李克亮 周志艷

摘要：氮肥施用是水稻生產(chǎn)中比較重要，對水稻增產(chǎn)效益最高的環(huán)節(jié)，但目前我國水稻氮肥管理形式粗放，過量施用情況時(shí)有發(fā)生，這不僅增加了生產(chǎn)成本，還對環(huán)境造成污染。因此，進(jìn)行氮肥施用精準(zhǔn)管理研究，對水稻生產(chǎn)的提質(zhì)增效有重要意義。對影響水稻氮肥吸收利用的主要因素進(jìn)行深入分析，包括水稻品種、土壤理化性質(zhì)、氣候條件、水分管理、氮肥施用技術(shù)等5個(gè)方面;并對基于測土配方、生長模型、實(shí)地觀測、遙感監(jiān)測的主流水稻氮肥管理技術(shù)進(jìn)行總結(jié)歸納，深入剖析當(dāng)前我國水稻氮肥精準(zhǔn)管理中所存在的主要問題;最后，提出解決我國水稻生產(chǎn)中氮肥過量施用問題的有效方法，并指出在未來水稻氮肥施用中，無人機(jī)遙感用于精準(zhǔn)施氮決策將是重要的發(fā)展方向之一。水稻氮肥精準(zhǔn)管理技術(shù)的研究對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥的減量施用具有重要意義。

關(guān)鍵詞：水稻;氮素吸收;水稻生長模型;水稻氮肥管理;精細(xì)農(nóng)業(yè);遙感

中圖分類號： S511.06;S143.1? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）12-0018-07

水稻是世界主要的糧食作物之一，在我國2/3的人口以水稻作為主食[1]，水稻生產(chǎn)意義重大。目前，我國水稻種植面積與產(chǎn)量分別占總糧食的34.9%、48.4%[2]，水稻生產(chǎn)對保障我國糧食安全有重要的意義。但是，當(dāng)前我國水稻生產(chǎn)中存在肥料施用過量、總體利用率低的問題。水稻主要的施肥元素為氮、磷、鉀，據(jù)2013年《中國三大糧食作物肥料利用率研究報(bào)告》報(bào)道，當(dāng)前我國水稻生產(chǎn)中氮肥、磷肥、鉀肥的利用率分別為35%、25%、41%。而目前美國糧食作物氮肥利用率能夠達(dá)到50%，歐洲糧食作物氮肥利用率能達(dá)到65%[3]。氮是植物蛋白質(zhì)、葉綠素重要組成元素，直接參與作物的光合作用和物質(zhì)積累，影響水稻的生長，對水稻產(chǎn)量影響較大。目前，我國水稻種植中施肥量最高的是氮肥，過量施肥不僅增加了生產(chǎn)成本，還會(huì)帶來一系列環(huán)境問題[4]，例如水體中含氧量降低，病蟲草害發(fā)生概率上升，土壤板結(jié)酸化、保水保肥能力降低、重金屬污染、水體富營養(yǎng)化、溫室效應(yīng)等[5-6]。因此，在水稻種植管理中，實(shí)現(xiàn)氮肥減施，節(jié)本增效愈加重要。

水稻氮素占水稻植株干物質(zhì)的0.3%～5.0%，其中20%被根部吸收利用，其余的氮運(yùn)往地上部[7]。在水稻的生殖生長期，水稻60%～70%的氮素轉(zhuǎn)移到水稻稻谷中[8-9]。水稻吸收氮素主要有NH4+-N、NO3--N以及有機(jī)氮等形式。水稻是一種喜銨作物，水稻水田種植以NH4+-N吸收為主，但在旱作下水稻以NO3--N吸收為主。在氮素脅迫時(shí)，會(huì)造成水稻蛋白質(zhì)、磷脂、核酸、葉綠素等物質(zhì)合成受阻，使水稻表現(xiàn)出植株矮小、分蘗少、葉片發(fā)黃、產(chǎn)量下降等現(xiàn)象[10]。因此，水稻對氮素的吸收利用對水稻的生長十分重要。

水稻施肥管理是水稻生產(chǎn)中必不可少的環(huán)節(jié)，其中氮肥施用比例最大，對水稻增產(chǎn)效益最高。目前，我國氮肥管理形式粗放，導(dǎo)致水稻氮肥利用率低、氮肥施用量大。水稻對氮肥的吸收過量會(huì)造成水稻根部將H+轉(zhuǎn)移到土壤中，造成土壤酸化，影響水稻對氮素的吸收作用;當(dāng)水稻體內(nèi)氮高于水稻運(yùn)轉(zhuǎn)能力時(shí)，水稻會(huì)將多余的氮排入土壤中，造成無效氮循環(huán)[7]。氮肥施用量增加使得水稻生產(chǎn)成本提高，導(dǎo)致稻谷缺乏價(jià)格優(yōu)勢。氮肥施用量大會(huì)增加病蟲害的發(fā)生概率，提高管理成本，還會(huì)造成水體的富營養(yǎng)化、增加溫室氣體排放、土壤板結(jié)酸化、保水保肥能力降低、重金屬污染等環(huán)境污染問題[11-12]。因此，提高氮肥利用率顯得尤為重要，水稻氮肥精準(zhǔn)管理技術(shù)是解決阻礙我國水稻種植管理中肥料用量過量問題的重要方法之一。

