我国稻作技术转型与发展

朱德峰 张玉屏 陈惠哲 向镜 张义凯 王亚梁

（中国水稻研究所/水稻生物学国家重点实验室，杭州311400）

近几十年来，由于水稻生产技术进步和国家政策支持，我国水稻生产取得很大发展。1949年以来，我国水稻面积增长了17%，单产增长了268%，总产增长了330%，而同期我国人口增长了1.58倍，水稻的增产为保障国家粮食安全以及稻农增收做出了重要贡献。

在社会经济发展的同时，水稻生产条件和情况发生了重大变化，农村劳动力转移，劳动力、农资、地租等生产成本上升，国际国内经济环境、粮食生产与流通也都发生了变化。水稻生产受到了资源、自然灾害、生产成本、稻米价格等因素的制约，消费者对优质安全稻米的需求增加，迫切要求水稻生产方式及技术作出相应的转变。

1 水稻产业转型发展

近年来，我国水稻生产面临新情况、新问题和新挑战[1-2]。经济社会发展导致南方水稻面积大幅下降，同时得益于全球气候变暖、技术进步及装备提升，东北水稻面积大幅增加，但是北方稻区水稻生产受到水资源的制约。社会的发展要求水稻生产绿色高效、减肥减药，这使得长期来以大肥、大水及依靠使用大量农药追求高产的水稻生产模式需要改变。由于人民生活水平的不断上升，消费者对安全优质稻米产品要求提高，稻米优质优价的市场机制也正在逐步形成。

目前，农村劳动力向其他产业转移，从事水稻生产的劳动力短缺、劳动力结构发生改变、劳动力成本提高。水稻生产要求机械化换人、自动化减人。水稻生产耕作、种植和收获的三大环节中，耕作和收获基本实现机械化作业，但是种植的机械化程度还较低，装备和技术尚存在较多问题，耕作和收获作业与种植机械化作业不配套与现代农艺要求相差甚远。我国南方籼米的FOB价格分别比东南亚主要产稻国越南大米（10%碎米）及泰国大米（25%碎米）的FOB价格高53.3%和46.8%，导致东南亚稻米进口数量大幅增长，挤压了我国水稻生产空间。近年来稻谷最低保护价持续下调，水稻生产受稻谷价格的影响较大。因人工、机械化作业、种子、化肥和农药等成本提高较快，水稻生产成本迅速提高，2014年水稻生产总成本较2004年提高1.7倍左右。稻谷价格制约及成本提高，导致水稻生产效益下降，也严重影响种植粮食的积极性。长期以来稻农只注重生产，导致产销对接不畅，产加销一体化产业链没有很好形成。

2 稻作技术创新与进步

20世纪50年代以来，我国水稻产量持续提高，水稻品种改良及栽培技术的创新为水稻产量提高发挥了重要作用[1-2，4]。20世纪50年代末矮秆水稻品种大范围推广，与传统高秆品种比较，矮秆水稻品种株高变矮、耐肥抗倒性提高。在研究矮秆品种生长特性的基础上，研发了提高矮秆品种种植密度、增施化肥使用的配套栽培技术。水稻收获指数从高秆品种的0.35提高到0.50左右，通过增穗增产大幅提高了水稻产量。矮秆水稻品种由于生育期较短，适宜于双季稻等多熟制。早稻塑料薄膜覆盖增温育秧等配套技术应用，提高了我国双季稻种植面积的比例。20世纪70年代末，我国成功选育和应用杂交稻，与矮秆常规稻品种相比，杂交稻生长和产量形成特性具有分蘖力强、根系发达、叶面积大、生物量高及大穗等优势，杂交稻生物产量高为提高产量奠定基础。相继研发的杂交稻二段育秧、稀播育壮秧、稀植促大穗、肥水促控构建高产群体等栽培技术，大幅提高了杂交稻群体生长量和产量。20世纪90年代后期以来，选育了一批生长量大、穗大粒多、产量潜力大的超级稻品种，并研究明确了超级稻的中后期营养吸收量、物质生长量大等生长和产量形成特性，研发了以高产群体指标为导向，通气灌溉、定量施肥、氮肥后移、构建理想群体等高产栽培技术，发挥了超级稻品种的高产潜力，实现了水稻品种产量的进一步提高。近年高产示范表明，高产栽培技术对水稻产量提高有重要作用，水稻百亩高产技术示范的平均产量较水稻品种区试产量提高13.5%～68.5%，平均提高36.0%（表1）。水稻良种良法配套作为我国水稻产量提高的重要经验和法宝在水稻产量增长中发挥重要作用。

