種植密度和施氮水平對谷子產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀的影響

王彥輝 樊永強 韓燕麗 苗兆豐 別海 劉勁哲 趙萬樂 張曉申

摘要：為明確河南省夏谷區(qū)谷子對種植密度和氮肥施用量的響應(yīng)情況，以鄭谷3 號為試驗材料，采用裂區(qū)設(shè)計試驗，以種植密度為主區(qū)、氮肥施用量為副區(qū)，分析不同種植密度（40 萬、60 萬、80 萬株/hm2）和施氮（純N）水平（0、60、120、180 kg/hm2）對谷子產(chǎn)量及相關(guān)農(nóng)藝性狀的影響。結(jié)果表明，隨著種植密度和氮肥施用水平的上升，谷子產(chǎn)量均表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢，不同種植密度以60 萬株/hm2 處理的產(chǎn)量最高，達到5 441.1 kg/hm2；對谷子產(chǎn)量隨種植密度的變化進行回歸分析得出，58 萬～73 萬株/hm2為試驗最佳密度。不同施氮水平以120 kg/hm2處理的產(chǎn)量最高，達到5 501.39 kg/hm2；對谷子產(chǎn)量隨施氮水平的變化進行回歸分析得出，100～125 kg/hm2氮肥施用量確定為研究區(qū)域最佳施氮量。種植密度和施氮水平對谷子產(chǎn)量有顯著的互作效應(yīng)，以種植密度60 萬株/hm2配合施氮水平120 kg/hm2 處理的產(chǎn)量最高，達到6 479.2 kg/hm2。隨著種植密度水平的上升，不同處理的谷子穗長、莖粗、穗粗、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量均呈下降趨勢；隨著施氮水平的上升，不同處理的谷子穗長、莖粗、穗粗、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量均呈先增大后減小的趨勢，均為120 kg/hm2處理表現(xiàn)最優(yōu)。綜上，在河南谷子夏播區(qū)發(fā)揮鄭谷3 號產(chǎn)量潛力的適宜栽培方式為留苗密度60 萬株/hm2、施氮肥120 kg/hm2。

關(guān)鍵詞：谷子；種植密度；施氮水平；產(chǎn)量；農(nóng)藝性狀

中圖分類號：S515 文獻標識碼：A 文章編號：1002?2481（2023）03?0264?07

谷子被稱為小雜糧之首，我國谷子的種植面積占世界種植面積的80%，產(chǎn)量占世界谷子總產(chǎn)量的90%[1-2]。谷子去殼后叫小米，其容易消化且營養(yǎng)豐富。近年來，隨著富貴病的增加和居民膳食結(jié)構(gòu)的調(diào)整，谷子成為我國干旱地區(qū)的主要糧食作物[3-4]。

前人對谷子的高效栽培技術(shù)進行了一系列的研究，并取得了很多有益的進展[5-7]。其中，種植密度和肥料是影響谷子產(chǎn)量的2 個重要因素[8-9]。在谷子生產(chǎn)中，可以通過增加種植密度來提高谷子對光照、溫度、水分等資源的利用率，使谷子群體發(fā)揮增產(chǎn)潛力從而獲得高產(chǎn)。施用氮肥也可以提高谷子產(chǎn)量，但施肥過多會造成肥料利用率下降、植株貪青易倒伏，而且破壞土壤內(nèi)部養(yǎng)分平衡，污染生態(tài)環(huán)境，進而影響可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，因此，合理施用氮肥也是谷子高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要措施之一[10-11]。

不同的谷子品種及不同的生產(chǎn)條件，對土壤水分、氮肥的條件要求不同。對于種植在不同地區(qū)的不同谷子品種，應(yīng)在當?shù)氐脑耘鄺l件下開展試驗，才能對當?shù)刈魑锷a(chǎn)具有指導(dǎo)性意義[12]。鄭谷3 號是以豫谷21 為母本、復(fù)532×M24 為父本進行雜交，通過系譜法選育而成的谷子新品種，于2018 年在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部進行品種登記，登記編號為GPD 谷子（2018）410122，適合在河南夏播區(qū)種植[13]。

本研究以鄭谷3 號為試驗材料，通過分析種植密度與施氮量對谷子產(chǎn)量及相關(guān)農(nóng)藝性狀的影響，旨在探索該谷子品種最佳的種植密度與施氮量，為指導(dǎo)河南省夏谷區(qū)谷子高產(chǎn)高效栽培提供理論依據(jù)。

