水稻機插緩混一次施肥技術的研發與示范

丁艷鋒 李剛華 李偉瑋 高深 汪瑜輝 劉正輝 陳琳 丁承強 唐設 江瑜

（南京農業大學/江蘇省現代作物生產協同創新中心/農業農村部南方作物生理生態重點開放實驗室，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量的提高作出了重要貢獻[1]。然而在我國水稻生產中，氮肥過量使用，一些地方的施氮量高達300 kg/hm2以上[2]。這不僅使我國水稻的平均氮素利用率處于世界低水平（30%左右），還使環境污染問題加重[3-4]。另外，水稻生產的耕種及收獲機械化已較成熟，然而施肥環節普遍采用人工撒施，并需要多次追肥，需要大量勞動力，而目前農村勞動力也很緊缺，影響了水稻生產的效率和效益。

為解決上述問題，我國從20 世紀90 年代開始引進創新機械側深施肥技術，尤其近年來隨著施肥機械研制水平的提高，水稻機械側深施肥技術正逐步發展為當下受歡迎的施肥技術，提高了水稻施肥的機械化水平，解放了勞動力，也提高了氮肥利用率[5]。為提高機插側深施肥的效果，研究者嘗試應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調肥料養分釋放與作物養分吸收，有助于提高氮肥利用率又可減少用工和環境污染[6-7]。當前水稻生產中應用較多的緩控釋肥為包膜控釋氮肥，如硫包衣尿素、樹脂包衣尿素等。

但是，單一類型緩控氮肥的養分供應模式往往不能滿足水稻整個生育期的需肥，仍然需要多次施肥，而且穗肥的施用方法缺乏針對性。為此，筆者團隊前期通過協調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律更吻合的新型緩混肥[8]，結合機械側深施肥技術和穗肥葉色診斷技術，開展了長期多點的試驗[9-15]，創新出了“水稻機插緩混一次施肥技術”。

經過近10 年的試驗研究，該技術逐步熟化，并在江蘇省和安徽省多個市、區、縣推廣應用。試驗示范結果表明，該項技術可在節約肥料20%～30%的前提下，保證水稻產量，提高氮肥利用率15 個百分點以上，減少施肥用工3～4 次，提升食味品質5%以上，實現了減肥、節本、綠色、高效。已被列為農業農村部2020 年十大引領性技術和江蘇省農業農村廳2020 年主推技術。本文介紹該技術的定義和思路、技術關鍵和技術效果，闡述存在的問題，提出進一步優化水稻綠色高效施肥的思路和建議，以推進水稻輕簡化栽培的進程，加快我國稻米產業優質高效發展。

1 水稻機插緩混一次施肥技術定義與思路

機插水稻常規施肥方法需要施用基肥、1～2 次分蘗肥、1～2 次穗肥。高產水稻的“二黃二黑”就是根據水稻精確定量栽培技術基本原理[16]，提出在有效分蘗期需要氮素營養較高，葉色顯“黑”，提高有效分蘗發生率；無效分蘗期植株缺氮，葉色顯“黃”，控制無效分蘗發生，并降低基本葉片和節間長度；幼穗分化期，逐步恢復氮的供應，葉色“漸變黑”，攻大穗；抽穗之后植株維持較長時間的氮含量，葉色“漸變黃”，延長灌漿期。

水稻機插緩混一次施肥技術是以水稻機插側深施肥和專用緩混肥為核心，結合穗肥精確診斷，達到水稻“一次輕簡施肥、一生精準供肥”的技術效果，實現水稻高產、優質、高效和生態為綜合目標的輕簡高效管理技術（圖1）。

該技術思路是通過水稻機插側深施用水稻專用緩混肥，達到水稻常規分次施肥的“二黃二黑”效果，并根據幼穗分化期水稻的葉色實際狀態，針對示范補施一次穗肥（圖1）。該技術契合了由國際植物營養研究所和國際肥料工業協會提出的農業可持續發展中的“4R養分管理”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）、在正確的時間（Right time）將肥料施用在正確的位置上（Right place）[17]。

圖1 水稻機插緩混一次施肥技術示意圖

2 水稻機插緩混一次施肥關鍵技術

2.1 核心技術

2.1.1 側深施肥技術

施肥方式不合理是導致肥料損失及利用率降低的重要原因。目前，我國水稻的肥料施用普遍采用人工撒施的方式，通過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，還可能會使肥料在土壤中分布不均，從而影響水稻養分吸收及生長，最終導致產量降低和氮肥利用率下降。