近年来，我国社会经济的发展要求水稻栽培技术适应生产方式的转变。水稻种植方式逐步从手插秧，发展到旱育稀植、抛秧、直播、再生稻以及机插秧。水稻生产主要环节从手工、畜力作业为主逐步实现机械化作业，减轻了劳动强度，增加了劳动效益。近年，水稻种植机械化中的机插秧和机直播取得创新性技术及应用成效。针对水稻生产肥水用量大的问题，在研究水稻需肥需水生理特性及其与生长和产量关系的基础上，提出平衡施肥、测土配方施肥、氮肥深施，以及利用信息技术监测水稻生长为依据的施肥技术。围绕节水灌溉及高产形成，提出了水稻旱育稀植、覆膜旱作、好气灌溉、浅湿干灌溉等技术，在提高水稻产量的同时，提高了水资源利用效率。围绕全球气候变化影响及水稻生产灾害多发频发的问题，研发了水稻抗旱、高低温、洪涝等灾害的预警和抗灾减灾技术。

3 水稻优质高产栽培

我国正实施农业供给侧结构性改革，水稻生产目标正从高产向优质转型，但高产高效仍将是水稻生产主要目标，当前我国水稻生产需要在优质绿色前提下实现高产高效。制约我国水稻高产的因素包括品种潜力、土壤资源、气候条件、栽培措施等。其中，籼粳杂交稻品种选育及分子设计育种等技术突破，使我国水稻的单产潜力不断提高，有些省份的百亩示范已突破15 000 kg/hm2，但全国水稻平均单产2018年仍只有7 027 kg/hm2，主要原因还在于稻田土壤地力水平低，中低产田占总耕地面积的67.5%，其中盐碱型低产田占中低产田近4.3%，中低产田的大量存在影响了稻作技术水平及水稻产量潜力发挥。因此，针对不同类型中低产田，研发秸秆深翻还田、有机肥增施、测土配方施肥等土壤改良技术[5]，以解决土壤因素对水稻生产的限制。另外，根据高产水稻品种特性，研发钵苗移栽、促分蘖快生早发、提高成穗度、群体优化调控等技术，发挥水稻高产潜力。

表1水稻品种区试产量与高产栽培产量比较

水稻高产稳产永远是水稻生产的主题。随着社会经济的迅速发展，人们的生活水平和饮食结构发生了改变，国内对稻米的需求正由“量”向“质”转变。市场上出售的水稻品种琳琅满目，各地优质稻米品种选择要根据品种和当地的生态环境、种植制度、栽培方式的适应性以及市场需求确定。实践证明，优质稻米生产需要完整的从产前的耕作制度安排、稻田土壤培肥、优良品种选择到产中产后的耕、种、密、水、肥、药等促控技术措施，确保秧苗健壮、分蘖快发、穗粒协调的优质高产群体，才能发挥品种的品质和产量潜力，实现优质、高产和高效。肥料尤其是穗肥的施用是促进水稻品质提升的重要一环，在保证水稻产量的前提下，穗肥中的氮肥尽量少施，以确保穗分化期吸收适量的氮，稻米蛋白质含量适宜。在绿色高效技术的倡导下，北方可通过生物可降解膜覆盖种植有机稻，不仅可以节约水稻生产用水，提高土壤温度，促进水稻早生快发，重要的是覆膜除草效果显著，减少了除草剂的使用及人工除草的成本，可为生产绿色优质产品及实现“双减”提供切实的技术措施。优质稻米产业化需要品牌带动，人们评价大米好坏主要看口感。所以优质大米生产需要根据当地水稻的实际情况，不断提升技术的合理性和科学性，一方面通过品种、技术、设备融合，不断提升内在品质，另一方面通过注册大米品牌商标、申请地理标志产品保护、加强企业自身宣传、政府推荐、产销对接等多措并举，强化品牌创建。积极培育专业合作社、家庭农场、农业科技示范园等新型经营主体，推进水稻生产由分散种植向规模化经营转变，促进优质大米的生产发展。

