机械侧深施肥下水稻产量和肥料利用效率研究

陆 雨，徐南清，段建设，朱红英，洪 果，凌 冬，郑冬晓，满建国

（1.华中农业大学植物科学技术学院，农业农村部长江中游作物生理生态与耕作重点实验室，武汉 430070；2.襄州区农业技术推广中心，湖北 襄阳 441104；3.襄阳市农业科学院，湖北 襄阳 441104）

水稻是中国第一大粮食作物，约占粮食总产量的40%［1］。施肥是水稻生产过程中的一个重要环节，对于保障水稻产量至关重要。当前稻田肥料施用方式主要为人工撒施和机械撒施，但这2 种方式均会通过氨挥发和径流的方式导致稻田肥料损失。水稻侧深施肥技术是在插秧机插秧的同时将肥料同步施在稻株根侧3 cm、深度5 cm 处，是一项与培肥地力、培育壮苗、灌水管理、肥料选用、病虫防治、机械选用等单项技术综合组装配套的栽培体系，是减肥、省力、节本、增效的一项技术措施。2018 年，农业农村部在黑龙江建三江举办全国水稻机械插秧同步侧深施肥技术集成示范活动，展示示范水稻机插秧同步侧深施肥技术应用成果，被农业农村部正式确定为十大重大引领性农业技术［2］。与传统撒施相比，该技术有利于水稻根部吸收肥料，极大程度提高肥料利用率［3，4］。耿辉辉等［5］研究表明，侧深施肥有利于水稻的低位分蘖成穗，成穗率可提高7.4%，每穗粒数增加11 粒，可显著提高产量。学者对水稻侧深施肥进行了大量研究，但关于侧深施肥下水稻分别对氮、磷、钾等主要养分的吸收利用仍不明确，而这对于协同提高水稻产量和资源利用效率至关重要。

本研究通过设置人工撒施和机械侧深施肥2 种施肥方式，结合不同肥料处理，探究2 种施肥模式下水稻产量和对氮、磷、钾等养分的吸收利用差异，以期为进一步协同提升水稻产量和资源利用效率提供理论支持，为进一步推广侧深施肥技术提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020 年水稻季在湖北省襄阳市襄州区张集镇何岗村（N32°4′40″；E112°13′3″）进行。前茬作物为小麦。试验点土壤基本理化性状见表1，2 种施肥模式下的土壤养分基本一致。

表1 试验土壤基本理化性状

1.2 试验设计

供试水稻品种为粤禾丝苗，移栽密度为22.5×104株/hm2，2020 年 5 月 12 日播种，6 月 4 日移栽，全部机械移栽，株行距为13 cm×30 cm。

试验采用裂区设计，主区为施肥方式处理，分为机械侧深施肥（S）和传统人工撒施（C）；副区为肥料配施处理，共5 个水平：全生育期不施肥（CK），氮磷钾全施（NPK），磷钾配施（PKN0），氮钾配施（NKP0）、氮磷配施（NPK0），各处理肥料施用量见表2。为更好地展现机械侧深施肥效果，本研究的机械侧深施肥小区面积为70 m2，人工撒施部分为保证肥料施用均匀，在20 m2的小区进行。各处理3 次重复，完全随机排列，小区间设置隔离，小区外设置保护区。

表2 各处理肥料施用量

本研究氮肥来源尿素（含N 46%）、磷肥来源过磷酸钙（含P2O512%），钾肥来源氯化钾（含K2O 60%）。氮肥施用分为基施和追施，追施在水稻幼穗分化始期（PI 期）施用，基追比为7∶3。磷肥和钾肥均为一次性基施。侧深施肥小区基施肥料采用机械施肥，肥料施用与秧苗移栽同期进行，在幼穗分化始期进行人工撒施追肥；人工撒施小区肥料在移栽前一天均匀撒于各小区内。

