精准养分管理结合综合杂草控制可以减轻杂草压力，从而提高旱地直接播种水稻的产量、盈利能力以及能源利用效率

《Field Crops Research》：Precision nutrient management coupled with integrated weed control reduces weed pressure, enhancing the productivity, profitability and energy use indices of upland direct seeded rice

水稻生产受限于水资源稀缺，直接播种水稻（DSR）作为资源高效替代方案，但其早期杂草入侵和养分管理不足严重制约产量。本研究通过两年田间试验，采用主成分分析和结构方程模型，对比推荐施肥量（RDF）、叶色卡（LCC）和营养专家（NE）三种精准养分管理策略与五种杂草控制组合。结果表明：NE结合杂草压青后手除草（PHW）显著提升产量8%，蛋白质含量10.8-15.2%，能源利用效率提高15-18%。结构方程模型显示97.7%的产量变异由养分吸收和能源效率驱动，杂草压力呈负相关。整合精准养分与高效杂草管理可提升雨养丘陵区DSR的可持续性。

　　

斯姆鲁蒂·兰詹·帕德汉（Smruti Ranjan Padhan）|桑杰·辛格·拉托尔（Sanjay Singh Rathore）|卡皮拉·谢卡瓦特（Kapila Shekhawat）|希夫·曼加尔·普拉萨德（Shiv Mangal Prasad）|苏什米塔·萨伊尼（Sushmita Saini）|苏巴什·巴布（Subhash Babu）|索米娅·兰詹·帕德汉（Soumya Ranjan Padhan）|舒巴姆·阿尼尔·杜尔古德（Shubham Anil Durgude）

印度农业研究所，新德里 110012，印度

摘要

背景

由于水资源短缺，水稻生产受到越来越大的限制，因此直接播种水稻（DSR）作为一种资源高效的替代方案，在印度雨养的东部高原和山区得到推广，以取代传统的插秧水稻。然而，早期严重的杂草侵扰和低效的营养管理大大限制了DSR的产量潜力，降低了作物的竞争力。

目的

本研究旨在确定精准营养管理和杂草管理策略的最佳组合，以减少杂草压力，提高高地DSR的产量、盈利能力及能源利用效率，涵盖两个生长季节。

方法

采用分割区设计进行了田间试验，主区设置了三种精准营养管理策略：推荐施肥量（RDF）、叶色图表（LCC）和Nutrient Expert（NE）；子区则设置了五种杂草管理方法。通过主成分分析（PCA）和结构方程建模（SEM）来评估处理效果及关键产量驱动因素。

结果

与LCC相比，RDF处理的杂草密度高出17.5–18.5%。在杂草控制策略中， Pendimethalin结合人工除草（PHW）的杂草控制效果最好（82.9%），优于Pendimethalin结合Bispyribac-Na（PBNa）和棕肥（BM）。NE和LCC处理的谷物产量（GY）和生产效率（PE）相当；然而，PHW结合杂草生长抑制处理在两年中分别使GY和PE比PBNa和BM提高了8%和17%。NE显著提高了谷物中的氮浓度和吸收量，分别提高了7.3–15.4%和15.7–38.5%，从而提高了蛋白质含量（比RDF高10.8–15.2%，比LCC高7.6–11.1%）和蛋白质产量（295–324公斤/公顷），尽管蛋白质的经济效益较低（3.55–3.78美元/公斤）。NE下的能源生产效率和能源强度分别比RDF高15–18%和17–19%，比LCC高11%和8–9%。PCA明确区分了这些处理方法，它们与更高的产量、养分吸收、蛋白质产量、经济效益和能源利用效率密切相关。SEM表明，养分吸收和能源利用效率具有显著的正面效应，而杂草压力对产量有负面影响，解释了产量的97.7%的变化，并显著提升了经济效益。

结论

将基于NE的营养管理与PHW相结合，可以有效减少杂草压力，同时提高高地DSR的产量、盈利能力和能源利用效率。

意义

本研究为高地DSR提供了一种可持续且资源高效的管理策略，有助于提高产量稳定性，减少杂草竞争，并改善雨养水稻生产系统的经济效益和能源利用。

引言

水稻（Oryza sativa L.）是全球最重要的粮食作物之一，种植面积约为1.683亿公顷，遍布100多个国家，其中亚洲占总面积的近90%（FAOSTAT，2025年）。水稻是全球50%以上人口和亚洲90%以上人口的主食，对全球粮食安全至关重要（Schneider和Asch，2020年）。在印度，水稻种植面积为5140万公顷，年产量为1.501亿吨，对国家粮食安全贡献巨大，尤其是在东部和南部地区（Pathak等人，2011年；MoAFW，2025年）。在所有水稻生态系统中，雨养高地水稻占约700万公顷，支持了大量资源匮乏的农民的生活，特别是在印度的东部高原和山区（Singh等人，2011年）。

传统的插秧水稻系统面临水资源减少、土壤结构退化、高能耗（5630–8448 MJ/公顷）和劳动力成本上升等挑战（Tuong和Bouman，2003年；Neog等人，2015年）。这些因素加速了向直接播种水稻（DSR）的转变，尤其是在地形起伏、红土和红壤土壤以及保水能力较差的高地生态系统中（Pathak等人，2011年；Shekhawat等人，2020年）。与插秧水稻相比，DSR所需的投入较少，减少了劳动力和能源消耗，缩短了作物生长期7–10天，降低了甲烷排放，并适合密集种植系统（Chauhan，2012年；Farooq等人，2011年；Kumar和Ladha，2011年；Pathak等人，2015年；Chaudhary等人，2017年）。

