鄭華斌，李波，王慰親，雷恩，唐啟源

湖南農業(yè)大學農學院，長沙 410128

0 引言

【研究意義】為了滿足全球不斷增長人口的糧食需求，水稻年均增長率需要維持在1.5%[1]。通過選育高產量潛力的水稻品種和采用高產栽培模式提高水稻總產，是保證全球糧食安全的有效途徑之一[2-4]?，F(xiàn)有技術水平下，新品種培育多是針對生物性和非生物性逆境抗性的提高，而非產量潛力的提升，很難通過選育新的高產品種來實現(xiàn)水稻產量潛力進一步提升。未來水稻產量的提高70%要通過優(yōu)化和改良栽培技術來實現(xiàn)[5]。已有的研究表明，優(yōu)化栽培模式是提高水稻產量的有效手段[4,6]，也是縮小產量差（作物產量潛力數(shù)值與農戶實際產量數(shù)值間的差異）的最有效手段[4-9]；單一因素栽培管理方式的優(yōu)化不能有效地提高水稻產量[10]，水稻產量的提高需要更多地依靠多個因素集成的超高產栽培模式[10-13]。因此，多個因素集成的高產栽培模式是未來水稻綠色高產的重要方向之一，也是確保國家糧食安全亟需解決的突出問題。【前人研究進展】為了不斷優(yōu)化栽培模式，前人從單個因素做了大量的研究，以期實現(xiàn)水稻產量與資源利用效率的協(xié)同提高。如水稻壟廂栽培是將稻田起壟作畦，將水稻種在畦面上的一種水稻種植方式，通過降低田間水層深度和減少淹水時間，即在返青期和孕穗抽穗期保持畦面有水，其他時期保持在控水狀態(tài)，以不出現(xiàn)水分虧缺為度，灌水時僅溝內有水，少灌或不灌水，可改善土壤通氣性和提高水分利用效率[14-15]；根據(jù)產量水平合理確定的氮肥減施量，有利于雜交中稻產量和氮肥利用率的協(xié)同提高[16-18]，在減氮25%的條件下化肥配合糞肥施用不僅能夠減少化肥氮的施用量，還可維持雙季稻產量和肥料氮素的農學利用效率[19]；成臣等[20]研究指出采用基蘗穗粒肥比為 4∶2∶2∶2的氮肥運籌，晚粳稻產量表現(xiàn)最好，采用基蘗穗肥比為4∶2∶4時可兼顧水稻高產和優(yōu)質；密植可有效補償由于減少氮肥施用對水稻產量的影響[21]；施用鋅肥[22]和鋅硅肥[23]可有效改善水稻秧苗質量和群體質量，進而提高水稻產量。因此，高產栽培模式需要綜合考慮耕作方式、育秧方式、氮肥管理、移栽密度和水分管理等因素，最大限度地實現(xiàn)水稻品種的產量潛力?！颈狙芯壳腥朦c】根據(jù)實地調查和取證，在湖南雙季稻區(qū)，當?shù)剞r戶的栽培習慣存在栽插密度過稀、前期施肥量大、后期斷水過早等問題，直接影響了群體質量，造成資源浪費。前人通過優(yōu)化肥料運籌、栽插密度等手段對雙季稻高產高效栽培模式進行了探索。但是，針對湖南地區(qū)早稻和晚稻生產現(xiàn)有問題，還缺乏系統(tǒng)的栽培優(yōu)化調控模式?！緮M解決的關鍵問題】本研究在當?shù)剞r民模式的基礎上，綜合采用耕作方式、氮肥管理、移栽密度和其他肥料管理等措施，以雙季稻產量和資源利用效率協(xié)同提高 10%—20%為目標，探索 2種高產高效栽培模式對“早秈晚粳”雙季稻光氮利用及產量的影響，為水稻產量與資源利用效率協(xié)同提高的栽培模式提供技術途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗于2017—2018年在湖南省瀏陽市永安鎮(zhèn)坪頭山村（28°14′ N，113°18′ E）進行。供試土壤為第四紀紅土發(fā)育的紅黃泥，前茬為雙季稻，pH為6.30，有機質含量為 18.4 g·kg-1，總氮含量為 1.09 g·kg-1，速效磷和鉀含量分別為7.81和98.6 mg·kg-1。早稻大田生育期的2年平均溫度分別為24.10℃（2017年）、25.18℃（2018年），2018年平均溫度比2017年高1.08℃，＞35℃的高溫天數(shù)都為7 d（圖1-a、c）。晚稻大田生育期的平均溫度分別為 24.80℃（2017年）、24.30℃（2018年），2年中＞35℃的高溫天數(shù)分別為21 d、17 d，抽穗期（9月20日以前）未出現(xiàn)連續(xù)3 d低于22℃的氣候事件（圖1-b、d）。試驗早秈稻選用湖南省主推品種中早39，晚粳稻選用甬優(yōu)1540和甬優(yōu)4949。

