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水稻为我国种植面积最大的粮食作物，长期以来农民受“多施肥才能高产”的传统观念影响，我国化肥的不合理施用现象较为严重[1]。随着化工业的发展，我国成为世界上最大的化肥生产国和消费国[2-3]。目前我国水稻平均施氮量为180kg/hm2，较世界平均施氮量高出75%，但我国氮肥利用率仅达30%～35%，甚至在部分地区低于20%[4]，而发达国家已达50%～60%[5]。氮肥的过量施用不仅导致肥料养分的损失，还引起土壤板结和酸化、水体富营养化以及温室气体排放增加等问题[6-8]，由此可见，化肥在为作物提供重要养分的同时，也是农田生态环境的污染源之一[9-10]。因此，在保证水稻高产的同时，提高氮肥利用率，降低肥料施用量，合理施肥，探索更为安全高效的水稻施肥方式尤为重要。国内外研究表明，提高肥料养分利用率最有效的方式是优化养分管理措施，合理的养分管理可以使水稻氮肥利用率在50%～80%之间[11-13]。张福锁等[1]研究认为，同时解决施肥不足和过量施肥问题是提高氮肥利用率的有效途径之一。崔振岭[14]研究也表明，优化氮肥管理在维持作物产量的同时，可在一定程度上较农民习惯施肥减少氮素的损失，降低氮肥施用量。关于氮肥合理用量的研究较多，目前主要分为基于土壤养分的推荐施肥方法和基于作物的推荐施肥方法[15]。其中基于土壤养分的推荐施肥方法主要为测土配方施肥，其操作性较基于作物的推荐施肥方法更为复杂。本研究所用科学施肥方法为基于作物产量和农学效率的推荐施肥方法，属于基于作物推荐施肥方法中的一种，本方法简化了复杂原理，并结合计算机技术，以问答界面形式呈现，输入田块相关信息，即可给出推荐施肥量，形成可直接使用的养分专家系统。
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近年来，双季稻区的常规稻种植规模在不断扩大。目前，在养分专家研究方面，前期的研究主要集中在杂交稻上，而针对常规稻的研究则较为缺乏[16-18]。因此，为深入探讨双季常规稻模式下养分专家推荐施肥的减氮效应，本研究分别以常规稻江早361和湘晚籼12号为早、晚稻种植品种，在养分专家系统推荐氮肥用量的基础上，设置氮肥梯度试验，通过研究施氮量对水稻产量、氮素养分吸收量和氮肥利用率的影响，验证水稻养分专家系统推荐施肥的减氮效应。
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1 材料与方法
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1.1 试验地概况
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试验位于江西省进贤县温圳镇，供试土壤为第四纪红粘土发育的水稻土，试验田前茬为冬闲，常年种植双季稻，试验前耕层土壤基本化学性质为：有机质26.17g/kg，全氮2.11g/kg，碱解氮149.38mg/kg，速效钾71.87mg/kg，有效磷55.79mg/kg， pH 5.7。
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1.2 试验设计
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试验开始于2019年，通过了解试验地往年种植、产量以及施肥情况，在养分专家软件中运行后得到推荐施肥处理（NE处理），在NE处理基础上对氮肥用量进行增减25%和50%（NE+25%N、 NE+50%N、NE-25%N和NE-50%N），以及减100%氮肥（NE-100%N），共设置6个处理，具体施肥情况见表1，试验地周边农户习惯施肥早稻为氮肥（N）210kg/hm2、磷肥（P2O5）79kg/hm2、钾肥（K2O）214kg/hm2，晚稻为氮肥（N） 228kg/hm2、磷肥（P2O5）90kg/hm2、钾肥（K2O） 279kg/hm2。各处理小区面积30m2，3次重复，小区间土埂用塑料薄膜包裹，随机区组排列。试验用肥料为尿素、钙镁磷肥、氯化钾。氮肥按基肥∶分蘖肥∶穗肥=4∶3∶3施用；磷肥全部一次性作基肥施用；钾肥按基肥∶穗肥=5∶5施用。早晚稻均为常规稻，分别为江早361和湘晚籼12号。
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1.3 测定项目和分析方法
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1.3.1 早晚稻产量测定
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成熟期每小区实收称产，随后将3个重复取平均数。
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1.3.2 植株样品氮含量测定
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于成熟期采集植株样，每处理每小区按平均茎蘖数分别取样3蔸，3次重复，去除地下部分，在烘箱内105 °C杀青15min之后80 °C烘干、冷却、称重。
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植株养分含量测定：将样品粉碎，过0.149mm筛，用FOSS-2300全自动定氮仪测定植株氮含量。
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1.4 计算公式
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氮肥吸收利用率（%）=（施氮区植株总吸氮量-不施氮区植株总吸氮量）/施氮量 ×100
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氮肥农学效率（kg/kg）=（施氮区产量-不施氮区产量）/施氮量
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氮肥偏生产力（kg/kg）=施氮区产量/施氮量
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施氮产量反应（kg/hm2）=施氮区产量-不施氮区产量
