朱均林 褚光 章秀福

（中國(guó)水稻研究所/水稻生物育種全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311400；*通信作者: chuguang@caas.cn）

2020—2022 年，我國(guó)水稻單產(chǎn)和總產(chǎn)水平一直處于歷史高位，優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)高效與環(huán)境友好成為新時(shí)期水稻產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量綠色發(fā)展的主題。水稻耕作栽培的創(chuàng)新發(fā)展為我國(guó)水稻產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了最直接的科技支持，確保了我國(guó)稻米口糧絕對(duì)安全，實(shí)現(xiàn)了由“吃飽”到“吃得好、吃得放心”的質(zhì)的躍升。就學(xué)科發(fā)展而言，主要體現(xiàn)在水稻無(wú)人化數(shù)智栽培、優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)綠色栽培、可持續(xù)多熟制種植、再生稻機(jī)械化栽培、稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)以及稻田低碳減排栽培等熱點(diǎn)領(lǐng)域。本文對(duì)本學(xué)科近3 年國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展進(jìn)行梳理，對(duì)國(guó)外相關(guān)研究作簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)未來(lái)5 年或更長(zhǎng)時(shí)期我國(guó)水稻耕作栽培研究發(fā)展作一展望，以期為國(guó)內(nèi)外同行和感興趣的讀者提供參考。

1 水稻栽培學(xué)科國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

1.1 水稻無(wú)人化數(shù)智栽培

我國(guó)水稻生產(chǎn)在耕、種、管、收等主要環(huán)節(jié)均已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，但生產(chǎn)過(guò)程仍需投入較多的人力，很難適應(yīng)新時(shí)代的發(fā)展需求[1]。隨著數(shù)智農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，水稻生產(chǎn)作業(yè)的“無(wú)人化”是未來(lái)發(fā)展的基本方向。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)已涌現(xiàn)出一大批“無(wú)人化”數(shù)智稻作新技術(shù)。例如，“無(wú)人化”飛播技術(shù)、“無(wú)人化”耕整地技術(shù)、“無(wú)人化”精準(zhǔn)機(jī)插技術(shù)、“無(wú)人化”精準(zhǔn)施肥技術(shù)和智能遠(yuǎn)程控制灌溉技術(shù)等。其中，又以“無(wú)人化”飛播技術(shù)的發(fā)展最為迅猛。此前，我國(guó)水稻機(jī)械直播栽培中主要采用的是以有人駕駛的地面機(jī)械為平臺(tái)，開展機(jī)械化直播作業(yè)，存在作業(yè)效率偏低、對(duì)耕整地要求高等缺點(diǎn)[2]?！盁o(wú)人化”飛播栽培模式不僅具備作業(yè)效率高、工作強(qiáng)度低、使用成本低、智能化程度高的特點(diǎn)，還可以減少?gòu)?fù)雜地形對(duì)播撒作業(yè)的干擾[3-4]。此外，無(wú)人機(jī)還可以通過(guò)更換部件開展撒肥、噴藥等作業(yè)，可以更加深入的參與水稻栽培管理[5-6]。近年來(lái)，揚(yáng)州大學(xué)張洪程院士團(tuán)隊(duì)開展稻麥耕種管收關(guān)鍵環(huán)節(jié)田間“無(wú)人化”作業(yè)技術(shù)研究，研發(fā)出了稻麥綠色豐產(chǎn)“無(wú)人化”栽培技術(shù)，該套技術(shù)以水稻機(jī)插整合栽培無(wú)人化作業(yè)技術(shù)、水稻直播與小麥條播整合栽培無(wú)人化作業(yè)技術(shù)為核心，配套無(wú)人機(jī)飛防高效植保技術(shù)、智能遠(yuǎn)程控制灌溉技術(shù)和智能精準(zhǔn)無(wú)人化收獲技術(shù)，創(chuàng)建機(jī)插和直播兩套水稻及精量條播小麥栽培田間“無(wú)人化”作業(yè)工程技術(shù)體系[7]。2021 年，該項(xiàng)技術(shù)被農(nóng)業(yè)農(nóng)村部評(píng)選為10 項(xiàng)重大引領(lǐng)性技術(shù)之一。依托生物技術(shù)、智能農(nóng)機(jī)和信息技術(shù)建設(shè)的“無(wú)人農(nóng)場(chǎng)”是實(shí)現(xiàn)無(wú)人化數(shù)智農(nóng)業(yè)的重要途徑[8-9]。近年來(lái)，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)羅錫文院士團(tuán)隊(duì)集成了耕種管收生產(chǎn)環(huán)節(jié)全覆蓋、機(jī)庫(kù)田間轉(zhuǎn)移作業(yè)全自動(dòng)、自動(dòng)避障異況停車保安全、作物生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)全監(jiān)控和智能決策精準(zhǔn)作業(yè)全無(wú)人等關(guān)鍵技術(shù)，建設(shè)了水稻“無(wú)人農(nóng)場(chǎng)”，在數(shù)智農(nóng)業(yè)發(fā)展中表現(xiàn)出巨大的潛力[10]?！盁o(wú)人農(nóng)場(chǎng)”的建設(shè)為解決“誰(shuí)來(lái)種田”和“如何種田”的問(wèn)題提供了重要途徑，同時(shí)對(duì)我國(guó)“無(wú)人農(nóng)場(chǎng)”建設(shè)起到了示范作用。

