水稻机直播基肥正位深施对土壤养分的影响

徐秋月 沈明星 陆长婴 沈园 陆丽华 郁耀闯 董林林

关键词：施肥深度；水稻直播；正位施肥；土壤养分

我国是目前最大的水稻生产国，当前我国的水稻生产总量占全世界的35%[1-3]。水稻的生长状况与土壤养分供应有着极大的关系，土壤中养分供应状况能够影响作物对营养元素的吸收利用，进而影响作物的产量。而肥料是当前农业丰产的基本保障，也是影响土壤质量和获得粮食稳产、增产的关键因子[4]。化学肥料施用能够满足植物生长对营养元素的需求，但是也会对土壤养分产生重要影响。

目前，我国不少地区的水稻单产并不高，虽然化肥施用强度较大，但是化肥利用率并不高，这与化肥施用方式及土壤肥力等因素密切相关[5-6]。已有研究表明，发达国家肥料利用率达50%～55%，而我国的肥料利用率一般只有30%～35%，低于国外平均水平[7]。施肥过程中“重产量，高施肥”现象成为常态，且水稻生产中偏施氮肥[8]，忽视了化肥的均衡施用，导致土壤养分不均衡，土壤团粒结构变差，保水、保肥能力下降，制约着农业的可持续发展。为减少化肥施用量、改善农田土壤质量、提高作物产量，改变当前施肥方式势在必行。目前已有研究表明，采用肥料深施的举措有利于改善稻田土壤肥力，优化农田土壤养分循环，可为作物生长提供充足的养分供应和良好的生长环境，能够促进作物对肥料的吸收利用，提高肥料利用率，改善土壤理化性质，增加作物产量。侯坤等[9]研究结果表明，0～20cm耕层土壤中，肥料深施能有效提高潮砂田水稻土中的全氮、全磷含量，且当施肥深度小于10cm时，土壤全氮含量随施肥深度的增加呈增加趋势，全氮含量在施肥深度大于10cm时呈下降趋势，当施肥深度为10cm时，土壤中氮磷营养元素的利用率最佳。LIU等[10]研究认为，在水稻生长的不同阶段，依据土壤对氮肥吸收、利用的情况以及作物的产量，8～10cm为氮肥的最佳施用深度。陈亚宇[11]的研究表明，肥料深施可提高土壤的养分供应能力，随着施肥深度的增加，土壤当季和潜在的养分供应能力均有所升高，肥料施入深度为9cm时，土壤的供氮、供钾、供磷水平分别比不施肥和其他施肥处理有所提高。孙浩燕等[12]研究结果表明，在施肥深度为1、5cm处理下，土壤0～10cm深度内无机氮、速效磷、速效钾含量显著高于施肥深度为10、15cm的处理，使有效养分集中分布于土壤耕作层，利于水稻根系对养分的吸收利用，促进水稻的生长和养分的累积。舒时富等[13]研究结果表明，与面施相比，深施超级稻专用肥能显著增加土壤中有机质和氮、磷、钾养分及大团聚体组成，提高土壤脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性，增加水稻产量。随着土地流转和种粮大户的增多，进一步促进了水稻规模化、机械化种植，在劳动力紧缺且成本不断增加的影响下[14]，省工、省力、节本、增效的水稻机直播种植具有更广阔的应用前景。近年来，随着农业机械化水平的不断提高，智能化、多功能农用机器的开发与应用受到重视并开展了大量研究，而智能化一体机的推广应用对肥料减量施用和利用率提高意义重大。