本文擬對影響水稻氮肥吸收利用的主要因素進(jìn)行深入分析，包括水稻品種、土壤理化性質(zhì)、氣候條件、水分管理、氮肥施用方式等5個(gè)方面，并對現(xiàn)有的主流水稻氮肥管理技術(shù)進(jìn)行總結(jié)歸納，深入剖析氮肥管理中所存在的主要問題。在此基礎(chǔ)上，提出解決我國水稻生產(chǎn)中氮肥過量施用問題的有效方法，并指出未來水稻氮肥施用技術(shù)的發(fā)展趨勢，以期為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥的減量施用提供參考。

1 影響水稻氮肥吸收利用的主要因素研究

研究表明，隨著水稻氮素吸收量的增加，氮素轉(zhuǎn)移進(jìn)稻谷中的量增多，從而導(dǎo)致產(chǎn)量提高[13]。探明影響水稻氮肥吸收利用的主要因素，可為實(shí)施有針對性的氮肥精準(zhǔn)管理、提高水稻氮肥利用率提供依據(jù)。因此，全面、深入地研究水稻氮肥吸收的影響因素不但可以提高水稻氮肥管理的科學(xué)性，更能推動(dòng)我國水稻種植向精細(xì)化發(fā)展。

產(chǎn)量是水稻種植追求的主要目標(biāo)之一，而水稻生長中物質(zhì)的生產(chǎn)是水稻產(chǎn)量的主要基礎(chǔ)。水稻生長中物質(zhì)的生產(chǎn)包括蛋白質(zhì)積累、葉綠素合成等，而這些都離不開水稻對氮素的吸收。而水稻光合作用、生長發(fā)育的因素對水稻氮素的吸收利用均有影響;因此，研究水稻氮肥吸收利用率時(shí)，通常需要著重考慮水稻品種、土壤理化性質(zhì)（pH值、土壤水分、孔隙度、土壤氮素供應(yīng)量等）、氣候條件（CO2濃度、光照度、降水量、氣溫）、水分管理、氮肥施用方式等5個(gè)方面（圖1）。

1.1 水稻品種與水稻氮肥管理

不同水稻品種間存在產(chǎn)量差異，因此不同水稻品種對氮素的需求量不同。主要原因包括以下幾點(diǎn)。

（1）不同品種水稻的基因型不同，造成水稻根系總吸收面積、氧化還原力、氮代謝酶活性等方面存在差異[9，14-15]，這直接影響了水稻對氮肥的吸收效率。

（2）不同水稻品種的遺傳物質(zhì)不同，會(huì)導(dǎo)致葉片結(jié)構(gòu)的差異[16]，影響水稻光合作用效率和水稻對CO2的同化作用，進(jìn)而影響水稻生長速率;而水稻生長需要合成蛋白質(zhì)，需要吸收氮元素，間接影響了水稻對氮肥的需求量與吸收效率。

（3）水稻品種不同，其適應(yīng)的環(huán)境也不同，直接影響水稻的生長，影響氮素的吸收。

不同品種對氮肥吸收作用不同，因此，在進(jìn)行水稻精準(zhǔn)施肥管理決策時(shí)，必須要考慮不同品種水稻的農(nóng)藝要求及生長特性，進(jìn)行區(qū)別對待。

1.2 土壤理化性質(zhì)與水稻氮肥管理

土壤是由固體（土壤礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)和微生物等）、液體（土壤水分）和氣體（土壤孔隙中的空氣類物質(zhì)）組成的。土壤理化性質(zhì)是構(gòu)成土壤肥力的基礎(chǔ)。土壤氮素是水稻植株中氮素營養(yǎng)供應(yīng)的重要來源，例如抽穗期水稻植株約85%的氮素來源于土壤[17]。土壤理化性質(zhì)中的營養(yǎng)含量、pH值、孔隙度等對水稻氮素吸收作用影響較大。因此，研究土壤理化性質(zhì)對水稻氮肥管理的影響主要考慮土壤營養(yǎng)含量、土壤pH值、土壤孔隙度等3個(gè)因素。

1.2.1 土壤營養(yǎng)含量 土壤營養(yǎng)含量能被水稻吸收利用，特別是土壤中的堿解氮含量影響了水稻氮肥用量。研究表明，土壤耕層（0～30 cm）堿解氮含量與產(chǎn)量相關(guān)性最大[18]。隨氮素供應(yīng)量增加，水稻的氮肥利用率減小，土壤氮素含量越高，氮肥施用量雖然減小，但水稻的氮肥利用率降低。土壤中的有效磷、速效鉀含量能促進(jìn)水稻對氮素的吸收作用、增加水稻氮肥利用率。土壤中的其他營養(yǎng)成分的缺失也會(huì)對水稻生長造成影響，如土壤中鈉鎂離子增多會(huì)抑制葉綠素合成，更會(huì)嚴(yán)重阻礙水稻的正常生長[19]。因此，精細(xì)的氮肥管理須要對土壤營養(yǎng)含量進(jìn)行檢測，合理安排氮肥的施用。