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1.5 数据处理和统计分析
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数据处理用Excel 2003，图件制作用Origin 8.1，采用最小显著差异法（Fisher’s LSD）于0.05水平上进行差异显著性检验。
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2 结果与分析
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2.1 养分专家推荐施肥下不同氮肥用量对水稻产量的影响
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由图1可知，两年早晚稻产量均随施氮量呈先升高后降低的趋势，早稻均为139kg/hm2 施氮量时产量最高，晚稻均为140kg/hm2 施氮量时产量最高，即NE处理产量最高，之后随施氮量的增加，水稻产量无显著提高且有降低趋势。与农户习惯施肥相比，NE处理早、晚稻施氮量分别降低了33.8%和38.6%。2019年早、晚稻NE处理产量分别为6890.40和6985.36kg/hm2，较NE-100%N处理早、晚稻分别显著增产59.3%和36.2%，较NE-50%N处理分别显著增产20.8%和11.6%，与其余3个处理无显著差异。2020年早、晚稻NE处理产量分别为6562.37、6452.01kg/hm2，与NE+ 25%N处理差异不显著，早稻较其余处理显著增产6.8%～52.6%，晚稻较其余处理显著增产11.4%～59.2%。
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图1 不同施氮量下早晚稻的产量
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注：图中同一指标不同字母表示各处理间差异显著（P< 0.05）。下同。
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对产量和施氮量进行回归分析，结果表明，两年早、晚稻的产量和施氮量之间均呈极显著一元二次抛物线关系。根据函数关系式计算，2019年早、晚稻最大施氮量分别为170、160kg/hm2，对应产量分别为6647.08、6974.30kg/hm2，2020年最大施氮量分别为161、150kg/hm2，对应产量分别为6328.71、6231.84kg/hm2，两年NE处理早、晚稻施氮量较最大施氮量分别降低13.7%～18.2%、 6.7%～12.5%，而产量均较最大施氮量对应产量略高。
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进一步计算各施氮肥处理早晚稻的产量反应可知，随施氮量的增加，两年产量反应均呈先升高后降低的趋势（图2）。2019年早、晚稻氮肥产量反应最高的均为NE处理，较NE-50%N处理分别显著提高86.4%和64.5%，与其他处理差异不显著。2020年早、晚稻NE处理与NE+25%N处理差异不显著，较其他处理分别显著提高22.6%～82.6%、 38.1%～69.0%。
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2.2 养分专家推荐施肥下不同氮肥用量对水稻氮素养分吸收的影响
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随施氮量的增加，两年早、晚稻的氮吸收量均呈先增加后减少的趋势，且均在NE处理的施氮量时达到最高（ 表2）。早稻NE处理2019和2020年分别较其他处理显著增加10.0%～100.2%和9.2%～112.5%，两年平均增幅为9.5%～105.7%，且差异显著；晚稻NE处理两年分别显著高于其他处理7.0%～83.3%和7.0%～93.6%，两年平均增幅为7.0%～88.0%。可见，养分专家系统推荐的氮肥施用量可显著提高水稻氮素养分吸收量。
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图2 不同施氮量下早晚稻的氮产量反应
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注：表中同一指标不同字母表示各处理间差异显著（P< 0.05）。下同。
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2.3 养分专家推荐施肥下不同氮肥用量对水稻氮肥利用率的影响
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随施氮量的增加，两年氮肥吸收利用率大致呈先升高后降低的趋势（表3）。2019年早稻氮肥吸收利用率最高为NE处理，NE-50%N处理与之差异不显著，2020年早稻NE处理氮肥吸收利用率显著高于其他施用氮肥处理21.1%～155.9%，两年平均增幅为14.7%～147.0%；晚稻两年最高均为NE-25%N处理，但NE处理与之无显著差异，且NE处理两年晚稻较其他处理显著增加8.9%～155.0%。
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两年早晚稻氮肥农学效率随施氮量的增加呈降低趋势（表4）。NE处理两年早晚稻氮肥农学效率与NE-50%N、NE-25%N处理均无显著差异，较NE+25%N和NE+50%N处理两年早稻平均分别显著提高27.9%和81.3%，晚稻平均分别显著提高35.7%和108.2%。
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氮肥偏生产力在两年结果中均随施氮量的增加显著下降（表5），早稻两年最高分别为82.0和79.7kg/kg，平均最高为80.9kg/kg；晚稻两年最高分别为89.4和78.2kg/kg，平均最高为83.8kg/kg。
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3 讨论
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3.1 养分专家推荐施肥下不同氮肥用量对水稻产量的影响
