太湖流域是传统的鱼米之乡，稻田密布于水网之间。为了确保水稻高产，农户往往施入大量的化肥。据调查研究，太湖流域稻季施氮量平均为352 kg·hm^-2，其中270～360 kg·hm^-2的占43.3%，360～450 kg·hm^-2（过量施肥）和超过450 kg·hm^-2（极端过量施肥）的分别占26.6%和13.3%^[1]。过量的化肥施入导致化肥利用率低下，氮肥的回收利用效率仅有28.1%^[2]，而稻田稻季氨挥发损失通量可占总施肥量的20%~40%^[3]，径流损失占3.3%~5%^[4]，渗漏损失占2.1%~3.2%^[5]，整个稻季施入的氮肥中有30%~50%以上流失到周边水体以及大气中^[4]，造成了严重的面源污染。2013年的监测数据表明，宜兴市周铁镇43条大小河道TN浓度变化在2.25~11.6 mg·L^-1之间，平均为3.96 mg·L^-1，远高于国家地表水Ⅴ类水标准。根据《太湖流域水环境综合治理总体方案（2013年修编）》，2010年太湖流域综合治理区总污染负荷中面源污染TN的比重仍然达44.92%，高于工业点源（30.59%）和城镇生活源（24.49%），其中种植业对面源污染的贡献为24.24%^[6]。农田面源污染主要受降雨和施肥事件影响，污染排放存在着很大的不确定性和随机性，时空变异性较大，且责任主体涉及千家万户，污染的监控和监管比较困难。因此，从源头上控制农田面源污染发生量是减少面源污染最有效的措施^[7]。笔者已经系统总结梳理了国内外的源头减量技术，并按照技术原理进行了分类阐述^[8]。但是，针对集约化稻田系统，如何根据土壤地力的不同进行减量施肥，在保证高产可持续的同时减少化肥损失、提高利用率、降低面源污染风险，仍然缺乏一套可操作、实用的减量施肥技术体系，减多少、减施哪一次的肥料这些具体问题仍未得到解答。为此，本文在系统总结前人研究结果的基础上，结合自己多年的研究结果，总结提出了稻田高产可持续的减量施肥技术体系，以期为当前太湖地区稻田化肥面源污染控制提供理论指导和技术支撑，确保稻田的高产可持续发展。

合理施氮量的确定是获得高产、维持土壤肥力和减少施氮引起的环境污染的关键。众所周知，作物产量随氮肥用量的增加呈先上升后下降的二次曲线函数关系，而氮素损失随氮肥施用量的增加则呈现线性上升关系，表明过多的氮肥投入不仅造成产量下降，且增加环境污染^{[9, 10]}。因此，合理减少施氮量，不仅能提高产量，还能减少面源污染。根据肥料-产量效应函数法，太湖流域稻田的最佳施氮量在210~270 kg·hm^{-2 [11, 12, 13]}，目前太湖流域稻田平均施氮量为352 kg·hm^{-2 [1]}，表明目前农户的化肥用量水平普遍超量30%左右。最近几年的化肥减量试验结果也证实，在当前农户施肥水平下（270~300 kg·hm^-2），稻季化肥用量减量20%~30%是可行的，对产量没有显著影响^{[14, 15]}。但这均是短期（2~3年）少数试验田块的结果，而我国土地实行农户分散经营制，田块小且田块间土壤肥力的时空变异性巨大。在确保水稻高产可持续性，即不以牺牲土壤肥力为代价的前提下，面对千家万户，化肥减量应该减多少、能减多久关系到合理施氮量的计算问题。

