不同機(jī)械有序種植方式對(duì)水稻生長特性及產(chǎn)量的影響

羅友誼, 王慰親, 鄭華斌, 劉功義, 巢英, 徐彩, 鄭志剛, 李雪倩, 韋銀蘭, 唐啟源

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 長沙 410128)

水稻是我國主要糧食作物之一，對(duì)糧食安全至關(guān)主要[1]。隨著城市化進(jìn)程加快，導(dǎo)致農(nóng)村勞動(dòng)力短缺、水稻種植面積下降，嚴(yán)重阻礙了我國水稻生產(chǎn)[2]。在此現(xiàn)狀下，發(fā)展機(jī)械化種植是未來水稻生產(chǎn)的必然趨勢[3-4]。目前，我國已經(jīng)普及水稻機(jī)械收獲[5]。水稻機(jī)械種植水平也取得了長足的發(fā)展[6]。插秧、直播、拋秧均已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，特別是機(jī)械精量有序穴直播技術(shù)、機(jī)械有序拋秧技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用對(duì)于推進(jìn)我國水稻種植的機(jī)械化、精量化和有序化具有重要意義[7-8]。

機(jī)插秧是指將培育出的帶土毯狀秧苗通過插秧機(jī)將水稻秧苗栽植在水田中的機(jī)械種植方式，能提高插秧功效和栽植質(zhì)量[9]。有序機(jī)穴直播是指將水稻種子通過直播機(jī)穴播入濕潤無水的大田，省去了傳統(tǒng)水稻育秧、拔秧、運(yùn)秧和栽秧等工序，減少勞力、節(jié)省人工成本，并且能做到“精確定量、成行成穴”的壟畦栽培機(jī)械化種植方式[10]。有序機(jī)拋秧是近年來出現(xiàn)的新型水稻種植方式，采用塑料軟盤分穴分蔸育苗，結(jié)合近年新研發(fā)的水稻有序拋秧機(jī)進(jìn)行水田分行分蔸拋栽，實(shí)現(xiàn)了水稻拋秧栽培的機(jī)械化、精量化、有序化，具有帶土移栽、緩苗期短、 返青快、成行分穴、均勻養(yǎng)分和光合作用以及有利于減少病蟲害的優(yōu)點(diǎn)[11]。

前人對(duì)水稻不同種植方式進(jìn)行了系統(tǒng)研究，但大多是比較手工種植方式與機(jī)械種植方式，圍繞不同機(jī)械有序種植方式之間的比較研究較少。羅錫文等[12]研究發(fā)現(xiàn)，不同種植方式下產(chǎn)量差異不顯著。唐海明等[13]研究表明，與手插秧和機(jī)插秧相比,拋秧能加快水稻生育進(jìn)程，干物質(zhì)總量大，實(shí)際產(chǎn)量顯著性高于機(jī)插機(jī)插秧和手插秧，分別增產(chǎn)1 203.3～1 346.7和301.3～426.4 kg·hm-2。徐一蘭等[14]研究發(fā)現(xiàn)，與手插秧和機(jī)插秧比較，拋秧的早、晚兩季水稻分蘗發(fā)生早，地上部生物量大，根系發(fā)育好，葉面積指數(shù)高，增產(chǎn)效果明顯。何瑞銀等[15]研究表明,與手插秧比較，機(jī)插秧方式平均增產(chǎn)7.53%，而機(jī)械直播方式產(chǎn)量平均下降6.34%。程建平等[16]研究表明，機(jī)械直播能加快水稻生育進(jìn)程,提高葉面積指數(shù),分蘗發(fā)生和分蘗高峰出現(xiàn)早,實(shí)際產(chǎn)量最高,較人工撒播和手插處理分別增產(chǎn)14.92%和4.59%。李杰等[17]研究發(fā)現(xiàn)，不同種植方式水稻干物質(zhì)和光合物質(zhì)生產(chǎn)有各自特征,與機(jī)插秧和直播稻比較,手插秧前期物質(zhì)積累量適宜,中后期物質(zhì)積累量顯著高,干物質(zhì)總量高的抽穗后光合生產(chǎn)能力強(qiáng)。綜上所述，不同研究間的結(jié)論均存在差異。本研究以甬優(yōu)4949和Y兩優(yōu)911為供試品種，系統(tǒng)比較了有序機(jī)拋秧、機(jī)插秧、有序機(jī)穴直播3種機(jī)械種植方式對(duì)水稻的產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素、生育期、分蘗動(dòng)態(tài)、干物質(zhì)積累、葉面積指數(shù)和根系生長特點(diǎn)，以期明確不同機(jī)械種植方式的生長發(fā)育特點(diǎn)，為水稻全程機(jī)械化生產(chǎn)的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試地點(diǎn)與材料

