水稻機(jī)械精量有序拋秧栽培的產(chǎn)量形成和生長(zhǎng)發(fā)育特征研究

王慰親 唐啟源,* 陳元偉 賈 巍 羅友誼 王小卉 鄭華斌熊嬌軍

1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙 410128; 2 大通湖區(qū)宏碩生態(tài)農(nóng)業(yè)農(nóng)機(jī)合作社, 湖南益陽(yáng) 413207

水稻是我國(guó)最重要的糧食作物之一, 我國(guó)人多 地少, 對(duì)糧食有著巨大的需求, 然而隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快, 農(nóng)村勞動(dòng)力的迅速減少使得傳統(tǒng)人工栽插的種植方式不能滿足當(dāng)前水稻生產(chǎn)的需求。為保證口糧安全, 我國(guó)傳統(tǒng)水稻生產(chǎn)方式必須朝機(jī)械化、輕簡(jiǎn)化的方向轉(zhuǎn)型。

拋秧栽培是采用塑盤育苗或旱育苗, 育出根部帶土球(缽)的秧苗, 移栽時(shí)依靠帶土球(缽)秧苗的自身重力, 通過(guò)人工或機(jī)械均勻的拋栽到田里的一種輕簡(jiǎn)型栽培方式[1]。和傳統(tǒng)人工移栽相比, 拋秧栽培大幅度地減輕了移栽過(guò)程中的勞動(dòng)力投入。自20世紀(jì)80年代以來(lái), 我國(guó)對(duì)拋秧栽培進(jìn)行了大量的科學(xué)研究和示范推廣工作, 拋秧種植面積迅速增加[2-4]。

拋秧栽培主要有手工拋栽和機(jī)械拋栽2種形式,而我國(guó)目前以手工拋栽為主。前人圍繞手拋秧稻的生長(zhǎng)發(fā)育特性和產(chǎn)量形成特點(diǎn)進(jìn)行了大量研究, 發(fā)現(xiàn)手拋秧的生長(zhǎng)特點(diǎn)主要包括移栽后緩苗期短、植傷輕, 根系發(fā)達(dá), 前期分蘗多, 單位面積穗數(shù)和有效穎花數(shù)多[4-5]。然而, 和手插秧稻相比, 手拋秧的最大特點(diǎn)是種植無(wú)序, 不成行成株, 田間通風(fēng)透光條件差, 濕度大, 導(dǎo)致下部葉片衰老腐爛、病蟲害滋生嚴(yán)重、易倒伏等[6-8]。同時(shí), 手拋秧移栽作業(yè)效率低, 在當(dāng)前農(nóng)村勞動(dòng)力嚴(yán)重缺乏的現(xiàn)狀和土地流轉(zhuǎn)承包、水稻規(guī)?；a(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)下, 傳統(tǒng)手拋秧正朝機(jī)拋秧發(fā)展轉(zhuǎn)型。

國(guó)內(nèi)外圍繞拋秧機(jī)械及配套栽培技術(shù)開展了多年研究[9], 目前我國(guó)應(yīng)用的拋秧機(jī)主要有無(wú)序拋秧機(jī)和有序拋秧機(jī)2種類型[10]。其中無(wú)序拋秧機(jī)雖然作業(yè)效率高, 省工省成本, 但是其拋秧無(wú)序, 秧苗在田間分布雜亂, 田間通風(fēng)透光差, 產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)難以發(fā)揮[11]。為了解決無(wú)序拋秧存在的問(wèn)題, 前人進(jìn)行了播栽、擺栽等有序方式的嘗試研究[12-13]; 湖南巽地農(nóng)機(jī)于 2018年發(fā)明生產(chǎn)了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)由井關(guān)機(jī)頭牽引的高速有序拋秧機(jī), 現(xiàn)由湖南中聯(lián)重機(jī)有限公司收購(gòu)并加以完善, 可實(shí)現(xiàn)水稻分行分蔸有序拋栽, 基本解決了傳統(tǒng)人工拋秧或機(jī)拋秧種植無(wú)序的問(wèn)題, 同時(shí)可滿足不同稻作季別、不同品種的種植要求, 是未來(lái)發(fā)展的重要方向[14]。本課題組近幾年圍繞水稻精量有序機(jī)拋栽培技術(shù)開展了相關(guān)研究并在湖南多地推廣示范, 發(fā)現(xiàn)和傳統(tǒng)插秧或手拋秧相比, 其增產(chǎn)效應(yīng)明顯。然而目前圍繞精量有序機(jī)拋栽培的研究較少, 其生長(zhǎng)發(fā)育特性和高產(chǎn)形成特點(diǎn)還鮮有研究報(bào)道。

