機(jī)械化栽培方式對水稻產(chǎn)量影響的研究進(jìn)展

劉 昆，李婷婷，李思宇，朱 安，汪 浩，黃 健，劉立軍

（揚(yáng)州大學(xué)/江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省作物栽培生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇揚(yáng)州 225009）

水稻是世界三大糧食作物之一，其生產(chǎn)發(fā)展對世界糧食的安全穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用。水稻也是我國最重要的糧食作物，21世紀(jì)以來我國年平均水稻種植面積3 000萬hm2，占世界水稻種植面積的20%［1］。我國傳統(tǒng)的水稻栽培方式主要是以人工育插秧為主，輔之必要的人工直播、人工拋秧，其勞作強(qiáng)度大、耗工多、耗時(shí)長、工作效率低等缺點(diǎn)嚴(yán)重制約水稻的生產(chǎn)發(fā)展［2］。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)人口數(shù)量銳減，以及老齡化等問題日趨嚴(yán)重，同時(shí)勞動(dòng)力成本也大幅提高，制約了以勞動(dòng)力限制型為主的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)栽培方式的發(fā)展［3］。此外，隨著土地集約化改革的不斷深入，人力栽插方式已難以滿足大規(guī)模栽插的需要。因此，發(fā)展水稻機(jī)械化、輕簡化栽培成為解決上述問題的必由途徑。

水稻機(jī)械化、輕簡化栽培是指利用機(jī)械工具以簡化水稻栽培程序和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的栽培方式。水稻機(jī)械化、輕簡化栽培具有生產(chǎn)效率高、秧苗均勻度優(yōu)、根系活力強(qiáng)、增產(chǎn)潛力大等諸多優(yōu)勢［4］。發(fā)展水稻機(jī)械化、輕簡化栽培是農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的有力結(jié)合，對于發(fā)展我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化以及對世界糧食的安全與穩(wěn)定都具有重要意義。本文主要從國內(nèi)外水稻機(jī)械化、輕簡化栽培發(fā)展概況引入，重點(diǎn)闡述我國水稻機(jī)械直播、機(jī)械插秧、機(jī)械拋秧等機(jī)械化栽培方式的技術(shù)特點(diǎn)及其對水稻產(chǎn)量的影響，并提出未來我國水稻機(jī)械化栽培的研究重點(diǎn)。

1 國內(nèi)外水稻機(jī)械化、輕簡化栽培發(fā)展概況

1.1 國外水稻機(jī)械化、輕簡化栽培發(fā)展概況

目前，世界上機(jī)械化水平較高的國家主要有美國、澳大利亞、意大利、日本、韓國等，其中以美國的機(jī)械化直播和日本的機(jī)插秧最具有代表性［5］。對以機(jī)械直播為主的美國和意大利等國家來說，美國主要使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行栽培管理，采用旋耕機(jī)整地、激光技術(shù)平地，使用飛機(jī)撒播與機(jī)條播播種，施肥噴藥采用農(nóng)用飛機(jī)；而意大利則是歐洲主要稻米生產(chǎn)國，其水稻機(jī)械直播面積達(dá)22萬hm2，產(chǎn)量更是占到整個(gè)歐洲的近1/2［6］。對以機(jī)插秧為主的韓國和日本等國家來說，韓國多用無紡布育秧，20世紀(jì)末便已研制出集施肥、除草、插秧于一體的多功能插秧機(jī)與育苗自動(dòng)化技術(shù)，近年來逐漸重視稻作環(huán)保生產(chǎn)體系、免少耕直播/插秧技術(shù)和鋪紙機(jī)械化栽培技術(shù)；而日本則更是目前世界上水稻插秧機(jī)械化發(fā)展水平較高的國家，槍管式水稻直播機(jī)、長毯式水稻插秧機(jī)、無人操縱高精度水稻插秧機(jī)等機(jī)具的成功研制，進(jìn)一步促進(jìn)了日本水稻栽培機(jī)械化發(fā)展［7］?？傮w來說，國外水稻栽培機(jī)械化程度較高，生物技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)與農(nóng)業(yè)生態(tài)生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，將進(jìn)一步推動(dòng)水稻農(nóng)用機(jī)械向智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展。

