全生物降解滲水地膜覆蓋冬播谷子產量結構關系分析

李瑞珍， 姚建民*， 王忠祥， 高鳳翔， 竇貴新， 楊瑞平，劉釗， 張繼， 張振宇

（1.山西農業大學農業經濟管理學院，太原 030006； 2.中國農村技術開發中心，北京 100045； 3.中國科學院長春應用化學研究所，長春 130000； 4.長治市農業技術推廣中心，山西 長治 046000； 5.山西農業大學園藝學院，太原 030006； 6.清水河縣農牧技術推廣中心，內蒙古 清水河 011600）

春季干旱是我國北方谷子主產區面臨的共性難題。全生物降解滲水地膜覆蓋冬播谷子是一項有機旱作新技術[1]，借鑒以往冬播谷子經驗，應用新的技術方法[2]，可以實現“秋雨冬儲春用”，有效緩解長城沿線半干旱生態區常年易發生的春夏連旱難播種問題，也能夠將生育期較長的優質谷品種的種植向高緯度和高海拔生態區延伸，拓展優質谷的適宜種植區域。生物降解滲水地膜[3]覆蓋冬播谷子還具有抗倒、抗病、早熟、優質、高產、環保和調節勞動力年內季節分配等優勢[4]，研究冬播谷子的農藝性狀，找出不同品種不同區域冬播谷子有機旱作的生長發育動態規律，提出針對性的、有效的生產管理措施，對推廣冬播谷子種植技術、促進生物降解滲水地膜覆蓋有機旱作產業發展[5]和充分利用降水資源[6]、指導滲水地膜旱作農業[7]生產保障糧食安全具有重要戰略意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試品種為‘晉谷21號’‘晉汾107號’‘長雜466號’和‘晉谷56’。

試驗用地膜為1300 mm×0.007 mm聚甲基乙撐碳酸酯（poly propylene carbonate，PPC）全生物降解滲水地膜[8]和600 mm×0.01 mm聚乙烯（polyethylene，PE）普通地膜，由山西微通滲水膜生物科技有限公司生產。

試驗用鋪膜播種機為2MB-1/3鋪膜谷子穴播機和2MB-1/2鋪膜谷子穴播機，由山西省長治市神禾永成農機科技開發有限公司生產。

1.2 試驗方法

1.2.1 種植模式設計 冬播谷子有機旱作試點區：采用PPC基全生物降解滲水地膜覆蓋冬播谷子機穴播種植模式[9]，播種方式為2MB-1/3鋪膜谷子穴播機，1膜3行，膜上全覆土，種植帶寬150 cm，穴距20 cm，每穴下種7～10粒。2021年11月初完成整地，施腐熟牛羊糞45 m3·hm-2，采用谷種透氣低溫憎水包衣劑[10]進行種子包衣，可防止霉變和控制種子10 ℃以下處于疏水狀態不發芽。山陰縣試點和渾源縣試點播種時間為2021年11月20—26日；長治市屯留區試點和潞城區試點播種時間為2021年12月11—15日。

春播谷子有機旱作試點區：2021年11月5日整地，施腐熟牛羊糞45 m3·hm-2，采用生產上常用的PE普通地膜覆蓋春播谷子機穴播種植模式，用2MB-1/2鋪膜谷子穴播機，1膜2行，種植帶寬150 cm，穴距20 cm，每穴下種6～8粒，播種時間為2022年4月16日。

1.2.2 田間設計 晉北試點設山陰縣雙山村和渾源縣洪水村2個試驗點；晉東南試點設潞城區黃牛蹄村、馱坡村、樓后村和屯留區崗上村4個試驗點。

山陰縣雙山村冬播谷子有機旱作試點，2021年11月20日冬播‘晉谷21號’（處理Ⅰ）和‘晉汾107號’（處理Ⅱ），種植面積分別為8和4 hm2；2022年4月16日春播‘晉谷21號’作為對照（CK），種植面積1.33 hm2。試驗示范種植面積13.33 hm2，地力均勻，大區連片種植采用順序排列，2022年9月30日收獲。

