种植密度和施氮水平对谷子产量和农艺性状的影响

王彦辉 樊永强 韩燕丽 苗兆丰 别海 刘劲哲 赵万乐 张晓申

摘要：为明确河南省夏谷区谷子对种植密度和氮肥施用量的响应情况，以郑谷3 号为试验材料，采用裂区设计试验，以种植密度为主区、氮肥施用量为副区，分析不同种植密度（40 万、60 万、80 万株/hm2）和施氮（纯N）水平（0、60、120、180 kg/hm2）对谷子产量及相关农艺性状的影响。结果表明，随着种植密度和氮肥施用水平的上升，谷子产量均表现为先增加后减小的趋势，不同种植密度以60 万株/hm2 处理的产量最高，达到5 441.1 kg/hm2；对谷子产量随种植密度的变化进行回归分析得出，58 万～73 万株/hm2为试验最佳密度。不同施氮水平以120 kg/hm2處理的产量最高，达到5 501.39 kg/hm2；对谷子产量随施氮水平的变化进行回归分析得出，100～125 kg/hm2氮肥施用量确定为研究区域最佳施氮量。种植密度和施氮水平对谷子产量有显著的互作效应，以种植密度60 万株/hm2配合施氮水平120 kg/hm2 处理的产量最高，达到6 479.2 kg/hm2。随着种植密度水平的上升，不同处理的谷子穗长、茎粗、穗粗、单穗质量、单穗粒质量、千粒质量均呈下降趋势；随着施氮水平的上升，不同处理的谷子穗长、茎粗、穗粗、单穗质量、单穗粒质量均呈先增大后减小的趋势，均为120 kg/hm2处理表现最优。综上，在河南谷子夏播区发挥郑谷3 号产量潜力的适宜栽培方式为留苗密度60 万株/hm2、施氮肥120 kg/hm2。

关键词：谷子；种植密度；施氮水平；产量；农艺性状

中图分类号：S515 文献标识码：A 文章编号：1002?2481（2023）03?0264?07

谷子被称为小杂粮之首，我国谷子的种植面积占世界种植面积的80%，产量占世界谷子总产量的90%[1-2]。谷子去壳后叫小米，其容易消化且营养丰富。近年来，随着富贵病的增加和居民膳食结构的调整，谷子成为我国干旱地区的主要粮食作物[3-4]。

前人对谷子的高效栽培技术进行了一系列的研究，并取得了很多有益的进展[5-7]。其中，种植密度和肥料是影响谷子产量的2 个重要因素[8-9]。在谷子生产中，可以通过增加种植密度来提高谷子对光照、温度、水分等资源的利用率，使谷子群体发挥增产潜力从而获得高产。施用氮肥也可以提高谷子产量，但施肥过多会造成肥料利用率下降、植株贪青易倒伏，而且破坏土壤内部养分平衡，污染生态环境，进而影响可持续稳定发展，因此，合理施用氮肥也是谷子高产稳产的重要措施之一[10-11]。

不同的谷子品种及不同的生产条件，对土壤水分、氮肥的条件要求不同。对于种植在不同地区的不同谷子品种，应在当地的栽培条件下开展试验，才能对当地作物生产具有指导性意义[12]。郑谷3 号是以豫谷21 为母本、复532×M24 为父本进行杂交，通过系谱法选育而成的谷子新品种，于2018 年在农业农村部进行品种登记，登记编号为GPD 谷子（2018）410122，适合在河南夏播区种植[13]。

本研究以郑谷3 号为试验材料，通过分析种植密度与施氮量对谷子产量及相关农艺性状的影响，旨在探索该谷子品种最佳的种植密度与施氮量，为指导河南省夏谷区谷子高产高效栽培提供理论依据。

1材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2021 年在郑州市中原区须水镇郑州市农作物新品种试验中心进行。试验地播前为冬闲田，土壤为黄土质砂壤土，肥力中上，0～40 cm耕层土壤养分含量为：有机质16.7 g/kg、速效氮70.6 mg/kg、速效磷18.0 mg/kg、速效钾98.4 mg/kg。

1.2 试验材料

供试材料为郑谷3 号，生育期为89.9 d，由郑州市农林科学研究所旱作农业研究室提供[14]。

1.3 试验方法

试验采用裂区设计，其中，密度为主区，设40 万（D1）、60 万（D2）、80 万株/hm2 （D3）3 个水平；氮肥为副区，设纯N 施用量0（N1）、60（N2）、120（N3）、180 kg/hm2 （N4）4 个水平，共计12 个处理，每个处理4 个重复小区（其中，1 个为取样小区，3 个小区用于收获测产），共计48 个小区。每个小区长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 叶期根据株距和设定的密度定苗，9 月26 日收获。播种前施用充分腐熟的农家肥35～50 m3/hm2。其他管理同大田常规管理。

