在中国，侧深施肥能够提高水稻产量和养分利用效率：一项荟萃分析

《European Journal of Agronomy》：Side-deep fertilization increases rice yield and nutrient use efficiency in China: A meta-analysis

本研究通过系统综述85篇中国研究，发现侧深施肥（SDF）显著提高水稻产量4.8%，氮肥利用率21.4%，减少甲烷排放12.8%和氨挥发42%，但氧化亚氮排放无显著影响。土壤条件和施肥管理是主要影响因素，当氮磷施用量≤150kg/ha和≤60kg/ha时效益最大，施肥深度>100mm且土壤养分低时效果更佳。结论指出SDF在提升产量和减少环境影响方面具有可持续价值

　　

袁凯琴|李金涛|陈子芳|马晓伟|理查德·W·贝尔|曹旭贤|侯俊

中国长江大学农业学院，农业部与湖北省共建的“长江中游可持续作物生产重点实验室”，荆州

摘要

提高水稻生产的养分利用效率和减少劳动力需求是亚洲各国的高度优先事项。在距水稻植株50–100毫米深度处施用肥料（称为侧深施肥，SDF）是一种有前景的替代传统施肥方法，可以减少化学肥料的使用量，提高肥料利用效率，缓解劳动力短缺问题，并实现清洁、简单的水稻生产方式。然而，SDF提高产量的潜力及其影响因素尚不明确。在本研究中，我们综合分析了中国85项研究，评估了SDF对水稻产量、品质、养分利用效率以及温室气体排放的影响，并探讨了不同土壤环境和施肥管理措施对这些指标的影响。结果表明，SDF使水稻产量增加了4.8%，氮素利用效率（NUE）提高了21.4%，同时减少了CH₄排放量12.8%和NH₃挥发量42.0%，但对N₂O排放量没有显著影响。随机森林分析显示，土壤条件（pH值、总氮、有效氮和有效磷）以及具体的施肥方式（用量和深度）是决定SDF效果的最重要因素。当氮肥施用量≤150公斤/公顷时，产量（增加9.2%）和氮素利用效率（增加20.6%）的提升最为显著；当磷肥施用量≤60公斤/公顷时，SDF使水稻产量（增加7.4%）和磷素部分因子生产力（PFP_P）（增加7.2%）。总体而言，当施肥深度超过100毫米且土壤养分含量较低时，SDF对水稻产量和养分利用效率的提升更为明显。因此，SDF能够在较低的环境成本和肥料用量下提高水稻产量，对于粮食安全和可持续生产具有重要意义。

引言

养分管理对作物系统的生产力、盈利能力和环境可持续性至关重要，尤其是对于亚洲的主要粮食作物——水稻（Oryza sativa L）。为了实现高产量，中国的平均氮肥施用量达到209公斤/公顷，比世界平均水平高出90%（Chen等人，2014年，IFA，2022年）。然而，过量施用化学肥料不仅会增加农业生产成本和资源浪费，还可能破坏土壤结构，加速土壤酸化，从而降低耕地的产量潜力（Wang等人，2022a）。此外，不当的养分管理还会导致地下水污染（Ke等人，2018年）、富营养化（Li等人，2021a）和温室气体排放（Zhong等人，2021a）。因此，高产目标需要与更高的肥料利用效率相结合（Zhang等人，2008年）。

目前，农民传统的施肥方式（FFP）仍然在中国普遍采用，即将化学肥料施用于土壤表面或附近（Liu等人，2015a）。然而，这种方法无法确保作物有效吸收养分，通常需要多次追加施肥，导致资源浪费，因此是效率最低的水稻生产方式（Adviento-Borbe和Linquist，2016年）。侧深施肥（SDF）是一种有效的肥料管理技术，可以替代传统的施肥方法（Chen等人，2022年；Min等人，2021年）。在移栽水稻秧苗时，使用相应的农业机械将颗粒肥料定量、精确地施用于特定深度和距离种植行的侧向位置。这种方法可以减少肥料用量并提高水稻产量（Wu等人，2017a）。许多研究探讨了SDF对水稻产量和氮素利用效率（NUE）的影响，但不同研究之间的产量和效率提升程度存在差异。Zhu等人（2019a）表明，SDF可以促进作物根系对氮的吸收，使水稻产量增加6.3–11.6%，氮素农艺利用效率（NAE）增加33.7–63.1%；Zhao等人（2021）的研究显示，SDF使水稻产量增加10.2%，氮素农艺利用效率增加8.1–21.3%。尽管两项研究的产量提升幅度相似，但Zhu等人（2019a）的氮素农艺利用效率大约是Zhao等人（2021）报告值的三倍。这表明需要进一步研究产量和效率差异的原因。

影响作物产量和氮素利用效率的因素众多，包括土壤特性、肥料类型、施用量和施用深度。先前的研究表明，深施氮肥可以增强土壤-肥料相互作用，减少氮素损失15–45%，并促进氮素吸收8.5–20.5%（Liu等人，2015b；Xia等人，2023）。Zhu等人（2024）的研究表明，SDF有助于提高土壤中易分解有机碳与有效氮的比例（AN），从而整体改善土壤性能21.1%（相比FFP）。Gao等人（2025）的进一步研究表明，在低肥力土壤条件下，SDF可使水稻产量增加6.0–7.0%，氮素利用效率提高19.4–25.2%；而在高肥力土壤中，其效果相对有限。因此，SDF对产量和养分利用效率的影响取决于土壤特性和肥料用量。Wu等人（2016）利用中国县级农业数据库和地理信息系统（GIS）确定，中国水稻推荐的氮肥施用量为172公斤/公顷，但各地区存在显著差异，长江下游单季稻区最高推荐施用量达到256公斤/公顷。推荐的磷肥施用量为71公斤/公顷（P?O?当量），各试验点的实际施用量范围为21至187公斤/公顷。目前尚无关于SDF最佳施用深度的明确结论。现有研究表明，不同施用深度对产量提升和效率改善的效果有所不同。例如，Liu等人（2016）指出，当氮肥施用于水稻根区深度为100毫米时，产量和氮素利用效率最高；Wu等人（2017b）发现，在水稻生长期早期，70毫米和120毫米施用深度对氮素利用效率没有显著差异。因此，需要进一步了解SDF技术中的具体养分管理措施。