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氮素养分是水稻高产的关键因素，在水稻生产中有不可替代的地位[19]。前人研究证明，作物在一定的施氮量范围内，产量随施氮量的增加而增加，当超过一定范围后，随施氮量的增加产量有下降趋势[20-21]。候云鹏等[22]研究表明，水稻施氮量在60～180kg/hm2 时，随施氮量的增加，产量增加，高于180kg/hm2 时，产量随施氮量的增加而降低。柳开楼等[23]在不同肥力水平稻田上进行试验，发现在养分专家系统推荐施氮量的基础上，增施15%、30%和45%及减施15%氮肥均未使早晚稻显著增产。本研究通过两年田间试验，结果均显示养分专家推荐施肥处理产量最高，当施氮量超过推荐用量时，水稻产量开始呈降低趋势。进一步计算表明，水稻产量和施氮量之间呈极显著一元二次抛物线关系，通过一元二次拟合方程计算，两年NE处理早、晚稻施氮量较最大施氮量分别降低13.7%～18.2%、6.7%～12.5%，而产量均较最大施氮量对应产量略高，说明养分专家可在双季常规稻模式下实现减氮增效，这与前人对该系统在双季稻中应用的研究结果一致[24]。而另有研究表明，养分专家系统在双季稻区的推荐氮肥施用量仍有减施12.94%～34.07%的潜力[23]，因此养分专家在双季常规稻模式下的减氮效应还有待进一步研究。
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3.2 养分专家推荐施肥下不同氮肥用量对水稻养分吸收和氮肥利用率的影响
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养分的过量投入不仅影响产量，同时会造成养分吸收量和肥料利用率的降低。陈新红等[25]认为，氮肥的合理施用可使成熟期水稻植株对氮、磷、钾养分的吸收显著增加。孙永健等[26]研究显示，在一定范围内，增加氮肥施用量，水稻植株对氮、磷、钾养分的吸收量增加，但过量则会导致养分吸收量下降。还有研究证明，适量的氮肥施用可增加小麦的养分吸收量，但过量则小麦养分吸收量不增加，且导致大量氮素养分残留于土壤中[27]。本研究两年结果均表明，当氮肥用量增加至养分专家推荐用量时，水稻氮素养分吸收量达到最高，继续增加施氮量则有降低的趋势。两年研究结果还显示，随施氮量的增加，氮肥吸收利用率呈先升高后降低的趋势，当施氮量为养分专家系统推荐用量时，氮肥吸收效率达到最佳，氮肥偏生产力和氮肥农学效率则随施氮量的增加而降低，与李伟波等[28]研究结果基本吻合。这是由于养分利用率是衡量施肥合理性最直接的指标[29]，肥料的养分吸收利用率可以反映水稻所吸收养分占养分施用总量的比重，因此过高的养分投入量会降低肥料养分的吸收利用率[30]。可见，养分专家系统推荐施肥可实现氮肥减施增效。对各处理氮肥产量反应计算结果显示，随施氮量的增加，产量反应呈现先升高后降低的趋势，且早、晚稻氮肥产量反应最高均为NE处理。产量反应越高说明肥料对作物产量的贡献越大，进一步说明养分专家推荐施肥的氮肥对作物产量贡献最高，且随施氮量的增加，氮肥对作物产量的贡献呈先升高后降低的趋势，这一结果与氮肥吸收利用率结果相契合。说明养分专家系统推荐氮肥用量可提高水稻产量的同时，促进植株对养分的吸收，并提高氮肥利用率，可科学指导水稻生产，达到氮肥减施增效的目标。
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4 结论
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养分专家系统推荐的氮肥用量施用条件下，早晚稻产量及氮素养分吸收量均达到最高，氮肥利用率也保持在较高水平。结合一元二次方程发现，养分专家系统推荐施氮量较最大施氮量有所降低，但所获产量较之略高，说明养分专家可在双季常规稻模式下实现减氮增效。
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摘要
近年来，双季稻区的常规稻种植规模在不断扩大。同时，氮肥施用过多也是生产中的突出问题，因此，在双季常规稻种植模式下养分专家系统推荐施肥的减氮效应研究具有重要意义。试验于 2019 和 2020 年在江西省进贤县温圳镇进行，早晚稻均为常规稻品种，分别为江早 361 和湘晚籼 12 号，开展双季种植，在养分专家推荐施肥（NE）的基础上，设置不施氮肥处理（NE-100%N）、氮肥减量 25% 和 50%（NE-25%N 和 NE-50%N）、氮肥增量 25% 和 50%（NE+25%N 和 NE+50%N）共 6 个处理，测定水稻产量、植株氮素养分吸收量、氮肥利用率等指标。结果显示，两年早、晚稻产量及氮肥产量反应均为养分专家系统推荐施氮量的 NE 处理最高，较 NE-100%N 和 NE-50%N 处理显著增产 11.6% ～ 59.3%，随施氮量的增加，至 NE 处理时产量达到最高，继续增加则水稻产量有降低趋势。进一步进行拟合方程表明，产量和施氮量之间呈极显著一元二次抛物线关系，两年 NE 处理早、晚稻施氮量较最大施氮量分别降低 13.7% ～ 18.2% 和 6.7% ～ 12.5%，而产量均较最大施氮量对应产量略高。氮素养分吸收量随施氮量的增加，在 NE 处理时达到最高，早、晚稻两年平均氮素吸收量较其他处理分别显著提高 9.5% ～ 105.7% 和 7.0% ～ 88.0%。而 NE 处理的早、晚稻平均氮肥吸收利用率较其余处理两年增幅分别为 14.7% ～ 147.0% 和 8.9% ～ 155.0%，平均农学效率较 NE-50%N、NE-25%N 处理均无显著差异，较其余处理两年增幅为 27.9% ～ 108.2%。综上，养分专家系统推荐氮肥用量可使双季常规稻增产，提高水稻植株的氮素养分吸收量以及氮肥利用率，同时达到减氮增效的目标，有利于科学指导双季常规稻的氮肥施用。
Abstract