1材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021 年在鄭州市中原區(qū)須水鎮(zhèn)鄭州市農(nóng)作物新品種試驗中心進行。試驗地播前為冬閑田，土壤為黃土質(zhì)砂壤土，肥力中上，0～40 cm耕層土壤養(yǎng)分含量為：有機質(zhì)16.7 g/kg、速效氮70.6 mg/kg、速效磷18.0 mg/kg、速效鉀98.4 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試材料為鄭谷3 號，生育期為89.9 d，由鄭州市農(nóng)林科學研究所旱作農(nóng)業(yè)研究室提供[14]。

1.3 試驗方法

試驗采用裂區(qū)設(shè)計，其中，密度為主區(qū)，設(shè)40 萬（D1）、60 萬（D2）、80 萬株/hm2 （D3）3 個水平；氮肥為副區(qū)，設(shè)純N 施用量0（N1）、60（N2）、120（N3）、180 kg/hm2 （N4）4 個水平，共計12 個處理，每個處理4 個重復(fù)小區(qū)（其中，1 個為取樣小區(qū)，3 個小區(qū)用于收獲測產(chǎn)），共計48 個小區(qū)。每個小區(qū)長5 m，行距40 cm，8 行。谷子于6 月20 日人工直播，6 月24 日出苗，5～6 葉期根據(jù)株距和設(shè)定的密度定苗，9 月26 日收獲。播種前施用充分腐熟的農(nóng)家肥35～50 m3/hm2。其他管理同大田常規(guī)管理。

1.4 測定項目及方法

在收獲期，每個取樣小區(qū)選取5 株進行考種，測定株高、莖粗、穗長、穗粗、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量。每個小區(qū)（取樣小區(qū)除外）單收單打，稱質(zhì)量計算小區(qū)產(chǎn)量，并折合成公頃產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 20.0軟件進行試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析。

2結(jié)果與分析

2.1 不同種植密度與施氮水平對谷子產(chǎn)量的影響

由表1 可知，隨著種植密度的增加，谷子產(chǎn)量呈先增加后減少的趨勢。不同種植密度以D2 水平獲得的產(chǎn)量最高，達到5 441.1 kg/hm2，D1 水平獲得的產(chǎn)量最低，只有3 695.8 kg/hm2。不同密度水平之間產(chǎn)量達到顯著差異（P<0.05），說明適當增加種植密度可以增加產(chǎn)量，但是盲目增加密度不僅不會增加產(chǎn)量，甚至會造成減產(chǎn)。對產(chǎn)量隨種植密度的變化進行回歸分析，得到產(chǎn)量與種植密度的二次回歸方程，回歸方程R2 為1，說明方程擬合程度較吻合。

根據(jù)方程得出，最高理論產(chǎn)量為5 534.46 kg/hm2，其對應(yīng)的種植密度為65.8 萬株/hm2，這與D2 水平的產(chǎn)量基本一致。綜合2 種分析結(jié)果，將58 萬～73 萬株/hm2確定為本試驗最佳密度（圖1）。

施用不同量的氮肥均可以增加谷子產(chǎn)量，隨施氮水平的增加，谷子的產(chǎn)量先增大后減小，其中以N3 水平的產(chǎn)量最高，為5 501.39 kg/hm2，高于其他3 個水平。由此可見，追施適當水平的氮肥可以顯著增加谷子產(chǎn)量。對產(chǎn)量隨施氮水平變化進行回歸分析，回歸方程的R2 為0.973 8，說明方程擬合程度較吻合（圖2）。根據(jù)方程得出，最高理論產(chǎn)量為5 373.50 kg/hm2，其對應(yīng)的氮素水平為112 kg/hm2，這與N3 水平的產(chǎn)量基本相同，綜合2 種分析結(jié)果，將100～125 kg/hm2確定為本試驗最佳施氮量。

利用SPSS 軟件一般線性模型中的單變量對施氮量和種植密度的互作效應(yīng)進行分析，互作影響的P 值為0.017，小于0.05，密度和施氮量對谷子產(chǎn)量有顯著的互作效應(yīng)，從二者互作效應(yīng)可以看出，以D2 水平配合N3 水平的產(chǎn)量最高，為6 479.2 kg/hm2，其次依次為D3N3、D2N2、D2N4、D3N2 組合，產(chǎn)量分別達到5 818.8、5 743.8、5 593.8、5 241.7 kg/hm2，它們與其他組合之間有顯著的增產(chǎn)差異（P<0.05，表2）。由此可見，適當?shù)姆N植密度（60 萬株/hm2）和施用氮肥水平（120 kg/hm2）配合對谷子高產(chǎn)有促進作用。