SDF技术减少养分损失的效果也得到了研究，但不同研究结果存在较大差异。有报告指出，SDF会增加或减少CH₄和N₂O的排放，这可能与当地土壤肥力和施肥管理方式有关。例如，SDF使旱田的N₂O排放量增加了48.8%，而稻田的N₂O排放量减少了29.2%（Chen等人，2021）；此外，Bhuiyan等人（2023）发现，当施用深度超过100毫米时，CH₄排放量高于50–100毫米的情况。还有一些研究表明，在水稻田中深施氮肥（包括SDF）不会影响或增加N₂O排放（Adviento-Borbe和Linquist，2016；Gaihre等人，2018）。大多数研究关注SDF对作物产量、肥料缓解潜力和NH₃排放的影响，但由于样本数量有限，难以得出关于影响因素（如管理方式、土壤条件、施用深度等）的明确结论。因此，基于大规模田间试验数据的系统荟萃分析有助于阐明SDF及其相关影响因素对水稻产量和效率的影响。

随着社会经济的发展，越来越多的农村劳动力向城市转移，这加剧了传统水稻生产方式与劳动力的供需矛盾，推动了水稻生产的机械化（Yang等人，2018年；Wang等人，2019年）。机械化SDF技术已成为促进中国水稻产业绿色和高质量发展的重要手段。该技术结合了“施肥和移栽”机械与长效氮肥，已在我国主要水稻种植区得到应用，并被纳入国家减少肥料使用和提高效率的倡议中（Zhong等人，2021b）。然而，其应用效果存在显著的区域差异，不同试验之间的产量提升和氮素利用效率改善程度存在显著差异。这些差异主要是由于现有研究的局限性：（1）区域适应性和主要影响因素不明确；（2）关键农艺参数（如施用深度和距离）缺乏精确优化；（3）对环境效益（如温室气体排放和土壤健康）的评估不足；（4）对产量提升与减排之间协同机制的理解有限。因此，单个试验的结果不足以支持有针对性的大规模推广。本研究采用全国范围的荟萃分析，全面量化了SDF对水稻产量和肥料利用效率的影响，旨在明确实现SDF效益的边界条件和关键调控因素，为区域优化和科学推广提供依据（Zhang等人，2022）。此外，基于以往研究（2014–2023年），收集了田间数据以评估SDF对水稻产量、品质、养分利用效率和温室气体排放的影响。我们的主要目标是：（1）全面评估SDF对水稻产量、品质和养分利用效率的影响；（2）评估SDF对CH₄、N₂O和NH₃排放的影响；（3）确定土壤性质、土地利用模式、水稻品种、种植模式和施肥方式（肥料类型、用量、施用深度/距离）对前两个目标的影响。

数据收集

我们搜索了2024年之前在中国知网（CNKI）和Web of Science上发表的同行评审论文，关键词包括“侧深施肥”、“水稻产量”和“氮素利用效率”。论文纳入数据库需满足以下四个条件：（1）研究对象为水稻（粳稻、籼稻或杂交稻），并明确指定试验地点；（2）该施肥方法能够区分对照组和实验组

SDF对水稻产量和品质的影响

侧深施肥（SDF）使水稻产量显著增加了4.7%（95%置信区间=3.75%–5.59%），优于农民传统的施肥方式（FFP，图3a）。在不同施肥条件下评估了SDF对水稻产量的影响，发现SDF在施用NPK复合肥料、施用距离≤30毫米时，产量分别增加了6.5%、19.4%和13.6%

SDF条件下的水稻产量和养分利用效率

合理利用侧深施肥（SDF）技术是提高肥料利用效率、水稻品质和产量的有效途径。我们对中国的多项研究进行荟萃分析后发现，SDF能有效提高水稻产量（图3）和养分利用效率（图5）。首先，SDF为作物根际提供了非对称的局部施肥方式，确保养分精准输送到根区，减少氮肥损失

结论

本荟萃分析表明，侧深施肥（SDF）使水稻产量显著增加了4.8%，氮素利用效率（NUE）提高了21.4%，同时减少了CH₄排放量12.8%和NH₃挥发量42.0%，对N₂O排放量没有显著影响。为了实现最佳产量提升和氮素利用效率，建议氮肥和磷肥的施用量不超过150公斤/公顷

作者贡献声明

曹旭贤：数据可视化、概念设计。理查德·W·贝尔：撰写、审稿与编辑、数据可视化。马晓伟：数据调查与整理。陈子芳：软件开发、概念设计。李金涛：软件开发、概念设计。袁凯琴：初稿撰写、软件开发、数据调查与整理、概念设计。侯俊：撰写、审稿与编辑、项目监督、方法论制定、资金筹措。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了湖北省重点研发计划项目（2023BBB082）的财政支持。