Effects of Simultaneous Lateral Deep Fertilization with Mechanical Transplanting on Yield and Economic Benefit of Rice in Northern China
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摘要:目的 为研究水稻机插秧同步侧深施肥技术节肥增产增效的作用，改进水稻生产的养分管理方式。方法 2019年和2020年分别在盘锦和辽阳开展大田试验，采用完全随机区组试验设计，设置不施氮肥、农民习惯施肥、侧深施减氮肥等处理，测定水稻产量及其构成因素、分析氮素利用效率和经济效益。结果 盘锦和辽阳不同年份机插秧同步侧深施肥技术对水稻产量及经济效益的影响一致，施氮量分别比当地习惯施肥降低17.08%和17.09%，仍可获得最高（目标）产量，经济效益分别增加了1232 ~ 1440 元 hm−2和581 ~ 799 元 hm−2，处理间差异达到显著水平。减少氮肥用量后仍能获得较高产量，水稻氮肥吸收利用率（NRE）、氮肥农学效率（NAE）和偏生产力（NPFP）显著提高，与当地习惯施肥相比盘锦和辽阳减施氮肥处理NRE分别提高8.41 ~ 21.19%和10.44 ~ 15.77%，NAE分别增加2.23 ~ 3.57 kg kg−1和0.10 ~ 2.23 kg kg−1，NPFP也显著高于当地习惯施肥。结论 在水稻稳产条件下，与当地习惯施肥相比，机插秧同步侧深施肥能够减少约17%氮肥用量，降低人工成本600 元 hm−2，节约肥料投入成本3.16% ~ 4.53%，经济效益增加556 ~ 1370 元 hm−2。Abstract:Objective Synchronous side deep fertilization technique of rice machine-transplanting realized the combination of agricultural machinery and agronomic technology. The appropriate amounts of nitrogen (N) in the synchronous deep side fertilization technique of rice machine-transplanting were selected and the cost-saving and efficient-increasing effects were discussed.Method Field experiments were conducted in 2019 and 2020 with a randomized complete block design at two different places, with different N application levels: CK, without N fertilizer; FP, Farmers’ fertilization amount; T1-T5, side deep fertilization for N-reducing amounts. The N use efficiency (NUE), yield components, yield and economic benefit of rice were determined.Result Each N fertilizer application treatment had similar effects on yield formation and NUE in Panjin and Liaoyang in the two years. When the N application rate decreased by 17.08% and 17.17%, the target yield of farmers could still be obtained, and the economic benefit increased by 1232-1440 yuan hm−2 and 581-799 yuan hm−2, which reached a significant level. Stable yield could be obtained after reducing N application. Nitrogen uptake and use efficiency (NRE), nitrogen agronomic efficiency (NAE) and partial productivity (NPFP) of rice were significantly increased. In Panjin and Liaoyang, NRE increased by 8.41%-21.19% and 10.44%-15.77%, NAE increased by 2.23-3.57 kg kg−1 and 0.10-2.23 kg kg−1. NPFP was significantly higher than that of FP.Conclusion Under stable yield condition, mechanical transplanting synchronous deep side fertilization technology can reduce N fertilizer dosage by 17%, reduce transplanting operation cost by 600 yuan hm−2, save fertilizer input cost by 3.16%-4.53%, increase economic benefit by 581-1440 yuan hm−2, and significantly save cost and increase efficiency.