2.2 不同種植密度和施氮水平對谷子農(nóng)藝性狀的影響

2.2.1 不同種植密度和施氮水平對谷子株高的影響 從表3 可以看出，隨著種植密度的增加，谷子株高先減小后增加，隨著施氮水平的增加，株高不斷上升。但是不同的種植密度處理之間以及不同的施氮水平之間差異均不顯著。對株高隨種植密度和施氮水平的變化進行單變量一般線性模型分析，P 值分別為0.961、0.895，大于0.05，說明種植密度和施氮量對株高效應(yīng)不明顯。對施氮量和種植密度的互作效應(yīng)進行分析，互作影響的P 值為0.627，大于0.05，說明種植密度和施氮量對谷子株高的互作效應(yīng)不明顯。

2.2.2 不同種植密度和施氮水平對谷子莖粗的影響 由表4 可知，隨著種植密度的增加，谷子莖粗不斷減小，不同的密度處理之間差異顯著。隨著施氮水平的增加，莖粗先增加后減小，莖粗最大的處理是N3 水平，與N1、N2 水平間差異顯著（P<0.05）。對莖粗隨種植密度和施氮水平的變化進行單變量一般線性模型分析，P 值分別為0.004、0.005，小于0.05，說明種植密度和施氮量對莖粗效應(yīng)明顯。對施氮量和種植密度的互作效應(yīng)進行分析，互作影響的P 值為0.986，大于0.05，說明種植密度和施氮量對谷子莖粗的互作效應(yīng)不明顯。

2.2.3 不同種植密度和施氮水平對谷子穗長的影響 由表5 可知，隨著種植密度的增加，穗長不斷減小，D1、D2 處理與D3 處理間差異顯著（P<0.05）。

不同施氮水平處理的穗長隨施氮水平的增加呈先增加后減小，穗長最長的處理是N3 水平，與N1 水平間差異顯著（P<0.05）。對穗長隨種植密度和施氮水平的變化進行單變量一般線性模型分析，P 值分別為0.000、0.012，小于0.05，說明種植密度和施氮量對株高效應(yīng)明顯。對施氮量和種植密度的互作效應(yīng)進行分析，互作影響的P 值為0.999，大于0.05，說明種植密度和施氮量對谷子穗長的互作效應(yīng)不明顯。

2.2.4 不同種植密度和施氮水平對谷子穗粗的影響 從表6 可以看出，隨著種植密度的增加，穗粗不斷減小，D1 密度水平的穗粗最大，達到6.53 cm，與D2、D3 密度水平間差異顯著（P<0.05）。隨著施氮水平的增加，穗粗先增加后減小，穗粗最大的處理是N3 水平，達到6.50 cm，N2、N3 、N4 水平與N1 水平間差異顯著（P<0.05）。對穗粗隨種植密度和施氮水平的變化進行單變量一般線性模型分析，P 值分別為0.000、0.000，小于0.05，說明種植密度和施氮量對谷子穗粗效應(yīng)明顯。對施氮量和種植密度的互作效應(yīng)進行分析，互作影響的P 值為0.845，大于0.05，說明種植密度和施氮量對谷子穗粗的互作效應(yīng)不明顯。

2.2.5 不同種植密度和施氮水平對谷子單穗質(zhì)量的影響 從表7 可以看出，隨著種植密度的增加，谷子單穗質(zhì)量不斷減小，D1 密度水平的單穗質(zhì)量最大，達到22.7 g，D1、D2、D3 密度水平之間差異顯著（P<0.05）。隨著施氮量的增加，單穗質(zhì)量先增加后減小，單穗質(zhì)量最大的處理是N3 水平，達到22.3 g，N2、N3、N4 水平與N1 水平間差異顯著（P<0.05）。對單穗質(zhì)量隨種植密度和施氮水平的變化進行單變量一般線性模型分析，P 值分別為0.000、0.000，小于0.05，說明種植密度和施氮量對谷子單穗質(zhì)量的效應(yīng)明顯。對施氮量和種植密度的互作效應(yīng)進行分析，互作影響的P 值為0.859，大于0.05，說明種植密度和施氮量對谷子單穗質(zhì)量的互作效應(yīng)不明顯。

