不同栽培模式对“早籼晚粳”双季稻光氮利用效率及产量的影响

郑华斌，李波，王慰亲，雷恩，唐启源

湖南农业大学农学院，长沙 410128

0 引言

【研究意义】为了满足全球不断增长人口的粮食需求，水稻年均增长率需要维持在1.5%[1]。通过选育高产量潜力的水稻品种和采用高产栽培模式提高水稻总产，是保证全球粮食安全的有效途径之一[2-4]。现有技术水平下，新品种培育多是针对生物性和非生物性逆境抗性的提高，而非产量潜力的提升，很难通过选育新的高产品种来实现水稻产量潜力进一步提升。未来水稻产量的提高70%要通过优化和改良栽培技术来实现[5]。已有的研究表明，优化栽培模式是提高水稻产量的有效手段[4,6]，也是缩小产量差（作物产量潜力数值与农户实际产量数值间的差异）的最有效手段[4-9]；单一因素栽培管理方式的优化不能有效地提高水稻产量[10]，水稻产量的提高需要更多地依靠多个因素集成的超高产栽培模式[10-13]。因此，多个因素集成的高产栽培模式是未来水稻绿色高产的重要方向之一，也是确保国家粮食安全亟需解决的突出问题。【前人研究进展】为了不断优化栽培模式，前人从单个因素做了大量的研究，以期实现水稻产量与资源利用效率的协同提高。如水稻垄厢栽培是将稻田起垄作畦，将水稻种在畦面上的一种水稻种植方式，通过降低田间水层深度和减少淹水时间，即在返青期和孕穗抽穗期保持畦面有水，其他时期保持在控水状态，以不出现水分亏缺为度，灌水时仅沟内有水，少灌或不灌水，可改善土壤通气性和提高水分利用效率[14-15]；根据产量水平合理确定的氮肥减施量，有利于杂交中稻产量和氮肥利用率的协同提高[16-18]，在减氮25%的条件下化肥配合粪肥施用不仅能够减少化肥氮的施用量，还可维持双季稻产量和肥料氮素的农学利用效率[19]；成臣等[20]研究指出采用基蘖穗粒肥比为 4∶2∶2∶2的氮肥运筹，晚粳稻产量表现最好，采用基蘖穗肥比为4∶2∶4时可兼顾水稻高产和优质；密植可有效补偿由于减少氮肥施用对水稻产量的影响[21]；施用锌肥[22]和锌硅肥[23]可有效改善水稻秧苗质量和群体质量，进而提高水稻产量。因此，高产栽培模式需要综合考虑耕作方式、育秧方式、氮肥管理、移栽密度和水分管理等因素，最大限度地实现水稻品种的产量潜力。【本研究切入点】根据实地调查和取证，在湖南双季稻区，当地农户的栽培习惯存在栽插密度过稀、前期施肥量大、后期断水过早等问题，直接影响了群体质量，造成资源浪费。前人通过优化肥料运筹、栽插密度等手段对双季稻高产高效栽培模式进行了探索。但是，针对湖南地区早稻和晚稻生产现有问题，还缺乏系统的栽培优化调控模式。【拟解决的关键问题】本研究在当地农民模式的基础上，综合采用耕作方式、氮肥管理、移栽密度和其他肥料管理等措施，以双季稻产量和资源利用效率协同提高 10%—20%为目标，探索 2种高产高效栽培模式对“早籼晚粳”双季稻光氮利用及产量的影响，为水稻产量与资源利用效率协同提高的栽培模式提供技术途径。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2017—2018年在湖南省浏阳市永安镇坪头山村（28°14′ N，113°18′ E）进行。供试土壤为第四纪红土发育的红黄泥，前茬为双季稻，pH为6.30，有机质含量为 18.4 g·kg-1，总氮含量为 1.09 g·kg-1，速效磷和钾含量分别为7.81和98.6 mg·kg-1。早稻大田生育期的2年平均温度分别为24.10℃（2017年）、25.18℃（2018年），2018年平均温度比2017年高1.08℃，＞35℃的高温天数都为7 d（图1-a、c）。晚稻大田生育期的平均温度分别为 24.80℃（2017年）、24.30℃（2018年），2年中＞35℃的高温天数分别为21 d、17 d，抽穗期（9月20日以前）未出现连续3 d低于22℃的气候事件（图1-b、d）。试验早籼稻选用湖南省主推品种中早39，晚粳稻选用甬优1540和甬优4949。

