郭永新 周 浩 孫 鵬 王雅情 馬 珂 李曉瑞 董淑琦 郭平毅 原向陽(yáng)

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/省部共建有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌），030031，山西太原）

谷子是中國(guó)農(nóng)耕文明最早廣泛栽培的作物[1]，小米具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，備受消費(fèi)者青睞[2]。山西省谷子種植面積基本保持在20.00萬(wàn)～26.67萬(wàn)hm2[3]，在全國(guó)有舉足輕重的地位。雜交谷子具有產(chǎn)量高和抗性強(qiáng)的特點(diǎn)，在山西谷子種植面積中占有較大的比重。品種、氣候、營(yíng)養(yǎng)狀況和栽培措施等都會(huì)產(chǎn)生倒伏影響[4-6]。不同種植方式可直接影響作物生長(zhǎng)的微環(huán)境及植株的株型結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)作物抗倒伏性和產(chǎn)量造成影響[7]。盧杰等[8]研究表明，隨著種植密度的增加，小麥莖稈機(jī)械強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，倒伏指數(shù)先升高后降低，穗粒數(shù)和千粒重均降低。與裸地平作種植方式相比，起壟覆膜側(cè)播種植方式可以顯著降低春玉米的倒伏率[9]。莖稈各節(jié)間干重、硬皮穿刺強(qiáng)度和彎曲能力均隨著群體密度的增加呈先增加后降低趨勢(shì)，并且顯著提高玉米產(chǎn)量[10]。與條播種植方式相比，穴播種植方式顯著降低了水稻的重心高度和基部節(jié)間長(zhǎng)度，提高了莖稈的抗折力，降低了植株的倒伏指數(shù)[11]。王吉祥等[12]通過單穴留苗數(shù)對(duì)谷子莖稈機(jī)械強(qiáng)度和倒伏指數(shù)研究，結(jié)果表明在單穴留苗3株時(shí)，谷子的抗倒伏能力最強(qiáng)。

前人關(guān)于不同種植方式對(duì)小麥、玉米、水稻等作物抗倒伏性和產(chǎn)量的研究比較深入[8,10,13-14]，而對(duì)谷子的研究鮮有報(bào)道[12,15-17]。本研究以張雜谷10號(hào)為試驗(yàn)材料，研究覆膜穴播、膜側(cè)條播、裸地穴播和裸地條播 4種種植方式對(duì)山西省忻州市定襄縣、晉中市太谷區(qū)和晉城市澤州縣3個(gè)地區(qū)谷子品種抗倒伏性和產(chǎn)量的影響，為不同地區(qū)張雜谷10號(hào)的高產(chǎn)抗倒伏種植方式提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2020年5-10月在山西省忻州市定襄縣（112°32′24″ E，38°24′ N）、晉中市太谷區(qū)（112°52′48″ E，37°42′ N）和晉城市澤州縣（112°35′24″ E，35°18′ N）進(jìn)行，3 個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)谷子生育期的降雨量分別為 451.55、461.47和415.93mm。試驗(yàn)地前茬作物均為玉米，試驗(yàn)地土壤基礎(chǔ)肥力條件見表1。

表1 不同地點(diǎn)播種前0～20cm土層土壤基礎(chǔ)肥力Table 1 Soil basal fertility in 0-20cm soil layer before sowing in different sites

1.2 試驗(yàn)材料

供試谷子品種張雜谷10號(hào)由河北省張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。白色地膜由山西迎太塑料有限公司提供。復(fù)合肥料（腐殖酸螯合型，N-P2O5-K2O:18-19-18，總養(yǎng)分≥54%）由湖南開門子肥業(yè)有限公司提供。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用隨機(jī)完全區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置覆膜穴播（MX）、膜側(cè)條播（MT）、裸地穴播（LX）和裸地條播（LT）4種種植方式處理，小區(qū)面積為60m2（5m×12m），每個(gè)處理重復(fù)5次。定襄、太谷和澤州試驗(yàn)地分別于5月20日、25日和28日播種，于10月14日、10月12日和10月1日收獲。4個(gè)處理的種植行距均為50cm，留苗數(shù)3×105株/hm2。地膜采用平鋪半覆蓋方式，覆膜穴播處理在膜上穴播2行種植，圖1為4種種植方式示意圖。3～5葉期進(jìn)行間苗，其他田間管理同普通大田。

