近年我国水稻栽培学科若干热点领域研究进展与展望

朱均林 褚光 章秀福

（中国水稻研究所/水稻生物育种全国重点实验室，杭州 311400；*通信作者: chuguang@caas.cn）

2020—2022 年，我国水稻单产和总产水平一直处于历史高位，优质丰产高效与环境友好成为新时期水稻产业高质量绿色发展的主题。水稻耕作栽培的创新发展为我国水稻产业转型升级提供了最直接的科技支持，确保了我国稻米口粮绝对安全，实现了由“吃饱”到“吃得好、吃得放心”的质的跃升。就学科发展而言，主要体现在水稻无人化数智栽培、优质丰产绿色栽培、可持续多熟制种植、再生稻机械化栽培、稻田生态综合种养以及稻田低碳减排栽培等热点领域。本文对本学科近3 年国内研究进展进行梳理，对国外相关研究作简单介绍，并对未来5 年或更长时期我国水稻耕作栽培研究发展作一展望，以期为国内外同行和感兴趣的读者提供参考。

1 水稻栽培学科国内研究进展

1.1 水稻无人化数智栽培

我国水稻生产在耕、种、管、收等主要环节均已基本实现机械化，但生产过程仍需投入较多的人力，很难适应新时代的发展需求[1]。随着数智农业的快速发展，水稻生产作业的“无人化”是未来发展的基本方向。当前，国内已涌现出一大批“无人化”数智稻作新技术。例如，“无人化”飞播技术、“无人化”耕整地技术、“无人化”精准机插技术、“无人化”精准施肥技术和智能远程控制灌溉技术等。其中，又以“无人化”飞播技术的发展最为迅猛。此前，我国水稻机械直播栽培中主要采用的是以有人驾驶的地面机械为平台，开展机械化直播作业，存在作业效率偏低、对耕整地要求高等缺点[2]。“无人化”飞播栽培模式不仅具备作业效率高、工作强度低、使用成本低、智能化程度高的特点，还可以减少复杂地形对播撒作业的干扰[3-4]。此外，无人机还可以通过更换部件开展撒肥、喷药等作业，可以更加深入的参与水稻栽培管理[5-6]。近年来，扬州大学张洪程院士团队开展稻麦耕种管收关键环节田间“无人化”作业技术研究，研发出了稻麦绿色丰产“无人化”栽培技术，该套技术以水稻机插整合栽培无人化作业技术、水稻直播与小麦条播整合栽培无人化作业技术为核心，配套无人机飞防高效植保技术、智能远程控制灌溉技术和智能精准无人化收获技术，创建机插和直播两套水稻及精量条播小麦栽培田间“无人化”作业工程技术体系[7]。2021 年，该项技术被农业农村部评选为10 项重大引领性技术之一。依托生物技术、智能农机和信息技术建设的“无人农场”是实现无人化数智农业的重要途径[8-9]。近年来，华南农业大学罗锡文院士团队集成了耕种管收生产环节全覆盖、机库田间转移作业全自动、自动避障异况停车保安全、作物生产过程实时全监控和智能决策精准作业全无人等关键技术，建设了水稻“无人农场”，在数智农业发展中表现出巨大的潜力[10]。“无人农场”的建设为解决“谁来种田”和“如何种田”的问题提供了重要途径，同时对我国“无人农场”建设起到了示范作用。

