我國稻作技術轉型與發展

朱德峰 張玉屏 陳惠哲 向鏡 張義凱 王亞梁

（中國水稻研究所/水稻生物學國家重點實驗室，杭州311400）

近幾十年來，由于水稻生產技術進步和國家政策支持，我國水稻生產取得很大發展。1949年以來，我國水稻面積增長了17%，單產增長了268%，總產增長了330%，而同期我國人口增長了1.58倍，水稻的增產為保障國家糧食安全以及稻農增收做出了重要貢獻。

在社會經濟發展的同時，水稻生產條件和情況發生了重大變化，農村勞動力轉移，勞動力、農資、地租等生產成本上升，國際國內經濟環境、糧食生產與流通也都發生了變化。水稻生產受到了資源、自然災害、生產成本、稻米價格等因素的制約，消費者對優質安全稻米的需求增加，迫切要求水稻生產方式及技術作出相應的轉變。

1 水稻產業轉型發展

近年來，我國水稻生產面臨新情況、新問題和新挑戰[1-2]。經濟社會發展導致南方水稻面積大幅下降，同時得益于全球氣候變暖、技術進步及裝備提升，東北水稻面積大幅增加，但是北方稻區水稻生產受到水資源的制約。社會的發展要求水稻生產綠色高效、減肥減藥，這使得長期來以大肥、大水及依靠使用大量農藥追求高產的水稻生產模式需要改變。由于人民生活水平的不斷上升，消費者對安全優質稻米產品要求提高，稻米優質優價的市場機制也正在逐步形成。

目前，農村勞動力向其他產業轉移，從事水稻生產的勞動力短缺、勞動力結構發生改變、勞動力成本提高。水稻生產要求機械化換人、自動化減人。水稻生產耕作、種植和收獲的三大環節中，耕作和收獲基本實現機械化作業，但是種植的機械化程度還較低，裝備和技術尚存在較多問題，耕作和收獲作業與種植機械化作業不配套與現代農藝要求相差甚遠。我國南方秈米的FOB價格分別比東南亞主要產稻國越南大米（10%碎米）及泰國大米（25%碎米）的FOB價格高53.3%和46.8%，導致東南亞稻米進口數量大幅增長，擠壓了我國水稻生產空間。近年來稻谷最低保護價持續下調，水稻生產受稻谷價格的影響較大。因人工、機械化作業、種子、化肥和農藥等成本提高較快，水稻生產成本迅速提高，2014年水稻生產總成本較2004年提高1.7倍左右。稻谷價格制約及成本提高，導致水稻生產效益下降，也嚴重影響種植糧食的積極性。長期以來稻農只注重生產，導致產銷對接不暢，產加銷一體化產業鏈沒有很好形成。

2 稻作技術創新與進步

20世紀50年代以來，我國水稻產量持續提高，水稻品種改良及栽培技術的創新為水稻產量提高發揮了重要作用[1-2，4]。20世紀50年代末矮稈水稻品種大范圍推廣，與傳統高稈品種比較，矮稈水稻品種株高變矮、耐肥抗倒性提高。在研究矮稈品種生長特性的基礎上，研發了提高矮稈品種種植密度、增施化肥使用的配套栽培技術。水稻收獲指數從高稈品種的0.35提高到0.50左右，通過增穗增產大幅提高了水稻產量。矮稈水稻品種由于生育期較短，適宜于雙季稻等多熟制。早稻塑料薄膜覆蓋增溫育秧等配套技術應用，提高了我國雙季稻種植面積的比例。20世紀70年代末，我國成功選育和應用雜交稻，與矮稈常規稻品種相比，雜交稻生長和產量形成特性具有分蘗力強、根系發達、葉面積大、生物量高及大穗等優勢，雜交稻生物產量高為提高產量奠定基礎。相繼研發的雜交稻二段育秧、稀播育壯秧、稀植促大穗、肥水促控構建高產群體等栽培技術，大幅提高了雜交稻群體生長量和產量。20世紀90年代后期以來，選育了一批生長量大、穗大粒多、產量潛力大的超級稻品種，并研究明確了超級稻的中后期營養吸收量、物質生長量大等生長和產量形成特性，研發了以高產群體指標為導向，通氣灌溉、定量施肥、氮肥后移、構建理想群體等高產栽培技術，發揮了超級稻品種的高產潛力，實現了水稻品種產量的進一步提高。近年高產示范表明，高產栽培技術對水稻產量提高有重要作用，水稻百畝高產技術示范的平均產量較水稻品種區試產量提高13.5%～68.5%，平均提高36.0%（表1）。水稻良種良法配套作為我國水稻產量提高的重要經驗和法寶在水稻產量增長中發揮重要作用。