目前我国水稻生产上普遍采用凌启鸿等^[16]提出的精确定量施氮法：施氮量=（目标产量-基础产量）×百千克籽粒吸氮量/氮肥利用率。该方法基于斯坦福方程，通过确定基础产量、百千克籽粒吸氮量及氮肥利用率三个参数来计算合理施氮量。虽然百千克籽粒吸氮量经过多年、多点、多品种的实验研究，已基本明确，参数相对比较稳定，但基础产量（即无氮区的产量）的精确确定仍然是一个难题，该指标可通过田间试验得出，或者通过土壤速效养分指标来估算，但无法解决这一参数的时空变异性问题。朱兆良^[17] 提出了区域平均适宜施氮量的概念和做法，推荐在土壤、气候、生产条件、农艺管理和产量水平相对一致的区域内，采用平均施氮量来代替每个田块的经济最佳施氮量。这无疑为区域化肥总量的控制提供了一个可行的办法，但区域平均适宜施氮量的计算仍然需要通过大量田间试验来获得，其采用的仍是肥料产量效应函数法，同样无法解决地块之间的空间变异性问题。巨晓棠^[18]在以往理论施氮量概念和方法基础上，考虑了其他来源氮素输入情况，包括秸秆还田、干湿沉降、灌溉水带入及非共生固氮等，进一步推导出根据百千克籽粒需氮量的理论施氮量计算方法。该方法综合考虑作物的持续高产稳产以及土壤氮素的平衡，认为高产不能以牺牲土壤地力为代价，简化了斯坦福方程中土壤基础供氮量的计算过程，只需百千克籽粒需氮量这一参数便可根据相应地块的目标产量口算出合理施氮量。为了确保高产的可持续性，同时避免农户施入过量的化肥，巨晓棠提出的理论施氮量无疑是一种最为简便且易于推广应用的方法，其具体计算公式如下：

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为提高肥料利用率，目前水稻生产中多采用分次施肥的策略，即基肥、蘖肥和穗肥合理分配。目前水稻的氮肥运筹主要根据一定的比例对基、蘖和穗肥进行分配，如当前生产实际中常用的30:30:40、40:30:30等。因此，要减量施肥，必须明确减施哪个时期的肥料。

目前我国稻田基蘖肥用量比例过高，占总施氮量的60%~80%。丁艳峰等^[21]研究指出，增施基、蘖氮肥增加了拔节前植株吸氮量，但抑制了拔节后植株吸氮量，不利于整个生育期的氮素积累和总氮肥利用率的提高。利用15N示踪技术，以目前太湖流域常用的常规粳稻武运粳23以及杂交稻Y两优2号为供试材料，对水稻基肥、蘖肥和穗肥的氮素去向进行了系统研究，结果发现，基肥氮和蘖肥氮的吸收利用率分别仅有20%~21.4%和20%~26.8%，远远低于穗肥（66.1%~71.6%），基蘖肥中有55%~70%损失到环境中，土壤残留只有10%~22%，而穗肥的损失率不足20%（图 1）^[22]。因此，从提高肥料利用率方面考虑，减少基蘖肥用量，增加穗肥比例是比较科学的方法。

图 1 基于15N示踪的基肥、蘖肥和穗肥的去向 Figure 1 Fates of basal，tiller，and panicle N in rice based on 15N tracer

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最近几年的研究结果也发现，重后期、轻前期的施肥策略，可增加产量并提高氮肥利用率^{[23, 24, 25]}，如同等氮肥用量下（225 kg·hm^-2），重穗肥不施基肥（基肥、蘖肥和穗肥的分配比例为0:50:50和0:30:70）比传统施肥（36:24:40）高产且肥料利用率提高^[25]。研究表明倒四叶、倒三叶是最利于早熟晚粳高产的追肥叶龄期，即前氮后移的最佳施肥期，此期追肥能确保穗数，又能攻取大穗，提高抽穗后的干物质积累和转运，从而增产^{[26, 27]}。笔者在江西早稻上的研究表明，氮肥用量从210 kg N·hm^-2降低到180 kg N·hm^-2，穗肥不减，无论是减基肥还是蘖肥，产量均表现为增加，基蘖肥均减施的处理产量最高，增产7%，单减基肥处理增产6.6%，单减蘖肥处理仅有轻微增产效果^[28]。因此，目前过量施肥情况下，减量施肥应减少基蘖肥的用量。太湖流域两年大田的试验结果进一步发现，氮肥用量从300 kg N·hm^-2降低到150 kg N·hm^-2，同时将基蘖肥用肥比例从80%降低到50%时，常规粳稻武运粳23的穗数虽有所下降，但穗粒数、结实率和千粒重提高，产量并没有出现下降，肥料利用效率显著提高，氮损失率显著下降了10个百分点以上；但如果减氮的同时不调整基蘖肥比例，则产量下降3%~8%（表 1）。这表明在减量施肥情况下要确保高产，更要注意前后期运筹比例，氮肥要重点用在肥料利用率高的后期^[29]。

表 1 氮肥减量下前后期用肥比例对产量及其构成、氮肥利用率及氮肥损失率的影响 Table 1 Yield and its components，N recovery efficiency and N loss ratio of different N split ratio treatments under N reduction

