栽培模式对晋杂34产量及氮素吸收利用的调控效应

董二伟，王劲松，焦晓燕，武爱莲，南江宽，郭 珺，王立革

(山西省农业科学院 农业环境与资源研究所，山西 太原 030031)

高粱是一种抗旱、抗涝及耐盐碱的作物[1-3]，且是具有较高同化效率的C4作物[4-6]，也是我国镰刀湾地区的主要作物之一。长期以来，由于缺乏适宜机械化栽培的高粱品种及其配套栽培措施，高粱生产机械化程度较低，妨碍了我国高粱种植业的发展[7]。近年来，我国饲料、酿造等产业对高粱的需求剧增，国产高粱供不应求[8]，据统计，我国进口高粱从2013年的107 万t增加至2018年的505 万t，成为我国重要的大宗农作物进口品种。

作物的适宜种植模式受生态环境及株型的影响[9-10]，不同株型玉米在不同密度下获得较高产量的行距不同[11]。在小麦上株行距配置影响生长空间和光合特征，有效地调控产量构成要素，从而影响产量[9]；在降雨量有限的区域，高粱种植行距和密度影响土壤水分利用和籽粒产量[12]。养分资源吸收利用及分配也受栽培模式的影响[13-14]，因此,针对某特定品种研究和建立适宜栽培模式对提高产量、提高氮肥利用效率和降低农业生产面源污染具有重要的意义。近年来，我国涌现出一批适宜于机械化栽培的高粱品种,十分必要建立相应的栽培模式。

本研究采用新近选育的适宜于中晚熟产区的不具有分蘖能力的机械化栽培的高粱新品种晋杂34，研究了种植密度和种植模式对晋杂34生长及产量的影响，评价了种植模式对晋杂34养分吸收利用的调控效应，旨在为高粱机械化栽培提供理论依据，推进高粱生产的机械化水平。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2014-2015年在山西省农业科学院东阳试验基地进行。该区域海拔799.4 m，年均气温9.7 ℃，历年5-9月(生育期)多年平均降雨量为321.4 mm，无霜期188 d。供试土壤为碳酸盐褐土，0～20 cm耕层土壤中<2 μm黏粒含量为1.67%，2～20 μm粉粒含量为11.63%，20～2 000 μm砂粒含量为86.7%；耕层土壤0～20 cm的EC值为230 μS/cm，pH值为 8.57，有机质为1.46～16.5 g/kg，全N为 0.84～0.90 g/kg，硝态氮为 11.0 mg/kg，有效P为 7.10～7.18 mg/kg，速效K为 170.6～194.0 mg/kg。播种前施N 225 kg/hm2、P2O545 kg/hm2、K2O 30 kg/hm2，其中，N肥以包衣尿素的形态施入，生育期不再追肥。5月10-15日播种，10月4日收获。2014，2015年生育期的降水量分别为502，233 mm，月降雨量分布情况如图1所示；2015年因天气干旱，7月11日补充灌水40 mm。

1.2 试验材料

供试高粱品种为晋杂34，株高为13.5 cm。

1.3 试验设计

1.3.1 密度对晋杂34产量和氮素利用的调控 2014年试验共设6个密度，分别为12.0，13.5，15.0，16.5，18.0，19.5万株/hm2，其中，12.0 万株/hm2为高秆高粱习惯种植密度，种植模式为50 cm等行距，小区面积24 m2，3次重复。

1.3.2 栽培模式对晋杂34产量和氮素吸收利用的调控 在2014年试验的基础上，2015年试验共设9种栽培模式，分别为等行距50，60 cm和宽窄行(30 cm+70 cm)处理，不同行距下分别设12.0，15.0，18.0万株/hm2共3个密度处理；小区面积24 m2，3次重复。

1.4 测定项目及方法

2014年分别在出苗后55，63，81，104，131 d，每小区内选择具有代表性的9 株对株高、离地面2 cm的茎粗、单株叶面积进行调查。2015年在穗花期和成熟期每小区采样6株，测定叶片、茎、(成熟期)穗及穗梗的干质量，保留样品用于氮的测定；植株样品用浓H2SO4消煮，采用全自动凯氏蒸氮仪测定全氮含量。2014，2015年收获时，在每小区内按平均穗质量选择具有代表的9(株)穗，脱粒考种，避开边际0.5 m，各小区实收计产。

1.5 数据处理

用MINTAB 14 进行数据统计处理和相关性分析：2014年和2015年分别采用one-way ANOVA和two-way ANOVA进行统计分析，LSD法检验处理间在P<0.05水平的差异显著性。采用Excel作图。

叶面积指数(LAI)=单株叶面积×单位面积总株数/单位面积[15]

①

收获指数(HI)=经济产量/地上部总生物量[16]