4 水稻肥水高效利用栽培

在我国各作物的生产过程中，水稻的用水量最大。约有70%的农业用水应用于水稻的灌溉[6]。随着全球气候变化、环境污染的加重，灌溉水资源愈来愈匮乏，节水抗旱品种的选育在水稻肥水高效利用栽培中显得尤为重要。当前，节水抗旱稻品种主要有沪优2号、沪旱61、旱优73、旱优3号等。为了追求水稻产量的提高，化肥特别是氮肥施用量也在不断增加。氮素在水稻产量提升中发挥重要作用，氮肥施用总量占全球氮肥总用量的30%，我国成为世界第一氮肥消费大国[7]。然而，水稻氮素利用率却呈现出下降的趋势，比世界平均氮素利用率约低15%～20%[8]。根系是水稻吸收养分和水分的主要器官，其形态和生理特征与地上部的构建密切相关。根系分布特征调控叶片角度的大小，根系分布深并且纵向分布不多的根系，群体的叶面积指数大，有利于群体的通风透光，从而提高花后光合作用增加产量。高产水稻一般都具有比较发达的根系，同时深层根和外围根所占比例大。而且，水稻深层根系对地上部的生长有一定的影响，0～5 cm土层的上层根的贡献率为65%，5～20 cm土层的下层根的贡献率为35%。

为了提高稻田氮肥利用效率，减少施用量，已经开展了众多研究，主要包括施氮量、施氮时期、有机肥和无机肥的混合配施、平衡施肥技术，新型肥料和脲酶抑制剂、生物抑制剂的应用，稻田测土配方施肥技术，实时实地氮肥管理模式及计算机决策肥料系统等。已有研究证明，氮肥深施是提高稻田氮肥利用效率的最有效途径[9]。我国与韩国、日本等多家公司合作引进了一批带深施肥装置的直播机和插秧机，通过“插秧或直播、开沟、深施肥”联合作业，实现了水稻的机械化高效种植，解决了劳动力不足问题，节约了氮肥用量，并提高了氮素利用效率。

目前水稻生产过程中水资源浪费严重，如何提高水资源利用效率，是我国稻作发展的重要课题。水稻节水栽培需要根据不同稻区水资源分布及降雨特点，研发和发展相应灌溉模式，如水资源丰富的南方稻区，采用“好气增氧灌溉”“浅湿干灌溉”等节水技术，结合生育期降雨预报，实现定量化控水高产栽培[10]；灌溉条件差、成本高等丘陵山区，研发“覆膜节水栽培”等技术；季节性水资源分布不均的稻区，可发展“蓄水控灌”等技术[11]，提高稻田雨后蓄水深度和雨水资源利用效率。

5 水稻生产机械化与信息化

全程机械化作业是我国现代稻作技术的发展方向，机械化有利于降低成本，提高稻作效益[1]。我国水稻生产环节耕作和收获基本实现了机械化作业，但种植机械化程度仍较低，仅在45%左右，其中种植机械化的难点在杂交稻和双季稻，针对杂交稻制种产量低、种子生产成本高等问题，重点需要研发杂交稻精量稀播种机插、机械化穴直播等技术及装备，以降低杂交稻机械化生产的用种量，同时，研发杂交机械制种技术，降低杂交稻种子生产成本。而双季稻机械化生产的限制是长江中下游稻区两季水稻茬口紧张，机械化生产只能采用生育期短的水稻品种，需加强生育期适宜机械化生产的双季稻品种选育，及研发大苗移栽技术装备、控高长秧龄的晚稻机插育秧技术等[12]。另外，创新叠盘出苗育秧模式，解决育秧出苗难题，研发钵苗机插高产栽培技术，探索稻田少免耕机插技术等，及发展机械侧深施肥、覆膜机插等一体化作业技术及装备，通过农机农艺结合，促进水稻机械化生产技术发展。