近年來，我國社會經濟的發展要求水稻栽培技術適應生產方式的轉變。水稻種植方式逐步從手插秧，發展到旱育稀植、拋秧、直播、再生稻以及機插秧。水稻生產主要環節從手工、畜力作業為主逐步實現機械化作業，減輕了勞動強度，增加了勞動效益。近年，水稻種植機械化中的機插秧和機直播取得創新性技術及應用成效。針對水稻生產肥水用量大的問題，在研究水稻需肥需水生理特性及其與生長和產量關系的基礎上，提出平衡施肥、測土配方施肥、氮肥深施，以及利用信息技術監測水稻生長為依據的施肥技術。圍繞節水灌溉及高產形成，提出了水稻旱育稀植、覆膜旱作、好氣灌溉、淺濕干灌溉等技術，在提高水稻產量的同時，提高了水資源利用效率。圍繞全球氣候變化影響及水稻生產災害多發頻發的問題，研發了水稻抗旱、高低溫、洪澇等災害的預警和抗災減災技術。

3 水稻優質高產栽培

我國正實施農業供給側結構性改革，水稻生產目標正從高產向優質轉型，但高產高效仍將是水稻生產主要目標，當前我國水稻生產需要在優質綠色前提下實現高產高效。制約我國水稻高產的因素包括品種潛力、土壤資源、氣候條件、栽培措施等。其中，秈粳雜交稻品種選育及分子設計育種等技術突破，使我國水稻的單產潛力不斷提高，有些省份的百畝示范已突破15 000 kg/hm2，但全國水稻平均單產2018年仍只有7 027 kg/hm2，主要原因還在于稻田土壤地力水平低，中低產田占總耕地面積的67.5%，其中鹽堿型低產田占中低產田近4.3%，中低產田的大量存在影響了稻作技術水平及水稻產量潛力發揮。因此，針對不同類型中低產田，研發秸稈深翻還田、有機肥增施、測土配方施肥等土壤改良技術[5]，以解決土壤因素對水稻生產的限制。另外，根據高產水稻品種特性，研發缽苗移栽、促分蘗快生早發、提高成穗度、群體優化調控等技術，發揮水稻高產潛力。

表1水稻品種區試產量與高產栽培產量比較

水稻高產穩產永遠是水稻生產的主題。隨著社會經濟的迅速發展，人們的生活水平和飲食結構發生了改變，國內對稻米的需求正由“量”向“質”轉變。市場上出售的水稻品種琳瑯滿目，各地優質稻米品種選擇要根據品種和當地的生態環境、種植制度、栽培方式的適應性以及市場需求確定。實踐證明，優質稻米生產需要完整的從產前的耕作制度安排、稻田土壤培肥、優良品種選擇到產中產后的耕、種、密、水、肥、藥等促控技術措施，確保秧苗健壯、分蘗快發、穗粒協調的優質高產群體，才能發揮品種的品質和產量潛力，實現優質、高產和高效。肥料尤其是穗肥的施用是促進水稻品質提升的重要一環，在保證水稻產量的前提下，穗肥中的氮肥盡量少施，以確保穗分化期吸收適量的氮，稻米蛋白質含量適宜。在綠色高效技術的倡導下，北方可通過生物可降解膜覆蓋種植有機稻，不僅可以節約水稻生產用水，提高土壤溫度，促進水稻早生快發，重要的是覆膜除草效果顯著，減少了除草劑的使用及人工除草的成本，可為生產綠色優質產品及實現“雙減”提供切實的技術措施。優質稻米產業化需要品牌帶動，人們評價大米好壞主要看口感。所以優質大米生產需要根據當地水稻的實際情況，不斷提升技術的合理性和科學性，一方面通過品種、技術、設備融合，不斷提升內在品質，另一方面通過注冊大米品牌商標、申請地理標志產品保護、加強企業自身宣傳、政府推薦、產銷對接等多措并舉，強化品牌創建。積極培育專業合作社、家庭農場、農業科技示范園等新型經營主體，推進水稻生產由分散種植向規模化經營轉變，促進優質大米的生產發展。