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【研究意义】我国水稻种植面积约3000 万 hm2，稻谷年产量超过2亿t，占粮食总产量的1/3，对保障我国口粮供应具有重要意义。目前，我国大部分水稻主产区农民习惯施肥仍以基肥加追肥为主[1]，通常为人工表施、浅施或简易机械抛洒地表，再结合整地全层混拌于0 ~ 12 cm耕层[2-3]，传统的水稻人工栽培方法基肥施用与插秧并不同步进行，施肥成本高，施肥量过大，肥料均匀度差，增加了稻田氮磷养分损失风险[4-5]，导致资源浪费并加剧环境污染。因此，改进水稻生产的基肥施用方式，提高机械化水平，是推进水稻全程机械化种植的关键环节[6]。【前人研究进展】水稻机插秧同步侧深施肥技术2018年被我国农业农村部确定为十项重大引领性农业技术之一，已经成为实现精准农业目标的关键环节之一[7]，是众多学者研究的热点[8-10]。水稻侧深施肥技术可将养分精确送达根区，减少肥料氮损失[1,11]，促进水稻早生快发，提高氮肥利用率和稻谷产量[12-13]，符合水稻产业“高产、优质、高效、生态、安全”的发展要求[14-15]，是一种资源节约和环境友好的施肥技术[16-17]。研究机械侧深施缓释氮肥可以减少氮素淋失和挥发损失，提高根区土壤供氮能力[18-19]，增加有效穗数和颖花总量[20]，增加稻谷产量和经济效益[21-22]。侧深施肥技术由于具有减少氮素损失的特点，在减少氮肥投入方面也受到了关注[23-25]。白雪等[26]研究表明，机插秧同步侧深施肥减氮25%水稻增产最高，增幅达20.19%。钟雪梅[27]等研究认为，机插同步一次性精量施肥以减氮20% ~ 30%增产效果最佳。怀燕[28]等对常规复合肥减量10%或缓释肥减量20%侧深施，都实现了减氮稳产。张爱平[11]等采用基于缓释肥的侧条施肥技术，在氮素投入降低约40％的条件下实现了稳产。但也有研究指出[29]，即使应用侧深施肥技术，氮肥减量超过5%也不能保证水稻生长发育后期氮素的充足供应，导致产量降低，基蘖肥侧深同施或者肥料全量侧深施，水稻生育后期出现脱肥现象[30]。【本研究切入点】已有的研究在侧深施肥技术配合氮肥减量处理对水稻产量影响方面虽然做了大量研究，但对于氮肥减施的定量存在争议。由于水稻品种、土壤类型及环境条件等因素差异，水稻机插秧同步侧深施肥技术对氮肥减施作用尚不明确，其节本增效的作用也有待进一步研究。【拟解决的问题】本研究以新型稳定性肥料为氮源，基于不同目标产量的两个地区开展水稻机械插秧同步侧深施肥研究，以期明确应用该技术适宜的基肥氮素用量，探讨其节肥和机械化作业对水稻生产经济效益的影响，为加快水稻机插秧同步侧深施肥技术推广提供理论依据和技术支撑。
1. 材料与方法
1.1 供试材料
为了探讨不同土壤肥力、产量水平和气候类型条件下侧深施肥技术应用效果，分别选择两个地点开展试验。2019年试验地点为辽阳县宜林农场（123°15′36″N，41°21′00″E），试验地位于辽河平原中部，属暖温带季风气候，年平均气温8.4 ℃，年均降雨量为700 mm，无霜期127 ~ 162 d。土壤类型为草甸型水稻土， 0 ~ 20 cm土壤pH 6.4，有机质22.10 g kg−1，全氮1.27 g kg−1，全磷1.20 g kg−1，全钾22.0 g kg−1，速效氮111 mg kg−1，有效磷45.0 mg kg−1，速效钾182 mg kg−1。水稻多年平均产量9.0 t hm−2。
2020年试验地点为盘山县航程农场（122°14′17″N，41°9′31″E）；该试验地位于辽河平原南部，属暖温带半湿润季风气候，年平均气温 8.3 ℃，年平均降雨量为610 mm，无霜期165 ~ 170 d。土壤类型为盐渍型水稻土， 0 ~ 20 cm土壤pH 7.5，有机质23.68 g kg−1，全氮1.41 g kg−1，全磷1.17 g kg−1，全钾23.2 g kg−1，速效氮115 mg kg−1，有效磷24.3 mg kg−1，速效钾225 mg kg−1。水稻多年平均产量10.5 t hm−2。
1.2 试验设计
根据两个试验地点土壤肥力差异、目标产量及氮肥减施目标，设置不同的氮肥施用水平。辽阳试验设置6个处理，盘锦试验设置7个处理，如表1所示。其中，CK为不施氮肥处理，FP为农民习惯施肥处理，T1-T5为机插秧同步侧深施肥处理的不同氮肥用量水平。辽阳复合肥含N 26%、P2O5 10%和K2O 12%，盘锦复合肥含N 28%、P2O5 10%和K2O 12%。其他所用肥料均一致，磷酸二铵含N 18%、P2O5 46%，过磷酸钙含P2O5 12%，氯化钾含K2O 60%，稳定性肥料含N 26%、P2O5 10%和K2O 12%。试验小区面积600 m2，三次重复，随机区组排列。辽阳水稻品种为辽粳212，插秧密度30 cm × 13.5 cm。盘锦品种为盐丰47，插秧密度30 cm × 16.5 cm。两个试验地点均选择洋马 2FC-6型水稻侧深施肥机，于5月下旬插秧，10月上旬收获，其他田间管理与农民习惯一致。
表 1 试验方案Table 1. Experimental design地点
Place处理
Treatment施肥量（kg hm−2）
Fertilizer amount肥料施用方式
Fertilizing methodN P2O5 K2O 辽阳 CK 0 67.5 81 机插秧。过磷酸钙562.5 kg hm−2和氯化钾135 kg hm−2, 全部基施，均匀撒施地表后混拌于0 ~ 15 cm耕层 FP 251 67.5 81 机插秧。复合肥675 kg hm−2, 基施，均匀撒施整地混拌于0 ~ 15 cm耕层；返青肥、分蘖肥各追施氯化铵75 kg hm−2、225 kg hm−2 T1 230 67.5 81 机插秧。稳定性肥料675 kg hm−2，磷酸二铵0 kg hm−2,氯化钾0 kg hm−2，与插秧同步混匀侧深基施；分蘖期追施尿素120 kg hm−2 T2 214 67.5 81 机插秧。稳定性肥料600 kg hm−2，磷酸二铵16.2 kg hm−2，氯化钾15 kg hm−2，与插秧同步混匀侧深基施；分蘖期追施尿素120 kg hm−2 T3 198 67.5 81 机插秧。稳定性肥料525 kg hm−2，磷酸二铵32.5kg hm−2，氯化钾30 kg hm−2，与插秧同步混匀侧深基施；分蘖期追施尿素120 kg hm−2 T4 181 67.5 81 机插秧。稳定性肥料450 kg hm−2，磷酸二铵49.0 kg hm−2，氯化钾45 kg hm−2，与插秧同步混匀侧深基施；分蘖期追施尿素120 kg hm−2 盘锦 CK 0 67.5 81 机插秧。过磷酸钙562.5 kg hm−2和氯化钾135 kg hm−2, 全部基施，均匀撒施地表后混拌于0 ~ 15 cm耕层 FP 264 67.5 81 机插秧。复合肥675 kg hm−2, 基施，均匀撒施整地混拌于0 ~ 15 cm耕层；返青肥、分蘖肥各追施氯化铵75 kg hm−2、225 kg hm−2 T1 245 67.5 81 机插秧。稳定性肥料675 kg hm−2，磷酸二铵0 kg hm−2,氯化钾0 kg hm−2，与插秧同步混匀侧深基施；分蘖期追施尿素150 kg hm−2 T2 237 67.5 81 机插秧。稳定性肥料640 kg hm−2，磷酸二铵7.5 kg hm−2，氯化钾7 kg hm−2，与插秧同步混匀侧深基施；分蘖期追施尿素150 kg hm−2 T3 217 67.5 81 机插秧。稳定性肥料550 kg hm−2，磷酸二铵27 kg hm−2，氯化钾25 kg hm−2，与插秧同步混匀侧深基施；分蘖期追施尿素150 kg hm−2 T4 204 67.5 81 机插秧。稳定性肥料490 kg hm−2，磷酸二铵40 kg hm−2，氯化钾37 kg hm−2，与插秧同步混匀侧深基施；分蘖期追施尿素150 kg hm−2 T5 186 67.5 81 机插秧。稳定性肥料410 kg hm−2，磷酸二铵57.5 kg hm−2，氯化钾53 kg hm−2，与插秧同步混匀侧深基施；分蘖期追施尿素150 kg hm−2 1.3 测定项目及方法
