谷子精量播种机播种参数对晋谷21号生长特性与产量的影响

畅灼卓，王雅情，冯 雷,2，张丽光,3，郭平毅，原向阳※

（1. 山西农业大学农学院，太谷 030801；2. 山西吕梁方山县农业农村局，吕梁 033199；3. 山西农业科学院作物科学研究所，太原 030031）

0 引 言

谷子是中国重要的杂粮作物，由其籽粒脱壳而成的小米色泽金黄、营养丰富。晋谷21号米质优良，历史悠久，是山西小米的典型代表，在干旱半干旱地区广泛种植[1-2]。谷子传统播种大多采用窄行距人工条播，播籽量多，间苗量大；生产中也有一些精量播种机，但无法很好适应山地丘陵小田块作业要求，存在播种质量不高的缺点，若减少播量，则易缺苗断苗；若增大播量，则需要投入大量人工进行间苗，生产成本高。近年来，由山西农业大学和韩国张自动化社合作研发出的自走式谷子精量播种机，可精确控制播量和播距，适于山地丘陵小面积地块作业。因此，研究宽行距下精量播种机播种作业参数对晋谷21号出苗质量、光合特性及产量的影响具有重要作用。研究发现，7 500和11 250 g/hm2的播量可保证谷子群体优势[3]。随着播量的增大，出苗密度逐渐增大，经覆土镇压后种子与土壤接触充分，同时镇压有利于保持墒情，提高地温，利于种子出苗和生长[4-6]。适宜的种植密度可提高谷子产量[7-8]，但留苗密度超过一定限值，则株高增加，茎粗降低[9]，影响叶片对光能的利用，叶片的最小荧光产量（F0）、PSⅡ实际光化学效率（ΦPSII）和光化学淬灭系数（Photochemical Quenching Coefficient,qP）降低，而非光化学淬灭系数（Non-Photochemical Quenching Coefficient, NPQ）增加[10-12]，进而导致净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）下降[13-15]。光合性能的降低使穗质量、穗粒质量、千粒质量降低[16-19]，单株产量下降，通过合理密植增加的穗数不能弥补单株产量的下降，进而导致群体产量降低[15,20-22]；但种植密度过小，群体穗数较少，产量也会下降[23]。因此合理的种植密度有利于建立理想的群体株型结构，提高光合效率和光能利用率，使个体与群体发育协调，产量提高[24]。关于种植密度或株行配置对谷子生长发育及产量影响的研究大多以人工方式控制播量[10,16]，精量播种机的研究也大多集中在如何精准控制播籽量的问题上[25-26]，关于精量播种机播种作业参数对谷子出苗数、出苗均匀度、光合荧光特性及产量的影响暂无报道。本研究旨在探讨精量播种机不同的播量和播距对优质谷子品种晋谷21号出苗质量、光合特性及产量的影响，以期为丘陵山地谷子机械化精量播种提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验品种：晋谷21号（山西省农业科学院经济作物研究所提供）。

播种机：自走式多功能小粒种子播种机 JAS-502 B（山西农业大学和韩国张自动化社联合研发）。该播种机播种行距33.3 cm，播深3 cm，自带动力，适合山地丘陵作业，可在垄上播种，操作简便、转弯灵巧，开沟、播种、覆土、镇压一次完成，PSU炭黑防静电材料制作的播种轮对种子磨损小、准确落种率高，两侧配置移动用胶轮，便于播种机不作业时入库移动，自由组装，可更换播种轮以达到精确控制下籽量、株行距的目标，基本实现谷子的精播免（少）间苗。

该播种机配套多类型播种轮，其中 F播种轮凹槽的外径为5 mm，深度为2.5 mm，圆形，播种量为每穴3～4粒；X播种轮凹槽的外径为4 mm，深度为2 mm，圆形，播种量为每穴2～3粒；YJ播种轮凹槽的外径为5 mm，深度为1.8 mm，V形，播种量为每穴1～2粒。

1.2 试验地概况

1.2.1 太谷试验地

2013年5－9月在山西省晋中市太谷县山西农业大学进行试验，褐土，肥力中等，播前施底肥纯氮207 kg/hm2、纯P2O596 kg/hm2、K2O 139.5 kg/hm2。地理坐标为北纬37°12′～37°3′，东经 112°28′～113°01′。5－9 月降雨量为451 mm，平均温度为22.06 ℃。