1.2.2 土壤pH值 土壤pH值也是影響水稻氮肥吸收的重要因素。隨土壤pH值升高，土壤中的氨態(tài)氮增加，稻田中的NH3揮發(fā)量增加，會(huì)降低氮肥的利用率[20-21]。因此，氮肥施用時(shí)應(yīng)避免與堿性肥料一起施用。另外，pH值高的鹽堿土中有機(jī)質(zhì)含量少、肥力低、理化性質(zhì)差，鹽分離子的聚集會(huì)引起水稻生理性缺水，進(jìn)而抑制氮肥吸收利用[19]。土壤pH值偏低，會(huì)影響土壤中其他水稻養(yǎng)分的含量，如有效磷含量的降低。因此，土壤pH值與水稻氮素的吸收利用關(guān)系密切。

1.2.3 土壤孔隙度 土壤的孔隙度與土壤容重呈負(fù)相關(guān)，孔隙度越大，容重越小，耕層提供的水稻營養(yǎng)就越少。因此，土壤孔隙度影響了耕層土壤的養(yǎng)分供應(yīng)總量。另外，土壤孔隙度直接關(guān)系土壤的透氣性，影響了土壤中的空氣成分如氧氣含量等，含氧量增加能促進(jìn)土壤硝化作用使NH4+-N生成NO2-、NO3-，有利于氮吸收;當(dāng)土壤氧氣含量不足時(shí)會(huì)發(fā)生反硝化作用，生成N2、N2O[22]，進(jìn)而造成氮肥吸收利用降低。因此，土壤孔隙度影響了水稻的氮素吸收，合適的稻田整地技術(shù)有助于水稻的氮素吸收。

雖然土壤理化性質(zhì)對水稻氮肥的吸收有較大影響，在實(shí)際生產(chǎn)中需要及時(shí)獲取土壤理化信息，進(jìn)行精準(zhǔn)施肥調(diào)控。但在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)土樣采集點(diǎn)增加，土樣采集密度放大時(shí)，取土和事后分析化驗(yàn)工作量巨大，因此，通過取土樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析化驗(yàn)的方法難以滿足水稻精準(zhǔn)用肥管理的需要。

1.3 氣候因素與水稻氮肥管理

水稻生長與氣候條件密不可分。若氣候條件不適宜，會(huì)影響水稻的正常生長發(fā)育，甚至導(dǎo)致水稻植株死亡。氣候條件對水稻生長造成影響的表現(xiàn)之一，是影響水稻對氮素的吸收利用。不同播期的氣候條件不同，水稻在不同播期的生長期日程、產(chǎn)量、米質(zhì)等都會(huì)存在差異[23-24]。氣候條件中溫度、光照條件、CO2濃度、降水量對水稻生長影響較大。

1.3.1 溫度 溫度在水稻的整個(gè)生長發(fā)育期中起到至關(guān)重要的作用，是影響水稻生長發(fā)育的重要因素。溫度對水稻植株內(nèi)的酶活性造成影響，進(jìn)而影響水稻的氮肥吸收作用及利用率。在水稻的整個(gè)生育期中，不同時(shí)期對溫度的要求有較大差異，水稻種子的萌發(fā)依賴一定的溫度條件，水稻種子在低于10～12 ℃時(shí)停止萌發(fā);水稻分蘗期最適溫度為30～32 ℃，此時(shí)水稻生長最快;抽穗期最適溫度為25～35 ℃，低于20 ℃時(shí)會(huì)造成結(jié)實(shí)率低[25]。高溫還會(huì)影響水稻生育期，造成水稻生長期縮短[26]。高溫會(huì)造成氣孔部分閉合減緩蒸騰作用，影響光合作用，造成水稻生長期縮短，從而減產(chǎn)和水稻氮素利用率下降。因此，美國的DD50水稻管理決策系統(tǒng)，把有效積溫作為安排水稻種植管理的重要依據(jù)。

1.3.2 光照條件 光照條件是影響水稻光合作用的主要因素，不僅對氣溫影響較大，而且也影響著水稻的光合作用。光強(qiáng)過低會(huì)減弱光合作用強(qiáng)度，光強(qiáng)過強(qiáng)會(huì)使氣孔關(guān)閉，葉綠素含量降低[26]，光合作用減弱。光照時(shí)間越長，光合作用時(shí)間越久，水稻光合產(chǎn)物的積累就越多，有助于提高水稻對氮肥的吸收利用率。