1.4 测定项目及方法

在收获期，每个取样小区选取5 株进行考种，测定株高、茎粗、穗长、穗粗、单穗质量、单穗粒质量、千粒质量。每个小区（取样小区除外）单收单打，称质量计算小区产量，并折合成公顷产量。

1.5 数据分析

试验采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 20.0软件进行试验数据的统计和分析。

2结果与分析

2.1 不同种植密度与施氮水平对谷子产量的影响

由表1 可知，随着种植密度的增加，谷子产量呈先增加后减少的趋势。不同种植密度以D2 水平获得的产量最高，达到5 441.1 kg/hm2，D1 水平获得的产量最低，只有3 695.8 kg/hm2。不同密度水平之间产量达到显著差异（P<0.05），说明适当增加种植密度可以增加产量，但是盲目增加密度不仅不会增加产量，甚至会造成减产。对产量随种植密度的变化进行回归分析，得到产量与种植密度的二次回归方程，回归方程R2 为1，说明方程拟合程度较吻合。

根据方程得出，最高理论产量为5 534.46 kg/hm2，其对应的种植密度为65.8 万株/hm2，这与D2 水平的产量基本一致。综合2 种分析结果，将58 万～73 万株/hm2确定为本试验最佳密度（图1）。

施用不同量的氮肥均可以增加谷子产量，随施氮水平的增加，谷子的产量先增大后减小，其中以N3 水平的产量最高，为5 501.39 kg/hm2，高于其他3 个水平。由此可见，追施适当水平的氮肥可以显著增加谷子产量。对产量随施氮水平变化进行回归分析，回归方程的R2 为0.973 8，说明方程拟合程度较吻合（图2）。根据方程得出，最高理论产量为5 373.50 kg/hm2，其对应的氮素水平为112 kg/hm2，这与N3 水平的产量基本相同，综合2 种分析结果，将100～125 kg/hm2确定为本试验最佳施氮量。

利用SPSS 软件一般线性模型中的单变量对施氮量和种植密度的互作效应进行分析，互作影响的P 值为0.017，小于0.05，密度和施氮量对谷子产量有显著的互作效应，从二者互作效应可以看出，以D2 水平配合N3 水平的产量最高，为6 479.2 kg/hm2，其次依次为D3N3、D2N2、D2N4、D3N2 组合，产量分别达到5 818.8、5 743.8、5 593.8、5 241.7 kg/hm2，它们与其他组合之间有显著的增产差异（P<0.05，表2）。由此可见，适当的种植密度（60 万株/hm2）和施用氮肥水平（120 kg/hm2）配合对谷子高产有促进作用。

2.2 不同种植密度和施氮水平对谷子农艺性状的影响

2.2.1 不同种植密度和施氮水平对谷子株高的影响 从表3 可以看出，随着种植密度的增加，谷子株高先减小后增加，随着施氮水平的增加，株高不断上升。但是不同的种植密度处理之间以及不同的施氮水平之间差异均不显著。对株高随种植密度和施氮水平的变化进行单变量一般线性模型分析，P 值分别为0.961、0.895，大于0.05，说明种植密度和施氮量对株高效应不明显。对施氮量和种植密度的互作效应进行分析，互作影响的P 值为0.627，大于0.05，说明种植密度和施氮量对谷子株高的互作效应不明显。

2.2.2 不同种植密度和施氮水平对谷子茎粗的影响 由表4 可知，随着种植密度的增加，谷子茎粗不断减小，不同的密度处理之间差异显著。随着施氮水平的增加，茎粗先增加后减小，茎粗最大的处理是N3 水平，与N1、N2 水平间差异显著（P<0.05）。对茎粗随种植密度和施氮水平的变化进行单变量一般线性模型分析，P 值分别为0.004、0.005，小于0.05，说明种植密度和施氮量对茎粗效应明显。对施氮量和种植密度的互作效应进行分析，互作影响的P 值为0.986，大于0.05，说明种植密度和施氮量对谷子茎粗的互作效应不明显。

2.2.3 不同种植密度和施氮水平对谷子穗长的影响 由表5 可知，随着种植密度的增加，穗长不断减小，D1、D2 处理与D3 处理间差异显著（P<0.05）。

不同施氮水平处理的穗长随施氮水平的增加呈先增加后减小，穗长最长的处理是N3 水平，与N1 水平间差异显著（P<0.05）。对穗长随种植密度和施氮水平的变化进行单变量一般线性模型分析，P 值分别为0.000、0.012，小于0.05，说明种植密度和施氮量对株高效应明显。对施氮量和种植密度的互作效应进行分析，互作影响的P 值为0.999，大于0.05，说明种植密度和施氮量对谷子穗长的互作效应不明显。