試驗(yàn)于2020年3—8月在湖南省益陽市大通湖區(qū)千山紅鎮(zhèn) (112°15′E，29°01′N) 大西港村進(jìn)行，以甬優(yōu)4949和Y兩優(yōu)911為供試品種。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用裂區(qū)組設(shè)計(jì)，以品種為主區(qū)，3種機(jī)械有序種植方式做副區(qū)，即有序機(jī)拋秧、機(jī)插秧、有序機(jī)穴直播，用種量均為30 kg·hm-2，3種方式的基本苗數(shù)基本一致，株行距均為25 cm×16 cm。試驗(yàn)設(shè)制三個(gè)重復(fù)，共有18個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，各小區(qū)之間分別筑埂(高35 cm,寬30 cm)，田埂用黑色塑料薄膜覆蓋，各小區(qū)單獨(dú)灌溉，嚴(yán)防水肥流竄。

1.3 試驗(yàn)管理

有序機(jī)拋秧和機(jī)插秧播種期為3月28日，移栽(拋栽)期為4月23日；有序機(jī)穴直播于4月14日播種。各小區(qū)肥料種類與用量相同，頭季生育期施純N 180 kg·hm-2，按基肥：分蘗肥：穗肥=5∶2∶3施用；P2O590 kg·hm-2作為底肥一次性施用，K2O 180 kg·hm-2按基肥：穗肥=5∶5施用。病蟲草害的防控與小區(qū)灌排等生產(chǎn)性措施按不同種植方式下水稻生育期進(jìn)行管理，其余生產(chǎn)性措施參照當(dāng)?shù)卮筇锔弋a(chǎn)栽培。

1.4 觀測項(xiàng)目與方法

1.4.1測產(chǎn)與考種 于成熟期在小區(qū)中心區(qū)域取長勢均勻的6 m2正方形區(qū)域測產(chǎn)，谷粒用風(fēng)機(jī)篩選后曬干、稱重，同時(shí)用自動(dòng)數(shù)字水分儀(DMC-700,Seedburo,Chicago, IL, USA)測定稻谷籽粒含水量，根據(jù)秈稻13.5%的標(biāo)準(zhǔn)含水量計(jì)算水稻實(shí)際產(chǎn)量[18]。

按對(duì)角線取樣法，每小區(qū)取12穴(邊3行除外)水稻植株樣品，統(tǒng)計(jì)穗數(shù)后人工脫粒，用水選法分離實(shí)粒和空秕粒，80 ℃烘干直到重量恒定，數(shù)計(jì)稱重并計(jì)算每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重。

1.4.2生育期與分蘗動(dòng)態(tài) 生育期：記錄各處理播栽期、返青期、幼穗分化始期、抽穗期、成熟期等主要生育期。

分蘗動(dòng)態(tài)：每小區(qū)選定連續(xù)的12穴水稻植株，統(tǒng)計(jì)基本苗數(shù)量，每隔3 d統(tǒng)計(jì)一次莖糵數(shù)，直至水稻抽穗。

1.4.3干物質(zhì)積累量 分別于抽穗期、成熟期， 每小區(qū)選取有代表性的連續(xù)12穴水稻植株，樣品于105 ℃下殺青30 min，然后在 80 ℃ 下烘干至恒重，按莖鞘、葉片、穗部分別稱重，計(jì)算單位面積干物質(zhì)積累量。

單位面積花前干物質(zhì)積累量=單位面積成熟期干物質(zhì)質(zhì)量-單位面積花后干物質(zhì)質(zhì)量

(1)

單位面積花后干物質(zhì)積累量=單位面積成熟期干物質(zhì)質(zhì)量-單位面積抽穗期干物質(zhì)質(zhì)量

(2)

1.4.4葉面積指數(shù) 在幼穗分化始期與抽穗期，選取2穴均勻的水稻，摘下水稻葉片，采用長寬系數(shù)法測定植株葉面積，烘干稱重，再結(jié)合比葉重計(jì)算出葉面積指數(shù)。

1.4.5單株根數(shù)與根干重 于幼穗分化始期、抽穗期在每個(gè)小區(qū)選取莖糵數(shù)與小區(qū)平均莖糵數(shù)一致的3穴完整水稻植株，根部用細(xì)孔網(wǎng)袋裝好并沖洗干凈。記錄根數(shù)，將根剪下放置在恒溫烘干箱內(nèi)，105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，稱重。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

