水稻作为中国种植的主要粮食作物之一,在确保粮食安全方面具有非常重要的地位。中国是世界上最大的稻米生产国之一。稻米在口粮中的重要性决定了稻米生产对保障粮食安全的重要意义[1]。目前,人口增长、病虫害问题、劳动力转移及水资源不足等因素带来的水稻产量停滞,以及水稻生产中的生产效率和效益相对较低、肥料农药大量使用及水资源利用率低等问题制约着我国水稻生产系统的生产效率与可持续性发展[2]。水稻旱直播栽培是指在农田中直接播种,不需要在水稻生长期内进行育秧、移栽,只需在水稻需水的关键时期补充水分的一种栽培方式,具有省工、节水、易机械化种植等优点,因此,水稻旱直播栽培方式正逐步引起人们的关注[3]。本文拟通过系统介绍水稻旱直播在国内外的相关发展研究现状与问题,为我国水稻生产可持续发展及保障粮食安全提供理论参考与思路。
1 旱直播栽培水稻栽培方式及生长差异方面研究
以往的水稻灌溉理论是要进行充分灌溉,并没有精细化的灌溉管理,这样就造成了大量的棵间蒸发,加大了作物的蒸腾量。虽然水稻的灌水量较其他旱作作物多,但是水稻生理需水量并不多,故水稻生产的节水潜力巨大。水稻的生态环境适应力强,既适应湿地环境,也可在旱地种植,具有两栖性。
随着近些年水稻旱直播栽培技术的发展,研究人员对不同的水稻旱直播栽培方式进行了大量探索、改良与经验积累,目前主要有水稻旱直播旱生、旱直播水生及旱直播干湿交替生长等栽培方式,水稻旱直播旱生即是在水稻旱直播后在秧苗长到3~5叶后才开始进行田间灌水并进入到常规水分管理;旱播水长即水稻旱直播后立即进行田间灌水等待出苗,待齐苗后进入常规水分管理;旱播干湿交替生长即在水稻旱直播后待秧苗长到1叶1心时开始进行田间灌水,要求小水漫灌、浸润土壤,田间保持干湿交替,直到5叶之后才开始进入常规水分管理。不同的水分管理方式会对水稻后期生长有着不同的影响。
不同的生育时期水稻对水分的需求存在差异。刘宏岩[4]研究旱直播水稻在不同水分管理下的生理基础时发现,旱播水管理模式与移栽稻的产量没有明显差异,但是旱播旱管理方式的产量较低。旱播旱管理、水管理模式的水稻较移栽稻营养生长期分蘖早且多、叶面积指数小、植株矮,干物质积累较慢。蒋庆伟[5]研究发现,旱直播水稻栽培方式下,水分的生产效率随初始淹灌时间的推迟呈增加现象,水稻旱直播水管理的产量显著高于水稻旱直播旱管理,但相反的是水分及氮素的利用效率表现均为水稻旱直播旱管理更高。李旭毅等[6]研究得出直播稻苗期采取轻干湿交替灌溉处理后,强化水稻根系生长,增加了其成苗率,并促进分蘖发生,进而增加产量。王梦影[7]研究2个水稻品种直播下不同灌溉方式时发现,干旱灌溉处理显著降低了产量,其原因为每穗颖花数、结实率及千粒重的降低。邓环等[8]研究发现,在水稻株高的表现上,淹水灌溉、间歇灌溉大于半干旱栽培以及干旱栽培。王成瑷等[9]研究发现,不同生育阶段进行水分亏缺处理后,水稻精米率变化不明显,但水稻的整精米率和糙米率的变化明显,在灌浆期和乳熟期进行水分胁迫,整精米率降低显著。张自常[10]研究认为,干湿交替灌溉与淹水灌溉处理的稻谷胶稠度和直链淀粉含量没有显著差异,但前者较后者显著增加峰值黏度、崩解值,可改善稻米食味性。
2 旱直播栽培水稻生长性状研究
2.1 旱直播水稻根系生长及分蘖
2.2 旱直播水稻地上生长发育特性及衰老生理性状
2.3 旱直播水稻光合特性及光合产物的积累和转运
3 旱直播栽培水稻的产量及品质研究
3.1 旱直播水稻产量研究
近年来,随着农村人口转移造成的劳动力短缺、中国农业机械化的快速发展及区域灌溉用水不足和季节性匮乏的综合影响下,旱直播稻在提高水稻复种指数和稳定水稻种植面积以及产量等方面发挥着越来越重要的作用[29]。一部分研究显示,旱直播水稻虽起到节水的效果,但产量会较移栽稻低[30]。国外研究发现,旱直播水稻比传统的移栽水稻产量低,产量降幅在11％~20％[31]。但也有研究显示,在精细管理条件下,旱直播稻可以获得相当于移栽稻的产量[32]。在防控杂草的条件下,两者产量差异并不显著[33]。国际水稻研究所进行多年定点测试得出,早、晚雨季及旱季直播稻产量分别为3.8、3.0及5.1t/hm2,与对应期移栽稻的产量相当。从大规模生产来看,泰国直播稻是移栽水稻产量的2倍以上,产量为4.3t/hm2;澳大利亚的直播稻产量高达8.0t/hm2;美国的直播稻产量水平能达到5.0~8.8t/hm2;在日本,直播稻的平均产量可达9.6t/hm2[34,35]。
