中國特色水稻栽培學發展與展望

張洪程，胡雅杰，楊建昌，戴其根，霍中洋，許軻，魏海燕，高輝，郭保衛，邢志鵬，胡群

揚州大學/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/江蘇省優質粳稻產業工程研究中心，江蘇揚州 225009

我國稻谷產量約占糧食產量的1/3，全國有2/3人口以稻米為主食，水稻穩定生產對保障國家糧食安全具有舉足輕重的作用。新中國成立以來，水稻總產量從1949年的4 864.8萬t增加至2019年的20 961.0萬t，增加了3.3倍；水稻單產從1949年的1 892.29 kg·hm-2提高至2019年的7 059.95 kg·hm-2，單產水平提高了2.7倍。70年來，我國水稻總產和單產水平的快速提高，得益于品種產量潛力挖掘和栽培科技的跨越式發展，水稻栽培研究從薄弱到強大、從零散到系統、從經驗到理論、從傳統到現代，已發展成為具有中國特色的水稻栽培學[1-2]，為我國水稻產業發展提供了最直接的科技支持，保障我國糧食安全。當前，我國水稻生產正面臨由傳統小規模生產向機械化、智能化、標準化和集約化的現代規模化生產方式轉變，在此重要歷史節點，回顧總結中國水稻栽培科技70年發展歷程和取得的成就，對探索未來水稻栽培科技發展方向具有重要意義。

1 水稻栽培科技70年發展回顧

新中國成立以來，我國水稻栽培科學取得了舉世矚目的成就。特別是改革開放后，我國水稻栽培科技界緊貼國情，抓住生產上關鍵技術瓶頸，深入開展水稻生長發育和產量、品質形成規律及其與環境條件、栽培措施等方面關系的研究，探索水稻生育調控、栽培優化決策和栽培管理等新途徑與新方法，不斷創新，與時俱進，取得了一大批在生產上大面積應用的重要栽培技術和理論，形成了一批重大栽培科技成果（表1），被農業部或省（市、區）列為全國或區域水稻生產主推技術，在水稻產業現代化建設、國家糧食安全體系建設、農民增產增收和區域經濟發展等方面發揮了重大作用。

表1 水稻栽培科技發展歷程及若干標志性成果Table 1 The development course of rice cultivation and some landmark achievements

續表1 Continued table 1

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1.1 第一階段（20世紀50—60年代）

20世紀50年代開始，水稻栽培研究重點是進行群眾高產栽培經驗總結，形成了“南陳（陳永康）北崔（崔竹松）”為代表的水稻高產經驗。研究總結出“好種壯秧、小株密植、合理施肥、淺水勤灌”等栽培技術，對水稻生產發揮了積極作用。50年代末，陳永康提出的單季晚粳“三黃三黑”看苗診斷及千斤高產經驗，形成了作物、環境、措施三位一體、理論與實際密切聯系的水稻栽培基本研究方法，既揭示了高產規律，又提出了栽培理論研究的新思路，對指導大面積增產發揮了主要作用[3]。崔竹松在引進、改良品種，精耕細作的同時，研究總結出“旱育秧，育壯苗，適時早栽，精細整地，合理密植，看苗施肥，合理灌溉，前期促進生長，中期適當控制，后期促進成熟”等一整套水稻增產的經驗，在我國北方稻區推廣。1961年，丁穎主編出版《中國水稻栽培學》。該書從稻種的起源演變、品種分類、水稻生長發育特性等方面進行系統闡述，總結了群眾種稻的生產經驗[4]。

1.2 第二階段（20世紀70年代）

20世紀70年代，第一次綠色革命使得矮稈品種在水稻生產上廣泛應用，以矮腳南特、廣陸矮4號和二九青等為代表的矮稈水稻品種得到大面積推廣應用，株高由原來高稈品種的140 cm左右矮化到75—85 cm，收獲指數提高到0.5以上，促進了水稻增產增收。栽培技術上，采取了增加栽插密度和增施肥料的高產栽培技術，以增加穗數、擴大庫容量和光合葉面積為中心獲得高產，形成了第一代“穗數型”高產栽培技術[5]。

1.3 第三階段（20世紀80年代）

20世紀80年代，雜交稻品種選育成功并在大面積推廣應用，大幅增加了水稻每穗粒數和千粒重。栽培上，稀播壯秧、少本勻植等措施，通過兼顧穗數和每穗粒數，形成了以協調擴大庫源為核心的第二代“穗粒兼顧型”高產栽培技術。同時，研究和推廣了水稻綜合配套的高產模式與栽培技術。如江蘇的葉齡模式栽培、“小群體、壯個體、高積累”栽培；浙江的“稀少平”“三高一穩”栽培；湖南的“雙兩大”栽培；湖北的“省種省苗”栽培；廣東、江蘇的“紙筒育苗拋秧”栽培；四川的“多蘗壯秧少本”栽培、起壟栽培；東北稻區的旱育稀植高產栽培與節水灌溉栽培等。這些栽培技術的發展從不同方面促進了我國水稻栽培科技水平的提升。

1.4 第四階段（20世紀90年代）

進入20世紀90年代，栽培上采取了旱育秧、寬窄行淺栽、穩前攻中促后施肥、間歇灌溉、施用烯效唑等化控劑，形成了以改善群體質量、提高成穗率、促進大穗發育、增加結實率和千粒重為核心的第三代“穗重型”高產栽培技術，提出了不同生態區水稻高產栽培理論與技術。如江蘇農學院（揚州大學）提出的群體質量理論及調控、源庫理論與技術、少免耕與拋秧輕簡化高產栽培；湖南農業大學鄒應斌提出的水稻“三定”栽培技術、“旺壯重”栽培技術。

