水稻机插同步侧深施肥技术进展及应用

王晓丹 向镜 张玉屏 张义凯 王亚梁 陈惠哲

（中国水稻研究所/水稻生物学国家重点实验室，杭州310006；*通讯作者：chenhuizhe@163.com）

水稻生产过程中肥料施用不科学、氮肥施用量大、机械化程度低等问题，严重制约着我国水稻绿色高质高效的发展。目前我国水稻肥料施用方式以速效肥表面撒施、机械撒施+旋耕机翻埋为主，肥料流失严重，并污染稻田环境，发展环境友好及产量兼顾的绿色施肥模式是我国水稻实现绿色减肥增效的关键。水稻机插同步侧深施肥技术是农业农村部确定的重大引领性农业技术，也是我国现代稻作技术发展方向之一。目前日本、韩国等近邻国家的水稻机插施肥一体化作业比例高达50%，而我国尚处于发展和起步阶段。随着越来越多与现有插秧机配套的侧深施肥装置研制成功并应用于生产，近年来该技术在我国发展迅速。本文结合我国水稻生产实际，从机插侧深施肥的特点及优势、技术应用和存在问题等进行了阐述，并提出相应的发展对策。

1 水稻机插侧深施肥的特点及优势

1.1 机插侧深施肥的技术特点

水稻机插同步侧深施肥技术在水稻移栽的同时，通过机械将基蘖肥呈条状集中施在秧苗一侧土壤（离秧苗3.0～5.0 cm，土壤深4.0～5.0 cm）中，可减少肥料与空气接触，降低肥料氨挥发损失，防止肥料流失和保护环境，增加作物对养分的吸收利用[1-3]，并有利于提高氮肥利用率及水稻产量，实现减肥增效[4-6]。与肥料传统人工撒施方式不同，机插侧深施肥是一种典型的针对水稻秧苗根际的不对称局部施肥，在水稻秧苗一侧是条状的施肥区，而另一侧则是无肥区（图1），从而会造成对水稻秧苗根系的局部养分供应状况。植物根系存在觅食行为，有研究表明，局部养分供应会造成土壤养分不均匀分布，会引起根系间的不对称性竞争[7]，从而从根系形态及生理上作出一定程度的响应，进而影响作物叶片及根系的生长及分布以及生物量的积累，也会对作物的群体产量及结构造成影响[8]。

图1 水稻机插侧深施肥田间示意图

1.2 对水稻生长及产量的影响

相比传统人工撒施，侧深施肥能显著提高水稻有效穗数，进而提高稻谷产量[9-10]。朱从桦等[11]研究表明，与人工撒施相比，机械侧深施肥处理可实现增产，原因主要是其增加了有效穗数和颖花总量，且在不同季节水稻上均表现出该趋势。在穗分化期和齐穗期，控释肥结合机械深施处理的氮素积累量、SPAD 值、干物质积累量均显著增加，认为控释肥结合机械深施是一种提高机插水稻产量和氮素利用的有效施肥方法。而刘晓伟等[12]研究认为，相比表面撒施处理，在稻株间10 cm处根区一次施氮处理，虽然有效穗数显著增加，但千粒重明显下降，穗粒数、结实率和产量无显著变化。等量施肥条件下，机械侧深施肥有利于水稻返青，促进早生快发，提高成穗率，增加有效穗[13]。ALIMATA 等[14]研究认为，与尿素分次撒施，大颗粒尿素缓释肥深施，可以提高稻草质量和地上部干物质量。

