仇景涛 任晓佳 蒋天昊 顾雪怡, 张祖建,*
(1扬州大学 江苏省作物遗传生理国家重点实验室培育点/粮食作物现代产业技术协同创新中心, 江苏 扬州 225009;2常熟市人民政府虞山街道办事处,江苏 常熟 215501;*通信联系人,E-mail:zzj@yzu.edu.cn)
水稻机械化育苗移栽作为一种高效丰产稳产的现代化栽培模式,已经逐渐成为我国水稻生产的主要种植模式之一,特别是在水稻规模化生产中占有重要地位[1-2]。目前大面积成功应用的机插秧模式为盘育毯苗机插技术体系,于20世纪70年代在日本开发并成功应用,已经形成了成熟的作业及技术管理模式[3-5]。21世纪以来经过引进吸收与创新开发结合,不但研发出性能稳定、本土适用性强、价格适中的高效插秧机,同时在育苗、移栽以及大田管理等方面进行了一系列技术攻关,逐渐形成了适合我国水稻生产特征的技术体系[6-10]。
江苏省粮食生产以稻麦两熟为主要种植制度,维持了较高的土地生产力[11-12]。水稻和小麦的种植必须适期栽种,才能充分利用光热资源,获得稻麦周年高产[13-14]。江苏省机插水稻一般以在 6月 20日前移栽为宜,然而每年均有不少地块因为各种原因不能及时播栽[15-16]。这种晚播晚栽水稻甚至成为江苏省特别是苏南和苏中地区较为普遍的现象,但也表明晚播晚栽机插水稻在该地区具有存在的自身意义[17]。迟栽机插水稻带来的直接后果是产量的降低,很多播期试验以及生产实践证明了这一规律[18-23]。因此,在依然存在的晚播晚栽水稻栽培中,如何减少产量损失,提高种植效益就成为必须面对的问题。然而对晚播晚栽机插水稻的专项研究少有开展,对其群体生产特征及其高产形成的限制因素等方面的研究还很缺乏,对晚播机插水稻的高产优质调控也缺少较为适用的专项栽培技术。本研究以江苏省苏南地区晚播晚栽机插水稻为研究对象,设置密度和穗肥施用水平处理,解析晚播晚栽机插水稻的产量表现及其群体生产特征,寻求改善晚播晚栽机插水稻产量限制因子的栽培调控策略。结果将为相关地区稻麦两熟种植的周年高产稳产栽培模式的创新以及机插水稻的抗逆栽培提供必要的理论依据。
试验于2016-2017连续两年在江苏省常熟市尚湖镇罗墩村扬州大学常熟现代农业研究院试验基地实施(31°37' N, 120°39' E)。供试品种为镇稻 11。稻麦两熟种植,前茬为小麦,地力为当地一般水平。耕作层含有机质20.12 g/kg,速效氮82.43 mg/kg,速效磷25.01 mg/kg,速效钾54.21 mg/kg。图1给出了当地两年间水稻生长季的气温表现。
采用高速乘坐式插秧机(30 cm行距,6行,久保田公司)进行毯苗机插移栽操作。常规硬盘基质育秧,3叶1心期移栽。
1.1.1 播期处理
2016年设置常规播期和晚播两个处理,常规播期(NS):6月1日播种,6月16日机插移栽;晚播晚栽(LS):6月17日播种,7月2日机插移栽。2017年共设置三个播期,分别为正常播期(S1):6月 3日播种,6月18日机插移栽;偏迟播期(S2):6月10日播种,6月25日机插移栽;晚播晚栽(S3):6月17日播种,7月2日机插移栽。
图1 试验所在地水稻生长季的日平均气温Fig. 1. Daily average temperature of rice growing season in the experimental site.