本研究以國(guó)內(nèi)第一臺(tái)由井關(guān)機(jī)頭牽引的高速有序拋秧機(jī)(2ZP-13)實(shí)現(xiàn)水稻有序拋秧, 通過(guò)比較其與手拋秧和手插秧在產(chǎn)量形成、干物質(zhì)積累轉(zhuǎn)運(yùn)、分蘗發(fā)生等方面的差異, 探究精量有序機(jī)拋栽培水稻的產(chǎn)量形成特點(diǎn)和生長(zhǎng)發(fā)育特性, 以期為水稻機(jī)械精量有序栽培技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2018—2019年在湖南省益陽(yáng)市大通湖區(qū)千山紅鎮(zhèn)(112°15′28″E, 29°01′19″N)進(jìn)行。土壤成土母質(zhì)系河湖沉積物, 土壤基礎(chǔ)地力情況為 pH 8.02,有機(jī)質(zhì)27.9 g kg-1, 堿解氮117.37 mg kg-1, 有效磷15.57 mg kg-1, 緩效鉀335.3 mg kg-1, 速效鉀111.07 mg kg-1。供試材料為黃華占(常規(guī)秈稻)和甬優(yōu)1538(秈粳雜交稻)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì), 主區(qū)處理為種植方式, 分別為手插秧、手拋秧和精量有序機(jī)拋秧, 副區(qū)處理為品種, 分別為黃華占和甬優(yōu)1538。試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù), 小區(qū)面積為81 m2(9 m × 9 m), 小區(qū)之間做田埂隔開并且覆膜, 防止小區(qū)間竄水竄肥。2018年于 5月27日播種, 6月15日進(jìn)行移栽, 2019年于5月27日播種, 6月17日進(jìn)行移栽。手拋秧和有序機(jī)拋秧分別用353孔塑料軟盤和416孔專用秧盤, 每孔3～5粒, 泥漿濕潤(rùn)育秧; 手插秧采用傳統(tǒng)濕潤(rùn)育秧, 播種量15 kg hm-2, 每穴栽插3粒谷秧苗。3種種植方式的移栽密度保持一致, 手插秧行株距為 20 cm ×20 cm; 精量有序機(jī)拋秧行株距為25 cm × 16 cm, 手拋秧密度為25穴 m-2。試驗(yàn)各品種按照N∶P2O5∶K2O = 1.0∶0.5∶1.0的比例進(jìn)行施肥, 甬優(yōu)1538施純 N 240 kg hm-2、P2O5120 kg hm-2、K2O 240 kg hm-2,黃華占施純 N 195 kg hm-2、P2O597.5 kg hm-2、K2O 195 kg hm-2, 其中氮肥按基肥(50%)、分蘗肥(20%)和穗肥(30%)施用, 磷肥全部用作基肥, 鉀肥按基肥和穗肥各50%施用。其他田間管理方式同當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培習(xí)慣。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

