水稻機(jī)插緩混一次施肥技術(shù)的研發(fā)與示范

丁艷鋒 李剛?cè)A 李偉瑋 高深 汪瑜輝 劉正輝 陳琳 丁承強(qiáng) 唐設(shè) 江瑜

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)/江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方作物生理生態(tài)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，南京210095；第一作者：dingyf@njau.edu.cn）

全球約有50%的人口以稻米為主食，施肥量的增加為水稻產(chǎn)量的提高作出了重要貢獻(xiàn)[1]。然而在我國(guó)水稻生產(chǎn)中，氮肥過(guò)量使用，一些地方的施氮量高達(dá)300 kg/hm2以上[2]。這不僅使我國(guó)水稻的平均氮素利用率處于世界低水平（30%左右），還使環(huán)境污染問(wèn)題加重[3-4]。另外，水稻生產(chǎn)的耕種及收獲機(jī)械化已較成熟，然而施肥環(huán)節(jié)普遍采用人工撒施，并需要多次追肥，需要大量勞動(dòng)力，而目前農(nóng)村勞動(dòng)力也很緊缺，影響了水稻生產(chǎn)的效率和效益。

為解決上述問(wèn)題，我國(guó)從20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始引進(jìn)創(chuàng)新機(jī)械側(cè)深施肥技術(shù)，尤其近年來(lái)隨著施肥機(jī)械研制水平的提高，水稻機(jī)械側(cè)深施肥技術(shù)正逐步發(fā)展為當(dāng)下受歡迎的施肥技術(shù)，提高了水稻施肥的機(jī)械化水平，解放了勞動(dòng)力，也提高了氮肥利用率[5]。為提高機(jī)插側(cè)深施肥的效果，研究者嘗試應(yīng)用施用緩控釋肥等新型肥料。與速效化肥相比，施用緩控釋肥可以協(xié)調(diào)肥料養(yǎng)分釋放與作物養(yǎng)分吸收，有助于提高氮肥利用率又可減少用工和環(huán)境污染[6-7]。當(dāng)前水稻生產(chǎn)中應(yīng)用較多的緩控釋肥為包膜控釋氮肥，如硫包衣尿素、樹(shù)脂包衣尿素等。

但是，單一類(lèi)型緩控氮肥的養(yǎng)分供應(yīng)模式往往不能滿(mǎn)足水稻整個(gè)生育期的需肥，仍然需要多次施肥，而且穗肥的施用方法缺乏針對(duì)性。為此，筆者團(tuán)隊(duì)前期通過(guò)協(xié)調(diào)各肥料的氮素釋放高峰，組配出一種氮素釋放周期與水稻需肥規(guī)律更吻合的新型緩混肥[8]，結(jié)合機(jī)械側(cè)深施肥技術(shù)和穗肥葉色診斷技術(shù)，開(kāi)展了長(zhǎng)期多點(diǎn)的試驗(yàn)[9-15]，創(chuàng)新出了“水稻機(jī)插緩混一次施肥技術(shù)”。

經(jīng)過(guò)近10 年的試驗(yàn)研究，該技術(shù)逐步熟化，并在江蘇省和安徽省多個(gè)市、區(qū)、縣推廣應(yīng)用。試驗(yàn)示范結(jié)果表明，該項(xiàng)技術(shù)可在節(jié)約肥料20%～30%的前提下，保證水稻產(chǎn)量，提高氮肥利用率15 個(gè)百分點(diǎn)以上，減少施肥用工3～4 次，提升食味品質(zhì)5%以上，實(shí)現(xiàn)了減肥、節(jié)本、綠色、高效。已被列為農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2020 年十大引領(lǐng)性技術(shù)和江蘇省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳2020 年主推技術(shù)。本文介紹該技術(shù)的定義和思路、技術(shù)關(guān)鍵和技術(shù)效果，闡述存在的問(wèn)題，提出進(jìn)一步優(yōu)化水稻綠色高效施肥的思路和建議，以推進(jìn)水稻輕簡(jiǎn)化栽培的進(jìn)程，加快我國(guó)稻米產(chǎn)業(yè)優(yōu)質(zhì)高效發(fā)展。

