作物管理技术提高水稻收获指数的综述报告

本文是一篇综述性论文，标题为“Crop management techniques to enhance harvest index in rice”，由 Jianchang Yang 和 Jianhua Zhang 撰写，分别隶属于扬州大学（中国江苏）和香港浸会大学（中国香港）。文章发表在 Journal of Experimental Botany（2010年，第61卷第12期，3177–3189页），通过DOI:10.1093/jxb/erq112 提供在线访问，提前出版日期为2010年4月25日。文章的主要目的是探讨如何通过作物管理技术来提高水稻的收获指数（harvest index, HI），从而实现提高粮食产量与节约灌溉水的双重目标。

论文背景

21世纪农业面临两个主要挑战：一是需要增加粮食总产量以满足日益增长的世界人口需求；二是在水资源日益稀缺的情况下实现这一目标。水稻作为亚洲的主要粮食作物，为近30亿人提供了35%-60%的膳食热量（Fageria, 2003）。然而，水稻也是农业中耗水量最大的作物，占亚洲灌溉淡水资源的80%（Bouman and Tuong, 2001）。

随着全球气候变化、人口增长、城市化和工业化发展，水资源短缺问题日益突出。基于这种背景，提高水稻的水分生产率（water productivity, WP）成为关键研究点。若定义WP为粮食产量和蒸散用水量的比值，则可以通过提高收获指数（HI）来提升WP，而不会显著降低产量。基于此，水稻生产中的作物管理技术，如后期控水（controlled soil drying, CSD）、湿干交替灌溉（alternate wetting and drying, AWD），以及非淹覆秸秆覆盖栽培（non-flooded straw mulching cultivation, SM），被认为是提高HI和WP的有效方法。

论文的主要内容

本文系统回顾了如何通过改善水稻的HI来实现水分利用效率（water use efficiency, WUE）的提高。主要观点可以总结为以下几个方面：

第一，后期控水改善碳储备再分配并促进籽粒灌浆

后期控水能够促进植株体内碳储备（非结构性碳水化合物，non-structural carbohydrate, NSC）向籽粒的转移。研究发现，在水稻生长期的中后期，适度的土壤干燥有助于启动整个植株的衰老进程，促进NSC的水解、韧皮部装载以及碳的远距离转运。在控水条件下，碳水解酶如α-淀粉酶活性显著提高，与此同时，籽粒中参与蔗糖向淀粉转化的关键酶（如蔗糖合成酶、ADP-葡萄糖焦磷酸化酶、淀粉合成酶和淀粉分支酶）的活性也出现提升，这直接促进了籽粒灌浆速率。

实验数据显示，适度控水（土壤水势保持在-25 kPa）下，水稻的籽粒灌浆速率显著提高，与高氮条件相比，控水还能进一步提升HI和WUE（例如，表中ZHENDAO 88品种HI提升至0.50以上，WUE 接近1.32 kg grain m^-3）。

第二，湿干交替灌溉优化水稻的植株生长和水分利用

在灌溉农田中，连续淹水往往会导致冗余的营养生长以及低效的HI。湿干交替灌溉是一种通过在稻田周期性干燥和浸水交替来减少水耗的技术。在适度湿干交替（WMD）条件下（-15 kPa土壤水势），研究发现：

1. 优化的冠层结构：减少了非生产性分蘖数，但对有效分蘖和冠层中的有效叶面积影响较小；同时改善了叶片直立角度，使得水稻冠层能够容纳更多光合辐射，从而维持灌浆阶段正常的光合作用。
2. 增强的根系和植株活动：WMD处理显著增强了稻根的氧化活性和叶片光合作用效率，尤其是在恢复浇水后，稻株表现出更高的生长速率。
3. 提高的NSC再分配：WMD显著提高了NSC的转移效率和贡献率，进一步提升HI（最高达0.50）以及最终的籽粒产量和WUE。

与之相对，过度干燥（WSD）尽管促进了碳储备的分配，但显著降低了根系和冠层生长，最终导致产量下降。

第三，非淹水秸秆覆盖栽培提高水分生产率

非淹水秸秆覆盖（SM）是一种逐步推广的节水稻作技术，尤其适用于稻麦轮作区域。这一技术不仅可以解决小麦秸秆的处理问题，还能够显著减少水分蒸发和保持土壤水分。实验证明：

1. SM显著提高了WUE，尤其表现为土壤水分保持率的提升，同时产量（grain yield）得以维持在高水平（对比TF，ZHENDAO 88 的产量约为815 g m^-2）。
2. SM促进了植物碳储备从枝叶向籽粒的转移，并提升了灌浆效率和HI（达0.50），同时改善了植株的根系与冠层活动。
3. 虽然塑料薄膜覆盖栽培（PM）也极大地提升了WUE，但其表现出减产倾向，部分原因是过高的土壤温度对根系活性及冠层生长产生了负面影响。

研究建议，秸秆覆盖是一种更适宜的节水技术，尤其在水资源稀缺但气温适宜的区域。

论文的意义与价值

本论文的意义体现在以下几个方面：

1. 提供了一套系统的作物管理技术框架，为提高水稻HI、WUE及粮食生产力提供了理论基础和实证支持。
2. 强调通过作物管理技术实现农业领域的“节水增效”，既符合全球水资源紧缺的背景，又能够保障粮食安全。
3. 为不同地区的水稻生产提供了具体的技术建议，包括后期控水在氮肥过量使用或杂交稻种植中的应用，以及湿干灌溉或秸秆覆盖在水资源受限地区的推广。

亮点

1. 通过多个实验证明了适度土壤干燥对粮食产量及碳再分配的积极作用。
2. 提出了湿干交替和非淹水覆盖的应用潜力，结合了水资源管理与农业生产的具体需求。
3. 数据详实，涵盖多年的田间实验，充分验证了不同管理技术在实际生产中的可行性与适用性。

通过本文的分析，可以看出，在未来的水稻生产中，适宜的作物管理技术既能够满足重要的科研需求，也能够服务于水稻种植的实际问题。