农业生产中，基肥深施的效益与影响研究主要集中在化肥利用率、作物产量及土壤养分变化等方面[15-20]，但因研究地区耕作方式、作物品种、肥料种类、农艺技术、耕作时间、土壤类型和研究方法等因素的不同，各地区采用基肥深施的耕作方式所取得的增产效果和化肥利用率也不一样，适宜的施肥深度问题并未形成一致的结论。太湖地区水稻种植面积大，但由于长年化肥施用量大而利用率不高，导致太湖地区水稻土养分结构失调，成为制约当地农业高质量发展的重要限制性因子。基于此，本研究借助旋耕—灭茬—施肥—播种—开沟—镇压六位一体机进行机直播水稻基肥施入深度试验，实现化学肥料的精准施用，一次性完成水稻种植的全部环节，测定了5种不同施肥深度下水稻不同生育期土壤全氮、速效磷、速效钾等养分含量，对比研究基肥正位施入深度對抽穗期和成熟期土壤养分和水稻产量的影响，探索既能提高化肥利用率和水稻产量，又能增加稻田土壤养分储备的基肥合理施用深度，为提升水稻生产效益和培肥地力提供实践支撑和理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验于2019年在江苏省苏州市太仓市沙溪镇泰西村（31°33′N，121°1′E）进行。该区属亚热带季风气候，年均温15.3℃，年均降水量1017mm，土壤类型为黄泥土，土壤有机碳含量为13.59g/kg，全氮含量为1.25g/kg，全磷含量为0.52g/kg，有效磷含量为27.37mg/kg，速效钾含量为173.33mg/kg，碱解氮含量为117.55mg/kg，pH值为7.23。

1.2 试验材料

供试水稻品种为南粳46，由江苏省农业科学院粮食作物研究所选育，适种于江苏省太湖地区东南部。

1.3 试验设计

试验区耕作制度为稻麦轮作，稻麦秸秆均在作物收获时机械粉碎至5～10cm，翻耕还田，本试验开始前为冬闲休耕地。采用大田试验，将一整块试验田分为5小块，设置不施肥（CK）、基肥施入深度0、5、10、15cm等5个处理，对应的田块面积分别为1527、1527、2361、2368、1708m2。采用太仓项氏农机有限公司研发的施肥—播种—翻耕六位一体机进行基肥正位深施和水稻旱直播。

水稻于2019年5月28日播种，11月2日收获，生育期157d，播种量为干谷60kg/hm2，除对照外，各处理肥料、农药使用量一致，均为纯氮270kg/hm2、纯磷32.4kg/hm2、纯钾189kg/hm2。其中，氮肥的施用比例为基肥∶蘖肥∶穗肥=3∶4∶3，分蘖肥按4∶6分2次在2叶1心、3叶1心至4叶1心期施用，基肥为N∶P2O5∶K2O=20∶8∶14的复合肥，分蘖肥为含氮46%的尿素。水分管理为常规管理，前期保持1～3cm浅水、中期排水烤田、后期干湿交替，灌水后自然落干。

1.4 测定项目及方法

在水稻抽穗期和成熟期采集土壤样品，取部分新鲜样测定土壤含水量，剩余土壤样品于阴凉处风干后磨细过0.149、0.250mm筛后，用于测定土壤全氮、有机碳、pH、速效磷以及速效钾等理化性质，测定方法参考文献[21]进行。

在成熟期采集1m×1m样方的水稻样品，带回实验室于105℃杀青30min，80℃烘干至恒质量，测定成熟期水稻产量，并计算氮肥偏生产力。

氮肥偏生产力=水稻产量/施氮量（1）

1.5 数据分析

试验数据采用MicrosoftExcel2003软件以及SPSS26.0软件进行统计分析，采用LSD法在P<0.05水平上进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 基肥正位深施对土壤含水量的影响

图1显示，基肥施入深度对抽穗期和成熟期土壤含水量没有显著影响。在抽穗期，与不施肥处理相比，基肥施入深度为0、5cm时，土壤含水量分别增加0.42%、0.85%，基肥施入深度为10、15cm时，土壤含水量分别降低了8.42%、11.90%，当基肥施入深度为5cm时，土壤含水量增加最多，当基肥施入深度为15cm时，土壤含水量降低最多；在成熟期，与不施肥处理相比，基肥施入深度为0、15cm时，土壤含水量分别增加1.70%、2.16%，基肥施入深度为5、10cm时，土壤含水量分别降低了8.96%、1.33%，基肥深施15cm处理下土壤含水量增加最多，当基肥施入深度为5cm时，土壤含水量降低最多。

基肥不同施入深度下，对抽穗期和成熟期土壤含水量没有显著影响。总体而言，含水量随施肥深度的增加呈下降的趋势。出现这种现象的原因可能是，在不施肥的情况下，水稻生长相对缓慢，对水分的需求量也少，土壤含水量相对较高，而施肥为作物生长提供了更多的养分，特别是水稻根系的生长可以吸收更多的土壤水分，降低了土壤含水量；另一方面，不施肥和表施处理对土壤扰动小[22]，土壤孔隙小且相对紧实，土壤水分蒸發慢，因此，表层土壤含水量较高，而在基肥深施处理时，土壤相对松散，灌溉水分入渗深度相对较深，但土壤水分蒸发量增加，土壤含水量降低。