側深施肥技術是在機械插秧的同時，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，使作物根系易于吸收。相對于傳統施肥方式，側深施肥技術同步機械插秧和側深施肥，可有效節省人力物力，有助于節約肥料用量，提升插秧施肥的經濟性和機械化水平[12，19-20]。

側深施肥技術的關鍵包括幾個方面。一是施肥位置位于秧苗一側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。我們對比了側深施肥深度為5 cm 和10 cm 時的水稻產量，發現二者之間的產量無顯著差異，但前者高于后者。此外，施肥深度為10 cm 時，會有秸稈堆積、飄秧現象發生，風險增加。二是選擇氣吹插秧機。氣吹式插秧側深施肥一體化機主要是通過鼓風機吹風將肥料吹至施肥點，大部分機械同時帶有覆土蓋肥功能[20]。三是由于側深施肥增加了插秧機的負荷，使用大功率柴油機作為該種插秧機的配套動力。

2.1.2 緩混肥料的篩選

本團隊前期的試驗結果表明，單一肥料的稻田氮養分釋放一般呈單一峰值的“S”或“J”型模式，無法做到多次釋放，無法滿足水稻全生育期的需求[12-14]，主要表現為：硫包衣尿素、腐殖酸釋放偏前期，后期不足；樹脂包衣尿素、脲甲醛釋放偏后期，前期不足。因此，我們根據水稻的“雙峰”需肥規律，將不同釋放模式的肥料進行組配得到一種新型的緩混肥。該肥料可以滿足高產水稻葉色雙峰曲線。多點對比試驗也表明，緩混一次施肥減少氮肥25%～30%情況下，90%試驗點表現增產，平均增產率為5.6%，單一的硫包衣尿素70%的試驗點減產，而樹脂包衣尿素高于80%的試驗點減產。因此，機插緩混一次施肥技術可以達到“一次輕簡施肥、一生精準供肥”，最關鍵是得益于肥料的選用，其主要原則是需要滿足水稻的需肥規律。水稻的氮肥吸收具有明顯的階段性特點，一般呈雙峰性，分蘗期和拔節-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。在所選肥料的物理性質上還要滿足：硬度適宜，符合機械施肥強度要求；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、密度等不一致導致的肥料在施肥箱內出現分層現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導致的施肥不均勻。

2.1.3 穗肥診斷技術

由于生態、氣候、土壤的差異，機插緩混一次性施肥可能存在總肥量偏少的問題，需要在倒3 葉期通過葉色診斷來判斷是否追施1 次穗肥。本團隊前期關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”可作為稻株氮素營養診斷的統一指標[21]。不同穗肥水平下，研究倒3 葉期頂3 和頂4 葉色差與產量之間的關系發現，頂4=頂3 的群體均可以獲得最高的產量，進而建立了水稻看“頂3 頂4 葉色差”作為是否施穗肥的統一指標[22]。

葉色診斷的標準為：若葉色正常或偏深，即頂3 葉葉色≤頂4 葉葉色，則無需施肥；若葉色偏淡，即頂3葉葉色＞頂4 葉葉色（圖2），則根據水稻類型選擇不同施肥量，通常情況下常規粳稻施尿素10 kg/667 m2、雜交稻施尿素5 kg/667 m2，但若追求優質，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

2.2.1 精細整地技術

水稻機插緩混一次施肥技術的良好實施必須以較好的整地條件為基礎，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。土地耕整時間一般要求沙質土移栽前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；耕整機械作業深度15～20 cm。整地標準是要保證田面平整，田塊內高低落差不大于3 cm。插秧前需沉淀泥漿，達到泥水分清、沉淀不板結、水清不渾濁，田面水深1～3 cm。

2.2.2 壯秧培育技術

選擇合適的秧苗是影響機插秧質量和效率的一個重要因素。目前機插育秧方法普遍采用的是漫灌濕潤育秧方式，該方式除了工序繁瑣、管理費工費時外，還會出現由于秧板或秧田平整度不夠導致的秧苗生長參差不齊等現象，秧苗素質難以保持一致[23]。最終機插時易出現斷苗、缺苗現象，影響機插效果。旱地硬盤微噴灌育秧技術發展迅速，灌溉效果好，育出的秧苗素質高，秧苗整齊度高，根系發達、盤結緊密，秧毯與插秧機的兼容性好，同時符合水稻生產省力簡化、節本增效發展的要求[23-25]。因此，采用機插緩混一次施肥技術時推薦采用旱地微噴育秧技術培育機插均勻壯秧。

