机械化栽培方式对水稻产量影响的研究进展

刘 昆，李婷婷，李思宇，朱 安，汪 浩，黄 健，刘立军

（扬州大学/江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省作物栽培生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心，江苏扬州 225009）

水稻是世界三大粮食作物之一，其生产发展对世界粮食的安全稳定起着至关重要的作用。水稻也是我国最重要的粮食作物，21世纪以来我国年平均水稻种植面积3 000万hm2，占世界水稻种植面积的20%［1］。我国传统的水稻栽培方式主要是以人工育插秧为主，辅之必要的人工直播、人工抛秧，其劳作强度大、耗工多、耗时长、工作效率低等缺点严重制约水稻的生产发展［2］。随着经济的快速发展，农业劳动人口数量锐减，以及老龄化等问题日趋严重，同时劳动力成本也大幅提高，制约了以劳动力限制型为主的传统农业栽培方式的发展［3］。此外，随着土地集约化改革的不断深入，人力栽插方式已难以满足大规模栽插的需要。因此，发展水稻机械化、轻简化栽培成为解决上述问题的必由途径。

水稻机械化、轻简化栽培是指利用机械工具以简化水稻栽培程序和减轻劳动强度的栽培方式。水稻机械化、轻简化栽培具有生产效率高、秧苗均匀度优、根系活力强、增产潜力大等诸多优势［4］。发展水稻机械化、轻简化栽培是农机与农艺的有力结合，对于发展我国农业现代化以及对世界粮食的安全与稳定都具有重要意义。本文主要从国内外水稻机械化、轻简化栽培发展概况引入，重点阐述我国水稻机械直播、机械插秧、机械抛秧等机械化栽培方式的技术特点及其对水稻产量的影响，并提出未来我国水稻机械化栽培的研究重点。

1 国内外水稻机械化、轻简化栽培发展概况

1.1 国外水稻机械化、轻简化栽培发展概况

目前，世界上机械化水平较高的国家主要有美国、澳大利亚、意大利、日本、韩国等，其中以美国的机械化直播和日本的机插秧最具有代表性［5］。对以机械直播为主的美国和意大利等国家来说，美国主要使用计算机进行栽培管理，采用旋耕机整地、激光技术平地，使用飞机撒播与机条播播种，施肥喷药采用农用飞机；而意大利则是欧洲主要稻米生产国，其水稻机械直播面积达22万hm2，产量更是占到整个欧洲的近1/2［6］。对以机插秧为主的韩国和日本等国家来说，韩国多用无纺布育秧，20世纪末便已研制出集施肥、除草、插秧于一体的多功能插秧机与育苗自动化技术，近年来逐渐重视稻作环保生产体系、免少耕直播/插秧技术和铺纸机械化栽培技术；而日本则更是目前世界上水稻插秧机械化发展水平较高的国家，枪管式水稻直播机、长毯式水稻插秧机、无人操纵高精度水稻插秧机等机具的成功研制，进一步促进了日本水稻栽培机械化发展［7］。总体来说，国外水稻栽培机械化程度较高，生物技术、信息技术、机械制造技术与农业生态生产技术的不断提高，将进一步推动水稻农用机械向智能化、自动化方向发展。

1.2 国内水稻机械化、轻简化栽培发展概况

我国水稻栽培历史悠久，已有上千年的历史，是世界栽培稻的起源地之一［8］。我国对水稻机械化、轻简化栽培研究较早，但水稻栽培机械化水平仍较低，发展空间很大。目前，我国水稻机械化栽培方式主要包括机械直播、机械插秧、机械抛秧等。近年来，我国水稻机械化、轻简化栽培技术发展迅速，水稻机插秧形成了以肥床旱育、中小苗移栽、宽行窄株与少本浅栽为主要特点的群体质量栽培与精确定量栽培技术。而种子包衣技术、侧深施肥技术、除草剂技术与水稻机械穴直播技术水平的不断提高促进了水稻机直播技术的发展。