渾源縣洪水村冬播谷子有機旱作試點，2021年11月26日冬播‘晉谷21號’（處理Ⅲ），種植面積2 hm2，2022年10月1日收獲。

潞城區黃牛蹄村、馱坡村和樓后村冬播谷子有機旱作試點，2021年12月12—15日冬播‘晉谷21號’（分別記作處理Ⅳ、處理Ⅴ和處理Ⅵ），種植面積均為1.33 hm2，2022年9月1日收獲。

屯留區崗上村冬播谷子有機旱作試點，2021年12月11日冬播‘晉谷56’（處理Ⅶ）和‘長雜466號’（處理Ⅷ），種植面積均為0.67 hm2，2022年9月1日收獲。

1.3 測定項目

2022年5月12日，對冬播谷子有機旱作各試點進行死苗率調查，每個試點調查面積6.67 m2，樣點3個，死苗數在總苗數中的占比為死苗率，以百分數表述。冬播谷子有機旱作收獲期取樣測試時間為：屯留區和潞城區，2022年8月29日至9月1日；渾源縣試點，2022年9月25日；山陰縣試點，2022年9月29日。分別按照樣點取樣法測定各處理的株高、莖粗、白發病發病率、成穗數、穗粒數、千粒重、產量等農藝性狀。

1.4 測定方法

按照種植方式和品種，在田間每個處理選取3個樣點，計數樣區6.67 m2面積內株高、莖粗、成穗數，切穗脫粒后稱重，測出平均含水率并按13.5%折算標準干重，計算平均穗粒標準干重和單位面積產量。

由于2022年北部霜凍發生在9月22日，比常年提早了7 d左右，部分谷子未能完全成熟，秕谷率高[11]，為了更準確地表述真實產量，將樣點谷子取回后進行室內考種，剔除秕谷后進行飽滿谷產量計算。秕谷是指將收獲的谷穗除去枝梗和剛毛以及未發育成完全小花的稃片后灌漿不飽滿的谷子，可通過風選法和水選法取得。

然后，對每個去掉秕谷后的樣品采用四分法取樣，重復3次測定每個樣品的飽滿谷平均千粒重，再根據計算出的平均穗粒干重與飽滿谷千粒重，折算出飽滿谷穗粒數后進行統計分析。

1.5 數據分析

試驗數據采用Microsoft Excel 2007和SPSS 26.0統計軟件處理分析，對測試結果進行方差分析并用LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同冬播谷子試驗區不同品種的農藝性狀表現

不同處理冬播谷子與早春播谷子晚霜后的農藝性狀如表1所示，2022年5月12日晚霜凍過后測定的處理Ⅰ、處理Ⅱ、處理Ⅲ和CK的死苗率分別為31.5%、32.0%、34.5%和32.5%，而處理Ⅳ～Ⅷ的死苗率為0%，與CK差異顯著。北部試點（處理Ⅰ～Ⅲ）3個冬播處理和早春播的對照晚霜凍過后的死苗率均高達31.5%以上，且四者之間無顯著差異，說明晚霜凍會對北部地區冬播谷子和早春播谷子產生較為嚴重的凍害，而處理Ⅳ～Ⅷ的死苗率為0%，說明晚霜凍對晉東南試點的冬播谷子影響不大。

表1 不同處理冬播谷子與早春播谷子晚霜后的農藝性狀Table 1 Agronomic characters of winter sown millet and early spring sown millet under different treatments after late frost