1.2 水稻优质丰产绿色栽培

长期以来，我国水稻形成了“高投入、高产出、高污染、低效益”的生产模式。这种模式为保障我国粮食安全供给做出巨大贡献的同时，也导致了生产成本大幅增加，还引起稻米品质变劣，稻田可持续生产受到威胁[11-12]。这些问题的出现意味着我国需要在水稻新品种培育和栽培措施创新等方面做出根本性改变。近年来，优质丰产绿色栽培已成为水稻栽培学研究重点，同时也是难点。我国因地制宜地通过栽培模式创新和管理措施优化，提出了如“水稻好氧栽培技术”“水稻侧深施肥技术”“水稻增密减氮栽培技术”“ 水稻双季双直播技术”等绿色丰产栽培新模式，缓解了高产与高效、高产与优质、用地与养地之间的矛盾，协调了环境因素与高产、优质、安全之间的相互关系，基本实现了“少打农药、少施化肥、节水耐旱、优质高产”的绿色目标[13-22]。以“水稻侧深施肥技术”为例，相较于肥料面施，该技术可以将养分准确的输送到植株根部，从而减少氨挥发和地表径流带来的氮流失，提高水稻根区供氮能力，使水稻秧苗在前期有足够的养分，促进水稻分蘖早生快发，从而实现水稻绿色高产栽培[15-16]。“水稻增密减氮技术”可以在减少氮肥投入10%~20%的基础上，保证水稻不减产，并显著提高氮肥利用效率，减少氮肥损耗[17-21]。此外，中国水稻研究所的一项研究表明，以“水稻增密减氮技术”与“水稻好氧栽培技术”为核心构建的“水稻优化栽培技术”，可以较农户习惯栽培模式减少水、氮资源的投入，并可显著提高水稻产量以及水、氮利用效率[23]。

1.3 再生稻机械化栽培

再生稻是指头季收获后，实施相应田间管理措施，促使头季稻桩上的腋芽生长发育与抽穗结实，实现“一种两收”或多次收获的水稻种植模式。这种模式是温光资源种植水稻“一季有余而两季不足”地区的理想种植模式，对缓解农忙与减轻劳作强度、促进农民增产增收、保障国家粮食安全具有重要意义[24]。近年来，再生稻已在我国南方湖北、重庆、四川、福建、江西、安徽、湖南等15 个省（市）种植，年推广面积约为130 万hm2[24-25]。华中农业大学彭少兵教授团队从高产优质再生稻品种筛选、再生稻机械化生产的农机农艺配套技术优化、肥水运筹管理及其优化、再生稻专用机械的研制、再生稻无公害化生产等关键技术开展研究，建立了“机收再生稻丰产高效栽培技术模式”，并在湖北等地大面积推广应用，取得了显著的经济和社会效益[26]。湖南农业大学唐启源教授团队按照再生稻大面积高产稳产的原则，构建了“机收再生稻‘四防一增’高产高效栽培技术体系”，即防再生季抽穗遭遇寒露风、防头季高温危害、防纹枯病和稻飞虱等病虫危害、防倒伏以及增强再生出苗能力，对促进湖南省再生稻产量的稳步提高发挥了重要作用[27]。福建农林大学林文雄教授团队研究提出采用人工收割高留桩栽培再生稻时，选择头季分蘖力较弱、再生季再生力强的重穗型杂交籼稻品种（组合）易获高产；采用机械化收割低留桩栽培再生稻时，选择具强低位芽再生力的杂交籼稻品种或感光性弱的重穗型杂交粳稻品种（组合）、籼粳杂交稻品种（组合）易获高产[12,28]。同时，提出适时早播、畦栽沟灌、二次烤田、重施促芽肥、适高留桩的人工收割高留桩再生稻栽培技术[9,25]。

