機械側深施肥下水稻產量和肥料利用效率研究

陸 雨，徐南清，段建設，朱紅英，洪 果，凌 冬，鄭冬曉，滿建國

（1.華中農業大學植物科學技術學院，農業農村部長江中游作物生理生態與耕作重點實驗室，武漢 430070；2.襄州區農業技術推廣中心，湖北 襄陽 441104；3.襄陽市農業科學院，湖北 襄陽 441104）

水稻是中國第一大糧食作物，約占糧食總產量的40%［1］。施肥是水稻生產過程中的一個重要環節，對于保障水稻產量至關重要。當前稻田肥料施用方式主要為人工撒施和機械撒施，但這2 種方式均會通過氨揮發和徑流的方式導致稻田肥料損失。水稻側深施肥技術是在插秧機插秧的同時將肥料同步施在稻株根側3 cm、深度5 cm 處，是一項與培肥地力、培育壯苗、灌水管理、肥料選用、病蟲防治、機械選用等單項技術綜合組裝配套的栽培體系，是減肥、省力、節本、增效的一項技術措施。2018 年，農業農村部在黑龍江建三江舉辦全國水稻機械插秧同步側深施肥技術集成示范活動，展示示范水稻機插秧同步側深施肥技術應用成果，被農業農村部正式確定為十大重大引領性農業技術［2］。與傳統撒施相比，該技術有利于水稻根部吸收肥料，極大程度提高肥料利用率［3，4］。耿輝輝等［5］研究表明，側深施肥有利于水稻的低位分蘗成穗，成穗率可提高7.4%，每穗粒數增加11 粒，可顯著提高產量。學者對水稻側深施肥進行了大量研究，但關于側深施肥下水稻分別對氮、磷、鉀等主要養分的吸收利用仍不明確，而這對于協同提高水稻產量和資源利用效率至關重要。

本研究通過設置人工撒施和機械側深施肥2 種施肥方式，結合不同肥料處理，探究2 種施肥模式下水稻產量和對氮、磷、鉀等養分的吸收利用差異，以期為進一步協同提升水稻產量和資源利用效率提供理論支持，為進一步推廣側深施肥技術提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020 年水稻季在湖北省襄陽市襄州區張集鎮何崗村（N32°4′40″；E112°13′3″）進行。前茬作物為小麥。試驗點土壤基本理化性狀見表1，2 種施肥模式下的土壤養分基本一致。

表1 試驗土壤基本理化性狀

1.2 試驗設計

供試水稻品種為粵禾絲苗，移栽密度為22.5×104株/hm2，2020 年 5 月 12 日播種，6 月 4 日移栽，全部機械移栽，株行距為13 cm×30 cm。

試驗采用裂區設計，主區為施肥方式處理，分為機械側深施肥（S）和傳統人工撒施（C）；副區為肥料配施處理，共5 個水平：全生育期不施肥（CK），氮磷鉀全施（NPK），磷鉀配施（PKN0），氮鉀配施（NKP0）、氮磷配施（NPK0），各處理肥料施用量見表2。為更好地展現機械側深施肥效果，本研究的機械側深施肥小區面積為70 m2，人工撒施部分為保證肥料施用均勻，在20 m2的小區進行。各處理3 次重復，完全隨機排列，小區間設置隔離，小區外設置保護區。

表2 各處理肥料施用量

本研究氮肥來源尿素（含N 46%）、磷肥來源過磷酸鈣（含P2O512%），鉀肥來源氯化鉀（含K2O 60%）。氮肥施用分為基施和追施，追施在水稻幼穗分化始期（PI 期）施用，基追比為7∶3。磷肥和鉀肥均為一次性基施。側深施肥小區基施肥料采用機械施肥，肥料施用與秧苗移栽同期進行，在幼穗分化始期進行人工撒施追肥；人工撒施小區肥料在移栽前一天均勻撒于各小區內。

