李澤華,馬 旭,李宏偉,郭林杰,劉朝東,傅榮富,楊明祥,梁振宇
(1 華南農(nóng)業(yè)大學 數(shù)學與信息學院,廣東 廣州 510642; 2 華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院,廣東 廣州 510642;3 江門市農(nóng)業(yè)科學研究所,廣東 江門 529060; 4 江門市農(nóng)業(yè)技術服務中心,廣東 江門 529000)
機械化是我國水稻生產(chǎn)方式發(fā)展的主要方向,種植機械化是我國水稻生產(chǎn)方式機械化發(fā)展的“瓶頸”[1]。制約水稻種植機械化發(fā)展的主要影響因素之一是雜交稻機械化種植技術[2],與人工手插相比,現(xiàn)有的雜交稻機械化種植方式存在減產(chǎn)現(xiàn)象[3-4]。我國雜交稻種植面積占全國水稻種植面積的50%以上[5]。因此,探索雜交稻機械化種植方式對徹底解決水稻機械化種植難題具有重要的理論意義和應用價值。
針對雜交稻機械化種植技術難題,現(xiàn)有研究已從品種改良、秧苗培育、大田移栽技術和高產(chǎn)形成規(guī)律等農(nóng)機農(nóng)藝方面做了大量探索[6-10]。研究認為雜交稻機械化種植問題的癥結主要表現(xiàn)為機械化種植(機插或直播)使得雜交稻大田用種量增加、生育期縮短,導致個體生長量變小,難以獲得足穗大穗[11-12]?,F(xiàn)有的解決思路有:1)培育適應機械化種植的品種,但至今未有顯著性突破;2)采用缽苗機插降低播種量、延長秧齡、減少植傷和提高群體優(yōu)勢,該技術有利于雜交稻取得高產(chǎn)[13-14],但目前缽苗專用插秧機及育秧設備價格較高,作業(yè)效率不及傳統(tǒng)插秧機,不宜大面積推廣應用[15];3)采用毯狀大苗機插,使用專用播種機械與帶膠水的印刷播種紙,定量定位精準播種,結合化控技術培育35 d左右秧齡的大壯苗,該技術機械移栽時傷苗較重,落谷密度稀,移栽大田漏穴率高,大田栽插效果不及缽苗[15]。鑒于上述方法的不足,我們秉著適度低播種量精密播種培育適齡壯秧,結合機械精準栽插提高單產(chǎn)的思路,對南方雙季稻區(qū)雜交稻機械化種植方式進行對比研究。降低播種量有利于培育壯秧,但播種量太低不利于機械栽插質(zhì)量的提升[16]。2014年廣東省江門市和肇慶市的試驗表明,對雜交稻而言,從栽插質(zhì)量和滿足栽插的農(nóng)藝要求角度看缽體毯狀苗和毯狀苗育秧的最佳播種量為每盤65~80 g 芽種[16]。然而,2014 年廣東省肇慶市早、晚季的2次試驗發(fā)現(xiàn)當播種量為每盤75 g芽種時,機械化種植的產(chǎn)量依然低于人工手插[17]。為此,我們對華南農(nóng)業(yè)大學研制的“水稻田間工廠化育秧精密播種機”進行了性能優(yōu)化[18],期望進一步提高播種均勻性、降低播種量,從提升育插秧技術角度解決雜交稻機械化種植問題。
本研究基于改良后的播種機械,進一步降低播種量,于2016年在廣東省肇慶市和江門市進行了毯狀苗機插、麻膜毯狀苗機插和缽苗人工手插的大田生產(chǎn)對比試驗,從產(chǎn)量構成及特征等方面探索雙季稻區(qū)低播種量下雜交稻不同機械化種植方式對水稻產(chǎn)量的影響及作用機理。研究結果對解決雜交稻機械化種植難題具有參考意義。
