近年我國水稻栽培學科若干熱點領域研究進展與展望

朱均林 褚光 章秀福

（中國水稻研究所/水稻生物育種全國重點實驗室，杭州 311400；*通信作者: chuguang@caas.cn）

2020—2022 年，我國水稻單產和總產水平一直處于歷史高位，優質豐產高效與環境友好成為新時期水稻產業高質量綠色發展的主題。水稻耕作栽培的創新發展為我國水稻產業轉型升級提供了最直接的科技支持，確保了我國稻米口糧絕對安全，實現了由“吃飽”到“吃得好、吃得放心”的質的躍升。就學科發展而言，主要體現在水稻無人化數智栽培、優質豐產綠色栽培、可持續多熟制種植、再生稻機械化栽培、稻田生態綜合種養以及稻田低碳減排栽培等熱點領域。本文對本學科近3 年國內研究進展進行梳理，對國外相關研究作簡單介紹，并對未來5 年或更長時期我國水稻耕作栽培研究發展作一展望，以期為國內外同行和感興趣的讀者提供參考。

1 水稻栽培學科國內研究進展

1.1 水稻無人化數智栽培

我國水稻生產在耕、種、管、收等主要環節均已基本實現機械化，但生產過程仍需投入較多的人力，很難適應新時代的發展需求[1]。隨著數智農業的快速發展，水稻生產作業的“無人化”是未來發展的基本方向。當前，國內已涌現出一大批“無人化”數智稻作新技術。例如，“無人化”飛播技術、“無人化”耕整地技術、“無人化”精準機插技術、“無人化”精準施肥技術和智能遠程控制灌溉技術等。其中，又以“無人化”飛播技術的發展最為迅猛。此前，我國水稻機械直播栽培中主要采用的是以有人駕駛的地面機械為平臺，開展機械化直播作業，存在作業效率偏低、對耕整地要求高等缺點[2]。“無人化”飛播栽培模式不僅具備作業效率高、工作強度低、使用成本低、智能化程度高的特點，還可以減少復雜地形對播撒作業的干擾[3-4]。此外，無人機還可以通過更換部件開展撒肥、噴藥等作業，可以更加深入的參與水稻栽培管理[5-6]。近年來，揚州大學張洪程院士團隊開展稻麥耕種管收關鍵環節田間“無人化”作業技術研究，研發出了稻麥綠色豐產“無人化”栽培技術，該套技術以水稻機插整合栽培無人化作業技術、水稻直播與小麥條播整合栽培無人化作業技術為核心，配套無人機飛防高效植保技術、智能遠程控制灌溉技術和智能精準無人化收獲技術，創建機插和直播兩套水稻及精量條播小麥栽培田間“無人化”作業工程技術體系[7]。2021 年，該項技術被農業農村部評選為10 項重大引領性技術之一。依托生物技術、智能農機和信息技術建設的“無人農場”是實現無人化數智農業的重要途徑[8-9]。近年來，華南農業大學羅錫文院士團隊集成了耕種管收生產環節全覆蓋、機庫田間轉移作業全自動、自動避障異況停車保安全、作物生產過程實時全監控和智能決策精準作業全無人等關鍵技術，建設了水稻“無人農場”，在數智農業發展中表現出巨大的潛力[10]。“無人農場”的建設為解決“誰來種田”和“如何種田”的問題提供了重要途徑，同時對我國“無人農場”建設起到了示范作用。

1.2 水稻優質豐產綠色栽培

長期以來，我國水稻形成了“高投入、高產出、高污染、低效益”的生產模式。這種模式為保障我國糧食安全供給做出巨大貢獻的同時，也導致了生產成本大幅增加，還引起稻米品質變劣，稻田可持續生產受到威脅[11-12]。這些問題的出現意味著我國需要在水稻新品種培育和栽培措施創新等方面做出根本性改變。近年來，優質豐產綠色栽培已成為水稻栽培學研究重點，同時也是難點。我國因地制宜地通過栽培模式創新和管理措施優化，提出了如“水稻好氧栽培技術”“水稻側深施肥技術”“水稻增密減氮栽培技術”“ 水稻雙季雙直播技術”等綠色豐產栽培新模式，緩解了高產與高效、高產與優質、用地與養地之間的矛盾，協調了環境因素與高產、優質、安全之間的相互關系，基本實現了“少打農藥、少施化肥、節水耐旱、優質高產”的綠色目標[13-22]。以“水稻側深施肥技術”為例，相較于肥料面施，該技術可以將養分準確的輸送到植株根部，從而減少氨揮發和地表徑流帶來的氮流失，提高水稻根區供氮能力，使水稻秧苗在前期有足夠的養分，促進水稻分蘗早生快發，從而實現水稻綠色高產栽培[15-16]。“水稻增密減氮技術”可以在減少氮肥投入10%~20%的基礎上，保證水稻不減產，并顯著提高氮肥利用效率，減少氮肥損耗[17-21]。此外，中國水稻研究所的一項研究表明，以“水稻增密減氮技術”與“水稻好氧栽培技術”為核心構建的“水稻優化栽培技術”，可以較農戶習慣栽培模式減少水、氮資源的投入，并可顯著提高水稻產量以及水、氮利用效率[23]。