田間各小區均筑埂，并采取黑色薄膜覆蓋以保證各小區單排單灌，避免串排串灌。水稻于2020 年9 月25 日左右收獲。除施肥外，各小區其他田間管理措施均與本地高產田管理措施一致。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 成熟期干物質量 于成熟期，各小區分別取6 蔸具有代表性的樣品，去掉根和其余雜質，按照莖稈+葉鞘、葉片和穗分開，放于80 ℃烘箱中烘干至恒重，稱量，記錄各器官干物重，干樣放于密封塑料袋中保存，用于后期測定氮素積累。

1.3.2 產量及其構成因子 于成熟期，在各小區中間選取長勢一致，面積約為5.0 m2的區域作為測產區，人工收割后測量實際面積，并記錄測產蔸數。稻谷脫粒曬干后，風選機去除雜質和空癟粒，待稻谷吸濕平衡后稱量稻谷重量，并換算成含水量為13.5%的重量，計算各小區單位面積產量。

產量構成因子的測定。首先在烘干前記錄6 蔸樣品的有效穗數，根據所占面積計算單位面積有效穗數；脫粒后的子粒自然風干，采用水選法將飽粒和非飽粒（半飽粒和空粒）分開，自然風干后再用風選法將半飽粒和空粒分開。置于室內吸濕平衡后分別稱量飽粒、半飽粒和空粒的總重量。然后用精度0.001 g 的天平分別從每個小區的飽粒重稱取3 個30 g 的小樣，從空粒中稱取3 個2 g 的小樣，記錄每個小樣的實際重量。人工統計各小樣的粒數以及每個小區中全部的半飽粒數。然后將全部飽粒小樣、空粒小樣以及所有半飽粒置于80 ℃烘箱中烘干至恒重后稱重。最后計算產量構成因子，單位面積穗數、每穗穎花數（單位面積穎花數/單位面積穗數）、單位面積穎花數、結實率（飽粒數/總粒數）、粒重和H（I飽粒干重/地上部總干重）。

1.3.3 養分元素吸收積累 烘干后粉碎，用同位素質譜儀（Elementar Trading Co.，Ltd，Germany）測定各器官氮濃度，用鉬銻抗比色法測定各器官全磷的含量，用火焰光度計法測定各器官全鉀的含量，再根據各部分干物質重計算養分積累總量。

1.3.4 養分（氮、磷、鉀）利用效率計算 肥料農學利用率（kg/kg）=（施肥小區子粒產量-不施肥小區產量）/肥料施用量［6］

肥料生理利用率（kg/kg）=（施肥小區子粒產量-不施肥小區產量）（/施肥小區總養分積累量-不施肥小區總養分積累量）

肥料偏生產力（kg/kg）=子粒產量/肥料施用量

2 結果與分析

2.1 不同處理對稻谷產量及其產量構成因子的影響

由表3 可知，機械側深施肥各處理的稻谷產量均高于同一處理下的人工撒施，其中NPK 全施處理的產量要顯著高于其他處理，機械側深施肥和傳統人工撒施下NPK 全施處理的產量均最高，分別為7 633.7、7 050.4 kg/hm2，其次為NP 配施處理，不施氮處理的產量最低；與NPK 全施處理相比，PK 配施、NK 配施和NP 配施處理的產量在機械側深施肥條件下分別降低21.2%、16.6%、9.6%，在傳統人工撒施條件下分別降低15.9%、11.0%、8.6%；單位面積有效穗數在機械側深施肥條件下分別降低15.1%、3.8%和0.2%，在傳統人工撒施條件下分別降低22.1%、8.8%、8.1%。這表明單位面積穗數是處理間產量差異的主要原因。此外，PK 配施、NK 配施和NP 配施處理間產量差異顯著，其中NP 配施處理產量最高，NK 配施次之，PK 配施最低。這說明N 肥對產量的影響效應最高，K 肥最低。

表3 不同施肥處理下稻谷產量及其構成因子

2.2 不同處理對水稻成熟期干物質積累的影響

由圖1 可知，施肥可以顯著提高水稻成熟期干物質積累量，機械側深施肥下水稻成熟期干物質量高于傳統人工撒施，這主要是由于機械側深施肥下的莖稈與葉片的干物質量積累較高，在同一施肥模式下，機械側深施肥各處理的莖稈與葉片的干物質量均顯著高于傳統人工撒施的各個處理。