1.1.2 密度和肥料处理
针对晚播晚栽机插水稻实施。通过株距和取秧量的调节设置密度处理,设置3个水平(记为LD、MD、HD),2016年度设置基本苗分别为90、120、150×104株/hm2,2017年度设置基本苗分别为95、143、200 ×104株/hm2。肥料处理为穗肥处理,以尿素施用。设置 4个水平,分别以 P0、P1、P2、P3表示,以纯氮计算,P0,不施穗肥;P1,60 kg hm-2;P2,120 kg/hm2;P3,180 kg/hm2。小区面积13.25m×12 m=159 m2,设置3次取样重复。按当地平均管理水平统一施用基肥和分蘖肥(施用尿素,折合纯氮200kg/hm2)。磷、钾肥以基肥一次施用,用量(以 P2O5和 K2O 计)分别为 48 kg/hm2和 120 kg/hm2。水分管理及病虫害防治同当地高产田。
表1 播期对机插水稻产量及其构成因素的影响Table 1. Effect of seeding date on yield and its components of mechanically transplanted rice.
1.2.1 群体茎蘖动态与叶片SPAD值
在各个小区内选取长势较为平均的两个观察点,每点标记1行中连续10穴,从移栽后7 d起定期调查茎蘖数。在各关键生育期另取4点普查茎蘖(穗)数。
从抽穗期开始,使用叶绿素仪(SPAD-502型,日本)每隔7 d测定一次剑叶的SPAD值,每次测定20张叶片,取平均值。
1.2.2 叶面积指数
在抽穗期和成熟期,各处理取代表性植株4株,数其全部绿色叶片数,并测量全部绿色叶片的叶长和叶宽(叶片最宽处的宽度)。以叶片长宽计算单株叶面积和群体叶面积。
1.2.3 地上部干物质量
在抽穗期、抽穗后20 d和成熟期,每处理取具有平均分蘖数的稻株4穴,洗净,去除根部,按茎鞘、叶、穗分开,在105℃下杀青30 min后,再在80℃恒温下烘干至恒重,称取各部位干物质量。
1.2.4 产量及其构成因素
每小区取3个重复的考种样本,每个样本5穴,脱粒,区分实粒和空秕粒(水漂法),并计测各产量构成因素。
用Microsoft Excel软件整理数据,用Sigmaplot 10.0绘图,用DPS 7.05进行统计分析,多重比较的显著性测验采用最小显著差数法(PLSD)进行。
茎蘖成穗率(%)=有效穗数/最高苗(茎蘖)数×100;
茎鞘物质输出率(%)=[抽穗期茎鞘干质量(A)-成熟期茎鞘干质量(B)]/A×100;
茎鞘物质转换率(%)= [(A-B) / (成熟期穗干质量-抽穗期穗干质量)]×100;
经济系数=产量/成熟期干物质量;
群体生长率[g/(m2·d)]=(W2-W1) / (t2-t1)。
式中,W1和W2为前后两次测定的单位面积干物质量,t1和t2为前后两次测定的时间。
不同播期对产量及其构成因素的影响如表 1。2016年,晚播晚栽处理LS比常规播期处理NS产量减少0.36 t/hm2,减产幅度为4.02%。晚播晚栽处理的单位面积穗数、每穗粒数明显减少,而结实率和千粒重未见大的变化。2017年,晚播晚栽S3处理比正常播期S1处理产量下降了0.48 t/hm2,减幅为4.70%。偏迟播期S2处理则处于中间水平,可见,适栽期后的播期推迟使机插水稻产量出现下降。与2016年相似,晚播晚栽引起单位面积穗数和每穗粒数下降。播期范围内的产量降幅不大,也表明在苏南地区晚稻晚栽机插稻的存在具备一定的合理性。
晚播晚栽条件下密度和穗肥处理对机插水稻产量的影响如表2所示。随着密度的增加,产量总体表现出上升趋势。在同一密度条件下,随着穗肥施氮量水平的提高,产量表现为先上升后下降的趋势。2016年,低、中密条件下中肥处理(P2)产量最高,而在高密(HD)条件下,最高产量出现在低肥处理(P1)。2017年,高密中氮处理(HD、P2)下的产量最高,为10.00 t/hm2,其次为高密低氮(HD、P1)和中密中氮(MD、P2),分别是 9.98 t/hm2和 9.73 t/hm2,低密不施穗肥处理(LD、P0)产量最低,仅为 7.44 t/hm2。两年数据均显示,密度增产效应明显,随密度增加肥料的增产效应降低。
分析各产量构成因素,随着密度的增加,穗数增加最为明显,而每穗粒数、结实率小幅下降。2016年在低密(LD)、中密(MD)条件下,随着穗肥施氮量水平的提高,单位面积穗数略有升高趋势。在高密(HD)条件下,单位面积穗数随着穗肥施氮量水平的提高呈先升再降的趋势,但下降趋势不明显。2017年,在同一密度条件下,随着穗肥施氮量的提高,单位面积穗数表现出先升后降的趋势,三个密度条件下均是中肥处理(P2)单位面积穗数最高。两年内同一密度条件下每穗粒数、结实率和千粒重随穗肥水平的提高均表现出先增再降的趋势。可见,晚播晚栽水稻表现较高产量的决定因素更多在于单位面积穗数的提高。
综上所述,在苏南地区,虽然晚播晚栽机插水稻的产量降低,但降幅不大。在晚播晚栽机插条件下,可以通过适当提高栽插密度,并结合穗肥的适当施用,减少穗数和每穗粒数的降幅,提升晚播晚栽机插稻的产量水平。
表2 密肥处理对晚播晚栽机插水稻产量及构成因素的影响Table 2. Effects of planting density and nitrogen level on yield and its components of mechanically transplanted rice in late seeding and late planting conditions.
