栽培模式對晉雜34產量及氮素吸收利用的調控效應

董二偉，王勁松，焦曉燕，武愛蓮，南江寬，郭 珺，王立革

(山西省農業科學院 農業環境與資源研究所，山西 太原 030031)

高粱是一種抗旱、抗澇及耐鹽堿的作物[1-3]，且是具有較高同化效率的C4作物[4-6]，也是我國鐮刀灣地區的主要作物之一。長期以來，由于缺乏適宜機械化栽培的高粱品種及其配套栽培措施，高粱生產機械化程度較低，妨礙了我國高粱種植業的發展[7]。近年來，我國飼料、釀造等產業對高粱的需求劇增，國產高粱供不應求[8]，據統計，我國進口高粱從2013年的107 萬t增加至2018年的505 萬t，成為我國重要的大宗農作物進口品種。

作物的適宜種植模式受生態環境及株型的影響[9-10]，不同株型玉米在不同密度下獲得較高產量的行距不同[11]。在小麥上株行距配置影響生長空間和光合特征，有效地調控產量構成要素，從而影響產量[9]；在降雨量有限的區域，高粱種植行距和密度影響土壤水分利用和籽粒產量[12]。養分資源吸收利用及分配也受栽培模式的影響[13-14]，因此,針對某特定品種研究和建立適宜栽培模式對提高產量、提高氮肥利用效率和降低農業生產面源污染具有重要的意義。近年來，我國涌現出一批適宜于機械化栽培的高粱品種,十分必要建立相應的栽培模式。

本研究采用新近選育的適宜于中晚熟產區的不具有分蘗能力的機械化栽培的高粱新品種晉雜34，研究了種植密度和種植模式對晉雜34生長及產量的影響，評價了種植模式對晉雜34養分吸收利用的調控效應，旨在為高粱機械化栽培提供理論依據，推進高粱生產的機械化水平。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2014-2015年在山西省農業科學院東陽試驗基地進行。該區域海拔799.4 m，年均氣溫9.7 ℃，歷年5-9月(生育期)多年平均降雨量為321.4 mm，無霜期188 d。供試土壤為碳酸鹽褐土，0～20 cm耕層土壤中<2 μm黏粒含量為1.67%，2～20 μm粉粒含量為11.63%，20～2 000 μm砂粒含量為86.7%；耕層土壤0～20 cm的EC值為230 μS/cm，pH值為 8.57，有機質為1.46～16.5 g/kg，全N為 0.84～0.90 g/kg，硝態氮為 11.0 mg/kg，有效P為 7.10～7.18 mg/kg，速效K為 170.6～194.0 mg/kg。播種前施N 225 kg/hm2、P2O545 kg/hm2、K2O 30 kg/hm2，其中，N肥以包衣尿素的形態施入，生育期不再追肥。5月10-15日播種，10月4日收獲。2014，2015年生育期的降水量分別為502，233 mm，月降雨量分布情況如圖1所示；2015年因天氣干旱，7月11日補充灌水40 mm。

1.2 試驗材料

供試高粱品種為晉雜34，株高為13.5 cm。

1.3 試驗設計

1.3.1 密度對晉雜34產量和氮素利用的調控 2014年試驗共設6個密度，分別為12.0，13.5，15.0，16.5，18.0，19.5萬株/hm2，其中，12.0 萬株/hm2為高稈高粱習慣種植密度，種植模式為50 cm等行距，小區面積24 m2，3次重復。

1.3.2 栽培模式對晉雜34產量和氮素吸收利用的調控 在2014年試驗的基礎上，2015年試驗共設9種栽培模式，分別為等行距50，60 cm和寬窄行(30 cm+70 cm)處理，不同行距下分別設12.0，15.0，18.0萬株/hm2共3個密度處理；小區面積24 m2，3次重復。

1.4 測定項目及方法

2014年分別在出苗后55，63，81，104，131 d，每小區內選擇具有代表性的9 株對株高、離地面2 cm的莖粗、單株葉面積進行調查。2015年在穗花期和成熟期每小區采樣6株，測定葉片、莖、(成熟期)穗及穗梗的干質量，保留樣品用于氮的測定；植株樣品用濃H2SO4消煮，采用全自動凱氏蒸氮儀測定全氮含量。2014，2015年收獲時，在每小區內按平均穗質量選擇具有代表的9(株)穗，脫粒考種，避開邊際0.5 m，各小區實收計產。

1.5 數據處理

用MINTAB 14 進行數據統計處理和相關性分析：2014年和2015年分別采用one-way ANOVA和two-way ANOVA進行統計分析，LSD法檢驗處理間在P<0.05水平的差異顯著性。采用Excel作圖。

葉面積指數(LAI)=單株葉面積×單位面積總株數/單位面積[15]

①

收獲指數(HI)=經濟產量/地上部總生物量[16]

②

氮累積量(kg/hm2)=植株含氮量×生物量[16-17]