1.3.1 產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成 于成熟期, 按對(duì)角線取樣法, 從小區(qū)中間選取代表性植株 5叢調(diào)查有效穗數(shù)(實(shí)粒數(shù)大于5粒的稻穗), 手工脫粒后用自來(lái)水分離實(shí)粒和秕粒, 實(shí)粒稱取3份30 g, 秕粒稱取3份3 g, 計(jì)數(shù)后在 70℃下烘干至恒質(zhì)量, 考察每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重(恒質(zhì)量), 莖稈和葉在80℃下烘干至恒重, 測(cè)定干物質(zhì)量。成熟期總干物質(zhì)量為樣本莖稈和葉、實(shí)粒、秕粒和枝梗干質(zhì)量之和。從每小區(qū)中心收割5 m2用于測(cè)產(chǎn), 含水量按粳稻14%、秈稻13%進(jìn)行折算。

1.3.2 干物質(zhì)積累 于分蘗中期、幼穗分化期、抽穗期、齊穗后10 d (FL+10 d)和收獲期(PM)取樣,每個(gè)小區(qū)取6穴, 然后剪去根, 按葉、莖+鞘、穗分開,置于105℃。恒溫下殺青30 min, 80℃鼓風(fēng)干燥箱烘干至恒重, 冷卻至恒溫后稱重, 計(jì)算干物質(zhì)重量

1.3.3 分蘗動(dòng)態(tài) 于移栽返青后各處理定 0.25 m2面積秧苗, 調(diào)查基本苗, 每3 d調(diào)查1次分蘗數(shù),直至分蘗數(shù)保持穩(wěn)定下降后或到齊穗期為止。

1.3.4 SPAD值及株高 于分蘗中期、幼穗分化期、齊穗期、齊穗后10 d采用SPAD儀對(duì)每小區(qū)生長(zhǎng)均勻具有代表性的(除開邊 3行)水稻主莖的上三葉進(jìn)行相對(duì)葉綠素含量的測(cè)量, 每片葉子分別測(cè)葉片上部、中部、下部3個(gè)位置, 得出平均值, 每個(gè)小區(qū)測(cè)量3株。

1.3.5 風(fēng)速和陣風(fēng)速度 為比較精量有序機(jī)拋秧與手插秧、手拋秧的田間通風(fēng)性差異, 于2019年8月28日15時(shí)至8月29日15時(shí)(齊穗期), 采用HOBO datalogger測(cè)定不同種植方式下水稻群體的風(fēng)速和陣風(fēng)速度。測(cè)定群體風(fēng)速時(shí)各品種在不同種植方式下的株高、生物量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理和作圖, 采用Statistix 8.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, SigmaPlot 10.0作圖。處理間的樣本均值在最小差異顯著法(LSD)進(jìn)行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 生育期

3種種植方式的生育期差異較小(表2)。2018年黃華占和甬優(yōu) 1538在精量有序機(jī)拋秧模式下的生育期分別為 121 d和 142 d, 與手拋秧生育期一致,且較手插秧生育期縮短 2 d。2019年的生育期表現(xiàn)與2018年存在一定差異。黃華占精量有序機(jī)拋秧的生育期為121 d, 較手插秧和手拋秧分別延長(zhǎng)2 d和3 d, 而甬優(yōu)1538精量有序拋秧的生育期與手插秧和手拋秧相比分別延長(zhǎng)了4 d和2 d。

表1 田間群體風(fēng)速測(cè)定時(shí)各品種和種植方式的群體特征指標(biāo)Table 1 Growth characteristics of rice varieties and planting model with the measurement of wind speed

表2 黃華占和甬優(yōu)1538在不同種植方式下的生育期表現(xiàn)Table 2 Growth durations of Huanghuazhan and Yongyou 1538 under different rice establishment methods

