青菜/油菜茬口下水稻不同栽植方式对温光资源利用和产量的影响

　　摘要轻简化栽培和优质稻是当前我国水稻生产的主要方向，气象因子是对水稻生长发育和产量形成影响最大的环境因素，但在不同轻简化栽植方式下水稻产量与其田间小气候的关系鲜有研究。为探究西南地区不同前作下杂交稻各生育阶段温、光和水等气候因子与水稻产量形成的关系，在2019—2020年，以杂交籼稻‘宜香优2115’为试验材料，采用两因素裂区设计，主区为青菜和油菜2种前作，副区为机直播、毯苗机插和人工移栽3种栽植方式，研究杂交稻产量对气候因子的响应及水稻植株对温光资源的利用。结果表明：与油菜-水稻模式相比，青菜-水稻模式下杂交稻积温生产效率和降水生产效率显著提高，进而提高了有效穗数、结实率和千粒重，2年产量分别提高了12.7%和8.3%。与人工移栽相比，机插稻提高了单位面积有效穗数、全生育期光能生产效率、积温生产效率、籽粒光能利用效率和降水生产效率，2年平均产量提高了4.6%;而机直播全生育期降水生产效率、光能生产效率、积温生产效率、籽粒光能利用效率、每穗粒数和千粒重都显著降低，导致2年平均产量下降了8.7%。与2019年相比，2020年机插稻和人工移栽稻在同一茬口下提前一个月播种造成花后生育期缩短、气温降低和降雨量增多，导致有效积温和光辐射量大幅减少，积温生产效率、光能生产效率、降水生产效率和籽粒光能利用效率以及每穗粒数、结实率和千粒重均大幅降低，进而导致产量严重降低。用偏最小二乘法回归分析建立的气象因子产量预报方程标准化回归系数显示，水稻产量与阶段生育期或全生育期内有效积温和总辐射量呈正相关关系，与全生育期内降水量呈显著负相关关系。综上，青菜-水稻模式下机插秧与西南地区稻季光温资源匹配度最高，更有利于温光资源的充分利用和获得高产，但不宜过早播种或移栽。

　　关键词水稻;栽植方式;茬口;温光资源利用;产量

　　在保证产量的基础上，发展轻简化栽培和优质稻是当前我国水稻生产的主要方向[1-2]。水稻高产优质是品种、环境和栽植方式有机结合的结果[3]，其中，气象因子是对水稻生长发育和产量形成影响最大，也是最活跃、年际变化最大的环境因素，并具有不可逆转性[4-5]。温度和光照是影响水稻生长发育的重要限制因子，温度过高或过低以及光照不足均不利于水稻生长发育和产量与品质的形成[6-9]。

　　前人研究发现，影响水稻产量最关键的气候因子是有效积温，生育期内日活动积温和日有效积温及其利用率与粒数、千粒重、结实率和产量呈显著或极显著正相关关系[7]，且温度升高会加快水稻生育进程，进而导致生育期缩短，温光利用率降低，但适当增加抽穗至成熟阶段的日均温，可增加千粒重，提高产量[10]。因此，研究水稻生长发育与气象之间的关系，对合理利用农业气候资源、防御农业气象灾害、促进水稻高产稳产和保障粮食安全具有重要意义[11-12]。水稻轻简化种植具有节约成本、省力和省工等优点[2,13]。

　　西南地区多丘陵山区，机械化水平相对滞后，而且是典型的多熟制区域，水稻与多种作物的茬口很难协调[14-15]。青菜(Brassicajuncea)和油菜(Brassicacampestris)是重要的经济作物和油料作物，在西南地区的种植面积很大，然而青菜和油菜分别在4月上旬和5月中下旬收获，一个多月的收获时间差异导致它们的后茬作物——水稻的光温资源环境发生了很大的变化，这显著影响了水稻的生长发育和产量形成。前人研究表明，播期、生育期和栽植方式等与生态区温光资源的不匹配，严重限制了水稻产量和资源利用效率的提升[16-18]。