1.2 水稻優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)綠色栽培

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)水稻形成了“高投入、高產(chǎn)出、高污染、低效益”的生產(chǎn)模式。這種模式為保障我國(guó)糧食安全供給做出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)，也導(dǎo)致了生產(chǎn)成本大幅增加，還引起稻米品質(zhì)變劣，稻田可持續(xù)生產(chǎn)受到威脅[11-12]。這些問(wèn)題的出現(xiàn)意味著我國(guó)需要在水稻新品種培育和栽培措施創(chuàng)新等方面做出根本性改變。近年來(lái)，優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)綠色栽培已成為水稻栽培學(xué)研究重點(diǎn)，同時(shí)也是難點(diǎn)。我國(guó)因地制宜地通過(guò)栽培模式創(chuàng)新和管理措施優(yōu)化，提出了如“水稻好氧栽培技術(shù)”“水稻側(cè)深施肥技術(shù)”“水稻增密減氮栽培技術(shù)”“ 水稻雙季雙直播技術(shù)”等綠色豐產(chǎn)栽培新模式，緩解了高產(chǎn)與高效、高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)、用地與養(yǎng)地之間的矛盾，協(xié)調(diào)了環(huán)境因素與高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、安全之間的相互關(guān)系，基本實(shí)現(xiàn)了“少打農(nóng)藥、少施化肥、節(jié)水耐旱、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)”的綠色目標(biāo)[13-22]。以“水稻側(cè)深施肥技術(shù)”為例，相較于肥料面施，該技術(shù)可以將養(yǎng)分準(zhǔn)確的輸送到植株根部，從而減少氨揮發(fā)和地表徑流帶來(lái)的氮流失，提高水稻根區(qū)供氮能力，使水稻秧苗在前期有足夠的養(yǎng)分，促進(jìn)水稻分蘗早生快發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)水稻綠色高產(chǎn)栽培[15-16]?！八驹雒軠p氮技術(shù)”可以在減少氮肥投入10%~20%的基礎(chǔ)上，保證水稻不減產(chǎn)，并顯著提高氮肥利用效率，減少氮肥損耗[17-21]。此外，中國(guó)水稻研究所的一項(xiàng)研究表明，以“水稻增密減氮技術(shù)”與“水稻好氧栽培技術(shù)”為核心構(gòu)建的“水稻優(yōu)化栽培技術(shù)”，可以較農(nóng)戶習(xí)慣栽培模式減少水、氮資源的投入，并可顯著提高水稻產(chǎn)量以及水、氮利用效率[23]。