1 水稻機(jī)插緩混一次施肥技術(shù)定義與思路

機(jī)插水稻常規(guī)施肥方法需要施用基肥、1～2 次分蘗肥、1～2 次穗肥。高產(chǎn)水稻的“二黃二黑”就是根據(jù)水稻精確定量栽培技術(shù)基本原理[16]，提出在有效分蘗期需要氮素營(yíng)養(yǎng)較高，葉色顯“黑”，提高有效分蘗發(fā)生率；無(wú)效分蘗期植株缺氮，葉色顯“黃”，控制無(wú)效分蘗發(fā)生，并降低基本葉片和節(jié)間長(zhǎng)度；幼穗分化期，逐步恢復(fù)氮的供應(yīng)，葉色“漸變黑”，攻大穗；抽穗之后植株維持較長(zhǎng)時(shí)間的氮含量，葉色“漸變黃”，延長(zhǎng)灌漿期。

水稻機(jī)插緩混一次施肥技術(shù)是以水稻機(jī)插側(cè)深施肥和專(zhuān)用緩混肥為核心，結(jié)合穗肥精確診斷，達(dá)到水稻“一次輕簡(jiǎn)施肥、一生精準(zhǔn)供肥”的技術(shù)效果，實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效和生態(tài)為綜合目標(biāo)的輕簡(jiǎn)高效管理技術(shù)（圖1）。

該技術(shù)思路是通過(guò)水稻機(jī)插側(cè)深施用水稻專(zhuān)用緩混肥，達(dá)到水稻常規(guī)分次施肥的“二黃二黑”效果，并根據(jù)幼穗分化期水稻的葉色實(shí)際狀態(tài)，針對(duì)示范補(bǔ)施一次穗肥（圖1）。該技術(shù)契合了由國(guó)際植物營(yíng)養(yǎng)研究所和國(guó)際肥料工業(yè)協(xié)會(huì)提出的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的“4R養(yǎng)分管理”理念，即選擇正確的肥料品種（Right source）、采用正確的肥料用量（Right rate）、在正確的時(shí)間（Right time）將肥料施用在正確的位置上（Right place）[17]。

圖1 水稻機(jī)插緩混一次施肥技術(shù)示意圖

2 水稻機(jī)插緩混一次施肥關(guān)鍵技術(shù)

2.1 核心技術(shù)

2.1.1 側(cè)深施肥技術(shù)

施肥方式不合理是導(dǎo)致肥料損失及利用率降低的重要原因。目前，我國(guó)水稻的肥料施用普遍采用人工撒施的方式，通過(guò)將肥料深翻或泡田耕地后施肥的形式，將肥料施入土壤中[18]。該種措施不僅需要的肥料量大，還可能會(huì)使肥料在土壤中分布不均，從而影響水稻養(yǎng)分吸收及生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致產(chǎn)量降低和氮肥利用率下降。

側(cè)深施肥技術(shù)是在機(jī)械插秧的同時(shí)，將肥料定位、定量、均勻的一次性施用于水稻根際的一種方法。該技術(shù)考慮到了作物根系的分布狀況，將肥料盡可能施用在作物根系的主要分布范圍內(nèi)，使作物根系易于吸收。相對(duì)于傳統(tǒng)施肥方式，側(cè)深施肥技術(shù)同步機(jī)械插秧和側(cè)深施肥，可有效節(jié)省人力物力，有助于節(jié)約肥料用量，提升插秧施肥的經(jīng)濟(jì)性和機(jī)械化水平[12，19-20]。

側(cè)深施肥技術(shù)的關(guān)鍵包括幾個(gè)方面。一是施肥位置位于秧苗一側(cè)3.0～5.0 cm 處，施肥深度4.0～5.0 cm。在秧苗附近施肥可以使肥料快速被植株吸收，并且肥料深施可以減少肥料損失，提高肥料利用率。但也并不是施肥深度越深效果越好。我們對(duì)比了側(cè)深施肥深度為5 cm 和10 cm 時(shí)的水稻產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)二者之間的產(chǎn)量無(wú)顯著差異，但前者高于后者。此外，施肥深度為10 cm 時(shí)，會(huì)有秸稈堆積、飄秧現(xiàn)象發(fā)生，風(fēng)險(xiǎn)增加。二是選擇氣吹插秧機(jī)。氣吹式插秧側(cè)深施肥一體化機(jī)主要是通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)吹風(fēng)將肥料吹至施肥點(diǎn)，大部分機(jī)械同時(shí)帶有覆土蓋肥功能[20]。三是由于側(cè)深施肥增加了插秧機(jī)的負(fù)荷，使用大功率柴油機(jī)作為該種插秧機(jī)的配套動(dòng)力。