1.5 第五階段（21世紀以來）

在國家糧食豐產科技工程、農業部水稻高產創建等項目的推動下，此階段研究成功的一大批新技術在水稻生產中發揮了重要作用，如水稻精確定量栽培理論與技術、水稻實地養分管理栽培法、水稻“三因”栽培技術、雙季稻“三高一保”栽培、超級稻超高產栽培技術、水稻三角強化栽培等。2007年以來，揚州大學提出的“精確定量栽培”“機械化豐產栽培”等技術被農業部列為全國水稻主推技術，在水稻主產區推廣獲得顯著的經濟、社會、生態效益。另外，此階段信息技術、生物技術等在水稻栽培上也得到了開發應用，形成了諸多成果。

2 改革開放以來水稻栽培領域取得的若干科技成就

2.1 水稻葉齡模式栽培理論及技術

20世紀70年代，各地水稻生產上形成的各自配套、多式多樣的高產栽培技術經驗，廣大農民群眾反映水稻生產“品種經常換，經驗處處學，依樣畫葫蘆、缺乏主動性；條件有變化，措施缺乏應變性”。凌啟鴻等廣泛搜集國內外不同類型和不同年代水稻品種在江蘇種植與觀察，歷經20年大量試驗資料的深入分析，抓住葉齡這一最直觀的指標，闡明了水稻出葉、出蘗、發根、莖稈分化與生長以及穗分化進程間存在十分顯著的同伸與同步關系，形成了三方面創新成果[6]：（1）按主莖總葉齡（N）和伸長節間數（n）將品種歸類，建立了有效分蘗臨界葉齡期（N-n）、拔節葉齡期（倒數n-2葉齡期）和穗分化葉齡期（葉齡余數3.5至破口）等3個關鍵葉齡期的通式；（2）將穗分化歸并為5期，與穗分化同步的4.5個出葉周期相對應，每期對應1個葉齡；（3）構建水稻品種不同生育類型的葉齡模式，建立高產群體葉色“黑黃”變化的葉齡模式及促控葉齡模式，使群體動態變化與措施促控首次在葉齡期上進行定量，形成了水稻葉齡模式栽培理論。1985年，“水稻品種不同生育類型葉齡模式”獲國家科技進步三等獎。1987年，被國務院農村發展研究中心和中國農業科學院列為全國農業十項重大推廣技術之一。1988—1990年在蘇、黔、贛、鄂、皖、豫、湘、桂等地累計推廣1.05億畝[7]。

2.2 水稻群體質量及其調控

20世紀80年代初，傳統的水稻栽培存在著偏向于追求群體構成因素上的數量增長，走增苗增穗取勝的途徑，采用大播量、大密度、大肥水，形成大群體，但帶來諸多不利于穩產高產的弊端。凌啟鴻及其團隊探索與研究水稻群體質量及其優化途徑，確立了“優化群體質量，提高經濟產量”這個主題，率先把與經濟產量形成關系最密切的群體形態結構、生理功能的要素作為作物群體質量研究的主要內涵，形成了群體質量理論[8]：（1）抽穗至成熟期高光合效率和物質生產能力是群體質量的本質特征，灌漿結實期的光合物質生產量是群體質量最核心的指標，抽穗期適宜的干物質量是提高抽穗后光合生產力的必要群體物質基礎；（2）抽穗期具有最適宜LAI，單莖具有與節間相同的綠葉數；（3）在適宜 LAI基礎上盡可能提高群體穎花量；（4）提高粒葉比；（5）提高有效和高效葉面積率；（6）提高單莖莖鞘重；（7）提高群體穎花根活量；（8）在獲得適宜穗數的同時，也提高群體莖蘗成穗率。根據水稻群體質量理論，提出“小壯高”水稻高產栽培途徑，重點主攻培育抽穗結實期的高光效群體。通過適度壓縮群體起點，充分發揮個體分蘗壯株作用，既保證穗數又提高群體成穗率，從而構建抽穗期適宜群體，形成生育后期高光效群體。

2.3 水稻精確定量栽培

20世紀末，隨著經濟社會的快速發展，大量農村優質勞力不斷向二、三產業轉移，水稻大面積生產管理趨向粗放，為追求高產，農民盲目加大肥水藥投入，導致生產成本高、污染重和效益低。特別是20世紀末至21世紀初，我國水稻生產出現了面積、單產、總產和效益嚴重的“四下降”現象，江蘇水稻畝產從1998年588 kg下滑至2003年的503 kg。針對上述嚴峻挑戰，凌啟鴻和張洪程等針對性地開展了水稻精確定量栽培技術研究，探索“以最適宜（最少）的作業次數、在最適宜的生育時期、用最適宜的投入量”進行水稻的全程栽培，即“三適宜”精確定量栽培技術，以最經濟的投入實現水稻“高產、優質、高效、生態、安全”[9-10]。建立了水稻生育進程、群體動態指標、栽培技術措施“三定量”與作業次數、調控時期、投入數量“三適宜”為核心的水稻豐產精確定量栽培技術體系，使水稻生產管理“生育依模式、診斷有指標、調控按規范、措施能定量”。該技術被農業部列為全國水稻高產主推技術，獲2011年國家科技進步二等獎。

2.4 水稻輕簡化栽培

水稻輕簡栽培是指比傳統手栽稻有顯著的省工省力和節本增效的水稻栽培方式，主要包括少免耕栽培、拋秧、直播和再生稻等，通過免除或簡化育秧、移栽、耕耙田等技術環節，并采用高效除草劑和節水灌溉，達到省工、省力、節本、增效和增產的目標[11]。