与此同时，国内研究者成功研制出集整平、精确播种、深施基肥、覆种于一体的适应水/旱作水稻直播机［9］，基于全球定位系统（GPS）的水稻插秧机自动导航控制系统［10］以及钵苗有序抛秧机［11］等先进技术设备，促进了我国水稻生产发展。而水稻钵体毯状苗育插秧技术、基于图像识别的对行插秧技术［12］、高留茬秸秆还田技术［13］的发展将进一步提高我国水稻机械化、轻简化栽培技术。总体而言，我国水稻机械化、轻简化栽培呈现出形式多样化（以机械化育插秧为主，机直播与机抛秧并存）、地区间发展不平衡、总体水平偏低等特点［14］。

2 机械直播

2.1 水稻机械直播技术特点

水稻机械直播是指通过直播机器直接将种子播种到稻田里的种植方式，与传统手插移栽稻相比，省去了育秧、起秧和移栽等环节，是一种轻简化栽培方式［15］。根据播种时用水量多少，机械直播又可分为机械水直播和机械旱直播2种方式。水稻机械直播具有生育期短、分蘖早、节约水资源、苗数足、省工节本、成穗率高、生产效率高、秧苗素质好、光合产物累积速度快、干物质积累多、植株养分吸收能力强、根系活力强等诸多优点，但亦存在群体结构不合理、播种量大、难成苗、难除草、易倒伏等问题［16-17］。

2.2 机械直播对水稻产量的影响

2.2.1 机械水直播 全苗是实现机械水直播高产、稳产必不可少的条件。前人研究指出，机械水直播可通过减小株距（11～14 cm）［18-19］、适期早播［20-21］、增加播种量（80～100 kg/hm2）［22-24］等措施，提高单位面积穗数，进而获得水稻高产。近年来一些研究者提出不同的观点，在研究不同播期对水稻产量影响时有研究者指出，早播与晚播均会使得水稻产量降低［25-27］。但亦有研究者认为，早播可使得水稻获得更高的营养生长时间与温光资源，是夺取高产的关键［28］。而在不同密度处理试验中，Chauhan等经过多年试验研究观察到，在低播种量条件下，水稻长势较好，但冠层闭合延迟，需严格控制水稻早期营养生长阶段的杂草生长，方能保持水稻产量［29-30］。以上研究多在单一播期、密度条件下进行，而对于播期与密度互作条件如何影响机械水直播水稻产量机制研究尚不明确。相关研究报道，早播高密度与晚播低密度种植水稻分蘖多、叶面积指数大、产量高［31-32］。总体而言，在适期早播条件下，适当减小株距可以提高水稻群体穗数，适当减少播种量可以保证单株水稻养分吸收充足、株型优、长势好，进而使得机械水直播高产、稳产［33］。

2.2.2 机械旱直播 全苗难、草害重是机械旱直播亟待解决的重点与难点。前人研究指出，通过减小株距［34］、播前种子处理［35-36］、选择抗性较好的水稻品种［37-38］、增加播种量［39-40］等措施，可有效提高种子萌发率、减少田间杂草生物量，以提高水稻单位面积穗数为目标获得水稻高产。在研究品种与密度互作的试验中有学者发现，杂交水稻品种即使在较低播种量条件下，仍能获得与高播种量相近的水稻产量［41-42］。他们进一步研究观察到，弯穗型、直立穗型与半直立穗型水稻品种分别在大、小与中等行距条件下产量最大［43］。但亦有研究者提出不同观点，他们指出采用适宜当地种植的高产优良品种、高种植密度与高空间均匀度可使得水稻获得高产［44-45］。因此，在机械旱直播条件下，如何协调好株行距、品种、播种量之间的关系还有待进一步深入研究。总体而言，选择在适当高种植密度条件下，有针对地选择抗杂草基因型水稻品种，以改善群体通风透光条件，最大程度地增加光捕获量，建立合理的植株个体形态与群体结构，在保证足够穗数的基础上主攻大穗，可以获得机械旱直播水稻高产［46］。

3 机械插秧

3.1 水稻机械插秧技术特点

水稻机械化插秧，是指将工厂化育秧育出的秧苗利用插秧机进行插秧作业的种植技术。按其育秧方式的不同，机械插秧又可分为毯苗机插与钵苗机插。与人工移栽稻相比，机插稻具有工作效率高、节水节肥、群体质量高、成穗率高、抗倒性强、省工节时、增产潜力大、节约苗床田等优点，但仍存在育秧要求高、秧苗弹性小、机插植伤重等问题［47-48］。