早稻供試品種為‘五優(yōu)308’,晚稻品種為‘泰豐優(yōu)55’,均為廣東省農(nóng)業(yè)科學院水稻研究所選育推廣的秈型三系雜交稻。試驗共2次,早稻在廣東省肇慶市鼎湖區(qū)國家水稻產(chǎn)業(yè)技術體系肇慶綜合試驗站種植,晚稻在廣東省江門市恩平試驗基地種植。肇慶試驗田的土壤質(zhì)地為黏性壤土,肥力中等,地勢平坦,早、晚季都種植水稻,土壤有機質(zhì)18.8 g·kg?1,堿解氮 122.0 mg·kg?1,有效磷 80.6 mg·kg?1,速效磷 207.8 mg·kg?1,pH 5.85。恩平試驗田的土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土,肥力中等,常年種植水稻,土壤有機質(zhì) 29.2 g·kg?1,全氮 0.86 g·kg?1,堿解氮 115.5 mg·kg?1,有效磷 28.9 mg·kg?1,速效磷 129.1 mg·kg?1,pH 4.76。
為了與實際生產(chǎn)條件一致,試驗采用大面積田間裂區(qū)對比試驗。大區(qū)對比試驗處理為毯狀苗機插、麻膜毯狀苗機插,對照為缽苗人工手插,每個處理3次重復。毯狀苗機插和麻膜毯狀苗機插的種植面積均為0.40 hm2,秧苗全部采用華南農(nóng)業(yè)大學研制的水稻田間工廠化育秧精密播種機進行田間播種培育;缽苗人工手插種植面積為0.2 hm2,缽苗以相同的播種量通過人工撒播在田間培育。
各處理施肥方法和施肥量與當?shù)爻R?guī)生產(chǎn)基本一致。肇慶早稻試驗中,秧田期于播種前施標普拉金龍稻牌復合肥(深圳標普拉國家貿(mào)易有限公司)150 kg·hm?2作為基肥;本田期于移栽前1天施碳酸氫銨 187.5 kg·hm?2和過磷酸鈣 187.5 kg·hm?2作為基肥;返青期施 112.5 kg·hm?2尿素,移栽后第 13 天追施復合肥 300 kg·hm?2、尿素 37.5 kg·hm?2、鉀肥 75 kg·hm?2作為分蘗肥;孕穗期追施鉀肥 75 kg·hm2和復合肥 150 kg·hm?2作為穗肥。恩平晚稻試驗中,采用彩虹牌水稻專業(yè)肥(廣東天禾中加化肥有限公司),氮磷鉀質(zhì)量比為 24∶7∶19,施肥量為 750 kg·hm?2,折合氮磷鉀的施用量為氮 180 kg·hm?2、磷 52.5 kg·hm?2、鉀 142.5 kg·hm?2,1 季施肥 4 次,基肥、返青肥、分蘗肥和穗肥的質(zhì)量比為4∶2∶3∶1。其余的田間管理均采用常規(guī)措施,不同種植方式間的病蟲害防治和水分管理等其他農(nóng)藝管理措施基本一致。
肇慶早稻于2016年4月1日播種,播種密度為每盤 65 g 芽種 (剛破胸露白);4 月 16 日 (秧齡 15 d)進行田間栽植試驗,采用井關PG6水稻高速插秧機栽插,每公頃栽插250 000穴,平均每穴2~3株苗;7月22日 (生育期112 d) 采用久保田 4LBZ-145(PRO 488)半喂入聯(lián)合收割機收獲。恩平晚稻于2016年7月14日播種,播種密度為每盤65 g芽種;7月29日(秧齡15 d)插秧,采用久保田2ZGQ-8B(NSD8)乘坐式高速插秧機栽插,每公頃栽插250 000穴,平均每穴2~3株苗;11月8日(生育期117 d)采用久保田4LZ-2.5(PRO688Q)全喂入履帶聯(lián)合收割機收獲。人工手插的栽插密度與機插基本一致。
1)每公頃基本苗數(shù):每公頃基本苗數(shù)=平均每穴苗數(shù)×每公頃總穴數(shù)。插秧時,每種種植方式隨機連續(xù)調(diào)查100穴,記錄每穴苗數(shù),同時測定單位面積的穴數(shù),3次重復取平均值,并用收獲時測定的單位面積穴數(shù)進行驗證。
2)產(chǎn)量及其構成因素:采用三點測產(chǎn)法測算理論產(chǎn)量。每個處理選取有代表性的3個點,機插每個點按插秧機的行走方向取1個3行×10穴的長方形區(qū)域(約30穴)進行取樣,計數(shù)總穴數(shù),同時測量長和寬2個方向的距離;人工手插每個點選取約1.1 m2,計數(shù)總穴數(shù)。取樣后,脫粒稱質(zhì)量,記錄質(zhì)量和有效苗數(shù),做好標記帶回實驗室。采用水選法區(qū)分空殼和實粒,測量實粒數(shù)、空殼數(shù)、千粒質(zhì)量和含水率。實際產(chǎn)量采用聯(lián)合收割機進行收割稱質(zhì)量,每種種植方式每次重復的測試面積約0.067 hm2。
