機械化栽培方式對水稻產量影響的研究進展

劉 昆，李婷婷，李思宇，朱 安，汪 浩，黃 健，劉立軍

（揚州大學/江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/江蘇省作物栽培生理重點實驗室/江蘇省糧食作物現代產業技術協同創新中心，江蘇揚州 225009）

水稻是世界三大糧食作物之一，其生產發展對世界糧食的安全穩定起著至關重要的作用。水稻也是我國最重要的糧食作物，21世紀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，其勞作強度大、耗工多、耗時長、工作效率低等缺點嚴重制約水稻的生產發展［2］。隨著經濟的快速發展，農業勞動人口數量銳減，以及老齡化等問題日趨嚴重，同時勞動力成本也大幅提高，制約了以勞動力限制型為主的傳統農業栽培方式的發展［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模栽插的需要。因此，發展水稻機械化、輕簡化栽培成為解決上述問題的必由途徑。

水稻機械化、輕簡化栽培是指利用機械工具以簡化水稻栽培程序和減輕勞動強度的栽培方式。水稻機械化、輕簡化栽培具有生產效率高、秧苗均勻度優、根系活力強、增產潛力大等諸多優勢［4］。發展水稻機械化、輕簡化栽培是農機與農藝的有力結合，對于發展我國農業現代化以及對世界糧食的安全與穩定都具有重要意義。本文主要從國內外水稻機械化、輕簡化栽培發展概況引入，重點闡述我國水稻機械直播、機械插秧、機械拋秧等機械化栽培方式的技術特點及其對水稻產量的影響，并提出未來我國水稻機械化栽培的研究重點。

1 國內外水稻機械化、輕簡化栽培發展概況

1.1 國外水稻機械化、輕簡化栽培發展概況

目前，世界上機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，其中以美國的機械化直播和日本的機插秧最具有代表性［5］。對以機械直播為主的美國和意大利等國家來說，美國主要使用計算機進行栽培管理，采用旋耕機整地、激光技術平地，使用飛機撒播與機條播播種，施肥噴藥采用農用飛機；而意大利則是歐洲主要稻米生產國，其水稻機械直播面積達22萬hm2，產量更是占到整個歐洲的近1/2［6］。對以機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世紀末便已研制出集施肥、除草、插秧于一體的多功能插秧機與育苗自動化技術，近年來逐漸重視稻作環保生產體系、免少耕直播/插秧技術和鋪紙機械化栽培技術；而日本則更是目前世界上水稻插秧機械化發展水平較高的國家，槍管式水稻直播機、長毯式水稻插秧機、無人操縱高精度水稻插秧機等機具的成功研制，進一步促進了日本水稻栽培機械化發展［7］。總體來說，國外水稻栽培機械化程度較高，生物技術、信息技術、機械制造技術與農業生態生產技術的不斷提高，將進一步推動水稻農用機械向智能化、自動化方向發展。

1.2 國內水稻機械化、輕簡化栽培發展概況

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］。我國對水稻機械化、輕簡化栽培研究較早，但水稻栽培機械化水平仍較低，發展空間很大。目前，我國水稻機械化栽培方式主要包括機械直播、機械插秧、機械拋秧等。近年來，我國水稻機械化、輕簡化栽培技術發展迅速，水稻機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的群體質量栽培與精確定量栽培技術。而種子包衣技術、側深施肥技術、除草劑技術與水稻機械穴直播技術水平的不斷提高促進了水稻機直播技術的發展。

與此同時，國內研究者成功研制出集整平、精確播種、深施基肥、覆種于一體的適應水/旱作水稻直播機［9］，基于全球定位系統（GPS）的水稻插秧機自動導航控制系統［10］以及缽苗有序拋秧機［11］等先進技術設備，促進了我國水稻生產發展。而水稻缽體毯狀苗育插秧技術、基于圖像識別的對行插秧技術［12］、高留茬秸稈還田技術［13］的發展將進一步提高我國水稻機械化、輕簡化栽培技術。總體而言，我國水稻機械化、輕簡化栽培呈現出形式多樣化（以機械化育插秧為主，機直播與機拋秧并存）、地區間發展不平衡、總體水平偏低等特點［14］。

2 機械直播

2.1 水稻機械直播技術特點

水稻機械直播是指通過直播機器直接將種子播種到稻田里的種植方式，與傳統手插移栽稻相比，省去了育秧、起秧和移栽等環節，是一種輕簡化栽培方式［15］。根據播種時用水量多少，機械直播又可分為機械水直播和機械旱直播2種方式。水稻機械直播具有生育期短、分蘗早、節約水資源、苗數足、省工節本、成穗率高、生產效率高、秧苗素質好、光合產物累積速度快、干物質積累多、植株養分吸收能力強、根系活力強等諸多優點，但亦存在群體結構不合理、播種量大、難成苗、難除草、易倒伏等問題［16-17］。