2.2.6 不同種植密度和施氮水平對谷子單穗粒質(zhì)量的影響 從表8 可以看出，隨著種植密度的增加，谷子的單穗粒質(zhì)量不斷減小，D1 密度水平的單穗粒質(zhì)量最大，達到18.5 g，D1、D2、D3 密度水平之間差異顯著（P<0.05）。隨著施氮量的增加，單穗粒質(zhì)量先增加后減小，最大的處理是N3 水平，達到17.2 g，N3 與其他施氮水平間差異顯著（P<0.05）。對單穗粒質(zhì)量隨種植密度和施氮水平的變化進行單變量一般線性模型分析，P 值分別為0.000、0.000，小于0.05，說明種植密度和施氮量對谷子單穗粒質(zhì)量效應(yīng)明顯。對施氮量和種植密度的互作效應(yīng)進行分析，互作影響的P 值為0.794，大于0.05，說明種植密度和施氮量對谷子單穗粒質(zhì)量的互作效應(yīng)不明顯。

2.2.7 不同種植密度和施氮水平對谷子千粒質(zhì)量的影響 由表9 可知，隨著種植密度的增加，千粒質(zhì)量變化無規(guī)律。D1、D2 密度水平的千粒質(zhì)量最大，均達到2.68 g，均與D3 密度水平之間差異顯著（P<0.05）。隨著施氮量的增加，千粒質(zhì)量先增加后減小，最大的處理是N3 水平，達到2.75 g，4 個不同施氮水平之間差異顯著（P<0.05）。對千粒質(zhì)量隨種植密度和施氮水平的變化進行單變量一般線性模型分析，P 值分別為0.000、0.000，小于0.05，說明種植密度和施氮量均對谷子千粒質(zhì)量效應(yīng)明顯。對施氮量和種植密度的互作效應(yīng)進行分析，互作影響的P 值為0.000，小于0.05，說明種植密度和施氮量對谷子千粒質(zhì)量的互作效應(yīng)明顯。

３結(jié)論與討論

合理的種植密度是谷子增加產(chǎn)量的重要措施之一[15-16]。在本試驗中，當種植密度在40 萬～80 萬株/hm2 時，谷子的產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，種植密度對產(chǎn)量的效應(yīng)達到顯著水平。種植密度以60 萬株/hm2 水平獲得的產(chǎn)量最高，可達到5 441.1 kg/hm2，與根據(jù)回歸方程得出的最高理論產(chǎn)量為5 534.46 kg/hm2 接近。欒素榮等[17]、朱燦燦等[18]研究表明，隨種植密度的增大，谷子葉綠素含量逐漸增大，葉面積指數(shù)和地上部干物質(zhì)產(chǎn)量升高，透光率逐漸降低，產(chǎn)量表現(xiàn)為先增加后降低。

這與本試驗結(jié)果一致。當種植密度小于58 萬株/hm2時，谷子植株個體能得到充分發(fā)育，然而單位面積的植株數(shù)量較少，導(dǎo)致光能、水分、肥料等資源沒有被充分利用；增加種植密度雖不利于谷子單產(chǎn)的形成，但可以顯著提高谷子群體對光能的利用率，整體增強光合作用，進而表現(xiàn)為群體增產(chǎn)，從而彌補了單株減產(chǎn)的劣勢，增加種植密度后顯著增產(chǎn)。當密度增加到73 萬株/hm2 以上時，單位面積內(nèi)植株群體過多，單株之間出現(xiàn)明顯的光照、水分、肥料等資源競爭，單株發(fā)育不夠好，導(dǎo)致產(chǎn)量降低。而在密度為58 萬～73 萬株/hm2 時，既充分發(fā)揮了個體的生長發(fā)育潛能，又充分利用了資源。由此可見，適當增加密度可以顯著提高谷子產(chǎn)量，但過度增加密度會使產(chǎn)量降低。

氮素是谷子重要的生理因素之一，在谷子的產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀方面起著重要的作用[19-22]。本試驗發(fā)現(xiàn)，隨著施氮水平的增加，谷子的產(chǎn)量先增大后減小，其中以N3（120 kg/hm2）水平的產(chǎn)量最高，為5 501.39 kg/hm2。根據(jù)回歸方程得出最高理論產(chǎn)量為5 373.50 kg/hm2，其對應(yīng)的氮素水平為112 kg/hm2，這與N3 水平的產(chǎn)量基本相同。秦嶺等[23]研究發(fā)現(xiàn)，施氮量對濟谷14 產(chǎn)量的影響達到了極顯著水平，隨著施氮量的增加，產(chǎn)量呈先增加后降低的趨勢。劉琳琳等[24]研究認為，在谷子營養(yǎng)生長期，氮肥施用量制約谷子根、莖、葉生長，中氮環(huán)境最有利于提高谷子產(chǎn)量。薛盈文等[19]、仝錦[20]研究發(fā)現(xiàn)，適當調(diào)減施氮量可以達到增產(chǎn)提質(zhì)的效果。這與本研究結(jié)果一致。隨著氮肥施用量的增加，進而造成谷子單株營養(yǎng)生長過度，貪青徒長，群體植株之間間隙變小，透光率下降，光能利用效率下降，呼吸作用消耗過多的光合產(chǎn)物從而降低了干物質(zhì)的積累量，進而導(dǎo)致谷子的產(chǎn)量下降。