2.1.2 緩混肥料的篩選

本團(tuán)隊(duì)前期的試驗(yàn)結(jié)果表明，單一肥料的稻田氮養(yǎng)分釋放一般呈單一峰值的“S”或“J”型模式，無(wú)法做到多次釋放，無(wú)法滿(mǎn)足水稻全生育期的需求[12-14]，主要表現(xiàn)為：硫包衣尿素、腐殖酸釋放偏前期，后期不足；樹(shù)脂包衣尿素、脲甲醛釋放偏后期，前期不足。因此，我們根據(jù)水稻的“雙峰”需肥規(guī)律，將不同釋放模式的肥料進(jìn)行組配得到一種新型的緩混肥。該肥料可以滿(mǎn)足高產(chǎn)水稻葉色雙峰曲線(xiàn)。多點(diǎn)對(duì)比試驗(yàn)也表明，緩混一次施肥減少氮肥25%～30%情況下，90%試驗(yàn)點(diǎn)表現(xiàn)增產(chǎn)，平均增產(chǎn)率為5.6%，單一的硫包衣尿素70%的試驗(yàn)點(diǎn)減產(chǎn)，而樹(shù)脂包衣尿素高于80%的試驗(yàn)點(diǎn)減產(chǎn)。因此，機(jī)插緩混一次施肥技術(shù)可以達(dá)到“一次輕簡(jiǎn)施肥、一生精準(zhǔn)供肥”，最關(guān)鍵是得益于肥料的選用，其主要原則是需要滿(mǎn)足水稻的需肥規(guī)律。水稻的氮肥吸收具有明顯的階段性特點(diǎn)，一般呈雙峰性，分蘗期和拔節(jié)-抽穗期的吸氮量較高。

由于是一次性施肥，肥料的選用還需要保證氮、磷、鉀肥配比科學(xué)。在所選肥料的物理性質(zhì)上還要滿(mǎn)足：硬度適宜，符合機(jī)械施肥強(qiáng)度要求；粒型整齊、均勻，一般選擇粒徑為2～5 mm 的圓粒型，要避免肥料顆粒大小、密度等不一致導(dǎo)致的肥料在施肥箱內(nèi)出現(xiàn)分層現(xiàn)象從而影響施肥效果；較低的吸濕性，防止肥料遇水后造成肥管堵塞和肥料粘結(jié)導(dǎo)致的施肥不均勻。

2.1.3 穗肥診斷技術(shù)

由于生態(tài)、氣候、土壤的差異，機(jī)插緩混一次性施肥可能存在總肥量偏少的問(wèn)題，需要在倒3 葉期通過(guò)葉色診斷來(lái)判斷是否追施1 次穗肥。本團(tuán)隊(duì)前期關(guān)于水稻葉色研究表明，頂4＜頂3、頂4=頂3 和頂4＞頂3三種葉色差，分別是氮素不足、正常和過(guò)剩的生理反映，頂4=頂3 的葉片含氮率在2.5%左右，明確了水稻“頂3 頂4 葉色差”可作為稻株氮素營(yíng)養(yǎng)診斷的統(tǒng)一指標(biāo)[21]。不同穗肥水平下，研究倒3 葉期頂3 和頂4 葉色差與產(chǎn)量之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，頂4=頂3 的群體均可以獲得最高的產(chǎn)量，進(jìn)而建立了水稻看“頂3 頂4 葉色差”作為是否施穗肥的統(tǒng)一指標(biāo)[22]。

葉色診斷的標(biāo)準(zhǔn)為：若葉色正?；蚱?，即頂3 葉葉色≤頂4 葉葉色，則無(wú)需施肥；若葉色偏淡，即頂3葉葉色＞頂4 葉葉色（圖2），則根據(jù)水稻類(lèi)型選擇不同施肥量，通常情況下常規(guī)粳稻施尿素10 kg/667 m2、雜交稻施尿素5 kg/667 m2，但若追求優(yōu)質(zhì)，可以選擇不施穗肥。

圖2 水稻穗肥施用診斷圖

2.2 配套技術(shù)

2.2.1 精細(xì)整地技術(shù)