使用 Microsoft Excel 2019和statistix8軟件處理數(shù)據(jù)和進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，方差分析采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同機(jī)械有序種植方式對(duì)水稻產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表1可知，三種機(jī)械有序種植方式之間的產(chǎn)量存在顯著性差異。其中，有序機(jī)拋秧的產(chǎn)量在不同種植方式之間最高，顯著高于機(jī)插秧與有序機(jī)穴直播，與機(jī)插秧與有序機(jī)穴直播相比較，增產(chǎn)幅度分別為7.86%～8.50%與14.06%～15.08%。進(jìn)一步分析產(chǎn)量構(gòu)成因素發(fā)現(xiàn)，主要原因是3種種植方式的有效穗數(shù)存在顯著差異，有序機(jī)拋秧的有效穗數(shù)極顯著高于機(jī)插秧與有序機(jī)直播；穗粒數(shù)、千粒重、結(jié)實(shí)率無顯著差異(除甬優(yōu)4949外，機(jī)插秧的每穗粒數(shù)顯著高于其他兩種方式)。

表1 不同機(jī)械有序種植方式的水稻產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素Table 1 Yield and yield components of rice under different mechanical orderly planting methods

2.2 不同機(jī)械有序種植方式對(duì)水稻生育期的影響

水稻全生育期均表現(xiàn)為機(jī)插秧>有序機(jī)拋秧>有序機(jī)穴直播，有序機(jī)拋秧的全生育期比機(jī)插秧縮短3～4 d左右。有序機(jī)穴直播由于沒有栽后緩苗期，生育期明顯縮短。進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，不同機(jī)械種植方式下水稻幼穗分化始期至抽穗期、抽穗期至成熟期的生長時(shí)間基本一致，而播種至幼穗分化始期生育期相差較大。與機(jī)插秧和有序機(jī)拋秧比較，有序機(jī)穴直播大幅縮短了水稻播種到幼穗分化始期這一生育階段(表2)。

表2 不同機(jī)械有序種植方式的水稻生育期進(jìn)程Table 2 Growth stages of rice under different mechanical orderly planting methods

2.3 不同機(jī)械有序種植方式對(duì)分蘗發(fā)生動(dòng)態(tài)的影響

由圖1可見，不同機(jī)械有序種植方式下，水稻群體分蘗增長和消亡的趨勢不同。群體分蘗發(fā)生時(shí)間按從早到晚表現(xiàn)為有序機(jī)穴直播、有序機(jī)拋秧、機(jī)插秧。有序機(jī)穴直播由于沒有緩苗期，在播種后24～27 d開始產(chǎn)生分蘗，前期分蘗增長速度最快，高峰苗期出現(xiàn)最早，高峰苗期過后，群體莖糵消亡速度也最快。在有序機(jī)拋秧種植方式下，水稻播種后33～36 d(移栽后7～10 d)左右開始出現(xiàn)分蘗，播種后63～66 d達(dá)到高峰苗期。機(jī)插秧在播種后36～39 d(移栽后10～13 d)開始產(chǎn)生分蘗，播種后69～72 d(移栽后33～36 d)達(dá)到高峰苗期。與機(jī)插秧比較，有序機(jī)拋秧的分蘗出現(xiàn)時(shí)間和高峰苗期分別要早3 和6 d左右，前期分蘗增長速率快。3種機(jī)械種植方式下的最高苗數(shù)和最終苗數(shù)(分蘗數(shù)穩(wěn)定時(shí)的苗數(shù))呈現(xiàn)一致規(guī)律，均表現(xiàn)為有序機(jī)拋秧>有序機(jī)穴直播>機(jī)插秧。

2.4 不同機(jī)械有序種植方式對(duì)水稻干物質(zhì)積累量的影響

由圖2可知，有序機(jī)拋水稻的花前和花后干物質(zhì)積累量均顯著性高于其他兩種機(jī)械種植方式，花前和花后干物質(zhì)積累量均呈現(xiàn)有序機(jī)拋秧>機(jī)插秧>有序機(jī)穴直播。機(jī)插秧的花前干物質(zhì)積累量與花后干物質(zhì)積累量顯著性高于有序機(jī)穴直播。

2.5 不同機(jī)械有序種植方式對(duì)水稻葉面積指數(shù)的影響

進(jìn)一步分析圖3發(fā)現(xiàn)，有序機(jī)拋水稻在幼穗分化始期和抽穗期的水稻葉面積指數(shù)顯著高于機(jī)插秧與有序機(jī)穴直播 (Y兩優(yōu)911除外，其有序機(jī)拋秧與機(jī)插秧在抽穗期的葉面積指數(shù)沒有顯著差異)。機(jī)插秧水稻葉面積指數(shù)顯著高于有序機(jī)穴直播。