③

營養器官氮轉運率 =(穗花期營養器官氮積累量-收獲期營養器官氮積累量)/穗花期營養器官氮積累量×100%[16]

④

氮肥偏生產力(PPNF,kg/kg)=籽粒產量/施氮量[17]

⑤

2 結果與分析

2.1 不同種植密度對晉雜34生長和產量的影響

圖2結果表明，種植密度顯著影響了晉雜34的株高、莖粗、單株葉面積和葉面積指數(P<0.05)：隨著種植密度的增加株高降低，莖粗減小，單株葉面積減小(P<0.05)；由于密度的補償緣故，葉面積指數隨密度增加顯著增加(P<0.05)，穗花期(即出苗后81 d)密度為18.0，19.5萬株/hm2處理的葉面積指數高達9.23～9.34，顯著高于12.0，13.5萬株/hm2處理的葉面積指數(7.60～7.64)。

種植密度對晉雜34的千粒質量沒有顯著影響(P>0.05)，但顯著影響了單穗粒質量和產量(P<0.05)：隨著密度的增加單穗籽粒質量明顯降低，密度為12.0萬株/hm2時高達81.20 g，顯著高于其他處理；密度在15.0～16.5萬株/hm2單穗籽粒質量差別不大，密度為19.5萬株/hm2單穗籽粒質量最低；在密度、千粒質量和單穗籽粒質量的綜合影響下，密度為18.0萬株/hm2時晉雜34具有較高的產量。密度對晉雜34的收獲指數沒有顯著影響(P>0.05)(表1)。

圖2 不同種植密度對晉雜34株高、莖粗、單株葉面積和葉面積指數的影響Fig.2 Effects of different planting densities on height, stem diameter, leaf area per plant and leaf area index of Jinza 34

表1 不同種植密度對晉雜34產量構成及產量的影響Tab.1 Effects of different planting densities on yield and its component of Jinza 34

注：同列數據后的不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。表2-4同。

Note: Means within the same columns followed by the different letter are significantly different atP<0.05. The same as Tab.2-4.

2.2 不同栽培模式對晉雜34生長和產量的影響

為了進一步確定晉雜34的最佳栽培模式，2015年進行了行距與密度的交互效應研究。穗花期調查結果表明，行距極顯著、顯著影響了株高、生物量，而密度極顯著影響了莖粗、單株葉面積(P<0.01)，但行距與密度的交互對其均沒有顯著影響(P>0.05)。30 cm+70 cm寬窄行時密度為15.0萬株/hm2株高最高；無論行距多少，密度為12.0萬株/hm2莖粗均較高，為19.71～21.12 mm，且隨密度增加單株葉面積降低；雖然行距、密度及其交互作用對葉面積指數沒有顯著影響，但表現出隨密度增加葉面積指數增加的趨勢；行距顯著影響了花期的生物量，但密度對其沒有顯著影響，60 cm等行距的生物量為10.12～11.25 t/hm2(表2)。

通過分析行距和密度對晉雜34產量構成的影響表明(表3)，密度極顯著影響了單穗籽粒質量(P<0.01)，隨密度的增加，單穗籽粒質量顯著降低，密度為12.0萬株/hm2時最高，為65.38～73.04 g；而密度為18.0萬株/hm2時，單穗籽粒質量僅為51.58～55.45 g；行距極顯著影響了千粒質量(P<0.01)，行距為60 cm等行距時千粒質量最高，其次為 50 cm等行距，30 cm+70 cm寬窄行千粒質量最低；行距也極顯著影響了晉雜34的產量，50 cm等行距最低，為9 132.53～9 670.06 kg/hm2，60 cm等行距產量較高，為10 354.71～10 721.61 kg/hm2，其中，以60 cm等行距密度為15.0 萬株/hm2產量最高，達10 721.61 kg/hm2。

表2 不同栽培模式對穗花期晉雜34生長的影響Tab.2 Effect of row space and planting density on growth of Jinza 34 at flowering stage

注：F值后*和**分別代表two-way ANOVA方差分析達到顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)水平，表3-4同。

Note:*and**afterFvalues donates significantly different atP<0.05 and atP<0.01 of two-way ANOVA, respectively. The same as Tab.3-4.

2.3 不同栽培模式對晉雜34氮素吸收利用的調控

由表4可知，在花期，行距對氮素的吸收累積量沒有顯著影響(P>0.05)，而密度顯著影響了氮的累積吸收(P<0.05)；多重比較結果表明，在50，60 cm等行距時隨密度的降低氮素的累積量增加；但在30 cm+70 cm寬窄行時，密度對氮素的累積沒有顯著影響。收獲時，行距和密度均極顯著影響了氮素的累積量(P<0.01)，隨密度的增加氮累積量顯著增加，以60 cm等行距時氮素累積量較高，其中15.0，18.0萬株/hm2的氮素累積量最高，50 cm等行距和30 cm+70 cm行距下12.0萬株/hm2氮素累積量最低。行距極顯著影響籽粒中氮素累積量(P<0.01)，但密度對其沒有顯著影響(P>0.05)。行距和密度均極顯著影響了營養器官氮素向籽粒轉移(P<0.01)，以50 cm等行距轉運率較高，且隨密度增加氮素的轉運率有降低的趨勢。行距極顯著影響了氮肥偏生產力，以60 cm等行距較高。