干物质积累：在成熟期各处理按平均分蘖数随机选取代表性植株10穴，分叶、茎（含叶鞘）和穗三部分杀青（105 ℃烘30 min），80 ℃烘干至恒重，称重。
植株氮含量：分叶、茎（含叶鞘）和籽粒三部分，采用浓H2SO4 + H2O2消煮（420 ℃，消解2 h），全自动凯氏定氮仪（FOSS8400）测定。
考种与测产：收获前每个处理随机取10穴代表性植株，调查有效分蘖和每穗粒数、每穗实粒数、千粒重等产量构成指标；采用机械实收法对每个处理进行测产，用测水仪测定籽粒含水量，按14.5%粳稻标准水折算实际产量，
1.4 数据处理
采用Microsoft excel 2003进行图标处理，SPSS19进行方差分析和通径分析。
氮肥吸收利用率（NRE, %）=（成熟期施氮区地上部氮素积累量 − 成熟期无氮区地上部氮素积累量）/施氮量 × 100%；
氮肥农学效率（NAE, kg kg−1）=（施氮区籽粒产量 − 无氮区籽粒产量）/施氮量
氮肥偏生产力（NPFP, kg·kg−1）= 施氮区籽粒产量/施氮量
氮素稻谷生产效率（kg kg−1）= 籽粒产量/成熟期地上部氮素积累量
氮素干物质生产效率（kg kg−1）= 成熟期地上部干物质积累量/成熟期地上部氮素积累量
氮素生理利用效率（kg kg−1）=（施氮区稻谷产量 − 无氮区稻谷产量）/（施氮区氮吸收总量 − 无氮区氮吸收总量）
氮收获指数（%）= 成熟期籽粒氮素积累量/成熟期植株氮素积累量
2. 结果与分析
2.1 侧深施肥对水稻产量构成因素及产量的影响
与农民习惯施肥（FP）相比，盘锦试验点机插秧同步侧深施肥处理T1和T2有效穗数与产量均略有增加，但减氮超过23%的T4和T5产量则显著下降。与常规施肥FP相比，侧深施肥对穗粒数和实粒数无显著影响，结实率与千粒重则略有增加。辽阳试验点机插秧同步侧深施肥处理的T1与T2对产量及产量构成因素指标均无显著影响，在氮肥减量达21%的T3和T4产量表现出下降（表2）。
表 2 机械侧深施氮对水稻产量及其构成因素及的影响Table 2. Effects of mechanized side deep placement of nitrogen fertilizer on yield and the yield components of rice地点
Place处理
Treatment有效穗数(104 hm−2)
Number of effective panicle穗粒数
Number of grain
panicle实粒数
Number of filled
grain panicle结实率(%)
Setting rate千粒重(g)
1000-seed weight产量(t hm−2)
Yield盘锦 CK 191.2 ± 10.2 d 89.2 ± 8.9 b 83.4 ± 7.9 b 93.5 ± 0.5 a 27.9 ± 0.3 a 4.4 ± 0.29 d FP 402.4 ± 7.7 a 121.7 ± 1.4 a 107.0 ± 1.4 a 87.9 ± 0.1 d 26.0 ± 0.3 d 11.2 ± 0.20 a T1 413.5 ± 6.7 a 120.5 ± 0.7 a 105.0 ± 0.6 a 88.1 ± 0.3 d 26.5 ± 0.1 c 11.5 ± 0.06 a T2 406.9 ± 3.6 a 119.7 ± 2.1 a 105.1 ± 1.6 a 91.6 ± 0.5 b 26.4 ± 0.1 c 11.4 ± 0.06 a T3 398.0 ± 10.2 a 120.0 ± 1.4 a 105.4 ± 2.6 a 89.5 ± 1.1 c 26.2 ± 0.4 cd 11.1 ± 0.06 a T4 340.1 ± 6.7 b 115.2 ± 5.0 a 105.3 ± 4.6 a 92.7 ± 0.4 a 26.3 ± 0.1 cd 9.6 ± 0.35 b T5 300.2 ± 11.6 c 113.6 ± 4.0 a 106.1 ± 4.4 a 93.4 ± 0.6 a 26.8 ± 0.1 b 8.3 ± 0.15 c 辽阳 CK 217.0 ± 4.5 d 112.0 ± 3.0 c 106.7 ± 1.5 c 92.9 ± 0.2 a 27.23 ± 0.10 a 6.13 ± 0.03 d FP 395.6 ± 6.8 a 137.3 ± 0.5 a 119.3 ± 1.5 b 86.9 ± 0.8 c 24.48 ± 0.03 d 9.21 ± 0.04 a T1 400.5 ± 6.1 a 138.0 ± 0.1 a 123.3 ± 1.5 a 89.4 ± 1.1 b 24.53 ± 0.03 cd 9.23 ± 0.07 a T2 399.3 ± 2.8 a 135.7 ± 0.6 a 122.3 ± 1.5 ab 90.2 ± 1.1 b 24.56 ± 0.02 cd 9.23 ± 0.04 a T3 381.0 ± 4.8 b 126.3 ± 1.5 b 123.6 ± 0.5 a 93.4 ± 1.1 a 24.59 ± 0.03 c 8.88 ± 0.09 b T4 366.5 ± 5.3 c 125.0 ± 1.0 b 123.6 ± 2.1 a 92.0 ± 0.8 a 25.11 ± 0.06 b 8.31 ± 0.14 c 2.2 水稻产量构成因素通径分析