3.2 机械插秧对水稻产量的影响

3.2.1 毯苗机插 解决毯苗机插水稻秧龄弹性小、苗床落谷不均匀、移栽质量差的问题，对于提高毯苗机插水稻产量具有重要意义。相关研究报道，毯苗机插高产适宜秧龄为15～20 d［49-50］、苗床落谷密度为24 000粒/m2［51］、株距为10～14 cm［52-54］。以往多在单一秧龄、落谷密度、移栽密度条件下研究，而对于不同秧龄与苗床落谷密度/移栽密度互作研究较少。相关研究者在不同秧龄与移栽密度互作研究试验中发现，毯苗机插在秧龄20～25 d、株距12 cm处理下，可获得较高的养分吸收率、叶面积指数、光合有效辐射量与较低的杂草生物量，进而提高水稻产量［55-57］。而在不同秧龄与苗床落谷密度的试验中，研究者认为毯苗机插秧龄20～24 d、苗床落谷高密度处理条件下，水稻的秧苗素质、群体生长率、光合势与产量最高［45］。适宜秧龄、苗床落谷密度与移栽密度可使得水稻保持较好的茎蘖动态、良好的秧苗素质与较大的干物质积累量，保证足穗、大穗是毯苗机插水稻高产、稳产的基础；秧龄与落谷/移栽密度过大会使得秧苗素质弱，返青活棵慢，通风透光条件差，结实率与千粒质量低，水稻减产；秧龄与落谷/移栽密度过小会使得秧苗发根数少，地上部与地下部干质量低，有效穗数不足，亦会造成水稻减产［58-59］。

3.2.2 钵苗机插 良好的秧苗素质可使得钵苗机插水稻返青活棵快，有助于形成良好株型，提高花前干物质积累与花后光合生产，利于水稻高产，而秧龄、苗床落谷密度是影响秧苗素质的重要因素。以往研究表明，钵苗机插适宜秧龄为20～25 d、苗床落谷密度为4 000粒/m2［60］。近年来一些研究者提出了不同的看法，他们指出，秧龄30～40 d、低播种量条件下可获得较高的水分生产率、光合势与产量［61-63］。但亦有研究者利用水稻强化栽培技术的试验研究发现，秧龄10 d、高播种量条件下可获得较高的干物质积累量、较大的叶面积指数、净同化率与产量［64］。这与一些研究者研究的秧龄10～20 d、高播种密度条件下，有较好的根系性状、适宜分蘖与株高、良好的秧苗素质、产量高［65-66］基本一致。这可能与钵苗机插水稻种植的环境条件、种植制度、栽培措施等不同所引起的。

适宜的移栽密度可优化水稻群体结构，改善群体内部光温分布，提高群体的光合物质生产能力，进而提高水稻产量。相关研究报道，钵苗机插适宜株距为10～14 cm［67］，但不同水稻品种高产适宜移栽密度机制研究尚不明确。研究者观察到，钵苗机插常规粳稻、杂交粳稻、杂交籼稻的适宜株距分别为12、14、16 cm时产量最高［68］。胡雅杰等经过多年试验研究亦发现，大穗型水稻品种在中密度（株距14 cm）处理下的钵苗机插产量最高；中、小穗型在高密度（株距12 cm）处理下钵苗机插产量最高［69-71］。但亦有研究者在水稻强化栽培技术的试验研究中发现，Sarjoo-52与ES-18分别在株距25、40 cm下产量最高［72-73］。因此，钵苗机插不同水稻品种高产适宜移栽密度机制需要进一步深入研究。

4 机械抛秧

4.1 水稻机械抛秧技术特点

水稻机械抛秧是指利用抛秧机将钵苗抛撒至空中落向大田的种植方式。水稻机械抛秧具有秧苗生长特性优（返青快、根系发达、根系活力强）、节本增效、分蘖早生快发（低位分蘖比例大）、通风透光好、工作效率高（速度快、抛秧匀）、光合效率高等诸多优势，但仍存在秧苗无序分布、基本苗难控制、易倒伏、遇风雨难操作等诸多缺点［74-75］。

