第1章 单季稻区环境友好型农业生产模式
1.1 单季稻区农业生产面临的问题与治理进展
单季稻在我国的不同区域均有分布，其中长江中下游区域分布*为广泛。由于该区域热量充足，一般第一熟为麦类、油菜、蚕豆、绿肥等冬作物，第二熟为单季中晚稻，而以稻麦两熟*为普遍。实现单季稻区水稻的可持续发展，对提高我国粮食安全保障能力和发展可继续农业起着举足轻重的作用。
目前，我国单季稻生产面临很多问题，从水稻生产可持续发展来看，主要包括高产不高效、水肥利用率低下、环境污染严重、温室气体排放等方面。以太湖地区为例， 20世纪 80年代初期，该地区在单季晚稻上氮肥的平均施用量已达 200kg/hm2左右，稻谷的平均产量达到 6.5t/hm2左右。2000年以来，该地区的氮肥平均施用量增至 300kg/hm2左右，稻谷的平均产量超过 8t/hm2。20年左右的时间中，虽然产量增加了 23%，但是肥料用量增加了 50%（朱兆良等， 2010）。目前，太湖地区水稻生产中氮肥投入高于 270kg/hm2的农户占 83.33%，磷肥（P2O5）投入高于 90kg/hm2的农户占 23.34%，农民施肥仅凭经验，存在很大的随意性。肥料的高投入导致氮肥利用率只有 30%～35%，磷肥利用率为 10%～20%，大量的氮磷损失进入大气（NH3、NOx、N2O）和水体（PO–4、NO–3、NH+4）。据“十一五”不同污染源调查结果，农业面源污染对水体氮磷的贡献分别高达 38%和 23%，远高于工业源和生活源贡献。同时，稻田也是温室气体 CH4和 N2O的主要排放源，我国稻田 CH4每年排放量约为 6.02Tg，占农业活动 CH4排放总量的 37.75%（Huang et al.， 2006）；稻田 N2O每年排放量约为 35.7Gg，占我国农田总排放量的 7%～11%（Gao et al.， 2011）。
针对上述单季稻生产中存在的问题，在国家和地方项目的持续支持下，各项治理技术取得了较大进展。朱兆良（2006）提出了适合我国农村实际的宏观控制与点的测试相结合的*佳施氮量。在太湖地区，协调农学、环境与经济的单季稻推荐施氮量为 180～ 230kg/hm2（N），较农户常规情况减少 20%～30%的氮肥用量（Xia and Yan， 2012）。传统速效肥释放速度快，新型缓控施肥技术，如脲酶抑制剂、硝化抑制剂、包膜肥料、大颗粒尿素，在不同程度减缓了肥料的释放速度，不仅减少了养分损失，而且提高了肥料利用率。如缓控施肥能使氮径流损失减少 50%左右，氨挥发损失减少 15%～30%，淋洗损失减少 35%左右，温室气体减少 5%～40%（Wang et al.， 2015；Zhao et al.， 2015a）。应用农业废弃物替代部分化肥技术在水稻不减产条件下，也能达到减少化肥投入，减少 6%～ 28%的径流损失。如采用稻-紫云英、稻-黑麦草、稻-蚕豆等轮作措施可比传统的稻麦种植减少氮素径流总损失的 25%～40%（Zhao et al.， 2015b）。其他治理措施还有氮高效基因型水稻培育技术、节水灌溉-水肥一体化技术、生物质炭技术、氮肥运筹技术等，这些技术的实施提高了农民的经济收益，初步建立了肥料绿色增产增效综合调控途径并构建了高产高效的区域调控模式。下面以太湖地区单季稻为例，重点阐述高产与氮肥高效利用栽培技术模式、稻麦轮作体系磷素高效利用技术模式、水旱轮作体系生态高值与周年温室气体减排生产技术模式。
1.2 单季稻高产与氮肥高效利用栽培技术模式