2.2.3 精確灌溉技術

稻田的水分定量調控不僅可以節約用水和提高水分利用效率，而且可以較常規灌溉（以水層灌溉為主，中期擱田，收獲前1 周斷水）顯著提高產量和改善稻米品質[26]。科學的節水灌溉模式應該滿足水稻各生育時期的生理生態需水規律，即，分蘗期淺水層，無效分蘗期重擱田以控制無效分蘗，長穗和結實期濕潤灌溉全面提高群體質量、增強結實期群體光合生產率[27]。機插水稻精確灌溉技術要點如下：（1）移栽返青活棵期濕潤灌溉，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稍多些；（2）無效分蘗期至拔節初期及時擱田，且斷水擱田必須在無效分蘗發生前2 個葉齡開始實施。以土壤板實有裂縫且行走不陷腳、植株葉色褪淡“落黃”作為擱田標準[16，27]；（3）拔節至成熟期干濕交替，保證田間基本無水層，保持濕潤狀態。穗分化開始后，每次灌2～3 cm 水層后，落干保持3～4 d 濕潤，如此周而復始，直至成熟。這種方式可以同時滿足這一時期水稻地上和地下的需水要求，有利于促進大穗形成，提高結實率和粒重[27]。

3 水稻機插緩混一次施肥技術效果

為驗證水稻機插緩混一次施肥技術的效果，本團隊于2017、2018 和2019 年分別在江蘇省11、19 和22個縣、市布設了大田對比試驗，處理為：（1）常規分次施尿素（CK），其中總施氮量依據各地條件按精確定量栽培技術原理計算得出，分4 次施用，即基肥、分蘗肥、促花肥和保花肥，比例為3∶2∶3∶2；（2）機插緩混一次施肥技術（BBF），總施氮量為CK 的75%，一次性基施。同一地區的2 個處理磷、鉀肥用量相同。試驗結果如下。

3.1 增產

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

3.2 品質提升

2018 和2019 年的結果表明，BBF 較CK 可以促進水稻籽粒品質的提升（圖4）。具體表現為：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 水稻常規分次施肥與機插緩混一次性施肥技術產量比較

圖4 水稻常規分次施肥與機插緩混一次性施肥技術籽粒品質比較

3.3 氮肥利用率和經濟效益提高

BBF 減少了氮肥施用量，增加了水稻產量，氮肥利用率顯著提高，高于CK 15 個百分點以上。同時，由于施肥總量減少25%，施肥次數減少3～4 次，因此，在當前緩混肥價格高于普通尿素的情況下，BBF 仍可以節本增效60 元/667 m2以上。

3.4 環境友好

我們已發表的數據表明，相比于CK，BBF 還可以減少稻田肥料氮素流失[19]，降低環境風險[11-13,15]。一方面減少氨揮發的高峰次數，使稻田總氨揮發損失減少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

機插緩混一次施肥技術在保證水稻產量的前提下能減少肥料用量和施肥次數，降低投入成本，提升籽粒品質，顯著提高氮肥利用率，降低環境污染風險，較常規施肥有更高的經濟效益和生態效益。該技術的推廣應用有助于加快水稻生產中的機械化、規模化進程。同時，有以下幾方面需要加強。

4.1 適應不同類型水稻緩混肥的研發及其機理研究

水稻緩混肥的理念是一次施肥后能滿足水稻一生的需求，對于不同生育期類型、不同溫光地區，理想的緩混肥類型是有差異的。研究不同類型地區、不同類型水稻品種高產優質吸肥規律，研發配套的緩混肥，對提高技術的精準度非常關鍵。

4.2 配套側深施肥機械和技術的研究

當前側深施肥技術最大的問題是作業效率降低。短期內對作業人員進行培訓，提高熟練程度，可以顯著提高作業效率。長期需要專用高效機具，以及針對不同類型土壤的作業技術的研發。

4.3 穗肥診斷機理與技術研究

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