盘锦和辽阳两个试验点产量与产量构成因素间的回归方程分别为Y = −25.13067 + 0.02759X1 + 0.06581X2 + 0.07995X3 + 0.39112X4，F = 6811.32，P < 0.001，和Y = 24.51471 + 0.00416X1 + 0.01927X2 − 0.00204X3 − 0.79155X4，F = 65.00，P < 0.001；两式中的Y为水稻产量，X1、X2、X3和X1分别为有效穗数、穗粒数、结实率和千粒重。由回归分析结果可知，对水稻产量与产量构成因素间关系做通径分析均有意义。通径分析结果表明（表3），盘锦和辽阳两个试验水稻产量构成因素直接通径系数分别为：有效穗数 > 穗粒数 > 结实率 > 千粒重和有效穗数 > 穗粒数 > 千粒重 > 结实率，而有效穗数、穗粒数与水稻产量呈显著正相关，结实率和千粒重则与水稻产量呈负相关，这说明机插秧侧深施肥技术主要是在保证有效穗数和穗粒数稳定的前提下，通过提高结实率和千粒重来获得稳定的产量。
表 3 水稻产量构成因素对产量的通径分析Table 3. Path analysis of yield components to yield地点
Place产量构成因素
Yield component有效穗数
Number of effective panicles穗粒数
Number of grain panicles结实率
Setting rate千粒重
1000-seed weight产量
Yield盘锦 有效穗数 0.9889** 0.2248** −0.1817** −0.0440 0.9880** 穗粒数 0.6896** 0.3223** −0.1939** −0.0589 0.7592** 结实率 −0.7684** −0.2673** 0.2338** 0.0389** −0.7630** 千粒重 −0.4370 −0.1904 0.0913** 0.0996 −0.4365* 辽阳 有效穗数 0.1692** 0.2928** 0.0081 0.4519** 0.9220** 穗粒数 0.1535** 0.3227** 0.0117 0.4012** 0.8891** 结实率 −0.0952 −0.2622 −0.0144** −0.2521** −0.6238* 千粒重 −0.1393** −0.2359** −0.0066** −0.5489 −0.9307** 注：x1：有效穗数，x2：穗粒数，x3：结实率，x4：千粒重。**：极显著相关。*：显著相关。 2.3 施氮量与水稻产量的相关性分析
由表1可知，盘锦和辽阳两个试验地点应用水稻机插秧同步侧深施肥技术，在一定范围内减少氮肥用量，水稻产量无显著变化，因此以“线性加平台”对施氮量和水稻产量关系进行拟合得图1。从图中可知，盘锦（图1-a）和辽阳（图1-b）两个试验地点施氮量分别达到218.9 kg hm−2和208.1 kg hm−2时，即可获得与FP处理相近的产量，较FP处理分别降低氮肥用量17.08%和17.09%。
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图 1 施氮量与水稻产量的关系Figure 1. Relationship between nitrogen application rate and rice yield2.4 不同施肥处理对氮肥利用率的影响
机插秧同步侧深施肥能够显著影响水稻氮素利用（表4）。与人工撒施基肥相比，盘锦试验区T1-T5处理氮肥吸收利用率（NRE）、氮肥农学效率（NAE）和偏生产力（NPFP）呈现先增加后降低的趋势。其中，T1-T4处理NRE增加了8.41% ~ 21.2%，T1-T3处理NAE增加了2.23 ~ 3.57 kg kg−1，差异均达到显著水平；偏生产力（NPFP）虽然随着施氮量的降低有所下降，但仍显著高于FP处理。辽阳试验点T1-T4处理NRE增加了10.4% ~ 15.8%，T1-T3处理NAE增加了0.10 ~ 2.23 kg kg−1，NPFP提高了3.24 ~ 9.46 kg kg−1，均显著高于FP。两个试验点侧深施肥处理的氮素稻谷生产效率和干物质生产效率均随着施氮量的降低呈逐渐下降趋势，盘锦试验点的T5处理虽高于其他侧深施肥处理，但仍显著低于FP处理；氮素生理利用率随着施氮量的降低呈现逐渐降低的趋势，与FP相比，盘锦试验点T1和T2分别增加了1.37 kg kg−1和0.88 kg kg−1，辽阳试验点T1-T3分别增加了2.54 kg kg−1、1.99 kg kg−1和0.86 kg kg−1，差异均达到显著水平。两个试验点T2处理氮收获指数显著高于FP，其他处理低于FP处理，但未达到显著水平。
表 4 机械侧深施氮对水稻氮素利用率的影响Table 4. Effects of mechanized side deep placement of nitrogen fertilizer on nitrogen utilization efficiency of rice地点
Place处理
Treatment氮肥吸收
利用率
N recovery
efficiency
(%)氮肥农学
效率
N agronomic
efficiency
（kg kg−1）氮肥偏
生产力
N partial factor
productivity
（kg kg−1）氮素稻谷
生产效率
N grain production
efficiency
（kg kg−1）氮素干物质
生产效率
N biomass production
efficiency
（kg kg−1）氮素生理
利用率
N physiological
efficiency氮收获
指数
N harvest
index
（%）盘锦 FP 27.76 ± 1.06 d 13.85 ± 0.58 b 42.42 ± 0.71 d 56.94 ± 0.96 a 50.72 ± 1.03 a 49.87 ± 0.67 cd 69.00 ± 1.15 b T1 41.09 ± 1.26 b 16.08 ± 0.18 a 46.87 ± 0.24 b 51.24 ± 0.12 bc 45.50 ± 1.30 b 51.24 ± 0.12 ab 68.65 ± 1.24 b T2 42.43 ± 1.52 b 16.11 ± 0.04 a 47.94 ± 0.41 b 50.75 ± 0.85 c 44.81 ± 0.50 b 50.75 ± 0.85 bc 72.70 ± 0.94 a T3 48.95 ± 1.50 a 17.42 ± 0.68 a 52.18 ± 0.29 a 49.32 ± 0.77 d 44.15 ± 0.47 bc 49.32 ± 0.77 de 68.02 ± 1.29 cb T4 36.17 ± 2.35 c 9.89 ± 1.84 c 46.87 ± 1.85 b 48.49 ± 0.11 d 43.08 ± 0.96 c 48.49 ± 0.11 e 68.55 ± 0.37 b T5 19.00 ± 1.70 e 3.94 ± 1.09 d 44.50 ± 