田间各小区均筑埂，并采取黑色薄膜覆盖以保证各小区单排单灌，避免串排串灌。水稻于2020 年9 月25 日左右收获。除施肥外，各小区其他田间管理措施均与本地高产田管理措施一致。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 成熟期干物质量 于成熟期，各小区分别取6 蔸具有代表性的样品，去掉根和其余杂质，按照茎秆+叶鞘、叶片和穗分开，放于80 ℃烘箱中烘干至恒重，称量，记录各器官干物重，干样放于密封塑料袋中保存，用于后期测定氮素积累。

1.3.2 产量及其构成因子 于成熟期，在各小区中间选取长势一致，面积约为5.0 m2的区域作为测产区，人工收割后测量实际面积，并记录测产蔸数。稻谷脱粒晒干后，风选机去除杂质和空瘪粒，待稻谷吸湿平衡后称量稻谷重量，并换算成含水量为13.5%的重量，计算各小区单位面积产量。

产量构成因子的测定。首先在烘干前记录6 蔸样品的有效穗数，根据所占面积计算单位面积有效穗数；脱粒后的子粒自然风干，采用水选法将饱粒和非饱粒（半饱粒和空粒）分开，自然风干后再用风选法将半饱粒和空粒分开。置于室内吸湿平衡后分别称量饱粒、半饱粒和空粒的总重量。然后用精度0.001 g 的天平分别从每个小区的饱粒重称取3 个30 g 的小样，从空粒中称取3 个2 g 的小样，记录每个小样的实际重量。人工统计各小样的粒数以及每个小区中全部的半饱粒数。然后将全部饱粒小样、空粒小样以及所有半饱粒置于80 ℃烘箱中烘干至恒重后称重。最后计算产量构成因子，单位面积穗数、每穗颖花数（单位面积颖花数/单位面积穗数）、单位面积颖花数、结实率（饱粒数/总粒数）、粒重和H（I饱粒干重/地上部总干重）。

1.3.3 养分元素吸收积累 烘干后粉碎，用同位素质谱仪（Elementar Trading Co.，Ltd，Germany）测定各器官氮浓度，用钼锑抗比色法测定各器官全磷的含量，用火焰光度计法测定各器官全钾的含量，再根据各部分干物质重计算养分积累总量。

1.3.4 养分（氮、磷、钾）利用效率计算 肥料农学利用率（kg/kg）=（施肥小区子粒产量-不施肥小区产量）/肥料施用量［6］

肥料生理利用率（kg/kg）=（施肥小区子粒产量-不施肥小区产量）（/施肥小区总养分积累量-不施肥小区总养分积累量）

肥料偏生产力（kg/kg）=子粒产量/肥料施用量

2 结果与分析

2.1 不同处理对稻谷产量及其产量构成因子的影响

由表3 可知，机械侧深施肥各处理的稻谷产量均高于同一处理下的人工撒施，其中NPK 全施处理的产量要显著高于其他处理，机械侧深施肥和传统人工撒施下NPK 全施处理的产量均最高，分别为7 633.7、7 050.4 kg/hm2，其次为NP 配施处理，不施氮处理的产量最低；与NPK 全施处理相比，PK 配施、NK 配施和NP 配施处理的产量在机械侧深施肥条件下分别降低21.2%、16.6%、9.6%，在传统人工撒施条件下分别降低15.9%、11.0%、8.6%；单位面积有效穗数在机械侧深施肥条件下分别降低15.1%、3.8%和0.2%，在传统人工撒施条件下分别降低22.1%、8.8%、8.1%。这表明单位面积穗数是处理间产量差异的主要原因。此外，PK 配施、NK 配施和NP 配施处理间产量差异显著，其中NP 配施处理产量最高，NK 配施次之，PK 配施最低。这说明N 肥对产量的影响效应最高，K 肥最低。

表3 不同施肥处理下稻谷产量及其构成因子

2.2 不同处理对水稻成熟期干物质积累的影响

由图1 可知，施肥可以显著提高水稻成熟期干物质积累量，机械侧深施肥下水稻成熟期干物质量高于传统人工撒施，这主要是由于机械侧深施肥下的茎秆与叶片的干物质量积累较高，在同一施肥模式下，机械侧深施肥各处理的茎秆与叶片的干物质量均显著高于传统人工撒施的各个处理。