圖1 不同種植方式示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of different planting patterns

1.4 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.4.1 株高和重心高度 于谷子灌漿期每小區(qū)取株高及穗型相近的 3株代表植株，將測(cè)量樣本去除根系后，使用米尺測(cè)量株高。將莖稈（帶葉、葉鞘及穗）放于支點(diǎn)上，通過調(diào)節(jié)莖稈位置至莖稈平衡點(diǎn)上，莖稈基部至平衡點(diǎn)的距離記為重心高度。

1.4.2 莖稈機(jī)械強(qiáng)度及倒伏指數(shù) 于灌漿期在每小區(qū)選3株長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的植株，去掉基部第1和第2節(jié)間葉鞘，剪下節(jié)間，稱量節(jié)間鮮重，并測(cè)量長(zhǎng)度。用游標(biāo)卡尺測(cè)量莖粗（節(jié)間中部長(zhǎng)軸和短軸直徑）。然后使用 SANS-CMT6104生物材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)定基部節(jié)間機(jī)械強(qiáng)度，試驗(yàn)加載速率為10mm/min。最后放入牛皮紙袋中，105℃殺青30min，80℃烘干至恒重，用天平稱量其干重。

基部節(jié)間干密度=節(jié)間干重/節(jié)間體積，基部第1和第2節(jié)間中髓腔可忽略不計(jì)，因此，節(jié)間體積=節(jié)間長(zhǎng)度×π×節(jié)間中部長(zhǎng)軸直徑×節(jié)間中部短軸直徑×節(jié)間長(zhǎng)?；抗?jié)間充實(shí)度=節(jié)間干重/節(jié)間長(zhǎng)度。倒伏指數(shù)=單株鮮重×重心高度/機(jī)械強(qiáng)度[4,18]。

1.4.3 纖維素和木質(zhì)素含量 將1.4.2測(cè)定后的材料利用萬(wàn)能粉碎機(jī)粉碎，過 60目篩后測(cè)定莖稈節(jié)間化學(xué)成分。分別使用BC4205和BC4285試劑盒測(cè)定木質(zhì)素和纖維素含量，試劑盒購(gòu)置于北京索萊寶科技有限公司。

1.4.4 產(chǎn)量 于成熟期，每個(gè)小區(qū)人工收割 20m2谷穗，風(fēng)干后用脫粒機(jī)脫粒，計(jì)算產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用 Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理并繪圖，用SPSS 24軟件對(duì)同一地點(diǎn)不同種植方式進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和方差分析，以Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性分析（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植方式對(duì)張雜谷10號(hào)株高和重心高度的影響

由圖2可知，不同地點(diǎn)的張雜谷10號(hào)株高整體趨勢(shì)表現(xiàn)為MX＞MT＞LX＞LT，各地點(diǎn)覆膜處理的重心高度均高于裸地處理。在定襄試驗(yàn)地，MX處理的株高比 LX和 LT處理顯著高 3.88%和4.86%；在太谷試驗(yàn)地，不同處理對(duì)張雜谷10號(hào)的株高無(wú)顯著影響，覆膜處理與裸地處理的重心高度存在顯著差異；在澤州試驗(yàn)地，覆膜處理與裸地處理的重心高度和株高均存在顯著差異，且MX處理的株高最大，MT處理的重心高度最大。

圖2 不同種植方式對(duì)張雜谷10號(hào)株高和重心高度的影響Fig.2 Effects of different planting patterns on plant height and gravity center height of Zhangza 10