水稻信息化技术是依托现代信息技术及装备，对水稻生产关键环节数据采集和利用，加强现代信息技术在水稻产业中的应用研究已成为可能[13]。目前我国水稻智能化育秧技术应用已较为成熟，如育秧出苗室或温室控制系统等开发，已能够完成对室内温度、湿度数据进行采集与存储，依照水稻秧苗的生长环境和生长需求，完成室内各项参数指标的准确控制，最终实现智能温室控制与信息化的完美融合。另外，围绕水稻高低温逆境研究，收集整合气象数据，结合高低温灾害防控关键技术研发，建立和完善水稻高低温灾害预警防控平台；下一步，开展水稻生长量监测、营养状况、环境监测、水分监测等研究，收集整合稻田土壤及水稻生长相关数据，建立稻田肥水管理信息化系统，利用智能农业机械装备，实现精确施肥及后期营养诊断，是水稻绿色高效精准生产目标。

6 水稻气候变化影响与灾害防控

全球正经历着显著的气候变化，最近100年以来全球平均地表温度上升了0.74℃。气候变暖造成了海平面上升、降水带变化以及极端气候事件频发等问题。农业生产中的各环节对自然条件尤其是气候条件（包括温度、降水、风速和大气CO2浓度等）和土壤条件（土壤水分及养分状况）具有很强的依赖性。因此，气候变化势必对农业产生重大影响，特别是水稻生产与气候要素关系密切，稻作系统的控温、控洪等功能都与气候因子有着密切关系。因此，气候变化必然会对稻田生态服务功能产生影响[14]。受气候变化的影响，东北地区水稻生育期延长，种植界限北移[15]。熊伟等[16]研究结果显示，水稻产量变化对辐射变化最为敏感，其次为日较差，辐射降低导致我国水稻生产的脆弱面积变大。近年来，气候变暖所引起热量资源增加，使我国的种植制度出现了一些变化。双季稻的安全种植北界发生了明显北移，长江中下游地区水稻生长季内农业气象灾害频繁发生，如干旱、低温冷害、连阴雨、高温热害等，对水稻造成严重影响。

马欣等[17]研究表明，自1951年有观测记录以来，南方地区频繁爆发季节性干旱，特别是西南地区气候暖干化趋势明显，季节性干旱频繁和强度呈规律性上升，干旱造成的农业损失约占历年西南地区全部农业灾害总损失量的50%～70%，水资源紧缺已成为水稻生产的制约因素，应采取抗旱保苗壮秧技术、定量灌溉抗旱减灾技术、水肥耦合抗旱减灾技术等高产高效种植模式；我国水稻生长季节雨热同步，水稻主产区长江中下游地区雨水多，且大多集中在6—7月。这正是早稻开花成熟期、中稻分蘖穗分化期、晚稻秧田期，洪涝灾害会对多季水稻造成严重影响。淹涝发生后，大多数水稻品种的茎秆会伸长，通过茎秆伸长使植株上部露出水面，从而进行有氧新陈代谢和光合作用。因此洪涝发生前，通过合理的农艺措施，如合理的群体结构、适宜的氮肥管理措施等，使水稻苗具有良好的形态建成和较高的活力，可以增强水稻苗期的耐淹能力。研究发现，洪涝发生前喷施多效唑可以有效促进植株水下伸长，延缓叶绿素降解，减缓非结构性碳水化合物消耗，从而为淹涝解除后生长快速恢复提供有利条件[18]。