水稻機(jī)插緩混一次施肥技術(shù)的良好實(shí)施必須以較好的整地條件為基礎(chǔ)，包括足夠的耕深、平整的地表和適合的田面水層。秸稈還田全面推行的情況下，建議秸稈切碎至5 cm 左右。土地耕整時(shí)間一般要求沙質(zhì)土移栽前1～2 d 耕整，壤土移栽前2～3 d 耕整，粘土移栽前3～4 d 耕整；耕整機(jī)械作業(yè)深度15～20 cm。整地標(biāo)準(zhǔn)是要保證田面平整，田塊內(nèi)高低落差不大于3 cm。插秧前需沉淀泥漿，達(dá)到泥水分清、沉淀不板結(jié)、水清不渾濁，田面水深1～3 cm。

2.2.2 壯秧培育技術(shù)

選擇合適的秧苗是影響機(jī)插秧質(zhì)量和效率的一個(gè)重要因素。目前機(jī)插育秧方法普遍采用的是漫灌濕潤(rùn)育秧方式，該方式除了工序繁瑣、管理費(fèi)工費(fèi)時(shí)外，還會(huì)出現(xiàn)由于秧板或秧田平整度不夠?qū)е碌难砻缟L(zhǎng)參差不齊等現(xiàn)象，秧苗素質(zhì)難以保持一致[23]。最終機(jī)插時(shí)易出現(xiàn)斷苗、缺苗現(xiàn)象，影響機(jī)插效果。旱地硬盤(pán)微噴灌育秧技術(shù)發(fā)展迅速，灌溉效果好，育出的秧苗素質(zhì)高，秧苗整齊度高，根系發(fā)達(dá)、盤(pán)結(jié)緊密，秧毯與插秧機(jī)的兼容性好，同時(shí)符合水稻生產(chǎn)省力簡(jiǎn)化、節(jié)本增效發(fā)展的要求[23-25]。因此，采用機(jī)插緩混一次施肥技術(shù)時(shí)推薦采用旱地微噴育秧技術(shù)培育機(jī)插均勻壯秧。

2.2.3 精確灌溉技術(shù)

稻田的水分定量調(diào)控不僅可以節(jié)約用水和提高水分利用效率，而且可以較常規(guī)灌溉（以水層灌溉為主，中期擱田，收獲前1 周斷水）顯著提高產(chǎn)量和改善稻米品質(zhì)[26]?？茖W(xué)的節(jié)水灌溉模式應(yīng)該滿(mǎn)足水稻各生育時(shí)期的生理生態(tài)需水規(guī)律，即，分蘗期淺水層，無(wú)效分蘗期重?cái)R田以控制無(wú)效分蘗，長(zhǎng)穗和結(jié)實(shí)期濕潤(rùn)灌溉全面提高群體質(zhì)量、增強(qiáng)結(jié)實(shí)期群體光合生產(chǎn)率[27]。機(jī)插水稻精確灌溉技術(shù)要點(diǎn)如下：（1）移栽返青活棵期濕潤(rùn)灌溉，秸稈還田田塊注意栽后露田，小苗移栽后初期斷水露田的次數(shù)稍多些；（2）無(wú)效分蘗期至拔節(jié)初期及時(shí)擱田，且斷水?dāng)R田必須在無(wú)效分蘗發(fā)生前2 個(gè)葉齡開(kāi)始實(shí)施。以土壤板實(shí)有裂縫且行走不陷腳、植株葉色褪淡“落黃”作為擱田標(biāo)準(zhǔn)[16，27]；（3）拔節(jié)至成熟期干濕交替，保證田間基本無(wú)水層，保持濕潤(rùn)狀態(tài)。穗分化開(kāi)始后，每次灌2～3 cm 水層后，落干保持3～4 d 濕潤(rùn)，如此周而復(fù)始，直至成熟。這種方式可以同時(shí)滿(mǎn)足這一時(shí)期水稻地上和地下的需水要求，有利于促進(jìn)大穗形成，提高結(jié)實(shí)率和粒重[27]。

