l精确定量轻简化是作物栽培现代化的发展方向
1.1作物要高产、技术要简化是今后栽培技术的发展方向
粗放的、不科学的简化栽培,与高产背道而驰。解决技术简化与高产的矛盾,必须对技术实施科学的精确定量。作物精确定量轻简栽培是以“适宜的最少作业次数,在最适宜的生育时期,用最适宜的物化技术数量”,即“三适宜”上的精确定量。
“三适宜”精确定量,既能保证作物高产、优质,又能省工、节约资源、减少污染,达到“高产、优质、高效、生态、安全”的综合目标。
1.2“三适宜”精确定量,是从我国作物大面积高产实践中研究形成的将作物高产群体理论研究成果落实到群体诊断上来,建立生育各阶段群体质量诊断指标体系;把栽培技术研究落实到它的作用原理和技术定量的方法上来。将两者结合起来,使栽培技术的定量决策具有充分的理论和实践依据,具有普遍指导作用和广泛适用性。
1.3作物精确定量栽培技术具有广泛的参与性和综合性
1.3.1农业新成果的应用,必须精确定量
在农业物化技术成果(种、肥、水、机械化等)应用中,良种增产潜力的充分发挥,肥、水、机械化等物化技术成果的应用,都存在适时、适量等精确定量问题,否则将制约增产作用的发挥。
1.3.2各项栽培技术朝简化方向发展,需要技术的精确定量化
以水稻为例,抛秧、免耕抛秧、直播、机插等,都存在“密、肥、水”技术适时、适量的定量问题。实践证明,轻简栽培并不排斥精确定量,更需要精确定量。一些稻区长秧龄大苗移栽制度,更需要密、肥、水的技术定量。
1.3.3栽培新技术的研究应用,必须精确定量化
例如,水稻一次性控释肥料的研制,必须掌握从移栽(或直播)到穗分化期的叶龄(天数)和肥效最佳叶龄期,因品种、秧龄不同,从移栽到穗分化天数及肥效最佳叶龄期有很大差异,叶龄模式为适应这种差异,提供了定量方法,为生产多规格控释肥品种提供了依据。又如,化学调控剂的施用,存在最佳叶龄(天数)的问题。
1.4作物精确定量轻简栽培是加速作物生产信息化的一项基础建设
发展数字农业,对栽培决策做出快速反应,是农业现代化的一个方向。
栽培的信息化决策,本质上是要解决技术措施“三适宜”的精确定量问题。我国形成水稻(作物)精确定量栽培技术体系,在没有配套的信息化技术装备条件下,能解决高产栽培中关键技术的定量问题,是中国式、简易、适用的数字农业技术,切合当今大面积生产实际与农民科技水平现状。
目前,精确定量栽培积累的生长和管理模式、诊断指标、计算公式和计算参数,为今后发展栽培的信息化管理技术打好了一定的基础。
1.5我国自主创新形成的水稻精确定量轻简栽培理论和技术体系,达到具有普遍指导意义和广泛适用性的程度,只要进一步组织各地进行开发应用研究,明确各地精确定量轻简栽培的生育诊断指标和关键技术的计算参数值,便能更大面积推广应用其他作物(小麦、玉米、油菜、棉花等)参考水稻的研究思路和方法,也初步形成了精确定量轻简栽培的理论框架,积累了一些诊断指标和技术定量计算方法。
只要领导重视,立项组织联合研究,可在短期内形成各作物精确定量轻简栽培的理论和技术体系,并将对国际作物栽培的发展产生重大影响。
2高产群体生育各时期诊断指标的定量
2.1作物叶龄模式是确定作业最适时期的主要诊断指标,亦是确定必需的最少作业措施和适宜数量的重要依据
根据作物主茎出叶与其他各部器官生长的同步关系,用主茎心叶叶龄诊断(或预测)各部器官(特别是未外露器官)生长状况,来指导调控措施应用的适宜时间(叶龄),并建立以“叶龄模式”为基础的栽培新体系。