目前，我国单季稻的氮肥施用量（N）平均为 180kg/hm2，比世界平均施用量多 75%，而我国稻田氮肥利用率仅为 30%～35%。在集约化高产区，氮肥的利用效率更低（FAO， 2007; Smil， 2004;王宏广， 2005; 彭少兵等 ， 2002）。如何既能增加水稻单产又可同时提高氮肥利用率，一直是我国农业科技工作者密切关注的问题。从 20世纪 80年代开始，朱兆良院士课题组先后在我国单季稻主产区之一的太湖流域，开展了兼顾水稻高产和环境保护双重目标的稻田适宜施氮量的研究，以对稻田氮肥施用总量进行控制；并以适宜施氮量的推荐为重点，提出了太湖地区单季稻生产中能协调高产和环境保护的优化施氮和提高氮肥利用率的原理和方法，对其农学和环境效应做出了评估（李荣刚等， 2003；朱兆良，1998）。同期，凌启鸿教授课题组以水稻叶龄模式和作物群体质量调控为基础，集成了水稻精确定量栽培技术，应用该精确定量栽培技术可使水稻单产和氮肥利用率达到较高的水平（Ying et al.， 1998a， 1998b；邹长明等，2002；敖和军等，2008；Peng et al.， 1996; Dobermann et al.， 2002; 刘立军等， 2006；贺帆等， 2007；凌启鸿等， 2007；凌启鸿， 2008；杨建昌等，2006；顾铭洪和汤述翥， 2001；Yang et al.， 2002）；在此基础上，依托国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（2009CB118603）的资助，中国科学院南京土壤研究所与扬州大学农学院进一步开展了联合研究，探讨了水稻高产与氮素养分高效利用等多种技术相结合的新型水稻栽培技术模式和稻田养分综合管理与协调模式，可为我国单季稻地区的水稻高产与氮肥高效利用进行科学理论和实际生产的指导。
1.2.1 单季稻土壤供氮量以及区域氮肥适宜用量推荐
1.2.1.1 单季稻氮肥用量
苏南常熟单季稻的氮肥使用量达到 300kg/hm2（N），有的甚至高达 350kg/hm2（N）。常熟从 2000年至今的施氮量比 20世纪 80年代太湖地区的施氮量增加了 101kg/hm2，（N）增产 1494kg/hm2，但单位施氮量的增产效果降低（表1-1）。
表1-1 不同时期的水稻产量和氮肥增产效果的比较
1.2.1.2 土壤对当季作物的供氮量
农田的环境来源氮量增加，稻田的自然供氮量和基础产量出现明显增高。 2003年至 2006年，常熟无氮区水稻平均产量达 6229kg/hm2，比 20世纪 80年代太湖地区增加了 941kg/hm2，稻田自然供氮量平均增加了 43kg/hm2（N）。农田土壤自然供氮能力受环境来源氮的影响，环境来源氮量包括大气干湿沉降氮量、稻季灌溉水带入氮量，来源氮量分别为 33kg/（hm2 a）（N）和 56kg/（hm2 a）（N），总环境来源氮量为 89kg/（hm2 a）（N），其中，麦季为 15kg/hm2（N），稻季为 74kg/hm2（N），稻季供氮量相当于当前常熟稻田自然供氮量（119kg/hm2）的 62%、农民施氮量的 25%。由于环境来源氮量多，所以对农田土壤自然供氮量的贡献增加（图 1-1、表1-2）。
图1-1 26个水稻试验点土壤与环境供氮量
表1-2 常熟单季晚稻土壤供氮量（田间无氮区）
1.2.1.3 水稻不同氮肥使用量与产量
我们于 2004～2006年在常熟进行了 21个水稻田间试验。如图 1-2所示，随着氮肥使用量的增加，水稻产量渐增，但增势减缓；至*高产量后，如果继续增加氮肥使用量，产量反而下降，肥料成本增加但净收入减少，而且通过各种损失途径自农田进入环境的氮量（氮肥损失量）迅速增加，增大了环境压力。因此，必须寻找一个既能获得高产，又能达到*高经济收入和*低环境压力的氮肥使用量，即确定一个适宜的氮肥使用量，以达到社会效益、经济效益和环境效益的统一。
1.2.1.4 不同施肥方法氮肥使用量和产量