1.3.3 CO2濃度 CO2是水稻光合作用的主要原料。在一定濃度條件下，CO2濃度升高能增加水稻對碳的吸收同化作用，促進(jìn)水稻生長，從而加強(qiáng)水稻對氮素的吸收。有研究表明，CO2濃度過高會(huì)造成氣孔部分關(guān)閉[28];隨著空氣中CO2濃度的升高，土壤可溶性氮含量下降[29]，造成土壤氮素供應(yīng)量下降。因此，CO2濃度對水稻氮素吸收的影響是復(fù)雜的，需要全方位考慮。

1.3.4 降水量 降水量也是水稻生長的重要影響因素之一。降水量的多少，直接影響到水稻的田間管理策略。降水量適宜的地區(qū)，土壤中的液態(tài)環(huán)境有助于溶解土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)，有利于水稻根部與營養(yǎng)物質(zhì)接觸，增強(qiáng)水稻對氮素的吸收利用。但若降水量過多，則易引發(fā)洪澇災(zāi)害，受淹水稻生長發(fā)育停滯[30]，從而降低水稻對氮素的吸收利用。此外，降水量大的地區(qū)通?？諝鉂穸容^大，當(dāng)遇上高溫，高溫高濕的天氣容易引起有害的病菌滋生，誘發(fā)水稻病害，影響水稻生長，從而影響水稻對氮素的吸收利用。

1.4 水分管理與水稻氮肥管理

水分管理是水稻高產(chǎn)種植的關(guān)鍵技術(shù)之一。有研究表明，輕度水分脅迫會(huì)導(dǎo)致水稻氣孔部分關(guān)閉，從而降低葉肉細(xì)胞對CO2的同化吸收;重度水分脅迫會(huì)降低水稻葉肉細(xì)胞的光合能力，不利于水稻生長與氮素吸收[31]。不同時(shí)期田間水分對水稻生長影響不同，在水稻苗期，對田間水分要求嚴(yán)格，水層超過3 cm則會(huì)顯著降低出苗率[32];分蘗盛期，適度的水分脅迫可以控制水稻的無效分蘗，并且適度的水分脅迫有利于誘導(dǎo)根豎直向下生長，有利于增大根的吸收面積，增加了水稻對氮肥的吸收效率[33-34]，并且有利于水稻的抗倒伏。在水稻孕穗期，水稻對水分敏感，水分脅迫會(huì)造成結(jié)實(shí)率的降低，造成減產(chǎn)，影響水稻氮肥利用率。因此，水分管理在保證水稻供水充足的同時(shí)，還應(yīng)與水分脅迫相結(jié)合，合理的水分管理可以提高水稻對氮素的吸收利用。

1.5 氮肥的施用方式與水稻氮肥管理

氮肥施用是水稻增產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。施氮肥與不施氮肥，水稻在產(chǎn)量上存在明顯差異。氮肥施用方式直接影響水稻的氮素供應(yīng)量，影響水稻的生長。氮肥施用方式主要體現(xiàn)在氮肥施用比例與氮肥施用技術(shù)2個(gè)方面。

1.5.1 氮肥的施用比例 氮肥的施用比例是指在氮肥不同生長期的氮肥分配比例。水稻不同時(shí)期需氮量不同，氮肥施用比例的不同會(huì)造成水稻生長的差異[35]、影響水稻的氮素吸收。隨著水稻的生長發(fā)育，水稻的根系密度在拔節(jié)期達(dá)到峰值[15]，根部對氮肥的吸收作用最強(qiáng)，這很好地解釋了水稻拔節(jié)期水稻氮肥利用率大于分蘗期的現(xiàn)象。孫永建等研究發(fā)現(xiàn)，水田種植模式下氮肥后移比例在40%左右為宜（即基蘗肥與穗肥質(zhì)量比為6 ∶ 4）[33]。因此，在滿足水稻不同生長期的氮肥需求量的同時(shí)，須要適度地將氮肥后移才能更好地提高肥料利用率。

氮肥施用比例不僅影響了水稻的氮素吸收，更影響了水稻自身的氮素運(yùn)轉(zhuǎn)。在分蘗期施用氮肥過多會(huì)造成無效分蘗增多，過少會(huì)產(chǎn)生分蘗數(shù)不足，穗肥使用氮肥過多會(huì)造成貪青晚熟，過少會(huì)產(chǎn)生結(jié)實(shí)率低等問題，會(huì)對產(chǎn)量產(chǎn)生不利影響。

1.5.2 氮肥的施用技術(shù) 氮肥施用技術(shù)以施入土壤深度為標(biāo)準(zhǔn)可以分為氮肥表施與深施2種。氮肥表施是將氮肥施在土壤表面的技術(shù)，氮肥隨水流失嚴(yán)重，氮肥容易分解為NH3等氣體逸失;氮肥深施是利用施肥機(jī)械將氮肥施入土壤深度為6～19 cm處[36-37]，土壤下水的流動(dòng)性差，氮肥隨水流失較少，減少了NH3的生成與揮發(fā)，能增加氮肥利用率。