2022年8月29日在晉北試點、2022年9月29日在晉東南試點取樣測定收獲前植株高度，處理Ⅰ、處理Ⅱ、處理Ⅶ、處理Ⅷ和CK的株高分別為132、130、150、130和145 cm，可以看出，與CK相比處理Ⅰ、處理Ⅱ、處理Ⅷ可顯著降低植株高度，而處理Ⅳ、處理Ⅴ、處理Ⅵ可顯著增加植株高度；處理Ⅲ、處理Ⅶ與CK的高度無顯著差異，可能與管理措施不同有關；處理Ⅰ冬播‘晉谷21號’谷子在山陰縣雙山村株高132 cm，與CK早春播‘晉谷21號’谷子在山陰縣雙山村株高差異明顯，說明同一品種冬播的株高比春播的降低明顯。進一步分析可以看出，在晉北試點冬播‘晉谷21號’的株高比在晉東南潞城區黃牛蹄村（162 cm）、馱坡村（162 cm）和樓后村（163 cm）的株高降低15.5～30.0 cm，說明冬播谷子在北部種植株高會變矮。

從表1可知，冬播谷子各個處理的成熟期莖粗為6.4～7.8 mm，CK的莖粗為5.3 mm，說明冬播谷子能夠顯著增加谷子的莖粗。

從表1中還可以看出，處理Ⅱ、處理Ⅲ之間秕谷率無顯著差異，處理Ⅳ、處理Ⅴ、處理Ⅵ、處理Ⅶ之間秕谷率無顯著差異，與處理Ⅰ（48.09%）和CK（63.86%）差異顯著，處理Ⅰ和CK之間秕谷率差異顯著。處理Ⅰ和CK秕谷率高的主要原因是2021年9月22日發生重霜凍，冬播‘晉谷21號’和早春播‘晉谷21號’未成熟遭受凍害所致，處理Ⅰ的秕谷率比CK相對低的原因是冬播‘晉谷21號’比早春播‘晉谷21號’谷子的成熟度好。秕谷率高不但影響產量，而且還會減少優質飽滿度好的優質谷的比例[12]。同樣是冬播‘晉谷21號’谷子品種，處理Ⅲ渾源縣洪水村的秕谷率為34.25%，顯著低于處理Ⅰ山陰縣雙山村（48.09%）13.84個百分點，調查其原因是處理Ⅲ增施了600 kg·hm-2磷酸二氫鉀底肥和在孕穗期追施了150 kg·hm-2尿素，而處理Ⅰ只施用有機肥，說明施肥促進了生長發育并能提早成熟。

從表1中還可以看出，處理Ⅰ山陰縣雙山村冬播‘晉谷21號’的產量為3694.65 kg·hm-2、處理Ⅱ冬播‘晉汾107號’的產量為3661.95 kg·hm-2，二者無顯著差異，與CK早春播‘晉谷21’產量差異顯著，分別增產10.04%和9.43%；與處理Ⅲ～Ⅷ的產量水平有顯著差異，處理Ⅲ～Ⅷ的產量分別比CK增產74.63%，61.99%，115.73%，82.69%，93.59%和68.48%；8個冬播谷子處理的平均產量水平為5749.23 kg·hm-2，比CK增產71.29%，說明冬播谷子增產幅度大。

2.2 不同區域不同樣點的冬播谷子產量水平與產量結構關系分析

通過變異系數分析可知（表2），冬播谷子的產量變幅最大，采取技術措施調控產量的空間最大。在產量構成因子中，水選后的千粒重（X3）分布在3.25～3.40 g之間，變異系數最小，說明谷粒達到飽滿后的調控空間不大；飽滿穗粒數（X2）在3529～7926粒之間，變異系數較大，說明采取措施調控穗粒數的空間大；成穗數（X1）分布在22.50萬～45.75萬穗·hm-2，變異系數較大，說明采取技術措施調控成穗數的空間也較大。

表2 各試點冬播谷子產量與產量結構Table 2 Yield and yield structure of winter sown millet in test site

LnX1、LnX2、LnX3分別是成穗數X1、飽滿穗粒數X2、飽滿千粒重X3的自然對數，可縮小數據的絕對數值變動范圍，解決數據的異方差問題。LnX1與LnX3、LnX2與LnX3屬于中低度相關，且顯著水平較高，因此進一步采用VIF法檢驗回歸模型的多重共線性問題，結果VIF值為1.29＜10，表明該模型通過檢驗。

