一项持续了一个世纪的稻米实验揭示了，在气候变暖的条件下，通过合理管理施肥来利用自然养分供应，如何稳定水稻产量

《Field Crops Research》：A century-long paddy rice experiment reveals how fertilization management stabilizes yield by leveraging natural nutrient supply under warming conditions

水稻产量波动与养分管理及气候变化关联性研究。日本爱知农业研究中心自1926年开展长期定位试验，分析氮磷钾化肥、石灰及稻秆堆肥对产量变异性的影响。结果显示N/P缺失导致产量下降50%，且产量波动与气候因子显著相关：N/P缺乏增加波动性，RC和石灰应用通过提升硅含量稳定产量。自然养分供应随温度升高和太阳辐射增强而增加，优化肥料管理需考虑气候适应性。

　　

安藤香织 | 大国高智 | 大桥良典 | 小笠原良也 | 久野千香子 | 丹下千春 | 笠谷正宏

爱知农业研究中心，日本爱知县长久手市Yazako-sagamine 1-1，480-1193

摘要

背景

水稻产量受天气条件、肥料管理和土壤中可利用养分水平的影响而波动。长期连续种植实验（LTCCEs）为建立可持续的土壤和肥料管理提供了宝贵的见解，以减少气候变化条件下的产量变异性。

方法

日本从1926年至2024年进行了一项水稻LTCCE研究，共设置了九种处理组合，包括氮（N）、磷（P）和钾（K）肥料、石灰以及稻草堆肥（RC）。分析了1926年至2024年的产量和气候数据，以及1976年以来定期获得的土壤和植物养分数据，以研究养分供应、气候和产量之间的相互作用。

结果

无论是否施用石灰或RC，NPK肥料的应用使99个作物中的产量至少增加了1.6倍，而省略NPK肥料则导致产量下降了50%。在99个作物中，产量下降的顺序为：省略P > 省略N > 省略K。高产量变异性与省略N或P有关。在第50个作物之后，省略N或P的处理组的产量与太阳辐射和累计温度高于28°C的情况高度相关，这反映了气候对蓝细菌生物固氮和土壤磷溶解的影响。施用RC和石灰还降低了土壤中可利用的硅（Si）含量，从而可能缓解了低温对生长的抑制作用。

结论

由于省略N和P肥料以及缺乏石灰施用，产量变异性增加；但当通过稻草堆肥使可利用的硅含量超过50 mg kg?1时，产量变异性得到抑制。我们的结果还表明，自然提供的氮、磷和钾随着温度和太阳辐射的增加而增加。因此，量化这些自然供应量的气候变化将有助于实现更适应气候且高效的肥料管理。

引言

水稻（Oryza sativa L.）是全球约一半人口的主要粮食作物（Bin Rahman和Zhang，2022；Zhu等人，2022），其中约90%的水稻种植在亚洲。自1961年以来，由于育种改进、灌溉面积的扩大以及化学肥料的使用，单位面积的水稻产量有所增加（FAO，2025；Hussain等人，2020；Mutert和Fairhurst，2002）。然而，由于极端天气事件变得更加频繁、肥料资源分配不均以及与土壤退化相关的耕地面积减少，年际水稻产量变异性正在增加（Bin Rahman和Zhang，2022；Chen等人，2021；Hussain等人，2020；Iizumi和Ramankutty，2016；Ray等人，2015；Zhu等人，2022）。

亚洲水稻产量的气候驱动因素具有高度的区域性。例如，在雨养稻田中，降水量尤为重要（Mainuddin等人，2022；Stuecker等人，2018）；在直接播种系统中，太阳辐射限制了产量（Namikawa等人，2023）；季节性温度极端事件影响了多季种植系统（Al Mamun等人，2023；Yamaguchi等人，2025）。此外，产量变异性程度还受到管理措施（如施肥和品种选择）的影响（Li和Tao，2023；Yamaguchi等人，2025）。识别这些决定水稻产量及其变异性的多种因素有助于减轻极端天气的影响，并支持肥料资源的可持续利用（Bin Rahman和Zhang，2022；Chen等人，2021；Hussain等人，2020；Zhu等人，2022）。

为了在最小化年际产量变异性的同时实现可持续的养分管理，有必要利用淹水稻田的高自然养分供应能力来优化肥料和有机材料的施用（Chen等人，2021；Zhu等人，2023）。氮（N）、磷（P）和钾（K）是从早期生长到开花和成熟期间必需的元素（Andrianary等人，2021；Dobermann，2000；Ye等人，2019）。此外，稻草中的高硅（Si）含量有助于叶片保持直立（Kyuma，2004），并可以减轻与温度和太阳辐射相关的光合效率的变异性（Fujii等人，2008；Lou等人，2024）。

分析40年的产量数据发现，不同地区的产量调节因素存在显著且广泛的差异（Wang等人，2025）。因此，在同一实验地点长期监测不同施肥管理下的产量对于识别特定地区的产量调节因素至关重要。在亚洲国家，中国、日本、印度以及菲律宾的国际水稻研究所（IRRI）已经建立了长期连续种植实验（LTCCEs），持续时间从10年到超过100年不等（Ando等人，2022；Dawe等人，2000；Dobermann等人，1996；Kanemori，2000；Miao等人，2011；NARO，2025；Yanai等人，2023）。利用每个LTCCEs的最长监测记录可以确保统计分析的可靠性，反映气候与产量之间的特定关系（Chen等人，2023；Rasmussen等人，1998；Yamaguchi等人，2025）。

