水稻機插同步側(cè)深施肥技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用

王曉丹 向鏡 張玉屏 張義凱 王亞梁 陳惠哲

（中國水稻研究所/水稻生物學(xué)國家重點實驗室，杭州310006；*通訊作者：chenhuizhe@163.com）

水稻生產(chǎn)過程中肥料施用不科學(xué)、氮肥施用量大、機械化程度低等問題，嚴(yán)重制約著我國水稻綠色高質(zhì)高效的發(fā)展。目前我國水稻肥料施用方式以速效肥表面撒施、機械撒施+旋耕機翻埋為主，肥料流失嚴(yán)重，并污染稻田環(huán)境，發(fā)展環(huán)境友好及產(chǎn)量兼顧的綠色施肥模式是我國水稻實現(xiàn)綠色減肥增效的關(guān)鍵。水稻機插同步側(cè)深施肥技術(shù)是農(nóng)業(yè)農(nóng)村部確定的重大引領(lǐng)性農(nóng)業(yè)技術(shù)，也是我國現(xiàn)代稻作技術(shù)發(fā)展方向之一。目前日本、韓國等近鄰國家的水稻機插施肥一體化作業(yè)比例高達(dá)50%，而我國尚處于發(fā)展和起步階段。隨著越來越多與現(xiàn)有插秧機配套的側(cè)深施肥裝置研制成功并應(yīng)用于生產(chǎn)，近年來該技術(shù)在我國發(fā)展迅速。本文結(jié)合我國水稻生產(chǎn)實際，從機插側(cè)深施肥的特點及優(yōu)勢、技術(shù)應(yīng)用和存在問題等進(jìn)行了闡述，并提出相應(yīng)的發(fā)展對策。

1 水稻機插側(cè)深施肥的特點及優(yōu)勢

1.1 機插側(cè)深施肥的技術(shù)特點

水稻機插同步側(cè)深施肥技術(shù)在水稻移栽的同時，通過機械將基蘗肥呈條狀集中施在秧苗一側(cè)土壤（離秧苗3.0～5.0 cm，土壤深4.0～5.0 cm）中，可減少肥料與空氣接觸，降低肥料氨揮發(fā)損失，防止肥料流失和保護(hù)環(huán)境，增加作物對養(yǎng)分的吸收利用[1-3]，并有利于提高氮肥利用率及水稻產(chǎn)量，實現(xiàn)減肥增效[4-6]。與肥料傳統(tǒng)人工撒施方式不同，機插側(cè)深施肥是一種典型的針對水稻秧苗根際的不對稱局部施肥，在水稻秧苗一側(cè)是條狀的施肥區(qū)，而另一側(cè)則是無肥區(qū)（圖1），從而會造成對水稻秧苗根系的局部養(yǎng)分供應(yīng)狀況。植物根系存在覓食行為，有研究表明，局部養(yǎng)分供應(yīng)會造成土壤養(yǎng)分不均勻分布，會引起根系間的不對稱性競爭[7]，從而從根系形態(tài)及生理上作出一定程度的響應(yīng)，進(jìn)而影響作物葉片及根系的生長及分布以及生物量的積累，也會對作物的群體產(chǎn)量及結(jié)構(gòu)造成影響[8]。

圖1 水稻機插側(cè)深施肥田間示意圖

1.2 對水稻生長及產(chǎn)量的影響

相比傳統(tǒng)人工撒施，側(cè)深施肥能顯著提高水稻有效穗數(shù)，進(jìn)而提高稻谷產(chǎn)量[9-10]。朱從樺等[11]研究表明，與人工撒施相比，機械側(cè)深施肥處理可實現(xiàn)增產(chǎn)，原因主要是其增加了有效穗數(shù)和穎花總量，且在不同季節(jié)水稻上均表現(xiàn)出該趨勢。在穗分化期和齊穗期，控釋肥結(jié)合機械深施處理的氮素積累量、SPAD 值、干物質(zhì)積累量均顯著增加，認(rèn)為控釋肥結(jié)合機械深施是一種提高機插水稻產(chǎn)量和氮素利用的有效施肥方法。而劉曉偉等[12]研究認(rèn)為，相比表面撒施處理，在稻株間10 cm處根區(qū)一次施氮處理，雖然有效穗數(shù)顯著增加，但千粒重明顯下降，穗粒數(shù)、結(jié)實率和產(chǎn)量無顯著變化。等量施肥條件下，機械側(cè)深施肥有利于水稻返青，促進(jìn)早生快發(fā)，提高成穗率，增加有效穗[13]。ALIMATA 等[14]研究認(rèn)為，與尿素分次撒施，大顆粒尿素緩釋肥深施，可以提高稻草質(zhì)量和地上部干物質(zhì)量。