2.4.1 少免耕栽培與拋秧 20世紀80年代，農村勞力大量轉移，作物耕作栽培趨向粗放甚至拋荒，直接威脅糧食安全。為解決這些重大問題，江蘇農學院（揚州大學）張洪程等組織了跨區域、跨學科、跨單位的大協作組，抓住稻田多熟制作業最繁瑣、最艱辛的土壤耕作與播栽環節進行改革創新。經江蘇六大農區 5—11年的連續定位研究，揭示了少免深不同耕法和不同播栽方式對土根系統和作物立苗與生育的效應，明確了少免耕等輕簡耕作栽培方式下水稻前期早發而中后期早衰的特點，揭示了土根系統中養分與根系向土表富集、中后期土壤養分供應減弱與根系活力下降，導致水稻植株光合生產能力趨弱的早衰機理。創立了江蘇不同農區以少耕為主、少免交替、定期深耕的輪耕新體制與“減少基蘗肥、增施拔節孕穗肥”水稻輕簡化高效栽培技術[12]，徹底改革了傳統精耕細作，克服了少免耕栽培出現的早衰問題，實現了水稻輕簡化栽培與穩產增產的統一。截至1992年，該技術在蘇、滬、皖、浙、贛推廣6 655.5萬畝，節工、增產、增效顯著。同時，該團隊開展了水稻拋秧輕簡高產栽培攻關研究[13-14]，系統闡明拋秧水稻產量形成的生理生態特征，揭示了立苗形態生理變化與物理立苗、生理立苗及完全立苗的機理；提出了提高物理立苗率，調控前、中、后期協調生長，防止群體“大起大落”的高產栽培理論。以有序化拋擺與水肥耦合提高植株固持力等關鍵技術創新，解決了拋秧稻早衰與根倒難題，創立了切合南方多熟制的水稻拋秧高產栽培技術，不僅大幅降低了水稻生產中的勞動力投入，而且實現了水稻高產增效。以上述研究為基礎，創建南方多熟制稻區輕簡化耕作栽培技術體系，有效推動了傳統耕作栽培向現代輕簡化栽培的變革，使少免耕栽培與水稻拋秧成為我國南方廣泛應用的持續增產技術。該技術成果1993年獲國家科技進步二等獎。

2.4.2 直播栽培 水稻直播栽培是將浸種催芽后的稻種或拌種衣劑干種，通過機械或人工直接撒（條或穴）播到本田，免去育秧、起秧、運秧和插秧等過程的一種輕簡水稻栽培方式。2000年以來，由于無序撒直播稻存在出苗不齊不足、群體起點質量差、產量不高不穩等問題，機械直播逐步代替撒播成為主要直播栽培方式。如近年來華南農業大學羅錫文團隊創新提出了“精播全苗”“基蘗肥一次深施”“播噴同步雜草防除”的水稻精量穴直播技術，采用同步開溝起壟的方式，將破胸露白的芽種按照水稻種植農藝要求準確均勻、成行成穴地播于田間，實現了有序種植，有利于減少病蟲害，可促進水稻穩產高產，并成功研制與該技術配套的水稻精量穴播機[15-16]，已在廣東、上海、浙江、新疆等地區進行了推廣應用。諸多應用表明，精量穴播利于促進水稻根系生長，提高抗倒伏能力，低節位分蘗強，有效穗數多，有較高的產量。

在缺水地區與多熟制地區，往往采用具有省工、節水、易機械化種植等優點的水稻機械旱直播方式，目前以長江中下游等多熟制稻區種植面積最大。這些稻區前后茬接茬農耗時間短，稻季熱量條件緊張，使得機械旱直播稻更有鮮明的自身特點。如在江蘇稻麥兩熟制下，秸稈全量還田加大了水直播耕整地難度，因而采用秸稈切碎、精細旋整耕、條播、施肥、鎮壓作業一次性完成的水稻機械旱直播，實現機械旱整旱播與秸稈還田，減少農耗時間，在天氣和機械等允許條件下，機械旱直播可實現上午割麥下午種稻。特別是 2017年揚州大學張洪程團隊協同研制出稻麥耕種管整體智能機，整合施基肥、雙軸旋耕秸稈全量還田、條施種肥、鎮壓開種行、控深播種、淺旋覆土、二次鎮壓、開排水溝等工序一次性作業，經連片規模化試驗，可實現水稻單產10.5 t·hm-2以上。

2.4.3 再生稻栽培 再生稻是利用頭季收割后稻樁上存活的休眠芽，采取合理栽培管理措施，使之萌發生長成穗而再收割一季的水稻種植制度，主要在“一季熱量有余、兩季不足”稻區種植。再生稻已在我國南方湖北、重慶、四川、福建、江西、安徽、湖南等15個省（市）種植，且近年來種植區域、面積不斷擴大。華中農業大學彭少兵團隊針對再生稻頭季人工收割勞動力投入大，農民種植再生稻的積極性并不高，而頭季稻機械收割對稻樁碾壓破壞面積過大，降低了再生季的產量等問題，創建了“機收再生稻豐產增效栽培技術”，并在湖北等地大面積推廣應用[17]。福建農林大學林文雄團隊研究提出采用人工收割高留樁栽培再生稻時，選擇頭季分蘗力較弱、再生季再生力強的重穗型雜交秈稻品種（組合）易獲高產；采用機械化收割低留樁栽培再生稻時，選擇具強低位芽再生力的雜交秈稻品種或感光性弱的重穗型雜交粳稻品種（組合）、秈粳雜交稻品種（組合）易獲高產。同時，提出適時早播、畦栽溝灌、二次烤田、重施促芽肥、適高留樁的人工收割高留樁再生稻栽培技術[18]。