4 水稻肥水高效利用栽培

在我國各作物的生產過程中，水稻的用水量最大。約有70%的農業用水應用于水稻的灌溉[6]。隨著全球氣候變化、環境污染的加重，灌溉水資源愈來愈匱乏，節水抗旱品種的選育在水稻肥水高效利用栽培中顯得尤為重要。當前，節水抗旱稻品種主要有滬優2號、滬旱61、旱優73、旱優3號等。為了追求水稻產量的提高，化肥特別是氮肥施用量也在不斷增加。氮素在水稻產量提升中發揮重要作用，氮肥施用總量占全球氮肥總用量的30%，我國成為世界第一氮肥消費大國[7]。然而，水稻氮素利用率卻呈現出下降的趨勢，比世界平均氮素利用率約低15%～20%[8]。根系是水稻吸收養分和水分的主要器官，其形態和生理特征與地上部的構建密切相關。根系分布特征調控葉片角度的大小，根系分布深并且縱向分布不多的根系，群體的葉面積指數大，有利于群體的通風透光，從而提高花后光合作用增加產量。高產水稻一般都具有比較發達的根系，同時深層根和外圍根所占比例大。而且，水稻深層根系對地上部的生長有一定的影響，0～5 cm土層的上層根的貢獻率為65%，5～20 cm土層的下層根的貢獻率為35%。

為了提高稻田氮肥利用效率，減少施用量，已經開展了眾多研究，主要包括施氮量、施氮時期、有機肥和無機肥的混合配施、平衡施肥技術，新型肥料和脲酶抑制劑、生物抑制劑的應用，稻田測土配方施肥技術，實時實地氮肥管理模式及計算機決策肥料系統等。已有研究證明，氮肥深施是提高稻田氮肥利用效率的最有效途徑[9]。我國與韓國、日本等多家公司合作引進了一批帶深施肥裝置的直播機和插秧機，通過“插秧或直播、開溝、深施肥”聯合作業，實現了水稻的機械化高效種植，解決了勞動力不足問題，節約了氮肥用量，并提高了氮素利用效率。

目前水稻生產過程中水資源浪費嚴重，如何提高水資源利用效率，是我國稻作發展的重要課題。水稻節水栽培需要根據不同稻區水資源分布及降雨特點，研發和發展相應灌溉模式，如水資源豐富的南方稻區，采用“好氣增氧灌溉”“淺濕干灌溉”等節水技術，結合生育期降雨預報，實現定量化控水高產栽培[10]；灌溉條件差、成本高等丘陵山區，研發“覆膜節水栽培”等技術；季節性水資源分布不均的稻區，可發展“蓄水控灌”等技術[11]，提高稻田雨后蓄水深度和雨水資源利用效率。

5 水稻生產機械化與信息化

全程機械化作業是我國現代稻作技術的發展方向，機械化有利于降低成本，提高稻作效益[1]。我國水稻生產環節耕作和收獲基本實現了機械化作業，但種植機械化程度仍較低，僅在45%左右，其中種植機械化的難點在雜交稻和雙季稻，針對雜交稻制種產量低、種子生產成本高等問題，重點需要研發雜交稻精量稀播種機插、機械化穴直播等技術及裝備，以降低雜交稻機械化生產的用種量，同時，研發雜交機械制種技術，降低雜交稻種子生產成本。而雙季稻機械化生產的限制是長江中下游稻區兩季水稻茬口緊張，機械化生產只能采用生育期短的水稻品種，需加強生育期適宜機械化生產的雙季稻品種選育，及研發大苗移栽技術裝備、控高長秧齡的晚稻機插育秧技術等[12]。另外，創新疊盤出苗育秧模式，解決育秧出苗難題，研發缽苗機插高產栽培技術，探索稻田少免耕機插技術等，及發展機械側深施肥、覆膜機插等一體化作業技術及裝備，通過農機農藝結合，促進水稻機械化生產技術發展。