通過成穗數LnX1、飽滿穗粒數LnX2和飽滿千粒重LnX33個產量構成因子的相關系數的相關分析（表3）可知，在相關關系中，LnX2與LnX3相關系數最大，說明籽粒越飽滿谷穗的飽滿籽粒數就會越多；LnX1與LnX3的相關系數較大，說明成穗數多時，籽粒飽滿的幾率也大；LnX1與LnX2的相關系數最小，說明成穗數與飽滿穗粒數的相關性不密切；雖然3個產量構成因子間的相關系數差異達到顯著水平，表現為X3水選后的千粒重與X2穗粒數r32＞X3水選后的飽滿千粒重與X1成穗數r31＞X2穗均飽滿谷籽粒數與X1成穗數r21，但相關數值不大，說明3個產量構成因子的相關性不強。

表3 產量構成因子的相關分析Table 3 Correlation analysis of yield component factors

通過對表2進行回歸分析，其回歸方程如下。

從表4可知，冬播谷子產量構成因素中的水選后千粒重（X3）的回歸系數b3=1.113＞穗粒數（X2）的回歸系數b2=1.003＞成穗數（X1）的回歸系數b1=0.980；用回歸系數的相對占比計算出各產量結構因子的貢獻率[13]，成穗數（X1）的貢獻率為100×b1/(b1+b2+b3)=31.65%、穗粒數（X2）的貢獻率為100×b2/(b1+b2+b3)=32.40%、水選后的千粒重（X3）的貢獻率為100×b3/(b1+b2+b3)=35.95%，雖然水選后的千粒重（X3）的貢獻率＞穗粒數（X2）的貢獻率＞成穗數（X1）的貢獻率，但3個產量構成因子的貢獻率數值接近，說明3個產量構成因子對產量的貢獻率基本相當。因此，冬播谷子獲得高產的重要技術途徑是三者齊頭并進一起抓，應采取的措施是選擇大粒品種追施穗肥促進籽粒飽滿、加強生育期管理促進成熟增加穗均飽滿谷籽粒數和加大播種密度增加成穗數。從表2中可以看出潞城區馱坡村冬播‘晉谷21號’產量最高，其結構組成是飽滿千粒重最大、成穗數最多并維持了較多的飽滿穗粒數，三者共進獲得高產，也佐證了上述結論。

表4 冬播谷子產量水平與產量結構回歸分析Table 4 Regression analysis of yield level and yield structure of winter sown millet

3 討論

3.1 谷子冬播比早春播長勢壯、產量高和成熟度好

盡管全生物降解滲水地膜冬播‘晉谷21號’比早春播‘晉谷21號’谷子株高降低14 cm、莖粗增加1.7 mm、產量增加10.40%，但由于在晉北冷涼半干旱區的山陰縣雙山村種植區2022年的無霜期較短、有效積溫較低，無論‘晉谷21號’是冬播或早春播水選法測定的秕谷率卻高達48.09%和63.86%，比在同一地點種植的冬播‘晉汾107號’的秕谷率分別高13.97和29.74個百分點，比在晉東南試點種植的冬播‘長雜466號’的秕谷率分別高23.50和39.27個百分點。2022年在內蒙古清水河縣韭菜莊村試驗的早春播‘晉谷21號’同樣受到早霜凍危害，其水選法測定的秕谷率也高達45.58%。因此，在北部地區冬播和早春播谷子品種應選擇生育期較短、產量潛力大的優良品種才能降低秕谷率、提高產量。降低秕谷率除了要具備良好的氣候條件及土壤肥力等基本條件外，應針對秕谷產生的生物學、生長發育營養原因等采取一系列的養根保葉促灌漿促成熟措施。我國北方谷子生長季氣候溫度適宜度呈現由東向西、由南向北遞減的規律[14]，合理設計冬播谷子的種植模式，可以將優質谷子品種的適宜區北移2個緯度或上移200 m的海拔高度。