1.3 再生稻機(jī)械化栽培

再生稻是指頭季收獲后，實(shí)施相應(yīng)田間管理措施，促使頭季稻樁上的腋芽生長(zhǎng)發(fā)育與抽穗結(jié)實(shí)，實(shí)現(xiàn)“一種兩收”或多次收獲的水稻種植模式。這種模式是溫光資源種植水稻“一季有余而兩季不足”地區(qū)的理想種植模式，對(duì)緩解農(nóng)忙與減輕勞作強(qiáng)度、促進(jìn)農(nóng)民增產(chǎn)增收、保障國(guó)家糧食安全具有重要意義[24]。近年來(lái)，再生稻已在我國(guó)南方湖北、重慶、四川、福建、江西、安徽、湖南等15 個(gè)?。ㄊ校┓N植，年推廣面積約為130 萬(wàn)hm2[24-25]。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)彭少兵教授團(tuán)隊(duì)從高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)再生稻品種篩選、再生稻機(jī)械化生產(chǎn)的農(nóng)機(jī)農(nóng)藝配套技術(shù)優(yōu)化、肥水運(yùn)籌管理及其優(yōu)化、再生稻專用機(jī)械的研制、再生稻無(wú)公害化生產(chǎn)等關(guān)鍵技術(shù)開展研究，建立了“機(jī)收再生稻豐產(chǎn)高效栽培技術(shù)模式”，并在湖北等地大面積推廣應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[26]。湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)唐啟源教授團(tuán)隊(duì)按照再生稻大面積高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的原則，構(gòu)建了“機(jī)收再生稻‘四防一增’高產(chǎn)高效栽培技術(shù)體系”，即防再生季抽穗遭遇寒露風(fēng)、防頭季高溫危害、防紋枯病和稻飛虱等病蟲危害、防倒伏以及增強(qiáng)再生出苗能力，對(duì)促進(jìn)湖南省再生稻產(chǎn)量的穩(wěn)步提高發(fā)揮了重要作用[27]。福建農(nóng)林大學(xué)林文雄教授團(tuán)隊(duì)研究提出采用人工收割高留樁栽培再生稻時(shí)，選擇頭季分蘗力較弱、再生季再生力強(qiáng)的重穗型雜交秈稻品種（組合）易獲高產(chǎn)；采用機(jī)械化收割低留樁栽培再生稻時(shí)，選擇具強(qiáng)低位芽再生力的雜交秈稻品種或感光性弱的重穗型雜交粳稻品種（組合）、秈粳雜交稻品種（組合）易獲高產(chǎn)[12,28]。同時(shí)，提出適時(shí)早播、畦栽溝灌、二次烤田、重施促芽肥、適高留樁的人工收割高留樁再生稻栽培技術(shù)[9,25]。

1.4 稻田多元多熟制種植

多熟制種植是指一年內(nèi)在同一塊土地種植兩種或兩種以上的作物，該種植模式可以充分利用溫光資源，大多采用復(fù)種和間套作的種植模式，實(shí)現(xiàn)作物生產(chǎn)在時(shí)間或空間上的集約化。自2020 年以來(lái)，構(gòu)建了多元多熟的高效種植模式，形成了“種植層次化、作物搭配多樣化、土地利用高效化”的新局面。例如，長(zhǎng)江中下游稻區(qū)具有溫光資源豐富、熱量充足、雨量充沛、雨水集中和無(wú)霜期長(zhǎng)等特點(diǎn)，是我國(guó)多熟種植最廣泛的區(qū)域。近年來(lái)，在原有早稻-晚稻、單季稻-小麥、單季稻-油菜、單季稻-綠肥、單季稻-冬閑的基礎(chǔ)上，發(fā)展了諸如早稻-晚稻-油菜、早稻-晚稻-馬鈴薯、早稻-鮮食大豆-油菜、早稻-鮮食玉米-馬鈴薯等多種一年三熟種植新模式，并得到廣泛應(yīng)用，取得了良好效果[29]。華南稻區(qū)的春煙-水稻-蔬菜、玉米-晚稻-蔬菜、花生-晚稻-馬鈴薯等經(jīng)濟(jì)高效多熟制種植模式，充分實(shí)現(xiàn)了集約利用土地、光、熱以及勞動(dòng)力資源[27]。西南稻區(qū)則以成都平原為代表，發(fā)展出穩(wěn)糧增效型和穩(wěn)糧高效型兩大類糧油多熟制種植制度，主要模式有:水稻-秋冬菜-春菜、水稻-馬鈴薯、水稻-油菜、水稻-秋菜-小麥、水稻-秋菜-油菜等[30-31]。近期，在四川、重慶等大部種植水稻“一季有余，兩季不足”地區(qū)，廣泛開展再生稻生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了“一種兩收”和糧食增產(chǎn)[25]。

1.5 稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)

稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)是將水稻種植與水產(chǎn)或水禽等水生動(dòng)物養(yǎng)殖有機(jī)結(jié)合，通過(guò)稻田生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)流、能量流、效益流循環(huán)，充分發(fā)揮水稻、水生動(dòng)物的互利共生作用，構(gòu)建高產(chǎn)、高效復(fù)合型的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。近年來(lái)，我國(guó)稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)模式不斷創(chuàng)新，推廣應(yīng)用面積迅速擴(kuò)大。根據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，2020 年全國(guó)稻田綜合種養(yǎng)面積超過(guò)240 萬(wàn)hm2。我國(guó)南方主要稻區(qū)因地制宜的探索發(fā)展出如稻-蝦、稻-鱉、稻-鰍和稻-蟹等新型稻田生態(tài)種養(yǎng)新模式，把傳統(tǒng)的稻田養(yǎng)殖推進(jìn)到了“以漁促稻、穩(wěn)糧增效、質(zhì)量安全、生態(tài)環(huán)?！钡男码A段[32]。2021 年，“稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)技術(shù)”入選農(nóng)業(yè)農(nóng)村部主推技術(shù)。大量研究表明，“稻田生態(tài)綜合種養(yǎng)技術(shù)”可以實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)中有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥的配施，能有效解決如氮肥施用過(guò)多而導(dǎo)致氮素等養(yǎng)分利用率降低、養(yǎng)分流失、稻田綜合收益低等問(wèn)題[33-35]。此外，該技術(shù)在一定程度上還能夠抑制稻田的病蟲草害，豐富土壤中細(xì)菌群落的多樣性，提升了土壤微生物的活躍度，改善稻田生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境[35]。例如，在“稻魚共作”模式中，魚排泄物中的氮有75%~85% 以銨離子的形態(tài)存在，即魚能夠?qū)h(huán)境中原本不易被水稻吸收利用的氮形式轉(zhuǎn)變成易于被水稻吸收利用的有效氮形式[36]。作為稻田綜合種養(yǎng)的典型代表，“稻蝦共作”能夠充分利用稻田的淺水環(huán)境和冬春閑置期，實(shí)現(xiàn)“一水兩用，一田雙收”，有效提高稻田產(chǎn)出率和資源利用率，增加農(nóng)戶收入。小龍蝦以稻田內(nèi)的秸稈、害蟲和水草等為食，可減少飼料投入，而其排泄物和剩余殘餌又可為水稻提供生物肥料，減少肥料投入，充分實(shí)現(xiàn)了水稻和小龍蝦的互利共生[37]。

1.6 稻田低碳減排稻作

減少稻田甲烷（CH4）排放是農(nóng)業(yè)碳減排與碳中和的有效途徑和舉措。近年來(lái)，我國(guó)頒布了多項(xiàng)未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，明確提出建立低碳減排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。遴選高產(chǎn)低排放水稻品種，可有效減少稻田CH4排放。這些品種往往具備收獲指數(shù)高、穗大粒重、莖稈輸氧能力強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)等生物學(xué)特征，同時(shí)具有高產(chǎn)與減排的潛力[38]。優(yōu)化水分灌溉管理是稻田CH4減排的關(guān)鍵，中國(guó)水稻研究所研發(fā)了“好氧減排灌溉模式”，通過(guò)科學(xué)合理的控制稻田水量，形成淺、干、濕靈活調(diào)節(jié)的稻田CH4低排放水分管理模式，可減少稻季50%~70%CH4排放量，綜合增溫潛勢(shì)減少60%~70%[39]。優(yōu)化種植方式對(duì)于減少稻田CH4排放也有一定效果。采取淺水直播或旱直播技術(shù)，可消除育秧期間CH4排放，實(shí)現(xiàn)節(jié)本省工、穩(wěn)產(chǎn)降耗[38]。對(duì)于丘陵山區(qū)的淹水稻田，開溝起廂覆膜栽培，可以在灌溉時(shí)保持廂面無(wú)水、溝內(nèi)有水、土壤濕潤(rùn)的狀態(tài)，相比不覆膜栽培可減少50%~86%CH4排放[38]。施肥、有機(jī)物料投入和秸稈管理也能通過(guò)影響稻田土壤可利用碳氮養(yǎng)分，進(jìn)而改變稻田CH4排放。例如，緩控釋化肥、添加脲酶/硝化抑制劑的穩(wěn)定性肥料、側(cè)深施肥可減少稻田13%~43%CH4排放，協(xié)同減少N2O 排放和NH3揮發(fā)，提高肥料利用效率，在等養(yǎng)分投入條件下可提高水稻產(chǎn)量10%~28%[40-41]。此外，近期較多研究指出，稻田綜合種養(yǎng)能減少稻田CH4排放，減排比例可達(dá)19%~35%[38,42]。

