增施氮肥与锌肥提升水稻生产力、养分吸收及养分利用效率的研究

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Augmenting nitrogen and zinc fertilization to enhance productivity, nutrient uptake, and nutrient use efficiency in rice

　　

摘要：水稻生产高度依赖氮肥；然而，过量及低效的氮肥施用引发了对生产成本、养分损失及环境可持续性的担忧。纳米尿素（nano-urea）因其潜在提高氮肥利用率（Nitrogen Use Efficiency, NUE）、减少化肥用量及维持作物生产力的特点，已成为传统氮肥颇具前景的替代品。目前关于纳米尿素配合不同锌源在水稻栽培中田间表现的信息有限。研究人员于2022和2023年生长季进行了为期2年的大田试验，评估5种氮素管理处理和4种锌处理对水稻生长、产量、养分吸收、经济效益及NUE的影响。结果表明，施用130 kg N ha?1获得最高稻谷产量，较对照（N0）2022年和2023年分别增产25.4%和28.0%，该处理显著改善了生长和产量构成因子。值得注意的是，97.5 kg N ha?1配施纳米尿素的处理产量与130 kg N ha?1统计无显著差异。虽将氮减至65 kg N ha?1配施纳米尿素导致产量和氮吸收降低，但该处理两年均获最高农学效率（Agronomic Efficiency, AE），表明肥料利用效率提高。锌处理中，纳米氧化锌（nano-Zn）应用提高了稻谷产量并促进锌吸收。综上，130 kg N ha?1配合纳米氧化锌锌肥对最大化水稻产量和养分吸收效果最佳，而在优化养分管理下部分替代常规氮肥为纳米尿素显示出提高NUE的潜力。

本文解读基于发表于《Frontiers in Sustainable Food Systems》的田间试验研究论文，探讨氮肥减量配施纳米尿素（nano-urea）及叶面喷施纳米氧化锌（nano-ZnO，简称nano-Zn）对香稻（Pusa Basmati 1692）产量、养分吸收、氮肥利用率（Nitrogen Use Efficiency, NUE）及经济效益的影响。

研究背景与目的

水稻（Oryza sativa L.）为全球近半数人口的主粮，但其籽粒锌（Zinc, Zn）含量低，以稻米为主食的人群易患Zn缺乏症。传统尿素氮肥利用率（NUE）仅20%–50%，大量氮经氨挥发、淋溶、反硝化及地表径流损失，造成经济浪费与环境负担。纳米尿素凭借较大比表面积与叶面吸收优势，有望提升NUE并减少用量；纳米锌肥亦可能改善微量元素生物强化效果。然而，纳米尿素与不同锌源联用在稻田尤其是Basmati水稻上的交互效应研究较少。本研究旨在通过2年大田裂区试验，明确不同梯度常规氮与纳米尿素替代量及不同锌肥（硫酸锌、纳米氧化锌、蓝藻制剂）对水稻生长、产量、NPK与Zn/Fe/Mn吸收、NUE指标（农学效率AE、回收效率RE、氮吸收效率NUpE）及净收益的综合影响，筛选适宜的高产高效环保施肥模式。

主要技术方法概述

研究于印度新德里ICAR-IARI试验站（亚热带半干旱气候，初始土壤速效氮178.3 kg ha^?1，有效磷23.6 kg ha^?1，速效钾228.0 kg ha^?1，有机碳0.59%）开展2022–2023年两季大田试验。采用裂区设计（Split-plot Design），主区为5个氮处理：N₀（不施氮）、RDN₁₃₀（推荐氮量130 kg N ha^?1分次基施+追施）、RDN_97.5+nano（97.5 kg N ha^?1土施+2次纳米尿素叶面喷施）、RDN₆₅+nano（65 kg N ha^?1土施+2次纳米尿素叶面喷施）、RDN₆₅+urea（65 kg N ha^?1土施+2次2%普通尿素叶面喷施）；副区为4个锌处理：Zn₀（不施锌）、ZnS（0.5%硫酸锌叶面喷）、nano-Zn（0.1%纳米氧化锌叶面喷）、ZnBF（蓝藻Anabaena torulosa制剂叶面喷），各3次重复。25日龄Basmati秧苗按20 cm×15 cm移栽，统一基施磷钾肥。收获测定单位面积稻谷和秸秆产量（校正至14%水分）、分蘖数、干物质积累（Dry Matter Accumulation, DMA）、产量构成（穗重、实粒重、每穗粒数）；植株经HNO₃-HClO₄消煮后用原子吸收分光光度法测N/P/K及Zn/Fe/Mn浓度并计算地上部养分吸收量（kg ha^?1）；依标准公式计算AE＝(施氮产量?对照产量)/施氮量×100、RE（Recovery Efficiency）＝(施氮总N吸收?对照总N吸收)/施氮量×100、NUpE＝总N吸收/施氮量；依据当年市场价格与汇率核算净收益（Net Returns）与净益本比（Net B:C ratio）；数据经GRAPES-KAU软件进行多年份裂区方差分析与LSD(p=0.05)多重比较，R语言做相关性热图与回归分析。