0.64 c 52.14 ± 0.68 b 45.16 ± 0.24 b 52.14 ± 0.68 a 66.02 ± 1.55 c 辽阳 FP 25.39 ± 0.91 c 12.27 ± 0.23 c 36.77 ± 0.16 e 56.60 ± 1.05 a 51.38 ± 0.88 a 48.34 ± 0.94 c 68.60 ± 1.25 b T1 35.83 ± 1.00 b 13.48 ± 0.38 b 40.01 ± 0.29 d 50.88 ± 0.39 b 46.21 ± 0.29 b 50.88 ± 0.39 a 68.17 ± 0.93 b T2 39.47 ± 0.64 a 14.50 ± 0.15 a 43.12 ± 0.19 c 50.33 ± 0.77 bc 45.81 ± 0.68 b 50.33 ± 0.77 ab 72.10 ± 0.86 a T3 41.16 ± 1.45 a 13.90 ± 0.50 b 44.96 ± 0.42 b 49.20 ± 0.36 cd 44.39 ± 0.51 c 49.20 ± 0.36 bc 67.86 ± 0.61 b T4 40.76 ± 0.90 a 12.37 ± 0.9 c 46.23 ± 0.77 a 48.44 ± 0.35 d 43.17 ± 0.25 d 48.44 ± 0.35 c 68.48 ± 0.24 b 2.5 不同施肥处理经济效益分析
与农民习惯施肥相比，盘锦试验点T1-T3处理肥料成本分别降低了0 元 hm−2、99元 hm−2和352 元 hm−2，人工成本降低了600 元 hm−2，农机投入增加了25 元 hm−2；经济产值增加了840 元 hm−2、560 元 hm−2和280 元 hm−2，差异未达到显著水平；经济效益增加了1370 元 hm−2、1133 元 hm−2和1279 元 hm−2，差异达到显著水平。辽阳试验点T1处理肥料成本增加了75 元 hm−2，T2处理由于减少的肥料用量，肥料成本降低了557 元 hm−2，人工成本降低了600 元 hm−2，农机投入增加了25 元 hm−2；T1和T2经济产值增加了56 元 hm−2和63 元 hm−2，差异未达到显著水平；T1-T2经济效益显著增加了556元 hm−2、774 元 hm−2（表5）。
表 5 机械侧深施氮对经济效益的影响Table 5. Effect of deep nitrogen application by mechanical side on economic benefit地点
Place处理
Treatment经济产值
Output
（yuan hm−2）肥料成本
Fertilizer cost
（yuan hm−2）人工投入
Labor cost
（yuan hm−2）农机投入
Machining cost
（yuan hm−2）经济效益
Economic profit
（yuan hm−2）产投比
Output/Input盘锦 FP 31536 ± 526.8 a 3135 900 1950 25369 ± 527 b 4.24 ± 0.08 d T1 32149 ± 163.1 a 3135 300 1975 26739 ± 163 a 4.94 ± 0.03 b T2 31814 ± 273.9 a 3036 300 1975 26502 ± 274 a 4.99 ± 0.05 b T3 31706 ± 176.3 a 2783 300 1975 26648 ± 177 a 5.27 ± 0.04 a T4 26772 ± 1055.2 b 2614 300 1975 21883 ± 1055 c 4.48 ± 0.22 c T5 23174 ± 334.6 c 2390 300 1975 18509 ± 334 d 3.97 ± 0.07 e 辽阳 FP 25788 ± 111.1 a 3000 900 1800 20088 ± 111 b 3.53 ± 0.02 d T1 25844 ± 189.4 a 3075 300 1825 20644 ± 189 a 3.97 ± 0.04 c T2 25851 ± 116.9 a 2864 300 1825 20862 ± 116 a 4.18 ± 0.03 ab T3 24871 ± 234.2 b 2653 300 1825 20093 ± 234 b 4.21 ± 0.05 a T4 23247 ± 393.4 c 2443 300 1825 18679 ± 393 c 4.09 ± 0.09 b 注：普通复合肥4.2 元 kg−1（盘锦）、4.0 元 kg−1（辽阳），稳定性肥料4.2 元 kg−1，氯化铵1 元 kg−1，尿素2 元 kg−1，磷酸二铵4 元 kg−1，氯化钾2.6 元 kg−1，人工撒施底肥300 元 hm−2，人工追肥每次300 元 hm−2，农机整地900 元 hm−2，农机插秧及补苗900 元 hm−2(辽阳)，农机插秧及补苗1050 元 hm−2(盘锦)，侧深施肥装置折旧25 元 hm−2。 3. 讨论
3.1 机插秧同步侧深施肥对水稻产量的影响
侧深施肥在水稻种植上应用的研究报道较多，但其增产效果存在差异。本研究基于辽河平原典型稻作区2个试验地点盘锦和辽阳的研究结果表明，机插秧同步侧深施肥可以保障水稻稳产。前人研究显示，同等施肥量条件下侧深施肥具有显著增产效果[8,26,31-32]，但也有稳产[28, 3-35]、减产[8]或后期脱肥[27-30]的研究结论。降低肥料用量后稳产[11-12,16-17]、增产[29-36]和减产[2]的结果也均有报道。这可能与水稻品种[13,27]、肥料种类[2,23,29]、土壤肥力、农机类型[36]和气候条件[1]等因素有关[37]。，盘锦和辽阳两个试验地点T1和T2处理水稻有效穗数均有所增加，这与前人关于机插同步侧深施肥技术增产机理的研究结论一致，即根区施肥能提高水稻生育前期的供氮能力[1]，有利于水稻返青，促进分蘖早生快发[13]，显著提高水稻有效穗数[1,3,6,20-21,26,32]，穗粒数也有所增加[11,16,23]，进而提高稻谷产量。机插秧同步侧深施肥技术降低了氮肥用量，减少追肥次数，依然能够获得较高的有效穗数，说明其具有增加有效穗数的作用。同步侧深施肥技术可以显著增加水稻根区土层中碱解氮、有效磷和速效钾含量 [38]，改善水稻群体质量，增加单位面积穗数和每穗实粒数[39]，改善稻米的外观品质和食味品质[40]，提高氮肥利用率，增加产量[25-27]。
3.2 机插秧同步侧深施肥对氮肥利用率及氮肥减施空间的影响
