水稻机械精量有序抛秧栽培的产量形成和生长发育特征研究

王慰亲 唐启源,* 陈元伟 贾 巍 罗友谊 王小卉 郑华斌熊娇军

1 湖南农业大学农学院, 湖南长沙 410128; 2 大通湖区宏硕生态农业农机合作社, 湖南益阳 413207

水稻是我国最重要的粮食作物之一, 我国人多 地少, 对粮食有着巨大的需求, 然而随着经济的发展和城市化进程的加快, 农村劳动力的迅速减少使得传统人工栽插的种植方式不能满足当前水稻生产的需求。为保证口粮安全, 我国传统水稻生产方式必须朝机械化、轻简化的方向转型。

抛秧栽培是采用塑盘育苗或旱育苗, 育出根部带土球(钵)的秧苗, 移栽时依靠带土球(钵)秧苗的自身重力, 通过人工或机械均匀的抛栽到田里的一种轻简型栽培方式[1]。和传统人工移栽相比, 抛秧栽培大幅度地减轻了移栽过程中的劳动力投入。自20世纪80年代以来, 我国对抛秧栽培进行了大量的科学研究和示范推广工作, 抛秧种植面积迅速增加[2-4]。

抛秧栽培主要有手工抛栽和机械抛栽2种形式,而我国目前以手工抛栽为主。前人围绕手抛秧稻的生长发育特性和产量形成特点进行了大量研究, 发现手抛秧的生长特点主要包括移栽后缓苗期短、植伤轻, 根系发达, 前期分蘖多, 单位面积穗数和有效颖花数多[4-5]。然而, 和手插秧稻相比, 手抛秧的最大特点是种植无序, 不成行成株, 田间通风透光条件差, 湿度大, 导致下部叶片衰老腐烂、病虫害滋生严重、易倒伏等[6-8]。同时, 手抛秧移栽作业效率低, 在当前农村劳动力严重缺乏的现状和土地流转承包、水稻规模化生产的发展趋势下, 传统手抛秧正朝机抛秧发展转型。

国内外围绕抛秧机械及配套栽培技术开展了多年研究[9], 目前我国应用的抛秧机主要有无序抛秧机和有序抛秧机2种类型[10]。其中无序抛秧机虽然作业效率高, 省工省成本, 但是其抛秧无序, 秧苗在田间分布杂乱, 田间通风透光差, 产量优势难以发挥[11]。为了解决无序抛秧存在的问题, 前人进行了播栽、摆栽等有序方式的尝试研究[12-13]; 湖南巽地农机于 2018年发明生产了国内第一台由井关机头牵引的高速有序抛秧机, 现由湖南中联重机有限公司收购并加以完善, 可实现水稻分行分蔸有序抛栽, 基本解决了传统人工抛秧或机抛秧种植无序的问题, 同时可满足不同稻作季别、不同品种的种植要求, 是未来发展的重要方向[14]。本课题组近几年围绕水稻精量有序机抛栽培技术开展了相关研究并在湖南多地推广示范, 发现和传统插秧或手抛秧相比, 其增产效应明显。然而目前围绕精量有序机抛栽培的研究较少, 其生长发育特性和高产形成特点还鲜有研究报道。

本研究以国内第一台由井关机头牵引的高速有序抛秧机(2ZP-13)实现水稻有序抛秧, 通过比较其与手抛秧和手插秧在产量形成、干物质积累转运、分蘖发生等方面的差异, 探究精量有序机抛栽培水稻的产量形成特点和生长发育特性, 以期为水稻机械精量有序栽培技术的研发应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验地点