图1 不同施肥处理下成熟期干物质积累量

在机械侧深施肥方式下，NPK 处理下茎秆与叶片、子粒和总干物质积累量最高，NK 配施和NP 配施处理次之，PK 配施处理最低，这与传统人工撒施方式下各个处理干物质积累情况一致。该结果表明，N、P、K 这3 种养分元素中，施氮对提高水稻成熟期干物质量最有效，施磷提升效应次之，钾肥最低。

2.3 不同处理下水稻成熟期地上部植株养分元素吸收量差异

成熟期水稻地上部茎秆与叶片、子粒的N、P、K吸收积累量如图2 所示。与CK 相比，施肥处理显著提高了水稻植株地上部N、P、K 养分的吸收量，其中对K 的吸收量最高，N 次之，P 最低。与传统人工撒施相比，机械侧深施肥下水稻植株N 积累量较低，P积累量与之基本一致，K 积累量显著增加。

图2 不同施肥处理下成熟期不同器官N、P、K 养分积累

机械侧深施肥下，NPK 处理下茎秆与叶片、子粒和总的氮、磷和钾素积累量最高，其次为NP 配施处理，再次为NK 处理，PK 配施处理最低。传统人工撒施方式下各处理N、P、K 积累量与机械侧身施肥保持一致，表现为 NPK 全施处理＞NP 处理＞NK 处理＞PK 处理。

2.4 不同处理下水稻肥料利用效率差异

由表4 可知，在2 种施肥方式下，PK 处理下水稻P、K 农学利用效率和生理利用效率以及NK 处理下K 农学利用效率和生理利用效率均为负值。机械侧深施肥方式下的水稻N、P、K 和NPK 全素的农学利用效率，N、P 的生理利用效率，N、P、K 和 NPK 全素的偏生产力均高于传统人工撒施。同一施肥方式下，NPK 处理的 N、P、K 和 NPK 全素的农学利用效率、生理利用效率和偏生产力均最高，其中N、P 的农学利用效率、生理利用效率和偏生产力要显著高于其他处理。

表4 不同施肥处理下水稻肥料利用率

机械侧深施肥方式下，水稻N 素的农学利用效率、生理利用效率和偏生产力表现为NPK 处理最高，NP 配施处理次之，NK 处理最低。传统人工撒施方式下，水稻N 素的农学利用效率和偏生产力则表现为NPK 处理最高，NP 和NK 处理间无显著差异；N素生理利用率表现为NPK 处理＞NK 处理＞NP 处理。

3 讨论

3.1 施肥方式与肥料配施对水稻产量及其产量构成的影响

单位面积穗数、每穗颖花数、结实率及千粒重是水稻产量构成的重要组成部分，每穗颖花数与结实率决定每穗实粒数。研究认为，水稻产量首先取决于有效穗数，其次是每穗粒数、结实率和千粒重［7］。此外，合理的施肥方式也能够促进有效分蘖的形成，使水稻具有较高的群体颖花量［8］。研究表明，机械侧深施肥可有效促进水稻分蘖，单位面积穗数较常规撒施提高20%～30%，同时还可以提高单穗实粒数，进而提高产量［9］。合理的肥料配施有利于提高土壤肥力水平，挖掘农田生产潜力，增加作物产量［10］。颜兵［11］研究认为配方施肥较常规施肥对作物穗数、穗粒数及千粒质量有显著的促进作用，氮磷钾三要素的复合施用比任意混施2 种肥料的增产效果更好。黄晶等［12］通过长期定位试验揭示了肥料对于水稻产量的贡献，表现为：有机肥＞化肥氮＞化肥磷＞化肥钾。

