王保君 程旺大 沈亚强 秦叶波 苏 瑶 陈 贵 鲁晨妮 张红梅

（1嘉兴市农业科学研究院生态环境研究所，314016，浙江嘉兴；2浙江省农业技术推广中心，310020，浙江杭州；3浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所，310021，浙江杭州；4嘉兴市农业科学研究院生物技术研究所，314016，浙江嘉兴）

氮肥作为重要的农业生产资料，其对粮食生产的贡献率约为45%[1]，在促进粮食增产方面发挥着重要作用。据统计，我国农业每年施用氮肥约3000万t，约占全球农业氮肥用量的30%[2]。水稻作为浙北地区主要的栽培作物，也是浙江氮肥消耗占比较高的农作物之一。氮肥的过量施用不仅会造成水稻产量降低，而且会影响稻米品质[3-4]。近年来，人们对稻米的食味品质要求越来越高，优质稻米在消费市场上开始走俏。相关报道[5]指出，稻米的食味品质同水稻籽粒蛋白质含量呈显著负相关。氮肥施用越多，籽粒蛋白质含量越高，稻米的香味和口感反而越差[6]。此外，氮肥的不合理施用也会威胁农田土壤健康，引发一系列生态环境问题。因此，合理地减少氮肥用量对提高稻米品质以及促进农业绿色健康发展具有重要意义。

目前，关于氮肥合理性评判的指标有很多，其中氮素利用率（NUE）是广泛使用的指标。然而，NUE不能反映产量水平和氮素损失量，片面追求较高的NUE可能引起土壤氮素消耗[2]。氮素盈余（Nsur）指标可以弥补NUE的不足之处，二者结合可以很好地衡量氮肥管理的合理性[7]。Zhang等[8]根据NUE和Nsur指标对全国13个粮食作物种植区进行氮素合理性判定，结果表明13个种植区在最佳施氮管理下的平均NUE为63%，Nsur相对减少了25%～49%。刘宏元等[9]利用NUE以及Nsur等指标对山东省德州市小麦—玉米轮作田进行评价，结果表明小麦—玉米轮作体系周期平均每年氮素盈余量为196.84kg N/hm2，属于中级管理水平。浙江省北部属长三角稻区，耕地比较分散，农户水稻施肥管理水平参差不齐，仍存在很大的盲目性。相关研究[10]表明，1988-2017年，长三角稻区水稻氮肥平均施用量为279kg/hm2，显著高于其他稻区的55.9%～75.5%。此外，浙江水稻化肥施用强度呈波状上升趋势，由2004年的304kg/hm2上升到2016年的339kg/hm2，减肥潜力较大[11]。近年来，氮肥减量行动在浙北地区广泛开展，如何通过合理的施氮措施减少环境污染、提高稻米品质尤为重要。本研究通过大田试验，以浙北优质粳稻为研究对象，研究氮肥减量对优质稻籽粒蛋白质形成的影响，并结合NUE和Nsur指标对氮肥减量管理进行合理性综合评价，为浙北地区氮肥管理提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年在浙江北部嘉兴市秀洲区王江泾镇双桥村嘉兴市农业科学研究院试验地（120°43′04″E，30°50′08″N）进行。试验地属亚热带季风气候，海拔12m，年均气温15.5℃，年均降水量1194mm，年均日照时数1950h，年辐射量462kJ/cm2，年无霜期245d。土壤类型为长三角地区典型的水稻青紫泥，肥力水平均匀，能代表当地土壤肥力水平，0～20cm土层土壤基本理化性状为有机碳28.11g/kg、全氮2.39g/kg、速效磷13.55mg/kg、速效钾132.84mg/kg、铵态氮14.15mg/kg、硝态氮12.37mg/kg，pH 6.82。

1.2 试验设计

根据嘉兴当地农户施肥习惯，设置施氮量（以纯氮计）0（N0）、270（N）、229.5（N-15%）和189kg/hm2（N-30%）4个水平（处理），随机区组设计，3次重复，每个小区面积22.54m2（4.9m×4.6m）。各小区间田埂宽度为40cm，用塑料膜包裹，防止水肥互串。供试水稻品种为浙北地区优质晚粳稻嘉禾218。2019年5月25日播种，6月22日人工移栽，行株距为25cm×16cm，每穴2株。试验所用氮肥、磷肥和钾肥的商品名称和生产商分别为：中颗粒尿素（N≥46%，河南心连心化学工业集团股份有限公司）、氯化钾（K2O≥60%，中化化肥控股有限公司）、粒状过磷酸钙（P2O5≥12%，海盐北洋磷原物资有限公司）。各处理水分管理模式以及病、虫、草害防治保持一致，具体施肥方式、施肥量以及施肥日期见表1。