本研究结果表明，机插秧同步侧深施肥配合化肥减量可显著提高氮肥吸收利用率（盘锦增加8.41% ~ 21.2%；辽阳增加10.4% ~ 15.8%）、氮肥农学效率（NAE）和偏生产力（NPFP），这与前人研究结果一致。机插秧同步侧深施肥在同等氮肥用量[6]或减少氮肥用量[8]的条件下，均能提高氮肥利用率。其原因为该技术将养分精确送达根区，减少了氮素损失[17]，提高土壤供氮能力[20]，促进了稻株氮素吸收和积累[27]，增加或降低土壤氮代谢酶活性，促进氮代谢微生物的生长，提高灌浆结实期茎叶氮素表观转移量[9]，从而提高了氮肥利用率[1,11,27,31]。控释肥与侧深施肥技术结合可以更有效地降低稻田氮素流失量[41-42]，提高氮肥利用率[6,17,20,23]。这为机插秧同步侧深施肥化肥用量减施提供了可能。本试验条件下的盘锦和辽阳两地试验结果均显示，氮肥减施约17%水稻产量并无显著下降，这表明侧深施肥配合化肥合理减量能够实现少量增产或稳产。这与前人侧深施肥的减施空间研究结果一致。洪瑜等[34]基于养分专家系统调整了基肥养分配比，在减氮 24.85%并配合减磷增钾的基础上，选择控释尿素替代普通尿素进行机械插秧同步侧深施肥，较常规施肥增产7.53%，肥料当季吸收利用率和农学效率均显著增加。化肥纯氮减施10%[8,13]、20% ~ 30%[16]或30%[33] ~ 40%[11]仍可以获得稳产或增产均有报道。另外值得注意的是，本研究中化肥减量18%（盘锦）和14%（辽阳）时NAE和水稻产量均开始下降。王晓丹等[2]在浙江省开展侧深施肥试验示范表明，减氮10%处理的增产和减产的比例分别为85.7%和14.3%，减氮20%处理的增产和减产的比例分别为57.1%和42.9%。上述氮肥减施空间的差异，可能与当地农民习惯施肥量、肥料种类、土壤肥力和水稻品种有关。因此，侧深施肥技术应该因地制宜的制定氮素运筹方案，基蘖肥一次性施用或者基肥中氮素减施后，应加强后期氮素管理，协调兼顾氮肥利用率与水稻产量，避免脱肥减产，长期应用此种施肥方式的氮肥减施空间是否发生变化，有待进一步研究。
3.3 机插秧同步侧深施肥对经济效益的影响
本研究中机插秧同步侧深施肥对经济效益的研究结果显示，与农民习惯施肥相比，两个试验地点均可显著节省人工成本实现节本增效。盘锦试验点农民习惯用肥氮含量高于试验用稳定性肥料，两种肥料价格相近，侧深施肥由于减少基肥和追肥用量，T1-T5处理肥料成本降低了0 ~ 745 元 hm−2，辽阳试验点农民习惯用肥养分含量与试验用稳定性肥料相同，价格略低，因此与农民习惯施肥用量相同的T1处理肥料成本增加了75 元 hm−2，T2-T4处理由于减少肥料用量，肥料成本降低了136 ~ 557 元 hm−2。这与张玲霞等[38]研究结果相近。杨成林等[31]研究认为，机插秧同步侧深施肥作业减少人力投入，能够节约作业成本，但侧深专用肥价格较高，增加了生产成本。因此，应用侧深施肥技术提高经济效益主要依靠产量的显著提高，过量降低肥料用量后，虽然节约了肥料成本，但产量也显著下降，因此纯收益下降。李华等[24]、沈欣等[33]和季雅岚[36]等也得到了相似的结论。本研究除施肥作业外，各处理其他农事操作保持一致，因此只考虑各处理施肥作业成本差异。本试验条件下，由于过量减少氮肥投入会影响产量，因此，只有T1-T3处理（盘锦）和T1-T2处理（辽阳）经济产值有所增加，分别增加了 0.54% ~ 1.94%和0.22% ~ 0.24%，经济效益分别增加了 4.24% ~ 5.40%和2.77% ~ 3.75%，其中，T3处理（盘锦）和T2处理（辽阳）节约肥料成本分别为11.23%和4.53%，产投比最高。因此，该技术对经济效益增加的贡献从大到小依次为节工 > 节肥 > 增产。虽然两个试验点过量减少氮肥投入的处理因产量降低导致经济效益下降，但产投比依然显著高于农民习惯施肥，进一步说明了该技术能够有效降低作业成本。值得注意的是，机插秧同步侧深施肥技术对肥料要求比较严格，虽然该技术能节约基肥用量，但养分配比适宜可以直接应用的肥料相对缺乏。因此，应该加强研发与该技术配套应用的新型肥料，以加快该项技术的推广应用。
4. 结论
水稻机插秧同步侧深施肥技术在北方粳稻种植区应用，在适宜氮肥用量条件下可显著提高氮肥吸收利用率（NRE）、农学效率（NAE）和偏生产力（NPFP）；与当地农民习惯撒施肥相比，在减少17%左右氮肥用量条件下能获得相同的水稻产量。同时，还可节省人工成本和肥料投入3.16% ~ 4.53%，增加经济效益581 ~ 1440 元 hm−2，节本增效效益明显。因此，该技术的推广应用对推进我国水稻生产全程机械化、提高肥料资源利用效率具有重要意义。
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图 1 施氮量与水稻产量的关系
Figure 1. Relationship between nitrogen application rate and rice yield
表 1 试验方案
Table 1 Experimental design
地点
Place处理
Treatment施肥量（kg hm−2）
Fertilizer amount肥料施用方式
Fertilizing methodN P2O5 K2O 辽阳 CK 0 67.5 81 机插秧。过磷酸钙562.5 kg hm−2和氯化钾135 kg hm−2, 全部基施，均匀撒施地表后混拌于0 ~ 15 cm耕层 FP 251 67.5 81 机插秧。复合肥675 kg hm−2, 基施，均匀撒施整地混拌于0 ~ 15 cm耕层；返青肥、分蘖肥各追施氯化铵75 kg hm−2、225 kg hm−2 T1 230 67.5 81 机插秧。稳定性肥料675 kg hm−2，磷酸二铵0 kg hm−2,氯化钾0 kg hm−2，与插秧同步混匀侧深基施；分蘖期追施尿素120 kg hm−2 T2 214 67.5 81 机插秧。稳定性肥料600 kg hm−2，磷酸二铵16.2 kg hm−2，氯化钾15 kg hm−2，与插秧同步混匀侧深基施；分蘖期追施尿素120 kg hm−2 T3 198 67.5 81 机插秧。稳定性肥料525 kg hm−2，磷酸二铵32.5kg hm−2，氯化钾30 kg hm−2，与插秧同步混匀侧深基施；分蘖期追施尿素120 kg hm−2 T4 181 67.5 81 机插秧。稳定性肥料450 kg hm−2，磷酸二铵49.0 kg hm−2，氯化钾45 kg hm−2，与插秧同步混匀侧深基施；分蘖期追施尿素120 kg hm−2 盘锦 CK 0 67.5 81 机插秧。过磷酸钙562.5 kg hm−2和氯化钾135 kg hm−2, 全部基施，均匀撒施地表后混拌于0 ~ 15 cm耕层 FP 264 67.5 81 机插秧。