1.2 試驗設計

試驗以不施肥模式（CK）為對照，設當?shù)剞r民模式（FM）、高產高效模式（T1），再高產高效模式（T2）3種模式。每個處理4次重復，小區(qū)面積為40 m2。T2模式中采用人工方式進行分廂，廂面寬為40 cm，廂溝寬和深都是10 cm（表1）。早稻于3月21日播種，濕潤育秧，4月中旬人工移栽；苗數(shù)達到預期有效穗數(shù)85%時開始曬田控苗，其余水分干濕灌溉，收獲前7 d脫水。晚稻在6月下旬播種，濕潤育秧，7月中旬人工移栽。苗數(shù)達到預期有效穗數(shù)85%時開始曬田控苗。小區(qū)單排單灌，小區(qū)之間的埂道用塑料薄膜覆蓋，以達到養(yǎng)分和水分阻隔的作用。氮肥按基肥、蘗肥和穗肥（比例 5∶3∶2）分3次施用，生物有機肥（N、P2O5和K2O含量分別為2.87%、1.05%和1.24%）、磷肥和硫酸鋅全部作為基肥，鉀肥按50%基肥和50%穗肥的方式施用。田間精細管理，病蟲草害按當?shù)馗弋a栽培進行防控。

表1 不同栽培模式的種植密度、氮肥運籌和其他措施Table 1 Planting density, nitrogen management and other measures among different cultivation models

1.3 測定項目和方法

1.3.1 生育期記載 詳細記錄各小區(qū)的移栽期、齊穗期和成熟期。

1.3.2 干物質積累 于齊穗期，從每小區(qū)選取生長均勻的植株10穴（除邊3行外），用水將植株沖洗干凈后剪去根部，按莖葉、穗分開，轉至80℃烘干至恒重，密封冷卻至室溫測定其干物質量。于成熟期，從每小區(qū)選取生長均勻的植株10穴，然后剪去根，按莖、穗分開，于105℃殺青30 min，轉至80℃烘干至恒重，密封冷卻至室溫測定其干物質量。

1.3.3 測產與產量構成考察 于小區(qū)中央選取約 5 m2的正方形區(qū)域進行測產，稱重記錄的同時用自動數(shù)字水分儀（DMC-700）測定稻谷籽粒含水量，按標準計算方法將收割產量換算成13.5%的吸濕水來計算水稻的實際產量，并調查小區(qū)內 20穴植株穗數(shù)，計算有效穗數(shù)。于測產區(qū)選取生長均勻的植株 10穴，手工脫下全部籽粒后曬干，用于測定每穗粒數(shù)、結實率和千粒重。

1.3.4 氣象數(shù)據(jù) 采用田間小型氣象站（EM50）逐日記錄大田生育期的溫度和太陽輻射等氣象數(shù)據(jù)。

1.3.5 光能利用率和氮肥利用率 光能利用率（g·MJ-1）為成熟期干物質重與大田生育期間太陽輻射總量的比值[24]；氮肥農學利用率（kg·kg-1）=（施肥處理產量-不施肥處理產量）/施氮量；氮肥偏生產力（kg·kg-1）=施肥處理產量/施氮量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)收集整理和作圖，利用Statistix 8.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結果