2.5 水稻機械化栽培

20世紀80年代，我國引進日本插秧機及其工廠化育秧技術，并加以本土化而發展形成盤育毯狀小苗機插。21世紀以來，農機和農藝等部門進一步聯合攻關，研究提出“中小苗移栽、寬行窄株、定苗定穴”，實現栽插“淺、勻、直、穩”，基本形成了毯苗（包括缽形毯苗）機插稻標準秧苗培育、高質量栽插、肥水精確管理和病蟲草害綜合防治的整套高產栽培技術體系，并集成了多種本土化栽培模式[19]。揚州大學張洪程等針對我國南方多熟制地區機插水稻普遍存在“苗小質弱與大田早發不協調、個體與群體共生關系不協調、前中后生育不協調”，水稻產量、品質不高不穩與多熟季節矛盾加劇的突出問題，經10多年攻關取得突出性重要創新[20-22]：（1）創立了機插毯苗、缽苗兩套“三控”（控種、控水、化控）延長秧齡的育秧新技術，不僅秧齡增大了3—10 d，栽后早發增產，并且緩解了多熟季節矛盾；（2）闡明了毯苗、缽苗機插水稻生長發育與高產優質形成規律，創立了“三協調”高產優質栽培途徑與生育診斷指標體系。創制了秸稈全量還田整地新機具與新型缽苗高速插秧機，創建了毯苗與缽苗少本精準機插、肥水耦合調控生育動態技術；（3）以上述關鍵技術的突破性創新為主體，創建了毯苗、缽苗機插水稻“三協調”高產優質栽培新模式，集成應用了適應不同稻區的機插水稻栽培技術。技術成果先后被農業部與江蘇、安徽、湖北、江西等地列為主推技術，引領了我國水稻機械化栽培技術發展。該成果2018年獲國家科技進步二等獎。中國水稻研究所朱德峰團隊針對南方雙季稻地區毯狀秧苗機插存在機插取秧不穩定、漏秧率高、傷秧嚴重、秧苗返青慢等問題，通過研制缽形毯狀秧盤，培育上毯下缽的缽形毯狀秧苗，利用普通插秧機按缽精確取秧，較好地解決取秧不穩定、漏秧率高、傷秧嚴重的問題，提高了雙季稻機插產量[23]。湖南農業大學鄒應斌團隊針對轉型期規模化、機械化生產條件下雜交稻種植面積下滑的挑戰，研究形成了雜交稻單本密植大苗機插栽培技術，解決了傳統機插雜交稻用種量大、秧齡期短、秧苗素質差等技術難題。采用單本密植大苗機插栽培，有利于充分發揮雜交稻分蘗大穗的增產優勢，減少了用種量，節本增收效果顯著[24]。

2.6 水稻超高產栽培

追求高產超高產一直是水稻栽培研究熱點[25-26]。20世紀80年代初日本首先提出水稻超高產概念，并實施“超高產水稻開發及栽培技術的確定”的研究項目。1987年，楊守仁[27]首先提出理想株型與優勢利用相結合的水稻超高產技術路線。1996年中國農業部啟動“超級稻選育及栽培技術”研究項目，推動了我國水稻超高產研究與應用。1997年袁隆平院士提出了超級雜交稻攻關計劃，1998年被列入總理基金項目，同年“863”計劃啟動了超級雜交稻研究計劃[28]。21世紀以來，廣大科研人員協作攻關，利用超級稻與超級雜交稻品種開展了我國水稻超高產栽培攻關，超高產栽培紀錄不斷被刷新（表 2），有效挖掘了中國水稻產量潛力。

表2 中國水稻主產區部分超高產紀錄Table 2 Record of super high yield in some main rice producing areas in China

與此同時，我國水稻主產區集成創新了適應本地的超高產栽培模式。如1997年，湖南農業大學鄒應斌等[34]提出了“旺壯重”（旺根、壯稈、重穗）超高產栽培法，其關鍵栽培技術是營養劑培育壯秧、寬窄行移栽、一次性配方施肥、間歇灌溉等。1998年，針對東北寒地提出了水稻“三超”超高產栽培技術模式，即采用優質超級稻品種，培育多蘗壯秧，寬行超稀植，深施肥控灌水，持續實現超高產，黑龍江采用三超栽培進行了18 hm2的大面積產量攻關，單產達到12.10 t·hm-2[26]。2000年后，揚州大學張洪程團隊根據10多年的攻關實踐，系統闡明了水稻超高產形成規律，提出了“精苗穩前、控蘗優中、大穗強后”超高產栽培模式，即依靠帶蘗壯秧建立合理群體起點，促進個體分蘗早生快發，以足量大分蘗提高夠苗時的群體質量；及時斷水夠苗擱田，及早控制無效分蘗，合理施用促花肥和保花肥，促壯稈攻大穗；以大穗構成大庫容的群體來增強后期的物質生產力[35]。2012年，又提出了水稻缽苗機插超高產栽培技術[33]。

2.7 水稻優質栽培

優質是水稻栽培的重要目標，栽培學家不僅研究了品質形成的生理生態基礎，更從耕作方式、栽培方式、播期、移栽密度、氮肥用量與運籌等栽培措施方面研究闡明了其對品質的效應與調控。一般研究認為，水稻免耕或少耕栽培可明顯改善稻米的加工品質和外觀品質，提高出糙率、精米率和整精米率，降低堊白率和堊白度[36]。關于不同種植方式或栽培方式對稻米品質影響的研究認為，稻米加工品質在手栽或缽苗機插下優于毯苗機插，而毯苗機插好于直播[37-38]。稻米蒸煮食味品質為手栽優于機插，機插好于直播[39]。適宜的播種期，使得水稻灌漿結實期具有較好的溫光資源條件，利于稻米品質的改善。研究認為水稻推遲播期，全生育期縮短，積溫和總光照時數減少，影響稻米品質形成[40-41]，但早熟和中熟水稻品種，適當推遲播期利于改善稻米外觀品質和提高蒸煮食味品質，晚熟水稻品種推遲播期不利于提高稻米品質，往往造成直鏈淀粉含量降低，蛋白質含量升高[42]。適宜的栽插密度有利于提高稻米品質，多數研究認為水稻栽插密度增大，田間植株生長郁蔽，透光通氣差，青米率增加，稻米加工和外觀品質下降[43-44]。也有研究認為稀植栽培下水稻次生分蘗比例增加，抽穗整齊度差，收獲時過熟和未熟籽粒比例增加，造成稻米堊白粒率和堊白度增加[45]。氮肥是稻米品質調控最重要的元素。氮肥用量與運籌是調控稻米品質的重要栽培措施。研究認為，在一定氮量施用范圍內，稻米的加工品質、外觀品質和營養品質隨施氮量的增加得到改善或提高，但稻米直鏈淀粉含量、膠稠度和食味值降低[46-47]。氮肥后移或穗肥施用量增加，往往造成稻米食味品質下降[48]。在長江下游地區，單季粳稻氮肥運籌為基蘗肥∶穗肥 6∶4時，能降低堊白粒率，提高加工品質和營養品質，利于產量和品質協同提高[49]。而針對香稻優質栽培，華南農業大學唐湘如團隊研究了營養元素（N、P、K、Si、Fe、Mo、Zn等）、水分管理、移栽密度、收獲時期、生物農藥和植物生長調節劑噴施等農藝措施對香稻香氣和產量形成的影響，提出了香稻的增香、提質、增產、無公害標準化栽培技術[50]。總體而言，已形成了因播栽方式、因水稻類型與品種類型適時播種，精準機插適宜密度，減少中后期氮肥用量的優質栽培基本技術。