2.2 不同種植方式對(duì)張雜谷10號(hào)莖稈第1節(jié)間相關(guān)指標(biāo)的影響

方差分析結(jié)果（表2）顯示，地點(diǎn)和種植方式2個(gè)因素以及二者的互作效應(yīng)對(duì)張雜谷 10號(hào)莖稈第1節(jié)間相關(guān)指標(biāo)的影響均達(dá)到極顯著水平。

表2 不同種植方式對(duì)張雜谷10號(hào)莖稈第1節(jié)間相關(guān)指標(biāo)的影響Table 2 Effects of different planting patterns on related indexes of the first internode of Zhangza 10 stem

在定襄試驗(yàn)地，MX處理的倒伏指數(shù)和節(jié)間長(zhǎng)度均高于其他處理，且倒伏指數(shù)與其他處理間存在顯著差異。各處理的機(jī)械強(qiáng)度表現(xiàn)為 MT＞LT＞MX＞LX。覆膜處理的節(jié)間長(zhǎng)度和莖粗均高于裸地處理。此外，MT處理的節(jié)間干密度和節(jié)間充實(shí)度均顯著高于其他處理。

在太谷試驗(yàn)地，MX處理的張雜谷 10號(hào)倒伏指數(shù)最大。MT處理節(jié)間機(jī)械強(qiáng)度與MX、LX和LT處理相比分別顯著提高12.41%、26.69%和16.97%。覆膜處理與裸地處理的節(jié)間長(zhǎng)度存在顯著差異，MX處理節(jié)間長(zhǎng)度最大。MT處理的莖粗最大，且與裸地處理差異顯著。MT處理節(jié)間干密度和節(jié)間充實(shí)度最高，其中MT處理的節(jié)間充實(shí)度與MX、LX和LT處理相比分別顯著增高9.81%、21.84%和15.42%。

在澤州試驗(yàn)地，覆膜處理與裸地處理之間的倒伏指數(shù)存在顯著差異，且MX處理倒伏指數(shù)最大。LT處理的機(jī)械強(qiáng)度、節(jié)間干密度和節(jié)間充實(shí)度都表現(xiàn)為最高，其節(jié)間干密度與MX、MT和LX處理相比分別顯著增高17.16%、7.79%和6.33%。各處理之間的莖粗無(wú)顯著差異。裸地處理的節(jié)間充實(shí)度顯著高于覆膜處理，MX處理節(jié)間充實(shí)度最低，為123.45mg/cm。

2.3 不同種植方式對(duì)張雜谷10號(hào)莖稈第2節(jié)間相關(guān)指標(biāo)的影響

方差分析結(jié)果（表3）顯示，地點(diǎn)和種植方式2個(gè)因素以及二者的互作效應(yīng)對(duì)第2節(jié)間各指標(biāo)的影響均達(dá)到極顯著水平。在太谷和澤州試驗(yàn)地，各處理間的倒伏指數(shù)表現(xiàn)為相同的趨勢(shì)，即MX＞MT＞LX＞LT。在定襄和太谷試驗(yàn)地，MT處理的第2節(jié)間機(jī)械強(qiáng)度顯著高于其他處理，澤州試驗(yàn)地 LT處理的機(jī)械強(qiáng)度表現(xiàn)為最大。

表3 不同種植方式對(duì)張雜谷10號(hào)莖稈第2節(jié)間相關(guān)指標(biāo)的影響Table 3 Effects of different planting patterns on related indexes of the second internode of Zhangza 10 stem

在定襄試驗(yàn)地，MX處理的節(jié)間長(zhǎng)度與MT處理相比顯著提高4.35%，MX處理的莖粗顯著高于其他處理。不同處理下節(jié)間干密度和節(jié)間充實(shí)度表現(xiàn)為相同的趨勢(shì)，即MT＞MX＞LT＞LX，且MT處理與其他處理之間存在顯著差異。

在太谷試驗(yàn)地，覆膜處理的節(jié)間長(zhǎng)度顯著高于裸地處理，MT處理的節(jié)間干密度和節(jié)間充實(shí)度顯著高于其他處理。在相同覆蓋情況下，條播處理的節(jié)間干密度和節(jié)間充實(shí)度高于穴播處理。