随着全球气候变暖，全国大部分地区极端高低温事件发生频率呈升高趋势，导致水稻生长季内温度变幅加大，严重影响了水稻的安全生产。由于农业结构调整，南方双季稻面积下降，单季稻面积提高，但单季稻抽穗开花时期与一年中最高温气温相遇，造成结实率大幅下降，引起水稻减产；早稻直播面积扩大与“倒春寒”相逢，连作晚稻抽穗开花易遇“寒露风”。针对高低温的发生，采取的缓解技术主要为选用高低温耐性好的品种、选择适宜的播栽期、调节开花期、注重日常的田间管理，做到健身栽培、科学肥水，提高稻株对高温等不利环境的抗性。另外，建立灾害性天气预警报机制和水稻生育期监控系统，及时掌握和预报灾害性天气的发生和水稻生长发育进度，实现农业生产灾害和水稻生长发育进度提前预报，是减轻水稻发生低温冷害和高温热害的必要措施。

7 新型稻作制度的水稻栽培

水稻种植方式的发展与水稻生长环境、生态条件和社会经济发展水平密切相关，其主要种植方式有手插秧、直播、抛秧、机插秧和再生稻。随着我国社会经济的发展，土地流转的推进，水稻生产规模扩大，以手工插秧为主的传统水稻种植技术已经不能适应社会经济发展对稻作技术的要求，迫切需要水稻节本省工高效的种植方式。手插秧的面积不断下降，现仅约占水稻种植面积的35%，主要在人口密度较大、人均耕地面积和农户生产规模较小，及劳动力相对较充足的地区应用。水稻直播面积近些年来不断增大；水稻抛秧面积约占水稻面积20%左右。由于水稻直播和抛秧存在产量不高不稳定以及草害较严重还没有非常好的控制措施的实际，政府加强机插秧技术推广，使得水稻机插面积得到快速发展，占比超40%。

我国水稻种植生态环境多样、品种类型各异，种植制度多种。双季稻区主要分布在长江中下游稻区和华南稻区。长江以北江淮之间多实行稻麦两熟制，长江以南则多双季稻，实行“肥-稻-稻”“油-稻-稻”或“麦-稻-稻”等三熟制，是世界上集约化种植水平最高的地区之一；华南稻区种植制度是以双季籼稻为主的一年多熟制，实行与甘蔗、花生、薯类、豆类等作物当年或隔年的水旱轮作；西南稻区调整了水稻和冬作物布局，适当压麦、增油、增肥；东北稻区由于冬季温度低，夏季生长季节短，稻田常实行水稻常年连作的一年一熟制，冬季休闲，部分稻田实行隔年水旱轮作，即“稻/稻/绿肥”“稻/稻/豆类”“稻/稻/春小麦”，此种水旱轮作制度可改善土壤结构，提高肥力。再生稻是近年来发展势头很快的一项种植制度。再生稻在我国有着悠久的种植历史，可以追溯到1 700年前，郭义恭所著《广志》一书中就有“稻有茎下白，正月种，五月获，获讫，其茬根复生，九月复熟，此其两熟为一本两割”的记述。20世纪80年代后期，单季杂交稻蓄留再生稻悄悄兴起；90年代后期，在全国水稻播种面积大幅度减少的情况下，再生稻面积仍较稳定，如四川、湖南、湖北、浙江、安徽等省份还逐渐将双季稻改为中稻+再生稻栽培。近年来，随着新品种的应用、栽培技术的完善和再生稻生长发育等特性深入研究，以及劳动力成本的上升，再生稻栽培技术发展有了新的契机。近年，全国再生稻面积已达67万hm2左右。随着新品种的应用和栽培技术不断完善，再生稻产量显著提高。2014年福建再生稻全程机械化耕种获高产，单产达到298 kg/667 m2。稻田种养模式是在保证水稻正常生长条件下，利用稻田湿地环境开展水禽或者水产养殖，是提高稻田综合效益的有效途径。稻田种养模式在我国发展多年，如浙江金华稻鸭共养、青田等地的稻鱼共养、湖北潜江等地的稻虾共养等。研究发现，由于稻田种养在稻田生态系统中增加了生态位、延长了食物链，稻田种养模式有减缓稻田温室气体排放趋势，种养结合循环农业实现了稳产增效和绿色减排[19]。