其他施肥技術(shù)如目前國內(nèi)外研究較多的一次性施肥[38]，它將氮肥施用比例和深施肥技術(shù)相結(jié)合，將配方肥料一次性施入土壤中，利用肥料的緩釋效應(yīng)，達(dá)到滿足水稻不同生長期肥料需求的目的，增加了氮肥利用率。有研究表明，不同氮素形態(tài)的氮肥搭配使用能促進(jìn)水稻對氮素的吸收，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮搭配使用較單一使用肥料利用率高[39]。

總體來說，為滿足不同生長期水稻氮肥供需平衡，合理安排施肥比例，采用氮肥利用率高的氮肥施用方式，是水稻增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要技術(shù)和方法。

2 基于測土配方的水稻氮肥管理技術(shù)

測土配方施肥技術(shù)主要包括測土施肥和配方施肥，主要方法是根據(jù)土壤中的養(yǎng)分含量、作物的養(yǎng)分吸收規(guī)律，通過試驗(yàn)建立水稻肥效利用函數(shù)，結(jié)合土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)，指導(dǎo)精準(zhǔn)施肥管理[40]。Regar等研究測土配方法時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤堿解氮含量與施氮量之間存在一定的關(guān)系，獲得了在水稻目標(biāo)產(chǎn)量 4 000、5 000 kg/hm2條件下氮肥施氮量與土壤堿解氮之間的關(guān)系（圖2）[41]。戢林等研究設(shè)計(jì)了“3414”試驗(yàn)（指氮、磷、鉀3個(gè)因素、4個(gè)水平、14個(gè)處理;4個(gè)水平的含義：0水平=不施肥，2水平=當(dāng)?shù)赝扑]施肥量，1水平=2水平×0.5，3水平=2水平×1.5;14個(gè)處理包括：N0P0K0、N0P2K2、N1P2K2、N2P0K2、N2P1K2、N2P2K2、N2P3K2、N2P2K0、N2P2K1、N2P2K3、N3P2K2、N1P1K2、N1P2K1、N2P1K1，下標(biāo)表示養(yǎng)分施用量水平），獲得了土壤堿解氮、有效磷、速效鉀與水稻產(chǎn)量的關(guān)系模型，并采用養(yǎng)分豐缺法將土壤肥力分為5個(gè)等級，合理安排肥料施用[42]。張成玉等研究發(fā)現(xiàn)，采用測土配方施肥法水稻平均增產(chǎn)6.51%，純氮用量減少31.18 kg/hm2，凈收益提高531.33元/hm2[43]。

測土配方法的基礎(chǔ)是土壤化驗(yàn)測試及肥料的田間施肥試驗(yàn)，結(jié)合水稻需肥規(guī)律、肥料轉(zhuǎn)化效應(yīng)，給出肥料的施用量、施肥時(shí)期、施用方法等處方指導(dǎo)，施肥更有針對性，可達(dá)到減少肥料用量、節(jié)省成本和勞動(dòng)力投入的目的。但在試驗(yàn)生產(chǎn)過程中，土樣的采集和化驗(yàn)工作量大、成本高是該方法的瓶頸，主要存在以下問題：（1）測土配方土樣化驗(yàn)檢測成本較高，不利于高密度、高頻率地大范圍獲取土樣，進(jìn)而造成變量用肥的精度不高，而在實(shí)際生產(chǎn)中，每一茬作物生長期結(jié)束后，土壤中的肥力都會(huì)有變化，并且不同地塊的土壤環(huán)境及理化性質(zhì)上的差異，也會(huì)影響水稻對氮素的利用率;（2）缺乏氣候條件等外界因素的考量，僅僅根據(jù)土壤養(yǎng)分平衡法來進(jìn)行氮肥管理，配方施肥的優(yōu)越性難以完全體現(xiàn)出來;（3）測土配方施肥通常只用于基肥使用，由于缺乏作物長勢的監(jiān)測，不適合用于制定追肥方案。

3 基于生長模型的水稻氮肥管理技術(shù)

水稻生長模型能模擬在氣候和其他環(huán)境因子（如土壤、水、肥等）影響下的水稻生長過程，從而指導(dǎo)水稻生產(chǎn)管理。目前國內(nèi)外基于生長模型的水稻氮肥管理模型主要有美國的CERES-Rice模型、歐洲的WOFOST模型、以及適用于東南亞與中國地區(qū)的ORYZA2000模型、國內(nèi)研究的RCSODS模型等。

3.1 CERES-Rice模型

CERES-Rice模型以水稻有效積溫為輸入量來模擬水稻生長發(fā)育過程，主要包括土壤水分平衡、氮素平衡、生長發(fā)育等子模型，通過對不同水稻品種、土壤、氣候、水肥管理方案下水稻的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成過程進(jìn)行模擬，進(jìn)行水稻的生產(chǎn)管理的決策[44]。Miao等利用CERES-Rice模型進(jìn)行水稻氮肥管理，利用模型預(yù)測產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量相關(guān)性系數(shù)達(dá) 0.73[45]。Amiri等在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行了CERES-Rice模型驗(yàn)證試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)CERES-Rice模型與產(chǎn)量相關(guān)性系數(shù)達(dá)0.92[46]。上述文獻(xiàn)報(bào)道表明該模型具有較高的產(chǎn)量預(yù)測精度。