1.2 國內(nèi)水稻機(jī)械化、輕簡化栽培發(fā)展概況

我國水稻栽培歷史悠久，已有上千年的歷史，是世界栽培稻的起源地之一［8］。我國對水稻機(jī)械化、輕簡化栽培研究較早，但水稻栽培機(jī)械化水平仍較低，發(fā)展空間很大。目前，我國水稻機(jī)械化栽培方式主要包括機(jī)械直播、機(jī)械插秧、機(jī)械拋秧等。近年來，我國水稻機(jī)械化、輕簡化栽培技術(shù)發(fā)展迅速，水稻機(jī)插秧形成了以肥床旱育、中小苗移栽、寬行窄株與少本淺栽為主要特點(diǎn)的群體質(zhì)量栽培與精確定量栽培技術(shù)。而種子包衣技術(shù)、側(cè)深施肥技術(shù)、除草劑技術(shù)與水稻機(jī)械穴直播技術(shù)水平的不斷提高促進(jìn)了水稻機(jī)直播技術(shù)的發(fā)展。

與此同時(shí)，國內(nèi)研究者成功研制出集整平、精確播種、深施基肥、覆種于一體的適應(yīng)水/旱作水稻直播機(jī)［9］，基于全球定位系統(tǒng)（GPS）的水稻插秧機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)［10］以及缽苗有序拋秧機(jī)［11］等先進(jìn)技術(shù)設(shè)備，促進(jìn)了我國水稻生產(chǎn)發(fā)展。而水稻缽體毯狀苗育插秧技術(shù)、基于圖像識別的對行插秧技術(shù)［12］、高留茬秸稈還田技術(shù)［13］的發(fā)展將進(jìn)一步提高我國水稻機(jī)械化、輕簡化栽培技術(shù)?？傮w而言，我國水稻機(jī)械化、輕簡化栽培呈現(xiàn)出形式多樣化（以機(jī)械化育插秧為主，機(jī)直播與機(jī)拋秧并存）、地區(qū)間發(fā)展不平衡、總體水平偏低等特點(diǎn)［14］。

2 機(jī)械直播

2.1 水稻機(jī)械直播技術(shù)特點(diǎn)

水稻機(jī)械直播是指通過直播機(jī)器直接將種子播種到稻田里的種植方式，與傳統(tǒng)手插移栽稻相比，省去了育秧、起秧和移栽等環(huán)節(jié)，是一種輕簡化栽培方式［15］。根據(jù)播種時(shí)用水量多少，機(jī)械直播又可分為機(jī)械水直播和機(jī)械旱直播2種方式。水稻機(jī)械直播具有生育期短、分蘗早、節(jié)約水資源、苗數(shù)足、省工節(jié)本、成穗率高、生產(chǎn)效率高、秧苗素質(zhì)好、光合產(chǎn)物累積速度快、干物質(zhì)積累多、植株養(yǎng)分吸收能力強(qiáng)、根系活力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但亦存在群體結(jié)構(gòu)不合理、播種量大、難成苗、難除草、易倒伏等問題［16-17］。

2.2 機(jī)械直播對水稻產(chǎn)量的影響

2.2.1 機(jī)械水直播 全苗是實(shí)現(xiàn)機(jī)械水直播高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)必不可少的條件。前人研究指出，機(jī)械水直播可通過減小株距（11～14 cm）［18-19］、適期早播［20-21］、增加播種量（80～100 kg/hm2）［22-24］等措施，提高單位面積穗數(shù)，進(jìn)而獲得水稻高產(chǎn)。近年來一些研究者提出不同的觀點(diǎn)，在研究不同播期對水稻產(chǎn)量影響時(shí)有研究者指出，早播與晚播均會(huì)使得水稻產(chǎn)量降低［25-27］。但亦有研究者認(rèn)為，早播可使得水稻獲得更高的營養(yǎng)生長時(shí)間與溫光資源，是奪取高產(chǎn)的關(guān)鍵［28］。而在不同密度處理試驗(yàn)中，Chauhan等經(jīng)過多年試驗(yàn)研究觀察到，在低播種量條件下，水稻長勢較好，但冠層閉合延遲，需嚴(yán)格控制水稻早期營養(yǎng)生長階段的雜草生長，方能保持水稻產(chǎn)量［29-30］。以上研究多在單一播期、密度條件下進(jìn)行，而對于播期與密度互作條件如何影響機(jī)械水直播水稻產(chǎn)量機(jī)制研究尚不明確。相關(guān)研究報(bào)道，早播高密度與晚播低密度種植水稻分蘗多、葉面積指數(shù)大、產(chǎn)量高［31-32］?？傮w而言，在適期早播條件下，適當(dāng)減小株距可以提高水稻群體穗數(shù)，適當(dāng)減少播種量可以保證單株水稻養(yǎng)分吸收充足、株型優(yōu)、長勢好，進(jìn)而使得機(jī)械水直播高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)［33］。