　　但是在不同轻简化栽植方式下水稻产量与其田间小气候的关系鲜有研究[19]。因此，本试验分析了青菜、油菜不同茬口和不同栽植方式下杂交稻的生育期、产量及其与田间气候因子的关系，旨在明确不同茬口和栽植方式下水稻光温资源利用特性和产量的差异，以期为西南地区水稻轻简化栽培技术和光温资源的高效利用提供理论和实践依据。

　　1材料与方法

　　1.1供试材料与试验地点

　　试验以中籼迟熟杂交水稻‘宜香优2115’(三系中籼杂交稻，全生育期156.7d)为材料，在四川省成都市温江区四川农业大学水稻研究所试验田(30°44′N，103°52′E)分两年(2019和2020年)进行。前茬作物分别是青菜和油菜，试验田土壤为沙壤土。水稻生长期气象数据由田间安装的小型气象站监测得到。

　　1.2试验设计与实施

　　试验采用二因素裂区设计，主区为茬口：青菜茬口(M1)和油菜茬口(M2);副区为水稻栽植方式：机直播(T1)、机插(T2)和人工移栽(T3)，机直播两年播种时间相近，机插和人工移栽的播种时间两年不一致，2019年为便于光温资源分析，移栽稻与机直播同期播种;2020年结合生产实际情况，移栽稻提前播种育秧，移栽期与机直播播种时间相同，因此，2020年机插和人工移栽的播种期较2019年提前近1个月，2019年和2020年机插分别记为T2-1和T2-2，人工移栽分别记为T3-1和T3-2。每年度试验共6个处理，3次重复，共计18个小区，每小区面积为22.8m2。各小区田埂以地膜包覆，单排单灌。

　　青菜-水稻(菜-稻)模式和油菜-水稻(油-稻)模式的播栽期和主要生育时间。水稻不同栽植方式均参照在四川盆地相应作物的高产栽培密度和行株距：机直播催芽后采用湿润直播，播种量为22.5kg·hm-2，行距为25cm，株距为20cm，每株定苗3苗;机插用塑料毯状育秧盘育秧，每盘播种75g(干种子)，移栽行距为30cm，株距为16cm，每株定苗2苗;人工移栽采用旱育秧方式，播种密度为15g·m-2，移栽行距为33.3cm，株距为16.7cm，每株1苗。试验肥料分别是尿素(含N46%)、过磷酸钙(含P2O512%)和氯化钾(含K2O60%)。N﹕P﹕K按照2﹕1﹕2的比例施用，每个小区纯氮用量均为150kg·hm-2，按基肥﹕蘖肥﹕促花肥﹕保花肥=3﹕3﹕2﹕2的比例施用。

　　其中，机插和人工移栽的基肥于移栽前1d施用，分蘖肥在移栽7d后施用;机直播稻基肥于2叶期施用，分蘖肥于5叶期施用;促花肥和保花肥分别在倒4叶和倒2叶期施用。磷肥全部作底肥，钾肥按底肥﹕穗肥(促花肥)=7﹕3分两次施用。水分管理和病虫草害防治等相关栽培措施均按照高产栽培要求实施。

　　1.3测定内容与方法

　　1.3.1田间小气候资料记录

　　在试验田中安装美国HOBO公司生产的组合小型气象站，仪器型号及其功能：S-THB-M00x测定温度，RS3-B和S-LIx-M003测定光辐射量，S-RGx-M002测定降水量，H-21-USB记录和传导数据。气象数据从水稻播种开始记录到收获，计算出播种至拔节、拔节至抽穗、抽穗至成熟以及全生育期的日辐射量、有效积温、日均温和降水量等气象数据。

　　1.3.2水稻生育期记录和干物重测定严格记载各小区水稻的主要生长发育时期，并在成熟期每小区按照平均茎蘖法取无病虫害的代表性植株5株，随后分成茎、叶、穗3部分，置于105℃下杀青30min，恒温80℃烘干至恒重后称重。