1.3 對根系生長及土壤微生物的影響

植物根系是水分和養(yǎng)分吸收的主要器官，又是多種激素、有機酸和氨基酸合成的重要場所，其形態(tài)和生理特性與地上部生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)形成有密切關(guān)系[15-16]。側(cè)深施肥是一種對作物秧苗根際的不對稱局部施肥，通過機械將養(yǎng)分精確送達(dá)根區(qū)，局部養(yǎng)分供應(yīng)會造成土壤養(yǎng)分不均勻分布。目前局部養(yǎng)分供應(yīng)對根系的生長影響在玉米等旱地作物上研究較多，認(rèn)為局部養(yǎng)分供應(yīng)有利于玉米根系增生，可促進(jìn)玉米根系形態(tài)的改變，包括根長、側(cè)根密度、細(xì)根比例的增加，其對早期玉米生長及營養(yǎng)吸收的促進(jìn)作用強于后期[17-19]。WANG 等[20]通過蛭石培養(yǎng)實驗，研究旱種條件下NO3-對水稻側(cè)根發(fā)育及其氮吸收的影響，認(rèn)為局部供應(yīng)NO3-能夠促進(jìn)水稻側(cè)根生長，但這與側(cè)深施肥的稻田環(huán)境差異較大。目前我國側(cè)深施肥條件下對水稻根系生長的系統(tǒng)研究相對較少。馬昕等[21]研究認(rèn)為，機械側(cè)深施氮條件下，秧苗機插完成后未明顯變黃，且直接扎根生長，促進(jìn)了返青進(jìn)程，成穗率顯著提高。稻田氮素生物循環(huán)包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用、固氮作用等，參與這些過程需要大量微生物存在，且分布廣泛。段然等[22]研究認(rèn)為，相比常規(guī)施肥，側(cè)深施肥會略微增加硝化潛勢，明顯降低反硝化酶活性，顯著改善土壤氮功能微生物群落結(jié)構(gòu)。

1.4 對肥料利用率的影響

機械側(cè)深施肥通過機械將養(yǎng)分精確送達(dá)根區(qū)，減少了氮素等養(yǎng)分損失，促進(jìn)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，大部分會通過揮發(fā)、徑流、滲漏損失掉。側(cè)深施肥主要通過減少徑流、滲漏、揮發(fā)損失量，增加或降低土壤氮代謝酶活性，促進(jìn)氮代謝微生物的生長，提高肥料氮的利用效率[2]。朱從樺等[6]研究認(rèn)為，與人工撒施相比，機械側(cè)深施可以顯著提高氮肥利用率，齊穗至成熟期控釋尿素機械側(cè)深施處理的莖葉鞘氮素積累量和莖葉氮素表觀轉(zhuǎn)移量均顯著高于尿素撒施、尿素機械側(cè)深施、控釋尿素撒施等處理。LIU 等[12]研究表明，免耕條件下，氮肥側(cè)深施用處理田面水中NH4+-N 濃度降低29.0%～98.0%，NH3累計揮發(fā)量減少15.0%～45.0%[26]；將常規(guī)分次施氮改為根下偏5 cm、深10 cm根區(qū)一次施氮，可以延長肥料養(yǎng)分在土壤中的貯存時間，提高耕層土壤速效氮的養(yǎng)分含量，增加水稻對肥料氮的吸收和利用，降低了氮肥當(dāng)季損失量。綜合研究表明，控釋肥與側(cè)深施肥方法結(jié)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產(chǎn)量，實現(xiàn)減肥增產(chǎn)。