2.2.2 機(jī)械旱直播 全苗難、草害重是機(jī)械旱直播亟待解決的重點(diǎn)與難點(diǎn)。前人研究指出，通過減小株距［34］、播前種子處理［35-36］、選擇抗性較好的水稻品種［37-38］、增加播種量［39-40］等措施，可有效提高種子萌發(fā)率、減少田間雜草生物量，以提高水稻單位面積穗數(shù)為目標(biāo)獲得水稻高產(chǎn)。在研究品種與密度互作的試驗(yàn)中有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，雜交水稻品種即使在較低播種量條件下，仍能獲得與高播種量相近的水稻產(chǎn)量［41-42］。他們進(jìn)一步研究觀察到，彎穗型、直立穗型與半直立穗型水稻品種分別在大、小與中等行距條件下產(chǎn)量最大［43］。但亦有研究者提出不同觀點(diǎn)，他們指出采用適宜當(dāng)?shù)胤N植的高產(chǎn)優(yōu)良品種、高種植密度與高空間均勻度可使得水稻獲得高產(chǎn)［44-45］。因此，在機(jī)械旱直播條件下，如何協(xié)調(diào)好株行距、品種、播種量之間的關(guān)系還有待進(jìn)一步深入研究?？傮w而言，選擇在適當(dāng)高種植密度條件下，有針對地選擇抗雜草基因型水稻品種，以改善群體通風(fēng)透光條件，最大程度地增加光捕獲量，建立合理的植株個(gè)體形態(tài)與群體結(jié)構(gòu)，在保證足夠穗數(shù)的基礎(chǔ)上主攻大穗，可以獲得機(jī)械旱直播水稻高產(chǎn)［46］。

3 機(jī)械插秧

3.1 水稻機(jī)械插秧技術(shù)特點(diǎn)

水稻機(jī)械化插秧，是指將工廠化育秧育出的秧苗利用插秧機(jī)進(jìn)行插秧作業(yè)的種植技術(shù)。按其育秧方式的不同，機(jī)械插秧又可分為毯苗機(jī)插與缽苗機(jī)插。與人工移栽稻相比，機(jī)插稻具有工作效率高、節(jié)水節(jié)肥、群體質(zhì)量高、成穗率高、抗倒性強(qiáng)、省工節(jié)時(shí)、增產(chǎn)潛力大、節(jié)約苗床田等優(yōu)點(diǎn)，但仍存在育秧要求高、秧苗彈性小、機(jī)插植傷重等問題［47-48］。

3.2 機(jī)械插秧對水稻產(chǎn)量的影響

3.2.1 毯苗機(jī)插 解決毯苗機(jī)插水稻秧齡彈性小、苗床落谷不均勻、移栽質(zhì)量差的問題，對于提高毯苗機(jī)插水稻產(chǎn)量具有重要意義。相關(guān)研究報(bào)道，毯苗機(jī)插高產(chǎn)適宜秧齡為15～20 d［49-50］、苗床落谷密度為24 000粒/m2［51］、株距為10～14 cm［52-54］。以往多在單一秧齡、落谷密度、移栽密度條件下研究，而對于不同秧齡與苗床落谷密度/移栽密度互作研究較少。相關(guān)研究者在不同秧齡與移栽密度互作研究試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，毯苗機(jī)插在秧齡20～25 d、株距12 cm處理下，可獲得較高的養(yǎng)分吸收率、葉面積指數(shù)、光合有效輻射量與較低的雜草生物量，進(jìn)而提高水稻產(chǎn)量［55-57］。而在不同秧齡與苗床落谷密度的試驗(yàn)中，研究者認(rèn)為毯苗機(jī)插秧齡20～24 d、苗床落谷高密度處理?xiàng)l件下，水稻的秧苗素質(zhì)、群體生長率、光合勢與產(chǎn)量最高［45］。適宜秧齡、苗床落谷密度與移栽密度可使得水稻保持較好的莖蘗動(dòng)態(tài)、良好的秧苗素質(zhì)與較大的干物質(zhì)積累量，保證足穗、大穗是毯苗機(jī)插水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)；秧齡與落谷/移栽密度過大會(huì)使得秧苗素質(zhì)弱，返青活棵慢，通風(fēng)透光條件差，結(jié)實(shí)率與千粒質(zhì)量低，水稻減產(chǎn)；秧齡與落谷/移栽密度過小會(huì)使得秧苗發(fā)根數(shù)少，地上部與地下部干質(zhì)量低，有效穗數(shù)不足，亦會(huì)造成水稻減產(chǎn)［58-59］。

