水稻（Oryza sativa L.）作为我国主要的粮食作物之一，其产量和质量在确保我国粮食安全方面发挥着至关重要的作用^[1-2]。施肥是提高水稻产量的重要措施之一^[3]，施肥不仅对水稻生长发育具有积极影响，还在维护农业可持续性和粮食生产稳定性方面扮演着不可替代的角色。然而，我国水稻施肥方式常为人工撒施，然后通过耕整地将其翻扣于土壤深层，这种施肥方式不仅施肥量大，而且撒施容易造成施肥不均匀，影响水稻秧苗的生长进而影响其产量^[4]，这种做法还造成肥料利用率低，影响经济效益。此外，随着农村劳动力的转移，逐渐规模化经营条件下，生育期追肥依靠人工撒施已不适用^[5]，对施肥的机械化要求也越来越高^[6]。因此，深入研究和采用先进的施肥技术，以最大程度提高水稻产量，对确保我国粮食供应的稳定性和可持续性具有重要意义。

水稻侧深施肥技术作为一项有效的栽培手段，近年来引起了广泛的研究兴趣^[7-12]。该技术通过在插秧机上加装侧深施肥装置，在机插秧的同时，把肥料均匀、定量地施入秧苗根侧 3～5 cm、深度 4～6 cm 的位置，并覆盖于泥浆中，避免肥料漂移，促进秧苗根系对养分的吸收^[13]。与传统的水稻栽培施肥模式相比，水稻机插秧同步侧深施肥技术通过在插秧的同时进行施肥，可以更为精确、高效地为水稻提供所需养分。这一技术的引入，旨在实现对水稻生长全过程中养分供应的科学管理，以提升水稻的生长发育效果，增加产量。近年来，通过深入研究该技术在水稻生产中的应用，已经明确该技术较传统施肥技术有提高产量^[14-15]、提高养分利用效率^[16-19]、减少环境污染^[11]、提高经济效益^[20-21]等方面的潜在益处。本文通过对已有文献的梳理，总结出该技术近年来在国内外的发展、核心技术要点（机械与肥料）及其施用效果（水稻产量、稻田环境、肥料利用率、经济效益），最后根据目前侧深施肥研究的现状，探讨未来该领域的研究方向和发展趋势，为该技术的发展和实践提供有益的参考。

1 水稻侧深施肥技术发展历程

水稻机械化生产技术在全球主要有两大类型：一类主要是以欧美为代表采用的直播机械化栽培技术，另一类是日本等国家采用的移栽机械化栽培技术^[7]。其中日本秋田县早在 1973 年开始了侧深施肥的相关研究，而后在 1980 年开始进行推广示范，引入机插秧侧深施肥机械^[22]，随着技术普及范围的扩大，推广面积也逐步提升，1985 年推广面积达 3559 hm^2[23]，1992 年，日本全国机插秧同步侧深施肥水稻面积已经达到 247306 hm²，占日本全国水稻种植面积的 12%^[24]。2010 年超过 40% 的插秧机都安装了施肥装置^[25]。

我国关于水稻侧深施肥技术的研究较早，早在 20 世纪 60 年代中期开展了大量的研究，并研制出多种水田深施肥机具，但是由于机械配套原因及作业效果不理想而未能大面积推广^[4，26-28]。1994 年，黑龙江省水田机械化研究所引入了水稻侧深施肥器，并在省内展开示范推广，一系列试验和示范表明，该技术有节肥增产的优势，因此，在 50% 的插秧机上都配置了侧深施肥器，截至 2000 年，累计推广面积达 36.8×10⁴ hm^2[4，28-30]。自 2012 年以来，通过在现有的乘坐式高速插秧机上配置侧深施肥装置或整机购买等技术方案，成功解决了施肥机械配套的难题^[31]。2014 年，有研究者开始比较不同厂家的肥料侧深施肥效果^[32]，并在水稻基、蘖肥同时施用的基础上开展肥料梯度减量试验，结果表明，降低 10% 的肥料施用量仍能达到增产增收的目的^[33-34]。2018 年，该技术被农业农村部列为 10 项重大引领性农业技术之一，也是化肥减量增效的主推技术之一，并且近年来在全国各地积极开展推广示范。

