水稻機械精量有序拋秧栽培的產(chǎn)量形成和生長發(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)大學農(nóng)學院, 湖南長沙 410128; 2 大通湖區(qū)宏碩生態(tài)農(nóng)業(yè)農(nóng)機合作社, 湖南益陽 413207

水稻是我國最重要的糧食作物之一, 我國人多 地少, 對糧食有著巨大的需求, 然而隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快, 農(nóng)村勞動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前水稻生產(chǎn)的需求。為保證口糧安全, 我國傳統(tǒng)水稻生產(chǎn)方式必須朝機械化、輕簡化的方向轉(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, 移栽時依靠帶土球(缽)秧苗的自身重力, 通過人工或機械均勻的拋栽到田里的一種輕簡型栽培方式[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程中的勞動力投入。自20世紀80年代以來, 我國對拋秧栽培進行了大量的科學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械拋栽2種形式,而我國目前以手工拋栽為主。前人圍繞手拋秧稻的生長發(fā)育特性和產(chǎn)量形成特點進行了大量研究, 發(fā)現(xiàn)手拋秧的生長特點主要包括移栽后緩苗期短、植傷輕, 根系發(fā)達, 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, 手拋秧的最大特點是種植無序, 不成行成株, 田間通風透光條件差, 濕度大, 導致下部葉片衰老腐爛、病蟲害滋生嚴重、易倒伏等[6-8]。同時, 手拋秧移栽作業(yè)效率低, 在當前農(nóng)村勞動力嚴重缺乏的現(xiàn)狀和土地流轉(zhuǎn)承包、水稻規(guī)模化生產(chǎn)的發(fā)展趨勢下, 傳統(tǒng)手拋秧正朝機拋秧發(fā)展轉(zhuǎn)型。

國內(nèi)外圍繞拋秧機械及配套栽培技術開展了多年研究[9], 目前我國應用的拋秧機主要有無序拋秧機和有序拋秧機2種類型[10]。其中無序拋秧機雖然作業(yè)效率高, 省工省成本, 但是其拋秧無序, 秧苗在田間分布雜亂, 田間通風透光差, 產(chǎn)量優(yōu)勢難以發(fā)揮[11]。為了解決無序拋秧存在的問題, 前人進行了播栽、擺栽等有序方式的嘗試研究[12-13]; 湖南巽地農(nóng)機于 2018年發(fā)明生產(chǎn)了國內(nèi)第一臺由井關機頭牽引的高速有序拋秧機, 現(xiàn)由湖南中聯(lián)重機有限公司收購并加以完善, 可實現(xiàn)水稻分行分蔸有序拋栽, 基本解決了傳統(tǒng)人工拋秧或機拋秧種植無序的問題, 同時可滿足不同稻作季別、不同品種的種植要求, 是未來發(fā)展的重要方向[14]。本課題組近幾年圍繞水稻精量有序機拋栽培技術開展了相關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)效應明顯。然而目前圍繞精量有序機拋栽培的研究較少, 其生長發(fā)育特性和高產(chǎn)形成特點還鮮有研究報道。

本研究以國內(nèi)第一臺由井關機頭牽引的高速有序拋秧機(2ZP-13)實現(xiàn)水稻有序拋秧, 通過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、分蘗發(fā)生等方面的差異, 探究精量有序機拋栽培水稻的產(chǎn)量形成特點和生長發(fā)育特性, 以期為水稻機械精量有序栽培技術的研發(fā)應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗地點

試驗于2018—2019年在湖南省益陽市大通湖區(qū)千山紅鎮(zhèn)(112°15′28″E, 29°01′19″N)進行。土壤成土母質(zhì)系河湖沉積物, 土壤基礎地力情況為 pH 8.02,有機質(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 試驗設計

試驗采用裂區(qū)設計, 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拋秧, 副區(qū)處理為品種, 分別為黃華占和甬優(yōu)1538。試驗設3次重復, 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日進行移栽, 2019年于5月27日播種, 6月17日進行移栽。手拋秧和有序機拋秧分別用353孔塑料軟盤和416孔專用秧盤, 每孔3～5粒, 泥漿濕潤育秧; 手插秧采用傳統(tǒng)濕潤育秧, 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; 精量有序機拋秧行株距為25 cm × 16 cm, 手拋秧密度為25穴 m-2。試驗各品種按照N∶P2O5∶K2O = 1.0∶0.5∶1.0的比例進行施肥, 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?shù)馗弋a(chǎn)栽培習慣。

1.3 測定指標

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

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℃鼓風干燥箱烘干至恒重, 冷卻至恒溫后稱重, 計算干物質(zhì)重量

1.3.3 分蘗動態(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儀對每小區(qū)生長均勻具有代表性的(除開邊 3行)水稻主莖的上三葉進行相對葉綠素含量的測量, 每片葉子分別測葉片上部、中部、下部3個位置, 得出平均值, 每個小區(qū)測量3株。

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

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

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

2 結果與分析

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。黃華占精量有序機拋秧的生育期為121 d, 較手插秧和手拋秧分別延長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了4 d和2 d。