該模型能與地理信息系統(tǒng)（GIS）結(jié)合使用，在用于評價(jià)氣候?qū)λ井a(chǎn)量的影響方面具有較好的實(shí)用價(jià)值。但該模型許多參數(shù)是經(jīng)驗(yàn)或正常氣候條件下得出的，忽略了其他因素對生長發(fā)育的影響，尤其是日長因素;此外，模型還忽略了高溫會(huì)增加有機(jī)物消耗與病蟲草害對水稻氮肥吸收所產(chǎn)生的影響，也缺少自然災(zāi)害（如冰雹、降溫、臺風(fēng)）對水稻氮素吸收所產(chǎn)生影響的評估。

3.2 WOFOST（World food study）模型

WOFOST模型在氣候和其他環(huán)境因子（如土壤、水、肥）影響下，以日為步長模擬作物物候發(fā)育過程、光合作用、呼吸作用、土壤水平衡、養(yǎng)分吸收以及產(chǎn)量形成等，以此來決策水稻的生產(chǎn)管理[47]。模型確定了氮素吸收與磷、鉀吸收量之間的關(guān)系，當(dāng)磷的吸收量一定時(shí)，氮供應(yīng)量與實(shí)際吸收量的關(guān)系和氮的實(shí)際吸收量與產(chǎn)量的關(guān)系分別如圖3、圖4所示，其中，A、X段水稻產(chǎn)量和氮素吸收量的主要限制因素是氮供應(yīng)量;B、Y段水稻產(chǎn)量和氮素吸收量主要限制因素是氮、磷的供應(yīng)量;而C、Z段水稻產(chǎn)量和氮素吸收量的主要限制因素是磷供應(yīng)量[48]。杜春英等對WOFOST模型在當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)應(yīng)用中進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明，該模型模擬單產(chǎn)的精度高

達(dá)90%[48]。

WOFOST模型以日為時(shí)間段，將有效積溫與日長相結(jié)合來模擬水稻發(fā)育。能夠較好地預(yù)測水稻生長發(fā)育動(dòng)態(tài)與產(chǎn)量，并能與GIS系統(tǒng)融合使用，但該模型忽略了CO2濃度等其他因素對水稻氮肥吸收的影響作用。

3.3 ORYZA2000模型

ORYZA2000模型通過模擬水稻生長發(fā)育及產(chǎn)量形成、水分、氮素的變化動(dòng)態(tài)及其影響的原理與過程，指導(dǎo)水稻的生產(chǎn)管理。模型確定了水稻氮素吸收量與水稻氮素日吸收效率和氮素供應(yīng)量之間的關(guān)系，建立了水稻氮肥日需求量與水稻莖、葉、貯藏器官的日氮素需水量之間的關(guān)系，并確定了水稻氮素最大日吸收速研究，發(fā)現(xiàn)ORYZA2000模型用于模擬水稻生物量、產(chǎn)量、氮素吸收量的相關(guān)系數(shù)分別為0.963 8、0.951 1、0.879 1，該模型具有較好的精度[50]。

ORYZA2000模型能很好地模擬水稻的生長和產(chǎn)量，并對水稻水分管理和氮肥施用有很高的應(yīng)用價(jià)值，該模型在水分、氮素限制下的研究較多，但在水氮聯(lián)合限制條件下的驗(yàn)證研究較少，模型未考慮自然災(zāi)害和病蟲草害的影響;模型參數(shù)較多，使用時(shí)較復(fù)雜，不利于在實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

3.4 RCSODS模型

RCSODS模型提出了生物鐘模型，考慮了“三基點(diǎn)”溫度（即上限、最適、下限溫度）和日長對水稻發(fā)育的影響，利用葉齡來衡量水稻生長發(fā)育。通過模擬水稻物候發(fā)育、器官形成、光合生產(chǎn)、產(chǎn)量形成過程，結(jié)合土壤養(yǎng)分含量、pH值、施肥比例以及目標(biāo)產(chǎn)量等因素，采用養(yǎng)分平衡法進(jìn)行氮肥施肥和種植管理[51]。

陳家金等對模型的精度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明RCSODS模型的水稻生育期誤差為0～5 d，產(chǎn)量預(yù)測的平均誤差在5%以內(nèi)，模型具有較高的精確度[51]。此外，模型還可以預(yù)測病蟲草害對水稻生長的影響。但RCSODS模型采用養(yǎng)分平衡法進(jìn)行水稻施肥管理，缺少對水稻養(yǎng)分吸收機(jī)制的研究，忽略了氣候條件等其他因素對水稻氮素吸收作用的影響。

4 基于實(shí)地觀測的水稻氮肥管理技術(shù)