4.2 机械抛秧对水稻产量的影响

与机直播和机插秧水稻相比，目前机械抛秧对水稻产量影响的研究相对较少。研究发现，早稻抛秧施氮量和抛秧密度搭配时应以“增苗节氮”为原则，其最佳施氮量在135 kg/hm2，最佳抛秧密度在36万穴/hm2［76］。这与其他研究者研究的在高种植密度与较低的氮素水平下，杂草生物量最小，群体茎蘖数与总颖花量大，水稻产量最高［77-78］相一致。但亦有学者报道，超级杂交稻施氮180 kg/hm2与15穴/m2互作条件下可获得较大的结实率与产量［79］。有研究者对此进行了验证，发现减密增氮不能使水稻产量得到补偿。由此可见，合理的种植密度对于提高机械抛秧水稻显得尤为重要。总的来说，应根据不同的水稻品种、土壤肥力状况、秧苗素质及当地高产栽培农艺，以“小群体、壮个体、高积累”为原则优化水稻群体质量，制定机械抛秧合理的水稻品种、密度与施氮量，以达到水稻高产、稳产的目的［80］。

5 研究展望

我国幅员辽阔，水稻种植分布不均，各地的气候、土壤、劳动力水平、文化素养等各不相同。发展水稻机械化、轻简化栽培应根据各地区的实际情况和经济发展水平，发展具有我国特色、区域特色的水稻机械化、轻简化栽培，以实现水稻生产的“高产、优质、高效、生态、安全”的战略目标。笔者认为，今后水稻机械化、轻简化栽培研究中应注意以下几个方面的问题。

5.1 加强毯苗机插穗型不整齐与均匀度差的机制研究

由于毯苗机插植伤重，返青活棵慢，所以分蘖启动迟，但发生极快，易造成群体高峰苗过多，导致分蘖成穗率偏低、穗型不整齐，影响水稻产量。虽然通过适时适度搁田、科学使用促花肥与保花肥、防治病虫害等栽培管理措施可减缓上述情况的发生，但对于毯苗机插穗型不整齐与均匀度差的机制研究仍不清楚。因此，加强毯苗机插穗型不整齐与均匀度差的机制研究对于制定合理的栽培管理措施进而提高毯苗机插水稻产量具有重要意义。

5.2 降低钵苗机插投入成本，提高作业效率，建立稳定高产栽培技术

钵苗机插具有植伤轻、秧苗素质高等优势，且能精确有序地构建群体结构，是水稻高产栽培机械化、轻简化发展的重要途径。但机械设备投入成本高是制约钵苗机插技术推广的重要原因之一，因此政府应加大对农用机具的补贴与研发力度。另外，机具对不同种植制度条件下不同类型水稻品种的适宜性亟待提高；在钵苗机插条件下，水稻高产栽培技术还有待进一步深入研究。

5.3 提高机直播精确播种质量、全苗早发与田间除草技术

机直播是最简单的水稻机械化栽培方式，是对传统水稻生产方式的突破，为水稻生产全程机械化奠定了基础。我国水稻机械直播应坚持以机条播和机穴播为主，发展精确、全苗、壮苗、有序直播，提高机直播精确播种质量与全苗早发技术；同时重点研发足穗大穗、抗倒伏、优质高产等综合性状较好的水稻品种，结合物理、化学、生物除草技术，研发高效、环保、无公害、低成本除草机械与除草剂，以提高田间除草技术。

5.4 加强机抛有序、抗倒栽培技术

水稻机械抛秧较机插稻的缓苗期短，植伤轻，发根、立苗快，前期生长势较强，且冠层结构错落，植株的光能利用率相对较高；但仍表现出机抛无序化、分蘖成穗率低、基本苗难控制、根系分布浅易倒伏等不足。机抛秧的高产水稻群体应保证高均匀度、高协调度、高成穗率与高整齐度。今后应加强机械抛秧的有序化、抗倒栽培技术攻关与创新，推动我国机械抛秧向现代化方向发展。