试验于2018—2019年在湖南省益阳市大通湖区千山红镇(112°15′28″E, 29°01′19″N)进行。土壤成土母质系河湖沉积物, 土壤基础地力情况为 pH 8.02,有机质27.9 g kg-1, 碱解氮117.37 mg kg-1, 有效磷15.57 mg kg-1, 缓效钾335.3 mg kg-1, 速效钾111.07 mg kg-1。供试材料为黄华占(常规籼稻)和甬优1538(籼粳杂交稻)。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计, 主区处理为种植方式, 分别为手插秧、手抛秧和精量有序机抛秧, 副区处理为品种, 分别为黄华占和甬优1538。试验设3次重复, 小区面积为81 m2(9 m × 9 m), 小区之间做田埂隔开并且覆膜, 防止小区间窜水窜肥。2018年于 5月27日播种, 6月15日进行移栽, 2019年于5月27日播种, 6月17日进行移栽。手抛秧和有序机抛秧分别用353孔塑料软盘和416孔专用秧盘, 每孔3～5粒, 泥浆湿润育秧; 手插秧采用传统湿润育秧, 播种量15 kg hm-2, 每穴栽插3粒谷秧苗。3种种植方式的移栽密度保持一致, 手插秧行株距为 20 cm ×20 cm; 精量有序机抛秧行株距为25 cm × 16 cm, 手抛秧密度为25穴 m-2。试验各品种按照N∶P2O5∶K2O = 1.0∶0.5∶1.0的比例进行施肥, 甬优1538施纯 N 240 kg hm-2、P2O5120 kg hm-2、K2O 240 kg hm-2,黄华占施纯 N 195 kg hm-2、P2O597.5 kg hm-2、K2O 195 kg hm-2, 其中氮肥按基肥(50%)、分蘖肥(20%)和穗肥(30%)施用, 磷肥全部用作基肥, 钾肥按基肥和穗肥各50%施用。其他田间管理方式同当地高产栽培习惯。

1.3 测定指标

1.3.1 产量与产量构成 于成熟期, 按对角线取样法, 从小区中间选取代表性植株 5丛调查有效穗数(实粒数大于5粒的稻穗), 手工脱粒后用自来水分离实粒和秕粒, 实粒称取3份30 g, 秕粒称取3份3 g, 计数后在 70℃下烘干至恒质量, 考察每穗粒数、结实率和千粒重(恒质量), 茎秆和叶在80℃下烘干至恒重, 测定干物质量。成熟期总干物质量为样本茎秆和叶、实粒、秕粒和枝梗干质量之和。从每小区中心收割5 m2用于测产, 含水量按粳稻14%、籼稻13%进行折算。

1.3.2 干物质积累 于分蘖中期、幼穗分化期、抽穗期、齐穗后10 d (FL+10 d)和收获期(PM)取样,每个小区取6穴, 然后剪去根, 按叶、茎+鞘、穗分开,置于105℃。恒温下杀青30 min, 80℃鼓风干燥箱烘干至恒重, 冷却至恒温后称重, 计算干物质重量

1.3.3 分蘖动态 于移栽返青后各处理定 0.25 m2面积秧苗, 调查基本苗, 每3 d调查1次分蘖数,直至分蘖数保持稳定下降后或到齐穗期为止。

1.3.4 SPAD值及株高 于分蘖中期、幼穗分化期、齐穗期、齐穗后10 d采用SPAD仪对每小区生长均匀具有代表性的(除开边 3行)水稻主茎的上三叶进行相对叶绿素含量的测量, 每片叶子分别测叶片上部、中部、下部3个位置, 得出平均值, 每个小区测量3株。

1.3.5 风速和阵风速度 为比较精量有序机抛秧与手插秧、手抛秧的田间通风性差异, 于2019年8月28日15时至8月29日15时(齐穗期), 采用HOBO datalogger测定不同种植方式下水稻群体的风速和阵风速度。测定群体风速时各品种在不同种植方式下的株高、生物量等基础数据如表1所示。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel对数据进行收集整理和作图, 采用Statistix 8.0进行统计分析, SigmaPlot 10.0作图。处理间的样本均值在最小差异显著法(LSD)进行比较。

2 结果与分析

2.1 生育期

3种种植方式的生育期差异较小(表2)。2018年黄华占和甬优 1538在精量有序机抛秧模式下的生育期分别为 121 d和 142 d, 与手抛秧生育期一致,且较手插秧生育期缩短 2 d。2019年的生育期表现与2018年存在一定差异。黄华占精量有序机抛秧的生育期为121 d, 较手插秧和手抛秧分别延长2 d和3 d, 而甬优1538精量有序抛秧的生育期与手插秧和手抛秧相比分别延长了4 d和2 d。

表1 田间群体风速测定时各品种和种植方式的群体特征指标Table 1 Growth characteristics of rice varieties and planting model with the measurement of wind speed

表2 黄华占和甬优1538在不同种植方式下的生育期表现Table 2 Growth durations of Huanghuazhan and Yongyou 1538 under different rice establishment methods