1.2.2 泽州试验地

2014年5－9月在山西省晋城市泽州县高都镇善获村试验，红褐土，肥力中等，播前施底肥纯氮69 kg/hm2，有机肥1 200 kg/hm2，纯P2O596 kg/hm2。地理坐标为北纬 35°12′～35°42′，东经 112°31′～113°14′。5－9 月降雨量为455.6 mm，平均温度为21.4 ℃。

1.3 试验设计

出苗试验采用裂裂区设计，主区设置镇压和不镇压2个处理，裂区播距设置为7、10和13 cm，裂裂区通过F、X和YJ共3个播种轮分别设置（3～4、2～3和1～2粒/穴）3个播量。共18个处理，每个处理3次重复，共计54个小区；生长特性及产量试验采用随机完全区组设计，不进行镇压处理（见表1）。太谷试验田每个小区面积30 m2（10 m× 3 m），泽州试验田选用播量3～4粒，播距10 cm（F-10）；播量3～4粒，播距13 cm（F-13）；播量2～3粒，播距7 cm（X-7）；播量 2～3粒，播距10 cm（X-10）；播量1～2粒，播距7 cm（YJ-7）等处理进行产量验证试验，每个小区面积60 m2（30 m×2 m）。

表1 试验处理Table 1 Experimental treatments

1.4 指标测定方法

在灌浆期，各小区随机选取3株谷子，选取倒2叶，做好标记，分别测定净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、叶绿素荧光参数和光合色素含量。

1.4.1 出苗质量统计

出苗以谷子露出第一叶且距地面1 cm为标准[27]。株距测量连续11株的距离为准，取平均数，3次重复，计算平均株距和株距标准差。

1.4.2 光合色素含量的测定

光合色素含量参考张宪政[28]的方法。

1.4.3 光合参数的测定

于上午9：00－11：00，用美国思爱迪生产的CI-340光合测定仪测定叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和胞间 CO2浓度（Ci），测定时光照强度为(900±50)μmol/(m2·s)，环境温度为(28±2)℃，大气 CO2浓度为(380±5)μmol/mol。

1.4.4 叶绿素荧光参数的测定

于20：30后，使用德国WALZ公司生产的便携式叶绿素荧光仪 PAM-2500测定各叶绿素荧光参数：PSⅡ实际光化学量子产量（ΦPSⅡ）、表观光合电子传递速率（Apparent Photosynthetic Electron Transport Rate, ETR），光化学淬灭系数（qP）、非光化学淬灭系数（NPQ）。

1.4.5 产量测定

太谷县试验田在各小区取 3株测定单株穗质量；各小区内测定2 m2（长2 m，宽1 m）内的穗数，3次重复，计算理论产量。泽州试验田穗数与穗质量测定方法与太谷试验田一致；实收产量为同一处理的谷子穗全部收割脱粒，测定各处理全部收获籽粒质量。

1.5 数据分析

使用Excel 2003软件进行数据统计，使用DPS 6.50软件处理试验结果。采用Duncan新复极差法进行不同处理间的多重比较。

2 结果与分析

2.1 播距和播量对出苗质量的影响

2.1.1 播距和播量对谷子出苗数的影响

如图 1所示，出苗数随播量的增加而增加，随播距的增加而减小。其中，F-7镇压处理出苗数最大，YJ-13处理出苗数最小。同一播种轮处理下，由于增加了土壤与种子的接触面积，镇压处理的出苗数高于无镇压处理，X-13处理相较X-7和X-10处理，分别降低了54.55%和23.53%。

图1 播距和播量对出苗数的影响Fig.1 Effects of seeding rate and seeding distance on the emergency number

2.1.2 播距和播量对出苗均匀度的影响

由表 2可知，株距和株距标准差随播量的增加而减小，随播距的增加而增大，使用镇压处理的株距和株距标准差均小于无镇压处理，YJ-13无镇压处理的平均株距和株距标准差均最大，F-7镇压处理最小。无镇压处理下的YJ-7与YJ-10和YJ-13相比，YJ-7的株距分别显著降低了 37.44%和 41.73%，株距标准差分别显著降低了38.74%和51.16%；有无镇压处理的X播种轮各处理内和 F播种轮各处理内的平均株距和株距标准差均无显著差异。