2.2.1 茎蘖动态和茎蘖成穗率
茎蘖动态的变化是水稻群体建成特征的重要表现,图2显示了晚播晚栽对机插水稻移栽后群体茎蘖动态及成穗率的影响。随着播期的推迟,群体高峰苗出现的时间相对前移,这可能是由于晚播晚栽水稻前期温度较高,分蘖发生加快,加之因移栽推迟,分蘖生长期变短。另外,晚播晚栽水稻茎蘖数在高峰苗后下降趋势更快更明显,表明其无效分蘖较多,而正常播期机插稻后期茎蘖数的下降较为平缓。群体最终穗数表现为S1>S2>S3。从茎蘖成穗率可见(图2-B),晚播晚栽水稻群体茎蘖成穗率明显下降,这可能也是晚播晚栽机插水稻穗数下降的原因之一。
图2 晚播晚栽对机插水稻移栽后茎蘖动态的影响(2017)Fig. 2. Effect of late seeding and planting on the number of stems and tillers of mechanically transplanted rice(2017)
表3 密肥处理对晚播晚栽机插水稻茎蘖成穗率的影响(2017)Table 3. Effects of planting density and nitrogen level on productive tiller percentage of mechanically transplanted rice in late seeding and late planting conditions (2017). %
由表3可知,晚播晚栽条件下,移栽密度和穗肥处理影响水稻茎蘖成穗率,相同密度条件下,各穗肥处理的茎蘖成穗率均随着穗肥水平的提高表现出先上升后下降的趋势,于中肥水平(P2)表现最高。同一穗肥水平下,最高移栽密度处理可见茎蘖成穗率的明显下降,结合最终成穗的结果(表2),晚播晚栽机插稻高产群体的建立,可能需要更多地考虑在较高密度条件下,通过合理水平的穗肥施用,提高茎蘖成穗率,从而取得较高的生产效率和产量。
2.2.2 结实期群体叶片叶绿素含量的变化
图3为播期和穗肥处理对机插水稻剑叶叶绿素含量(SPAD值)的影响。播期越迟,花后剑叶SPAD值下降速度越快,显示晚播晚栽水稻后期叶片活性快速降低。结果也反映出晚播晚栽机插水稻抽穗期叶片功能期缩短,可能对结实后期物质生产带来不利影响。
穗肥施用显著延缓了各密度群体花后剑叶SPAD的下降,特别是在结实中后期。同一密度条件下,各肥料处理剑叶 SPAD 值表现为 P3>P2>P1>P0>CK,穗肥水平越高,SPAD值下降速度越慢。可见通过穗肥的施用,可以保持结实后期的叶片活力,显著推迟结实后期叶片的衰老。但在迟播水稻中还要兼顾适期成熟,过度的穗肥施用易导致贪青而使结实率降低。
2.2.3 叶面积指数
抽穗期叶面积指数与群体生产力关系十分密切,是反映群体生长状况的重要指标。表4为不同播期对水稻叶面积指数的影响,可见,随着播期的推迟,叶面积指数有稍许下降的趋势但不显著,但播期过迟会引起高效叶面积率降低。
由表5可见,随着密度的增加,总叶面积表现出上升趋势,且高效叶面积率也有所提高。在同一密度条件下,总叶面积随着穗肥施氮量水平的提高呈先升后降的趋势,均于中肥(P2)水平达到最高。在同一密度条件下,随着穗肥施氮量水平的提高,高效叶面积表现出先升后降的趋势,同样于中肥(P2)水平达到最高。可见适当的穗肥施用对扩大上三叶叶面积,提高群体光合生产能力有明显作用。相关分析表明,抽穗期和成熟期的水稻产量和叶面积指数极显著正相关(r分别为0.9261和0.9770),表明晚播晚栽机插水稻群体叶面积指数的增加有助于产量的提高,特别是成熟期保持较高的绿叶面积,是维持结实期较高物质生产能力,取得较高产量的重要保障。
图3 播期和穗肥处理对机插水稻剑叶SPAD值的影响(2017)Fig. 3. Effect of seeding and panicle-promoting fertilizer level on SPAD value of flag leaf of mechanically transplanted rice(2017).