表1 不同处理施肥方案Table 1 The fertilization designs of different treatments

1.3 测定项目与方法

1.3.1 水稻籽粒蛋白质及其组分 处理N0、N、N-15%和N-30%的水稻齐穗时间分别为8月27日、9月3日、9月3日和8月31日，分别于水稻齐穗后10、20、30、40、50d取样。每小区每次割取代表性水稻植株（其株高、长势以及籽粒成熟度能够代表小区水稻群体整体特征）3穴，剪取稻穗装入纸袋，放入烘箱，105℃下杀青30min，80℃烘干至恒重，采用人工手剥和砻谷机（JLGJ4.5，浙江台州）去壳，加工成糙米，进行粉碎过筛待测。采用凯氏定氮法测定水稻籽粒蛋白质含量以及收获时水稻秸秆氮含量，采用连续提取—考马斯亮蓝法测定水稻籽粒蛋白质组分含量[12]。

1.3.2 水稻产量 水稻成熟后（2019年10月28日），各小区单独收割、脱粒、晒干，进行测产。

1.4 相关指标计算公式

式中，N化肥为氮肥输入氮；N水稻为水稻秸秆+水稻籽粒移除氮；N沉降为大气沉降输入氮，嘉兴为 55.86kg/hm2[13]，N非共生生物固氮为水稻固氮量45kg/hm2[14]。

1.5 优质稻氮肥减量合理化指标评价体系构建

利用层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）构建优质稻氮肥合理化减量指标评价体系，选取产量、蛋白质、Nsur和NUE等指标，进行标准化处理，消除量纲，使指标变量的取值控制在[0，1]之间[15]，处理方式为正向指标（+）：指标分数=（指标值-最小值）/（最大值-最小值），逆向指标（-）：指标分数=（指标值-最大值）/（最小值-最大值）。然后建立层次结构，结合经验丰富的专家评价，使用1-9标度法，计算各层次权重，分别对每层指标建立判断矩阵，进行一致性检验，计算各指标在该层的权重，最后对总体进行一致性检验，并确立各指标的综合权重[11]，建立优质稻氮肥减量合理化指标评价体系（表2），最后计算综合得分。

表2 浙北优质稻氮肥减量合理性综合评价指标权重Table 2 The weight of comprehensive evaluation indexes for reducing nitrogen fertilizer of high quality rice in northern Zhejiang

1.6 数据处理

用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析，采用Duncan法进行多重比较，用GraphPad Prism 8.0和Microsoft Office Excel 2003软件进行作图和制表。

2 结果与分析

2.1 浙北优质稻氮肥减量对籽粒蛋白质含量的影响

由图1可知，氮肥减量对优质稻齐穗后40d籽粒蛋白质含量有一定影响，同N处理相比，N-30%处理的籽粒蛋白质含量显著降低了6.17%，其他时期差异不显著。此外，施氮对优质稻前期（齐穗后10～40d）籽粒蛋白含量影响较大，对后期（齐穗后50d）影响较小。同N0处理相比，齐穗后10d，N和N-30%处理的籽粒蛋白质含量分别显著降低了5.06%和4.86%；齐穗后30d，N、N-15%和N-30%处理的籽粒蛋白质含量分别显著增加了10.35%、10.72%和7.86%；齐穗后40d，N处理的籽粒蛋白质含量显著增加了8.55%；齐穗后50d，各处理间差异不显著。

图1 浙北优质稻氮肥减量对籽粒蛋白质含量的影响Fig.1 Effects of nitrogen reduction on grain protein content of high quality rice in northern Zhejiang

2.2 浙北优质稻氮肥减量对籽粒蛋白质组分含量的影响

由图2可知，氮肥减量对优质稻籽粒清蛋白和醇溶蛋白含量的影响差异不显著，对优质稻籽粒形成前期球蛋白和谷蛋白含量的影响较大，后期各处理间差异不显著。

图2 浙北优质稻氮肥减量对籽粒蛋白质组分动态变化的影响Fig.2 Effects of nitrogen reduction on contents of grain protein components of high quality rice in northern Zhejiang

优质稻齐穗后30d，同N处理相比，N-15%处理的球蛋白含量显著增加了58.79%，N-30%处理的谷蛋白含量显著增加了19.94%。此外，氮肥减量对优质稻籽粒蛋白质组分占总蛋白比例的影响不显著（表3）。

表3 浙北优质稻氮肥减量对籽粒蛋白质组分占总蛋白比例的影响Table 3 Effects of nitrogen reduction on the proportion of grain protein content of high quality rice in northern Zhejiang %

2.3 浙北优质稻氮肥减量对水稻产量及地上部分干物质重的影响

由图3可知，浙北优质稻产量随着氮肥减量而降低，处理间差异不显著。优质稻地上部分干物质重随着施氮量的减少而降低，同N处理相比，N-30%处理的地上部分干物质重显著降低了19.79%。

图3 浙北优质稻氮肥减量对水稻产量及地上部分干物质重的影响Fig.3 Effects of nitrogen reduction on yield and aboveground dry matter weight of high quality rice in northern Zhejiang

2.4 浙北优质稻氮肥减量对Nsur和NUE的影响

由图4可知，Nsur随着施氮量的减少而减少，同N处理相比，N-15%和N-30%处理的Nsur分别显著降低了20.56%和23.89%。同N处理相比，N-15%和N-30%处理的NUE分别增加了8.11%和1.97%，处理间差异不显著。