1.3 再生稻機械化栽培

再生稻是指頭季收獲后，實施相應田間管理措施，促使頭季稻樁上的腋芽生長發育與抽穗結實，實現“一種兩收”或多次收獲的水稻種植模式。這種模式是溫光資源種植水稻“一季有余而兩季不足”地區的理想種植模式，對緩解農忙與減輕勞作強度、促進農民增產增收、保障國家糧食安全具有重要意義[24]。近年來，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，年推廣面積約為130 萬hm2[24-25]。華中農業大學彭少兵教授團隊從高產優質再生稻品種篩選、再生稻機械化生產的農機農藝配套技術優化、肥水運籌管理及其優化、再生稻專用機械的研制、再生稻無公害化生產等關鍵技術開展研究，建立了“機收再生稻豐產高效栽培技術模式”，并在湖北等地大面積推廣應用，取得了顯著的經濟和社會效益[26]。湖南農業大學唐啟源教授團隊按照再生稻大面積高產穩產的原則，構建了“機收再生稻‘四防一增’高產高效栽培技術體系”，即防再生季抽穗遭遇寒露風、防頭季高溫危害、防紋枯病和稻飛虱等病蟲危害、防倒伏以及增強再生出苗能力，對促進湖南省再生稻產量的穩步提高發揮了重要作用[27]。福建農林大學林文雄教授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[12,28]。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[9,25]。

1.4 稻田多元多熟制種植

多熟制種植是指一年內在同一塊土地種植兩種或兩種以上的作物，該種植模式可以充分利用溫光資源，大多采用復種和間套作的種植模式，實現作物生產在時間或空間上的集約化。自2020 年以來，構建了多元多熟的高效種植模式，形成了“種植層次化、作物搭配多樣化、土地利用高效化”的新局面。例如，長江中下游稻區具有溫光資源豐富、熱量充足、雨量充沛、雨水集中和無霜期長等特點，是我國多熟種植最廣泛的區域。近年來，在原有早稻-晚稻、單季稻-小麥、單季稻-油菜、單季稻-綠肥、單季稻-冬閑的基礎上，發展了諸如早稻-晚稻-油菜、早稻-晚稻-馬鈴薯、早稻-鮮食大豆-油菜、早稻-鮮食玉米-馬鈴薯等多種一年三熟種植新模式，并得到廣泛應用，取得了良好效果[29]。華南稻區的春煙-水稻-蔬菜、玉米-晚稻-蔬菜、花生-晚稻-馬鈴薯等經濟高效多熟制種植模式，充分實現了集約利用土地、光、熱以及勞動力資源[27]。西南稻區則以成都平原為代表，發展出穩糧增效型和穩糧高效型兩大類糧油多熟制種植制度，主要模式有:水稻-秋冬菜-春菜、水稻-馬鈴薯、水稻-油菜、水稻-秋菜-小麥、水稻-秋菜-油菜等[30-31]。近期，在四川、重慶等大部種植水稻“一季有余，兩季不足”地區，廣泛開展再生稻生產，實現了“一種兩收”和糧食增產[25]。

1.5 稻田生態綜合種養

稻田生態綜合種養是將水稻種植與水產或水禽等水生動物養殖有機結合，通過稻田生態系統的物質流、能量流、效益流循環，充分發揮水稻、水生動物的互利共生作用，構建高產、高效復合型的現代農業生產模式。近年來，我國稻田生態綜合種養模式不斷創新，推廣應用面積迅速擴大。根據有關部門統計，2020 年全國稻田綜合種養面積超過240 萬hm2。我國南方主要稻區因地制宜的探索發展出如稻-蝦、稻-鱉、稻-鰍和稻-蟹等新型稻田生態種養新模式，把傳統的稻田養殖推進到了“以漁促稻、穩糧增效、質量安全、生態環保”的新階段[32]。2021 年，“稻田生態綜合種養技術”入選農業農村部主推技術。大量研究表明，“稻田生態綜合種養技術”可以實現水稻生產中有機肥與無機肥的配施，能有效解決如氮肥施用過多而導致氮素等養分利用率降低、養分流失、稻田綜合收益低等問題[33-35]。此外，該技術在一定程度上還能夠抑制稻田的病蟲草害，豐富土壤中細菌群落的多樣性，提升了土壤微生物的活躍度，改善稻田生態系統和農業生態環境[35]。例如，在“稻魚共作”模式中，魚排泄物中的氮有75%~85% 以銨離子的形態存在，即魚能夠將環境中原本不易被水稻吸收利用的氮形式轉變成易于被水稻吸收利用的有效氮形式[36]。作為稻田綜合種養的典型代表，“稻蝦共作”能夠充分利用稻田的淺水環境和冬春閑置期，實現“一水兩用，一田雙收”，有效提高稻田產出率和資源利用率，增加農戶收入。小龍蝦以稻田內的秸稈、害蟲和水草等為食，可減少飼料投入，而其排泄物和剩余殘餌又可為水稻提供生物肥料，減少肥料投入，充分實現了水稻和小龍蝦的互利共生[37]。