2 水稻侧深施肥机械

侧深施肥机械的原理是肥料在肥箱内由槽轮等排肥器将之排到输肥管中，然后在风机的吹动下或者在螺旋装置的强制输肥作用下将肥料施入开沟器已开出的特定深度土壤施肥沟中，肥料在水稻根系附近形成一条贮肥库，从而实现施肥插秧同步进行。早在 20 世纪 60 年代，我国便已成功研制出多种水田深施肥料机具，然而作业效果并不理想，因而难以广泛推广和应用^[35]。1976 年，辽宁省营口市农业机械化科学研究所对辽河 77（2F6-2）型深层施肥机进行了水稻插前深施肥和追肥的试验，结果表明，该机械在作业中展现出了显著的增产效果^[35]。1980 年左右，福建省农业科学院研制出了 2DS-2 型水田化肥深施机，该机具内部配备了螺旋搅龙，通过螺旋搅龙的推动作用，化肥能够顺利落入肥沟内，从而有效改善了化肥堆积导致的架空现象，并消除了化肥遇水潮解引起的落肥口堵塞问题。然而，由于化肥仍然会粘在螺旋搅龙的叶片上，影响了化肥颗粒的下落效果，因此，该机具并未得到大范围的推广和应用^[36]。1997 年，吉林省四平市农业机械化研究所研制的 2BF-630 型水田深施肥机，具备一机多用的优点，不仅可以用于水田深施底肥，还可以用于旱田施肥及追肥^[37]。2001 年，南京农业大学研制出了 1GH-6 型水稻肥料深施机，该机具运行稳定、施肥均匀度高，但结构复杂、成本高^[38]。由于各种原因，当时我国的水稻侧深施肥机械并未实现大面积推广，相反，日本对机械移栽和机械施肥的装置进行了大量研究，并将系列产品实现了产业化，其中以洋马、东风井关、久保田等企业为代表，设计并生产了一系列水稻侧深施肥装置。近年来，随着水稻侧深施肥技术的不断发展，国内对水稻侧深施肥机械也有很多的研究与实践，如苏州久富农业机械有限公司、南通富来威农业装备有限公司等企业也设计、改进并生产了系列水稻侧深施肥装置。据王晓丹等^[9]不完全统计，截至 2020 年，全国生产水稻侧深施肥装置的企业有 36 家（包括国外在华企业），机型达到 50 余个。表1 列举了国内外生产侧深施肥机械公司的代表产品，通过各公司官网及农机网等渠道总结了这些产品的主要技术参数与机械特点。此外，我国关于侧深施肥机械的质量也制定了相关标准，根据《施肥机械质量评价技术规范》（NY/T1003— 2006），测试机械在排肥时施肥机各行排肥量的一致性、稳定性、均匀性及断条率等指标均应满足相应规定。

由于水田作业环境潮湿，而侧深施肥过程中开沟器和深施肥管在泥水中运动，如果单独依靠无动力侧深施肥（槽轮等形式排肥，依靠肥料自身重力落入施肥沟），则会因肥料易遇水潮解、施肥管口易被泥水堵塞等问题导致下肥不准、肥料断条，从而影响施肥作业质量^[7]。因此，有学者开展了有关侧深施肥机械的核心部件中输肥动力装置的相关研究，该装置按输肥动力方式可分为螺旋杆推送式和气吹风送式两种类型^[9]。但这两种输肥装置也各有其优缺点（表2），由于气吹风送式侧深施肥装置对肥料性能的要求较低，因此，目前市面上常见的机械大部分搭载的是以风机为动力的输肥器。但是侧深施肥作业过程中仍有肥料堵塞等问题存在，为了解决输肥管中的肥料堵塞及施肥量不稳定问题，我国的部分学者也对侧深施肥的部件进行了研究与改进。陈长海^[39]对水稻插秧机侧深施肥技术及装置进行了研究，设计出螺旋搅龙强制排肥器。左兴健等^[40]研制了风送式水稻侧深精准施肥装置，通过鼓风机强制气吹输送肥料，施肥深度及肥料距秧苗之间的距离可通过排肥口与滑动板之间的距离进行调整。王金峰等^[41-42]设计了叶片调节式和气力输送式水稻侧深施肥装置。但是肥料落入施肥沟后，施肥沟无法快速弥合而导致出现肥料漂浮在水面的现象，因此，通过安装在插秧机浮板上的覆土板及时将施肥沟弥合，从而解决肥料漂浮的问题^[43]。此外，肖伟^[44]在施肥器上搭载传感器与报警装置，对肥箱进行监控。由于在操控机械时施肥量可能会与机械手的操作熟练程度有关，有研究在高速插秧机上同时搭载 GPS 系统，计算车速从而调节施肥量，保证机插秧侧深施肥精准度^[40]。目前与侧深施肥机械相匹配的肥料主要是固体颗粒等肥料，而针对液态肥料，杨秀丽等^[45]设计了滑刀开沟-气力引射式液肥雾化侧深施肥装置，为水田液肥侧深施技术的应用提供参考。