　　1.3.3考种与计产成熟期每小区调查相邻60株水稻植株计算平均穗数，然后按照平均茎蘖法取无病虫害的代表性植株5株，室内自然风干后，考察实粒数、空瘪粒数和千粒重，计算出每穗粒数和结实率。最后去除小区边界后，实收计产。

　　1.3.4温光利用率

　　根据田间气象站记录的气象资料，计算各处理下水稻从播种至成熟期的有效积温(水稻下限温度取10℃)、总辐射量、总降水量等数据：光能生产效率(g·MJ-1)=单位面积籽粒产量/生育期间太阳辐射总量;积温生产效率(kg·hm-2·℃-1)=单位面积籽粒产量/生育期间积温总量;降水生产效率(kg·hm-2·mm-1)=单位面积籽粒产量/生育期间降水总量;籽粒光能利用效率=(W×H)/∑Q×100%，式中：H为每克干物质燃烧时释放出的热量，取值7.15×10-2MJg-1;W是测定期间籽粒的增加量(thm-2);∑Q是同期的总光照辐射量(MJ)。生物量光能利用效率=(W×H)/∑Q×100%，式中，H为每克干物质燃烧时释放出的热量，取值7.15×10-2MJg-1;W是测定期间地上部干物质的增加量(即净生产量)(thm-2);∑Q是同期的总光照辐射量(MJ)。

　　1.4数据处理

　　采用MicrosoftExcel2016、DPS7.05和Matlab软件进行数据统计分析和图表绘制，用LSD法检验处理间的差异显著性(ɑ=0.05)，图表中数据为平均值±标准差。

　　2结果与分析

　　2.1菜-稻和油-稻下不同栽植方式对杂交稻主要生育期的影响

　　分析不同茬口和栽植方式对水稻主要生育期的影响可知，在2019年，与菜-稻模式相比，尽管油-稻模式下机直播、机插和人工移栽在播种-拔节期分别缩短了16、10和9d，但拔节成熟期分别增长了10、8和9d，最终油-稻模式下水稻全生育期平均缩短了2.7d。

　　而在2020年，与菜-稻模式相比，油-稻模式下机直播、机插和人工移栽在播种-拔节期分别缩短了7、14和15d，而在拔节-成熟期分别增长了5d，缩短了3和2d，因此全生育期平均缩短了12d。同一茬口下，水稻营养生长期和全生育期均表现为机插>人工移栽>机直播(除2019年菜-稻模式下全生育期外)，其中，机插稻全生育期天数平均比人工移栽和机直播分别延长了3.5和5.5d。由此可见，菜-稻模式和机插可通过延长营养生长期使杂交稻全生育期增加。

　　2.2菜-稻和油-稻下不同栽植方式对杂交稻产量及其构成因素的影响

　　茬口和栽植方式对杂交稻产量及其构成因子的影响均达到显著水平。与油-稻模式相比，尽管菜-稻模式下的每穗粒数显著下降，但是其有效穗数、结实率和千粒重均显著提高，因此其产量在2019和2020年平均分别提高了12.7%和8.3%。

　　两种茬口下，机插产量均显著高于人工移栽，这是因为机插有效穗数显著提高，尽管菜-稻模式下人工移栽的千粒重、油-稻模式下的每穗粒数都显著高于机插稻，但有效穗数严重不足极大地限制了人工移栽稻产量的提升;而直播稻产量又显著低于同期或提前1个月播种的人工移栽稻，主要原因在于后者每穗粒数和千粒重显著高于前者，弥补了有效穗数显著不足的缺陷。由此可见，菜-稻模式和机插有利于杂交稻各产量构成因子的协调发展，进而提高稻谷产量。

　　2.3菜-稻和油-稻下不同栽植方式对杂交稻主要生育期内温光资源的影响

　　全生育期内有效积温和光辐射总量菜-稻模式高于油-稻模式，而降水量则相反。气象因子在不同年份和各阶段表现各异，与油-稻模式相比，2019年菜-稻模式日均气温在播种-拔节、拔节-抽穗和抽穗-成熟3个阶段分别表现为降低、降低和提高，有效积温和光辐射量呈现“光热同期”的现象，3个阶段分别表现为提高、降低和提高，而3个阶段降水量分别呈现提高、提高和降低的规律;2020年菜-稻模式日均气温在播种-拔节、拔节-抽穗和抽穗-成熟3个阶段分别表现为降低、提高和提高的规律，有效积温和光辐射量在3个阶段表现均提高，而降水量在3个阶段分别表现为降低、降低和提高。