2.1 不同栽培模式對“早秈晚粳”雙季稻品種生育期的影響

不同栽培模式下“早秈晚粳”雙季稻品種均能正常成熟（表 2）。早稻季成熟期和晚稻季移栽期的農耗時間為9—15 d，晚稻季的齊穗期在9月8日至9月21日（9月20日以前未出現(xiàn)連續(xù)3 d低于22℃的氣候事件），均未受到晚季寒露風的影響。

表2 不同栽培模式對“早秈晚粳”雙季稻品種生育期的影響Table 2 Effects of different cultivation models on growth period of “early indica and late japonica” double rice

2.2 不同栽培模式對“早秈晚粳”雙季稻品種周年產量的影響

早稻季，處理與年際間存在交互作用（表3），2年不同處理間產量變化規(guī)律一致，均以再高產高效模式（T2）最高，2018年各處理平均產量高于2017年。晚稻季，處理與年際間的交互作用不顯著。T2處理平均周年產量為 15.1 t·hm-2，顯著高于高產高效模式（T1）和農民模式（FM），與FM處理相比，T2處理早秈稻和晚粳稻產量提高了13.3%和24.9%。T1處理平均周年產量為13.3 t·hm-2，高于FM處理，主要是晚粳稻產量平均提高了9.5%，早秈稻產量略有下降（圖2）。

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

早稻季，T2處理的公頃穎花數(shù)顯著高于T1處理和FM處理（P＜0.05）（表4），主要表現(xiàn)在T2處理的公頃穗數(shù)顯著高于T1和FM處理，但T2處理的每穗粒數(shù)顯著低于FM處理，結實率顯著低于T1處理和FM處理。T1處理與FM處理間的產量構成差異不顯著（表4）。

晚稻季，T2處理公頃穎花數(shù)高于T1和FM處理，其中甬優(yōu)4949的公頃穎花數(shù)顯著高于FM處理（P＜0.05），主要表現(xiàn)在T2處理公頃穗數(shù)顯著高于FM處理（P＜0.05）和高于T1處理，T2和FM處理間每穗粒數(shù)、結實率和千粒重差異不顯著。T1處理公頃穎花數(shù)高于FM處理，其中甬優(yōu)1540的公頃穎花數(shù)顯著高于FM處理（P＜0.05），主要表現(xiàn)在T1處理公頃穗數(shù)顯著高于FM處理。T1處理結實率和千粒重變化不一，其中2018年T1處理千粒重顯著高于FM處理（表4）。

表4 不同栽培模式對“早秈晚粳”雙季稻產量構成的影響Table 4 Effect of different cultivation models on yield component of “early indica and late japonica” double rice

2.3 不同栽培模式對“早秈晚粳”雙季稻品種干物質生產的影響

早稻季，T2處理成熟期干物質為12 300 kg·hm-2，顯著高于T1和FM處理（P＜0.05），T2處理群體生長速率高于T1和FM處理，主要表現(xiàn)在移栽—齊穗期群體生長速率顯著高于 T1和 FM 處理（P＜0.05）。T1和FM處理間成熟期干物質差異不顯著，但 T1處理齊穗期干物質顯著低于 FM 處理（P＜0.05）。T1處理收獲指數(shù)顯著高于 FM 處理（P＜0.05）（表5）。

表5 不同栽培模式對“早秈晚粳”雙季早稻干物質積累、群體生長速率和收獲指數(shù)的影響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處理 2年成熟期干物質分別為15 230、20 680 kg·hm-2，顯著高于T1和FM處理（P＜0.05）。T1處理2年成熟期干物質分別為14 260、14 070 kg·hm-2，顯著高于FM處理（P＜0.05）。2年的齊穗期干物質變化不一，2017年處理間差異不顯著，但2018年處理間差異顯著。T2處理齊穗—成熟期群體生長速率顯著高于FM處理（P＜0.05），高于T1處理。T1處理齊穗—成熟期群體生長速率也高于FM處理。T2和FM處理收獲指數(shù)差異不顯著（P＞0.05）（表6）。