實(shí)地觀測施肥管理是依據(jù)葉片含氮量、光合速率以及干物質(zhì)生成之間的相關(guān)關(guān)系，確定水稻葉片含氮量的施肥閾值，利用比色卡或葉綠素測定儀觀測葉片氮素含量指導(dǎo)施肥管理的技術(shù)[52-54]。Brunetto等利用SPAD502葉綠素儀進(jìn)行了估測水稻葉片葉綠素含量的研究，發(fā)現(xiàn)水稻葉片氮素與SPAD值之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，關(guān)系模型公式為

TLN=11.408+0.453×SPADvalue。

（1）

式中：TLN表示葉片氮素總量，單位為g/kg;SPADvalue表示SPAD葉綠素儀采集值[55]。

實(shí)地觀測施肥管理技術(shù)適用于追肥管理，能夠依據(jù)水稻葉片氮素含量合理安排水稻施肥管理，操作簡單。但該技術(shù)存在以下缺點(diǎn)及問題：（1）該方法采用以點(diǎn)帶面的數(shù)據(jù)采集方式，診斷水稻氮素含量容易受光照條件、病蟲害等因素影響，造成施肥管理精度低，難以滿足精準(zhǔn)施肥管理的需要。（2）水稻植株不同位置葉片的氮素含量存在差異[56]，而且不同生長期相同位置葉片與水稻植株氮素含量相關(guān)性不同，因此容易造成施肥決策上的偏差。（3）該技術(shù)以產(chǎn)量高的田塊水稻葉片氮素含量為參考標(biāo)準(zhǔn)，未考慮到水稻氮素利用率隨氮素施用量增加而降低的情況，因此，其施肥方案的經(jīng)濟(jì)性難以達(dá)到最優(yōu)。（4）該方法沒有考慮自然災(zāi)害、氣候條件、病蟲草害等對水稻氮素吸收的影響。

5 基于遙感監(jiān)測的水稻氮肥管理技術(shù)

基于遙感監(jiān)測的水稻氮肥管理技術(shù)是利用遙感技術(shù)獲取水稻生長指標(biāo)，通過構(gòu)建水稻長勢指標(biāo)（植被指數(shù)）與水稻氮素含量、水稻生物量、產(chǎn)量等之間的關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)水稻氮肥精準(zhǔn)管理的技術(shù)。

在遙感監(jiān)測作物長勢的指標(biāo)中，歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，簡稱NDVI）是進(jìn)行無損、非接觸、大面積監(jiān)測作物長勢的常用指標(biāo)。研究表明，NDVI與作物截獲的入射光合有效輻射百分比之間有緊密的關(guān)系[57]，且與植物葉片葉綠素含量、葉片氮素含量、水稻氮素吸收量、水稻地上部生物量、產(chǎn)量之間呈正相關(guān)關(guān)系。因此，NDVI指數(shù)不僅可用于水稻長勢的有效檢測，而且可以以此為依據(jù)構(gòu)建水稻氮肥精準(zhǔn)施肥決策模型。

Wang等利用NDVI便攜式傳感器研究水稻葉片氮素含量時(shí)發(fā)現(xiàn)，NDVI指數(shù)與水稻葉片氮素含量的相關(guān)系數(shù)為 0.848～0.917[58]。Yao等利用Greenseeker手持式光譜儀估計(jì)水稻氮素水平時(shí)發(fā)現(xiàn)，NDVI指數(shù)與水稻地上部生物量、氮素吸收量有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.76、0.70[59]。Ali等研究發(fā)現(xiàn)NDVI能很好地估計(jì)水稻氮素吸收量，該公式的相關(guān)系數(shù)為0.68，相關(guān)性較好;模型公式如下：

6 分析與思考

6.1 建立氮肥精準(zhǔn)管理決策模型須要考慮的主要因素

影響水稻氮肥營養(yǎng)的吸收利用率主要來自水稻品種、土壤理化性質(zhì)（pH值、土壤水分、孔隙度、土壤氮素供應(yīng)量等）、氣候條件（CO2濃度、光照強(qiáng)度、日長、氣溫等）、水分管理、氮肥施用方式等5個(gè)方面，因此，在進(jìn)行水稻氮肥精準(zhǔn)施用管理時(shí)，必須充分考慮到上述5個(gè)方面的影響，才能建立起符合當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝要求和實(shí)際生產(chǎn)需要的變量施肥決策模型。

土壤理化性質(zhì)是水稻精準(zhǔn)施肥調(diào)控的重要因子，但在實(shí)際生產(chǎn)中，由于土樣采集和化驗(yàn)的工作量大且時(shí)效性差，通常難以直接把土壤理化性質(zhì)作為變量施肥決策模型的輸入量，目前大多采用作物長勢反演的方式推算土壤中養(yǎng)分的分布情況，通過追肥的方式進(jìn)行調(diào)控。水稻品種、氣候條件、水分管理、氮肥施用方式等影響因素，可根據(jù)種植區(qū)及所在季節(jié)，作為變量施肥決策模型的其他輸入量。