　　从栽植方式看，全生育期有效积温和光辐射量表现为机插>人工移栽>机直播(2019年菜-稻模式下机直播除外);日均气温表现为机直播<移栽稻(除2020年菜-稻模式下机直播最高外);降水量2019年移栽稻略高于同期播种的机直播稻，2020年却相反。由此可见，菜-稻模式下水稻花前和花后温光资源更丰富，有利于水稻植株的光形态建成、物质积累与转运，易形成高产;而机插延长了杂交稻的营养生长期，进一步提高了水稻花前的有效积温和光辐射量。

　　2.4菜-稻和油-稻下不同栽植方式对杂交稻光温资源利用的影响

　　菜-稻模式的积温生产效率、降水生产效率显著高于油-稻模式，而总生物量光能利用效率则以油-稻模式较高，且2019年该差异达到显著水平。同一茬口下，总生物量光能利用效率机直播模式显著低于同期播种的移栽稻模式，但显著高于早一个月播种的移栽稻模式;降水生产效率表现为机插>人工移栽>机直播，且三者差异达到显著水平;光能和积温生产效率以及籽粒光能利用效率机直播显著低于移栽稻，而机插又都高于人工移栽，且这些差异在2019年达到显著水平。综上所述，菜-稻模式下机插稻光、温、水生产效率和光能利用效率最高，易达到高产。

　　3讨论

　　3.1菜-稻和油-稻下水稻不同栽植方式的产量及其构成

　　适宜茬口下的播栽期和栽植方式有利于水稻高效利用温光资源和建立高产量群体，从而实现高产[20-21]。金芝辉等[21]研究认为，随着播期的推迟，水稻的营养生长期缩短，有效穗数、结实率、千粒重和产量均下降。适时早播可使全生育期的积温、日照时数和温光利用率明显提升，从而获得高产[22]。

　　本研究结果表明，与油-稻模式相比，菜-稻模式提前1个月播种，尽管在菜-稻模式下杂交稻的穗粒数显著下降，但其有效穗数、结实率和千粒重均显著提高，两年产量平均提高了10.5%，这是因为菜-稻模式下水稻营养生长期和全生育期两年平均分别延长了11.83和7.35d，且全生育期内有效积温和光辐射量均大幅增加。水稻品种、播期、气候条件、土壤背景和田间管理措施都会影响到不同栽植方式下的水稻产量[23]。

　　菜-稻模式下播种或移栽前土壤中有机质、碱解氮和有效钾含量均明显高于油-稻模式，可能也是前者产量高于后者的一个重要因素。本研究结果还显示，机直播虽然有效穗数多于人工移栽，但千粒重和每穗粒数过小，导致其产量不及人工移栽，而与机插稻相比，人工移栽在菜-稻模式下的千粒重、油-稻模式下的每穗粒数和千粒重占优势，但有效穗数严重不足导致其产量不及机插稻。此外，两种模式下提前一个月移栽的机插稻和人工移栽稻虽然单位面积有效穗数明显提高，但每穗粒数、结实率和千粒重均大幅下降，导致产量明显降低，这说明茬口和播期对杂交稻产量及其构成均有很大影响。

　　这是因为作物的产量形成与不同生育时期长短及生育期间的光温条件关系密切，一般来说，生育期天数、日照时数、有效积温和光辐射量与产量呈正相关[24-26]。本研究结果显示，水稻生育期天数以及全生育期内的有效积温和光辐射量均是机插秧>人工移栽>机直播，而与2019年相比，2020年机插稻和人工移栽稻尽管拔节-抽穗阶段平均分别延长了6和9.5d，但抽穗-成熟阶段却平均分别缩短了9.5和12d，人工移栽稻播种-拔节阶段也平均缩短了6.5d。