在禾本科作物上,先后建立了“水稻叶龄模式”、“小麦叶龄模式”和“玉米叶龄模式”,明确了三个最关键的叶龄期:即有效分蘖临界(可靠)叶龄期(玉米为壮苗叶龄期)、拔节叶龄期和穗分化叶龄期,为促进有效分蘖(或壮苗),控制无效分蘖和拔节,促进穗分化等调控技术的应用,提供了科学的叶龄依据。并相继建立了高产群体生长适宜数量的叶龄模式、群体叶色“黑、黄”变化的叶龄模式,为看苗诊断提供指标依据。
之后又相继建立了“棉花叶龄模式”和“油菜三组叶片”诊断方法,为合理计算棉花、油菜的基本苗和按叶龄制定促控技术,提供了科学依据。
近年来,国内在香蕉、西瓜等园艺作物栽培上,用叶龄指导施肥和栽培,亦取得了显著增产效果,表明用叶龄诊断在不少作物上具有实用价值。
实践证明,栽培技术真正能简化且高产,能达到作业次数最少、时间最适宜,离开了作物叶龄模式的应用,不可能做到。
2.2作物高产群体各阶段生育指标的定量
2.2.1 基本原理
最根本的是将作物高产群体结构的理论成果的应用,落实到群体诊断的质量指标上。
依据作物产量决定于结实期群体光合生产量的原理,作物生育各阶段的生长指标,应以构建结实期(开花一成熟期)高光效群体为总目标。
结实期高光效群体的核心指标是适宜叶面积指数(LAI)和硕大的库容(结实器官),同时配合以发达的根系和健壮的茎秆,发挥扩“库”强“源”作用。
先把高产群体开花结实期的结构指标明确,再按叶龄模式确定各阶段的群体生育指标。
2.2.2 高产群体生育各期的定量诊断指标(以水稻为例)
2.2.2.1 结实期高光效群体地上部形态指标①单位面积穗数适宜,基本上决定了适宜LAI。②在适穗(适当LAI)同时主攻大穗,扩大总颖花量(单产700kg/667 m2以上的每667 m2总颖花量在3 000万以上),必须调整茎生各叶长度,叶长序数应为倒数
2、3、1、4、5。③改善群体透光性,增强各叶功能:a.封行期必须控制在孕穗期一抽穗期达到;b.抽穗期无效分蘖残存数降低到总茎蘖数的5%以下.c.抽穗期各有效茎具有与伸长:节间数相等的绿叶数;抽穗后20 d左右,基部叶片保持绿色;成熟期能保持2片左右功能叶。④无病虫害。
2.2.2.2各生育阶段的生育指标水稻从移栽(或播种)至抽穗期按叶龄模式分为四个生育阶段(图1):①有效分蘖叶龄期(N-n)及时够苗,群体叶色显“黑”;②无效分蘖始期(N-n+1)至拔节叶龄期(N-n+3),群体叶色要“落黄”,控制无效分蘖的发生,把茎蘖成穗率提高到70%-80%,封行日期推迟到孕穗一抽穗期;③促穗期(枝梗分化至抽穗),叶色回升显二“黑”,形成大穗和完成穗数,并保证在孕穗至抽穗期封行,建成LAI适宜且库大的高光效群体;④结实期,单茎绿叶数平稳消减,提高结实率和粒重。
3栽培技术的定量
作物精确定量轻简栽培技术的“三适宜”精确定量主要涉及作物生育与季节同步性、基本苗定量、施肥定量和合理灌溉等。
3.1作物生育与季节的同步
根据作物结实期的光合生产量决定产量的原理,作物生育与季节的良好同步性的核心是将开花结实期安排在温光等气候条件最好的时期,即最佳开花结实期。
各地首先要确定最佳开花结实期,并采用合理播期、地膜覆盖、育苗移栽或延长秧龄等措施,确保开花结实期和最佳季节同步,并延长其同步期。
3.2合理基本苗的定量
基本苗是群体的起点,培育结实期高光效群体应从确定合理基本苗开始。以水稻为例,合理基本苗计算公式为:
合理基本苗(x)=每667 m2适宜穗数(y)/单株成穗数(Es),x=y/ES。
关键是求取单株成穗数(Es)。Es决定于移栽(或直播)后,至有效分蘖临界叶龄期(N—n或N-n+1)有几个有效分蘖叶龄数,及其能产生有效分蘖的理论值,及其实际的发生率(r)。
根据这一原理,建立的小苗移栽和直播稻的单株成穗的基本公式为ES=I(主茎)+(N-n-SN-bn-a)cr(分蘖穗)。