3.2.2 缽苗機(jī)插 良好的秧苗素質(zhì)可使得缽苗機(jī)插水稻返青活棵快，有助于形成良好株型，提高花前干物質(zhì)積累與花后光合生產(chǎn)，利于水稻高產(chǎn)，而秧齡、苗床落谷密度是影響秧苗素質(zhì)的重要因素。以往研究表明，缽苗機(jī)插適宜秧齡為20～25 d、苗床落谷密度為4 000粒/m2［60］。近年來一些研究者提出了不同的看法，他們指出，秧齡30～40 d、低播種量條件下可獲得較高的水分生產(chǎn)率、光合勢與產(chǎn)量［61-63］。但亦有研究者利用水稻強(qiáng)化栽培技術(shù)的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，秧齡10 d、高播種量條件下可獲得較高的干物質(zhì)積累量、較大的葉面積指數(shù)、凈同化率與產(chǎn)量［64］。這與一些研究者研究的秧齡10～20 d、高播種密度條件下，有較好的根系性狀、適宜分蘗與株高、良好的秧苗素質(zhì)、產(chǎn)量高［65-66］基本一致。這可能與缽苗機(jī)插水稻種植的環(huán)境條件、種植制度、栽培措施等不同所引起的。

適宜的移栽密度可優(yōu)化水稻群體結(jié)構(gòu)，改善群體內(nèi)部光溫分布，提高群體的光合物質(zhì)生產(chǎn)能力，進(jìn)而提高水稻產(chǎn)量。相關(guān)研究報(bào)道，缽苗機(jī)插適宜株距為10～14 cm［67］，但不同水稻品種高產(chǎn)適宜移栽密度機(jī)制研究尚不明確。研究者觀察到，缽苗機(jī)插常規(guī)粳稻、雜交粳稻、雜交秈稻的適宜株距分別為12、14、16 cm時(shí)產(chǎn)量最高［68］。胡雅杰等經(jīng)過多年試驗(yàn)研究亦發(fā)現(xiàn)，大穗型水稻品種在中密度（株距14 cm）處理下的缽苗機(jī)插產(chǎn)量最高；中、小穗型在高密度（株距12 cm）處理下缽苗機(jī)插產(chǎn)量最高［69-71］。但亦有研究者在水稻強(qiáng)化栽培技術(shù)的試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，Sarjoo-52與ES-18分別在株距25、40 cm下產(chǎn)量最高［72-73］。因此，缽苗機(jī)插不同水稻品種高產(chǎn)適宜移栽密度機(jī)制需要進(jìn)一步深入研究。

4 機(jī)械拋秧

4.1 水稻機(jī)械拋秧技術(shù)特點(diǎn)

水稻機(jī)械拋秧是指利用拋秧機(jī)將缽苗拋撒至空中落向大田的種植方式。水稻機(jī)械拋秧具有秧苗生長特性優(yōu)（返青快、根系發(fā)達(dá)、根系活力強(qiáng)）、節(jié)本增效、分蘗早生快發(fā)（低位分蘗比例大）、通風(fēng)透光好、工作效率高（速度快、拋秧勻）、光合效率高等諸多優(yōu)勢，但仍存在秧苗無序分布、基本苗難控制、易倒伏、遇風(fēng)雨難操作等諸多缺點(diǎn)［74-75］。

4.2 機(jī)械拋秧對水稻產(chǎn)量的影響

與機(jī)直播和機(jī)插秧水稻相比，目前機(jī)械拋秧對水稻產(chǎn)量影響的研究相對較少。研究發(fā)現(xiàn)，早稻拋秧施氮量和拋秧密度搭配時(shí)應(yīng)以“增苗節(jié)氮”為原則，其最佳施氮量在135 kg/hm2，最佳拋秧密度在36萬穴/hm2［76］。這與其他研究者研究的在高種植密度與較低的氮素水平下，雜草生物量最小，群體莖蘗數(shù)與總穎花量大，水稻產(chǎn)量最高［77-78］相一致。但亦有學(xué)者報(bào)道，超級雜交稻施氮180 kg/hm2與15穴/m2互作條件下可獲得較大的結(jié)實(shí)率與產(chǎn)量［79］。有研究者對此進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)減密增氮不能使水稻產(chǎn)量得到補(bǔ)償。由此可見，合理的種植密度對于提高機(jī)械拋秧水稻顯得尤為重要?？偟膩碚f，應(yīng)根據(jù)不同的水稻品種、土壤肥力狀況、秧苗素質(zhì)及當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培農(nóng)藝，以“小群體、壯個(gè)體、高積累”為原則優(yōu)化水稻群體質(zhì)量，制定機(jī)械拋秧合理的水稻品種、密度與施氮量，以達(dá)到水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的目的［80］。