本研究结果表明在机械侧深施肥下水稻产量和单位面积穗数均高于传统人工撒施，且NPK 全施处理的单位面积穗数、每穗实粒数和产量显著高于PK、NK 和 NP 处理。研究还发现，2 种养分配施处理中，NP 配施处理的产量最高，NK 配施次之，PK 配施最低，表明氮肥对水稻产量提升的效应最高，钾肥最低，这与黄晶等［12］研究结论基本一致。

3.2 施肥方式与肥料配施对水稻干物质积累量的影响

水稻产量主要来自于光合产物的积累，充足的干物质积累是水稻高产的重要前提。研究表明，在水稻各关键生育阶段物质积累量合理、积累比例协调是水稻高产的前提［7］。凌启鸿［13］研究发现在水稻抽穗至成熟时期，干物质积累量与产量呈极显著正相关，是衡量水稻群体质量的核心指标。朱从桦等［14］研究发现，与人工撒施相比，机械侧深施肥显著提高了水稻关键生育期干物质量，其中穗分化期、齐穗期、成熟期干物质积累量分别增加14.72%～28.61%、9.78%～10.33%和6.89%～8.08%，这是机械侧深施肥下水稻高产的主要原因。本研究结果与前人基本一致，在机械侧深施肥下水稻成熟期干物质量比传统人工撒施高17.5%，这取决于机械侧深施肥下较高的茎秆与叶片的干物质积累。本研究还发现，N、P、K 这 3 种养分元素中，施氮对提高水稻成熟期干物质量最有效，施磷提升效应次之，钾肥最低，这与各养分元素对产量的效应一致。

3.3 施肥方式与肥料配施对水稻养分吸收利用的影响

合理的施肥方式有利于提高肥料吸收与利用效率，减少肥料用量，降低生产成本，提高作物生产效益［15-17］。研究表明，侧深施氮的植株氮素吸收总量和氮素利用效率显著高于人工撒施，与人工撒施相比，机械侧深施肥下氮肥吸收利用率、氮肥农学效率分别增加 17.91%～54.10% 和 19.61%～37.39%［14，18，19］。本研究结果发现，机械侧深施肥下水稻植株氮素积累量较传统人工撒施低，磷素积累量与之基本一致，钾素积累量显著增加，这与机械侧深施肥条件下单位面积穗数高而单茎氮素浓度较低有关。肥料利用效率方面，机械侧深施肥方式下的水稻N、P、K 肥的农学利用效率和偏生产力以及N、P 肥的生理利用效率均高于传统人工撒施处理，这与前人研究基本一致［18，19］。

研究发现，水稻吸收的氮与磷养分大部分转运到了子粒中，而钾元素则存在于水稻茎秆中［16］。本研究发现，在2 种施肥方式下，N 和P 素在茎秆+叶片和子粒中的积累比例基本为1∶1，茎秆+叶片中略高，但K 素在茎秆+叶片和稻谷中的积累比例为11.5∶1。研究结果还表明，NPK 全素配施下的肥料利用率最高，施氮可以促进水稻对磷和钾的吸收利用，磷肥对水稻氮素吸收和利用的促进效果高于钾肥。

4 小结

与传统人工撒施处理相比，机械侧深施肥可有效提高水稻单位面积有效穗数和成熟期干物质积累量，进而提高稻谷产量。NPK 全施处理下的稻谷产量最高，施氮处理次之，不施氮处理的产量最低，单位面积有效穗数是造成处理间产量差异的主要原因。在养分吸收与利用方面，与传统人工撒施相比，机械侧深施肥有利于水稻对K 的吸收积累，但对N的积累较低，P 积累基本一致，机械侧深施肥下的水稻氮肥、钾肥、磷肥和全素肥料的农学利用效率和偏生产力以及氮肥和磷肥的生理利用效率较高。肥料配施亦对水稻养分吸收利用有显著影响，NPK 全施处理下的水稻氮肥农学利用效率、生理利用效率和偏生产力最高，两元素配施处理中以施氮处理较高，施氮处理的磷肥和钾肥利用效率均高于不施氮处理。综上，机械侧深施肥技术下NPK 全施或氮磷配施可有效协同提高水稻产量和养分利用效率。