1.2 试验设计

试验以不施肥模式（CK）为对照，设当地农民模式（FM）、高产高效模式（T1），再高产高效模式（T2）3种模式。每个处理4次重复，小区面积为40 m2。T2模式中采用人工方式进行分厢，厢面宽为40 cm，厢沟宽和深都是10 cm（表1）。早稻于3月21日播种，湿润育秧，4月中旬人工移栽；苗数达到预期有效穗数85%时开始晒田控苗，其余水分干湿灌溉，收获前7 d脱水。晚稻在6月下旬播种，湿润育秧，7月中旬人工移栽。苗数达到预期有效穗数85%时开始晒田控苗。小区单排单灌，小区之间的埂道用塑料薄膜覆盖，以达到养分和水分阻隔的作用。氮肥按基肥、蘖肥和穗肥（比例 5∶3∶2）分3次施用，生物有机肥（N、P2O5和K2O含量分别为2.87%、1.05%和1.24%）、磷肥和硫酸锌全部作为基肥，钾肥按50%基肥和50%穗肥的方式施用。田间精细管理，病虫草害按当地高产栽培进行防控。

表1 不同栽培模式的种植密度、氮肥运筹和其他措施Table 1 Planting density, nitrogen management and other measures among different cultivation models

1.3 测定项目和方法

1.3.1 生育期记载 详细记录各小区的移栽期、齐穗期和成熟期。

1.3.2 干物质积累 于齐穗期，从每小区选取生长均匀的植株10穴（除边3行外），用水将植株冲洗干净后剪去根部，按茎叶、穗分开，转至80℃烘干至恒重，密封冷却至室温测定其干物质量。于成熟期，从每小区选取生长均匀的植株10穴，然后剪去根，按茎、穗分开，于105℃杀青30 min，转至80℃烘干至恒重，密封冷却至室温测定其干物质量。

1.3.3 测产与产量构成考察 于小区中央选取约 5 m2的正方形区域进行测产，称重记录的同时用自动数字水分仪（DMC-700）测定稻谷籽粒含水量，按标准计算方法将收割产量换算成13.5%的吸湿水来计算水稻的实际产量，并调查小区内 20穴植株穗数，计算有效穗数。于测产区选取生长均匀的植株 10穴，手工脱下全部籽粒后晒干，用于测定每穗粒数、结实率和千粒重。

1.3.4 气象数据 采用田间小型气象站（EM50）逐日记录大田生育期的温度和太阳辐射等气象数据。

1.3.5 光能利用率和氮肥利用率 光能利用率（g·MJ-1）为成熟期干物质重与大田生育期间太阳辐射总量的比值[24]；氮肥农学利用率（kg·kg-1）=（施肥处理产量-不施肥处理产量）/施氮量；氮肥偏生产力（kg·kg-1）=施肥处理产量/施氮量。

1.4 数据处理与统计分析

采用Excel 2007进行数据收集整理和作图，利用Statistix 8.0软件对试验数据进行统计分析。

2 结果

2.1 不同栽培模式对“早籼晚粳”双季稻品种生育期的影响

不同栽培模式下“早籼晚粳”双季稻品种均能正常成熟（表 2）。早稻季成熟期和晚稻季移栽期的农耗时间为9—15 d，晚稻季的齐穗期在9月8日至9月21日（9月20日以前未出现连续3 d低于22℃的气候事件），均未受到晚季寒露风的影响。

表2 不同栽培模式对“早籼晚粳”双季稻品种生育期的影响Table 2 Effects of different cultivation models on growth period of “early indica and late japonica” double rice

2.2 不同栽培模式对“早籼晚粳”双季稻品种周年产量的影响

早稻季，处理与年际间存在交互作用（表3），2年不同处理间产量变化规律一致，均以再高产高效模式（T2）最高，2018年各处理平均产量高于2017年。晚稻季，处理与年际间的交互作用不显著。T2处理平均周年产量为 15.1 t·hm-2，显著高于高产高效模式（T1）和农民模式（FM），与FM处理相比，T2处理早籼稻和晚粳稻产量提高了13.3%和24.9%。T1处理平均周年产量为13.3 t·hm-2，高于FM处理，主要是晚粳稻产量平均提高了9.5%，早籼稻产量略有下降（图2）。

表3 2017-2018年不同栽培模式下产量的方差分析Table 3 Analysis of variance for grain yield under different cultivation models in 2017 and 2018

