在全球人口增长和气候变化加剧的背景下，维持高产和稳定的稻米生产已成为确保国家粮食安全的战略重点。近几十年来，由于追求最高产量，对化学氮肥的高投入已成为全球稻米生产地区的主要挑战。这种长期以来的“高投入、高产出”生产模式导致了多重负面后果，包括氮利用效率低、边际经济效益下降以及生态失衡（张等，2015年；刘等，2025年）。过量施用氮不仅会导致严重的地方环境问题，如水体富营养化、土壤退化和生物多样性丧失，还会大幅增加一氧化二氮的排放，这种温室气体的全球变暖潜能是二氧化碳的270多倍。这些排放加剧了气候变化，形成了一个悖论：即提高短期产量的努力可能会损害长期的农业可持续性（达尔·莫林等，2020年；高和卡布雷拉·塞伦霍，2023年；贾因，2023年）。因此，系统地探索和开发能够在减少氮肥投入的情况下实现高产和稳定产量的策略至关重要。自20世纪70年代以来，杂交稻育种一直是稻米生产领域的里程碑式成就。杂交稻育种的核心技术在于有效利用杂种优势（杂交活力），这使得杂交稻的产量潜力比常规稻品种提高了约20%（袁，2017年）。在田间，杂交稻通常表现出更优的农艺特性，包括强分蘖能力、结实耐倒伏的茎秆以及大而饱满的谷粒。它还表现出更高的养分利用效率、增强的光合作用能力、延迟的衰老过程以及旺盛的分蘖后生长（张等，2009年；王和彭，2017年；彭等，2021年；郑等，2024年）。这些生理功能与改进的氮吸收和利用密切相关（王和彭，2017年；黄等，2018年；马哈茂德等，2022年）。杂交稻在氮吸收和利用方面的显著优势归因于其独特的形态和生理特征以及高效的氮代谢机制（陈等，2020年；胡等，2023年）。例如，杂交稻具有更发达的根系形态和生理结构（陈等，2020年）；由于叶片光合作用的增强，氮同化和转运效率更高（邓等，2022a；胡等，2023年；周等，2023年）；氮分配和再利用能力更好（周等，2023年）；以及整体最佳的植株结构（程等，2024年）。
近年来，“超级杂交稻”进一步提高了产量上限，并在多种生态区域表现出显著的适应性（彭等，2008年；黄等，2018年；陈等，2022a；葛等，2025年）。先前的研究表明，与传统杂交稻相比，超级杂交稻的产量可提高约12%（黄等，2017年）。尽管这种优势通常在高氮施肥条件下实现（黄等，2018年；傅等，2022年；马哈茂德等，2022年），但现有研究表明，在低至中等氮投入条件下，超级杂交稻也表现出更高的氮利用效率（黄等，2018年；侯等，2019年；王等，2021年），这意味着在减少氮肥投入的情况下仍有很大的潜力保持高产量，这一可能性尚未得到充分探索。此外，鉴于超级杂交稻的优越环境适应性，其在多年不同气候条件下的可持续性仍不清楚。具体来说，目前尚不确定是否存在一个低氮供应水平，在该水平下超级杂交稻能否同时实现高产量和产量稳定性。确定这一氮阈值对于实现高产量、提高氮利用效率和环境可持续的稻米生产至关重要。
稻米产量由几个关键因素决定，包括穗数、小穗数、结实率和千粒重（TKW）。这些因素之间的相互作用决定了最终的稻谷产量（钟等，2021年；高等，2024年；何等，2024年），形成了一个复杂的动态平衡。例如，过分强调穗数可能会限制单个穗的发育，导致每个穗的谷粒数量减少，从而降低结实率（彭等，2008年；刘等，2021年）。同样，如果大量的小穗得不到足够的养分供应，谷粒之间的竞争会降低结实率和TKW（彭等，2008年；傅等，2019年）。因此，实现高产量需要穗数、小穗数、结实率和谷粒重量之间的平衡关系（隋等，2013年；刘等，2024年）。稻米品种和氮肥施用都会显著影响这些相互关系。了解超级杂交稻在低氮条件下的这些产量成分如何相互作用，为开发高产和稳定产量的策略提供了重要的理论基础。此外，识别决定超级杂交稻产量和稳定性优势的关键产量成分对于指导未来的育种和农艺实践至关重要，特别是在气候变化的背景下。尽管如此，我们的理解仍存在显著空白（杨等，2024年；葛等，2025年），特别是在支持产量稳定性优势的详细机制方面（黄等，2018年）。
在本研究中，我们进行了一项长期田间试验，比较了两个超级杂交稻品种和两个超级常规稻品种在不同氮肥施用量下的产量和产量稳定性。研究的主要目标是：1）确定超级杂交稻在多个生长季节中相对于超级常规稻品种在实现高产量和产量稳定性方面的优势；2）阐明在氮供应减少的情况下，超级杂交稻的产量成分如何相互作用并相互补偿；3）找出在氮供应减少的情况下，超级杂交稻优势的主要驱动因素。这项研究将为在减少氮肥投入的情况下实现高产和稳定产量的策略提供有力证据，并为未来的育种改进提供指导。