2.6 不同機(jī)械有序種植方式對(duì)水稻單株根數(shù)與根干重的影響

分析表3可知，有序機(jī)拋秧在水稻幼穗分化始期和抽穗期這兩個(gè)主要時(shí)期的單株根數(shù)和根系干物質(zhì)質(zhì)量顯著高于機(jī)插秧與有序機(jī)穴直播(Y兩優(yōu)911除外，有序機(jī)拋秧與機(jī)插秧根系干物質(zhì)沒有顯著性差異)。機(jī)插秧的單株根數(shù)和根系干物質(zhì)質(zhì)量顯著高于有序機(jī)穴直播。

表3 不同機(jī)械有序種植方式的水稻單株根數(shù)與根干重Table 3 Root number per plant and root dry weight of rice under different mechanical orderly planting methods

2.7 各測定指標(biāo)與產(chǎn)量的相關(guān)性分析

由表4可知，幼穗分化期的葉面積指數(shù)、單株根數(shù)、單株根干重與產(chǎn)量均呈極顯著性正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別是0.939、0.906、0.895)。抽穗期的單株根干重、單株根數(shù)與產(chǎn)量均呈極顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別是0.925、0.827)，葉面積指數(shù)與產(chǎn)量顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)0.643)。花后干物質(zhì)積累與產(chǎn)量極顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)0.910)，花前干物質(zhì)積累與產(chǎn)量正相關(guān)，但沒有達(dá)到顯著水平(相關(guān)系數(shù)0.538)。

表4 各測定指標(biāo)與產(chǎn)量的相關(guān)性Table 4 Correlation between yield and indexes

2.8 效益比較

由表5可知，三種機(jī)械有序栽培方式，以機(jī)械有序機(jī)穴直播的成本最低；有序機(jī)拋栽培的投入成本最高，比機(jī)插秧與有序機(jī)穴直播分別高出900和2 025元·hm-2，有序機(jī)拋栽培成本增加主要是由于育秧、運(yùn)秧和拋栽人工的成本增加。但是由于顯著增產(chǎn)，有序機(jī)拋栽培的純收入比機(jī)插栽培、有序機(jī)穴直播栽培分別增加1 170.99、1 465.78元·hm-2，生產(chǎn)效益最佳。

3 討論

3.1 不同機(jī)械有序種植方式的水稻產(chǎn)量及增產(chǎn)原因

產(chǎn)量是衡量水稻不同機(jī)械種植方式發(fā)展?jié)摿Φ闹匾笜?biāo)。前人關(guān)于不同機(jī)械有序種植方式下水稻產(chǎn)量的研究較少，對(duì)水稻產(chǎn)量的研究大多是在手工與機(jī)械種植方式的比較，且研究結(jié)果存在差異。謝成林等[19]研究拋秧、機(jī)插秧、手插秧和直播對(duì)水稻產(chǎn)量的影響，結(jié)果顯示，拋秧產(chǎn)量最高，機(jī)插秧和手插秧次之，直播產(chǎn)量最低。張軍等[20]研究表明，不同類型品種晚粳稻產(chǎn)量均呈現(xiàn)手插秧>拋秧>機(jī)插秧的趨勢。趙永亮等[21]研究表明，機(jī)直播的實(shí)際產(chǎn)量最高,其次是機(jī)插秧，人工撒播產(chǎn)量最低。李杰等[22]研究表明，不同種植方式水稻產(chǎn)量差異極顯著,手插秧最高,其次是機(jī)插，直播產(chǎn)量最低。對(duì)水稻高產(chǎn)的關(guān)鍵因素，于林惠等[23]認(rèn)為，有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重是保證水稻高產(chǎn)的關(guān)鍵。張洪程等[24]認(rèn)為，水稻增產(chǎn)的關(guān)鍵是保足穗，攻大穗。鄒丹等[25]認(rèn)為，有效穗、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率與千粒重協(xié)調(diào)，才能充分發(fā)揮水稻產(chǎn)量潛力。

本研究對(duì)3種不同機(jī)械有序種植方式之間水稻產(chǎn)量進(jìn)行比較，結(jié)果表明，有序機(jī)拋秧的產(chǎn)量顯著高于機(jī)插秧與有序機(jī)穴直播，機(jī)插秧顯著高于有序機(jī)直播。增產(chǎn)的原因是由于有序機(jī)拋秧能在不顯著降低每穗粒數(shù)前提下，較機(jī)插秧與有序機(jī)穴直播顯著增加有效穗，說明有序機(jī)拋秧較其他兩種方式更能協(xié)調(diào)水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子。