②

氮累积量(kg/hm2)=植株含氮量×生物量[16-17]

③

营养器官氮转运率 =(穗花期营养器官氮积累量-收获期营养器官氮积累量)/穗花期营养器官氮积累量×100%[16]

④

氮肥偏生产力(PPNF,kg/kg)=籽粒产量/施氮量[17]

⑤

2 结果与分析

2.1 不同种植密度对晋杂34生长和产量的影响

图2结果表明，种植密度显著影响了晋杂34的株高、茎粗、单株叶面积和叶面积指数(P<0.05)：随着种植密度的增加株高降低，茎粗减小，单株叶面积减小(P<0.05)；由于密度的补偿缘故，叶面积指数随密度增加显著增加(P<0.05)，穗花期(即出苗后81 d)密度为18.0，19.5万株/hm2处理的叶面积指数高达9.23～9.34，显著高于12.0，13.5万株/hm2处理的叶面积指数(7.60～7.64)。

种植密度对晋杂34的千粒质量没有显著影响(P>0.05)，但显著影响了单穗粒质量和产量(P<0.05)：随着密度的增加单穗籽粒质量明显降低，密度为12.0万株/hm2时高达81.20 g，显著高于其他处理；密度在15.0～16.5万株/hm2单穗籽粒质量差别不大，密度为19.5万株/hm2单穗籽粒质量最低；在密度、千粒质量和单穗籽粒质量的综合影响下，密度为18.0万株/hm2时晋杂34具有较高的产量。密度对晋杂34的收获指数没有显著影响(P>0.05)(表1)。

图2 不同种植密度对晋杂34株高、茎粗、单株叶面积和叶面积指数的影响Fig.2 Effects of different planting densities on height, stem diameter, leaf area per plant and leaf area index of Jinza 34

表1 不同种植密度对晋杂34产量构成及产量的影响Tab.1 Effects of different planting densities on yield and its component of Jinza 34

注：同列数据后的不同小写字母表示在0.05水平差异显著。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 不同栽培模式对晋杂34生长和产量的影响

为了进一步确定晋杂34的最佳栽培模式，2015年进行了行距与密度的交互效应研究。穗花期调查结果表明，行距极显著、显著影响了株高、生物量，而密度极显著影响了茎粗、单株叶面积(P<0.01)，但行距与密度的交互对其均没有显著影响(P>0.05)。30 cm+70 cm宽窄行时密度为15.0万株/hm2株高最高；无论行距多少，密度为12.0万株/hm2茎粗均较高，为19.71～21.12 mm，且随密度增加单株叶面积降低；虽然行距、密度及其交互作用对叶面积指数没有显著影响，但表现出随密度增加叶面积指数增加的趋势；行距显著影响了花期的生物量，但密度对其没有显著影响，60 cm等行距的生物量为10.12～11.25 t/hm2(表2)。

通过分析行距和密度对晋杂34产量构成的影响表明(表3)，密度极显著影响了单穗籽粒质量(P<0.01)，随密度的增加，单穗籽粒质量显著降低，密度为12.0万株/hm2时最高，为65.38～73.04 g；而密度为18.0万株/hm2时，单穗籽粒质量仅为51.58～55.45 g；行距极显著影响了千粒质量(P<0.01)，行距为60 cm等行距时千粒质量最高，其次为 50 cm等行距，30 cm+70 cm宽窄行千粒质量最低；行距也极显著影响了晋杂34的产量，50 cm等行距最低，为9 132.53～9 670.06 kg/hm2，60 cm等行距产量较高，为10 354.71～10 721.61 kg/hm2，其中，以60 cm等行距密度为15.0 万株/hm2产量最高，达10 721.61 kg/hm2。

表2 不同栽培模式对穗花期晋杂34生长的影响Tab.2 Effect of row space and planting density on growth of Jinza 34 at flowering stage

注：F值后*和**分别代表two-way ANOVA方差分析达到显著(P<0.05)和极显著(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 不同栽培模式对晋杂34氮素吸收利用的调控

由表4可知，在花期，行距对氮素的吸收累积量没有显著影响(P>0.05)，而密度显著影响了氮的累积吸收(P<0.05)；多重比较结果表明，在50，60 cm等行距时随密度的降低氮素的累积量增加；但在30 cm+70 cm宽窄行时，密度对氮素的累积没有显著影响。收获时，行距和密度均极显著影响了氮素的累积量(P<0.01)，随密度的增加氮累积量显著增加，以60 cm等行距时氮素累积量较高，其中15.0，18.0万株/hm2的氮素累积量最高，50 cm等行距和30 cm+70 cm行距下12.0万株/hm2氮素累积量最低。行距极显著影响籽粒中氮素累积量(P<0.01)，但密度对其没有显著影响(P>0.05)。行距和密度均极显著影响了营养器官氮素向籽粒转移(P<0.01)，以50 cm等行距转运率较高，且随密度增加氮素的转运率有降低的趋势。行距极显著影响了氮肥偏生产力，以60 cm等行距较高。