圖1 不同施肥處理下成熟期干物質積累量

在機械側深施肥方式下，NPK 處理下莖稈與葉片、子粒和總干物質積累量最高，NK 配施和NP 配施處理次之，PK 配施處理最低，這與傳統人工撒施方式下各個處理干物質積累情況一致。該結果表明，N、P、K 這3 種養分元素中，施氮對提高水稻成熟期干物質量最有效，施磷提升效應次之，鉀肥最低。

2.3 不同處理下水稻成熟期地上部植株養分元素吸收量差異

成熟期水稻地上部莖稈與葉片、子粒的N、P、K吸收積累量如圖2 所示。與CK 相比，施肥處理顯著提高了水稻植株地上部N、P、K 養分的吸收量，其中對K 的吸收量最高，N 次之，P 最低。與傳統人工撒施相比，機械側深施肥下水稻植株N 積累量較低，P積累量與之基本一致，K 積累量顯著增加。

圖2 不同施肥處理下成熟期不同器官N、P、K 養分積累

機械側深施肥下，NPK 處理下莖稈與葉片、子粒和總的氮、磷和鉀素積累量最高，其次為NP 配施處理，再次為NK 處理，PK 配施處理最低。傳統人工撒施方式下各處理N、P、K 積累量與機械側身施肥保持一致，表現為 NPK 全施處理＞NP 處理＞NK 處理＞PK 處理。

2.4 不同處理下水稻肥料利用效率差異

由表4 可知，在2 種施肥方式下，PK 處理下水稻P、K 農學利用效率和生理利用效率以及NK 處理下K 農學利用效率和生理利用效率均為負值。機械側深施肥方式下的水稻N、P、K 和NPK 全素的農學利用效率，N、P 的生理利用效率，N、P、K 和 NPK 全素的偏生產力均高于傳統人工撒施。同一施肥方式下，NPK 處理的 N、P、K 和 NPK 全素的農學利用效率、生理利用效率和偏生產力均最高，其中N、P 的農學利用效率、生理利用效率和偏生產力要顯著高于其他處理。

表4 不同施肥處理下水稻肥料利用率

機械側深施肥方式下，水稻N 素的農學利用效率、生理利用效率和偏生產力表現為NPK 處理最高，NP 配施處理次之，NK 處理最低。傳統人工撒施方式下，水稻N 素的農學利用效率和偏生產力則表現為NPK 處理最高，NP 和NK 處理間無顯著差異；N素生理利用率表現為NPK 處理＞NK 處理＞NP 處理。

3 討論

3.1 施肥方式與肥料配施對水稻產量及其產量構成的影響

單位面積穗數、每穗穎花數、結實率及千粒重是水稻產量構成的重要組成部分，每穗穎花數與結實率決定每穗實粒數。研究認為，水稻產量首先取決于有效穗數，其次是每穗粒數、結實率和千粒重［7］。此外，合理的施肥方式也能夠促進有效分蘗的形成，使水稻具有較高的群體穎花量［8］。研究表明，機械側深施肥可有效促進水稻分蘗，單位面積穗數較常規撒施提高20%～30%，同時還可以提高單穗實粒數，進而提高產量［9］。合理的肥料配施有利于提高土壤肥力水平，挖掘農田生產潛力，增加作物產量［10］。顏兵［11］研究認為配方施肥較常規施肥對作物穗數、穗粒數及千粒質量有顯著的促進作用，氮磷鉀三要素的復合施用比任意混施2 種肥料的增產效果更好。黃晶等［12］通過長期定位試驗揭示了肥料對于水稻產量的貢獻，表現為：有機肥＞化肥氮＞化肥磷＞化肥鉀。