在澤州試驗(yàn)地，LX處理的第2節(jié)間長(zhǎng)度最大，與覆膜處理存在顯著差異，MX與MT處理的莖粗之間無(wú)顯著差異。各處理節(jié)間干密度和節(jié)間充實(shí)度表現(xiàn)為相同的趨勢(shì)，即LT＞LX＞MT＞MX，且LT處理與其他處理之間存在顯著差異。

2.4 不同種植方式對(duì)張雜谷10號(hào)莖稈第1節(jié)間木質(zhì)素和纖維素含量的影響

如圖3所示，在定襄試驗(yàn)地，MT處理的張雜谷10號(hào)莖稈第1節(jié)間木質(zhì)素和纖維素含量最大。在太谷試驗(yàn)地，不同處理對(duì)木質(zhì)素和纖維素含量的影響表現(xiàn)為相同的趨勢(shì)，即MT＞MX＞LT＞LX。在澤州試驗(yàn)地，裸地處理的木質(zhì)素和纖維素含量顯著高于覆膜處理，且LT處理的木質(zhì)素含量與MX、MT和LX處理相比分別顯著增高46.08%、26.39%和6.86%。

圖3 不同種植方式對(duì)張雜谷10號(hào)莖稈第1節(jié)間木質(zhì)素和纖維素含量的影響Fig.3 Effects of different planting patterns on the contents of lignin and cellulose in the first internode of stems in Zhangza 10

2.5 不同種植方式對(duì)張雜谷10號(hào)莖稈第2節(jié)間木質(zhì)素和纖維素含量的影響

在同一種植模式處理下，定襄試驗(yàn)地張雜谷10號(hào)第2節(jié)間木質(zhì)素和纖維素含量均高于太谷和澤州試驗(yàn)地（圖4）。在定襄試驗(yàn)地，各處理下第2節(jié)間的木質(zhì)素和纖維素含量表現(xiàn)為相同的趨勢(shì)，即MT＞LT＞MX＞LX。在太谷試驗(yàn)地，LX處理的第 2節(jié)間木質(zhì)素和纖維素含量顯著低于其他處理。在澤州試驗(yàn)地，各處理對(duì)木質(zhì)素和纖維素含量的影響與第1節(jié)間趨勢(shì)相同，表現(xiàn)為L(zhǎng)T＞LX＞MT＞MX，且LT處理顯著高于其他處理。

圖4 不同種植方式對(duì)張雜谷10號(hào)莖稈第2節(jié)間木質(zhì)素和纖維素含量的影響Fig.4 Effects of different planting patterns on the contents of lignin and cellulose in the second internode of stems in Zhangza 10

2.6 抗倒伏指標(biāo)間相關(guān)性分析

通過對(duì)莖稈各指標(biāo)間的相關(guān)性分析（表4）可以看出，株高與重心高度表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)，與第 1和第 2節(jié)間倒伏指數(shù)表現(xiàn)為正相關(guān)，但不顯著。倒伏指數(shù)與機(jī)械強(qiáng)度、節(jié)間充實(shí)度、木質(zhì)素和纖維素含量表現(xiàn)為顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，與莖粗表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，與節(jié)間長(zhǎng)度表現(xiàn)為正相關(guān)，但均不顯著。另外，第2節(jié)間倒伏指數(shù)與第2節(jié)間干密度極顯著負(fù)相關(guān)。各節(jié)間機(jī)械強(qiáng)度與節(jié)間充實(shí)度、木質(zhì)素和纖維素含量表現(xiàn)為顯著或極顯著正相關(guān)，第2節(jié)間機(jī)械強(qiáng)度與其節(jié)間充實(shí)度表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)。各節(jié)間干密度、節(jié)間充實(shí)度與莖粗、節(jié)間木質(zhì)素和纖維素含量表現(xiàn)為顯著或極顯著正相關(guān)，節(jié)間干密度和節(jié)間充實(shí)度之間表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)。