水稻信息化技術是依托現代信息技術及裝備，對水稻生產關鍵環節數據采集和利用，加強現代信息技術在水稻產業中的應用研究已成為可能[13]。目前我國水稻智能化育秧技術應用已較為成熟，如育秧出苗室或溫室控制系統等開發，已能夠完成對室內溫度、濕度數據進行采集與存儲，依照水稻秧苗的生長環境和生長需求，完成室內各項參數指標的準確控制，最終實現智能溫室控制與信息化的完美融合。另外，圍繞水稻高低溫逆境研究，收集整合氣象數據，結合高低溫災害防控關鍵技術研發，建立和完善水稻高低溫災害預警防控平臺；下一步，開展水稻生長量監測、營養狀況、環境監測、水分監測等研究，收集整合稻田土壤及水稻生長相關數據，建立稻田肥水管理信息化系統，利用智能農業機械裝備，實現精確施肥及后期營養診斷，是水稻綠色高效精準生產目標。

6 水稻氣候變化影響與災害防控

全球正經歷著顯著的氣候變化，最近100年以來全球平均地表溫度上升了0.74℃。氣候變暖造成了海平面上升、降水帶變化以及極端氣候事件頻發等問題。農業生產中的各環節對自然條件尤其是氣候條件（包括溫度、降水、風速和大氣CO2濃度等）和土壤條件（土壤水分及養分狀況）具有很強的依賴性。因此，氣候變化勢必對農業產生重大影響，特別是水稻生產與氣候要素關系密切，稻作系統的控溫、控洪等功能都與氣候因子有著密切關系。因此，氣候變化必然會對稻田生態服務功能產生影響[14]。受氣候變化的影響，東北地區水稻生育期延長，種植界限北移[15]。熊偉等[16]研究結果顯示，水稻產量變化對輻射變化最為敏感，其次為日較差，輻射降低導致我國水稻生產的脆弱面積變大。近年來，氣候變暖所引起熱量資源增加，使我國的種植制度出現了一些變化。雙季稻的安全種植北界發生了明顯北移，長江中下游地區水稻生長季內農業氣象災害頻繁發生，如干旱、低溫冷害、連陰雨、高溫熱害等，對水稻造成嚴重影響。

馬欣等[17]研究表明，自1951年有觀測記錄以來，南方地區頻繁爆發季節性干旱，特別是西南地區氣候暖干化趨勢明顯，季節性干旱頻繁和強度呈規律性上升，干旱造成的農業損失約占歷年西南地區全部農業災害總損失量的50%～70%，水資源緊缺已成為水稻生產的制約因素，應采取抗旱保苗壯秧技術、定量灌溉抗旱減災技術、水肥耦合抗旱減災技術等高產高效種植模式；我國水稻生長季節雨熱同步，水稻主產區長江中下游地區雨水多，且大多集中在6—7月。這正是早稻開花成熟期、中稻分蘗穗分化期、晚稻秧田期，洪澇災害會對多季水稻造成嚴重影響。淹澇發生后，大多數水稻品種的莖稈會伸長，通過莖稈伸長使植株上部露出水面，從而進行有氧新陳代謝和光合作用。因此洪澇發生前，通過合理的農藝措施，如合理的群體結構、適宜的氮肥管理措施等，使水稻苗具有良好的形態建成和較高的活力，可以增強水稻苗期的耐淹能力。研究發現，洪澇發生前噴施多效唑可以有效促進植株水下伸長，延緩葉綠素降解，減緩非結構性碳水化合物消耗，從而為淹澇解除后生長快速恢復提供有利條件[18]。