本研究結果表明在機械側深施肥下水稻產量和單位面積穗數均高于傳統人工撒施，且NPK 全施處理的單位面積穗數、每穗實粒數和產量顯著高于PK、NK 和 NP 處理。研究還發現，2 種養分配施處理中，NP 配施處理的產量最高，NK 配施次之，PK 配施最低，表明氮肥對水稻產量提升的效應最高，鉀肥最低，這與黃晶等［12］研究結論基本一致。

3.2 施肥方式與肥料配施對水稻干物質積累量的影響

水稻產量主要來自于光合產物的積累，充足的干物質積累是水稻高產的重要前提。研究表明，在水稻各關鍵生育階段物質積累量合理、積累比例協調是水稻高產的前提［7］。凌啟鴻［13］研究發現在水稻抽穗至成熟時期，干物質積累量與產量呈極顯著正相關，是衡量水稻群體質量的核心指標。朱從樺等［14］研究發現，與人工撒施相比，機械側深施肥顯著提高了水稻關鍵生育期干物質量，其中穗分化期、齊穗期、成熟期干物質積累量分別增加14.72%～28.61%、9.78%～10.33%和6.89%～8.08%，這是機械側深施肥下水稻高產的主要原因。本研究結果與前人基本一致，在機械側深施肥下水稻成熟期干物質量比傳統人工撒施高17.5%，這取決于機械側深施肥下較高的莖稈與葉片的干物質積累。本研究還發現，N、P、K 這 3 種養分元素中，施氮對提高水稻成熟期干物質量最有效，施磷提升效應次之，鉀肥最低，這與各養分元素對產量的效應一致。

3.3 施肥方式與肥料配施對水稻養分吸收利用的影響

合理的施肥方式有利于提高肥料吸收與利用效率，減少肥料用量，降低生產成本，提高作物生產效益［15-17］。研究表明，側深施氮的植株氮素吸收總量和氮素利用效率顯著高于人工撒施，與人工撒施相比，機械側深施肥下氮肥吸收利用率、氮肥農學效率分別增加 17.91%～54.10% 和 19.61%～37.39%［14，18，19］。本研究結果發現，機械側深施肥下水稻植株氮素積累量較傳統人工撒施低，磷素積累量與之基本一致，鉀素積累量顯著增加，這與機械側深施肥條件下單位面積穗數高而單莖氮素濃度較低有關。肥料利用效率方面，機械側深施肥方式下的水稻N、P、K 肥的農學利用效率和偏生產力以及N、P 肥的生理利用效率均高于傳統人工撒施處理，這與前人研究基本一致［18，19］。

研究發現，水稻吸收的氮與磷養分大部分轉運到了子粒中，而鉀元素則存在于水稻莖稈中［16］。本研究發現，在2 種施肥方式下，N 和P 素在莖稈+葉片和子粒中的積累比例基本為1∶1，莖稈+葉片中略高，但K 素在莖稈+葉片和稻谷中的積累比例為11.5∶1。研究結果還表明，NPK 全素配施下的肥料利用率最高，施氮可以促進水稻對磷和鉀的吸收利用，磷肥對水稻氮素吸收和利用的促進效果高于鉀肥。

4 小結

與傳統人工撒施處理相比，機械側深施肥可有效提高水稻單位面積有效穗數和成熟期干物質積累量，進而提高稻谷產量。NPK 全施處理下的稻谷產量最高，施氮處理次之，不施氮處理的產量最低，單位面積有效穗數是造成處理間產量差異的主要原因。在養分吸收與利用方面，與傳統人工撒施相比，機械側深施肥有利于水稻對K 的吸收積累，但對N的積累較低，P 積累基本一致，機械側深施肥下的水稻氮肥、鉀肥、磷肥和全素肥料的農學利用效率和偏生產力以及氮肥和磷肥的生理利用效率較高。肥料配施亦對水稻養分吸收利用有顯著影響，NPK 全施處理下的水稻氮肥農學利用效率、生理利用效率和偏生產力最高，兩元素配施處理中以施氮處理較高，施氮處理的磷肥和鉀肥利用效率均高于不施氮處理。綜上，機械側深施肥技術下NPK 全施或氮磷配施可有效協同提高水稻產量和養分利用效率。