2.8 水稻綠色栽培

綠色栽培，從狹義上來講，是通過選擇抗病品種，采用非化學種子處理，培育壯苗，利用燈光、色彩、天敵誘殺害蟲，進行機械和人工除草等措施，在特殊情況下，需要農藥時也應選用生物農藥的一種栽培方式[51]。從廣義上來說，綠色栽培，是通過減少化肥農藥等投入品用量，顯著提高稻米安全質量，實現節本提質的一種栽培方式，如稻田綜合種養、稻油輪作、稻肥輪作等。中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所曹衛東團隊針對南方稻田冬閑田大量存在的現狀，以綠肥為技術手段，以冬閑田削減、化肥減施、耕地質量提升、稻米清潔生產為主要目標，組織南方八省（區）開展了大規模聯合試驗示范，建立了適應現代農業需要的綠肥-水稻高產高效清潔生產的完整技術體系，獲2012—2013年度中華農業科技獎[52]。湖北潛江、江蘇盱眙率先開展了稻田養殖，探索出了“稻-蝦”“稻-魚”“稻-鱉”“稻-蟹”“稻-鰍”等多種稻田種養模式。據統計，2019年全國有27個省（市）有稻田綜合種養，面積達3 400多萬畝[53]。稻田綜合種養利用生物共生互促原理，水稻實施綠色健康栽培，不但減肥減藥，而且提高稻米品質，提升稻田綜合效益。浙江大學陳欣團隊研究表明，魚蝦糞便等營養物質被水稻利用，使得稻田綜合種養氮肥平均投入比水稻單作模式減少 33.63%[54]。據上海海洋大學成永旭團隊研究，魚類能捕食水稻害蟲，稻田綜合種養較單純種稻可減少農藥成本3.2%—83.6%[55]。華中農業大學張啟發團隊在稻田綜合種養技術的基礎上提出了“雙水雙綠”理念，旨在要充分利用稻田和水資源的優勢實行稻田種養，使“綠色水稻”和“綠色水產”協同發展[17]。

2.9 水稻逆境栽培

2.9.1 溫度脅迫 當環境溫度超過或低于水稻生長范圍臨界值，就會影響或危害水稻生長發育，一般表現為高溫熱害和低溫冷害2類。按照NY/T 2915-2016《水稻高溫熱害鑒定與分級》標準，早稻抽穗開花期和灌漿期高溫熱害的溫度指標均為日平均溫度≥30℃或日最高溫度≥35℃連續3 d及以上，且每天高溫持續時間≥5 h；中稻（一季稻）孕穗—開花期和灌漿期高溫熱害的指標均為日平均溫度≥33℃或日最高溫度≥38℃連續3 d及以上，且每天高溫持續時間≥5 h。水稻孕穗—開花期高溫熱害造成花粉發育不良，開花授粉受精不良和空粒增加；灌漿期高溫熱害造成灌漿期縮短，成熟期提前，千粒重下降，秕谷率增加，產量降低和品質變差[56]。水稻低溫冷害可分為芽期、苗期、孕穗期、抽穗揚花期、灌漿期 5種冷害類型[57]。我國東北寒地水稻往往受到苗期冷害、抽穗揚花期冷害與灌漿期冷害，而長江中下游地區和華南稻區遭遇早春“倒春寒”和后期“寒露風”危害，影響早稻發芽和苗期生長以及中、晚稻后期灌漿結實。

針對高溫熱害和低溫冷害，在栽培上研究提出了篩選耐熱與耐低溫品種、合理調整播期、肥水調控、噴施外源物質等減輕危害應對措施。選用耐高溫、耐低溫品種可減輕水稻高溫熱害和低溫冷害。長江流域雙季早稻一般可選用生育期較短的中熟或偏中熟早秈耐熱品種，適期早播，使開花結實期在6月下旬至7月上旬完成；中稻可選用中晚熟品種，適當晚播，使秈稻開花結實期在8月中下旬，粳稻開花結實期在8月下旬至9月上旬，以躲避7月中旬至8月上旬的高溫危害。對于水稻中后期高溫脅迫，增施氮素穗肥和粒肥能提高植株氮代謝水平、抗氧化酶活性和葉片氨基酸含量，增加水稻的穗粒數、結實率、千粒重和產量[58-59]。采用輕干濕交替灌溉方式能降低水稻冠層相對濕度，提高內源細胞分裂素濃度及籽粒亞精胺和精胺濃度，減輕水稻高溫危害[60]。當水稻遭遇高溫時，噴施外源物質可減輕高溫熱害，如噴施外源硅、硼肥以及油菜素內酯、亞精胺、茉莉酸甲酯等植物生長調節劑。當遇到低溫時，提前建立水層，以水調溫，改善稻田小氣候，可減輕低溫危害。在我國北方寒帶稻作區，秧苗遇到10—12℃低溫時，只要灌薄水就可防御冷害[61]。噴施ABA、香豆素、丙酮、殼寡糖等外源物質能增強水稻幼苗耐冷性，有效減緩冷脅迫下的受害率，提高結實率。