隨著全球氣候變暖，全國大部分地區極端高低溫事件發生頻率呈升高趨勢，導致水稻生長季內溫度變幅加大，嚴重影響了水稻的安全生產。由于農業結構調整，南方雙季稻面積下降，單季稻面積提高，但單季稻抽穗開花時期與一年中最高溫氣溫相遇，造成結實率大幅下降，引起水稻減產；早稻直播面積擴大與“倒春寒”相逢，連作晚稻抽穗開花易遇“寒露風”。針對高低溫的發生，采取的緩解技術主要為選用高低溫耐性好的品種、選擇適宜的播栽期、調節開花期、注重日常的田間管理，做到健身栽培、科學肥水，提高稻株對高溫等不利環境的抗性。另外，建立災害性天氣預警報機制和水稻生育期監控系統，及時掌握和預報災害性天氣的發生和水稻生長發育進度，實現農業生產災害和水稻生長發育進度提前預報，是減輕水稻發生低溫冷害和高溫熱害的必要措施。

7 新型稻作制度的水稻栽培

水稻種植方式的發展與水稻生長環境、生態條件和社會經濟發展水平密切相關，其主要種植方式有手插秧、直播、拋秧、機插秧和再生稻。隨著我國社會經濟的發展，土地流轉的推進，水稻生產規模擴大，以手工插秧為主的傳統水稻種植技術已經不能適應社會經濟發展對稻作技術的要求，迫切需要水稻節本省工高效的種植方式。手插秧的面積不斷下降，現僅約占水稻種植面積的35%，主要在人口密度較大、人均耕地面積和農戶生產規模較小，及勞動力相對較充足的地區應用。水稻直播面積近些年來不斷增大；水稻拋秧面積約占水稻面積20%左右。由于水稻直播和拋秧存在產量不高不穩定以及草害較嚴重還沒有非常好的控制措施的實際，政府加強機插秧技術推廣，使得水稻機插面積得到快速發展，占比超40%。

我國水稻種植生態環境多樣、品種類型各異，種植制度多種。雙季稻區主要分布在長江中下游稻區和華南稻區。長江以北江淮之間多實行稻麥兩熟制，長江以南則多雙季稻，實行“肥-稻-稻”“油-稻-稻”或“麥-稻-稻”等三熟制，是世界上集約化種植水平最高的地區之一；華南稻區種植制度是以雙季秈稻為主的一年多熟制，實行與甘蔗、花生、薯類、豆類等作物當年或隔年的水旱輪作；西南稻區調整了水稻和冬作物布局，適當壓麥、增油、增肥；東北稻區由于冬季溫度低，夏季生長季節短，稻田常實行水稻常年連作的一年一熟制，冬季休閑，部分稻田實行隔年水旱輪作，即“稻/稻/綠肥”“稻/稻/豆類”“稻/稻/春小麥”，此種水旱輪作制度可改善土壤結構，提高肥力。再生稻是近年來發展勢頭很快的一項種植制度。再生稻在我國有著悠久的種植歷史，可以追溯到1 700年前，郭義恭所著《廣志》一書中就有“稻有莖下白，正月種，五月獲，獲訖，其茬根復生，九月復熟，此其兩熟為一本兩割”的記述。20世紀80年代后期，單季雜交稻蓄留再生稻悄悄興起；90年代后期，在全國水稻播種面積大幅度減少的情況下，再生稻面積仍較穩定，如四川、湖南、湖北、浙江、安徽等省份還逐漸將雙季稻改為中稻+再生稻栽培。近年來，隨著新品種的應用、栽培技術的完善和再生稻生長發育等特性深入研究，以及勞動力成本的上升，再生稻栽培技術發展有了新的契機。近年，全國再生稻面積已達67萬hm2左右。隨著新品種的應用和栽培技術不斷完善，再生稻產量顯著提高。2014年福建再生稻全程機械化耕種獲高產，單產達到298 kg/667 m2。稻田種養模式是在保證水稻正常生長條件下，利用稻田濕地環境開展水禽或者水產養殖，是提高稻田綜合效益的有效途徑。稻田種養模式在我國發展多年，如浙江金華稻鴨共養、青田等地的稻魚共養、湖北潛江等地的稻蝦共養等。研究發現，由于稻田種養在稻田生態系統中增加了生態位、延長了食物鏈，稻田種養模式有減緩稻田溫室氣體排放趨勢，種養結合循環農業實現了穩產增效和綠色減排[19]。