表6 不同栽培模式對“早秈晚粳”雙季晚稻干物質積累、群體生長速率和收獲指數(shù)的影響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 不同栽培模式對“早秈晚粳”雙季稻品種光能利用效率的影響

T2處理的早、晚稻季輻射利用率分別為1.05和1.25 g·MJ-1，顯著高于FM處理（P＜0.05），高于T1處理。早稻季，T1處理的輻射利用率為0.93 g·MJ-1，顯著高于 FM 處理（P＜0.05），晚稻季的輻射利用率為1.01 g·MJ-1，與FM處理相比差異不顯著（圖3）。

2.5 不同栽培模式對“早秈晚粳”雙季稻品種氮肥利用效率的影響

T2處理早、晚稻的氮肥農學利用率（AEN）分別為28.8、14.7 kg·kg-1，早稻季顯著高于T1和FM處理（P＜0.05），晚稻季高于T1和FM處理；T2處理早、晚稻的氮肥偏生產力（PFPN）分別為 55.7、35.2 kg·kg-1，早季顯著高于FM處理，晚稻季則顯著低于FM處理（圖 4）。

早稻季，T1處理的AEN、PFPN分別為22.2和49.1 kg·kg-1，顯著高于FM處理（P＜0.05）；晚稻季，T1處理AEN為11.9 kg·kg-1，與FM處理相比差異不顯著，PFPN為35.2 kg·kg-1，顯著低于 FM 處理（P＜0.05）。

3 討論

3.1 優(yōu)化栽培模式對“早秈晚粳”雙季稻產量形成的影響

再高產高效模式（T2）周年平均產量為15.1 t·hm-2，與農民模式（FM）相比，兩季產量分別增產13.3%和24.9%，實現(xiàn)了預期增產目標。T2模式實現(xiàn)產量提高的主要措施為增加基本苗、壟廂栽培、優(yōu)化施氮量（早季減氮、晚季增氮）、氮肥后移、增施有機肥和鋅肥，上述措施顯著增加了早秈稻群體穎花數(shù)和增加了晚粳稻群體穎花數(shù)，主要表現(xiàn)在公頃穗數(shù)顯著提高，這與前人研究的結果相似，即通過增加密度提高產量[25-26]，但T2模式早秈稻的結實率和千粒重表現(xiàn)出明顯下降的趨勢，晚粳稻的結實率或千粒重表現(xiàn)出下降的趨勢，這可能與水稻群體干物質積累動態(tài)有關。籽粒產量是由兩部分物質構成的，一部分是抽穗前營養(yǎng)器官的同化產物向穗部轉化[27-28]，另一部分是抽穗后的光合產物直接向穗部輸送[29]。T2處理早秈稻齊穗前干物質積累量顯著高于 FM 處理，而齊穗至成熟期群體干物質積累與FM處理相比差異不顯著（表5）。另一方面，早季灌漿結實期間易受晴熱高溫天氣的影響，如2017—2018年＞35℃的高溫天數(shù)都為7 d，不利于籽粒充實灌漿。晚粳稻2年齊穗前干物質積累變化不一，2018年的干物質積累大于 2017年，這可能與T2處理持續(xù)配施生物有機肥有關，一方面配施生物有機肥有利于土壤微生物群落的改善，另一方面，通過增加土壤有機質增強土壤保肥供肥能力。T2處理的群體穎花數(shù)沒有表現(xiàn)出優(yōu)勢，雖然齊穗至成熟期干物積累量顯著高于FM處理（表6），但隨著籽粒灌漿進程的推進，灌漿結實后期的低溫不利于光合產物的轉運分配，可能導致生殖生長冗余，進而導致籽粒灌漿不充分，引起結實率和/或千粒重下降。