1.6 稻田低碳減排稻作

減少稻田甲烷（CH4）排放是農業碳減排與碳中和的有效途徑和舉措。近年來，我國頒布了多項未來農業發展規劃，明確提出建立低碳減排農業生產模式。遴選高產低排放水稻品種，可有效減少稻田CH4排放。這些品種往往具備收獲指數高、穗大粒重、莖稈輸氧能力強、根系發達等生物學特征，同時具有高產與減排的潛力[38]。優化水分灌溉管理是稻田CH4減排的關鍵，中國水稻研究所研發了“好氧減排灌溉模式”，通過科學合理的控制稻田水量，形成淺、干、濕靈活調節的稻田CH4低排放水分管理模式，可減少稻季50%~70%CH4排放量，綜合增溫潛勢減少60%~70%[39]。優化種植方式對于減少稻田CH4排放也有一定效果。采取淺水直播或旱直播技術，可消除育秧期間CH4排放，實現節本省工、穩產降耗[38]。對于丘陵山區的淹水稻田，開溝起廂覆膜栽培，可以在灌溉時保持廂面無水、溝內有水、土壤濕潤的狀態，相比不覆膜栽培可減少50%~86%CH4排放[38]。施肥、有機物料投入和秸稈管理也能通過影響稻田土壤可利用碳氮養分，進而改變稻田CH4排放。例如，緩控釋化肥、添加脲酶/硝化抑制劑的穩定性肥料、側深施肥可減少稻田13%~43%CH4排放，協同減少N2O 排放和NH3揮發，提高肥料利用效率，在等養分投入條件下可提高水稻產量10%~28%[40-41]。此外，近期較多研究指出，稻田綜合種養能減少稻田CH4排放，減排比例可達19%~35%[38,42]。

2 水稻栽培學科國外研究進展

在水稻機械化生產技術方面，歐美、日韓等發達國家水稻生產已實現全程機械化。美國、意大利和澳大利亞等國以機械化直播為主，日本、韓國等國家則以機械化插秧為主。近年來，隨著計算機技術和生物技術的應用，歐美等國在數智農業發展中取得了長足進步，水稻生產逐步走向了計算機集成自適應生產，如美國在水稻種植過程中廣泛應用物聯網技術。該技術可實時監測并查清水稻生長過程中田地的土壤性狀與生產力狀況，使用紅外成像系統配合衛星鳥瞰和觀察農作物長勢情況，配合生物量地圖系統及時判斷作物是否缺少營養素，獲得當下最適合作物生長的肥料配方，從而通過變量施肥技術動態調節耕作過程中的水、肥等生產要素投入量，生產更趨向智慧化、自動化[43]。

國外在控制稻田溫室氣體排放方面也做了大量工作。中期曬田、干濕交替和間歇性灌溉是日本目前大范圍推廣的CH4減排水分灌溉模式，并提出延長稻田中期曬田持續時間以進一步降低CH4排放[38]。此外，日本也將秸稈堆肥完全腐解后再還田，并大力發展堆肥設備，或者將秸稈作為飼料喂養牲畜過腹后堆肥還田，這些措施均能顯著減少秸稈直接還田后導致的CH4大量排放[38]。印度、越南、泰國等亞洲水稻主產國，相繼提出通過水稻集約化生產、推廣直播稻、旱稻栽培技術來降低CH4排放，并將干濕交替、間歇性灌溉等作為減排技術進行應用示范[44]。

3 水稻栽培學科發展趨勢及展望

隨著人民生活水平的提高，我國稻米消費結構逐步發生了重大轉變，市場對稻米的需求已由“吃飽”向“吃好”轉變，消費者更加注重品質、安全與健康。

消費者的需求是水稻耕作栽培學科的研究目標。本學科未來發展方向有：一是豐產與優質并重，綠色與高效兼顧，在水稻豐產優質協同規律探索及其調控技術上取得重大突破。二是綠色栽培措施的研究與應用，驅動我國水稻生產由資源消耗型向綠色高效型轉變，篩選綠色豐產優質水稻新品種，研發精準高效施肥施藥以及減控污染的新理論與新技術，構建稻田綠色生態系統和水稻優質豐產綠色發展新模式。三是以水稻低碳可持續發展為核心，研究稻田固碳減排關鍵技術，構建水稻低碳綠色栽培新模式與新技術體系。四是全方位研究數字感知、智能決策、精準作業和智慧管理的農藝、農機、信息融合的關鍵技術及其整合應用，構建水稻耕、種、管、收全過程智能化、無人化栽培模式與技術體系，實現水稻栽培技術里程碑式的更新換代。五是植物表型組學成為數智農業發展的關鍵技術之一[45]。隨著植物表型獲取技術和設備的不斷完善，高通量表型組學研究正成為突破未來作物學研究和應用的關鍵領域。基于冠層結構的光學圖像分析、識別作物非生物脅迫等將是水稻表型組學研究與應用的重要場景，也是本學科重要的研究領域。