3.2 旱直播水稻品质研究
外观品质中,垩白是衡量稻米品质的重要性状之一。决定垩白最关键的因素是籽粒灌浆特性[36],灌浆速率过快会造成籽粒形成核状淀粉粒,垩白增加,此外,日平均气温和日间温差均与垩白形成呈显著正相关。戴红燕等[37]发现,不同的粳稻品种在不同栽培方式下垩白大小表现为旱种>淹水>垄畦,这是由于3种栽培方式的田间水分含量不同,旱种栽培田间水分不足,从而导致土壤温度、土壤空气组成及矿质元素分布等因素发生改变,结果造成淀粉供应不足且排列不紧密,垩白面积增大。孟德龙等[38]对比不同栽培方式下稻米外观品质,发现虽然水稻品种不一,但垩白率和垩白度在不同栽培方式下显示出了相同的规律,即手栽>机插>直播。赵广欣等[39]研究表明,免耕、起垄直播方式下垩白度无明显差异,但移栽极显著高于两种直播方式。朱大伟等[40]对比了南粳9108在不同种植方式下的外观品质时发现,垩白度大小表现为机插>手栽>直播,且手栽与机插差异不显著,但均大于直播。
4 旱直播栽培水稻水肥性状管理研究
陆春泉[46]提出“直播稻田应保持湿润,以确保幼苗出苗,其后在2叶和l心时期在田间建立水层,当达到幼苗数量时,再分多次脱水轻搁;到中期防止高峰苗生长过高;后期运用“活水灌溉和适时断水”的水分管理措施。在施肥管理问题上,直播稻肥料适合采用“前重、中控、后补”的施肥管理方法[47]。施肥措施受到强烈的区域限制,且旱直播水稻的生理特性不同于传统移栽水稻。张奇春等[48]认为传统移栽水稻的施肥技术,特别是在氮肥的应用中,不适合用于旱地水稻系统。旱直播水稻表现出前期生长慢、中期生长猛的生长特征,萌发到苗期的氮素吸收量低于传统移栽水稻,相反,在中后期,氮营养吸收相对较高[49]。氮素分化后,水稻氮素吸收占阶段氮吸收量的69.5%,较常规移栽水稻高17.8%。相比之下,水稻从种植到分蘖强盛期才是常规移栽水稻的氮素吸收和利用的主要时期,播种至分蘖期氮素吸收量占全生育期总氮吸收量约50％,传统移栽稻显著高于旱作稻。此外,在同一时期,旱稻的氮素吸收量仅为传统移栽稻的1/4。在整个生长期内,此阶段的总氮吸收量仅占氮摄取总量的15％~18％[50]。Katsura等[51]发现,传统移栽水稻的氮总吸收量低于旱作直播水稻。倪竹如等[52]提出的“一基三追”施氮方法更利于促进直播稻植株良好生长,形成多穗多粒,提高氮肥有效利用率。张祖建等[53]认为,过多施用氮肥会造成更多的无效分蘖,而适宜的氮肥管理措施可实现水稻群体发育平稳。
目前的水稻生产中,往往氮肥用量过多,稻田施氮量远超过我国农田的整体水平[59]。氮肥施用过量问题不仅会导致植株疯长、茎叶柔软,产量、品质降低[60],还会造成农业面源污染[61]。熊丽萍等[62]研究发现,增施硅后不仅土壤中残余的氮素和土壤速效磷含量减少,而且还可以增加水稻植株对磷素的积累。邹邦基[63]认为,水稻施用氮磷硅的最佳配比为N∶P∶Si=1∶（0.44~0.72）∶（1.92~2.45）。此外,由于受气候、水稻品种及土壤条件等因素的综合影响,氮硅的协同效应也会发生一定的变化,但是目前对于旱直播水稻氮硅配比及最佳施用量研究不足,故开展旱直播水稻氮硅配施交互作用的研究在今后提高氮利用效率、减少氮素施用,减轻面源污染方面意义重大。
5 旱直播栽培水稻存在的主要问题
不同地区自然条件和生产技术的不同导致旱直播水稻生产的效果不一,并且逐渐出现了一些问题。其中杂草问题和倒伏问题是威胁旱直播水稻产量的两大主要问题,通过品种选择解决这个问题是最简单有效的方法。具有较强的侧根分枝能力、较多的不定根和较深生根深度的品种更适合旱直播[64]。在干旱条件下实现高产应选择在营养生长期间具有高叶面积系数、高早发能力和封行较早的水稻品种[65]。移栽水稻可通过灌溉密封杂草,但旱直播由于田间干湿交替,较适宜杂草生长,所以很难抑制杂草生长,可研究选用多种除草剂配比以解决旱直播方式下的杂草问题。研究发现,如果杂草在水稻幼苗期密度偏高,杂草会与水稻争夺养分,减少水稻的地上生物量积累,造成水稻减产。如果通过分期统一喷洒除草剂,可以有效控制杂草生长并提高产量[66]。其次,在水分管理问题上。旱直播水稻的根系在土壤中较浅,水分管理不当,如水投入过多就会形成水稻倒伏现象;而合理灌水可以增强根系的固定,加强木质化,提高抗倒伏性[67]。行距差异影响水稻茎秆底部的3个伸长节间的外茎和干物质重,小行距会使植株密度增大,植株茎秆基部节间细长,降低抗倒伏能力,种植时加大行距利于茎秆增粗和基部节间干物质积累,提高水稻抗倒伏能力[68]。因此,水肥优化管理措施结合合理的种植行距,利于植株个体的生长健壮,提高水稻的抗倒伏能力。