2.2 基肥正位深施对土壤全氮的影响

图2显示，基肥施入深度对抽穗期和成熟期土壤全氮含量的影响均不显著。在抽穗期，与不施肥处理相比，肥料表施（施入深度为0cm）的土壤全氮含量降低8.96%，基肥施入深度为5、10、15cm时，土壤全氮含量分别增加10.85%、14.39%和5.19%，基肥施入深度为10cm时，土壤全氮含量增加最多；在成熟期，与不施肥处理相比，基肥施入深度为0、10、15cm时，土壤全氮含量分别增加4.10%、1.28%、4.35%，基肥施入深度为5cm时，土壤全氮含量减少了1.27%，当基肥施入深度15cm时，土壤全氮含量最高，为1.36g/kg。除基肥表施下，水稻抽穗期土壤全氮含量比成熟期土壤全氮含量低5.44%外，其余各处理下水稻抽穗期土壤全氮含量均高于成熟期土壤全氮含量，分别高7.78%、17.87%、18.35%、8.52%，且在基肥深施5、10cm下，水稻抽穗期土壤全氮含量显著高于成熟期土壤全氮含量（P<0.05）。在不同基肥深施处理下，土壤全氮含量整体上均呈增加的趋势，出现这种现象的原因可能是由于氮肥本身的化学性质不稳定，具有挥发性、移动性强等特点，化肥深施减小了氮肥的直接挥发、随水流失、硝化脱氮等方面的损失[23-24]，更多的氮素残留并吸附在土壤中，土壤全氮含量增加。基肥深施5、10cm下，水稻抽穗期土壤全氮含量显著高于成熟期土壤全氮含量，可能是由于前期补充了分蘖肥，且以氮肥为主，土壤中的氮含量增多，抽穗期植株对氮素的吸收量下降[25]，土壤中全氮含量增加，而在成熟期，水稻的吸氮量增加，促使其根系伸长来获得土壤中相对充足的氮素养分[26]，并将营养物质转运至地上部分，从而使成熟期土壤全氮含量下降[15]。结合图2可知，基肥深施能够增加土壤的全氮含量，提高氮素的供应能力，其他相关研究也认为，基肥深施能减少氮素的损失，氮素利用率增加[27]。

2.3 基肥正位深施对土壤有机碳的影响

图3显示，基肥施入深度对抽穗期和成熟期土壤有机碳含量并没有显著影响。在抽穗期，与不施肥处理相比，基肥施入深度为0、10、15cm时，土壤有机碳含量分别增加了1.46%、15.76%、11.69%，基肥施入深度为5cm时，土壤有机碳含量降低了4.58%，当基肥施入深度为10cm时，土壤有机碳含量最高；在成熟期，与不施肥处理相比，基肥施入深度为0、5、10cm时，土壤有机碳含量分别降低了7.25%、8.11%、5.32%，基肥施入深度为15cm时，土壤有机碳含量增加了2.93%，在基肥施入深度为5cm时，土壤有机碳含量降低最多，土壤有机碳含量随基肥施入深度增加呈现出先降低后增加的趋势。除不施肥情况下，水稻抽穗期土壤有机碳含量比成熟期土壤有机碳含量低3.04%外，其余各处理下抽穗期土壤有机碳含量比成熟期土壤有机碳含量分别高6.17%、0.78%、18.66%、5.31%，且在基肥深施10cm下，抽穗期土壤有机碳含水量显著高于成熟期土壤有机碳含量（P<0.05）。出现这一现象的原因可能是一方面随着肥料的深施，表面作物根茬和枯枝落叶等来源的有机碳物质被翻耕到下层，减弱了其矿化分解，从而形成更多的土壤有机质；另一方面肥料深施增大了土壤孔隙度，土壤透气性增强，改善了土壤的水、气、热状况，促进了作物根系生长，并增加了土壤微生物数量[28]，微生物死后其残体进一步积累，不仅增加了土壤有机碳含量，还有助于提升有机碳稳定性[29]。