3)考種:每種種植方式的每次重復選取有代表性的10穴,割取稻穗,每穗分開裝袋帶回實驗室考種??疾煊行霐?shù)、穗長、穗質(zhì)量、每穗粒數(shù)、一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)、結實率和千粒質(zhì)量等指標。根據(jù)試驗數(shù)據(jù),計算群體穎花量、庫容量、著粒密度和實際生產(chǎn)效率等指標。群體穎花量=有效穗數(shù)×每穗粒數(shù);庫容量/(t·hm?2)= 群體穎花量×千粒質(zhì)量÷10;著粒密度/(?!m?1)=每穗粒數(shù)/穗長;一、二次枝梗數(shù)比值=每穗一次枝梗數(shù)/每穗二次枝梗數(shù);實際生產(chǎn)效率=實際產(chǎn)量/最優(yōu)理論產(chǎn)量×100%;最優(yōu)理論產(chǎn)量經(jīng)多項式回歸估算得出。
采用 Microsoft Excel 2010 軟件錄入數(shù)據(jù)并計算;運用SPSS 20軟件進行統(tǒng)計分析。
2.1.1 產(chǎn)量及其構成因素的比較 不同種植方式雜交稻產(chǎn)量及其構成見表1。早稻試驗中,不同種植方式的實際產(chǎn)量表現(xiàn)為缽苗人工手插>毯狀苗機插>麻膜毯狀苗機插,差異為0.17%~0.66%;晚稻試驗中,不同種植方式的實際產(chǎn)量表現(xiàn)為毯狀苗機插>麻膜毯狀苗機插>缽苗人工手插,差異為1.01%~3.24%。單因素方差分析發(fā)現(xiàn)早、晚稻試驗中3種種植方式的理論產(chǎn)量差異均不顯著(P=0.986,P=0.853)。各產(chǎn)量構成因素中,有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、群體穎花量、結實率和千粒質(zhì)量的差異都不顯著。早稻試驗中,不同種植方式實際產(chǎn)量從高到低的順序與有效穗數(shù)一致,與每穗粒數(shù)和結實率相反,表明有效穗數(shù)是決定產(chǎn)量的關鍵因子;晚稻試驗中,不同種植方式實際產(chǎn)量從高到低的順序與每穗粒數(shù)、群體穎花量和結實率一致,與千粒質(zhì)量相反,表明群體穎花量和結實率是決定產(chǎn)量的關鍵因子。從早、晚稻2個品種特征角度看,早稻的有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)明顯多于晚稻,從而群體穎花量(4.29×108hm?2)也明顯多于晚稻 (3.30×108hm?2),但結實率(74.11%)明顯低于晚稻(83.73%),說明早稻品種‘五優(yōu)308’的特點是穗多粒多,晚稻品種‘泰豐優(yōu)55’的特點是結實率高。早、晚稻試驗結果表明,不論是穗多粒多型品種還是高結實率型品種,在適度低播種量下,采用毯狀苗機插能較好地發(fā)揮雜交稻高產(chǎn)優(yōu)勢,達到與常規(guī)缽苗人工手插基本相當?shù)男Ч?/p>
表1 不同種植方式雜交稻產(chǎn)量及其構成因素1)Table 1 Hybrid rice yields and yield components with different transplanting methods