1.4 稻田多元多熟制种植

多熟制种植是指一年内在同一块土地种植两种或两种以上的作物，该种植模式可以充分利用温光资源，大多采用复种和间套作的种植模式，实现作物生产在时间或空间上的集约化。自2020 年以来，构建了多元多熟的高效种植模式，形成了“种植层次化、作物搭配多样化、土地利用高效化”的新局面。例如，长江中下游稻区具有温光资源丰富、热量充足、雨量充沛、雨水集中和无霜期长等特点，是我国多熟种植最广泛的区域。近年来，在原有早稻-晚稻、单季稻-小麦、单季稻-油菜、单季稻-绿肥、单季稻-冬闲的基础上，发展了诸如早稻-晚稻-油菜、早稻-晚稻-马铃薯、早稻-鲜食大豆-油菜、早稻-鲜食玉米-马铃薯等多种一年三熟种植新模式，并得到广泛应用，取得了良好效果[29]。华南稻区的春烟-水稻-蔬菜、玉米-晚稻-蔬菜、花生-晚稻-马铃薯等经济高效多熟制种植模式，充分实现了集约利用土地、光、热以及劳动力资源[27]。西南稻区则以成都平原为代表，发展出稳粮增效型和稳粮高效型两大类粮油多熟制种植制度，主要模式有:水稻-秋冬菜-春菜、水稻-马铃薯、水稻-油菜、水稻-秋菜-小麦、水稻-秋菜-油菜等[30-31]。近期，在四川、重庆等大部种植水稻“一季有余，两季不足”地区，广泛开展再生稻生产，实现了“一种两收”和粮食增产[25]。

1.5 稻田生态综合种养

稻田生态综合种养是将水稻种植与水产或水禽等水生动物养殖有机结合，通过稻田生态系统的物质流、能量流、效益流循环，充分发挥水稻、水生动物的互利共生作用，构建高产、高效复合型的现代农业生产模式。近年来，我国稻田生态综合种养模式不断创新，推广应用面积迅速扩大。根据有关部门统计，2020 年全国稻田综合种养面积超过240 万hm2。我国南方主要稻区因地制宜的探索发展出如稻-虾、稻-鳖、稻-鳅和稻-蟹等新型稻田生态种养新模式，把传统的稻田养殖推进到了“以渔促稻、稳粮增效、质量安全、生态环保”的新阶段[32]。2021 年，“稻田生态综合种养技术”入选农业农村部主推技术。大量研究表明，“稻田生态综合种养技术”可以实现水稻生产中有机肥与无机肥的配施，能有效解决如氮肥施用过多而导致氮素等养分利用率降低、养分流失、稻田综合收益低等问题[33-35]。此外，该技术在一定程度上还能够抑制稻田的病虫草害，丰富土壤中细菌群落的多样性，提升了土壤微生物的活跃度，改善稻田生态系统和农业生态环境[35]。例如，在“稻鱼共作”模式中，鱼排泄物中的氮有75%~85% 以铵离子的形态存在，即鱼能够将环境中原本不易被水稻吸收利用的氮形式转变成易于被水稻吸收利用的有效氮形式[36]。作为稻田综合种养的典型代表，“稻虾共作”能够充分利用稻田的浅水环境和冬春闲置期，实现“一水两用，一田双收”，有效提高稻田产出率和资源利用率，增加农户收入。小龙虾以稻田内的秸秆、害虫和水草等为食，可减少饲料投入，而其排泄物和剩余残饵又可为水稻提供生物肥料，减少肥料投入，充分实现了水稻和小龙虾的互利共生[37]。

1.6 稻田低碳减排稻作

减少稻田甲烷（CH4）排放是农业碳减排与碳中和的有效途径和举措。近年来，我国颁布了多项未来农业发展规划，明确提出建立低碳减排农业生产模式。遴选高产低排放水稻品种，可有效减少稻田CH4排放。这些品种往往具备收获指数高、穗大粒重、茎秆输氧能力强、根系发达等生物学特征，同时具有高产与减排的潜力[38]。优化水分灌溉管理是稻田CH4减排的关键，中国水稻研究所研发了“好氧减排灌溉模式”，通过科学合理的控制稻田水量，形成浅、干、湿灵活调节的稻田CH4低排放水分管理模式，可减少稻季50%~70%CH4排放量，综合增温潜势减少60%~70%[39]。优化种植方式对于减少稻田CH4排放也有一定效果。采取浅水直播或旱直播技术，可消除育秧期间CH4排放，实现节本省工、稳产降耗[38]。对于丘陵山区的淹水稻田，开沟起厢覆膜栽培，可以在灌溉时保持厢面无水、沟内有水、土壤湿润的状态，相比不覆膜栽培可减少50%~86%CH4排放[38]。施肥、有机物料投入和秸秆管理也能通过影响稻田土壤可利用碳氮养分，进而改变稻田CH4排放。例如，缓控释化肥、添加脲酶/硝化抑制剂的稳定性肥料、侧深施肥可减少稻田13%~43%CH4排放，协同减少N2O 排放和NH3挥发，提高肥料利用效率，在等养分投入条件下可提高水稻产量10%~28%[40-41]。此外，近期较多研究指出，稻田综合种养能减少稻田CH4排放，减排比例可达19%~35%[38,42]。