表4 播期对抽穗期水稻叶面积指数的影响(2017)Table 4. Effects of seeding date on rice leaf area index at the heading stage(2017).
表5 密肥处理对抽穗期水稻叶面积指数的影响(2017)Table 5. Effects of planting density and nitrogen fertilizer level on rice leaf area index at the heading stage (2017).
2.3.1 地上部干物质积累与转运
播期对机插水稻地上部器官干物质积累与转运的影响如表6所示。分析两年数据,可见随着播期的推迟,抽穗期与抽穗后地上部干物质积累量均有所下降,晚播晚栽处理的降幅达到显著水平。茎鞘物质输出率和茎鞘物质转换率也随着播期的推迟呈下降趋势。从经济系数可以看出,晚播晚栽处理的经济系数明显小于适期播栽处理,2017年最晚播期 S3的经济系数更是显著下降。晚播晚栽机插稻不论是结实前期还是结实后期物质积累和运转均受到一定影响,这可能也是过度晚播导致产量下降的根本原因,提高其物质生产能力也是提高晚播晚栽机插水稻产量潜力的关键。
表7表明密肥处理对晚播晚栽机插水稻干物质积累与转运的影响。随着密度的提高,干物质积累表现出上升趋势,在高密处理(HD)下较大。在同一密度条件下,随着穗肥施氮量水平的提高,地上部干物质积累大致呈先升后降的趋势。结实各时期干物质量均在高密低氮(HD、P1)、高密中氮(HD、P2)水平下表现较高。表明过多穗肥施用不利于晚播晚栽机插稻结实期的物质积累。随着穗肥水平的提高,茎鞘物质输出率和转换率表现出先增后降的趋势,低密(LD)和中密(MD)条件下,茎鞘物质输出率和转换率的最大值出现在中肥水平(P2),在高密条件下,其最大值出现在低肥水平(P1),表明适宜的群体条件才能有利于结实期的物质积累和利用。另外,两年试验均显示高密低氮处理(HD、P1)和高密中氮处理(HD、P2)的经济系数最高,表明适当施用穗肥有利于提高经济系数但过高水平的穗肥施用又会导致经济系数的下降。
表6 播期对晚播机插水稻地上部干物质积累与转运的影响Table 6. Effects of seeding date on dry matter accumulation and translocation of above-ground part of mechanically transplanted rice in late seeding and late planting conditions.
表7 密肥处理对晚播机插水稻地上部器官干物质积累与转运的影响 (2017年)Table 7. Effects of planting density and nitrogen level on dry matter accumulation and translocation of above-ground part of mechanically transplanted rice in late seeding and late planting conditions.