复合肥675 kg hm−2, 基施，均匀撒施整地混拌于0 ~ 15 cm耕层；返青肥、分蘖肥各追施氯化铵75 kg hm−2、225 kg hm−2 T1 245 67.5 81 机插秧。稳定性肥料675 kg hm−2，磷酸二铵0 kg hm−2,氯化钾0 kg hm−2，与插秧同步混匀侧深基施；分蘖期追施尿素150 kg hm−2 T2 237 67.5 81 机插秧。稳定性肥料640 kg hm−2，磷酸二铵7.5 kg hm−2，氯化钾7 kg hm−2，与插秧同步混匀侧深基施；分蘖期追施尿素150 kg hm−2 T3 217 67.5 81 机插秧。稳定性肥料550 kg hm−2，磷酸二铵27 kg hm−2，氯化钾25 kg hm−2，与插秧同步混匀侧深基施；分蘖期追施尿素150 kg hm−2 T4 204 67.5 81 机插秧。稳定性肥料490 kg hm−2，磷酸二铵40 kg hm−2，氯化钾37 kg hm−2，与插秧同步混匀侧深基施；分蘖期追施尿素150 kg hm−2 T5 186 67.5 81 机插秧。稳定性肥料410 kg hm−2，磷酸二铵57.5 kg hm−2，氯化钾53 kg hm−2，与插秧同步混匀侧深基施；分蘖期追施尿素150 kg hm−2 
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表 2 机械侧深施氮对水稻产量及其构成因素及的影响
Table 2 Effects of mechanized side deep placement of nitrogen fertilizer on yield and the yield components of rice
地点
Place处理
Treatment有效穗数(104 hm−2)
Number of effective panicle穗粒数
Number of grain
panicle实粒数
Number of filled
grain panicle结实率(%)
Setting rate千粒重(g)
1000-seed weight产量(t hm−2)
Yield盘锦 CK 191.2 ± 10.2 d 89.2 ± 8.9 b 83.4 ± 7.9 b 93.5 ± 0.5 a 27.9 ± 0.3 a 4.4 ± 0.29 d FP 402.4 ± 7.7 a 121.7 ± 1.4 a 107.0 ± 1.4 a 87.9 ± 0.1 d 26.0 ± 0.3 d 11.2 ± 0.20 a T1 413.5 ± 6.7 a 120.5 ± 0.7 a 105.0 ± 0.6 a 88.1 ± 0.3 d 26.5 ± 0.1 c 11.5 ± 0.06 a T2 406.9 ± 3.6 a 119.7 ± 2.1 a 105.1 ± 1.6 a 91.6 ± 0.5 b 26.4 ± 0.1 c 11.4 ± 0.06 a T3 398.0 ± 10.2 a 120.0 ± 1.4 a 105.4 ± 2.6 a 89.5 ± 1.1 c 26.2 ± 0.4 cd 11.1 ± 0.06 a T4 340.1 ± 6.7 b 115.2 ± 5.0 a 105.3 ± 4.6 a 92.7 ± 0.4 a 26.3 ± 0.1 cd 9.6 ± 0.35 b T5 300.2 ± 11.6 c 113.6 ± 4.0 a 106.1 ± 4.4 a 93.4 ± 0.6 a 26.8 ± 0.1 b 8.3 ± 0.15 c 辽阳 CK 217.0 ± 4.5 d 112.0 ± 3.0 c 106.7 ± 1.5 c 92.9 ± 0.2 a 27.23 ± 0.10 a 6.13 ± 0.03 d FP 395.6 ± 6.8 a 137.3 ± 0.5 a 119.3 ± 1.5 b 86.9 ± 0.8 c 24.48 ± 0.03 d 9.21 ± 0.04 a T1 400.5 ± 6.1 a 138.0 ± 0.1 a 123.3 ± 1.5 a 89.4 ± 1.1 b 24.53 ± 0.03 cd 9.23 ± 0.07 a T2 399.3 ± 2.8 a 135.7 ± 0.6 a 122.3 ± 1.5 ab 90.2 ± 1.1 b 24.56 ± 0.02 cd 9.23 ± 0.04 a T3 381.0 ± 4.8 b 126.3 ± 1.5 b 123.6 ± 0.5 a 93.4 ± 1.1 a 24.59 ± 0.03 c 8.88 ± 0.09 b T4 366.5 ± 5.3 c 125.0 ± 1.0 b 123.6 ± 2.1 a 92.0 ± 0.8 a 25.11 ± 0.06 b 8.31 ± 0.14 c
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表 3 水稻产量构成因素对产量的通径分析
Table 3 Path analysis of yield components to yield
地点
Place产量构成因素
Yield component有效穗数
Number of effective panicles穗粒数
Number of grain panicles结实率
Setting rate千粒重
1000-seed weight产量
Yield盘锦 有效穗数 0.9889** 0.2248** −0.1817** −0.0440 0.9880** 穗粒数 0.6896** 0.3223** −0.1939** −0.0589 0.7592** 结实率 −0.7684** −0.2673** 0.2338** 0.0389** −0.7630** 千粒重 −0.4370 −0.1904 0.0913** 0.0996 −0.4365* 辽阳 有效穗数 0.1692** 0.2928** 0.0081 0.4519** 0.9220** 穗粒数 0.1535** 0.3227** 0.0117 0.4012** 0.8891** 结实率 −0.0952 −0.2622 −0.0144** −0.2521** −0.6238* 千粒重 −0.1393** −0.2359** −0.0066** −0.5489 −0.9307** 注：x1：有效穗数，x2：穗粒数，x3：结实率，x4：千粒重。**：极显著相关。*：显著相关。
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表 4 机械侧深施氮对水稻氮素利用率的影响