通過不同種植密度與追氮水平的裂區(qū)試驗，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理分析后，發(fā)現(xiàn)種植密度與施氮量對谷子產(chǎn)量的互作效應(yīng)明顯。以D2（60 萬株/hm2）水平配合N3（120 kg/hm2）水平的產(chǎn)量最高，為6 479.2 kg/hm2，與其他組合之間有顯著的增產(chǎn)差異。其中，D3N3（120 萬株/hm2 和120 kg/hm2）組合的產(chǎn)量僅次于D2N3（60 萬株/hm2 和120 kg/hm2），即種植密度增加的情況下，可以通過適度增加氮肥來減緩產(chǎn)量下降的趨勢，通過種植密度和氮肥的互作效應(yīng)增產(chǎn)。

谷子的株高隨著種植密度的增大呈先減小后上升，經(jīng)過進一步分析后發(fā)現(xiàn)，差異不顯著，種植密度對谷子株高的效應(yīng)不明顯。劉鑫等[25]研究發(fā)現(xiàn)，隨著谷子播種密度逐漸減小，株高變化不顯著。朱燦燦等[18]試驗發(fā)現(xiàn)，不同密度處理之間谷子株高沒有顯著差異。這與本研究結(jié)果一致。王顯瑞等[16]研究認為，株高和密度呈正相關(guān)。顏麗美等[26]研究證明，株高和密度呈負相關(guān)。這可能是由于谷子的株高受不同地域的生態(tài)環(huán)境等其他因素影響較大。

本試驗中，隨著種植密度水平的上升，不同處理的谷子穗長、莖粗、穗粗、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量均呈下降的趨勢，種植密度水平對穗長、莖粗、穗粗、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量等性狀效應(yīng)明顯。屈洋等[27]研究認為，同一種植模式下，隨著密度的增加，谷子的穗長和穗粗呈下降趨勢，差異不顯著。方路斌等[28]研究發(fā)現(xiàn)，隨著密度水平的增大，谷子的株高、生育期呈逐漸增大的趨勢，莖粗、穗長、穗粗、植株干質(zhì)量、成穗率、單穗質(zhì)量、穗粒質(zhì)量、出谷率和千粒質(zhì)量均呈逐漸減小趨勢，處理間差異顯著。蘇宸瑾等[29]研究發(fā)現(xiàn)，在低密度組合下，谷子能通過自身調(diào)節(jié)提高分蘗、單穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量，穩(wěn)定產(chǎn)量，而高密度下谷子籽粒產(chǎn)量沒有提高，經(jīng)濟系數(shù)降低。說明谷子適當稀植才能達到高產(chǎn)、增效的目的。這些結(jié)果與本研究結(jié)果一致。

隨著施氮水平的上升，穗長、莖粗、穗粗、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量呈先增大后減小的趨勢，均為N3（120 kg/hm2）水平最優(yōu)，施氮水平對穗長、莖粗、穗粗、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量的效應(yīng)明顯。種植密度和施氮水平對千粒質(zhì)量互作效應(yīng)明顯，這說明隨著密度的增加，千粒質(zhì)量有所下降，施用適當?shù)牡士梢跃徑饷芏仍黾訋淼呢撔?yīng)。

鄭谷3 號是高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的谷子新品種，選用鄭谷3 號作為本試驗的品種，其試驗結(jié)論在河南夏谷區(qū)具有一定的推廣意義。但本試驗僅統(tǒng)計了產(chǎn)量和部分農(nóng)藝性狀，且只進行了1 a，后期需要進行連續(xù)試驗，加強與高水平研究單位合作，對葉面積指數(shù)、SPAD 值、光合速率等數(shù)據(jù)進行測定，進一步探究最佳施氮水平和種植密度水平，為谷子綠色高效生產(chǎn)提供依據(jù)。

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