早稻季，T2处理的公顷颖花数显著高于T1处理和FM处理（P＜0.05）（表4），主要表现在T2处理的公顷穗数显著高于T1和FM处理，但T2处理的每穗粒数显著低于FM处理，结实率显著低于T1处理和FM处理。T1处理与FM处理间的产量构成差异不显著（表4）。

晚稻季，T2处理公顷颖花数高于T1和FM处理，其中甬优4949的公顷颖花数显著高于FM处理（P＜0.05），主要表现在T2处理公顷穗数显著高于FM处理（P＜0.05）和高于T1处理，T2和FM处理间每穗粒数、结实率和千粒重差异不显著。T1处理公顷颖花数高于FM处理，其中甬优1540的公顷颖花数显著高于FM处理（P＜0.05），主要表现在T1处理公顷穗数显著高于FM处理。T1处理结实率和千粒重变化不一，其中2018年T1处理千粒重显著高于FM处理（表4）。

表4 不同栽培模式对“早籼晚粳”双季稻产量构成的影响Table 4 Effect of different cultivation models on yield component of “early indica and late japonica” double rice

2.3 不同栽培模式对“早籼晚粳”双季稻品种干物质生产的影响

早稻季，T2处理成熟期干物质为12 300 kg·hm-2，显著高于T1和FM处理（P＜0.05），T2处理群体生长速率高于T1和FM处理，主要表现在移栽—齐穗期群体生长速率显著高于 T1和 FM 处理（P＜0.05）。T1和FM处理间成熟期干物质差异不显著，但 T1处理齐穗期干物质显著低于 FM 处理（P＜0.05）。T1处理收获指数显著高于 FM 处理（P＜0.05）（表5）。

表5 不同栽培模式对“早籼晚粳”双季早稻干物质积累、群体生长速率和收获指数的影响Table 5 Effect of different cultivation models on dry matter accumulation, crop growth rate and HI of “early indica and late japonica” double early rice

晚稻季，T2处理 2年成熟期干物质分别为15 230、20 680 kg·hm-2，显著高于T1和FM处理（P＜0.05）。T1处理2年成熟期干物质分别为14 260、14 070 kg·hm-2，显著高于FM处理（P＜0.05）。2年的齐穗期干物质变化不一，2017年处理间差异不显著，但2018年处理间差异显著。T2处理齐穗—成熟期群体生长速率显著高于FM处理（P＜0.05），高于T1处理。T1处理齐穗—成熟期群体生长速率也高于FM处理。T2和FM处理收获指数差异不显著（P＞0.05）（表6）。

表6 不同栽培模式对“早籼晚粳”双季晚稻干物质积累、群体生长速率和收获指数的影响Table 6 Effect of different cultivation models on dry matter accumulation, crop growth rate and HI of “early indica and late japonica” double late rice

2.4 不同栽培模式对“早籼晚粳”双季稻品种光能利用效率的影响

T2处理的早、晚稻季辐射利用率分别为1.05和1.25 g·MJ-1，显著高于FM处理（P＜0.05），高于T1处理。早稻季，T1处理的辐射利用率为0.93 g·MJ-1，显著高于 FM 处理（P＜0.05），晚稻季的辐射利用率为1.01 g·MJ-1，与FM处理相比差异不显著（图3）。

2.5 不同栽培模式对“早籼晚粳”双季稻品种氮肥利用效率的影响

T2处理早、晚稻的氮肥农学利用率（AEN）分别为28.8、14.7 kg·kg-1，早稻季显著高于T1和FM处理（P＜0.05），晚稻季高于T1和FM处理；T2处理早、晚稻的氮肥偏生产力（PFPN）分别为 55.7、35.2 kg·kg-1，早季显著高于FM处理，晚稻季则显著低于FM处理（图 4）。

早稻季，T1处理的AEN、PFPN分别为22.2和49.1 kg·kg-1，显著高于FM处理（P＜0.05）；晚稻季，T1处理AEN为11.9 kg·kg-1，与FM处理相比差异不显著，PFPN为35.2 kg·kg-1，显著低于 FM 处理（P＜0.05）。