表3 不同栽培模式對晉雜34產量及產量構成的影響Tab.3 Effects of row space and planting density on yield and yield components of Jinza 34

表4 不同栽培模式對晉雜34氮素吸收利用的調控Tab.4 Regulation of nitrogen uptake and utilization in Jinza 34 by row space and planting density

2.4 不同栽培模式高粱產量與植株氮累積的相關性分析

圖3結果表明，籽粒產量與花前植株體內的氮素累積量相關性較差(r=0.059，P>0.05)，但籽粒產量與花后氮的累積量具有極顯著的正相關性(r=0.611，P<0.05)，也與最終收獲時植物總氮素累積量具有極顯著的正相關性(r=0.874，P<0.01)；但隨著花前積累，在營養器官的氮素轉運到籽粒中的轉運率增加，籽粒產量降低(r=-0.479，P<0.05)。

3 結論與討論

在一定的密度條件下，優化行距能夠構建較好的植物冠層結構，提高作物產量[18]。為了優化栽培模式，本研究在進行了不同密度對晉雜34生長和產量影響的基礎上，2015年進行了密度和模式交互的不同種植模式研究。2 年的試驗均表現出隨密度的增加，植株莖粗變小，單株葉面積降低；但由于密度的補償效應，2014年花期隨密度增加LAI顯著增加，密度為18.0，19.5萬株/hm2時LAI高達9.23～9.34，盡管2015年行距、密度及行距與密度的交互對LAI沒有顯著影響，但各行距處理下隨密度增加LAI有增加的趨勢，以18.0萬株/hm2時LAI最高，但僅為6.20左右，遠低于第1年的LAI，這可能是由于2015年度生育期降雨量較少的緣故，分析各LAI對應的產量結果表明，在目前栽培條件下晉雜34的LAI與產量關系不甚密切。

圖3 高粱籽粒產量與植株不同時期氮累積量及氮轉運率的相關性Fig.3 Relationships between grain yield and N accumulation of different growth stage and percentage of N transferred

栽培密度對小麥的千粒質量具有一定的影響[19]，本研究栽培密度對晉雜34千粒質量影響不顯著，但種植行距對千粒質量有極顯著影響，這與以前在玉米上的試驗結果相一致[18,20]。行距影響千粒質量，而密度影響單穗籽粒質量，這可能與晉雜34的株形有關，晉雜34葉片較寬，50 cm等行距和30 cm+70 cm寬窄行葉片間互相遮擋，而較寬等行距60 cm能使葉片較好向兩邊伸展而具有較高的千粒質量；密度增加極顯著降低單穗籽粒質量，這與其他學者的研究結果一致[21]，可能是由于隨密度增加單穗籽粒數降低的緣故。就籽粒產量而言，2014年雨量充沛，密度對籽粒產量有顯著影響，而2015年干旱年份，以60 cm等行距產量最高，寬窄行30 cm+70 cm對產量沒有促進效果，這與已有研究報道的結果相一致[22]，行距與密度(即株距)之間沒有明顯的互作效應。

氮素是影響作物生長最主要的元素[23]，氮素是反映作物生長狀況的重要指標[24]，行距和密度也會調控植物對氮肥的吸收利用[22,25]。本研究的結果進一步驗證了行距和密度調控晉雜34對氮素的吸收和累積，但不同時期密度和行距對氮素吸收影響不盡相同：穗花期低密度上調了氮素的吸收累積量，收獲時60 cm等行距上調了氮素的吸收累積量；盡管低密度促進了氮素的運轉，但收獲時氮素的累積量較低，說明高密度有利于花期后氮素的吸收。營養器官氮素轉移固然重要[23]，但與最終產量呈顯著負相關。本研究結果進一步表明，花期后氮素吸收顯著影響籽粒產量，這與Worland等[26]研究發現的花后和灌漿期氮供給狀況對高粱籽粒產量的形成非常關鍵相一致。

本研究表明，在中晚熟區，行距和株距對晉雜34產量構成影響有所不同，行距影響千粒質量，而株距影響單穗粒質量。不同栽培模式通過調控植株生長和氮素吸收影響了籽粒產量，栽培模式為60 cm等行距、密度為15.0萬株/hm2時獲得較高產量。

低密度促進了穗花前植株對氮素的吸收和累積，提高了營養器官氮素向籽粒中的轉運；而行距調控了穗花后氮素的吸收， 等行距60 cm時具有較高的氮素吸收量。

穗花前氮素累積量與產量沒有關系，穗花后的氮素累積量與籽粒產量呈極顯著正相關；營養器官向籽粒中氮素的運轉率與產量呈顯著負相關。通過栽培模式促進穗花后氮素吸收對籽粒產量提升具有重要的意義。