2.2.4 不同种植密度和施氮水平对谷子穗粗的影响 从表6 可以看出，随着种植密度的增加，穗粗不断减小，D1 密度水平的穗粗最大，达到6.53 cm，与D2、D3 密度水平间差异显著（P<0.05）。随着施氮水平的增加，穗粗先增加后减小，穗粗最大的处理是N3 水平，达到6.50 cm，N2、N3 、N4 水平与N1 水平间差异显著（P<0.05）。对穗粗随种植密度和施氮水平的变化进行单变量一般线性模型分析，P 值分别为0.000、0.000，小于0.05，说明种植密度和施氮量对谷子穗粗效应明显。对施氮量和种植密度的互作效应进行分析，互作影响的P 值为0.845，大于0.05，说明种植密度和施氮量对谷子穗粗的互作效应不明显。

2.2.5 不同种植密度和施氮水平对谷子单穗质量的影响 从表7 可以看出，随着种植密度的增加，谷子单穗质量不断减小，D1 密度水平的单穗质量最大，达到22.7 g，D1、D2、D3 密度水平之间差异显著（P<0.05）。随着施氮量的增加，单穗质量先增加后减小，单穗质量最大的处理是N3 水平，达到22.3 g，N2、N3、N4 水平与N1 水平间差异显著（P<0.05）。对单穗质量随种植密度和施氮水平的变化进行单变量一般线性模型分析，P 值分别为0.000、0.000，小于0.05，说明种植密度和施氮量对谷子单穗质量的效应明显。对施氮量和种植密度的互作效应进行分析，互作影响的P 值为0.859，大于0.05，说明种植密度和施氮量对谷子单穗质量的互作效应不明显。

2.2.6 不同种植密度和施氮水平对谷子单穗粒质量的影响 从表8 可以看出，随着种植密度的增加，谷子的单穗粒质量不断减小，D1 密度水平的单穗粒质量最大，达到18.5 g，D1、D2、D3 密度水平之间差异显著（P<0.05）。随着施氮量的增加，单穗粒质量先增加后减小，最大的处理是N3 水平，达到17.2 g，N3 与其他施氮水平间差异显著（P<0.05）。对单穗粒质量随种植密度和施氮水平的变化进行单变量一般线性模型分析，P 值分别为0.000、0.000，小于0.05，说明种植密度和施氮量对谷子单穗粒质量效应明显。对施氮量和种植密度的互作效应进行分析，互作影响的P 值为0.794，大于0.05，说明种植密度和施氮量对谷子单穗粒质量的互作效应不明显。

2.2.7 不同种植密度和施氮水平对谷子千粒质量的影响 由表9 可知，随着种植密度的增加，千粒质量变化无规律。D1、D2 密度水平的千粒质量最大，均达到2.68 g，均与D3 密度水平之间差异显著（P<0.05）。随着施氮量的增加，千粒质量先增加后减小，最大的处理是N3 水平，达到2.75 g，4 个不同施氮水平之间差异显著（P<0.05）。对千粒质量随种植密度和施氮水平的變化进行单变量一般线性模型分析，P 值分别为0.000、0.000，小于0.05，说明种植密度和施氮量均对谷子千粒质量效应明显。对施氮量和种植密度的互作效应进行分析，互作影响的P 值为0.000，小于0.05，说明种植密度和施氮量对谷子千粒质量的互作效应明显。

３结论与讨论

合理的种植密度是谷子增加产量的重要措施之一[15-16]。在本试验中，当种植密度在40 万～80 万株/hm2 时，谷子的产量呈现先增加后降低的趋势，种植密度对产量的效应达到显著水平。种植密度以60 万株/hm2 水平获得的产量最高，可达到5 441.1 kg/hm2，与根据回归方程得出的最高理论产量为5 534.46 kg/hm2 接近。栾素荣等[17]、朱灿灿等[18]研究表明，随种植密度的增大，谷子叶绿素含量逐渐增大，叶面积指数和地上部干物质产量升高，透光率逐渐降低，产量表现为先增加后降低。

这与本试验结果一致。当种植密度小于58 万株/hm2时，谷子植株个体能得到充分发育，然而单位面积的植株数量较少，导致光能、水分、肥料等资源没有被充分利用；增加种植密度虽不利于谷子单产的形成，但可以显著提高谷子群体对光能的利用率，整体增强光合作用，进而表现为群体增产，从而弥补了单株减产的劣势，增加种植密度后显著增产。当密度增加到73 万株/hm2 以上时，单位面积内植株群体过多，单株之间出现明显的光照、水分、肥料等资源竞争，单株发育不够好，导致产量降低。而在密度为58 万～73 万株/hm2 时，既充分发挥了个体的生长发育潜能，又充分利用了资源。由此可见，适当增加密度可以显著提高谷子产量，但过度增加密度会使产量降低。