3.2 不同機(jī)械有序種植方式影響水稻生長特性

不同種植方式影響水稻生育進(jìn)程、前期分蘗發(fā)生、后期物質(zhì)生產(chǎn)及葉面積指數(shù)，最終影響水稻產(chǎn)量。如秦敏等[26]認(rèn)為,不同種植方式影響水稻生長發(fā)育進(jìn)程，最終影響水稻產(chǎn)量。符艷春等[27]研究拋秧、機(jī)插與直播3種方式發(fā)現(xiàn)，直播的生育期較機(jī)插和拋秧分別短9和7 d。劉紅江等[28]認(rèn)為,不同種植方式下水稻拔節(jié)至抽穗和抽穗至成熟期的生長時(shí)間基本一致,而播種至拔節(jié)期的生長時(shí)間差異較大。謝成林等[29]表明，拋秧的高峰苗出現(xiàn)時(shí)間要比機(jī)插早2～3 d左右,拋秧的高峰苗要高于機(jī)插。周紅英等[30]研究發(fā)現(xiàn)，抽穗以后干物質(zhì)積累量順序?yàn)閽佈?機(jī)插>直播，不同種植方式水稻產(chǎn)量與花后干物質(zhì)呈極顯著正相關(guān)，與花前干物質(zhì)積累量相關(guān)不顯著。張洪程等[31]認(rèn)為，拋秧比機(jī)插群體綠葉數(shù)多，葉面積大，光合勢大，葉面積指數(shù)高，庫大源強(qiáng)。丁震乾等[32]認(rèn)為，機(jī)插的葉面積指數(shù)要高于直播。本研究對(duì)3種不同機(jī)械有序種植方式之間水稻生長特性進(jìn)行比較的結(jié)果表明，與機(jī)插秧與有序機(jī)穴直播進(jìn)行比較，有序機(jī)拋秧水稻生育期適中；生長前期分蘗發(fā)生快(與機(jī)插秧比較)，高峰苗數(shù)量大，后期成穗多；花前與花后干物質(zhì)積累量高，葉面積指數(shù)高。在本研究中，有序機(jī)拋秧由于采用塑料軟盤育秧，可能導(dǎo)致水稻秧苗素質(zhì)較好，大田移栽效果較佳，大田返青快，移栽后分蘗發(fā)生較早(與機(jī)插秧比較)；而水稻生長后期有效分蘗多，有利于改善有效穗數(shù)；水稻前期與后期干物質(zhì)積累量、葉面積指數(shù)表現(xiàn)出顯著性優(yōu)勢，源大庫足，源庫關(guān)系更協(xié)調(diào)；說明有序機(jī)拋秧較機(jī)插秧與有序機(jī)穴直播的地上部生長有優(yōu)勢。

3.3 不同機(jī)械有序種植方式的水稻根系生長

前人研究認(rèn)為，水稻根系生長發(fā)育的狀況與產(chǎn)量緊密相關(guān)，如張耗等[33]研究認(rèn)為，根干質(zhì)量、根數(shù)與產(chǎn)量呈極顯著線性正相關(guān)；蔡昆爭等[34]發(fā)現(xiàn)，各生育期根質(zhì)量均與地上部質(zhì)量、總質(zhì)量呈顯著或極顯著正相關(guān)。郭保衛(wèi)等[35]研究發(fā)現(xiàn)，水稻有序擺拋和點(diǎn)拋方式下水稻單株根數(shù)、單株根系質(zhì)量高于機(jī)插，各時(shí)期的單株根系特征與地上部產(chǎn)量均呈極顯著相關(guān)性。徐芬芬等[36]認(rèn)為，較高的根系生物量是后期干物質(zhì)積累及產(chǎn)量提高的重要生理原因。本研究對(duì)3種不同機(jī)械有序種植方式進(jìn)行比較，結(jié)果表明，有序機(jī)拋秧方式下水稻的根系干物質(zhì)、單株根數(shù)均高于其他3種機(jī)械種植方式，與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)；這可能是由于有序機(jī)拋秧方式下水稻秧苗帶土移栽，不傷根，根系能正常生長發(fā)育，表現(xiàn)出生長的優(yōu)勢；說明有序機(jī)拋秧較機(jī)插秧與有序機(jī)穴直播的地下部生長有優(yōu)勢。此外，由于試驗(yàn)條件有限，對(duì)不同機(jī)械有序種植方式下水稻的光合生理特性、水稻群體微冠層環(huán)境變化與稻田資源利用率等機(jī)理有待進(jìn)一步研究。