3 水稻侧深施肥肥料

适宜的肥料是水稻侧深施肥技术的关键，一方面因为肥料的物理及力学特性是设计侧深施肥机械中排肥部件的重要参数^[35]；另一方面则是因为水田施肥作业环境潮湿等特点需要肥料有更好的吸湿性、硬度及养分配比等。首先，物理特性包括颗粒肥料的千粒重、三维尺寸、密度、休止角，而力学特性包括滑动摩擦角、静摩擦系数以及碰撞恢复系数。颗粒肥料的三轴尺寸决定了其外形尺寸，对施肥机关键部件的设计具有重要影响，并为后续的离散元仿真试验中建立颗粒肥料模型提供了参考依据。测量结果显示，史丹利三轴尺寸主要分布在 2～3.5 mm 范围内，其球形度达到 0.95，表明颗粒肥料具有较好的球形度^[48]。颗粒肥料的密度对施肥机的肥箱结构设计产生显著影响，由于颗粒肥料外形呈不规则球体，堆积时形成间隙，因此，密度可分为实际密度和堆积密度。实际密度是指除去颗粒肥料堆积时的间隙后，单位体积下的颗粒肥料质量；而堆积密度则包括颗粒肥料堆积时存在的间隙，单位体积内的颗粒肥料质量，为施肥机肥箱设计提供了参考依据。在施肥机排肥的过程中，颗粒肥料与排肥轮、肥箱等结构发生碰撞，因此，需要测量颗粒肥料与这些结构之间的碰撞恢复系数，为后续的离散元仿真试验提供参数，以使仿真结果更贴近真实情况，并为施肥机的研制提供参考。颗粒肥料与材料表面的接触性质可通过颗粒肥料的摩擦系数来表现，同时这一参数也可为离散元仿真试验提供设置依据，为风送式水稻侧深施肥装置的设计提供支持^[48-49]。

当前，水稻侧深施肥技术所用的肥料类型主要包括普通复合肥和缓控释肥料，然而，普通复合肥常因缺乏包膜而在机械施肥过程中容易吸湿，导致输肥管堵塞^[44]，一定程度上影响了施肥作业的效率，而缓控释肥料有较低的吸湿性，可能更适合用于侧深施肥。缓控释肥料是指通过各种方式使养分按照植物生长发育期对养分的需求而释放的肥料^[50]，目前，我国主要采用硫包衣肥料、树脂包膜肥料、合成型微溶态脲醛类缓释肥料和包裹型肥料等多种包衣类型的缓控释肥料^[51]。水稻侧深施肥技术结合缓控释肥料，不仅减少了施肥次数，还提高了肥料利用率，从而实现了产量和经济效益的双重提升^[14]。近年来，许多企业针对水稻侧深施肥技术的特定需求，研发设计了水稻侧深施肥专用缓控释肥料，如茂施农业科技有限公司研发设计了“稻坚强”水稻侧深施肥专用肥。然而，肥料的物理性质如硬度和粒径等也对施肥效果有不可忽视的影响 （表3）。如硬度较低的肥料在输肥过程中容易被挤碎，且机械对肥料的粒径等指标也有要求。王晓丹等^[9]对我国 15 家肥料公司生产的肥料产品的性质进行了研究，具体包括缓控释肥料、掺混肥、专用肥、复合肥，研究结果表明，2～5 mm 粒径的比例占 93.26%～99.81%。此外，掺混肥在生产、运输、使用过程中容易导致肥料分布不均匀，很大程度上影响使用效果，而基础肥料颗粒的平均主导粒径和休止角是影响掺混肥养分分离的主要因素，原料肥平均主导粒径值在 340～348 mm 较适宜掺混，休止角越小掺混后养分分布越均匀，实际生产过程中，应选用颗粒相似、休止角间差异小的原料肥进行掺混，可有效提高肥料产品施用的精准度^[52]。