2.2 機械直播對水稻產量的影響

2.2.1 機械水直播 全苗是實現機械水直播高產、穩產必不可少的條件。前人研究指出，機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，進而獲得水稻高產。近年來一些研究者提出不同的觀點，在研究不同播期對水稻產量影響時有研究者指出，早播與晚播均會使得水稻產量降低［25-27］。但亦有研究者認為，早播可使得水稻獲得更高的營養生長時間與溫光資源，是奪取高產的關鍵［28］。而在不同密度處理試驗中，Chauhan等經過多年試驗研究觀察到，在低播種量條件下，水稻長勢較好，但冠層閉合延遲，需嚴格控制水稻早期營養生長階段的雜草生長，方能保持水稻產量［29-30］。以上研究多在單一播期、密度條件下進行，而對于播期與密度互作條件如何影響機械水直播水稻產量機制研究尚不明確。相關研究報道，早播高密度與晚播低密度種植水稻分蘗多、葉面積指數大、產量高［31-32］。總體而言，在適期早播條件下，適當減小株距可以提高水稻群體穗數，適當減少播種量可以保證單株水稻養分吸收充足、株型優、長勢好，進而使得機械水直播高產、穩產［33］。

2.2.2 機械旱直播 全苗難、草害重是機械旱直播亟待解決的重點與難點。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率、減少田間雜草生物量，以提高水稻單位面積穗數為目標獲得水稻高產。在研究品種與密度互作的試驗中有學者發現，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量［41-42］。他們進一步研究觀察到，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量最大［43］。但亦有研究者提出不同觀點，他們指出采用適宜當地種植的高產優良品種、高種植密度與高空間均勻度可使得水稻獲得高產［44-45］。因此，在機械旱直播條件下，如何協調好株行距、品種、播種量之間的關系還有待進一步深入研究。總體而言，選擇在適當高種植密度條件下，有針對地選擇抗雜草基因型水稻品種，以改善群體通風透光條件，最大程度地增加光捕獲量，建立合理的植株個體形態與群體結構，在保證足夠穗數的基礎上主攻大穗，可以獲得機械旱直播水稻高產［46］。

3 機械插秧

3.1 水稻機械插秧技術特點

水稻機械化插秧，是指將工廠化育秧育出的秧苗利用插秧機進行插秧作業的種植技術。按其育秧方式的不同，機械插秧又可分為毯苗機插與缽苗機插。與人工移栽稻相比，機插稻具有工作效率高、節水節肥、群體質量高、成穗率高、抗倒性強、省工節時、增產潛力大、節約苗床田等優點，但仍存在育秧要求高、秧苗彈性小、機插植傷重等問題［47-48］。

3.2 機械插秧對水稻產量的影響

3.2.1 毯苗機插 解決毯苗機插水稻秧齡彈性小、苗床落谷不均勻、移栽質量差的問題，對于提高毯苗機插水稻產量具有重要意義。相關研究報道，毯苗機插高產適宜秧齡為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。相關研究者在不同秧齡與移栽密度互作研究試驗中發現，毯苗機插在秧齡20～25 d、株距12 cm處理下，可獲得較高的養分吸收率、葉面積指數、光合有效輻射量與較低的雜草生物量，進而提高水稻產量［55-57］。而在不同秧齡與苗床落谷密度的試驗中，研究者認為毯苗機插秧齡20～24 d、苗床落谷高密度處理條件下，水稻的秧苗素質、群體生長率、光合勢與產量最高［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態、良好的秧苗素質與較大的干物質積累量，保證足穗、大穗是毯苗機插水稻高產、穩產的基礎；秧齡與落谷/移栽密度過大會使得秧苗素質弱，返青活棵慢，通風透光條件差，結實率與千粒質量低，水稻減產；秧齡與落谷/移栽密度過小會使得秧苗發根數少，地上部與地下部干質量低，有效穗數不足，亦會造成水稻減產［58-59］。

3.2.2 缽苗機插 良好的秧苗素質可使得缽苗機插水稻返青活棵快，有助于形成良好株型，提高花前干物質積累與花后光合生產，利于水稻高產，而秧齡、苗床落谷密度是影響秧苗素質的重要因素。以往研究表明，缽苗機插適宜秧齡為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率、光合勢與產量［61-63］。但亦有研究者利用水稻強化栽培技術的試驗研究發現，秧齡10 d、高播種量條件下可獲得較高的干物質積累量、較大的葉面積指數、凈同化率與產量［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、產量高［65-66］基本一致。這可能與缽苗機插水稻種植的環境條件、種植制度、栽培措施等不同所引起的。