表4 不同抗倒伏指標(biāo)間的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of different lodging resistance indexes

2.7 不同種植方式對(duì)張雜谷10號(hào)產(chǎn)量的影響

由圖5可知，在定襄和太谷試驗(yàn)地，不同處理的產(chǎn)量表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，即MX＞MT＞LX＞LT，且覆膜處理的產(chǎn)量顯著高于裸地處理。澤州試驗(yàn)地與太谷、定襄試驗(yàn)地表現(xiàn)為相反的趨勢(shì)，裸地處理的產(chǎn)量高于覆膜處理，且LX處理的產(chǎn)量與MT處理相比顯著提高4.97%。

圖5 不同種植方式對(duì)張雜谷10號(hào)產(chǎn)量的影響Fig.5 Effects of different planting patterns on yield of Zhangza 10

3 討論

株高是影響作物倒伏的主要因素，一般認(rèn)為株高較高的品種抗倒伏能力較弱[19]。也有研究[20-21]表明，株高不是決定作物抗倒伏能力的唯一因素，作物的抗倒性還與其莖稈特性有關(guān)。在本研究中，張雜谷10號(hào)的株高與倒伏指數(shù)不顯著相關(guān)，這與Kaack等[22]研究一致。重心高度是反映作物倒伏能力的重要指標(biāo)，一般認(rèn)為重心高度越高，倒伏指數(shù)越大[23]，本研究也得出相似結(jié)論。通過相關(guān)性分析得出，株高與重心高度表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)，而太谷試驗(yàn)地各處理之間的株高無(wú)顯著差異，覆膜處理的重心高度高于裸地處理，這是由于張雜谷 10號(hào)生育后期覆膜處理的穗部質(zhì)量高于裸地處理。

倒伏指數(shù)的高低可以直接反映植株的抗倒伏能力。本研究發(fā)現(xiàn)，在定襄和太谷試驗(yàn)地，MT處理的倒伏指數(shù)低于MX處理。通過相關(guān)性分析可知，是由節(jié)間的機(jī)械強(qiáng)度、節(jié)間木質(zhì)素和纖維素含量差異造成的。植株的莖稈形態(tài)是影響作物抗倒伏能力的重要指標(biāo)[24-25]。李金才等[26]研究表明，莖稈第2節(jié)間相較于第1節(jié)間更易發(fā)生倒伏，本研究得出相似結(jié)論。本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)太谷與定襄試驗(yàn)地MT處理下第1和第2節(jié)間機(jī)械強(qiáng)度最大，而在澤州試驗(yàn)地則表現(xiàn)為L(zhǎng)T處理最大，這說明不同種植方式對(duì)不同地點(diǎn)張雜谷10號(hào)基部節(jié)間的機(jī)械強(qiáng)度影響不同。在相同覆蓋情況下，穴播處理的節(jié)間長(zhǎng)度高于條播處理。這可能是由于穴播影響了作物的株型和冠層結(jié)構(gòu)，造成了張雜谷10號(hào)個(gè)體之間對(duì)光的競(jìng)爭(zhēng)，促進(jìn)了張雜谷10號(hào)株高的增長(zhǎng)，使得節(jié)間長(zhǎng)而細(xì)，提高重心高度進(jìn)而可能增加倒伏的幾率。