Table 4 Effects of mechanized side deep placement of nitrogen fertilizer on nitrogen utilization efficiency of rice
地点
Place处理
Treatment氮肥吸收
利用率
N recovery
efficiency
(%)氮肥农学
效率
N agronomic
efficiency
（kg kg−1）氮肥偏
生产力
N partial factor
productivity
（kg kg−1）氮素稻谷
生产效率
N grain production
efficiency
（kg kg−1）氮素干物质
生产效率
N biomass production
efficiency
（kg kg−1）氮素生理
利用率
N physiological
efficiency氮收获
指数
N harvest
index
（%）盘锦 FP 27.76 ± 1.06 d 13.85 ± 0.58 b 42.42 ± 0.71 d 56.94 ± 0.96 a 50.72 ± 1.03 a 49.87 ± 0.67 cd 69.00 ± 1.15 b T1 41.09 ± 1.26 b 16.08 ± 0.18 a 46.87 ± 0.24 b 51.24 ± 0.12 bc 45.50 ± 1.30 b 51.24 ± 0.12 ab 68.65 ± 1.24 b T2 42.43 ± 1.52 b 16.11 ± 0.04 a 47.94 ± 0.41 b 50.75 ± 0.85 c 44.81 ± 0.50 b 50.75 ± 0.85 bc 72.70 ± 0.94 a T3 48.95 ± 1.50 a 17.42 ± 0.68 a 52.18 ± 0.29 a 49.32 ± 0.77 d 44.15 ± 0.47 bc 49.32 ± 0.77 de 68.02 ± 1.29 cb T4 36.17 ± 2.35 c 9.89 ± 1.84 c 46.87 ± 1.85 b 48.49 ± 0.11 d 43.08 ± 0.96 c 48.49 ± 0.11 e 68.55 ± 0.37 b T5 19.00 ± 1.70 e 3.94 ± 1.09 d 44.50 ± 0.64 c 52.14 ± 0.68 b 45.16 ± 0.24 b 52.14 ± 0.68 a 66.02 ± 1.55 c 辽阳 FP 25.39 ± 0.91 c 12.27 ± 0.23 c 36.77 ± 0.16 e 56.60 ± 1.05 a 51.38 ± 0.88 a 48.34 ± 0.94 c 68.60 ± 1.25 b T1 35.83 ± 1.00 b 13.48 ± 0.38 b 40.01 ± 0.29 d 50.88 ± 0.39 b 46.21 ± 0.29 b 50.88 ± 0.39 a 68.17 ± 0.93 b T2 39.47 ± 0.64 a 14.50 ± 0.15 a 43.12 ± 0.19 c 50.33 ± 0.77 bc 45.81 ± 0.68 b 50.33 ± 0.77 ab 72.10 ± 0.86 a T3 41.16 ± 1.45 a 13.90 ± 0.50 b 44.96 ± 0.42 b 49.20 ± 0.36 cd 44.39 ± 0.51 c 49.20 ± 0.36 bc 67.86 ± 0.61 b T4 40.76 ± 0.90 a 12.37 ± 0.9 c 46.23 ± 0.77 a 48.44 ± 0.35 d 43.17 ± 0.25 d 48.44 ± 0.35 c 68.48 ± 0.24 b
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表 5 机械侧深施氮对经济效益的影响
Table 5 Effect of deep nitrogen application by mechanical side on economic benefit
地点
Place处理
Treatment经济产值
Output
（yuan hm−2）肥料成本
Fertilizer cost
（yuan hm−2）人工投入
Labor cost
（yuan hm−2）农机投入
Machining cost
（yuan hm−2）经济效益
Economic profit
（yuan hm−2）产投比
Output/Input盘锦 FP 31536 ± 526.8 a 3135 900 1950 25369 ± 527 b 4.24 ± 0.08 d T1 32149 ± 163.1 a 3135 300 1975 26739 ± 163 a 4.94 ± 0.03 b T2 31814 ± 273.9 a 3036 300 1975 26502 ± 274 a 4.99 ± 0.05 b T3 31706 ± 176.3 a 2783 300 1975 26648 ± 177 a 5.27 ± 0.04 a T4 26772 ± 1055.2 b 2614 300 1975 21883 ± 1055 c 4.48 ± 0.22 c T5 23174 ± 334.6 c 2390 300 1975 18509 ± 334 d 3.97 ± 0.07 e 辽阳 FP 25788 ± 111.1 a 3000 900 1800 20088 ± 111 b 3.53 ± 0.02 d T1 25844 ± 189.4 a 3075 300 1825 20644 ± 189 a 3.97 ± 0.04 c T2 25851 ± 116.9 a 2864 300 1825 20862 ± 116 a 4.18 ± 0.03 ab T3 24871 ± 234.2 b 2653 300 1825 20093 ± 234 b 4.21 ± 0.05 a T4 23247 ± 393.4 c 2443 300 1825 18679 ± 393 c 4.09 ± 0.09 b 注：普通复合肥4.2 元 kg−1（盘锦）、4.0 元 kg−1（辽阳），稳定性肥料4.2 元 kg−1，氯化铵1 元 kg−1，尿素2 元 kg−1，磷酸二铵4 元 kg−1，氯化钾2.6 元 kg−1，人工撒施底肥300 元 hm−2，人工追肥每次300 元 hm−2，农机整地900 元 hm−2，农机插秧及补苗900 元 hm−2(辽阳)，农机插秧及补苗1050 元 hm−2(盘锦)，侧深施肥装置折旧25 元 hm−2。
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