適宜的移栽密度可優化水稻群體結構，改善群體內部光溫分布，提高群體的光合物質生產能力，進而提高水稻產量。相關研究報道，缽苗機插適宜株距為10～14 cm［67］，但不同水稻品種高產適宜移栽密度機制研究尚不明確。研究者觀察到，缽苗機插常規粳稻、雜交粳稻、雜交秈稻的適宜株距分別為12、14、16 cm時產量最高［68］。胡雅杰等經過多年試驗研究亦發現，大穗型水稻品種在中密度（株距14 cm）處理下的缽苗機插產量最高；中、小穗型在高密度（株距12 cm）處理下缽苗機插產量最高［69-71］。但亦有研究者在水稻強化栽培技術的試驗研究中發現，Sarjoo-52與ES-18分別在株距25、40 cm下產量最高［72-73］。因此，缽苗機插不同水稻品種高產適宜移栽密度機制需要進一步深入研究。

4 機械拋秧

4.1 水稻機械拋秧技術特點

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

4.2 機械拋秧對水稻產量的影響

與機直播和機插秧水稻相比，目前機械拋秧對水稻產量影響的研究相對較少。研究發現，早稻拋秧施氮量和拋秧密度搭配時應以“增苗節氮”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，群體莖蘗數與總穎花量大，水稻產量最高［77-78］相一致。但亦有學者報道，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實率與產量［79］。有研究者對此進行了驗證，發現減密增氮不能使水稻產量得到補償。由此可見，合理的種植密度對于提高機械拋秧水稻顯得尤為重要。總的來說，應根據不同的水稻品種、土壤肥力狀況、秧苗素質及當地高產栽培農藝，以“小群體、壯個體、高積累”為原則優化水稻群體質量，制定機械拋秧合理的水稻品種、密度與施氮量，以達到水稻高產、穩產的目的［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、勞動力水平、文化素養等各不相同。發展水稻機械化、輕簡化栽培應根據各地區的實際情況和經濟發展水平，發展具有我國特色、區域特色的水稻機械化、輕簡化栽培，以實現水稻生產的“高產、優質、高效、生態、安全”的戰略目標。筆者認為，今后水稻機械化、輕簡化栽培研究中應注意以下幾個方面的問題。

5.1 加強毯苗機插穗型不整齊與均勻度差的機制研究

由于毯苗機插植傷重，返青活棵慢，所以分蘗啟動遲，但發生極快，易造成群體高峰苗過多，導致分蘗成穗率偏低、穗型不整齊，影響水稻產量。雖然通過適時適度擱田、科學使用促花肥與保花肥、防治病蟲害等栽培管理措施可減緩上述情況的發生，但對于毯苗機插穗型不整齊與均勻度差的機制研究仍不清楚。因此，加強毯苗機插穗型不整齊與均勻度差的機制研究對于制定合理的栽培管理措施進而提高毯苗機插水稻產量具有重要意義。

5.2 降低缽苗機插投入成本，提高作業效率，建立穩定高產栽培技術

缽苗機插具有植傷輕、秧苗素質高等優勢，且能精確有序地構建群體結構，是水稻高產栽培機械化、輕簡化發展的重要途徑。但機械設備投入成本高是制約缽苗機插技術推廣的重要原因之一，因此政府應加大對農用機具的補貼與研發力度。另外，機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；在缽苗機插條件下，水稻高產栽培技術還有待進一步深入研究。

5.3 提高機直播精確播種質量、全苗早發與田間除草技術

機直播是最簡單的水稻機械化栽培方式，是對傳統水稻生產方式的突破，為水稻生產全程機械化奠定了基礎。我國水稻機械直播應堅持以機條播和機穴播為主，發展精確、全苗、壯苗、有序直播，提高機直播精確播種質量與全苗早發技術；同時重點研發足穗大穗、抗倒伏、優質高產等綜合性狀較好的水稻品種，結合物理、化學、生物除草技術，研發高效、環保、無公害、低成本除草機械與除草劑，以提高田間除草技術。

5.4 加強機拋有序、抗倒栽培技術

水稻機械拋秧較機插稻的緩苗期短，植傷輕，發根、立苗快，前期生長勢較強，且冠層結構錯落，植株的光能利用率相對較高；但仍表現出機拋無序化、分蘗成穗率低、基本苗難控制、根系分布淺易倒伏等不足。機拋秧的高產水稻群體應保證高均勻度、高協調度、高成穗率與高整齊度。今后應加強機械拋秧的有序化、抗倒栽培技術攻關與創新，推動我國機械拋秧向現代化方向發展。