1.3 对根系生长及土壤微生物的影响

植物根系是水分和养分吸收的主要器官，又是多种激素、有机酸和氨基酸合成的重要场所，其形态和生理特性与地上部生长发育、产量和品质形成有密切关系[15-16]。侧深施肥是一种对作物秧苗根际的不对称局部施肥，通过机械将养分精确送达根区，局部养分供应会造成土壤养分不均匀分布。目前局部养分供应对根系的生长影响在玉米等旱地作物上研究较多，认为局部养分供应有利于玉米根系增生，可促进玉米根系形态的改变，包括根长、侧根密度、细根比例的增加，其对早期玉米生长及营养吸收的促进作用强于后期[17-19]。WANG 等[20]通过蛭石培养实验，研究旱种条件下NO3-对水稻侧根发育及其氮吸收的影响，认为局部供应NO3-能够促进水稻侧根生长，但这与侧深施肥的稻田环境差异较大。目前我国侧深施肥条件下对水稻根系生长的系统研究相对较少。马昕等[21]研究认为，机械侧深施氮条件下，秧苗机插完成后未明显变黄，且直接扎根生长，促进了返青进程，成穗率显著提高。稻田氮素生物循环包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用、固氮作用等，参与这些过程需要大量微生物存在，且分布广泛。段然等[22]研究认为，相比常规施肥，侧深施肥会略微增加硝化潜势，明显降低反硝化酶活性，显著改善土壤氮功能微生物群落结构。

1.4 对肥料利用率的影响

机械侧深施肥通过机械将养分精确送达根区，减少了氮素等养分损失，促进了稻株吸收氮素，提高了氮肥利用率[23-25]。氮肥施入土壤后，一部分被稻株吸收，一部分被土壤固定，大部分会通过挥发、径流、渗漏损失掉。侧深施肥主要通过减少径流、渗漏、挥发损失量，增加或降低土壤氮代谢酶活性，促进氮代谢微生物的生长，提高肥料氮的利用效率[2]。朱从桦等[6]研究认为，与人工撒施相比，机械侧深施可以显著提高氮肥利用率，齐穗至成熟期控释尿素机械侧深施处理的茎叶鞘氮素积累量和茎叶氮素表观转移量均显著高于尿素撒施、尿素机械侧深施、控释尿素撒施等处理。LIU 等[12]研究表明，免耕条件下，氮肥侧深施用处理田面水中NH4+-N 浓度降低29.0%～98.0%，NH3累计挥发量减少15.0%～45.0%[26]；将常规分次施氮改为根下偏5 cm、深10 cm根区一次施氮，可以延长肥料养分在土壤中的贮存时间，提高耕层土壤速效氮的养分含量，增加水稻对肥料氮的吸收和利用，降低了氮肥当季损失量。综合研究表明，控释肥与侧深施肥方法结合可以更有效地降低稻田氮素流失量，提高氮肥利用率和稻谷产量，实现减肥增产。

2 水稻机插同步侧深施肥技术的生产应用

2.1 机械施肥装置

侧深施肥机械装备是水稻机插同步侧深施肥技术应用的基础。随着近年来机械侧深施肥技术的发展，一些在华国外知名农机企业和国内农机生产厂家强化水稻侧深施肥装置研发，陆续研制出与水稻插秧机配套的气吹风送式、螺杆推送式等侧深施肥装置，有力推动水稻机插侧深施肥技术推广。据不完全统计，目前全国生产水稻侧深施肥装置的企业有36 家（包括国外在华企业），机型达到50 余个。现有的插秧施肥机械的排肥方式主要有螺旋推进式和风送式两种，其中风送式机械对肥料表面性能要求较低，一般普通的复合肥也可应用，但容易堵塞，造成排肥不畅；而螺旋式施肥机主动排肥能力强，对肥料表面物理性能特别是抗压耐碎性能要求高[27-28]。根据相关部门对侧深施肥机械的各行排肥一致性、总排肥量稳定性和施肥均匀性变异系数等3 项关键指标测定，目前市场上的水稻侧深施肥装置主要机型的技术指标数据基本能满足农业农村部DG/T 105-2019《水稻侧深施肥装置》规定的技术指标要求。