2.2 產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成

黃華占和甬優(yōu)1538在不同種植方式下的產(chǎn)量如圖1所示, 2018年黃華占在機(jī)械精量有序拋秧模式下的產(chǎn)量為 9.75 t hm-2, 較手插秧增產(chǎn)8.8%, 但與手拋秧產(chǎn)量無(wú)顯著性差異。甬優(yōu)1538機(jī)械精量有序拋秧在 3種種植方式下的產(chǎn)量最高, 達(dá) 12.39 t hm-2,與手插秧和手拋秧相比分別增加 33.3%和 5.1%。2019年精量有序機(jī)拋秧模式下的產(chǎn)量顯著高于手插秧和手拋秧, 其中黃華占機(jī)拋秧的產(chǎn)量為9.90 t hm-2,較手插秧和手拋秧分別增產(chǎn) 39.2%和 9.8%, 而甬優(yōu)1538機(jī)拋秧產(chǎn)量為12.23 t hm-2, 與手插秧與手拋秧相比產(chǎn)量分別增加20.6%和8.2%。綜合品種表現(xiàn), 精量有序機(jī)拋秧較手插秧增產(chǎn) 22.4%～28.3%, 較手拋秧增產(chǎn) 2.8%～8.9%。分析產(chǎn)量構(gòu)成因子(表3)發(fā)現(xiàn),機(jī)械精量有序拋秧的單位面積有效穗數(shù)較手插秧增加20.9%～64.2%, 這可能是其增產(chǎn)的主要原因。另一方面, 與手拋秧相比, 精量有序機(jī)拋秧的結(jié)實(shí)率增加了 3～5個(gè)百分點(diǎn), 但單位面積有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒重未出現(xiàn)顯著性差異, 這在 2個(gè)品種和 2年間均呈現(xiàn)一致規(guī)律。

表3 黃華占和甬優(yōu)1538在不同種植方式下的產(chǎn)量構(gòu)成因子Table 3 Yield components of Huanghuazhan and Yongyou 1538 under different rice establishment methods

2.3 分蘗動(dòng)態(tài)

不同種植方式下的分蘗發(fā)生特性存在明顯差異(圖2)。與手拋秧和精量有序機(jī)拋相比, 手插秧的分蘗速度和最終分蘗數(shù)明顯降低, 這可能是其單位面積有效穗數(shù)降低的主要原因。2種拋秧模式的分蘗發(fā)生動(dòng)態(tài)亦存在一定差異, 與手拋秧相比, 精量有序機(jī)拋秧在生長(zhǎng)前期分蘗發(fā)生較慢, 而隨著水稻群體的進(jìn)一步生長(zhǎng), 其分蘗速度逐步增加, 其最終分蘗數(shù)與手拋秧基本無(wú)明顯差異(2019年甬優(yōu)1538除外, 其機(jī)拋秧分蘗數(shù)明顯低于手拋秧)。

2.4 干物質(zhì)積累

不同種植方式在不同生育時(shí)期的地上部干物質(zhì)積累量如圖3所示, 分蘗中期各種植方式下的地上部生物量無(wú)顯著性差異, 隨著植株進(jìn)一步生長(zhǎng), 精量有序機(jī)拋秧在幼穗分化期、齊穗期和成熟期的地上部干物質(zhì)積累量均顯著大于手插秧。同時(shí), 精量有序機(jī)拋秧的地上部生物量在幼穗分化期和齊穗期小于手拋秧或無(wú)顯著性差異, 而在成熟期, 精量有序拋秧和手拋秧的地上部生物量差異不顯著。

分析不同種植方式下的花后干物質(zhì)積累量發(fā)現(xiàn),精量有序機(jī)拋模式下的花后干物質(zhì)積累量較大, 較手插秧和手拋秧分別增加52.8%和23.4% (圖4), 這在不同年份和品種間均呈現(xiàn)一致規(guī)律。而手拋秧和手插秧的花后干物質(zhì)積累量存在年際差異。2018年黃華占和甬優(yōu)1538的花后干物質(zhì)積累量均表現(xiàn)為手拋秧大于手插秧, 而2019年2種種植方式間無(wú)顯著性差異。