2.2 产量与产量构成

黄华占和甬优1538在不同种植方式下的产量如图1所示, 2018年黄华占在机械精量有序抛秧模式下的产量为 9.75 t hm-2, 较手插秧增产8.8%, 但与手抛秧产量无显著性差异。甬优1538机械精量有序抛秧在 3种种植方式下的产量最高, 达 12.39 t hm-2,与手插秧和手抛秧相比分别增加 33.3%和 5.1%。2019年精量有序机抛秧模式下的产量显著高于手插秧和手抛秧, 其中黄华占机抛秧的产量为9.90 t hm-2,较手插秧和手抛秧分别增产 39.2%和 9.8%, 而甬优1538机抛秧产量为12.23 t hm-2, 与手插秧与手抛秧相比产量分别增加20.6%和8.2%。综合品种表现, 精量有序机抛秧较手插秧增产 22.4%～28.3%, 较手抛秧增产 2.8%～8.9%。分析产量构成因子(表3)发现,机械精量有序抛秧的单位面积有效穗数较手插秧增加20.9%～64.2%, 这可能是其增产的主要原因。另一方面, 与手抛秧相比, 精量有序机抛秧的结实率增加了 3～5个百分点, 但单位面积有效穗数、每穗粒数和千粒重未出现显著性差异, 这在 2个品种和 2年间均呈现一致规律。

表3 黄华占和甬优1538在不同种植方式下的产量构成因子Table 3 Yield components of Huanghuazhan and Yongyou 1538 under different rice establishment methods

2.3 分蘖动态

不同种植方式下的分蘖发生特性存在明显差异(图2)。与手抛秧和精量有序机抛相比, 手插秧的分蘖速度和最终分蘖数明显降低, 这可能是其单位面积有效穗数降低的主要原因。2种抛秧模式的分蘖发生动态亦存在一定差异, 与手抛秧相比, 精量有序机抛秧在生长前期分蘖发生较慢, 而随着水稻群体的进一步生长, 其分蘖速度逐步增加, 其最终分蘖数与手抛秧基本无明显差异(2019年甬优1538除外, 其机抛秧分蘖数明显低于手抛秧)。

2.4 干物质积累

不同种植方式在不同生育时期的地上部干物质积累量如图3所示, 分蘖中期各种植方式下的地上部生物量无显著性差异, 随着植株进一步生长, 精量有序机抛秧在幼穗分化期、齐穗期和成熟期的地上部干物质积累量均显著大于手插秧。同时, 精量有序机抛秧的地上部生物量在幼穗分化期和齐穗期小于手抛秧或无显著性差异, 而在成熟期, 精量有序抛秧和手抛秧的地上部生物量差异不显著。

分析不同种植方式下的花后干物质积累量发现,精量有序机抛模式下的花后干物质积累量较大, 较手插秧和手抛秧分别增加52.8%和23.4% (图4), 这在不同年份和品种间均呈现一致规律。而手抛秧和手插秧的花后干物质积累量存在年际差异。2018年黄华占和甬优1538的花后干物质积累量均表现为手抛秧大于手插秧, 而2019年2种种植方式间无显著性差异。

2.5 叶片SPAD值

不同种植方式在不同生育时期的叶片 SPAD值如图5所示, 精量有序机抛秧的 SPAD值在分蘖中期、幼穗分化期、齐穗期均大于手插秧和手抛秧模式, 而在齐穗后10 d, 精量有序机抛秧叶片SPAD值的下降程度要小于其他 2种模式, 这在 2个品种间均呈现一致规律, 表明其叶片衰老速率可能较慢。另一方面, 黄华占在手抛秧模式下的叶片 SPAD值与手插秧无显著性差异, 但在甬优1538中, 手抛秧的叶片SPAD值在各生育时期均显著大于手插秧。

2.6 田间通风性

为比较不同种植模式的田间通风性差异, 本研究于 2019年在各品种齐穗期对水稻群体的田间风速和阵风速度进行了测定(图6)。研究结果发现, 精量有序机抛秧群体的田间风速和阵风速度明显大于手抛秧群体, 表明其在生育后期的田间通风性能优于手抛秧。但是, 精量有序机抛秧的田间风速和阵风速度低于手插秧。甬优1538和黄华占在不同种植方式下的通风性能表现均呈现一致规律。

3 讨论

本研究结果表明, 精量有序机抛秧的产量在不同年份和不同品种间均显著高于手插秧, 且2018年在甬优1538和2019年在2个品种中的产量均高于手抛秧, 产量优势明显。表明精量有序机抛秧是一种高产的水稻种植方式, 有较大的推广潜力和价值。