6.2 水稻氮肥精準(zhǔn)管理技術(shù)的發(fā)展趨勢

常言道，“知己知彼，百戰(zhàn)百勝”，在水稻的精準(zhǔn)施肥管理中，準(zhǔn)確快速獲取水稻長勢信息，才能有針對性地進(jìn)行精準(zhǔn)管理。對比前述水稻氮肥精準(zhǔn)管理技術(shù)，基于遙感監(jiān)測的方法可進(jìn)行大面積、非接觸、無損監(jiān)測，具有分辨率高、速度快、成本低等明顯優(yōu)勢，目前已越來越在實(shí)際生產(chǎn)中得到重視。

從空間尺度來分，目前可用于水稻長勢信息遙感獲取的平臺主要有近地遙感平臺、航空遙感平臺、航天遙感平臺農(nóng)田長勢數(shù)據(jù)[64-65]。在上述遙感監(jiān)測平臺中，現(xiàn)有的航天、有人駕駛飛機(jī)航空遙感技術(shù)存在氣象影響因子多、周期長、成本高等缺點(diǎn)，采用地面拖拉機(jī)、高架車、微小型無人機(jī)等方式進(jìn)行作物長勢信息的近地遙感獲取，具有運(yùn)行成本低、靈活性高、能快速準(zhǔn)確地獲取高精度遙感數(shù)據(jù)等特點(diǎn)，可彌補(bǔ)現(xiàn)有航天、航空遙感技術(shù)的缺陷。微小型無人機(jī)技術(shù)近年來發(fā)展迅速，操作靈活、對起飛降場地依賴低、飛行成本低，并且獲得的數(shù)據(jù)具有更高的分辨率和質(zhì)量[66]，且采樣的時(shí)間尺度更大。隨著配套技術(shù)的發(fā)展，微小型無人機(jī)操控性越來越好，成本越來越低，單次遙感圖像覆蓋面積優(yōu)于地面機(jī)械，效率更高;因此，近年來基于微小型無人機(jī)的低空遙感信息獲取技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍正逐步擴(kuò)大，有望成為農(nóng)田作物信息快速獲取的主要方法之一。

基于遙感監(jiān)測的方法，能精確地獲取水稻氮素含量與需求量，適合進(jìn)行水稻的變量精準(zhǔn)追肥管理，但在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，不同品種水稻在不同生長期的氮肥吸收效率有差異，進(jìn)而在長勢的表現(xiàn)上存在顯著差異，在光譜指數(shù)反演上也存在顯著差異[67]，水稻施氮決策模型須要考慮不同品種對模型的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國經(jīng)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部審定的水稻品種達(dá)1 115個(gè)。楊肖娥等研究了不同水稻品種對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮吸收的動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)不同水稻品種，由于遺傳物質(zhì)不同，對NH4+以及NO3-的吸收速率不同，從而導(dǎo)致相同生長期內(nèi)不同品種水稻莖葉數(shù)、葉片含氮量不同，從而導(dǎo)致長勢差異[68]。目前尚未見適用于所有水稻品種的施氮決策模型，因此，遙感水稻施氮決策模型須要根據(jù)特定品種及其配套農(nóng)藝、當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣進(jìn)行研究，構(gòu)建針對特定品種的水稻施氮決策模型，從而建立起我國不同水稻的低空遙感精準(zhǔn)施肥決策模型數(shù)據(jù)庫。

7 結(jié)語

由于信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)械制造領(lǐng)域的發(fā)展，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)將迎來新的變革，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、機(jī)械化更加普及，精細(xì)化作業(yè)將是大勢所趨。水稻氮肥精準(zhǔn)管理是水稻種植管理、實(shí)現(xiàn)水稻增產(chǎn)增收技術(shù)的重要部分，水稻氮肥精準(zhǔn)管理研究對推動(dòng)水稻種植管理技術(shù)向精細(xì)化發(fā)展具有重要意義。

本文綜合分析了水稻品種、土壤理化性質(zhì)、氣候因素、水分管理、氮肥施用方式這5個(gè)因素對水稻氮素吸收利用的影響，可為研究水稻施氮管理技術(shù)提供參考。分析對比了現(xiàn)階段基于測土配方、生長模型、實(shí)地觀測、遙感監(jiān)測的水稻氮肥管理技術(shù)，指出了基于遙感監(jiān)測水稻氮肥管理技術(shù)具有大面積、非接觸、無損監(jiān)測，分辨率高、速度快、成本低等優(yōu)勢。目前，水稻氮肥施用管理應(yīng)該是根據(jù)全方位的田間信息，制定水稻施肥決策，利用信息化、機(jī)械化手段對水稻氮素施用進(jìn)行自動(dòng)化、精細(xì)化的管理，從而實(shí)現(xiàn)氮肥按需供應(yīng)的目的，這也是水稻氮肥管理技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。遙感技術(shù)是田間信息采集的重要技術(shù)手段，因此，針對基于遙感監(jiān)測的水稻氮肥管理技術(shù)的研究具有重要的意義。

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