2.9.2 水分脅迫 水稻整個生育期對水分脅迫都有不良反應。干旱影響水稻種子萌發，抑制分蘗生長，根系生長受阻，減少生物量。水稻不同生育時期干旱脅迫，產量減幅程度最大為孕穗期或穗分化期，此階段干旱顯著減少水稻穗粒數、結實率，使得產量顯著降低[62-63]。水稻抽穗開花期的干旱脅迫主要影響結實率，灌漿結實期干旱主要降低千粒重[64]。水稻分蘗期遇到暴雨，田間積水來不及排出，容易形成洪澇災害影響生長發育，導致葉片死亡，分蘗停止或消亡，影響水稻生長發育，最終導致有效穗數和每穗粒數減少，產量下降14.76%—26.58%[65]。研究發現開花期對洪澇脅迫最敏感，減產最大，其次是灌漿期和幼穗分化期，而分蘗期淹水對產量的影響相對較小[66]。當水稻處于半淹水澇害脅迫下，分蘗數顯著減少，而株高、莖稈伸長率、根系生物量、出葉速率、非結構性碳水化合物含量顯著增加，產量急劇下降，淹水越深則降幅越大[67]。

針對水稻干旱與澇害脅迫逆境，栽培應對措施主要有：一是篩選水稻抗旱或耐淹澇的品種。分蘗期受淹澇脅迫，雜交稻耐淹澇能力好于常規稻，表現為淹澇后的雜交稻活苗率明顯高，更快地恢復生長，產量減少幅度小[68]。二是適量施用氮肥、鉀肥等肥料，促進水稻生長。水稻分蘗期受淹沒后及時排水，縮短水淹時間，施用尿素等肥料，可促進水稻恢復生長，增強根系活力和干物質積累，減輕淹水所造成的產量損失[65]。三是噴施生長調節劑等外源物質，改善和促進水稻生長。噴施脫落酸（ABA），短期內降低了水稻凈光合速率與干物質積累量，但進一步提高了水稻干旱脅迫時葉片超氧化物歧化酶（SOD）活性、降低丙二醛（MDA）含量，誘導干旱脅迫時氣孔關閉和降低蒸騰速率，減少水分過度消耗，提高水分利用率，能有效緩解孕穗期干旱脅迫對水稻生理代謝功能的損傷，減輕干旱對產量的影響[69]。

2.9.3 O3脅迫 大氣組分中 O3濃度升高是影響水稻生長發育的重要非生物脅迫因子。工業革命前地球對流層大氣中平均O3濃度為38 nL·L-1，到2100年近地層O3濃度將上升到80 nL·L-1[70]。研究表明高O3濃度明顯傷害水稻葉片，且主要傷害葉片的葉肉部分，降低氣孔導度和葉片光合速率，抑制光合物質生產，導致水稻植株生物量和產量減少[71]。同時，高 O3濃度影響稻米品質，降低了水稻糙米率、精米率和整精米率，增加了堊白度，降低膠稠度[72]。

關于O3脅迫下水稻應對的栽培措施，邵在勝等[73]研究分析發現 O3脅迫下生育中后期分蘗數和最終成穗數、每穗穎花數以及群體總穎花量的變化與水稻敏感品種類型關系密切，可篩選利用抗O3水稻品種。適當增加移栽密度可能會減少 O3脅迫下水稻產量的損失[74]，在分蘗期和抽穗期增施氮肥對 O3脅迫導致的水稻光合損傷有緩解作用，且在水稻生長前期增施效果更好[75]。

2.9.4 鹽分脅迫 我國現有沿海灘涂面積234萬hm2，內陸鹽堿面積近 1億 hm2。水稻屬于中度鹽敏感作物，生產上耐鹽堿水稻是指能在鹽（堿）濃度0.3%以上的鹽堿地生長且單產可達4.5 t·hm-2上的水稻品種。在鹽脅迫條件下，水稻生長受到抑制，幼苗生長緩慢，分蘗減少，降低有效穗數；生殖生長期受到鹽脅迫，影響穎花分化，減少每穗粒數，降低結實率和千粒重[76]。稻米出糙率、精米率、整精米率降低，堊白率和堊白度增加，蛋白質含量提高，膠稠度降低，食味變差[77]。

新中國成立以來，我國已在耐鹽堿水稻品種篩選及其配套栽培技術上做了大量研究工作[78-79]。從 20世紀80年代初開始，江蘇沿海地區農業科學研究所采用“人工模擬鹽池（盆缽）+沿海灘涂鹽土實地”的方法進行耐鹽水稻種質資源的鑒定、篩選和利用。同時，栽培學家一直探索耕作農藝、生物治理和土壤管理等措施改良鹽堿地，先后進行了鹽堿地土壤改良、水分管理、耐鹽堿水稻高產形成特性與生長發育規律的研究[80]。揚州大學戴其根團隊針對沿海灘涂鹽堿地存在的土壤肥力低、鹽分變化大、易返鹽，水稻前期鹽害易僵苗難活棵，中期鹽害慢長不長易死株，后期鹽害易早衰早枯死等突出問題，重點研究鹽堿地稻田降鹽控鹽脫鹽與地力培育提升技術、鹽水稻高產優質形成定量化診斷指標與方法、壯秧培育與栽后高成活率立苗早發壯株技術、定量化降鹽控鹽灌排技術、水肥耦合控鹽的精確施肥技術[76,81]。張振華[82]研究提出施用氮肥能提高水稻葉片內葉綠素a含量和葉綠素a/b比值，提高水稻耐鹽能力；水稻帶土移栽根系植傷少，減少根系對鹽分離子的被動吸收；適當提高水稻生長環境中可利用營養元素Ca2+和Mg2+的濃度，可以明顯增強植株耐鹽脅迫能力。