氮素是谷子重要的生理因素之一，在谷子的产量和农艺性状方面起着重要的作用[19-22]。本试验发现，随着施氮水平的增加，谷子的产量先增大后减小，其中以N3（120 kg/hm2）水平的产量最高，为5 501.39 kg/hm2。根据回归方程得出最高理论产量为5 373.50 kg/hm2，其对应的氮素水平为112 kg/hm2，这与N3 水平的产量基本相同。秦岭等[23]研究发现，施氮量对济谷14 产量的影响达到了极显著水平，随着施氮量的增加，产量呈先增加后降低的趋势。刘琳琳等[24]研究认为，在谷子营养生长期，氮肥施用量制约谷子根、茎、叶生长，中氮环境最有利于提高谷子产量。薛盈文等[19]、仝锦[20]研究发现，适当调减施氮量可以达到增产提质的效果。这与本研究结果一致。随着氮肥施用量的增加，进而造成谷子单株营养生长过度，贪青徒长，群体植株之间间隙变小，透光率下降，光能利用效率下降，呼吸作用消耗过多的光合产物从而降低了干物质的积累量，进而导致谷子的产量下降。

通过不同种植密度与追氮水平的裂区试验，经过数据处理分析后，发现种植密度与施氮量对谷子产量的互作效应明显。以D2（60 万株/hm2）水平配合N3（120 kg/hm2）水平的产量最高，为6 479.2 kg/hm2，与其他组合之间有显著的增产差异。其中，D3N3（120 万株/hm2 和120 kg/hm2）组合的产量仅次于D2N3（60 万株/hm2 和120 kg/hm2），即种植密度增加的情况下，可以通过适度增加氮肥来减缓产量下降的趋势，通过种植密度和氮肥的互作效应增产。

谷子的株高随着种植密度的增大呈先减小后上升，经过进一步分析后发现，差异不显著，种植密度对谷子株高的效应不明显。刘鑫等[25]研究发现，随着谷子播种密度逐渐减小，株高变化不显著。朱灿灿等[18]试验发现，不同密度处理之间谷子株高没有显著差异。这与本研究结果一致。王显瑞等[16]研究认为，株高和密度呈正相关。颜丽美等[26]研究证明，株高和密度呈负相关。这可能是由于谷子的株高受不同地域的生态环境等其他因素影响较大。

本试验中，随着种植密度水平的上升，不同处理的谷子穗长、茎粗、穗粗、单穗质量、单穗粒质量、千粒质量均呈下降的趋势，种植密度水平对穗长、茎粗、穗粗、单穗质量、单穗粒质量、千粒质量等性状效应明显。屈洋等[27]研究认为，同一种植模式下，随着密度的增加，谷子的穗长和穗粗呈下降趋势，差异不显著。方路斌等[28]研究发现，随着密度水平的增大，谷子的株高、生育期呈逐渐增大的趋势，茎粗、穗长、穗粗、植株干质量、成穗率、单穗质量、穗粒质量、出谷率和千粒质量均呈逐渐减小趋势，处理间差异显著。苏宸瑾等[29]研究发现，在低密度组合下，谷子能通过自身调节提高分蘖、单穗粒质量、千粒质量，稳定产量，而高密度下谷子籽粒产量没有提高，经济系数降低。说明谷子适当稀植才能达到高产、增效的目的。这些结果与本研究结果一致。

随着施氮水平的上升，穗长、茎粗、穗粗、单穗质量、单穗粒质量呈先增大后减小的趋势，均为N3（120 kg/hm2）水平最优，施氮水平对穗长、茎粗、穗粗、单穗质量、单穗粒质量的效应明显。种植密度和施氮水平对千粒质量互作效应明显，这说明随着密度的增加，千粒质量有所下降，施用适当的氮肥可以缓解密度增加带来的负效应。

郑谷3 号是高产、优质的谷子新品种，选用郑谷3 号作为本试验的品种，其试验结论在河南夏谷区具有一定的推广意义。但本试验仅统计了产量和部分农艺性状，且只进行了1 a，后期需要进行连续试验，加强与高水平研究单位合作，对叶面积指数、SPAD 值、光合速率等数据进行测定，进一步探究最佳施氮水平和种植密度水平，为谷子绿色高效生产提供依据。

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