4 水稻侧深施肥技术效果

许多研究表明，水稻侧深施肥技术较常规撒施有促进水稻生长发育、提高水稻产量、减少农业面源污染、提高经济效益等优点（图1）。

注：参考改编自 Li 等^[14]；实线箭头连接代表正向效应（增加、改善），虚线箭头连接代表负向效应（降低、减少）。

4.1 产量

研究表明，缓释肥侧深施用较常规施肥可改善根系形态、结构和生理特征，增强根系吸收养分和水分能力，防止后期植株早衰，从而提高水稻产量，达到提高肥料利用效率，实现减氮增产的目的^[53]，机插秧侧深施氮下，水稻秧苗机插后未明显变黄，直接扎根生长，促进了返青进程^[33，54]。并且在分蘖盛期能提高水稻的分蘖数^[19]，为后续的高有效穗数奠定了基础。侧深施肥处理可提高叶面积指数、叶绿素含量、养分吸收、干物质量积累和每平方米颖花数来提高早、晚稻的产量^[21]。王贵兵^[19]通过多点、多品种的试验得出结论，侧深施肥较常规施肥主要通过增加有效穗数与每穗粒数来增加产量。此外，侧深施肥很大程度上能减少氨挥发，进而提高氮肥利用率^[14]，因此，该技术还有很好的节肥增产效应，但具体的肥料减施量尚存争议，有研究表明，减施化肥 10%～20% 仍可以使单季稻增产或平产^[19]，而 Zhong 等^[21]研究表明，减氮 10%～40% 处理的早、晚稻产量均高于常规施肥处理。

4.2 氨挥发及温室气体排放

常规的氮肥（如尿素、硫铵）施入土壤，尤其是过量施用的情况下，很容易通过挥发、硝化、反硝化或淋溶的方式以氨（NH₃）、氧化亚氮（N₂O）、硝态氮（NO₃^--N）的形式损失^[55-57]。这不仅造成肥料利用率低，而且 N₂O等温室气体排放也对环境有负面影响。侧深施肥对环境的良好效应主要表现在两方面，一是肥料深施；二是施用缓控释肥料。肥料深施较常规撒施能降低氨挥发损失量，早稻季和晚稻季氨挥发损失累积量较常规撒施处理分别降低了 18.6%～26.9% 和 20.1%～21.8%，这是因为常规撒施处理的田面水中 NH₄ ⁺-N 的含量更高^[16]，只种植一季中稻时，侧深施肥处理氨挥发损失累积量较常规撒施处理降低了 39.43%～47.77%，同时氨挥发的最大峰值也会向后推移，这是因为侧深施肥处理肥料的氮素从土壤中迁移到田面水并溶解在田面水中需要经历一段时间^[19]。施用缓控释肥料是减少温室气体排放的有效途径之一^[56]，与常规撒施相比，早稻季施用控释尿素及减施 10%～30% 控释尿素处理的 CH₄ 排放总量减少 7.2%～28.7%，N₂O排放总量降低 2.1%～28.6%；晚稻季 CH₄ 排放总量减少 14.5%～39.5%，N₂O 排放总量降低 13.8%～25.0%^[58]，这可能是因为控释氮肥释放无机氮的速率慢，减少了淹水期闭蓄态 N₂O 的形成，因此，晒田期从稻田细缝中排放的 N₂O 量减少^[59]。

4.3 肥料利用率

水稻机插秧同步侧深施肥技术通过将肥料直接施于插秧一侧，为水稻植株提供了更为精确的氮素供应^[17]。植物对氮的吸收是生长发育的关键过程，而该技术精准地将氮素深施于植株根系附近，使得水稻能够更及时、更充分地吸收所需氮素，有助于减少氮素的流失和浪费，提高了氮素的利用效率^[18]。另外，施用缓控释氮肥是水稻机插秧同步侧深施肥技术中的关键环节之一，利用缓控释氮肥的特性，使得植株能够在整个生长季节中获得适量的氮素供应，避免了氮素在短时间内大量释放导致的浪费，通过延缓氮素的释放速度，减少前期氮投入能有效提高氮素利用率^[60-62]。关于一次性侧深施基肥与基追结合对肥料利用率的影响尚存争议，如王晓丹等^[9]研究表明，一次性侧深施用氮肥可显著提高氮利用效率；侧深施肥后追施氮肥的增产增效作用与一次性侧深施肥相比差异不显著或小幅降低。然而，黄恒等^[63]研究表明，相对于一次性侧深施肥，侧深施肥结合后期追肥会使水稻获得更高的氮利用率。这可能是由于水稻在我国种植区域辽阔，而各地土壤肥力差异较大以及水稻类型及不同种植模式等原因导致水稻氮利用率响应特征不同^[15，62]。