2.1.2 產(chǎn)量構成因素的相關性分析 表2表明,早稻中理論產(chǎn)量與有效穗數(shù)、群體穎花量和庫容量呈極顯著正相關(r依次為0.767、0.862和0.871),與每穗粒數(shù)呈顯著正相關(r=0.404),與結實率和千粒質(zhì)量的相關性不顯著,說明增加產(chǎn)量主要通過提高庫容量和群體穎花量。由于庫容量/(t·hm?2)=群體穎花量×千粒質(zhì)量÷10,千粒質(zhì)量與理論產(chǎn)量的相關性不顯著,庫容量與群體穎花量呈極顯著正相關(r=0.983),說明群體穎花量是決定產(chǎn)量的重要基礎。進一步分析群體穎花量2個構成因素,有效穗數(shù)與群體穎花量呈極顯著正相關(r=0.777),每穗粒數(shù)與群體穎花量呈顯著正相關(r=0.388),說明有效穗數(shù)是決定群體穎花量的最主要影響因子。有效穗數(shù)與每穗粒數(shù)呈極顯著負相關(r=?0.619),表明增加有效穗數(shù)對每穗粒數(shù)存在一定的抑制作用。因此有效穗數(shù)過高或過低均不利于群體穎花量的提高。晚稻中理論產(chǎn)量與有效穗數(shù)、群體穎花量和庫容量也呈極顯著正相關(r依次為0.630、0.867和0.924),與結實率呈顯著正相關(r=0.419),與每穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量的相關性不顯著,這再次說明產(chǎn)量增加的主要原因是提高了庫容量和群體穎花量。與早稻相似,晚稻千粒質(zhì)量與理論產(chǎn)量的相關性不顯著,庫容量與群體穎花量呈極顯著正相關(r=0.981),有效穗數(shù)與群體穎花量呈極顯著正相關(r=0.718),每穗粒數(shù)與群體穎花量呈顯著正相關(r=0.443),有效穗數(shù)與每穗粒數(shù)相關性不顯著,呈負相關關系(r=?0.301)。早稻與晚稻的不同點是,早稻的理論產(chǎn)量與每穗粒數(shù)呈顯著正相關,與結實率相關性不顯著;晚稻的理論產(chǎn)量與結實率呈顯著正相關,與每穗粒數(shù)相關性不顯著。早稻‘五優(yōu)308’屬于穗多粒多型雜交稻品種,‘泰豐優(yōu)55’屬于高結實率型雜交稻品種,實際栽培中提高產(chǎn)量必須充分考慮品種特性。對同一雜交稻品種,提高產(chǎn)量的關鍵是保證適度的有效穗數(shù),提高庫容量和群體穎花量。
表2 雜交稻產(chǎn)量及構成因素間的相關系數(shù)1)Table 2 Correlation coefficients between yield and yield components of hybrid rice
將早稻和晚稻的理論產(chǎn)量(Y)與有效穗數(shù)(X)進行多項式回歸分析,得到早稻的回歸方程為:
晚稻的回歸方程為:
式中,各系數(shù)下方括號中的數(shù)值表示該回歸系數(shù)的檢驗P值,各回歸系數(shù)都在0.05水平通過了統(tǒng)計檢驗。早稻回歸方程F檢驗的統(tǒng)計量的值F=5.210,P=0.049<0.05,回歸方程有意義,模型的擬合優(yōu)度R2=0.635;晚稻回歸方程F檢驗的統(tǒng)計量的值F=10.033,P= 0.012<0.05,回歸方程有意義,模型的擬合優(yōu)度R2=0.770。
穗部特征是水稻經(jīng)濟產(chǎn)量的最終表現(xiàn),分析不同種植方式的穗部特征將有利于探索水稻群體生產(chǎn)力增長途徑。由于試驗數(shù)據(jù)量大,本文僅以晚稻的考種數(shù)據(jù)進行分析。對晚稻每種種植方式的每次重復選取有代表性的10穴進行考種,共90穴1 411穗:毯狀苗機插30穴496穗,膜毯狀苗機插30穴485穗,缽苗人工手插30穴430穗。分別考察了每穗的穗長、穗質(zhì)量、一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)、每穗粒數(shù)、結實率和千粒質(zhì)量等指標。