表1 田間群體風速測定時各品種和種植方式的群體特征指標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)量無顯著性差異。甬優(yōu)1538機械精量有序拋秧在 3種種植方式下的產(chǎn)量最高, 達 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)量構成因子(表3)發(fā)現(xiàn),機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, 精量有序機拋秧的結實率增加了 3～5個百分點, 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)量構成因子Table 3 Yield components of Huanghuazhan and Yongyou 1538 under different rice establishment methods

2.3 分蘗動態(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)生動態(tài)亦存在一定差異, 與手拋秧相比, 精量有序機拋秧在生長前期分蘗發(fā)生較慢, 而隨著水稻群體的進一步生長, 其分蘗速度逐步增加, 其最終分蘗數(shù)與手拋秧基本無明顯差異(2019年甬優(yōu)1538除外, 其機拋秧分蘗數(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顯著性差異, 隨著植株進一步生長, 精量有序機拋秧在幼穗分化期、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, 精量有序機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種種植方式間無顯著性差異。

2.5 葉片SPAD值

不同種植方式在不同生育時期的葉片 SPAD值如圖5所示, 精量有序機拋秧的 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, 精量有序機拋秧葉片SPAD值的下降程度要小于其他 2種模式, 這在 2個品種間均呈現(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值在各生育時期均顯著大于手插秧。

2.6 田間通風性

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

3 討論

本研究結果表明, 精量有序機拋秧的產(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個品種中的產(chǎn)量均高于手拋秧, 產(chǎn)量優(yōu)勢明顯。表明精量有序機拋秧是一種高產(chǎn)的水稻種植方式, 有較大的推廣潛力和價值。

分析不同種植方式下水稻的產(chǎn)量構成和生長特性發(fā)現(xiàn), 精量有序機拋秧模式前期生長快, 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發(fā)育特性的研究也與本文結果基本一致[3,15]。人工撒拋秧和精量有序機拋秧在栽插過程和群體田間分布等方面均存在較大差別, 進而可能導致生長發(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, 導致下部葉片易死亡, 秧苗素質(zhì)差[16-18]。而有序拋栽(點拋或擺秧)秧苗垂直入土、根系下扎深, 立苗返青快[19]。同時, 有序拋栽分蘗發(fā)生葉位比手拋秧低 2個葉位,一次分蘗數(shù)較多, 二次分蘗較少[20-21]。而本研究發(fā)現(xiàn), 精量有序機拋秧前期分蘗能力和群體生長速率基本弱于手拋秧, 與前人研究結果存在一定差異,這可能是因為機拋秧作業(yè)過程中對秧苗存在機械損傷, 進而影響群體緩青及發(fā)苗速度。同時, 機拋秧移栽對大田耕整和水層深度要求更高, 若土表較硬或水層較深, 可能導致機拋秧立苗困難[14]。在生育中期, 精量有序機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(2019年甬優(yōu)1538除外), 這可能是精量有序機拋秧群體田間分布均勻, 通風透光良好, 進而有利于群體生長。分析產(chǎn)量構成因子發(fā)現(xiàn), 精量有序機拋秧的單位面積有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)與手拋秧無顯著性差異。而前人研究結果認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[17,22]。綜上所述, 本研究中精量有序機拋秧在前期生長、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, 未來研究需通過拋秧機械改進、育秧和拋栽配套技術的優(yōu)化等來充分挖掘精量有序機拋秧前期生長優(yōu)勢。同時, 精量有序機拋秧模式下的立苗緩青過程、秧苗素質(zhì)和分蘗發(fā)生特性等還需要進一步深入研究。

本研究發(fā)現(xiàn), 精量有序機拋秧的結實率優(yōu)于手拋秧, 同時其花后干物質(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, 精量有序機拋秧高產(chǎn)的主要原因可能是生育后期較強的光合同化能力和較高的庫充實度。進一步研究發(fā)現(xiàn),精量有序機拋秧群體田間通風條件優(yōu)于手拋秧, 而前人圍繞有序拋秧(手工點拋)的研究指出也點拋群體分布均勻, 使田間通風透光條件得以改善, 光合作用和光合勢增強[23], 這種后期生長勢為大庫提供了足源, 為拋秧群體高產(chǎn)潛力得以充分發(fā)揮奠定了基礎[16,19]。此外, 精量有序機拋秧后期光合同化能力強、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拋均可顯著提升水稻群體各生育時期的群體根干質(zhì)量、根冠比和根系活力, 同時耕作底層根量大于撒拋[24]。然而本研究中, 精量有序機拋秧模式的根層分布特征和根系生長特性還不清晰, 其根系生長規(guī)律與高產(chǎn)形成的聯(lián)系還需深入研究來揭示。

4 結論

精量有序機拋秧是一種高產(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%。生長發(fā)育特性方面, 精量有序機拋秧田間分布有序, 田間通風性好, 群體生育后期的干物質(zhì)同化積累能力強, 葉片衰老較慢、庫充實度高, 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, 其結實率明顯增加, 進而促進其高產(chǎn)。然而, 精量有序機拋秧模式下拋秧機和配套育秧栽插技術等方面還有待改進以進一步發(fā)揮高產(chǎn)潛能。同時, 未來研究還需圍繞精量有序機拋秧技術的立苗緩青特征、分蘗發(fā)生特性和根系生長特點等方面深入開展。