2.5 葉片SPAD值

不同種植方式在不同生育時(shí)期的葉片 SPAD值如圖5所示, 精量有序機(jī)拋秧的 SPAD值在分蘗中期、幼穗分化期、齊穗期均大于手插秧和手拋秧模式, 而在齊穗后10 d, 精量有序機(jī)拋秧葉片SPAD值的下降程度要小于其他 2種模式, 這在 2個(gè)品種間均呈現(xiàn)一致規(guī)律, 表明其葉片衰老速率可能較慢。另一方面, 黃華占在手拋秧模式下的葉片 SPAD值與手插秧無(wú)顯著性差異, 但在甬優(yōu)1538中, 手拋秧的葉片SPAD值在各生育時(shí)期均顯著大于手插秧。

2.6 田間通風(fēng)性

為比較不同種植模式的田間通風(fēng)性差異, 本研究于 2019年在各品種齊穗期對(duì)水稻群體的田間風(fēng)速和陣風(fēng)速度進(jìn)行了測(cè)定(圖6)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn), 精量有序機(jī)拋秧群體的田間風(fēng)速和陣風(fēng)速度明顯大于手拋秧群體, 表明其在生育后期的田間通風(fēng)性能優(yōu)于手拋秧。但是, 精量有序機(jī)拋秧的田間風(fēng)速和陣風(fēng)速度低于手插秧。甬優(yōu)1538和黃華占在不同種植方式下的通風(fēng)性能表現(xiàn)均呈現(xiàn)一致規(guī)律。

3 討論

本研究結(jié)果表明, 精量有序機(jī)拋秧的產(chǎn)量在不同年份和不同品種間均顯著高于手插秧, 且2018年在甬優(yōu)1538和2019年在2個(gè)品種中的產(chǎn)量均高于手拋秧, 產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)明顯。表明精量有序機(jī)拋秧是一種高產(chǎn)的水稻種植方式, 有較大的推廣潛力和價(jià)值。

分析不同種植方式下水稻的產(chǎn)量構(gòu)成和生長(zhǎng)特性發(fā)現(xiàn), 精量有序機(jī)拋秧模式前期生長(zhǎng)快, 分蘗數(shù)量多, 群體生物量大, 使得成熟期單位面積有效穗數(shù)較手插秧模式顯著提升。前人圍繞拋秧稻的生長(zhǎng)發(fā)育特性的研究也與本文結(jié)果基本一致[3,15]。人工撒拋秧和精量有序機(jī)拋秧在栽插過(guò)程和群體田間分布等方面均存在較大差別, 進(jìn)而可能導(dǎo)致生長(zhǎng)發(fā)育特性和產(chǎn)量形成等方面的差異。前人研究指出撒拋秧苗根系入土較淺, 部分根系裸露在土表, 導(dǎo)致下部葉片易死亡, 秧苗素質(zhì)差[16-18]。而有序拋栽(點(diǎn)拋或擺秧)秧苗垂直入土、根系下扎深, 立苗返青快[19]。同時(shí), 有序拋栽分蘗發(fā)生葉位比手拋秧低 2個(gè)葉位,一次分蘗數(shù)較多, 二次分蘗較少[20-21]。而本研究發(fā)現(xiàn), 精量有序機(jī)拋秧前期分蘗能力和群體生長(zhǎng)速率基本弱于手拋秧, 與前人研究結(jié)果存在一定差異,這可能是因?yàn)闄C(jī)拋秧作業(yè)過(guò)程中對(duì)秧苗存在機(jī)械損傷, 進(jìn)而影響群體緩青及發(fā)苗速度。同時(shí), 機(jī)拋秧移栽對(duì)大田耕整和水層深度要求更高, 若土表較硬或水層較深, 可能導(dǎo)致機(jī)拋秧立苗困難[14]。在生育中期, 精量有序機(jī)拋秧的分蘗速度加快, 移栽后45～50 d與手拋秧分孽數(shù)相當(dāng)(2019年甬優(yōu)1538除外), 這可能是精量有序機(jī)拋秧群體田間分布均勻, 通風(fēng)透光良好, 進(jìn)而有利于群體生長(zhǎng)。分析產(chǎn)量構(gòu)成因子發(fā)現(xiàn), 精量有序機(jī)拋秧的單位面積有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)與手拋秧無(wú)顯著性差異。而前人研究結(jié)果認(rèn)為有序拋栽的有效穗數(shù)小于手工拋栽, 但每穗粒數(shù)呈現(xiàn)相反趨勢(shì)[17,22]。綜上所述, 本研究中精量有序機(jī)拋秧在前期生長(zhǎng)、分蘗發(fā)生和單位面積總穎花數(shù)等方面較手拋秧未表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì), 未來(lái)研究需通過(guò)拋秧機(jī)械改進(jìn)、育秧和拋栽配套技術(shù)的優(yōu)化等來(lái)充分挖掘精量有序機(jī)拋秧前期生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。同時(shí), 精量有序機(jī)拋秧模式下的立苗緩青過(guò)程、秧苗素質(zhì)和分蘗發(fā)生特性等還需要進(jìn)一步深入研究。