2 水稻栽培學(xué)科國(guó)外研究進(jìn)展

在水稻機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)方面，歐美、日韓等發(fā)達(dá)國(guó)家水稻生產(chǎn)已實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化。美國(guó)、意大利和澳大利亞等國(guó)以機(jī)械化直播為主，日本、韓國(guó)等國(guó)家則以機(jī)械化插秧為主。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和生物技術(shù)的應(yīng)用，歐美等國(guó)在數(shù)智農(nóng)業(yè)發(fā)展中取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，水稻生產(chǎn)逐步走向了計(jì)算機(jī)集成自適應(yīng)生產(chǎn)，如美國(guó)在水稻種植過(guò)程中廣泛應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。該技術(shù)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并查清水稻生長(zhǎng)過(guò)程中田地的土壤性狀與生產(chǎn)力狀況，使用紅外成像系統(tǒng)配合衛(wèi)星鳥瞰和觀察農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)情況，配合生物量地圖系統(tǒng)及時(shí)判斷作物是否缺少營(yíng)養(yǎng)素，獲得當(dāng)下最適合作物生長(zhǎng)的肥料配方，從而通過(guò)變量施肥技術(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)耕作過(guò)程中的水、肥等生產(chǎn)要素投入量，生產(chǎn)更趨向智慧化、自動(dòng)化[43]。

國(guó)外在控制稻田溫室氣體排放方面也做了大量工作。中期曬田、干濕交替和間歇性灌溉是日本目前大范圍推廣的CH4減排水分灌溉模式，并提出延長(zhǎng)稻田中期曬田持續(xù)時(shí)間以進(jìn)一步降低CH4排放[38]。此外，日本也將秸稈堆肥完全腐解后再還田，并大力發(fā)展堆肥設(shè)備，或者將秸稈作為飼料喂養(yǎng)牲畜過(guò)腹后堆肥還田，這些措施均能顯著減少秸稈直接還田后導(dǎo)致的CH4大量排放[38]。印度、越南、泰國(guó)等亞洲水稻主產(chǎn)國(guó)，相繼提出通過(guò)水稻集約化生產(chǎn)、推廣直播稻、旱稻栽培技術(shù)來(lái)降低CH4排放，并將干濕交替、間歇性灌溉等作為減排技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用示范[44]。

3 水稻栽培學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)及展望

隨著人民生活水平的提高，我國(guó)稻米消費(fèi)結(jié)構(gòu)逐步發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變，市場(chǎng)對(duì)稻米的需求已由“吃飽”向“吃好”轉(zhuǎn)變，消費(fèi)者更加注重品質(zhì)、安全與健康。

消費(fèi)者的需求是水稻耕作栽培學(xué)科的研究目標(biāo)。本學(xué)科未來(lái)發(fā)展方向有：一是豐產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)并重，綠色與高效兼顧，在水稻豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)協(xié)同規(guī)律探索及其調(diào)控技術(shù)上取得重大突破。二是綠色栽培措施的研究與應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)我國(guó)水稻生產(chǎn)由資源消耗型向綠色高效型轉(zhuǎn)變，篩選綠色豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水稻新品種，研發(fā)精準(zhǔn)高效施肥施藥以及減控污染的新理論與新技術(shù)，構(gòu)建稻田綠色生態(tài)系統(tǒng)和水稻優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)綠色發(fā)展新模式。三是以水稻低碳可持續(xù)發(fā)展為核心，研究稻田固碳減排關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建水稻低碳綠色栽培新模式與新技術(shù)體系。四是全方位研究數(shù)字感知、智能決策、精準(zhǔn)作業(yè)和智慧管理的農(nóng)藝、農(nóng)機(jī)、信息融合的關(guān)鍵技術(shù)及其整合應(yīng)用，構(gòu)建水稻耕、種、管、收全過(guò)程智能化、無(wú)人化栽培模式與技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)水稻栽培技術(shù)里程碑式的更新?lián)Q代。五是植物表型組學(xué)成為數(shù)智農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一[45]。隨著植物表型獲取技術(shù)和設(shè)備的不斷完善，高通量表型組學(xué)研究正成為突破未來(lái)作物學(xué)研究和應(yīng)用的關(guān)鍵領(lǐng)域?；诠趯咏Y(jié)構(gòu)的光學(xué)圖像分析、識(shí)別作物非生物脅迫等將是水稻表型組學(xué)研究與應(yīng)用的重要場(chǎng)景，也是本學(xué)科重要的研究領(lǐng)域。