表3 不同栽培模式对晋杂34产量及产量构成的影响Tab.3 Effects of row space and planting density on yield and yield components of Jinza 34

表4 不同栽培模式对晋杂34氮素吸收利用的调控Tab.4 Regulation of nitrogen uptake and utilization in Jinza 34 by row space and planting density

2.4 不同栽培模式高粱产量与植株氮累积的相关性分析

图3结果表明，籽粒产量与花前植株体内的氮素累积量相关性较差(r=0.059，P>0.05)，但籽粒产量与花后氮的累积量具有极显著的正相关性(r=0.611，P<0.05)，也与最终收获时植物总氮素累积量具有极显著的正相关性(r=0.874，P<0.01)；但随着花前积累，在营养器官的氮素转运到籽粒中的转运率增加，籽粒产量降低(r=-0.479，P<0.05)。

3 结论与讨论

在一定的密度条件下，优化行距能够构建较好的植物冠层结构，提高作物产量[18]。为了优化栽培模式，本研究在进行了不同密度对晋杂34生长和产量影响的基础上，2015年进行了密度和模式交互的不同种植模式研究。2 年的试验均表现出随密度的增加，植株茎粗变小，单株叶面积降低；但由于密度的补偿效应，2014年花期随密度增加LAI显著增加，密度为18.0，19.5万株/hm2时LAI高达9.23～9.34，尽管2015年行距、密度及行距与密度的交互对LAI没有显著影响，但各行距处理下随密度增加LAI有增加的趋势，以18.0万株/hm2时LAI最高，但仅为6.20左右，远低于第1年的LAI，这可能是由于2015年度生育期降雨量较少的缘故，分析各LAI对应的产量结果表明，在目前栽培条件下晋杂34的LAI与产量关系不甚密切。

图3 高粱籽粒产量与植株不同时期氮累积量及氮转运率的相关性Fig.3 Relationships between grain yield and N accumulation of different growth stage and percentage of N transferred

栽培密度对小麦的千粒质量具有一定的影响[19]，本研究栽培密度对晋杂34千粒质量影响不显著，但种植行距对千粒质量有极显著影响，这与以前在玉米上的试验结果相一致[18,20]。行距影响千粒质量，而密度影响单穗籽粒质量，这可能与晋杂34的株形有关，晋杂34叶片较宽，50 cm等行距和30 cm+70 cm宽窄行叶片间互相遮挡，而较宽等行距60 cm能使叶片较好向两边伸展而具有较高的千粒质量；密度增加极显著降低单穗籽粒质量，这与其他学者的研究结果一致[21]，可能是由于随密度增加单穗籽粒数降低的缘故。就籽粒产量而言，2014年雨量充沛，密度对籽粒产量有显著影响，而2015年干旱年份，以60 cm等行距产量最高，宽窄行30 cm+70 cm对产量没有促进效果，这与已有研究报道的结果相一致[22]，行距与密度(即株距)之间没有明显的互作效应。

氮素是影响作物生长最主要的元素[23]，氮素是反映作物生长状况的重要指标[24]，行距和密度也会调控植物对氮肥的吸收利用[22,25]。本研究的结果进一步验证了行距和密度调控晋杂34对氮素的吸收和累积，但不同时期密度和行距对氮素吸收影响不尽相同：穗花期低密度上调了氮素的吸收累积量，收获时60 cm等行距上调了氮素的吸收累积量；尽管低密度促进了氮素的运转，但收获时氮素的累积量较低，说明高密度有利于花期后氮素的吸收。营养器官氮素转移固然重要[23]，但与最终产量呈显著负相关。本研究结果进一步表明，花期后氮素吸收显著影响籽粒产量，这与Worland等[26]研究发现的花后和灌浆期氮供给状况对高粱籽粒产量的形成非常关键相一致。

本研究表明，在中晚熟区，行距和株距对晋杂34产量构成影响有所不同，行距影响千粒质量，而株距影响单穗粒质量。不同栽培模式通过调控植株生长和氮素吸收影响了籽粒产量，栽培模式为60 cm等行距、密度为15.0万株/hm2时获得较高产量。

低密度促进了穗花前植株对氮素的吸收和累积，提高了营养器官氮素向籽粒中的转运；而行距调控了穗花后氮素的吸收， 等行距60 cm时具有较高的氮素吸收量。

穗花前氮素累积量与产量没有关系，穗花后的氮素累积量与籽粒产量呈极显著正相关；营养器官向籽粒中氮素的运转率与产量呈显著负相关。通过栽培模式促进穗花后氮素吸收对籽粒产量提升具有重要的意义。