本研究發(fā)現(xiàn), 精量有序機(jī)拋秧的結(jié)實(shí)率優(yōu)于手拋秧, 同時(shí)其花后干物質(zhì)積累量大, 葉片 SPAD值在生育后期衰減較慢, 表明與手拋秧相比, 精量有序機(jī)拋秧高產(chǎn)的主要原因可能是生育后期較強(qiáng)的光合同化能力和較高的庫(kù)充實(shí)度。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),精量有序機(jī)拋秧群體田間通風(fēng)條件優(yōu)于手拋秧, 而前人圍繞有序拋秧(手工點(diǎn)拋)的研究指出也點(diǎn)拋群體分布均勻, 使田間通風(fēng)透光條件得以改善, 光合作用和光合勢(shì)增強(qiáng)[23], 這種后期生長(zhǎng)勢(shì)為大庫(kù)提供了足源, 為拋秧群體高產(chǎn)潛力得以充分發(fā)揮奠定了基礎(chǔ)[16,19]。此外, 精量有序機(jī)拋秧后期光合同化能力強(qiáng)、葉片衰老慢的特性可能還得益于較高的根系活力。郭保衛(wèi)等研究指出, 和撒拋秧相比, 有序擺栽和半有序點(diǎn)拋均可顯著提升水稻群體各生育時(shí)期的群體根干質(zhì)量、根冠比和根系活力, 同時(shí)耕作底層根量大于撒拋[24]。然而本研究中, 精量有序機(jī)拋秧模式的根層分布特征和根系生長(zhǎng)特性還不清晰, 其根系生長(zhǎng)規(guī)律與高產(chǎn)形成的聯(lián)系還需深入研究來(lái)揭示。

4 結(jié)論

精量有序機(jī)拋秧是一種高產(chǎn)的水稻種植方式,其產(chǎn)量較手插秧平均增加 22.4%～28.3%, 較手拋秧增加2.8%～8.9%。生長(zhǎng)發(fā)育特性方面, 精量有序機(jī)拋秧田間分布有序, 田間通風(fēng)性好, 群體生育后期的干物質(zhì)同化積累能力強(qiáng), 葉片衰老較慢、庫(kù)充實(shí)度高, 與手插秧相比, 其單位面積有效穗數(shù)顯著提升,與手拋秧相比, 其結(jié)實(shí)率明顯增加, 進(jìn)而促進(jìn)其高產(chǎn)。然而, 精量有序機(jī)拋秧模式下拋秧機(jī)和配套育秧栽插技術(shù)等方面還有待改進(jìn)以進(jìn)一步發(fā)揮高產(chǎn)潛能。同時(shí), 未來(lái)研究還需圍繞精量有序機(jī)拋秧技術(shù)的立苗緩青特征、分蘗發(fā)生特性和根系生長(zhǎng)特點(diǎn)等方面深入開展。