4.4 经济效益

缓控释肥料与侧深施肥技术相结合能降低施肥作业成本、提高肥料利用率、提高水稻产量、增加水稻生产效益，但是缓控释肥料的价格往往较普通复合肥和尿素等速效肥料高，这影响了农户对侧深施肥技术的认可及应用^[9，14]。因此，在不影响水稻产量的前提下，选择适合一次性施用的肥料来减少施肥次数、减少氮肥用量是提高经济效益的关键。Zhong 等^[21]研究表明，侧深施肥减氮 20%～30% 时，双季稻水稻籽粒的产量和净收益均高于全量肥料侧深施用处理，是一个实现水稻增产增收的选择；侧深施肥处理较常规施肥处理经济效益提高了 9.9%～31.8%，不同试验点的提升幅度不同。而叶鑫等^[20]研究表明，侧深施肥在减少 17% 左右的施氮量下能与常规撒施肥料获得的产量相当；并且侧深施肥能节省人工成本和肥料投入 3.16%～4.53%，增加经济效益 581～1440 元 /hm²。Li 等^[14] 通过荟萃分析表明，肥料深施较常规撒施使水稻总产出和净经济效益分别提高了 13.6% 和 11.5%。综上，侧深施肥具有良好的减肥增产增收效应^[64]，但该良好效应会因种植区域土壤理化性质、水稻类型及种植模式有所差异^[15]。因此，需根据种植区域、水稻品种及种植模式等条件来合理确定肥料减施量，以达到减肥、增产增收的目标。

5 展望

水稻侧深施肥技术在推动水稻轻简化生产、化肥减量增效行动中发挥了积极作用，然而，目前仍然存在一些问题需要解决，并在未来进行更深层次的研究与发展。

（1）水稻侧深施肥技术的系统化研究。当前对水稻侧深施肥技术的研究主要集中于对水稻产量及效益方面，关于该技术对“土壤-植物-环境”的整体系统研究较少，并且关于该技术的长期定位监测效果评估也甚少。因此，今后可以加强关于该方面的研究，进一步探究明确水稻侧深施肥技术的整体效果及高产的生理机制等。

（2）侧深施肥与节水灌溉的结合应用。侧深施肥通过优化养分管理，有节本增效增收等作用。但是除了养分管理，水分管理也是水稻生产实践中的一个重要因素。如选用浅湿灌溉的节水灌溉模式能提高节水率并增加稻谷产量^[65]。但是目前在水稻侧深施肥实践中，水分管理通常是常规漫灌，因此，研究节水灌溉与施肥管理等管理措施的综合效应是一个重要方向。

（3）提高农机农艺结合程度。绝大多数农艺研究集中在如何提高作物产量，农艺研究人员对农机具的性能及作业特点了解不多，提出的农艺技术模式常常忽视农机作业的可行性，这对农机制造和推广应用造成一定困难^[5]。因此，未来的发展应当注重农艺农机的综合管理，并加强科研成果与实际生产之间的融合度，以确保技术的有效推广。

（4）加强对适宜性质的肥料与侧深施肥机具相匹配的研究。通过田间试验、土壤测试与分析以及作物生长监测等手段，可以精确掌握不同区域土壤养分状况及作物生长特性，进而筛选出适宜的肥料性质、种类和配比；针对肥料性质及不同地区农业生产的实际情况，设计能适应不同土壤质地、稻田作业环境以及能满足所需施肥深度、效率要求的机具。此外，应在不同区域之间展开联合攻关研究，促进不同地区在肥料与机具匹配研究方面的交流与合作，这有助于汇聚不同区域优势资源，共同攻克技术难题，对提升施肥效果与农业生产效益、推动农业现代化具有重要意义。

参考文献