位于温带亚洲的日本，水稻种植面积为147万公顷，占农业总面积的33.1%。截至2025年，日本有40个正在运行的水稻LTCCEs（Ando等人，2022；NARO，2025；Nguyen-Sy等人，2020；Takakai等人，2020；Yanai等人，2023）。这反映了日本稻田土壤的多样性，这些土壤在物理化学性质（如有机质和粘土含量）上存在显著差异。例如，河积土占这些土壤的71%，其次是安土（Andosols）占13%，红壤-黄壤（Acrisols和Cambisols）占2.3%（Tamura等人，2021）。其中有5个LTCCEs已经运行了55年以上（Ando等人，2022；Nguyen-Sy等人，2020；Takakai等人，2020；Yanai等人，2023），最长运行的LTCCEs持续了100年（表1）。此外，日本还有15个LTCCEs运行了30-50年，20个LTCCEs运行了10-30年（NARO，2025）。

日本最长的LTCCEs报告称，在省略N和P肥料的情况下产量显著下降，在省略K肥料的情况下产量略有下降（Ando等人，2022；Kasuya等人，2022；Yanai等人，2023）。此外，1962年在IRRI建立的LTCCE通过分析1968年至2017年的数据发现，增加氮肥施用和太阳辐射有助于在施用P和K肥料的情况下提高水稻产量（Yamaguchi等人，2025）。然而，评估天气条件和肥料管理对产量变异性的长期影响的研究有限。

自20世纪90年代以来，日本提倡减少肥料投入，以防止稻田土壤中养分过度积累并实现可持续的养分管理（Umemoto，2019）。然而，如果不充分考虑自然养分供应能力而减少肥料，可能会导致产量下降和变异性增加。为了有效利用自然养分供应能力，有必要了解在气候变化、地质条件和肥料管理措施下养分供应的变化（Chen等人，2021；Yanai等人，2023；Zhu等人，2023）。氮和磷的自然供应受到温度、太阳辐射以及碱性和有机材料施用的强烈影响（Ando等人，2022；Choudhury和Kennedy，2004；Huang等人，2025）。相比之下，钾和硅的供应主要受地质因素决定（Yanai等人，2016；Yanai等人，2023）。

淹水稻田的固氮能力高于旱地。虽然施用氮肥会降低这种能力，但施用堆肥（Ao等人，2023）、稻草（Fan等人，2022）或铁材料（Masuda等人，2021）可以增强这种能力。此外，近期温度和太阳辐射的增加显著提高了蓝细菌的固氮能力（Choudhury和Kennedy，2004；Huang等人，2025）。淹水稻田中的磷有效性高于旱地，因为含铁的磷在还原条件下可溶解（Ando等人，2022）。含铁磷的溶解受到较高温度（Nishida等人，2018）和碱性及有机材料施用的促进（Ando等人，2022）。花岗岩土壤中的钾供应量较高（Ando等人，2025；Kasuya等人，2022；Yanai等人，2023），而火山土壤中的硅供应量更高。此外，施用碱性和有机材料可以增加硅的可用性（Lou等人，2024；Yanai等人，2016；Yang等人，2020）。然而，关于在不同肥料管理和气候条件变化（包括太阳辐射和温度）下氮、磷、钾和硅的自然供应的长期变化，相关报道很少。

本研究旨在利用一个温暖湿润地区最长久的稻田LTCCE，阐明施用氮、磷、钾以及石灰和稻草堆肥（RC）对产量变异性的长期影响。此外，通过研究氮、磷、钾和硅的吸收与气候条件之间的关系，本研究阐明了气候引起的产量变异是如何由自然养分供应的变化以及每种养分的特定作用引起的。最终，我们旨在确定有助于最小化年际产量变异性的最佳土壤管理措施。

实验设计

这项单一种植系统的水稻LTCCE于1926年在日本爱知农业研究中心建立（34°58’N，137°40’E）。1926年至2024年的年平均累积降水量（1552毫米）和年平均温度（15.2°C）来自位于研究地点附近的名古屋站的气象档案（日本气象厅，2026）。土壤被分类为Acrisols（IUSS工作组WRB，2022），质地

天气条件

从第1到第99个作物生长季节期间，平均每日温度、最低温度和最高温度都有所增加（p r =?0.86；p r =?0.77；p

一个世纪以来化学肥料对水稻产量变异性的影响

在未施肥的地块中（?石灰和+石灰），产量表现出长期下降趋势（表2）。这些地块中的可利用氮和可利用磷也显著减少（图5），这表明养分缺乏可能是产量下降的合理解释。值得注意的是，这种负相关仅在第1至第99个作物期间观察到，而在将时间段分为早期和后期时则没有观察到。相比之下，最低温度的增加与施肥地块的产量增加相关

结论

由于省略氮和磷肥料以及缺乏石灰施用导致可利用硅含量低，产量变异性增加。为了最小化与养分相关的产量变性，必须保持土壤养分水平在大约60 mg kg?1的可利用氮、100 mg kg?1的可利用磷、0.15 cmol_c kg?1的可交换钾和50 mg kg?1的可利用硅。因此，我们建议施用7.5吨/公顷的堆肥和硅肥料，同时减少多余的氮和磷肥料，是一种有效的土壤管理方法

CRediT作者贡献声明

丹下千春：资源提供，调查。小笠原良也：资源提供，调查，数据管理。久野千香子：资源提供，调查。笠谷正宏：写作——审稿与编辑，监督。大国高智：资源提供，调查，数据管理。大桥良典：资源提供，调查，数据管理。大桥良典：验证，正式分析，数据管理。安藤香织：写作——审稿与编辑，初稿撰写，可视化，验证，方法论研究，调查，正式分析，数据管理，概念化。

资金

本研究未获得公共、商业或非营利部门的任何特定资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

这个长期实验田自1926年以来一直由爱知农业研究中心的许多研究人员精心维护。我们衷心感谢他们的宝贵支持以及持续积累的宝贵数据。