在产量问题上,不能盲目扩种旱直播水稻,如果达不到精细化管理,产量很容易低于移栽稻。水稻旱直播栽培方法应依靠不断探索栽培技术和不断完善科学管理方法,提高水稻产量,从而加快旱直播水稻的推广与应用。
6 旱直播栽培水稻在我国的应用前景
旱直播水稻早期幼苗耐旱,适应逆境,其生存能力强于移栽稻。但是,在水稻生长的关键时期,还应该注意水肥的合理调控。旱直播稻更容易实施机械化生产,因为旱作稻田不需要灌溉,大型机械易于耕作,所以大型农场可以扩大种植面积。旱直播还能减少用水量,降低劳动成本,这也正好可以解决目前水稻种植下的水资源消耗大及劳动成本过高的问题。
我国人口众多,对稻米需求量大,而常规水稻种植与我国农业用水现状及劳动力转移带来的工作效率和成本问题矛盾突出,利用旱直播提高水稻生产效率和产量,协调水稻生产与资源、劳动力的关系,今后在我国水稻生产中将有着非常大的应用前景。
参考文献
Rice yield losses by competition with weeds in rainfed paddy fields in north-east Thailand
On-farm strategies for reducing water input in irrigated rice; case studies in the Philippines
Comparison of different methods of rice establishment and nitrogen management strategies for lowland rice
Yield potential and water use efficiency of aerobic rice (Oryza sativa L.) in Japan
Growth and yield of new rice for Africa (NERICAs) under different ecosystems and nutrient levels
Plastic film mulching cultivation:a new technology for resource saving water N fertilizer and reduced environmental pollution//Host W J. Plant Nutrition:Food Security and Sustainability of Agro-ecosystems
Grain filling characteristics of rice and their relationships to physiological activities of grains
Radiation use efficiency,N accumulation and biomass production of high-yielding rice in aerobic culture
Effect of silicon on the growth and phosphorus uptake of rice
Root morphology,hydraulic conductivity and plant water relations of high-yielding rice grown under aerobic conditions
Interaction of genotype management on vegetative growth and weed suppression of aerobic rice
More rice,less waterintegrated approaches for increasing water productivity in irrigated rice-based systems in Asia