節(jié)間干密度和充實(shí)度可以間接反映植株的抗倒性。徐磊等[27]對(duì)20個(gè)抗倒性不同的小麥品系研究，結(jié)果表明，節(jié)間干密度和節(jié)間充實(shí)度與倒伏指數(shù)存在負(fù)相關(guān)。姚金保等[28]對(duì)小麥抗倒指數(shù)與莖稈特性的相關(guān)性分析得出，抗倒指數(shù)與基部第1和第2節(jié)間充實(shí)度呈顯著或極顯著正相關(guān)，本研究結(jié)論與其相似。本研究還表明，MT處理下定襄和太谷試驗(yàn)地張雜谷10號(hào)節(jié)間干密度和充實(shí)度最高，LT處理表現(xiàn)為最低，在澤州試驗(yàn)地得出相反的結(jié)論，表現(xiàn)為L(zhǎng)T處理最高，MX處理最低，這可能是由于澤州試驗(yàn)地張雜谷10號(hào)生育時(shí)期的氣溫較高，覆膜處理增加了土壤溫度，高于谷子的最適生長(zhǎng)溫度，進(jìn)而引發(fā)谷子病害，導(dǎo)致莖稈支撐性減弱。

木質(zhì)素和纖維素是具有加固細(xì)胞壁機(jī)械強(qiáng)度和增強(qiáng)植物抗倒伏性的生物學(xué)功能，可作為評(píng)價(jià)作物抗倒性的重要指標(biāo)[29-31]。朱麗斌等[32]研究發(fā)現(xiàn)，耐密玉米品種不僅莖稈強(qiáng)度高于不耐密品種，且木質(zhì)素含量以及木質(zhì)素積累速率也高于不耐密品種。王凱等[33]研究表明，抗倒伏品種通過增加莖稈內(nèi)木質(zhì)素含量，增大了莖稈抗折力，從而增強(qiáng)抗倒能力。董荷荷等[34]研究表明，在小麥起身期與孕穗期2次追氮模式可以顯著提高莖稈的木質(zhì)素積累量，進(jìn)而提高小麥抗倒能力。本研究表明，莖稈機(jī)械強(qiáng)度與莖稈木質(zhì)素和纖維素含量表現(xiàn)為顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，這表明提高莖稈木質(zhì)素和纖維素含量有利于提高張雜谷10號(hào)莖稈的機(jī)械強(qiáng)度和植株的抗倒伏能力。同時(shí)，本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在相同覆蓋條件下，穴播種植方式的木質(zhì)素和纖維素含量低于條播種植方式，這可能是穴播處理下，張雜谷10號(hào)在生育后期群體郁蔽程度高，減少了葉片對(duì)光的截獲效率，使得植株莖稈發(fā)育變?nèi)?，進(jìn)而影響木質(zhì)素和纖維素的合成。

作物的群體結(jié)構(gòu)和功能是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，合理的種植方式可以優(yōu)化作物的群體結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，進(jìn)而提高作物的產(chǎn)量[35]。李萬(wàn)斌等[36]研究表明，谷子覆膜穴播處理產(chǎn)量高于裸地處理。曹昌林等[37]研究表明，高粱平作覆膜膜下種植與平作覆膜膜側(cè)種植產(chǎn)量顯著高于裸地種植，且膜側(cè)種植相較于膜下種植可提高高粱產(chǎn)量。本研究得出，在定襄和太谷試驗(yàn)地，采用覆膜處理可增加張雜谷10號(hào)的產(chǎn)量，且MT處理下產(chǎn)量略低于MX處理。而在澤州試驗(yàn)地，裸地處理的產(chǎn)量高于覆膜處理，且LX與LT處理間產(chǎn)量差異不顯著。

4 結(jié)論

不同種植方式對(duì)不同地區(qū)張雜谷10號(hào)倒伏及產(chǎn)量的影響存在差異。在定襄和太谷試驗(yàn)地，膜側(cè)條播種植方式下莖稈基部節(jié)間機(jī)械強(qiáng)度高，節(jié)間干密度和節(jié)間充實(shí)度大，節(jié)間木質(zhì)素和纖維素含量高，且產(chǎn)量較高；在澤州試驗(yàn)地，裸地條播種植方式下，張雜谷10號(hào)表現(xiàn)出抗倒伏能力強(qiáng)且產(chǎn)量高。綜合不同種植方式對(duì)張雜谷10號(hào)抗倒伏性和產(chǎn)量的影響，在定襄和太谷適合采用膜側(cè)條播種植方式，在澤州適合裸地條播種植方式。