3 讨论

3.1 优化栽培模式对“早籼晚粳”双季稻产量形成的影响

再高产高效模式（T2）周年平均产量为15.1 t·hm-2，与农民模式（FM）相比，两季产量分别增产13.3%和24.9%，实现了预期增产目标。T2模式实现产量提高的主要措施为增加基本苗、垄厢栽培、优化施氮量（早季减氮、晚季增氮）、氮肥后移、增施有机肥和锌肥，上述措施显著增加了早籼稻群体颖花数和增加了晚粳稻群体颖花数，主要表现在公顷穗数显著提高，这与前人研究的结果相似，即通过增加密度提高产量[25-26]，但T2模式早籼稻的结实率和千粒重表现出明显下降的趋势，晚粳稻的结实率或千粒重表现出下降的趋势，这可能与水稻群体干物质积累动态有关。籽粒产量是由两部分物质构成的，一部分是抽穗前营养器官的同化产物向穗部转化[27-28]，另一部分是抽穗后的光合产物直接向穗部输送[29]。T2处理早籼稻齐穗前干物质积累量显著高于 FM 处理，而齐穗至成熟期群体干物质积累与FM处理相比差异不显著（表5）。另一方面，早季灌浆结实期间易受晴热高温天气的影响，如2017—2018年＞35℃的高温天数都为7 d，不利于籽粒充实灌浆。晚粳稻2年齐穗前干物质积累变化不一，2018年的干物质积累大于 2017年，这可能与T2处理持续配施生物有机肥有关，一方面配施生物有机肥有利于土壤微生物群落的改善，另一方面，通过增加土壤有机质增强土壤保肥供肥能力。T2处理的群体颖花数没有表现出优势，虽然齐穗至成熟期干物积累量显著高于FM处理（表6），但随着籽粒灌浆进程的推进，灌浆结实后期的低温不利于光合产物的转运分配，可能导致生殖生长冗余，进而导致籽粒灌浆不充分，引起结实率和/或千粒重下降。

高产高效模式（T1）的周年平均产量为13.4 t·hm-2。早籼稻T1模式较FM处理改变的措施有氮肥减量和后移、增加基本苗与增施锌肥，其产量与FM处理基本持平。虽然有研究指出增加氮肥施用，特别是氮肥的基肥比例，能弥补由早稻生育前期低温造成的产量损失[30]，但早稻的大田生育期较短，干物质快增期也明显短于晚稻[31]，因此增施氮肥对早籼稻干物质积累和产量的促进效应可能较小。另一方面，早籼稻前期较低的干物质积累速率可通过增加基本苗数或种植密度进行补偿，前人研究表明增密减氮能弥补氮肥减量对水稻产量的影响[21]，在减氮25%的条件下配合粪肥施用可维持双季稻产量，同时显著增加氮肥利用效率[19]。晚粳稻的产量比FM处理提高了9.5%，基于籼粳杂交稻的需肥特性，本研究采取氮肥增量和后移以利于此类品种产量潜力的发挥，但需要考虑的是，由于籼梗杂交稻的生育期较长，在生长季节相对紧张的双季稻种植模式，低温可能会影响籼粳杂交稻的灌浆结实过程。

本研究也发现，早稻季产量存在处理与年际间的交互作用（表3），2年的不同处理间产量变化规律一致，可能是由于早稻季温度差异导致，2017年和2018年移栽至齐穗期的日平均温度分别为22.8℃、23.9℃，齐穗至成熟期的日平均温度分别为 26.8℃和28.6℃，2017—2018年的移栽至齐穗期和齐穗至成熟期日平均温度分别相差1.1℃和1.8℃，影响了早稻生长发育和产量。

3.2 优化栽培模式对“早籼晚粳”双季稻光能和氮肥利用率的影响

T2模式下早籼季和晚粳季的光能利用率分别为1.05 g·MJ-1和 1.23 g·MJ-1，与 FM 处理相比，两季光能利用率分别提高了 31.7%和 63.4%，氮肥农学利用率分别为 23.1 kg·kg-1和 14.7 kg·kg-1，两季氮肥农学利用率分别提高了61.6%和31.9%，实现了增产前提下提高资源利用效率的目标。ZHANG等[24]计算水稻成熟期干物质积累和全生育期群体光能截获量的比值，发现平均光能利用率为1.38 g·MJ-1，KATSURA等[32]估计不同地点间的水稻品种光能利用率，发现平均光能利用率为1.47 g·MJ-1，前人的研究结果均高于本研究的结果。一方面，可能与本文计算光能利用率时，采用太阳辐射总量而非群体光能截获量有关。另一方面，前人研究的水稻品种主要以中稻为主，其生育期长，温光资源条件也要优于双季稻，有利于提高水稻群体的光能利用率。