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为明确适宜的前后期用肥比例，开展了不同土壤肥力下适宜前后期用肥比例的桶栽试验研究，结果发现，土壤肥力水平决定了产量潜力的高低，在同等氮肥用量下高肥力土壤的产量明显高于低肥力土壤；且适宜的前后期比例也因土壤肥力的不同而不同，水稻前后期用肥比例随肥力水平的增加而下降，低肥力下6:4最佳，中肥力和高肥力下5:5最佳，此时的产量和氮肥利用率均最高（图 2）。这也与张洪程等^[26]提出的中上等地力水平下的适宜前后期用肥比例一致。

图 2 不同土壤肥力下前后期用肥比例对产量、氮肥利用率的影响（桶栽试验） Figure 2 Effects of different split ratios of basal-tiller N to panicle N on yields and N recovery efficiency under different soil fertilities based on pot experiments

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以往的研究多针对水稻的氮肥施用总量、前（基蘖肥）后期（穗肥）施肥比例及如何调控穗肥用量，对于基肥和蘖肥两者之间的运筹研究较少。¹⁵N的示踪研究结果发现，水稻整个生长期吸收的氮素中，基肥和蘖肥的贡献率几乎相当，分别为6.92%和7.58%，在土壤中的残留则表现为基肥＞蘖肥^[22]。水稻移栽后，秧苗需要7~8 d的移栽损伤恢复期，移栽后2周水稻对氮的吸收量十分少。本土氮供应能力在50~60 kg N·hm^-2以上时，不施基肥，利用叶色卡或冠层光谱来实时指导追肥能在保证产量的基础上明显提高氮肥利用率^{[30, 31, 32]}。研究我国199个水稻品种对有无基肥的产量响应发现，三分之二的品种在不施基肥条件下肥料利用效率得到提高，有无基肥之间产量无显著差异^[33]。2014年试验结果表明，基肥的用量取决于土壤肥力的高低。要实现水稻的高产高效低污栽培，必须针对土壤地力对各个时期的用肥进行精确定量^{[34, 35, 36]}。

为明确基肥和蘖肥的运筹比例是否受土壤肥力的影响，选用武运粳23号为供试品种，采用大田小区试验，考察不同基蘖肥运筹比例在高、低肥力水平下，对水稻产量及产量构成因素、氮素利用率和群体质量的影响。2014年试验结果表明，基蘖肥运筹比例对产量及氮素利用率的影响因地力水平的差异而不同。低肥力土壤下，随着蘖肥比例的增加，分蘖速度增加，高峰苗数降低，干物质积累和产量均呈现先增加后减少的趋势，在基蘖肥比例为3:7时（总氮用量为300 kg N·hm^-2），产量和氮肥利用率也最高，分别为13.12 t·hm^-2和41.50%（图 3）。在高肥力土壤中，随着蘖肥比例的增加，高峰苗数和分蘖速度均有所下降，最终穗数也呈现下降的趋势，产量及氮素利用率也发生相应的变化，但差异未达显著水平。低肥力下要保证高产必须注重基蘖肥的合理运筹，高肥力下基蘖肥的运筹对产量影响不显著。

图 3 不同土壤肥力下基肥、蘖肥比例对产量、吸氮量及氮肥利用率的影响（2014） Figure 3 Effects of different split ratios of basal N to tiller N on yield，rice N uptake and N recovery efficiency under different soil fertilities（field experiment in 2014）

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为确保高产，弥补前期水肥管理不当或者土壤-气候条件变化对水稻生长和群体构建造成的影响，需要根据作物的实时长势对穗肥用量进行微调。根据高产栽培经验，长江中下游区域早熟晚粳群体高峰苗应为适宜穗数的1.3~1.4倍，叶色于无效分蘖期正常落黄，穗肥于倒4叶、倒3叶期正常施用；若群体茎蘖数不足，叶色落黄早，需要早施、重施穗肥；若中期群体大，茎蘖数过多，叶色不落黄，穗肥则要推迟、减量施用；若剑叶抽出期仍未明显褪黄，则不必施穗肥。为了精确调整穗肥用量，可利用叶绿素仪（SPAD仪）、便携式光谱仪或光谱传感器等测定的叶色或冠层反射光谱对水稻生长进行无损快速诊断^{[37, 38, 39]}，并对穗肥氮用量进行决策，从而有效解决作物长势和土壤养分存在的时空变异性问题。