中、大苗移栽的单株成穗数为:ES=(1+t1)+【(1+t1)(N-n-SN一1~a)Cr1】+t2r2=(1+t1)[1+(N-n-SN一1一a)Crl]+ t2r2
根据和水稻相同的原理,小麦基本苗计算公式为:合理基本苗(x)=每667 m2适宜穗数(y)/单株可靠成穗数(Es);棉花基本苗计算公式为:合理基本苗(x)=每667 mz适宜总果节量(万)(v)/单株有效果节数(n);油菜基本苗的计算公式为:基本苗(x)=群体适宜主茎和一次分枝数(v)/单株一次有效茎枝数(n)+1(主茎)以上三种作物的单株成穗数(Es)、有效果节数(n)及有效一次分枝数(n)的求取方法参见《作物群体质量》(2000,上海科技出版社)。
3.3施肥的合理定量
施肥定量要解决获得一定产量的氮、磷、钾施用总量、施用的适宜时间和各期施用的合理比例等三个问题。
3.3.1氮、磷、钾施用量的确定
通过测土配方等试验所得出的氮、磷、钾比例,应被认为是当地合理的比例。再根据当地取得高产的氮肥施用量,按测土配方"3414"试验的氮、磷、钾合理比例,确定高产栽培的磷、钾的具体施用量。
3.3.2施氮总量的合理确定和前后比例
用斯坦福(stanford)差值法计算作物施氮总量公式为:
施氮总量(kg/667 m2)=[目标产量需氮量(kg)一土壤供氮量(kg)】/氮肥的当季利用率
笔者等在水稻上研究了取得公式中三个参数的求取方法:
(1)目标产量需N量=目标产量×
通过在同一地区、相同类型品种、不同产量等级100kg稻谷需N量的测定,进行回归分析,两者间呈抛物线关系。产量最高的100 kg稻谷需N量,即为所需求取的参数量(图2)。
(2)土壤供N量的求取
用不施N空白区稻谷的产量(基础产量)及其100 kg稻谷的需N量,求取反映土壤的综合供氮量(包括土壤、灌溉、降水及生物固氮的N),生产上应用方便。无N空白区试验应按土质、地力、前茬和品种类型不同,分别设置。
试验证明,在作物种植制度基本稳定的情况下,基础产量相对稳定(变异一般为5%左右),上年的资料可为以后几年作参数。基础产量和100 kg稻谷需N量、土壤供N量之间存在密切线性相关(图3)。
(3)N肥当季利用率的求取
首先要测定高产田的当季利用率。以2007年在贵州对黔两优58号的测定为例(表1),用同样的方法对所有高产田进行测定,结果发现,在同一个地点,只要注意氮肥不要过多、施肥方法上防止逸失,合理调整基蘖肥和穗肥的比例,实行合理的“前氮后移”,完全可使氮肥的当季利用率提高到40%-45%,甚至更高,达到节肥、高产高效的目的。
根据笔者等在江苏、云南、贵州等省设置的N素化肥基蘖肥与穗肥不同比例(8:2、7:3、6:4、5:5、4:6、3:7)的数十组专题试验,5个伸长节问的品种均以基蘖肥与穗肥比例6:4-5:5的产量最高,N肥的当季利用率可高达40%~45%;4个伸长节间的双季稻品种,以7:3-6:4的产量最高(以6.5:3.5作为通用比例),N肥的当季利用率高达40%-46%。故把N肥当季利用率42.5%左右(40%一45%)作为确定适宜施N总量的计算参数,说明要获得高产,施氮前后比例必须合理。
(4)当三个参数求取的方法解决后,各地就可用取得的参数值,计算目标产量所需的总N量,并按前后合理比例分配基蘖肥和穗肥的用量。
(5)在小麦、玉米、棉花、油菜等作物上,笔者虽未能对三个参数的求取作系统研究,但有研究表明,水稻.上应用斯坦福公式计算施N总量,用合理调整前后施N比例来提高N素当季利用率的原理,在小麦等作物上证明是有共性的。
3.3.3施肥的适宜时间
磷钾的施用时间仍用已有的成功经验,磷肥以全部作基肥为好,钾肥以基肥和穗肥(或花铃肥、薹花肥)各半施用为宜。