2 水稻機插同步側(cè)深施肥技術(shù)的生產(chǎn)應(yīng)用

2.1 機械施肥裝置

側(cè)深施肥機械裝備是水稻機插同步側(cè)深施肥技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。隨著近年來機械側(cè)深施肥技術(shù)的發(fā)展，一些在華國外知名農(nóng)機企業(yè)和國內(nèi)農(nóng)機生產(chǎn)廠家強化水稻側(cè)深施肥裝置研發(fā)，陸續(xù)研制出與水稻插秧機配套的氣吹風(fēng)送式、螺桿推送式等側(cè)深施肥裝置，有力推動水稻機插側(cè)深施肥技術(shù)推廣。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全國生產(chǎn)水稻側(cè)深施肥裝置的企業(yè)有36 家（包括國外在華企業(yè)），機型達(dá)到50 余個?，F(xiàn)有的插秧施肥機械的排肥方式主要有螺旋推進(jìn)式和風(fēng)送式兩種，其中風(fēng)送式機械對肥料表面性能要求較低，一般普通的復(fù)合肥也可應(yīng)用，但容易堵塞，造成排肥不暢；而螺旋式施肥機主動排肥能力強，對肥料表面物理性能特別是抗壓耐碎性能要求高[27-28]。根據(jù)相關(guān)部門對側(cè)深施肥機械的各行排肥一致性、總排肥量穩(wěn)定性和施肥均勻性變異系數(shù)等3 項關(guān)鍵指標(biāo)測定，目前市場上的水稻側(cè)深施肥裝置主要機型的技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)基本能滿足農(nóng)業(yè)農(nóng)村部DG/T 105-2019《水稻側(cè)深施肥裝置》規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)要求。

2.2 肥料類型及特性

不是所用的肥料都適合機械深施，選擇適合肥料是該技術(shù)取得成功的關(guān)鍵。適用機插側(cè)深施肥的肥料應(yīng)具備以下特點：①氮磷鉀復(fù)合，養(yǎng)分比例合理；②成分穩(wěn)定，顆粒均勻一致，表面抗壓好；③肥料吸水性穩(wěn)定，前期不能吸水過多，堵塞排肥口。為減少施肥次數(shù)，機插同步側(cè)深施肥一般采用緩控釋肥料為主。緩控釋肥是一種采用天然或半天然高分子材料進(jìn)行包膜的肥料，形成分子網(wǎng)格吸附和固定氮素，減緩或控制肥料氮釋放速率，使肥料氮釋放量和釋放速率與水稻養(yǎng)分需求吻合，以減少氮素?fù)p失，提高肥料氮利用率和水稻產(chǎn)量，還適宜于一次性基施，減少施肥用工[29-31]?？蒯尫逝c側(cè)深施肥方法結(jié)合是降低施肥作業(yè)成本、提高稻谷產(chǎn)量、增加水稻生產(chǎn)效益的關(guān)鍵。

氮磷鉀的營養(yǎng)成份和肥料粒徑是肥料選擇的重要指標(biāo)。氮磷鉀等主要營養(yǎng)成份的合理比例，可以大幅減少人工施肥的次數(shù)及用工成本，與機插側(cè)深施肥的水稻產(chǎn)量也有密切關(guān)系；另外，一般機械裝備施肥所用肥料的粒徑要求在2～5 mm，合理粒徑是保障機插同步側(cè)深施肥順暢排肥、實現(xiàn)精確施肥的重要保證。目前從市場中收集了緩控釋肥、水稻專用肥、復(fù)合肥、摻混肥料和控釋尿素等主流顆粒肥料10 余種，研究分析了相關(guān)肥料的粒徑特性（表1），結(jié)果表明，所收集的肥料平均粒徑在3～4 mm 范圍內(nèi)。我國水稻機插期間常遇陰雨天氣，高濕多雨，肥料穩(wěn)定性是水稻機械施肥的重要保障。對所采集的肥料在25℃、90%濕度條件下放置6 h、12 h 和24 h 后，測定肥料的吸水率，結(jié)果表明，參試的肥料穩(wěn)定性最好的是“心連心”控釋尿素，基本不吸水；“易邁施”“茂施”“雅苒YARA”“萬里神農(nóng)”“沃夫特智膜星”“中化福萬農(nóng)”“臺灣青上宜成”“遼寧津大盛源”等在24 h 吸水率均在8%以下，相對比較穩(wěn)定。