高產高效模式（T1）的周年平均產量為13.4 t·hm-2。早秈稻T1模式較FM處理改變的措施有氮肥減量和后移、增加基本苗與增施鋅肥，其產量與FM處理基本持平。雖然有研究指出增加氮肥施用，特別是氮肥的基肥比例，能彌補由早稻生育前期低溫造成的產量損失[30]，但早稻的大田生育期較短，干物質快增期也明顯短于晚稻[31]，因此增施氮肥對早秈稻干物質積累和產量的促進效應可能較小。另一方面，早秈稻前期較低的干物質積累速率可通過增加基本苗數(shù)或種植密度進行補償，前人研究表明增密減氮能彌補氮肥減量對水稻產量的影響[21]，在減氮25%的條件下配合糞肥施用可維持雙季稻產量，同時顯著增加氮肥利用效率[19]。晚粳稻的產量比FM處理提高了9.5%，基于秈粳雜交稻的需肥特性，本研究采取氮肥增量和后移以利于此類品種產量潛力的發(fā)揮，但需要考慮的是，由于秈梗雜交稻的生育期較長，在生長季節(jié)相對緊張的雙季稻種植模式，低溫可能會影響秈粳雜交稻的灌漿結實過程。

本研究也發(fā)現(xiàn)，早稻季產量存在處理與年際間的交互作用（表3），2年的不同處理間產量變化規(guī)律一致，可能是由于早稻季溫度差異導致，2017年和2018年移栽至齊穗期的日平均溫度分別為22.8℃、23.9℃，齊穗至成熟期的日平均溫度分別為 26.8℃和28.6℃，2017—2018年的移栽至齊穗期和齊穗至成熟期日平均溫度分別相差1.1℃和1.8℃，影響了早稻生長發(fā)育和產量。

3.2 優(yōu)化栽培模式對“早秈晚粳”雙季稻光能和氮肥利用率的影響

T2模式下早秈季和晚粳季的光能利用率分別為1.05 g·MJ-1和 1.23 g·MJ-1，與 FM 處理相比，兩季光能利用率分別提高了 31.7%和 63.4%，氮肥農學利用率分別為 23.1 kg·kg-1和 14.7 kg·kg-1，兩季氮肥農學利用率分別提高了61.6%和31.9%，實現(xiàn)了增產前提下提高資源利用效率的目標。ZHANG等[24]計算水稻成熟期干物質積累和全生育期群體光能截獲量的比值，發(fā)現(xiàn)平均光能利用率為1.38 g·MJ-1，KATSURA等[32]估計不同地點間的水稻品種光能利用率，發(fā)現(xiàn)平均光能利用率為1.47 g·MJ-1，前人的研究結果均高于本研究的結果。一方面，可能與本文計算光能利用率時，采用太陽輻射總量而非群體光能截獲量有關。另一方面，前人研究的水稻品種主要以中稻為主，其生育期長，溫光資源條件也要優(yōu)于雙季稻，有利于提高水稻群體的光能利用率。

T2模式利用氮肥后移和有機配施有效地提高了氮肥農學利用率。向璐等[19]研究指出，在75%氮肥施用（與常規(guī)用氮比）的條件下，化肥配合糞肥施用不僅能夠減少化肥氮的施用量，還可維持雙季稻產量和肥料氮素的農學利用效率，可能的原因是氮肥配施糞肥處理下糞肥的施用能夠維持比較穩(wěn)定的氮素供應水平，提高土壤氮素對水稻生長的供應能力[33-34]，特別是秈粳雜交稻品種的氮肥需求量較大，應加強全生育期的氮素有效供應。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產量與品質，提高氮肥利用率。此外，采用密植措施，也將促進氮肥利用率的提高[35]，本研究中，T2模式采用增加每穴苗數(shù)和密度增加基本苗，氮肥農學利用率也隨之增加。