2.2.1 穗型特征 穗型大小無明確的量化界定和定義,通常根據(jù)穗質(zhì)量和穗粒數(shù)等將水稻穗分為大穗、中穗和小穗[19]??挤N試驗發(fā)現(xiàn)部分水稻穗整穗空癟,原本應屬于大穗,穗質(zhì)量卻很輕。穗長明顯表征穗型大小,穗長與穗質(zhì)量呈極顯著正相關(r=0.882),因此,本文以穗長為標準對穗型進行劃分。劃分的標準為:樣本平均值±標準差的范圍為中穗,在此范圍以上和以下分別為大穗和小穗。經(jīng)Kolmogorov-Smirnov正態(tài)性檢驗,穗長服從正態(tài)分布(P<0.001)。樣本平均值為 22.028 cm,標準差為 2.296 cm,因此小穗和中穗的臨界值為19.732 cm,中穗和大穗的臨界值為24.324 cm。根據(jù)以上標準,得到3種種植方式的穗型特征如表3所示。
缽苗人工手插的大穗占比為18.14%,明顯高于毯狀苗機插(14.31%)和麻膜毯狀苗機插(10.93%)。機插秧存在植傷等問題,這可能是雜交稻機插產(chǎn)量不及人工手插的重要原因之一。毯狀苗機插的中穗占比為71.57%,高于人工手插(67.21%);大穗和中穗累計占比達到85.88%,略高于缽苗人工手插(85.35%)。晚稻毯狀苗機插的實際產(chǎn)量為8 091.45 kg·hm?2,高于缽苗人工手插 (7 837.35 kg·hm?2);毯狀苗機插結實率為84.80%,也高于缽苗人工手插(82.89%)(表1)。說明對高結實率型雜交稻品種‘泰豐優(yōu)55’而言,提高中穗占比、攻取較高的大穗和中穗累計占比是機插雜交稻發(fā)揮高產(chǎn)的重要前提。麻膜毯狀苗機插的中穗占比為71.34%,與毯狀苗機插相近,小穗占比為17.33%,明顯高于毯狀苗機插,但實際產(chǎn)量不及毯狀苗機插。
表3 不同種植方式雜交稻的穗型特征Table 3 Panicle type characteristics of hybrid rice with different transplanting methods
機插雜交稻攻取大穗的能力不及缽苗人工手插,但可以通過提高中穗占比、大穗和中穗累計占比,協(xié)調(diào)結實率等措施實現(xiàn)高產(chǎn)栽培。
2.2.2 穗部構成特征 不同種植方式的穗部構成特征見表4。從平均值來看,不同種植方式雜交稻的單穗質(zhì)量、著粒密度、一次枝梗數(shù)和二次枝梗數(shù)都呈現(xiàn)相同的規(guī)律,即毯狀苗機插>缽苗人工手插>麻膜毯狀苗機插,穗長表現(xiàn)為缽苗人工手插>毯狀苗機插>麻膜毯狀苗機插。從穗型角度看,缽苗人工手插最有可能獲得大穗,與“2.2.1”結論一致。晚稻試驗中,3種種植方式的有效穗數(shù)相差不大,由于毯狀苗機插的結實率比缽苗人工手插高,單穗質(zhì)量也略高于缽苗人工手插。實際產(chǎn)量最終表現(xiàn)為毯狀苗機插高于缽苗人工手插;麻膜毯狀苗機插的穗長最短,穗最小,單穗質(zhì)量最輕,由于麻膜毯狀苗機插的有效穗數(shù)最多(表1),實際產(chǎn)量處于中間水平。從群體的變異程度看,不同種植方式雜交稻穗長、單穗質(zhì)量、二次枝梗數(shù)的變異系數(shù)呈現(xiàn)相同的規(guī)律,即毯狀苗機插<麻膜毯狀苗機插<缽苗人工手插,毯狀苗機插一次枝梗數(shù)的變異系數(shù)也是最小的,說明3種種植方式中毯狀苗機插的群體變異最小,缽苗人工手插群體最不穩(wěn)定,這可能就是本研究毯狀苗機插實際產(chǎn)量高于缽苗人工手插的另一個重要原因,也是實際生產(chǎn)中機械化種植方式優(yōu)于人工手插的重要表現(xiàn)之一。機械化作業(yè)的水稻群體生長協(xié)調(diào),穗型變異小,利于獲取高產(chǎn)。從穗部構成各項指標的變異系數(shù)來看,3種種植方式中穗長和一次枝梗數(shù)的變異系數(shù)較小,分別為10.105%~10.648%和13.234%~14.499%;單穗質(zhì)量,著粒密度,二次枝梗數(shù),一、二次枝梗數(shù)比的變異系數(shù)相對較大,最大的是一、二次枝梗數(shù)比,為76.158%~117.362%。不同種植方式對穗部構成影響相對較大的是一、二次枝梗數(shù)比,二次枝梗數(shù),單穗質(zhì)量和著粒密度。