3 水稻機(jī)插緩混一次施肥技術(shù)效果

為驗(yàn)證水稻機(jī)插緩混一次施肥技術(shù)的效果，本團(tuán)隊(duì)于2017、2018 和2019 年分別在江蘇省11、19 和22個(gè)縣、市布設(shè)了大田對(duì)比試驗(yàn)，處理為：（1）常規(guī)分次施尿素（CK），其中總施氮量依據(jù)各地條件按精確定量栽培技術(shù)原理計(jì)算得出，分4 次施用，即基肥、分蘗肥、促花肥和?；ǚ剩壤秊?∶2∶3∶2；（2）機(jī)插緩混一次施肥技術(shù)（BBF），總施氮量為CK 的75%，一次性基施。同一地區(qū)的2 個(gè)處理磷、鉀肥用量相同。試驗(yàn)結(jié)果如下。

3.1 增產(chǎn)

2017—2019 年的水稻產(chǎn)量結(jié)果表明，與CK 相比，BBF 在減氮25%條件下，水稻產(chǎn)量仍表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，3 年增產(chǎn)分別達(dá)6.8%、6.2%和11.1%（圖3）。

3.2 品質(zhì)提升

2018 和2019 年的結(jié)果表明，BBF 較CK 可以促進(jìn)水稻籽粒品質(zhì)的提升（圖4）。具體表現(xiàn)為：堊白率降低0.6%～7.1%，堊白度降低3.1%～12.7%，精米率提高0.6%～1.0%，食味值提高7.5%～8.3%。

圖3 水稻常規(guī)分次施肥與機(jī)插緩混一次性施肥技術(shù)產(chǎn)量比較

圖4 水稻常規(guī)分次施肥與機(jī)插緩混一次性施肥技術(shù)籽粒品質(zhì)比較

3.3 氮肥利用率和經(jīng)濟(jì)效益提高

BBF 減少了氮肥施用量，增加了水稻產(chǎn)量，氮肥利用率顯著提高，高于CK 15 個(gè)百分點(diǎn)以上。同時(shí)，由于施肥總量減少25%，施肥次數(shù)減少3～4 次，因此，在當(dāng)前緩混肥價(jià)格高于普通尿素的情況下，BBF 仍可以節(jié)本增效60 元/667 m2以上。

3.4 環(huán)境友好

我們已發(fā)表的數(shù)據(jù)表明，相比于CK，BBF 還可以減少稻田肥料氮素流失[19]，降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[11-13,15]。一方面減少氨揮發(fā)的高峰次數(shù)，使稻田總氨揮發(fā)損失減少50%，另一方面顯著降低移栽至分蘗期和抽穗至灌漿期的氮淋溶量，總氮淋溶損失減少40%。

4 展望

機(jī)插緩混一次施肥技術(shù)在保證水稻產(chǎn)量的前提下能減少肥料用量和施肥次數(shù)，降低投入成本，提升籽粒品質(zhì)，顯著提高氮肥利用率，降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，較常規(guī)施肥有更高的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。該技術(shù)的推廣應(yīng)用有助于加快水稻生產(chǎn)中的機(jī)械化、規(guī)?；M(jìn)程。同時(shí)，有以下幾方面需要加強(qiáng)。

4.1 適應(yīng)不同類(lèi)型水稻緩混肥的研發(fā)及其機(jī)理研究

水稻緩混肥的理念是一次施肥后能滿(mǎn)足水稻一生的需求，對(duì)于不同生育期類(lèi)型、不同溫光地區(qū)，理想的緩混肥類(lèi)型是有差異的。研究不同類(lèi)型地區(qū)、不同類(lèi)型水稻品種高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)吸肥規(guī)律，研發(fā)配套的緩混肥，對(duì)提高技術(shù)的精準(zhǔn)度非常關(guān)鍵。

4.2 配套側(cè)深施肥機(jī)械和技術(shù)的研究

當(dāng)前側(cè)深施肥技術(shù)最大的問(wèn)題是作業(yè)效率降低。短期內(nèi)對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行培訓(xùn)，提高熟練程度，可以顯著提高作業(yè)效率。長(zhǎng)期需要專(zhuān)用高效機(jī)具，以及針對(duì)不同類(lèi)型土壤的作業(yè)技術(shù)的研發(fā)。

4.3 穗肥診斷機(jī)理與技術(shù)研究

穗肥的葉色診斷為精確施肥提供了方便的技術(shù)。但緩混肥的釋放規(guī)律與常規(guī)肥料不同，存在延后的現(xiàn)象。因此，針對(duì)緩混一次施肥技術(shù)的穗肥葉色診斷技術(shù)研究就顯得緊迫而重要。