2.3.2 茎鞘中非结构性碳水化合物(NSC)的积累与转运
水稻茎鞘中储藏的非结构性碳水化合物(NSC)对产量形成,特别是对水稻库的活性和缓冲逆境造成的同化物不足具有重要意义。表8显示两年内不同播期对机插水稻茎鞘中NSC积累与转运的影响,可见,随着播期的推迟,抽穗后不同时期茎鞘NSC浓度呈下降趋势,结实期的 NSC表观转运量也相应递减,表明推迟播期不利于茎鞘 NSC的积累和转运利用。
表9是密肥处理对机插水稻茎鞘中NSC积累与转运的影响,各密度处理对抽穗后茎鞘 NSC浓度的影响未见明显趋势,在同一密度条件下,随着穗肥施氮量水平的提高,NSC浓度在三个时期均表现出下降趋势,显示茎鞘 NSC含量受植株氮素状况的显著影响。NSC表观转运量在三个密度条件下均随着穗肥施氮量的提高表现出先升后降的趋势。低、中密度处理(LD、MD)的最大值在中肥水平(P2),高密度处理(HD)下则出现在低肥处理(P1),两年趋势一致,显示出一定的密肥互补特性。
对密肥处理中物质生产与产量的相关性分析显示,产量与全生育期物质生产积累量、抽穗期物质积累量、结实期物质积累量均呈显著和极显著相关(r值分别为0.9095**、0.9361**、0.7246**),晚播晚栽水稻抽穗期的物质积累量对产量的影响程度更大,表明晚播晚栽机插水稻更需要注重早发和前期积累,才有可能取得较高产量。
2.3.3 群体生长率
图4是播期和密肥处理对机插水稻结实期群体生长率的影响。随着播期的推迟(图 4-A),水稻结实期群体生长率表现出上升趋势,这可能是由于晚播晚栽使水稻生育期缩短,需要相对较高的日生长量才能保证水稻的正常成熟,从而体现出较高的生产效率。随着密度的增加(图4-B),结实期群体生长率总体表现出上升趋势,在同一密度条件下,随着穗肥施氮量水平的提高,总体呈现出先升后降的趋势,在高密低肥处理(HD、P1)、高密中肥处理(HD、P2)、中密中肥处理(MD、P2)下有较高的群体生长率,而高肥高密处理则表现下降趋势,可见适度偏大的群体更利于晚播晚栽机插水稻后期物质生产效率的提高。而结实期群体生长率与产量的高度相关(r=0.9098),也表明结实期相对高效的物质生产对产量形成不可或缺。
图4 播期和密度对机插水稻结实期群体生长率的影响(2017)Fig. 4. Effects of seeding date and planting density on crop growth rate of ripening stage of mechanically transplanted rice(2017).
水稻机械化移栽目前普遍采用的技术模式是毯状小苗机插,适期移栽是其建立高产群体和充分利用温光资源的重要条件[24]。稻麦两熟生产中晚播晚栽机插水稻往往是不得已而为之,有时也成为水稻抗灾生产的一种手段。本研究结果表明,晚播机插稻产量均出现一定程度的下降,晚播晚栽机插水稻在群体构建和产量形成中存在不可避免的劣势。许轲等的研究也显示[16,25],机插水稻产量随播期推迟显著下降,与研究结果趋势一致。然而,两年的试验均表明,晚播晚栽处理的产量降幅不大,均在5%以内,表明在苏南地区的晚播晚栽依然可以获得较高的产量,这与苏南地区晚秋具备较好的温光资源有很大关系。从图1可见,11月中旬该地区日平均温度依然在10℃以上,日间温度尚能够维持结实后期的籽粒生长。这可能也是多年来该地区晚播晚栽现象依然存在的根本原因。在稻麦两熟种植制度下,因为各种因素导致的不能按照适宜播栽期进行耕种的田块每年均有不少,如何提高这部分晚播晚栽田块的生产力,减少因生育期缩短引起的产量损失有其特殊的意义。特别是在规模化种植条件下,如何科学实施晚播晚栽并保证较高水平的产出,从而提高机插水稻的抗灾减损能力,是亟需面对的实际问题。