氮肥的施用时期要符合作物吸氮规律和对群体调控的要求。按保证“苗期”适量供氮、“并旺期”足量供氮,严格控制“落黄”稳长期供氮的共同原则,在按计划施用基肥的基础上,追肥的施用分别为:
水稻:分蘖肥施用,在移栽后距“落黄”稳长期有5个叶龄期时,可在移栽后一个叶龄期内施一次分蘖肥;移栽距“落黄”叶龄期在4个叶龄以下时,不施分蘖肥,将其提早作移栽面肥施用。穗肥的施用,5个以上伸长节间的品种,一般在倒4和倒2叶龄期分二次施用,4个伸长节间的品种,一般在倒3叶期一次施用。
小麦:追施氮肥一般只需施一次分蘖肥和一次拔节长穗肥,控掉腊肥和返青肥。
玉米:在施用基肥(总N的30%左右)后,去掉苗肥;于倒10叶期(果穗分化前2个叶龄的大喇叭口期)施足穗肥(总量的60%左右),倒2叶施粒肥(占10%左右)以增加结实粒数和粒重。
棉花:各地棉株果枝台数的不同,施氮次数和时间有较大差异。以江苏15-20台果枝的棉田为例,在施用基肥(15%一20%)后,追N一般是3次花铃肥,去掉传统的蕾肥。第一次是在初花时施用,占总N量的20%;第二次在开花后基部结2-3个大铃时施用,占总N量的60%~65%,亦称当家肥;第三次在打顶后10 d左右施用,占15%~20%,亦称桃肥,可防止早衰增加铃重。
油菜:追施氮肥一般分2次。一次是苗肥,另一次是薹花肥。在冬前形成强壮个体时,不施抽薹肥,在始花期施一次花肥;在冬前生长不足的情况下,于现薹期施一次抽薹肥。
3.4灌溉的合理定量
合理定量灌溉起供应水分和调控群体的双重作用。
3.4.1水稻
应通过合理的灌溉与搁田协调土壤的水气矛盾,协调地上部和地下部的生长。高产节水灌溉的基本模式应分三段:①移栽至有效分蘖叶龄期前,以浅水层灌溉为主,并在2次灌水间进行适当的断水露田;小苗移栽后初期断水露田的次数稍多些。②有效分蘖末期(N-n-1),当群体茎蘖数达预期穗数的80%左右时,即断水搁田,经1-2个叶龄(即N-n叶和N-n~l叶)土壤板实有裂缝,叶色褪淡“落黄”,即达到控苗稳长的目的。③穗分化开始后,水稻进入地上和地下部生长两旺的时期,应采用浅湿交替的湿润灌溉方式,田间基本不建立水层,保持湿润状态,每次灌水层2~3 cm后,落干保持3~4 d湿润,如此周而复始,直至成熟。如上灌溉方式既满足稻株生理需水的要求,又满足了根系生长和提高活力的需要,使根系有更多的激素合成运至地上部,促进大穗形成,提高结实率和粒重,并可防止根倒伏。
3.4.2小麦
南方多雨地区,小麦一生必须注意排水降湿防渍。北方干旱地区,高产小麦必须有灌溉条件,从保证高产和节水的要求出发,小麦一生一般必须灌三次水,即底墒水、拔节水和抽穗或灌浆水,同时必须排掉冬水和返青水。拔节水灌溉于倒3叶和拔节肥施用配合进行。
3.4.3玉米
我国南方玉米产区生长前期多雨,应注意排涝,后期应注意灌溉,防秋旱。北方地区玉米易受旱,有灌溉条件的,要求保证出苗水、果穗分化水和抽雄水,达到全苗、壮苗,促进大穗形成和增加粒重。
4统一认识,联合协作,为振兴中国特色的作物栽培科学、促进作物大面积增产增效作贡献
作物栽培的发展方向,是一个亟待明确的问题,它关系到学科的生存与发展。为了明确方向,有几个认识问题必须统一。
4.1 关于对确立作物栽培的共性(核心)理论和技术体系的认识
农学各专业中,育种、土肥、植保、农机等研究产生应用于大面积生产的技术成果,主要是物化成果,增产作用易被社会承认。
作物栽培成果,是非物化的软技术成果,是通过合理应用各种物化成果而发挥增产作用的,表现形式仍就是物化技术的应用,使人们不易看到软技术的作用,因此不易为社会公认,被领导重视。