研究结果

3.1 生长参数、产量构成及产量

氮处理N₁₃₀获得最多单位面积分蘖数（2022年414.4 m^?2，2023年401.3 m^?2）与最高成熟期干物质积累（DMA，1323.0和1307.7 g m^?2），较N₀分别增加约14.7–17.9%和18.2–18.8%。RDN_97.5+nano处理的分蘖数和DMA略低于N₁₃₀但显著高于对照，RDN₆₅+nano则较N₁₃₀下降约6.4–9.8%（分蘖）和6.5–6.7%（DMA）。锌处理中以nano-Zn分蘖数（402.7和380.0 m^?2）和DMA（1269.7和1260.2 g m^?2）最高，较Zn₀增4.8–5.0%和4.5–4.7%。

产量构成方面，N₁₃₀穗重（2.76 g和2.61 g）、实粒重及每穗粒数最高；RDN_97.5+nano处理产量构成与N₁₃₀无显著差异，RDN₆₅+nano则显著降低。nano-Zn处理较Zn₀提高穗重约4.2–5.3%、实粒重约3.7–4.1%。

稻谷产量N₁₃₀最高（2022年4.79 t ha^?1，2023年4.52 t ha^?1），较N₀增产25.4%和28.0%；RDN_97.5+nano产量（4.65和4.42 t ha^?1）与N₁₃₀统计无显著差异，说明减氮25%补喷纳米尿素可维持产量；RDN₆₅+nano产量较N₁₃₀降7.1–8.8%。锌处理nano-Zn产量最高（4.50和4.28 t ha^?1），较Zn₀增约4.9%，各锌处理间除ZnBF的DMA较低外其余产量统计相似。N×Zn交互作用不显著，但二者独立效应具互补性。稻草产量趋势同稻谷产量。

3.2 养分吸收研究

N₁₃₀地上部氮吸收（N uptake）最高（121.6和118.5 kg ha^?1），较N₀增33%以上，且P、K吸收同步提升约16–19.3%。RDN_97.5+nano氮吸收（113.3和112.9 kg ha^?1）显著低于N₁₃₀但高于对照；RDN₆₅+nano氮吸收降至104.3–105.0 kg ha^?1。nano-Zn较Zn₀提高氮吸收约4.6–4.9%，P、K吸收亦有小幅提升。

微量养分方面，N₁₃₀锌吸收（Zn uptake）达647.4 g ha^?1（2022年），较N₀增35.1%；铁（Fe）和锰（Mn）吸收亦最高。nano-Zn较Zn₀显著提高Zn吸收（增约31.6–37.0 g ha^?1，增幅11.2–13.3%）及Fe、Mn吸收（约3.8–4.0%）。

3.3 氮肥利用率（NUE）

农学效率（AE）RDN₆₅+nano最高（2022年8.53 kg grain kg^?1N，2023年10.23 kg grain kg^?1N），氮吸收效率（NUpE）亦最高（1.60–1.61），较N₁₃₀的NUpE（0.91–0.94）提高约76.6%，表明低量氮配纳米尿素显著提升单位施氮量的产量响应与吸氮能力。N₁₃₀回收效率（RE）较高（22.78–23.51%），各施氮处理RE无年度显著差异。锌处理对AE和RE无显著影响，但nano-Zn微幅提升NUpE约4.6%。

3.4 经济效益

最高净收益与净益本比出自N₁₃₀（2022年1508.7 USD ha^?1，2023年1480.9 USD ha^?1）；RDN_97.5+nano净收益较N₁₃₀降4.7–6.2%，RDN₆₅+nano降12.4–14.0%。锌处理nano-Zn净收益最高（1350.9和1340.5 USD ha^?1），Zn₀最低；Net B:C受锌处理影响不显著。

3.5 相关与回归分析

Pearson相关显示生长参数、产量构成、产量、养分吸收和净收益呈显著正相关。稻谷产量与氮吸收呈强线性正相关（R²=0.72–0.78），与锌吸收呈中强正相关（R²=0.64–0.70）；不同部位（秸秆、谷壳、精米）氮含量亦随施氮水平升高而增加（R²=0.50–0.74）。

讨论与结论总结

讨论指出，N₁₃₀促进分蘖、DMA及源库关系从而最大化产量；RDN_97.5+nano因纳米尿素经气孔与细胞壁进入植株并通过韧皮部转运，减少挥发与淋溶损失，故在减氮25%时产量不逊于全量化肥氮，佐证纳米尿素可部分替代传统尿素以提升NUE。RDN₆₅+nano虽AE与NUpE最高但因总供氮不足致最终产量、吸氮量与收益下降，说明纳米尿素尚无法在低基准氮量下完全弥补常规氮亏缺。nano-Zn于关键生育期叶喷有效增强酶活性、叶绿素合成及同化物转运，提高籽粒Zn浓度与产量，印证N–Zn协同促根–冠Zn再分配与籽粒富集。经济层面现行纳米尿素成本较高削弱其短期盈利优势，需依区域条件调整施法。

结论（Conclusion）：不施氮（N₀）产量、养分吸收与经济回报最低。130 kg N ha^?1（N₁₃₀）获最高稻谷产量、养分吸收及净收益。97.5 kg N ha^?1配施纳米尿素（RDN_97.5+nano）产量与经济效益同N₁₃₀无显著差异，证明减氮25%结合纳米尿素叶面喷施可在不牺牲生产力前提下实施。65 kg N ha^?1配纳米尿素因供氮不足引致减产、低吸收与低利润。锌管理中关键生育期（最大分蘖、开花前、灌浆始期）叶面喷纳米氧化锌（nano-Zn）显著提高籽粒锌浓度，具生物强化潜力。综合而言，纳米肥料与传统氮肥减量整合可提升NUE并维持产量，但需在多样农业生态条件下进一步多点验证。