3.3 產量與資源利用率協(xié)同提高的途徑

以農業(yè)農村部主推技術為例，水稻“三定”技術根據(jù)目標水稻產量、群體生理指標和栽培技術規(guī)范，來實現(xiàn)單位面積有效穗數(shù)和每穗穎花數(shù)的協(xié)同提高，進而提高產量[36]。單本密植大苗機插栽培技術，即通過大苗機插、增密減氮、干濕灌溉等措施充分發(fā)揮雜交稻分蘗大穗的增產優(yōu)勢，進而提高產量[37]。這些栽培技術都是通過多個栽培措施的優(yōu)化或突破，實現(xiàn)水、氣、肥資源協(xié)同作用，改善水稻群體的生長發(fā)育，進而獲得高產高效。本研究以增密、實地氮肥管理的定氮方法和氮肥后移為主，集成了“定苗定氮”高產與氮肥高效栽培模式（T1模式），即早、晚季T1模式的移栽密度在農民模式的基礎上提高20%以上（如早季株行距20 cm×20 cm→16.7 cm×20 cm），培育多苗和帶蘗大苗提高每穴苗數(shù)，機械化作業(yè)條件下可采用水稻機插育秧技術或雜交水稻單本密植機插栽培方法[38]實現(xiàn)多苗和帶蘗大苗移栽；早、晚季T1模式的施氮量在農民模式的基礎上減少 20%和增加 25%以上，施用穗肥（占施肥總量的 20%），同時施用鋅肥。

在T1模式“定苗定氮”的基礎上，以壟廂增氧栽培[39]、其他措施如增施有機肥、葉面肥等增強灌漿活性為主集成了再高產高效栽培模式（T2模式），實現(xiàn)產量與資源利用效率協(xié)同提高的目的。即早季T2模式的移栽密度進一步提高 5%以上，晚季維持不變；晚季肥料用量在T1模式的基礎上增加15%左右，早季維持不變，穗肥占總施肥量比例的 30%；通過壟廂（壟廂寬70 cm為宜[14]）、有機肥配施和葉面肥的綜合措施延緩齊穗期后水稻根系活力下降和葉片衰老，延長葉片光合時間，進而提高光氮利用效率和產量。

本研究結果表明，再高產高效栽培模式是進一步提升水稻光氮利用效率，實現(xiàn)水稻超高產栽培的有效途徑。根據(jù)再高產高效栽培模式的特點和前人的研究結論，本文提出一條未來雙季稻高產高效栽培技術可能的技術途徑，為“兩定”即增密定氮、氮肥后移；“三增”即壟廂栽培（增氧栽培[39]）、種子處理（增強種子活力[40]，即采用比重≥1.2的比重分選+色選（前、后反光板參數(shù)根據(jù)水稻品種調試好，打黑參數(shù)240））和后期化學調控（增強灌漿活性）。然而，和傳統(tǒng)水稻栽培模式相比，本模式的施肥量和施肥次數(shù)較多，生產成本和勞動效率還有待進一步提升。在當前水稻全程機械化、輕簡化生產的發(fā)展背景下，再高產高效栽培模式的未來研究方向和發(fā)展趨勢可能有以下幾個方面：（1）研發(fā)高濃度復混有機新型肥料，從而減少施肥次數(shù)和總施肥量；（2）研發(fā)起壟-施肥-栽插一體化作業(yè)機械，加速農機農藝融合。

4 結論

再高產高效模式（T2）與農民模式相比，早晚季產量分別增產 13.3%和 24.9%，光能利用率分別提高了31.7%和63.4%，氮肥農學利用率分別提高了61.6%和 31.9%，實現(xiàn)了產量與資源利用效率協(xié)同提高。但需要指出的是，雖然秈粳雜交稻在產量、生態(tài)適應性方面具有優(yōu)勢，但其施氮量較高，仍需進一步開展需肥特征及其減氮措施的研究。