同时,作物栽培自古就是一门综合性的生产技艺,农民自己靠家传就会种田,因而社会流传“农民自己会种田”的说法。如果科技人员种田技术比不上农民,很难使社会承认栽培软技术的增产作用。
再则,各地农民种田,反映出明显的地方性特点,农户之间也有差异。而栽培学界对学科的共性(核心)理论与技术体系的重要性认识不足,强调栽培多样性和因地制宜的多,对建立具有公信度的作物栽培共性(核心)理论和技术体系的认识很不统一,以致社会上把作物栽培误以为是缺乏自身科学理论和技术体系的,停留在经验水平的、地方性的生产技艺。
由于社会上存在上述认识,导致长期以来作物栽培在农学科技中的地位和作用得不到应有的肯定。进而造成栽培科技立项难,投入少、支持少的局面,使作物栽培科技事业的发展,受到很大的不利影响。
必须统一对确立栽培共性(核心)理论和技术体系的重要性的认识。只有当被公认的共性(核心)理论和技术体系被确立以后,才能树立起栽培软成果显著增产作用的良好形象,得到社会的重视和支持。这个共性(核心)理论和技术体系,必须具备三个主要条件:
(1)在全国(或很大区域)具有普遍指导性和广泛适用性,显示它的理论性和科学性。
(2)技术体系要模式化、规范化。凡按模式、规范操作的,增产潜力就大;反之,增产就少,甚而减产。
(3)栽培诊断要指标化,措施要定量化。便于基层农技人员(或种田大户)学习、掌握、应用,能自己培育高产田,指导农民大面积增产,显示农技员的种田水平高于农民。
4.2水稻精确定量轻简栽培具备作为栽培共性(核心)理论和技术体系的条件
2009年4月,农业部在贵阳召开“水稻精确定量栽培”示范推广的启动会,正式宣布该技术作为全国水稻高产创建的主推核心技术,并要求在滇、贵、川、渝、鄂、豫、皖、苏、浙、琼、粤、桂、湘、赣、闽、辽、吉、黑18个水稻主产省全面启动,后上海和内蒙古要求参加,共20个省(市、自治区)。共实施147个示范片,合计2.1万hm2,在不同栽培制度和栽培方式下,平均增产18.1%,节本7.3%,每667 mz纯收益增255.4元(增39.1%),氮素当季利用律提高10个百分点以上,节水20%以上。
2009年在柬埔寨应用,增产1倍以上,证明水稻精确定量栽培理论和技术体系具有普遍的指导作用和广泛的适用性。
4.3“精确定量”是科学栽培技术的“核心”
水稻精确定量栽培技术之所以具有普遍指导作用和广泛的适用性,根本原因是揭示了水稻高产生长规律和栽培技术的调控规律,并遵循这些规律进行栽培过程的“精确定量”。
生长规律方面,用“叶龄模式”将生育进程在时间上精确定量;用群体质量指标理论将高产群体的空间结构和各生育阶段的发展指标作精确定量。
栽培技术上,紧紧围绕构建高产群体各生育阶段适宜的生长指标,针对不同栽培条件,对密、肥、水等主要调控技术,在“三适宜”上进行精确定量。
“精确定量”成为科学栽培理论与技术体系的“核心”。
参加了水稻精确定量栽培技术培训和试验示范实践的基层农技干部普遍反映:水稻精确定量栽培技术,“生长有模式、诊断有指标、调控有规范、措施能定量”,易学易掌握,栽培技术水平得到飞跃式提高。通过两年左右的实践就能独立设计高产精确定量栽培方案,亲自搞示范田并创造当地高产纪录,敢于主动下乡指导农民提高大面积水稻生产水平,在农民和领导面前,真正体现出一位农技干部的作用与价值。生产实践证明,“精确定量”对作物栽培的理论与技术体系的发展产生了革命性的作用。
目前,对水稻的“精确定量”栽培存在不同看法,但“作物要高产、技术要简化”的矛盾怎么解决?不对技术精确定量,还有什么其他办法来解决这对矛盾。
美国“3s”农业是先进的“精确定量”农业,被认为是今后的方向,我国也专门拨款开展这项研究,为什么我国自主创新建立的、简易适用的“精确定量”栽培技术就不是发展方向了呢?