表1 部分顆粒肥料的營養(yǎng)含量及不同粒徑比例

2.3 施肥模式

傳統(tǒng)水稻施肥模式一般按基肥、分蘗肥、穗肥3～4次施，其中穗肥又分促花肥和保花肥2 次施用。機插側(cè)深施肥由于采用緩控釋肥和深埋條施，可減少施肥次數(shù)和施肥用工，目前主流的施肥模式有“一次性機械深施”和“一機一追”2 種?！耙淮涡詸C械深施”是將水稻所需要養(yǎng)分在機插時一次性施入稻田土壤，該模式節(jié)省用工；“一機一追”是將水稻所需要的傳統(tǒng)基肥和分蘗肥在機插時合并施入稻田土壤，并根據(jù)水稻生長情況結(jié)合人工撒施一次追肥。根據(jù)近年試驗結(jié)果，具體采用哪種施肥模式應(yīng)根據(jù)水稻季節(jié)、品種類型確定，對雙季稻或生育期短的單季常規(guī)稻，采用一次性機械施肥與多次施肥模式的產(chǎn)量差異不明顯，可以一次性機械側(cè)深施肥，這與雙季稻高產(chǎn)以追求穗數(shù)吻合；而對生育期較長單季稻，如秈粳雜交稻生育期長達(dá)140～165 d，且植株的生長量大，水稻生長所需要的氮磷鉀養(yǎng)分需求量大，一次性機械施肥往往會影響產(chǎn)量，建議以“一機一追”的施肥模式較好，其中追肥施用時期以穗分化期較為合適，這也與單季秈粳雜交稻主攻大穗和提高結(jié)實率相吻合[32]。根據(jù)2019 年在浙江蕭山、海鹽、嘉善、江山、仙居等縣市8 個單季稻試驗示范，在相同肥料類型及施肥量條件下，“一機一追”和“一次性機械深施”的平均水稻產(chǎn)量分別達(dá)9 817.4 kg/hm2和9 466.7 kg/hm2，分別比手工撒施處理增產(chǎn)513.0 kg/hm2和162.3 kg/hm2，增產(chǎn)幅度為5.51%和1.74%，參加試驗示范點中，“一機一追”處理增產(chǎn)、平產(chǎn)和減產(chǎn)的比例分別為63.6%、18.2%和18.2%，而“一次性機械深施”則只有28.6%增產(chǎn)，減產(chǎn)比例達(dá)57.1%（圖2）。

圖2 單季稻機插深施肥不同模式對產(chǎn)量的影響

3 機插側(cè)深施肥存在的問題及技術(shù)對策

3.1 施肥效果

由于機械施肥裝置對肥料及田塊作業(yè)的不配套，預(yù)設(shè)施肥量和實際施肥量往往存在著較大的誤差，機插施肥作業(yè)過程施肥量難以精確把握，同時，用戶調(diào)查中普遍反映存在堵塞漏施現(xiàn)象，因此，進(jìn)一步發(fā)揮機械高效精準(zhǔn)施肥優(yōu)勢，提高施肥效果是當(dāng)前機插側(cè)深施肥面臨的關(guān)鍵難題。另外，機插側(cè)深施肥效果不理想還包括田間作業(yè)時各行間施肥量不一致，會導(dǎo)致田間水稻長勢不一。田間作業(yè)時，施肥裝置器、肥料種類、機插速度、稻田土壤、天氣等都可能影響排肥量，其中，各行間施肥量不一致主要由施肥機械導(dǎo)致，通過機械裝置的改進(jìn)可以解決；同時，側(cè)深施肥裝置對使用的肥料有要求，一般要求其含水率低于12%、顆粒直徑在2～5 mm 之間且顆粒不互相粘結(jié)，只有滿足這些條件，側(cè)深施肥裝置才能保證正常運行，不出現(xiàn)堵肥漏施現(xiàn)象。因此，機插側(cè)深施肥作業(yè)時應(yīng)選擇合格的機械裝備、粒徑形態(tài)大小及穩(wěn)定性好的肥料，同時，機插作業(yè)前，根據(jù)機插速度、稻田土壤、天氣等因素調(diào)節(jié)施肥量，保證各條間排肥量均勻一致，降低預(yù)設(shè)施肥量和實際施肥量誤差，實現(xiàn)水稻高效精準(zhǔn)施肥。