2.2 肥料类型及特性

不是所用的肥料都适合机械深施，选择适合肥料是该技术取得成功的关键。适用机插侧深施肥的肥料应具备以下特点：①氮磷钾复合，养分比例合理；②成分稳定，颗粒均匀一致，表面抗压好；③肥料吸水性稳定，前期不能吸水过多，堵塞排肥口。为减少施肥次数，机插同步侧深施肥一般采用缓控释肥料为主。缓控释肥是一种采用天然或半天然高分子材料进行包膜的肥料，形成分子网格吸附和固定氮素，减缓或控制肥料氮释放速率，使肥料氮释放量和释放速率与水稻养分需求吻合，以减少氮素损失，提高肥料氮利用率和水稻产量，还适宜于一次性基施，减少施肥用工[29-31]。控释肥与侧深施肥方法结合是降低施肥作业成本、提高稻谷产量、增加水稻生产效益的关键。

氮磷钾的营养成份和肥料粒径是肥料选择的重要指标。氮磷钾等主要营养成份的合理比例，可以大幅减少人工施肥的次数及用工成本，与机插侧深施肥的水稻产量也有密切关系；另外，一般机械装备施肥所用肥料的粒径要求在2～5 mm，合理粒径是保障机插同步侧深施肥顺畅排肥、实现精确施肥的重要保证。目前从市场中收集了缓控释肥、水稻专用肥、复合肥、掺混肥料和控释尿素等主流颗粒肥料10 余种，研究分析了相关肥料的粒径特性（表1），结果表明，所收集的肥料平均粒径在3～4 mm 范围内。我国水稻机插期间常遇阴雨天气，高湿多雨，肥料稳定性是水稻机械施肥的重要保障。对所采集的肥料在25℃、90%湿度条件下放置6 h、12 h 和24 h 后，测定肥料的吸水率，结果表明，参试的肥料稳定性最好的是“心连心”控释尿素，基本不吸水；“易迈施”“茂施”“雅苒YARA”“万里神农”“沃夫特智膜星”“中化福万农”“台湾青上宜成”“辽宁津大盛源”等在24 h 吸水率均在8%以下，相对比较稳定。

表1 部分颗粒肥料的营养含量及不同粒径比例

2.3 施肥模式

传统水稻施肥模式一般按基肥、分蘖肥、穗肥3～4次施，其中穗肥又分促花肥和保花肥2 次施用。机插侧深施肥由于采用缓控释肥和深埋条施，可减少施肥次数和施肥用工，目前主流的施肥模式有“一次性机械深施”和“一机一追”2 种。“一次性机械深施”是将水稻所需要养分在机插时一次性施入稻田土壤，该模式节省用工；“一机一追”是将水稻所需要的传统基肥和分蘖肥在机插时合并施入稻田土壤，并根据水稻生长情况结合人工撒施一次追肥。根据近年试验结果，具体采用哪种施肥模式应根据水稻季节、品种类型确定，对双季稻或生育期短的单季常规稻，采用一次性机械施肥与多次施肥模式的产量差异不明显，可以一次性机械侧深施肥，这与双季稻高产以追求穗数吻合；而对生育期较长单季稻，如籼粳杂交稻生育期长达140～165 d，且植株的生长量大，水稻生长所需要的氮磷钾养分需求量大，一次性机械施肥往往会影响产量，建议以“一机一追”的施肥模式较好，其中追肥施用时期以穗分化期较为合适，这也与单季籼粳杂交稻主攻大穗和提高结实率相吻合[32]。根据2019 年在浙江萧山、海盐、嘉善、江山、仙居等县市8 个单季稻试验示范，在相同肥料类型及施肥量条件下，“一机一追”和“一次性机械深施”的平均水稻产量分别达9 817.4 kg/hm2和9 466.7 kg/hm2，分别比手工撒施处理增产513.0 kg/hm2和162.3 kg/hm2，增产幅度为5.51%和1.74%，参加试验示范点中，“一机一追”处理增产、平产和减产的比例分别为63.6%、18.2%和18.2%，而“一次性机械深施”则只有28.6%增产，减产比例达57.1%（图2）。