2.10 水稻區域化栽培

2.10.1 東北寒地粳稻栽培 東北寒地水稻產區包括黑龍江、吉林、遼寧和內蒙古東北部，因特殊的地理位置和氣候環境，每3—4年就會發生一次冷害，低溫冷害是制約寒地水稻生產重要因素。針對該地區生產特點，栽培學家在育苗方式、栽插方式、移栽密度、施肥和灌溉等方面研究與探索適合寒地水稻高產栽培技術，取得了重要技術成果。在育苗方式上，20世紀70年代，采用旱地育苗、濕潤育苗、塑料薄膜保溫濕潤育苗、塑料薄膜保溫旱育苗，其中以薄膜保溫旱育苗效果最好[83]。21世紀以來，寒地水稻地區逐漸采用大棚旱育秧方式，以適時早播、降低播種量為核心，培育壯秧。大面積采用鋼骨架大棚旱育秧，保暖性顯著好于中小棚，大棚育苗中棚內扣小棚，有效增加育秧期積溫，增強防御早春霜凍能力，利于早播，培育壯苗[84]。在栽插方式上，主要有旱育手栽、缽育擺栽、盤育毯苗機插、缽育苗機插、機械直播等，目前盤育毯苗機插秧是寒地水稻主體栽插方式，特別是黑龍江農墾基本采用盤育毯苗機插方式。近幾年，黑龍江省開始推廣缽體盤育機插秧技術，避免了盤育毯苗機插植傷重、緩苗慢、低位分蘗少等問題，缽體盤育機插秧技術保持秧苗根系完整性，秧苗素質高，栽插后無緩苗期，利于利用低位分蘗，增產效果顯著，解決了以往缽盤育苗只能人工移栽的技術難題[85]。黑龍江農墾科學院解保勝等[86]經長期研發，以“葉齡模式”“群體質量”理論為指導，結合寒地稻區氣候特點，通過選擇適宜熟期的優質高產品種，調整氮肥施用量及時期，增施磷鉀鎂肥，間歇灌溉等栽培措施，創新構建了適應黑龍江農墾大規模機械化規范化生產的寒地水稻調優豐產技術。2005年以來，黑龍江農業科學院來永才等[87]針對寒地水稻井灌種稻、苗床取土等引起的生態問題，探索并提出了寒地水稻直播栽培技術。

2.10.2 長三角地區粳稻栽培 長三角地區是我國重要的粳稻生產優勢區域，包括上海、江蘇、浙江和安徽等省（市），以稻麥周年兩熟制為主，該區對粳稻高產優質高效栽培技術進行了大量系統深入的研究。張洪程等[88]闡明了南方粳稻生產優勢形成的生理生態機制，認為粳稻全生育期較秈稻明顯延長，灌漿后期粳稻更能適應溫涼天氣，增加對溫光資源的利用，能安全成熟；粳稻生育后期具有較高的光合生產能力，同時能維持強壯根系和較高的莖鞘強度，增強群體抗倒伏能力，有利于機械化輕簡化栽培。與超級雜交秈稻相比，常規粳型超級稻抽穗后根系生長優勢不斷加大，特別是群體生長優勢、成熟期粳稻所有根系形態生理特征指標均優于秈稻，是粳稻高產形成的重要原因[89]。在粳稻栽培機械化方面，長三角地區水稻機械種植方式以毯苗機插和機械直播栽培為主，其生產機械化水平處于全國前列[90-91]。

2.10.3 南方雙季稻栽培 我國南方雙季稻生產主要集中在湖南、江西、湖北、廣東、廣西、福建等省（區）。稻作制度為肥稻稻和閑稻稻，栽培上形成一批高產栽培技術成果。如廣東省農業科學院鐘旭華[92]提出以控肥、控苗、控病（三控）為主的高效安全施肥及其配套技術，通過控制總施氮量和基蘗氮肥量，提高氮肥利用效率；通過控制無效分蘗和高峰苗數，提高成穗率和群體質量；通過優化群體結構，控制病蟲害和倒伏的發生，減少農藥用量。湖北省農業科學院程建平[93]提出“早秈晚粳”雙季稻機械插秧高產高效栽培技術，能較好地解決雙季稻茬口銜接緊張、秈型晚稻抗寒性弱和易受寒露風危害、秈稻株型披散易徒長與不利于機插等問題，已在湖北、江西等地大面積推廣應用。江西省農業科學院彭春瑞[94]提出了雙季稻“三高一保”栽培技術，通過培育壯秧促早發，采用化控（噴施水稻復合控蘗劑）、水控（提早曬田）、肥控（減少前期養分供應）“三控”結合，控制無效分蘗發生，構建高光效群體，生育后期加強肥水管理，改善田間通風透光條件，防治水稻早衰，促進籽粒灌漿結實。湖南農業大學鄒應斌[95]提出了以適量播種、寬行勻植、平衡施肥、濕潤灌溉等配套技術為核心的雙季稻高產“三定”栽培技術，技術原理是因地定產、依產定苗、測苗定氮，即定產、定苗、定氮。

2.10.4 西南高濕寡照稻區雜交稻栽培 西南高濕寡照稻區包括四川、重慶、貴州等省（市），該區域地形地貌復雜，立體氣候明顯，降雨多濕度高，日照時間短，形成了具有特殊氣候條件的西南高濕寡照稻作區。經長期研發，西南稻區創新建成了諸多栽培新模式或技術。如重慶市農業科學院李經勇等[96]創新集成了長江上游雜交中稻-再生稻高產高效栽培技術模式，提出了根據頭季稻品種穗粒數和齊穗期劍葉SPAD值確定粒芽肥高產高效施用新方法，建立了中稻-再生稻兩季平衡施肥技術。四川農業大學馬均等[97]創新集成了雜交中稻超高產強化栽培技術體系，創建了中小苗和大苗2套強化栽培技術體系。針對四川盆地水稻高溫、高濕、低光輻射值的生態特點，發明了本田秧苗三角形栽培法，改善了植株群體通風透光條件，協調了穗足、穗大和籽粒充實的矛盾，并揭示了強化栽培條件下雜交稻個體生長優勢明顯、群體質量優良、穗粒結構合理、后期根系活力旺盛、群體光合力強、光合物質轉運率高、籽粒充實度好的高產機理。云南省農業科學院楊從黨等[98]創新集成了云南高原水稻高產高效栽培技術，以“水稻精確定量栽培技術”為基礎，實現了水稻葉齡模式本土化，研究了精量播種培育壯秧、基本苗定量、氮肥精準施用等關鍵技術，構建了不同產量水平的群體結構指標和動態診斷指標，集成了不同生態區水稻高產高效栽培模式，在云南 4個生態亞區創造了畝產950 kg以上的高產典型。貴州省農業科學院周維佳等[99]創新集成了貴州雜交水稻超高產精確栽培技術體系，形成了具有高原山區多雨寡日照條件下雜交水稻超高產栽培理論，確定了水稻超高產群體起點（基本苗）定量參數和氮肥調控技術的定量調控技術參數，提出了貴州雜交水稻“五五”精確定量栽培技術模式。