尽管有这些优势，但由于好氧土壤条件下的严重杂草侵扰和营养管理不足，高地DSR的推广仍然受到限制（Shekhawat等人，2020年）。在没有积水的情况下，杂草与水稻幼苗同时出现，竞争养分、水分和光照，常常导致严重的产量损失甚至作物失败（De Datta和Baltazar，1996年；Rao等人，2007年；Sreedevi等人，2016年）。有效的杂草管理可以在好氧条件下将水稻产量提高27–300%（Hussain等人，2008年），表明杂草是高地DSR系统中最关键的生物限制因素（Caton等人，2003年）。

水稻生产对投入依赖性强，肥料成本约占总生产成本的20–25%。全球每年消耗约2470万吨肥料，占肥料总使用量的14%（Pathak等人，2018年）。然而，由于肥料推荐量忽略了土壤肥力和作物需求的空间差异，氮（35–40%）、磷（20–25%）和钾（35–40%）的利用率仍然较低（Takama等人，2014年；Chivenge等人，2021年）。在雨养高地水稻中，养分可用性还受到降雨变化的影响，这通过其与土壤湿度动态的相互作用显著影响养分吸收和利用效率（Cabangon等人，2002年；Farooq等人，2011年；Panneerselvam等人，2020年）。

精准营养管理（PNM）通过在不同生长阶段同步养分供应与作物需求，为提高养分利用效率和作物竞争力提供了有前景的方法（Buresh等人，2019年；Sadhukhan等人，2023年）。最近的技术进步，如使用叶色图表（Leaf Colour Chart）、GreenSeeker和Nutrient Expert工具进行实时氮管理，提高了水稻系统的养分利用效率（Padhan等人，2021a；Sapkota等人，2021年）。更好的养分同步还可以通过增强作物早期活力和减少杂草的养分供应来间接抑制杂草（Padhan等人，2021c）。

除草剂仍然是DSR中最有效和经济的杂草控制方法，包括播前和播后除草剂（Bhullar等人，2016年；Pratap等人，2023年）。然而，过度依赖除草剂会增加杂草抗性的风险（Kumar等人，2023年）。因此，将化学控制与人工除草、抗性品种、优化作物密度、合理的肥料和水资源管理以及结合Sesbania的棕肥等农艺措施相结合，对于可持续的杂草控制至关重要（Ladha等人，2000年；Singh等人，2007年；Matloob等人，2015年；Rao等人，2007年；Chen等人，2022年）。

我们假设将PNM与有效的杂草控制相结合，可以协同减少杂草压力和养分损失，从而提高高地DSR系统的产量、盈利能力和能源利用效率。具体来说，通过改善养分供应与作物需求的同步性，可以提高作物对杂草的竞争力；综合杂草管理可以减少早期杂草对养分的消耗。这些相互作用可以通过多变量方法（包括主成分分析（PCA）来量化，以确定处理效果，并通过结构方程建模（SEM）阐明杂草压力、养分利用、作物产量和系统层面结果之间的直接和间接因果关系。为了验证这些假设，我们在2019–2020年的雨季在印度东部高原和山区进行了田间试验，以确定提高高地直接播种水稻系统可持续性的最佳养分和杂草管理组合。

实验地点的天气情况

实验地点的天气

在作物生长期间，2019年的平均最高和最低温度分别为30.9°C和21.4°C，2020年分别为30.7°C和19.7°C（补充文件，图1）。2019年和2020年的雨季累计降水量分别为1013.3毫米和1096.8毫米，足以满足雨养水稻的生长需求。总蒸发量分别为587.6毫米和558.2毫米。

杂草动态和杂草控制效果（WCE）

在50天生长阶段，两年中的杂草种类主要是草本杂草，其次是阔叶杂草和莎草（表2；图3）。在各种营养管理方法中，NE显著降低了杂草密度，2019年降低了18.5%，2020年降低了17.8%；而相对于LCC的降低幅度较小（3.5–4.7%）。这些降低主要是由于NE处理下草本和阔叶杂草密度较低所致，而莎草密度的变化较小且不一致。

作物与杂草的竞争关系及效果

杂草对高地水稻造成重大损失，尤其是在DSR系统中（Chauhan，Bajwa，2015年）。养分管理和杂草控制之间的相互作用非常复杂（Shekhawat等人，2021年；Sanusan等人，2010年），通过适当实施PNM措施，农民可以促进水稻健康生长并抑制杂草竞争。

结论

本研究表明，在东部高原和山区的雨养条件下，特定地点的PNM结合有效的杂草管理显著提高了高地DSR的产量、盈利能力和能源利用效率。PNM策略和针对性杂草控制的结合应用有效抑制了杂草压力，改善了养分吸收和利用，从而提高了产量、蛋白质产量和经济效益。

作者贡献声明

桑杰·辛格·拉托尔（Sanjay Singh Rathore）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、资源协调、项目管理、方法论设计、资金获取、数据整理、概念构思。斯姆鲁蒂·兰詹·帕德汉（Smruti Ranjan Padhan）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论设计、调查、数据分析、概念构思。希夫·曼加尔·普拉萨德（Shiv Mangal Prasad）：撰写 – 初稿撰写、资源协调、项目管理、调查、数据分析、概念构思。卡皮拉·谢卡瓦特（Kapila Shekhawat）：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢印度农业研究委员会（ICAR）和ICAR–印度农业研究所（IARI）为这项研究提供的必要设施。同时，作者也感谢NRRI–中央雨养高地水稻研究站提供的宝贵技术和后勤支持。