氮肥使用量与产量存在一些规律，无论优化处理还是习惯处理，在一定范围内对水稻增施氮肥均有增产效应。当氮肥使用量在 200kg/hm2（N）内时，水稻产量随氮肥使用量增加而增加；当氮肥使用量超过 200kg/hm2（N）时，增加氮肥使用量不能使水稻增产；当氮肥使用量在 300～350kg/hm2（N）时，各点田间观察都出现明显的倒伏，因而减产。这说明过多施用氮肥对水稻造成了毒害作用，不利于其生长，使产量降低。从经济角度考虑，过量使用氮肥增加了生产成本，且由于产量较低也降低了其生产效应。表1-3表明，在不同氮肥管理模式下优化施肥法的氮肥用量比习惯施肥法的氮肥用量可节氮13.1kg/hm2和 16.4kg/hm2，两者产量差异不大。
图1-2 不同施氮量对水稻产量的影响
表1-3 不同施肥方法下单季晚稻氮肥使用量和产量
1.2.1.5 水稻增产效果与氮肥表观利用率
如表1-4所示，随着氮肥施用量的增加，单位施氮量的增产量趋于降低，这不仅是由于氮肥利用率的降低所致，还与过量施用氮肥时偏生产效率的明显降低有密切关系。
表1-4 水稻上尿素的氮素利用率和偏生产效率与其施用量的关系
2003年至 2006年，常熟地区的基础产量比 20世纪 80年代太湖地区的基础产量高了 941kg/hm2，当时太湖地区生产条件下的氮肥适宜用量为 111kg/hm2（N），适宜用量的产量为 6615kg/hm2，而 2000年后生产条件改变，以 26块田的试验结果所示，常熟氮肥适宜用量为 199kg/hm2（N），适宜用量的产量为 8270kg/hm2，比 20世纪 80年代的太湖地区氮肥适宜用量增加 88kg/hm2（N），氮肥适宜用量的产量增加 1655kg/hm2，每施 1kg氮增产稻谷 10.3kg，低于太湖地区 11.9kg（表1-5）。因此，减少氮肥施入稻田后的损失，提高其利用率和增产效果是有很大潜力的。
表1-5 不同历史时期适宜施氮量时的氮肥增产效果
在太湖地区（20世纪 80年代），当氮肥用量由 47kg/hm2增加到 230kg/hm2时，氮素利用率由 34.7%下降到 24.3%；在苏南常熟（2004～2006年），当氮肥用量由 100kg/hm2增加到 350kg/hm2时，氮素利用率由 34.8%下降到 26.4%。氮肥适宜用量下的氮素利用率分别为 35%（太湖地区）及 34%（苏南常熟）（图 1-3）。
图1-3 单季晚稻氮肥用量与氮素利用率的关系
1.2.2 单季稻高产与氮肥高效利用的三因养分管理技术
该技术可概括为因地（基础地力）、因色（叶色）、因种（品种类型）的“三因”养分管理技术。技术参数确定方法如下。
1.2.2.1 因地
因地：根据基础地力和目标产量确定总施氮量。
总施氮量=（目标产量－基础地力产量） /氮肥农学利用率
1. 目标产量
参考在正常栽培条件下当地或田块收获的实际产量，确定目标产量。
2. 氮肥农学利用率
目前，单季粳稻的氮肥农学利用率 [施用每千克氮增加的稻谷产量（AE）]，粳稻为 8～11kg/kg，籼稻为 9～12kg/kg。根据试验结果，应用实地氮肥管理技术， AE可达 14～ 18kg/kg。因此，在试验和示范应用中， AE确定为 15kg/kg（稻谷/N）。
3. 基础地力产量（不施氮区产量）
根据 161个田块氮空白区试验的产量水平将地力分为 3类（表1-6）。
（1）低地力：正常栽培下产量<7.5t/hm2，基础地力产量粳稻为 4.20t/hm2，籼稻为4.60t/hm2；
（2）中地力：正常栽培下产量≥ 7.5t/hm2且<9.0t/hm2，基础地力产量粳稻为 4.95t/hm2，籼稻为 5.25t/hm2；
（3）高地力：正常栽培下产量≥ 9.0t/hm2，基础地力产量粳稻为 6.30t/hm2，籼稻为6.55t/hm2。如果需要在中地力的田块达到 9.0t/hm2的产量，则粳稻施氮量 =（90
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