2.2 播距和播量对光合色素含量的影响

如表 3所示，随着播量的增加，虽叶绿素 a（Chlorophyll a, Chl-a）和类胡萝卜素（Carotenoids, Car）含量呈下降趋势，叶绿素b（Chlorophyll b, Chl-b）含量呈升高趋势，叶绿素(a+b)（Chlorophyll (a+b), Chl-(a+b)）含量呈先升高后降低的趋势，但各处理间差异均不显著。

表2 播距和播量对出苗均匀度的影响Table 2 Effects of seeding distance and seeding rate on emergence uniformity

表3 播距和播量对晋谷21倒2叶光合色素含量的影响Table 3 Effects of seeding distance and seeding rate on photosynthetic pigment content at the 2nd leaf from top of Jingu 21

2.3 播距和播量对光合特性的影响

由表 4可知，播量一定，随着播距的增大，谷子叶片接受的光合有效辐射增大，Pn和Gs呈上升趋势，Ci呈下降趋势；播距一定，随着播量的增大，谷子叶片自遮阴，Pn和Gs总体呈下降趋势，Ci总体呈上升趋势。F-10和F-13处理的Pn差异不显著，均显著高于F-7处理，Pn的提高有利于单株产量的提高；X播种轮各处理的Pn差异未达显著水平；YJ-13处理显著高于YJ-7和YJ-10处理。YJ-10和YJ-13处理的Gs差异不显著且均高于其他处理；X-10和X-13处理无的Gs显著性差异，且高于X-7处理；F-13处理的Gs显著高于F-10处理和F-7处理。F-7处理的Ci显著高于F-10处理，F-10处理与F-13处理差异不显著；X-7处理的Ci显著高于X-10和X-13处理，X-10和X-13处理间的差异未达显著水平；YJ-7处理显著高于YJ-10和YJ-13处理，YJ-10处理显著高于YJ-13处理。

表4 播距和播量对晋谷21倒2叶光合特性的影响Table 4 Effects of seeding distance and seeding rate on photosynthetic characteristics at the 2nd leaf from top of Jingu 21

2.4 播距和播量对叶绿素荧光参数的影响

如表5所示，ΦPSII、ETR随播量的增加而减小，随播距的增加而增大；NPQ随播量的增加而增大，随播距的增加而减小；qP在各处理间无显著性差异。F-7处理的 ΦPSII和ETR与YJ-13处理相比分别降低了35.71%和33.60%，与X-10处理相比分别降低了18.18%和18.00%，X-10处理相较YJ-13处理分别降低了21.43%和19.03%；F-7处理的NPQ相较YJ-13处理增高了51.19%，较X-10处理增高了3.40%，X-10与YJ-13处理相比，增高了49.47%。

表5 播量和播距对晋谷倒2叶叶绿素荧光参数的影响Table 5 Effects of seeding distance and seeding rate on chlorophyll fluorescence parameters at the 2nd leaf from top of Jingu 21

2.5 播距和播量对产量的影响

由表6可知，对于太谷县试验田，随着播量的减小，谷子每667 m2穗数呈下降趋势，而由于谷子的光合能力随播量的减小逐渐增大，故穗粒质量呈升高趋势；随着播距的增大，每667 m2穗数呈下降趋势，而穗粒质量呈相反趋势。F播种轮处理内穗粒质量差异均显著，结穗数F-7处理显著高于F-10和F-13处理；X播种轮处理内结穗数差异均显著，X-7处理显著高于X-10和X-13处理；YJ播种轮处理内穗粒质量未达到显著水平，YJ-7处理结穗数显著高于YJ-10和YJ-13处理。产量从高到低为X-10处理、X-13处理、YJ-7处理、YJ-10处理、X-7处理、F-13处理、YJ-13处理、F-10处理、F-7处理。F播种轮处理内的理论产量无显著差异，X-10处理的理论产量显著高于X-13处理，X-13处理的理论产量显著高于YJ-7处理，YJ-7处理的理论产量显著高于F-13处理。泽州县试验田产量从高到低为为X-10、YJ-7、X-7、F-13、F-10，与太谷试验区理论产量的趋势基本一致。虽F-10的结穗数最高，显著高于X-10和X-7处理，但穗粒质量 F-10显著低于其余各处理；YJ-7的穗粒质量最高，均显著高于其余各处理，但其结穗数却显著低于其余各处理。