3.2 提高冬播谷子產量需對3個產量構成因子一起抓

本試驗中，冬播谷子水選后千粒重和穗粒數以及成穗數3個產量構成因子的貢獻率基本一致，所以應對3個產量構成因子針對品種特性補短板，齊頭并進一起抓。比如‘晉谷21號’的特點是谷碼緊實，雖然穗粒數較多，但單穗飽滿籽粒數較少，需要重點加強成熟度管理，采取噴施葉面肥和植物生長調節劑能不同程度提高谷子的凈光合速率、氣孔導度、光化學熒光猝滅系數、電子傳遞速率、PSⅡ實際光化學效率等，從而改善谷子穗部性狀，增加單穗飽滿籽粒數和飽滿籽粒重[15]，也可以采取噴施磷酸二氫鉀和蕓苔素等措施，促進成熟增加單穗飽滿籽數，在此前提下加大播種密度提高成熟穗數就能提高冬播‘晉谷21號’的產量。

3.3 全生物降解滲水地膜冬播雜交谷成苗率低，潛力有待挖掘

在屯留區崗上村試點的冬播‘長雜466號’，由于其發芽成苗率僅有35%左右，冬播按照7～10粒下種量偏小，春季出現了基本苗數不足的問題，雖然成熟度高、單穗籽粒數多、千粒重大、秕谷率少，但由于成穗數僅有26萬穗·hm-2左右，需要加大播量到14～16粒才能保證一定的成苗率提高產量。由于雜交谷種子價位高，加大播量就會帶來投入成本的增加，推廣時要綜合考慮，選擇經濟適宜的播量。

3.4 冷涼半干旱區生物降解滲水地膜覆蓋冬播谷子的保苗率低，需加大播量

晉北冷涼半干旱區全生物降解滲水地膜覆蓋冬播谷子的山陰試點和渾源試點受到晚霜凍危害，谷苗凍死率在30%左右，隨著群體密度的增大，谷子株高、葉綠素b含量、胞間CO2濃度、最大光化學量子產量和結穗數明顯升高，莖粗、葉面積、干重、葉綠素a含量、類胡蘿卜素含量、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、表觀光合電子傳遞速率、硝酸還原酶活性、可溶性蛋白含量和穗粒重明顯降低，而對葉綠素（a+b）含量、非光化學猝滅系數和光化學猝滅系數影響較小[16]，播種量和成苗密度的設計應根據地域適宜種植的谷子群體結構綜合考慮[17]。本試驗中，每穴7～10粒的播量僅僅能維持成穗數在25.5萬～30萬穗·hm-2，因此，在冷涼半干旱區種植冬播谷子時，需要加大常規種播量到每穴10～12粒，加大雜交種播量到每穴14～16粒，成穗數穩定達到30萬～40萬穗·hm-2較為合理。

3.5 冬播谷子的鳥害影響大，應采取措施減輕鳥害

全生物降解滲水地膜冬播谷子成熟早，容易遭受鳥害[18]。在晉東南屯留區崗上村試點，由于從7月上旬開始抽穗到8月下旬成熟，成熟期比當地春播谷子提早2個月，又種植在毗鄰村莊的農田，面積僅0.7 hm2，開花灌漿期麻雀非常多，雖然采取了聲、光、電和驅鳥劑以及人工防鳥等多項措施，防鳥收效甚微，收獲期測定崗上村冬播谷子的鳥害損失率高達50%以上。而渾源縣洪水村冬播谷子試點，由于種植在遠離村莊且種植面積較大，未發生鳥害。為減輕鳥害對冬播谷子產量的影響，一是小面積種植試驗時應選用穗部帶剛毛的品種、種植在遠離村莊鳥少的地段，或架設防鳥網等；二是擴大冬播谷子的連片種植面積。