2.4 基肥正位深施对土壤pH的影响

图4显示，基肥施入深度对抽穗期土壤pH影响不显著，但对成熟期土壤pH影响显著（P<0.05）。在抽穗期，与不施肥处理相比，基肥施入深度为0、5、10cm时，土壤pH分别增加3.61%、0.70%、1.17%，基肥施入深度为15cm时，土壤pH降低了2.25%，在基肥施入深度为0cm时，土壤pH最高，在基肥施入深度为15cm时，土壤pH最低。在成熟期，与不施肥处理相比，基肥施入深度为0、5、10、15cm时，土壤pH分别增加了1.60%、7.00%、4.12%、3.66%，当基肥施入深度为5cm时，土壤pH最高，土壤pH随基肥施入深度增加呈现先增加后降低的趋势。在各处理下，成熟期土壤pH比抽穗期土壤pH分别高2.63%、0.63%、9.04%、5.61%、8.83%，且在基肥施入深度为5、10、15cm时，成熟期土壤pH显著高于抽穗期土壤pH（P<0.05）。基肥施入深度对土壤pH变化产生重要影响，出现这种现象的可能原因有：一方面，基肥深施可促进作物对肥料的充分吸收，减少氮素流失与残留，减轻土壤酸化，使土壤pH维持在相对较高的水平；另一方面，水稻生长过程中，根系分泌的离子、有机酸、氨基酸等物质降低了土壤pH，从而使土壤的pH下降[30]，但随着水稻生长对化学氮素吸收量的增加，残留在土壤中氮素不断减少，土壤pH升高。另外，稻田干湿交替的淹水环境，影响了土壤的氧化还原反应，会使土壤pH上升[31]。

2.5 基肥正位深施对土壤速效磷和速效钾的影响

图5显示，施肥深度对抽穗期和成熟期土壤速效磷含量影响不显著，但对抽穗期土壤速效钾含量影响显著（P<0.05），对成熟期土壤速效钾含量影响不显著。在抽穗期，与不施肥处理相比，基肥施入深度为0、5、10、15cm时，土壤速效磷含量分别降低了4.17%、16.09%、15.95%、26.63%，基肥施入深度为0cm时，土壤速效磷含量降低最少，而在基肥施入深度为15cm时，速效磷含量降低最多，且土壤速效磷含量随施肥深度增加呈下降趋势；在成熟期，与不施肥处理相比，基肥施入深度为0、15cm时，土壤速效磷含量分别增加8.81%和5.50%，基肥施入深度为5、10cm时，土壤速效磷含量分别降低了10.33%和19.31%，基肥施入深度为10cm时，土壤速效磷含量降低最多，而在基肥施入深度为0cm时，土壤速效磷含量增加最多。在不同施肥水平下，水稻成熟期土壤速效磷含量分别比抽穗期高32.26%、50.17%、41.34%、26.96%、90.17%，其中在表施和深施15cm处理下，水稻成熟期土壤速效磷含量显著高于抽穗期土壤速效磷含量（P<0.05）。

由图5可知，在抽穗期，与不施肥处理相比，基肥施入深度为0、5、15cm时，土壤速效钾含量分别增加了3.60%、9.20%和6.91%，基肥施入深度为10cm时，速效钾含量降低7.41%，基肥深施5cm时，土壤速效钾含量增加最多；在成熟期，与不施肥处理相比，基肥施入深度为10cm时，土壤速效钾含量增加2.10%，基肥施入深度为0、5、15cm时，土壤速效钾含量分别减少21.69%、9.75%和4.92%，基肥表施土壤速效钾含量显著降低（P<0.05），不同施肥深度下，抽穗期和成熟期土壤速效钾含量的变化趋势相反。当基肥施入深度10cm时，抽穗期土壤速效钾含量比成熟期土壤速效钾含量低5.75%，不施肥及基肥施入深度为0、5、15cm的各处理中，抽穗期土壤速效钾含量分别高于成熟期4.11%、27.51%、20.75%、14.71%，且在基肥深施5cm时，抽穗期土壤速效钾含量显著高于成熟期土壤速效钾含量（P<0.05）。