T2模式利用氮肥后移和有机配施有效地提高了氮肥农学利用率。向璐等[19]研究指出，在75%氮肥施用（与常规用氮比）的条件下，化肥配合粪肥施用不仅能够减少化肥氮的施用量，还可维持双季稻产量和肥料氮素的农学利用效率，可能的原因是氮肥配施粪肥处理下粪肥的施用能够维持比较稳定的氮素供应水平，提高土壤氮素对水稻生长的供应能力[33-34]，特别是籼粳杂交稻品种的氮肥需求量较大，应加强全生育期的氮素有效供应。成臣等[20]研究指出，同一氮肥水平下，氮肥后移可提高晚粳稻产量与品质，提高氮肥利用率。此外，采用密植措施，也将促进氮肥利用率的提高[35]，本研究中，T2模式采用增加每穴苗数和密度增加基本苗，氮肥农学利用率也随之增加。

3.3 产量与资源利用率协同提高的途径

以农业农村部主推技术为例，水稻“三定”技术根据目标水稻产量、群体生理指标和栽培技术规范，来实现单位面积有效穗数和每穗颖花数的协同提高，进而提高产量[36]。单本密植大苗机插栽培技术，即通过大苗机插、增密减氮、干湿灌溉等措施充分发挥杂交稻分蘖大穗的增产优势，进而提高产量[37]。这些栽培技术都是通过多个栽培措施的优化或突破，实现水、气、肥资源协同作用，改善水稻群体的生长发育，进而获得高产高效。本研究以增密、实地氮肥管理的定氮方法和氮肥后移为主，集成了“定苗定氮”高产与氮肥高效栽培模式（T1模式），即早、晚季T1模式的移栽密度在农民模式的基础上提高20%以上（如早季株行距20 cm×20 cm→16.7 cm×20 cm），培育多苗和带蘖大苗提高每穴苗数，机械化作业条件下可采用水稻机插育秧技术或杂交水稻单本密植机插栽培方法[38]实现多苗和带蘖大苗移栽；早、晚季T1模式的施氮量在农民模式的基础上减少 20%和增加 25%以上，施用穗肥（占施肥总量的 20%），同时施用锌肥。

在T1模式“定苗定氮”的基础上，以垄厢增氧栽培[39]、其他措施如增施有机肥、叶面肥等增强灌浆活性为主集成了再高产高效栽培模式（T2模式），实现产量与资源利用效率协同提高的目的。即早季T2模式的移栽密度进一步提高 5%以上，晚季维持不变；晚季肥料用量在T1模式的基础上增加15%左右，早季维持不变，穗肥占总施肥量比例的 30%；通过垄厢（垄厢宽70 cm为宜[14]）、有机肥配施和叶面肥的综合措施延缓齐穗期后水稻根系活力下降和叶片衰老，延长叶片光合时间，进而提高光氮利用效率和产量。

本研究结果表明，再高产高效栽培模式是进一步提升水稻光氮利用效率，实现水稻超高产栽培的有效途径。根据再高产高效栽培模式的特点和前人的研究结论，本文提出一条未来双季稻高产高效栽培技术可能的技术途径，为“两定”即增密定氮、氮肥后移；“三增”即垄厢栽培（增氧栽培[39]）、种子处理（增强种子活力[40]，即采用比重≥1.2的比重分选+色选（前、后反光板参数根据水稻品种调试好，打黑参数240））和后期化学调控（增强灌浆活性）。然而，和传统水稻栽培模式相比，本模式的施肥量和施肥次数较多，生产成本和劳动效率还有待进一步提升。在当前水稻全程机械化、轻简化生产的发展背景下，再高产高效栽培模式的未来研究方向和发展趋势可能有以下几个方面：（1）研发高浓度复混有机新型肥料，从而减少施肥次数和总施肥量；（2）研发起垄-施肥-栽插一体化作业机械，加速农机农艺融合。

4 结论

再高产高效模式（T2）与农民模式相比，早晚季产量分别增产 13.3%和 24.9%，光能利用率分别提高了31.7%和63.4%，氮肥农学利用率分别提高了61.6%和 31.9%，实现了产量与资源利用效率协同提高。但需要指出的是，虽然籼粳杂交稻在产量、生态适应性方面具有优势，但其施氮量较高，仍需进一步开展需肥特征及其减氮措施的研究。