　　因此，尽管同一茬口下提前一个月播种极大提升了水稻花前有效积温和光辐射量，但花后生育期的缩短、气温的降低以及降雨量的增多，导致有效积温和光辐射量大幅减少，严重影响了杂交稻开花结实和籽粒灌浆，最终造成严重减产。由此可见，在西南地区菜-稻模式下的机插秧最有利于杂交稻的生长发育，能获得更高的产量，但过早育苗移栽会造成其生长发育过程与光温水资源不协调，导致水稻产量严重下降。

　　3.2菜-稻和油-稻下水稻不同栽植方式的光温资源利用特征

　　作物品种、播种时期与光温资源的匹配度严重影响了作物生长发育和产量形成，但可以通过调控作物生长发育与光温的协同性，实现作物产量和光温资源利用效率的协同提升[27-28]。前人研究表明，粳稻适时晚播后光能利用率、热能利用效率和降水利用效率均有所提高[29-30]。而冯香诏等[31]认为，无论是杂交稻还是常规稻，不论是籼稻还是粳稻，随播期的推迟，水稻光能生产效率、温度生产效率和产量均呈降低趋势，而经济效益呈增长趋势。本研究结果显示，与油-稻模式相比，菜-稻模式下杂交稻全生育期内有效积温和光辐射量升高，降水量降低;积温生产效率和降水生产效率显著提高，但生物量光能利用效率显著降低。

　　同时，同一茬口下，水稻全生育期有效积温、降水生产效率、光能生产效率、积温生产效率和籽粒光能利用效率均表现为机插>人工移栽>机直播;与2019年相比，2020年机插稻和人工移栽稻虽然全生育期有效积温和光辐射量升高，但抽穗-成熟阶段有效积温和光辐射量严重减少，降雨量却大幅上升，导致其积温、光能和降水生产效率以及籽粒光能利用效率均明显下降。水稻增产从本质上说就是提高光能利用率，而水稻的光能利用又与气候条件密切相关[32-33]。综上可知，菜-稻模式下水稻全生育期内光温资源更有利于其生长发育和产量形成，其中以机插稻的光温资源利用率最高，产量潜力最大，但不宜过早播种或移栽。

　　3.3水稻产量形成与田间气象因子的关系

　　前人研究认为，模拟水稻相对气象动态产量预报模型时，采用偏最小二乘法回归分析，以提取的变量权重系数与因变量回归建模，可以很好地解决变量之间存在的多重共线性问题[24,34]。本研究在2019和2020年都用偏最小二乘法回归分析对水稻播种-拔节、拔节-抽穗和抽穗-成熟3个主要生育时期气象因子和全生育期气象因子分别做了产量预报方程，结果表明，产量与有效积温和总辐射量呈正相关，与全生育期降水量呈负相关。

　　本研究中，产量预报模型是根据年际间不同处理下的光、温、水作为自变量，产量为因变量，建立的4个模型修正系数都在0.9以上，可信度较高，能基本解决实际产量预报问题，但在结合实际分析变量权重比时也存在部分反常规现象，可能是由于气象因子受时段限制较大而模型不能将其单独剥离出来而导致，具体原因还有待进一步研究。

　　4结论

　　与油-稻模式相比，菜-稻模式下杂交稻全生育期天数2年平均延长了7.35d，生育期内有效积温和光辐射量大幅提升，降水量减少，积温和降水生产效率提高，2年产量分别提高了12.7%和8.3%。同一茬口下，全生育期有效积温、降水、光能和积温生产效率以及籽粒光能利用效率均表现为机插>人工移栽>机直播，且两个茬口下不同栽植方式的水稻产量也均表现为机插>人工移栽>机直播。综合而言，菜-稻模式下机插稻与西南地区水稻季光温资源匹配度最高，最易获得高产，但不宜过早播种或移栽。

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　　作者：1谌洁1吕腾飞2王志强1王仲林1林郸1李郁1杨志远1孙永健1马均1*