施肥深度对抽穗期和成熟期土壤速效磷含量影响不显著，基肥施入深度对抽穗期土壤速效钾含量影响显著，对成熟期土壤速效钾含量影响不明显。在抽穗期，土壤速效磷含量随施肥深度的增加呈逐渐降低的趋势，原因可能是施入农田的磷肥在土壤中移动性差且易被吸附在表土层，施肥深度的增加有利于作物对磷酸盐的吸收，使土壤根系比例增加，致使土壤中的有效磷含量下降[32-34]。在成熟期，基肥施入深度為0、15cm时，土壤速效磷含量增加，基肥施入深度为5、10cm时，土壤速效磷含量降低。在抽穗期，与不施肥处理相比，基肥施入深度为0、5、15cm时，土壤速效钾含量均增加，基肥施入深度为10cm时，速效钾含量降低；在成熟期，基肥施入深度为10cm时，土壤速效钾含量增加，基肥施入深度为0、5、15cm时，土壤速效钾含量减少，这与植株在不同土层对磷、钾素的吸收利用以及元素自身特性密切相关[15]。

2.6 基肥正位深施对水稻产量和化肥利用率的影响

水稻产量对土壤不同施肥深度的响应是不同的。图6显示，水稻产量在各施肥深度处理下差异不显著，不同施肥深度对土壤氮肥偏生产力有显著影响（P<0.05）。本研究中各处理水稻产量为7.90～9.48t/hm2，基肥施入深度处理为0、5、10、15cm的水稻产量分别比不施肥处理的水稻产量增加4.99%、5.81%、19.92%、7.78%，施肥深度为10cm时水稻产量最高，且明显高于其他处理，说明基肥施入深度10cm是最有利于水稻生长发育和产量形成的施肥深度。随着施肥深度的增加，水稻的产量呈现先增加后下降的趋势，说明合理增加施肥的深度，更有利于作物吸收营养物质，促进生长，提高产量。姜恒鑫等[35]的研究结果表明，在总施氮量相同的处理下，采用缓释尿素侧深施用能够促进水稻生长，显著提高水稻品种。因此，从增加水稻产量和提高土壤养分含量的角度考虑，基肥施入的最合理深度为10cm，其他相关研究也认为基肥施入深度为10cm较为适宜[3，9]。

氮肥偏生产力随基肥施入深度增加呈先增加后减小的趋势，10cm深施处理的氮肥偏生产力明显高于表施和深施5cm，且氮肥偏生产力最高时的基肥施入深度为10cm（图6）。与基肥表施相比，基肥深施提高了氮肥偏生产力，增加幅度为0～0.13%，其中基肥施入深度为10cm时，增加幅度最高，说明适当增加基肥施入深度有利于提高氮肥偏生产力，提高水稻产量。适宜的施肥深度对肥料利用率的影响，直接关系水稻根系的生长，进而影响作物的生物量和产量[36]。侧深施肥可有效提高水稻干物质积累量，特别是拔节后的氮素积累量，从而提高了作物经济产量和氮素偏生产力[37]。综合而言，当基肥施入深度为10cm时，有利于提高氮肥偏生产力和化肥的利用率，增加作物产量。

3 结论

施肥深度关系到土壤养分状况、作物的生长和产量及肥料的利用率，对节约种植成本和保护环境具有重要意义。使用现代化智能旋耕—灭茬—施肥—播种—开沟—镇压六位一体机进行基肥深施对土壤营养元素和水稻产量产生重要影响。在本研究中，基肥施入深度对抽穗期和成熟期土壤含水量、有机碳含量无显著影响；基肥施入深度对抽穗期和成熟期土壤全氮含量也无显著影响，但总体上土壤全氮含量随施肥深度增加而增加；基肥施入深度对成熟期土壤pH的影响要大于对抽穗期土壤pH的影响，且在各基肥施入深度下，成熟期土壤pH均高于抽穗期土壤pH；基肥施入深度对抽穗期和成熟期土壤速效磷含量无显著影响，对抽穗期土壤速效钾含量影响显著，对成熟期土壤速效钾含量影响不明显，基肥施入深度为10cm时，水稻产量和氮肥偏生产力达到最大。适当增加基肥施入深度能够降低土壤中氮、磷、钾营养元素的损失，提高土壤中氮、磷、钾等营养元素利用率，有利于培肥土壤，能够提高化肥利用率，增加作物产量。通过对不同施肥深度下土壤中养分含量、水稻产量及化肥利用率等指标的综合评价，基肥施入深度为10cm是太湖地区水稻生产相对适宜的深度。