In recent years，the scale of conventional rice planting in the double-cropping rice area has been continuously expanding．At the same time，excessive application of nitrogen fertilizer is also a prominent problem in production． Therefore，it is of great significance to study the nitrogen reduction effect of fertilizer recommended by nutrient expert system in the double-cropping conventional rice planting mode．The experiment was carried out in Wenzhen Town，Jinxian County，Jiangxi Province in 2019 and 2020．Early and late rice varieties were conventional rice varieties，Jiangzao 361 and Xiangwanxian 12，respectively．A total of six treatments，including fertilizer recommended by nutrient experts（NE），no nitrogen fertilizer treatment（NE-100%N），nitrogen fertilizer reduction by 25% and 50%（NE-25%N and NE-50%N），nitrogen fertilizer increased by 25% and 50%（NE +25%N and NE+50%N）were set up，and rice yield，plant nitrogen，phosphorus and potassium nutrient uptake，nitrogen utilization efficiency and other indicators were measured．The results showed that the twoyear early and late rice yields and nitrogen fertilizer yield response were the highest in the NE treatment，which significantly increased the yield by 11.6% ～ 59.3% compared with the NE-100%N and NE-50%N treatments．With the increase of the nitrogen amount，the yield reached the highest at the NE treatment，and when nitrogen continued to increase，the rice yield had a decreasing trend．Further calculation of the fitting equation showed that there was a very significant one-variable quadratic parabola relationship between yield and nitrogen application rate．Nitrogen application rates for early and late rice in the two-year NE treatment were reduced by 13.7% ～ 18.2% and 6.7% ～ 12.5%，respectively，compared with the optimal nitrogen rate，and the yield was slightly higher than the corresponding yield of the optimum nitrogen application rate．The nutrient uptake of nitrogen increased with the amount of nitrogen applied，and reached the highest in NE treatment．The two-year average nitrogen uptake of early and late rice was significantly increased by 9.5% ～ 105.7% and 7.0% ～ 88.0% compared with other treatments，respectively．The average nitrogen uptake efficiency of early and late rice with NE treatment increased by 14.7% ～ 147.0% and 8.9% ～ 155.0%，respectively，compared with the other treatments in two years． The average agronomic utilization of NE treatment had no significant difference than that of NE-50%N and NE-25%N treatments.， and the increase was 27.9% ～ 108.2% compared with the other treatments in two years．In summary，the amount of nitrogen fertilizer recommended by nutrient expert system can increase the yield of double-cropping conventional rice，increase the nitrogen nutrient uptake of rice plants and the utilization of nitrogen fertilizer，and at the same time achieve the goal of reducing nitrogen and increasing efficiency，which is conducive to scientifically guiding the application of nitrogen fertilizer for double-cropping conventional rice.