圖3 機插深施肥減肥對水稻產(chǎn)量的影響

3.2 施肥成本

機械側(cè)深施肥實現(xiàn)精確定位施肥，將養(yǎng)分精確送達(dá)根區(qū)，有利于降低人工施肥次數(shù)及用工成本，促進(jìn)稻株吸收氮素，提高氮肥利用率和產(chǎn)量，但通常緩控釋肥成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通復(fù)合肥和尿素等速效肥料，根據(jù)不完全統(tǒng)計，一般緩控釋肥每667 m2的肥料成本要比速效肥高30～50 元，這嚴(yán)重影響了農(nóng)戶對該技術(shù)的認(rèn)可及應(yīng)用。因此，發(fā)揮側(cè)深施肥的優(yōu)勢，在不影響產(chǎn)量的前提下，通過減肥減氮，降低施肥成本，并研發(fā)適合一次性施肥的緩控釋肥料，降低施肥作業(yè)成本，提高稻谷產(chǎn)量來增加產(chǎn)值，最終增加水稻種植收益[33]。在浙江省各示范實施縣的單季稻試驗示范表明，與常規(guī)施肥處理比較，2019 年，減氮10%和減氮20%的機插側(cè)深施肥處理平均產(chǎn)量分別達(dá)9 817.4 kg/hm2和9 726.9 kg/hm2，比常規(guī)施肥處理分別增產(chǎn)4.09%和3.13%，在各試驗示范點中，減氮10%處理的增產(chǎn)、減產(chǎn)的比例分別為85.7%和14.3%，減氮20%處理的增產(chǎn)、減產(chǎn)的比例分別為57.1%和42.9%（圖3），表明機插側(cè)深施肥不僅減少人工施肥用工，通過合理減肥，控制用肥成本完全是可行的。

3.3 稻田管理

傳統(tǒng)水稻生產(chǎn)上通常在機插后結(jié)合施分蘗肥拌除草劑，可起到較好的稻田除草效果。機插側(cè)深施肥的“一機一追”和“一次性機械施肥”模式，往往省略了分蘗肥施用環(huán)節(jié)，也使稻田雜草防控成為問題。在雙季稻生產(chǎn)上，采用“一機一追”施肥模式，結(jié)合機插側(cè)深施肥，可將尿素等速效肥提前至分蘗期追施，結(jié)合使用除草劑，這樣即可控制雜草，又促進(jìn)雙季稻分蘗早發(fā)，提高有效穗數(shù)，實現(xiàn)高產(chǎn)高效；另外，通過研發(fā)除草、施肥、機插同步的一體化作業(yè)技術(shù)，既能解決除草問題，又可大幅度提高稻作效率。針對側(cè)深施肥機械作業(yè)下稻田局部肥料漏施，還需要機插作業(yè)前制定合理行走路線及行走方向，選擇下田位置，盡量減少空駛和人工補苗作業(yè)量，同時，對田間漏施的秧苗局部適時追肥，保證水稻長勢平衡。機插同步側(cè)深施肥是綠色節(jié)肥高效的一項水稻生產(chǎn)新技術(shù)，需通過進(jìn)一步加強稻田整地、水分管理等作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)揮水稻根際調(diào)控作用[34]，提高肥料利用率，促進(jìn)技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用。