近50年的栽培研究实践使笔者坚信:无论何时、何地,为了达到作物“高产、优质、高效、生态、安全”的综合目标,都要搞清楚高产群体的生育规律及其定量诊断指标,都要搞清楚调控技术的原理、调控的适宜数量、次数和适宜时间等定量问题。不管你改用其他什么名称,但“精确定量”作为作物“轻简、高产”栽培理论与技术体系的“核心”,是改变不了的,是发展方向。
4.4以“精确定量”为主线,多课题、全方位开展研究,为振兴中国特色的作物栽培科学共同努力
4.4.1 以“精确定量”为“主线”,是为了唱响它,引起社会和领导对作物栽培的重视,聚集全国栽培的力量,在短期内产生重大的成果
育种上的“超级稻”唱响了,聚集了全国水稻育种的精英,育成了一批超级稻品种。作物栽培上目前能唱响的是什么“技术”?看来还是水稻精确定量栽培,它已经形成的理论体系和广泛使用的能精确定量的技术方法,以及积累的一套成熟而又简易的研究方法,在其他作物上可“拿来”应用,很快产生重大成果。因此把“精确定量”作为唱响栽培的“主线”是适宜的。
4.4.2“主线”不是“排它”,而是要推动栽培研究的发展,多出成果,出大成果。这和在“超级稻”旗帜下有各自的“超级稻”成果是一样的道理
(1)水稻“三适宜”精确定量的技术成果在其他作物上应用,形成其他作物的“三适宜”精确定量栽培技术体系,并可显著提高大面积产量,应成为“引进创新”的重大成果。
(2)水稻“三适宜”精确定量栽培的理论与技术体系虽已形成,但要推广到各省,必须把定量计算的各项参数“本土化”。如能在一省(或地区)范围内,把最佳抽穗结实期,品种的叶龄模式,不同栽培条件下密、肥、水技术精确定量的各项参数测定研究清楚了,就能写成当地的《水稻高产精确定量栽培理论与技术》专著,用于指导当地大面积高产,用于培养大批高素质水稻栽培人才,并永续发挥作用。这同样是“引进创新”的重大技术成果。
(3)对当地传统的不合理的密、肥、水管理技术,近年来推广的各种轻简栽培技术,以及正在研究的如一次性控释施肥和化调等新技术的应用上,都可以用“精确定量”的原理和技术,对这些技术在应用的“时间上”、“数量上”作合理定量的改进,可以提高这些技术的应用水平和产量、效益水平,形成单项的精确定量技术成果。
(4)生产上有各种抗灾技术,虽然目前尚不清楚它们的技术定量问题,但都应该单项研究,并逐渐明确定量问题。
4.4.3发挥作物生理生化等基础研究对提高“精确定量”水平具有积极作用
作物生理学是作物栽培的专业基础,为栽培提供了基础生理知识以及各种缺素、生理障碍等的诊断方法。在栽培现代化的讨论中,曾有作物栽培应向提高作物生理生化研究水平方向发展的主张。但对作物高产栽培来说,最需要的是解决作物高产群体生育指标的精确定量和调控技术的精确定量,以及寻找新的调控方法。这些虽然不是作物生理研究的主要对象,但今后在作物高产群体生长指标的诊断方法上,根据作物的生理指标指导调控措施的精确定量上,以及针对各种需要、产生各种迅速有效的各类生长调节物质等方面,生理的研究还是大有作为的,对提高“精确定量”水平可发挥基础性支撑作用。
4.4.4积极吸纳其他农技先进物化成果、各种机械化栽培技术装备、田间诊断技术、以及农业信息化管理技术,进行专题研究,消化吸收,重新组装,使作物精确定量栽培技术迈上更高的水平,继续保持世界领先地位
在这个过程中,始终要把握以“我”为主,显示栽培技术在增产中的主导作用。因此,在吸收消化其他新技术、新成果的过程中,把握住了“三适宜”精确定量这个关,就十分重要了。“三适宜”精确定量不属于其他学科所有,而是栽培学科的“原创”,是科学栽培的“灵魂”。
最后还要强调,只有对栽培现代化的发展方向取得共识,才能形成合力,开展联合攻关,栽培科学的振兴才大有希望。
凌启鸿
(扬州大学农学院,江苏扬州225009)
中国稻米2010,16(4):1—6