分析不同种植方式下水稻的产量构成和生长特性发现, 精量有序机抛秧模式前期生长快, 分蘖数量多, 群体生物量大, 使得成熟期单位面积有效穗数较手插秧模式显著提升。前人围绕抛秧稻的生长发育特性的研究也与本文结果基本一致[3,15]。人工撒抛秧和精量有序机抛秧在栽插过程和群体田间分布等方面均存在较大差别, 进而可能导致生长发育特性和产量形成等方面的差异。前人研究指出撒抛秧苗根系入土较浅, 部分根系裸露在土表, 导致下部叶片易死亡, 秧苗素质差[16-18]。而有序抛栽(点抛或摆秧)秧苗垂直入土、根系下扎深, 立苗返青快[19]。同时, 有序抛栽分蘖发生叶位比手抛秧低 2个叶位,一次分蘖数较多, 二次分蘖较少[20-21]。而本研究发现, 精量有序机抛秧前期分蘖能力和群体生长速率基本弱于手抛秧, 与前人研究结果存在一定差异,这可能是因为机抛秧作业过程中对秧苗存在机械损伤, 进而影响群体缓青及发苗速度。同时, 机抛秧移栽对大田耕整和水层深度要求更高, 若土表较硬或水层较深, 可能导致机抛秧立苗困难[14]。在生育中期, 精量有序机抛秧的分蘖速度加快, 移栽后45～50 d与手抛秧分孽数相当(2019年甬优1538除外), 这可能是精量有序机抛秧群体田间分布均匀, 通风透光良好, 进而有利于群体生长。分析产量构成因子发现, 精量有序机抛秧的单位面积有效穗数和每穗粒数与手抛秧无显著性差异。而前人研究结果认为有序抛栽的有效穗数小于手工抛栽, 但每穗粒数呈现相反趋势[17,22]。综上所述, 本研究中精量有序机抛秧在前期生长、分蘖发生和单位面积总颖花数等方面较手抛秧未表现出明显优势, 未来研究需通过抛秧机械改进、育秧和抛栽配套技术的优化等来充分挖掘精量有序机抛秧前期生长优势。同时, 精量有序机抛秧模式下的立苗缓青过程、秧苗素质和分蘖发生特性等还需要进一步深入研究。

本研究发现, 精量有序机抛秧的结实率优于手抛秧, 同时其花后干物质积累量大, 叶片 SPAD值在生育后期衰减较慢, 表明与手抛秧相比, 精量有序机抛秧高产的主要原因可能是生育后期较强的光合同化能力和较高的库充实度。进一步研究发现,精量有序机抛秧群体田间通风条件优于手抛秧, 而前人围绕有序抛秧(手工点抛)的研究指出也点抛群体分布均匀, 使田间通风透光条件得以改善, 光合作用和光合势增强[23], 这种后期生长势为大库提供了足源, 为抛秧群体高产潜力得以充分发挥奠定了基础[16,19]。此外, 精量有序机抛秧后期光合同化能力强、叶片衰老慢的特性可能还得益于较高的根系活力。郭保卫等研究指出, 和撒抛秧相比, 有序摆栽和半有序点抛均可显著提升水稻群体各生育时期的群体根干质量、根冠比和根系活力, 同时耕作底层根量大于撒抛[24]。然而本研究中, 精量有序机抛秧模式的根层分布特征和根系生长特性还不清晰, 其根系生长规律与高产形成的联系还需深入研究来揭示。

4 结论

精量有序机抛秧是一种高产的水稻种植方式,其产量较手插秧平均增加 22.4%～28.3%, 较手抛秧增加2.8%～8.9%。生长发育特性方面, 精量有序机抛秧田间分布有序, 田间通风性好, 群体生育后期的干物质同化积累能力强, 叶片衰老较慢、库充实度高, 与手插秧相比, 其单位面积有效穗数显著提升,与手抛秧相比, 其结实率明显增加, 进而促进其高产。然而, 精量有序机抛秧模式下抛秧机和配套育秧栽插技术等方面还有待改进以进一步发挥高产潜能。同时, 未来研究还需围绕精量有序机抛秧技术的立苗缓青特征、分蘖发生特性和根系生长特点等方面深入开展。