产量形成的物质基础是光合产物的积累和有效利用。晚播晚栽机插稻因为生育期的缩短,在抽穗前和抽穗后的物质积累量均出现一定程度的下降(表6),同时,晚播晚栽也会导致经济系数降低,不利于同化物质的有效利用。物质积累和利用的劣势可能是导致其产量降低的本质原因。特别是在结实期,物质生产能力直接关系到产量物质的积累,因此在晚播晚栽机插稻的群体发育过程如何构建高效生产群体,提高生产效率,减轻和克服物质生产的劣势,是取得高产高效生产的根本途径。事实上,如何通过前期的群体构建,获得较高的结实期物质生产能力,不仅仅是晚播晚栽机插稻的努力方向,与一般水稻高产和超高产创建的主攻目标也是一致的[26-27]。密度和穗肥试验结果表明,增加密度有利于晚播晚栽机插稻群体的物质积累,适宜的穗肥处理对提高结实期物质积累有显著作用,在较高密度下相对少施肥更有利于结实期的物质积累和利用,达到较高的经济系数,从而获得高产。对于晚播晚栽机插稻栽培,更需要重视密肥,重视中后期的高效物质积累,从而提高因生育期变短而下降的物质生产能力,减小与正常播栽期机插稻的产量差距。
合理的群体结构是水稻丰产高效生产的基本保障和必备条件[28-29],高效生产群体的构建同样是晚播晚栽机插稻提高物质生产能力、获得较高产量和效率的前提。本研究结果显示,晚播晚栽机插水稻茎蘖数在生育前期迅速增长,高峰苗反而会提前到来,但高峰苗后茎蘖数大幅回落,茎蘖成穗率较正常播期有明显下降。结合物质积累表现,晚播晚栽机插稻抽穗前的物质积累量有一定幅度下降,且抽穗期茎鞘可溶性碳水化合物的累积量明显降低,表明有效分蘖在抽穗期的物质积累有所不足,对结实期生长也会产生不利影响,这与许轲等的结果较为一致[25]。而晚播晚栽机插稻结实期相对较短,反而表现出较高的群体生长率,因此维持结实中后期的高效叶面积和植株活性,保证较高的物质积累量,成为其丰产稳产的必要保证。鉴于这一特点,如何构建一个有效抑制后期无效分蘖发生且物质生产效率较高的优质群体成为晚播晚栽水稻生产中应该重视的问题。
密度配置和肥料施用是作物栽培调控的最基本措施,也是高产优质群体建成的基本促控手段[30-32]。从晚播晚栽机插稻的产量分析可知,单位面积穗数和每穗粒数成为高产形成的限制因素。而密度对晚播晚栽机插水稻的有效穗数具有十分显著的调节作用,增加密度的增产效应甚至超过穗肥效应,可见合理的增密移栽对晚播晚栽机插稻具有重要作用。合理的穗肥施用也能有效地增加每穗粒数,而表现最高产量的处理正是高密度基本苗和中度穗肥水平的结合,表明通过密度和穗肥的合理配合,能够有效地提高晚播晚栽机插水稻的生产水平,特别是在苏南地区,晚播晚栽机插水稻在合理的栽培措施保障下也有可能取得相对较高的产量和效益。其中,通过增加密度适当提高群体起点,通过培育壮秧促进群体早发,可能是构建晚播晚栽机插稻优质群体,实现高效丰产栽培的关键因素。
鉴于以上认识,初步形成了苏南晚播晚栽机插水稻高产栽培的技术思路。通过相对较高的密度配置,获取较多的基本苗,提高秧苗素质争取前期早发,获得较多数量的有效分蘖,通过适当减施氮肥,适时控制中后期无效分蘖的发生,辅之以适宜的穗肥水平,增加每穗粒数,同时改善群体质量,获得较好的结实期生长条件,从而形成穗数和粒数协同提高,结实期物质积累量较高的晚播晚栽机插水稻高产群体。这一思路可以总结为“壮秧增密、减肥控苗”的晚播晚栽水稻丰产策略,在今后的研究和栽培实践中还需要进一步完善,形成有实际应用价值的晚播晚栽机插稻的丰产稳产高效生产技术模式。
苏南地区晚播晚栽机插稻群体高峰苗出现时间有所提前,成穗率显著降低,最终有效穗数与每穗粒数均明显减少,致使产量一定程度降低。晚播晚栽同样降低了水稻结实期的物质积累与转运,不利于产量形成,但提高栽培密度可有效增加单位面积有效穗以及群体干物质积累,从而显著提升产量。较高的栽插密度配合适宜的穗肥用量,可保障较高的茎蘖成穗率以及结实中后期的生产能力。晚播晚栽机插水稻可通过较高的栽植密度同时促进前期早发,合理降低中后期肥料用量以控制无效分蘖发生,进而提高结实期生产力,获取相对较优的产量及生产效率。