表4 不同種植方式雜交稻穗部構成特征Table 4 Panicle characteristics of hybrid rice with different transplanting methods
由表5可知,3種種植方式雜交稻穗部各性狀之間均呈極顯著相關;單穗質(zhì)量與著粒密度的相關性最強,其次是與二次枝梗數(shù),都呈極顯著正相關;著粒密度與二次枝梗數(shù)的相關性最強;穗長與二次枝梗數(shù)的相關性強于與一次枝梗數(shù)的相關性;結果說明影響單穗質(zhì)量的最主要因素是著粒密度和二次枝梗數(shù),著粒密度與二次枝梗數(shù)呈極顯著正相關。不同水稻穗之間一次枝梗數(shù)差異較小。試驗和相關研究[20]發(fā)現(xiàn)不同水稻穗著粒密度相差不大,通常一次枝梗著粒5~7粒,6粒居多,二次枝梗著粒2~4粒,3粒居多。二次枝梗著粒密度顯著增多時,水稻穗粗大,單穗質(zhì)量顯著增加,水稻穗的差異主要表現(xiàn)為二次枝梗數(shù)的差異。
表5 不同種植方式雜交稻穗部性狀之間的相關系數(shù)1)Table 5 Correlation coefficients of panicle traits of hybrid rice with different transplanting methods
為了定量探索單穗質(zhì)量與二次枝梗數(shù)的關系,基于試驗采集的1 411穗數(shù)據(jù),得到穗質(zhì)量(G)與二次枝梗數(shù)(M)的一次線性回歸方程為G=0.983+0.104M(R2=0.823,F(xiàn)=6 489.82,P=0),二次枝梗數(shù)每增加1條,單穗質(zhì)量增加0.104 g。
綜上表明,不同種植方式和穗部性狀之間的差異主要來源于二次枝梗數(shù),一次枝梗數(shù)的差異較小。二次枝梗由一次枝梗分化而來,直接影響一、二次枝梗數(shù)的比例和著粒密度。因此,二次枝梗數(shù)是協(xié)調(diào)穗部構成、提高單產(chǎn)的關鍵性狀,若能穩(wěn)定和提高二次枝梗數(shù)并充實灌漿,將有效提高水稻的經(jīng)濟產(chǎn)量和生產(chǎn)力。
通過優(yōu)化播種機械性能、降低單位面積育秧播種量培育適合機插的健壯秧苗,實現(xiàn)低播種量下毯狀苗精準栽插,從產(chǎn)量及構成特征方面探索雜交稻機械化種植方式對水稻產(chǎn)量的影響及其規(guī)律,得到如下結論:
1)當播種量為每盤65 g芽種時,穗多粒多型雜交稻品種‘五優(yōu)308’和高結實率型雜交稻品種‘泰豐優(yōu)55’通過毯狀苗機插都能較好地發(fā)揮雜交稻高產(chǎn)優(yōu)勢,達到與常規(guī)缽苗人工手插相近的效果。早稻和晚稻試驗中2種機插與缽苗人工手插的實際產(chǎn)量差異分別為0.17%~0.66%和1.01%~3.24%,差異不顯著。
2)庫容量和群體穎花量是雜交稻產(chǎn)量的主要影響因素,有效穗數(shù)是決定產(chǎn)量的關鍵因子;對同一雜交稻品種,提高產(chǎn)量的關鍵是保證適度的有效穗數(shù),從而提高庫容量和群體穎花量。
3)不同種植方式和穗部性狀之間的差異主要是二次枝梗數(shù),一次枝梗數(shù)差異較小;二次枝梗數(shù)是協(xié)調(diào)穗部構成和提高單產(chǎn)的關鍵性狀;機插雜交稻攻取大穗的能力不及人工手插,在低播種量下可以通過提高中穗占比、大穗和中穗累計占比,協(xié)調(diào)結實率等措施實現(xiàn)高產(chǎn)栽培。