接。第一组为水稻
增密配合减氮处理对籽粒产量的总体效应
增密配合减氮处理未显著改变水稻籽粒产量。在报告的101项产量研究中，籽粒产量变化为?1.0%，95%置信区间为?2.5%至0.5%（图3）。
在具有完整氮×密度处理组合的86项研究中，较低密度下减氮使产量显著下降了4.8%。相比之下，在较低氮水平下增密使产量显著提高了3.8%，在较高氮水平下增密使产量提高了1.5%。组合低氮高密度
不同减氮水平下增密处理的产量补偿
组合处理使平均籽粒产量变化为?1.0%，与较高氮较低密度的参考处理无显著差异。对完整氮×密度处理组合的分析表明，较低密度下减氮使产量显著下降了4.8%，而减氮配合增密则使产量变化为?1.2%，差异不显著。在两个氮水平下，增密均显著提高了产量，且
结论
本研究考察的中国水稻体系中，增密处理部分补偿了因减氮造成的产量损失，且在低氮下产量收益更大。单位面积穗数的增加可能部分抵消了每穗小穗数的减少，有助于实现产量补偿。组合管理提高了施氮的部分因子生产率、农学效率和表观恢复效率。两个减氮幅度不超过25%的组别具有更
作者贡献声明（CRediT）
商立言：撰写—初稿、可视化、方法论、形式分析、数据整理、概念化。Matthew Tom Harrison：撰写—审阅与编辑。金兆强：撰写—审阅与编辑。樊瑞荣：调查研究、数据整理。刘珂：撰写—审阅与编辑。张云波：撰写—审阅与编辑、监督指导。石世杰：撰写—审阅与编辑。黄立英：撰写—审阅与编辑、监督指导、经费获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到湖北省科技计划项目（2025CSA039）和国家重点研发计划（2022YFD2301004）的经费支持。
商立言|樊瑞荣|刘珂|Matthew Tom Harrison|金兆强|石世杰|黄立英|张云波