2 水稻栽培学科国外研究进展

在水稻机械化生产技术方面，欧美、日韩等发达国家水稻生产已实现全程机械化。美国、意大利和澳大利亚等国以机械化直播为主，日本、韩国等国家则以机械化插秧为主。近年来，随着计算机技术和生物技术的应用，欧美等国在数智农业发展中取得了长足进步，水稻生产逐步走向了计算机集成自适应生产，如美国在水稻种植过程中广泛应用物联网技术。该技术可实时监测并查清水稻生长过程中田地的土壤性状与生产力状况，使用红外成像系统配合卫星鸟瞰和观察农作物长势情况，配合生物量地图系统及时判断作物是否缺少营养素，获得当下最适合作物生长的肥料配方，从而通过变量施肥技术动态调节耕作过程中的水、肥等生产要素投入量，生产更趋向智慧化、自动化[43]。

国外在控制稻田温室气体排放方面也做了大量工作。中期晒田、干湿交替和间歇性灌溉是日本目前大范围推广的CH4减排水分灌溉模式，并提出延长稻田中期晒田持续时间以进一步降低CH4排放[38]。此外，日本也将秸秆堆肥完全腐解后再还田，并大力发展堆肥设备，或者将秸秆作为饲料喂养牲畜过腹后堆肥还田，这些措施均能显著减少秸秆直接还田后导致的CH4大量排放[38]。印度、越南、泰国等亚洲水稻主产国，相继提出通过水稻集约化生产、推广直播稻、旱稻栽培技术来降低CH4排放，并将干湿交替、间歇性灌溉等作为减排技术进行应用示范[44]。

3 水稻栽培学科发展趋势及展望

随着人民生活水平的提高，我国稻米消费结构逐步发生了重大转变，市场对稻米的需求已由“吃饱”向“吃好”转变，消费者更加注重品质、安全与健康。

消费者的需求是水稻耕作栽培学科的研究目标。本学科未来发展方向有：一是丰产与优质并重，绿色与高效兼顾，在水稻丰产优质协同规律探索及其调控技术上取得重大突破。二是绿色栽培措施的研究与应用，驱动我国水稻生产由资源消耗型向绿色高效型转变，筛选绿色丰产优质水稻新品种，研发精准高效施肥施药以及减控污染的新理论与新技术，构建稻田绿色生态系统和水稻优质丰产绿色发展新模式。三是以水稻低碳可持续发展为核心，研究稻田固碳减排关键技术，构建水稻低碳绿色栽培新模式与新技术体系。四是全方位研究数字感知、智能决策、精准作业和智慧管理的农艺、农机、信息融合的关键技术及其整合应用，构建水稻耕、种、管、收全过程智能化、无人化栽培模式与技术体系，实现水稻栽培技术里程碑式的更新换代。五是植物表型组学成为数智农业发展的关键技术之一[45]。随着植物表型获取技术和设备的不断完善，高通量表型组学研究正成为突破未来作物学研究和应用的关键领域。基于冠层结构的光学图像分析、识别作物非生物胁迫等将是水稻表型组学研究与应用的重要场景，也是本学科重要的研究领域。