5 研究展望

我國幅員遼闊，水稻種植分布不均，各地的氣候、土壤、勞動(dòng)力水平、文化素養(yǎng)等各不相同。發(fā)展水稻機(jī)械化、輕簡化栽培應(yīng)根據(jù)各地區(qū)的實(shí)際情況和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，發(fā)展具有我國特色、區(qū)域特色的水稻機(jī)械化、輕簡化栽培，以實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)的“高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全”的戰(zhàn)略目標(biāo)。筆者認(rèn)為，今后水稻機(jī)械化、輕簡化栽培研究中應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問題。

5.1 加強(qiáng)毯苗機(jī)插穗型不整齊與均勻度差的機(jī)制研究

由于毯苗機(jī)插植傷重，返青活棵慢，所以分蘗啟動(dòng)遲，但發(fā)生極快，易造成群體高峰苗過多，導(dǎo)致分蘗成穗率偏低、穗型不整齊，影響水稻產(chǎn)量。雖然通過適時(shí)適度擱田、科學(xué)使用促花肥與?；ǚ?、防治病蟲害等栽培管理措施可減緩上述情況的發(fā)生，但對于毯苗機(jī)插穗型不整齊與均勻度差的機(jī)制研究仍不清楚。因此，加強(qiáng)毯苗機(jī)插穗型不整齊與均勻度差的機(jī)制研究對于制定合理的栽培管理措施進(jìn)而提高毯苗機(jī)插水稻產(chǎn)量具有重要意義。

5.2 降低缽苗機(jī)插投入成本，提高作業(yè)效率，建立穩(wěn)定高產(chǎn)栽培技術(shù)

缽苗機(jī)插具有植傷輕、秧苗素質(zhì)高等優(yōu)勢，且能精確有序地構(gòu)建群體結(jié)構(gòu)，是水稻高產(chǎn)栽培機(jī)械化、輕簡化發(fā)展的重要途徑。但機(jī)械設(shè)備投入成本高是制約缽苗機(jī)插技術(shù)推廣的重要原因之一，因此政府應(yīng)加大對農(nóng)用機(jī)具的補(bǔ)貼與研發(fā)力度。另外，機(jī)具對不同種植制度條件下不同類型水稻品種的適宜性亟待提高；在缽苗機(jī)插條件下，水稻高產(chǎn)栽培技術(shù)還有待進(jìn)一步深入研究。

5.3 提高機(jī)直播精確播種質(zhì)量、全苗早發(fā)與田間除草技術(shù)

機(jī)直播是最簡單的水稻機(jī)械化栽培方式，是對傳統(tǒng)水稻生產(chǎn)方式的突破，為水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化奠定了基礎(chǔ)。我國水稻機(jī)械直播應(yīng)堅(jiān)持以機(jī)條播和機(jī)穴播為主，發(fā)展精確、全苗、壯苗、有序直播，提高機(jī)直播精確播種質(zhì)量與全苗早發(fā)技術(shù)；同時(shí)重點(diǎn)研發(fā)足穗大穗、抗倒伏、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)等綜合性狀較好的水稻品種，結(jié)合物理、化學(xué)、生物除草技術(shù)，研發(fā)高效、環(huán)保、無公害、低成本除草機(jī)械與除草劑，以提高田間除草技術(shù)。

5.4 加強(qiáng)機(jī)拋有序、抗倒栽培技術(shù)

水稻機(jī)械拋秧較機(jī)插稻的緩苗期短，植傷輕，發(fā)根、立苗快，前期生長勢較強(qiáng)，且冠層結(jié)構(gòu)錯(cuò)落，植株的光能利用率相對較高；但仍表現(xiàn)出機(jī)拋無序化、分蘗成穗率低、基本苗難控制、根系分布淺易倒伏等不足。機(jī)拋秧的高產(chǎn)水稻群體應(yīng)保證高均勻度、高協(xié)調(diào)度、高成穗率與高整齊度。今后應(yīng)加強(qiáng)機(jī)械拋秧的有序化、抗倒栽培技術(shù)攻關(guān)與創(chuàng)新，推動(dòng)我國機(jī)械拋秧向現(xiàn)代化方向發(fā)展。