3 未來水稻栽培領域的創新方向

3.1 綠色優質豐產協調規律與廣適性栽培

稻米產品的消費需求結構已經發生了顯著變化，已不滿足于吃飽的問題，而是要吃得好，講品質、講安全、講健康。水稻栽培必須堅持理論與實踐相結合的研究方法，在主攻稻米品質改善的同時，穩定或提高稻米產量。水稻品質和產量既有一致性，又有矛盾性，是一個十分復雜的科學問題。既要豐產、更要改善品質，就要深入搞清楚兩者的協同規律與機理，在綠色優質豐產協同規律與廣適性調控栽培技術上取得突破：（1）根據市場需求的品質標準，深入研究氣候、土壤、水質和營養元素等對稻米品質的影響及其機理，揭示稻米品質形成生理生態規律；（2）研究優質和高產形成影響因素的同一性和矛盾性，為水稻優質高產栽培提供協調途徑；（3）根據當地生態條件，研創本地優質高產協同的栽培技術體系，制定品牌稻米生產技術標準；（4）研究提高稻米加工和外觀品質的收獲與貯藏技術。

同時，必須高度重視綠色健康栽培研究與應用，使水稻栽培向物質投入資源消耗節約型綠色生產方式轉變，建設綠色健康稻田生態系統，保障水稻綠色優質豐產協同。

3.2 多元專用稻優質栽培

隨著人們生活水平的日益提高，人們對稻米提出多樣化需求。因此，要加大水稻的專用、特種、多用“多元化”優質栽培研究與開發。一是優質特種食用作物栽培技術研究。比如，五彩米，香米，保健的富硒米、富鋅米，功能性的高直鏈淀粉米、低醇溶蛋白米等。二是工業用、飼用作物栽培技術研究。比如，作工業原料如制粉條、淀粉、味精、米酒、糕點等對稻米品質的要求與食用大米不同，一般要求直鏈淀粉含量較高。飼用標準，以蛋白質和維生素的含量高低作為主要的衡量依據。三是凈化環境美化鄉村的水稻栽培技術研究。如彩色稻、凈化鎘污染稻栽培。

3.3 超高產提質協同規律及實用栽培

水稻超高產研究是永恒的方向，要從優化群體生育動態、防止后期早衰、非葉器官光合耐逆高效機制、生態因素（光、溫、水、肥）調控機理等角度，揭示水稻超高產與提質協同的生育特性，探明其形成規律；在品種選用、生育診斷、適宜播栽期、合理密植、肥水高效耦合與精準診斷調控等栽培措施上加強攻關，進一步創新并挖掘水稻超高產潛力，并建立協同提質的實用栽培技術。

3.4 直播稻、再生稻穩定豐產優質機械化栽培

隨著水稻生產和勞動力成本增加，憑借生產工序少、用工少、農耗短等優勢，我國不同稻區水稻直播推廣應用面積進一步擴大。因此，需要對現代直播稻作精心籌劃，加大研發投入，組織相關力量，融合農藝農機，從適用早熟優質品種篩選、機械秸稈還田精耕細作與精確播種、節種節肥節水節藥綠色栽培、規模化高效生產等方面進行攻關，特別是對適種地區必須針對性地加強研究，闡明所在區域適時安全成熟、優質穩產、高效綠色生產的協同規律，創新“早全齊勻壯”出苗技術、節肥省水節約的精確管理技術，集成適用不同生態區直播稻豐產優質增效的全程機械化栽培技術體系。

為適應再生稻加快發展，必須加強頭季稻與再生稻協同優質豐產規律的研究，重點加強全程機械化栽培，特別是頭季稻少碾壓損失機械化收獲的攻關研究，建立適合不同適宜地區的再生稻優質豐產栽培技術。

3.5 智能化、無人化栽培

未來，我國社會經濟的高速發展和城鎮化的不斷推進，人們對優質便捷的城鎮生活更為向往，農村優質勞動力銳減，水稻生產面臨“老齡化”“高齡化”挑戰；同時，水稻生產走向不斷擴大的規模化。因此，水稻生產以機械化、智能化為核心支撐，逐步走向“無人化”，特別是田間作業的“無人化”是未來發展的基本方向。水稻生產全面實現高水平現代化，必須以現代機械裝備與現代農藝的高水平融合構建的現代水稻生產新技術為支撐，即在現代裝備條件下水稻耕作、播栽、施肥、灌溉、植保以及收儲，實現全程機械化、智能化。因此，需要加大水稻生產“無人化”農藝農機融合攻關：一是加強秸稈全量還田下高質量無人化耕整地攻關研究；二是加強高質量無人化播種攻關研究；三是加強工廠化智能化育秧攻關研究；四是加強高質量無人化機插攻關研究；五是加強高質量無人化施肥攻關研究；六是加強高質量無人化植保攻關研究；七是加強高質量無人化收獲攻關研究；八是加強配套無人化、精簡化生產工序的栽培農藝體系攻關研究；九是加強水稻大田生產無人化的信息化智能化服務攻關研究。