图4 浙北优质稻氮肥减量对Nsur和NUE的影响Fig.4 Effects of nitrogen reduction on Nsurand NUE of high quality rice in northern Zhejiang

2.5 基于AHP对浙北优质稻氮肥减量的综合评价

由图5可知，随着施氮量的减少，各处理的综合得分均表现为不同程度增加。与N处理相比，N-15%和N-30%处理的综合得分分别提高了32.42%和3.43%。

图5 浙北优质稻氮肥减量合理性综合得分Fig.5 Comprehensive score of rationality of nitrogen reduction for high quality rice in northern Zhejiang

3 讨论

氮肥作为农业生产重要的资源，在保证水稻产量和改善稻米品质方面具有重要的意义。合理施用氮肥不仅可以提高资源利用效率，而且可以降低环境污染风险，对优质稻绿色高质量生产具有重要的意义。蛋白质作为衡量稻米营养品质的重要指标，其含量及其组分变化是影响稻米食味品质的重要因素[16]。稻米蛋白质的遗传比较复杂，受外界环境因素影响较大。其中，氮肥是影响稻米蛋白质含量及其组分的重要因素之一[17]。石吕等[18]研究表明，水稻后期（群体抽穗30%）施氮会显著提高精米蛋白质及其组分含量。郭晓红等[19]研究表明，氮肥减量后移（减量10%，135kg/hm2）会显著提高稻米谷蛋白含量，而蛋白质、清蛋白、醇溶蛋白和球蛋白含量差异不显著。史登林等[20]研究表明，生物炭配合氮肥减量对水稻蛋白质含量影响不显著。本研究表明，氮肥减量对水稻前期籽粒蛋白质、球蛋白及谷蛋白含量有一定程度影响，但是在水稻齐穗后50d，籽粒蛋白质及其组分含量差异均不显著，且对蛋白质组分占比无显著影响，与兰艳等[21]研究结果一致。本研究发现，水稻籽粒形成前期（齐穗后10～40d）蛋白质含量较高，后期蛋白质含量降低（齐穗后50d），张桂莲等[22]研究也表明，随着成熟度的增加，水稻籽粒可溶性蛋白含量在抽穗后30d达最大值，之后下降，这可能与籽粒物质积累量变化以及水稻籽粒酶含量转化有关[22-24]。

在水稻产量方面，氮肥均衡减量25%（247.5kg/hm2）能够维持一定水平的穗数和穗粒数，提高水稻结实率，从而避免产量显著降低[25]。太湖地区氮肥减量10%（324kg/hm2）不但能够保证较高的水稻产量，还能够提高单位产量水稻的生态效益[26]。本研究表明，短期内氮肥减量15%～30%（189～229.5kg/hm2）时优质稻产量下降不显著。

在NUE和Nsur方面，每季稻氮肥减量30kg/hm2（早稻：135kg/hm2，晚稻：165kg/hm2），氮肥吸收利用率提升了61.7%[27]。氮肥减量10%（270kg/hm2）水稻氮素利用率提高了5.74%，氮肥减量10%、增密20%（N：270kg/hm2，密度14.1×104/hm2）氮素利用可以提高18.28%[28]。水稻减氮18.2%（270kg/hm2）水稻季氮素盈余显著降低了44.30%[29]。本研究表明，氮肥减量15%～30%（229.5～189kg/hm2）浙北地区单季晚粳优质稻的Nsur显著降低20.56%～23.89%，NUE提高了1.97%～8.11%。

农业生产过程中，合理的施肥方式在注重作物产量和品质的同时要兼顾生态环境。AHP通过对复杂系统的决策思维过程进行模型化和数量化，实现了定量和定性分析的有机结合，是分析复杂问题的一种有效决策方式[30]，在相关农业区域水土质量评价以及农业可持续发展综合评价方面有广泛应用[31-32]。贾琰等[24]和董娟等[33]基于AHP研究表明，生物肥和化肥均为中等水平（75kg/hm2纯氮+100kg/hm2P2O5+750kg/hm2生物肥）的土壤培肥效果最好。目前利用AHP对氮肥减量合理性的评价较缺乏。本研究通过AHP，结合水稻产量、品质以及生态环境因素，对氮肥减量效果进行综合评价，结果表明，在本试验条件下，氮肥减量15%（229.5kg/hm2）的综合得分最高，效果最好。

4 结论

在短期内氮肥减量15%（229.5kg/hm2）、30%（189kg/hm2）对浙北优质稻产量、蛋白质及其组分含量无显著影响。此外，氮肥减量15%、30%时农田Nsur分别显著降低了20.56%、23.89%，NUE分别提高了1.97%、8.11%。通过AHP对浙北优质稻氮肥减量措施综合评价得分为N-15%（0.86）＞N-30%（0.67）＞N（0.65）＞N0（0.17）。综上所述，在本试验条件下，氮肥减量15%（229.5kg/hm2）为浙北地区优质稻生产较为适宜的施氮量。