图2 单季稻机插深施肥不同模式对产量的影响

3 机插侧深施肥存在的问题及技术对策

3.1 施肥效果

由于机械施肥装置对肥料及田块作业的不配套，预设施肥量和实际施肥量往往存在着较大的误差，机插施肥作业过程施肥量难以精确把握，同时，用户调查中普遍反映存在堵塞漏施现象，因此，进一步发挥机械高效精准施肥优势，提高施肥效果是当前机插侧深施肥面临的关键难题。另外，机插侧深施肥效果不理想还包括田间作业时各行间施肥量不一致，会导致田间水稻长势不一。田间作业时，施肥装置器、肥料种类、机插速度、稻田土壤、天气等都可能影响排肥量，其中，各行间施肥量不一致主要由施肥机械导致，通过机械装置的改进可以解决；同时，侧深施肥装置对使用的肥料有要求，一般要求其含水率低于12%、颗粒直径在2～5 mm 之间且颗粒不互相粘结，只有满足这些条件，侧深施肥装置才能保证正常运行，不出现堵肥漏施现象。因此，机插侧深施肥作业时应选择合格的机械装备、粒径形态大小及稳定性好的肥料，同时，机插作业前，根据机插速度、稻田土壤、天气等因素调节施肥量，保证各条间排肥量均匀一致，降低预设施肥量和实际施肥量误差，实现水稻高效精准施肥。

图3 机插深施肥减肥对水稻产量的影响

3.2 施肥成本

机械侧深施肥实现精确定位施肥，将养分精确送达根区，有利于降低人工施肥次数及用工成本，促进稻株吸收氮素，提高氮肥利用率和产量，但通常缓控释肥成本要远远高于普通复合肥和尿素等速效肥料，根据不完全统计，一般缓控释肥每667 m2的肥料成本要比速效肥高30～50 元，这严重影响了农户对该技术的认可及应用。因此，发挥侧深施肥的优势，在不影响产量的前提下，通过减肥减氮，降低施肥成本，并研发适合一次性施肥的缓控释肥料，降低施肥作业成本，提高稻谷产量来增加产值，最终增加水稻种植收益[33]。在浙江省各示范实施县的单季稻试验示范表明，与常规施肥处理比较，2019 年，减氮10%和减氮20%的机插侧深施肥处理平均产量分别达9 817.4 kg/hm2和9 726.9 kg/hm2，比常规施肥处理分别增产4.09%和3.13%，在各试验示范点中，减氮10%处理的增产、减产的比例分别为85.7%和14.3%，减氮20%处理的增产、减产的比例分别为57.1%和42.9%（图3），表明机插侧深施肥不仅减少人工施肥用工，通过合理减肥，控制用肥成本完全是可行的。

3.3 稻田管理

传统水稻生产上通常在机插后结合施分蘖肥拌除草剂，可起到较好的稻田除草效果。机插侧深施肥的“一机一追”和“一次性机械施肥”模式，往往省略了分蘖肥施用环节，也使稻田杂草防控成为问题。在双季稻生产上，采用“一机一追”施肥模式，结合机插侧深施肥，可将尿素等速效肥提前至分蘖期追施，结合使用除草剂，这样即可控制杂草，又促进双季稻分蘖早发，提高有效穗数，实现高产高效；另外，通过研发除草、施肥、机插同步的一体化作业技术，既能解决除草问题，又可大幅度提高稻作效率。针对侧深施肥机械作业下稻田局部肥料漏施，还需要机插作业前制定合理行走路线及行走方向，选择下田位置，尽量减少空驶和人工补苗作业量，同时，对田间漏施的秧苗局部适时追肥，保证水稻长势平衡。机插同步侧深施肥是绿色节肥高效的一项水稻生产新技术，需通过进一步加强稻田整地、水分管理等作业标准，发挥水稻根际调控作用[34]，提高肥料利用率，促进技术发展及应用。