基于叶色的水稻实地氮肥推荐法（SSNM），能在保证产量的基础上，减少农户氮肥用量20%~40%，减少TN渗漏损失38%和径流损失26%^{[9, 10, 11, 22]}。该施肥技术的关键点是在水稻关键施肥期根据水稻叶片叶色（SPAD读数）对追肥用量进行实时调整：若实测叶片SPAD值低于临界值，说明水稻呈缺氮状态，需要在原追肥用量的基础上多施氮肥；若高于临界值，则说明水稻呈氮过盛状态，需要在原追肥用量的基础上减少用量。大量研究表明，江苏地区常规籼稻品种的叶片SPAD阈值为35，常规粳稻品种为37^[40]，而对于超级稻“甬优12号”，其穗分化期的SPAD临界值为49^[41]。实际应用中，一般取临界值加减一个单位为适宜的SPAD范围，增减的氮肥用量多以10 kg·hm^-2为标准。如籼稻临界值为36，若叶片SPAD在35~37之间，按原计划施氮；若低于35时，则需要在原计划施氮量的基础上增加10 kg·hm^-2，若高于37，则要少施10 kg·hm^-2[40]。巨晓棠^[18]发现利用SSNM法推荐出的总施氮量一般均要略低于计算出的理论施氮量，主要是因为SSNM法是根据作物长势丰缺来判断施多少氮，在当前农户过量施肥、土壤肥力普遍较高的情况，作物长势比较旺盛，植株体内氮素含量较高，因此推荐氮肥用量明显减少。但若长期维持这一低施氮量，则会造成土壤本底氮的消耗，引起产量下降现象，如Xue等^[42]在周铁镇的研究表明，水稻连续3年施氮150 kg·hm^-2，第二年起水稻产量会出现轻微下降，尽管与农户对照统计上差异不显著。若要保证高产，必需考虑土壤地力的变化，根据作物长势每年都对追肥用量进行调整。如Peng等^[23]在江苏江都的研究结果表明，SSNM法推荐的施氮量第二年比第一年高20 kg·hm^-2，此时水稻保持持续高产并比对照农户增产8%左右。

作物冠层光谱指数以其反映冠层群体信息、可从遥感影像获取等优点在近年来备受关注，其中传统的归一化植被指数（NDVI）因其容易获取而常被用来诊断作物的氮素营养状况并进行推荐施肥研究。薛利红等^[38]利用冠层NDVI来诊断水稻氮素营养状况，初步提出了江西早稻穗分化期的NDVI临界指标为0.70，组建了基于目标产量的光谱追肥算法（SDNT），与传统氮肥报酬曲线计算出的最佳施肥量和最高产量相差无几^{[43, 44]}。在江西双季稻区的示范应用结果发现，推荐施氮量因土壤田块地力的不同而不同，早、晚稻的推荐施氮量分别为157.5~181.5、165~187 kg·hm^-2，比农户施氮量减少了1%~18%，平均减少8%~9%，但早、晚稻产量比农户平均增产7.1%和7.6%，氮肥农学效率分别提高了30%和47%（表 2）。这表明，基于作物长势的穗肥调控技术能够根据作物的实时长势以及作物高产氮素需求对氮肥用量进行及时矫正，可有效避免过量施肥或者施肥不足带来的不利影响，从而确保高产并减少氮素的损失。

表 2 基于光谱的水稻氮肥推荐方法在江西早晚稻的应用 Table 2 Application of spetrum-determined N topdressing method（SDNT）in early and late rice in Jiangxi Province

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为保证稻田的高产稳产可持续发展，必须在保证土壤肥力不下降的基础上对氮肥用量进行合理减量，低土壤肥力下化肥减量空间较小，高土壤肥力下化肥减量空间较大。适宜施氮量的计算宜采用基于目标产量的理论施氮量计算方法，即目标产量与百千克籽粒吸氮量的乘积。应减施的化肥量等于农户施氮量与理论施氮量的差值。化肥减量应重点减施前期用肥即基蘖肥。氮肥运筹应根据土壤肥力的高低进行优化调整，低土壤肥力下要重视前期用肥，促进水稻早发、快发，基蘖肥施用比例以60%为宜，其中基肥与蘖肥的比例以3:7为宜，中高土壤肥力下基蘖肥的比例降低到50%左右为宜。在此基础上，可利用叶色或冠层光谱无损监测技术对水稻长势进行实时无损诊断，并根据作物高产氮素需求对穗肥用量进行实时动态调整，从而确保高产。