表6 播距和播量对晋谷21产量的影响Table 6 Effects of seeding distance and seeding rate on the yield of Jingu 21

3 讨 论

谷子颗粒小，若未与土壤充分接触，会导致种子缺水而不能正常发芽，经覆土器和镇压轮覆土镇压之后与土壤充分接触，保墒效果好且有利于种子出苗[4]。太谷试验田综合结果显示，镇压处理的谷子出苗数也显著高于未镇压处理，同一处理，结穗数高于出苗数，可能与后期又有种子陆续出苗有关。高志军等[6]的研究表明，随着播量的增加，谷子出苗密度增高。梁鸡保等[24]发现，随着谷子播量的增加，出苗时间短且整齐度高。本研究得出，随着播量的增加，株距和株距标准差减小，谷子出苗更加均匀，可能是由于谷子存在群体顶土优势，与高志军等研究结果基本一致。由于出苗数不同，谷子的形态发生改变，导致谷子群体结构发生变化，群体结构对于谷物的光合性能影响极大[29]。光合作用是作物生长发育的基础，是决定作物生产力组成的主要因素[30]。较低的种植密度会造成光能的浪费，过高的种植密度会使作物的叶面积指数过高，导致叶片自遮阴，透光率低，光合效率低，植株间土壤水分、肥料竞争激烈，从而导致产量下降[16,20,31-32]。谷子叶片的叶绿素含量、光合速率均随种植密度的增加而降低[14]。光合速率的变化可能是由于光合作用原初反应过程中叶片的叶绿素荧光特性发生变化[33]。研究发现，PSⅡ光能转换效率和Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP均随着种植密度的增高而减小，NPQ随种植密度的增高而增大[34-36,10]。本试验结果表明，ΦPSⅡ、ETR和qP均随谷子种植密度的升高而降低，而NPQ随密度的升高而升高。这可能是因为高的种植密度抑制了谷子光系统 II的光能转化，导致光化学效率和电子传递速率降低，而非光化学淬灭系数的升高，说明植物吸收的过剩光能以热能的形式散失，启动了光保护机制。

合理的种植密度也是增产的重要措施之一[36]。谷子产量的高低决定于单位面积穗数、穗粒数和粒质量的乘积, 协调好这三者之间关系，有利于获得较佳产量[37]。刘红霞等[38]和刘正理等[23]发现随种植密度增加，谷子的有效穗数显著增加，使群体产量升高；但穗粒数和千粒质量显著降低，使单株产量降低；在一定密度范围内，随着种植密度的增加，谷子的群体产量和单株产量配比达到理想状态，产量极显著增加，与本研究结果基本相符。而孙鹏等[39]认为，随种植密度的增加，冬小麦穗数呈先降后增的趋势，穗粒数、千粒质量、产量呈先增后降的趋势。这可能与作物种类和试验中种植密度不同有关。同时黄学芳等[37]指出，随群体密度的增加，张杂谷 5号成穗数、成穗率相应减少。这主要是因为晋谷21无分蘖，而张杂谷 5号有分蘖，其群体结构有较大差异，因此对成穗数的影响不同。本研究发现，出苗数越多，单位面积结穗数越多，但由于光合性能的降低导致穗粒质量降低；出苗数越少，单位面积结穗数越少，但光合性能的升高导致穗粒质量的升高。所以较低的种植密度有利于提高单株产量，较高的种植密度对群体产量的提高有较好的效果。

太谷县试验中X-10的理论产量高，虽然其出苗质量、穗数不如F-7处理，但因F-7处理种植密度过高，群体结构的因素导致Pn降低，使穗粒质量降低严重，导致单株产量显著降低；虽穗粒质量不及 YJ-13处理，但 YJ-13处理由于种植密度过小，穗数严重降低，即使光合速率及效率高，但也无法弥补其穗数的降低，导致群体产量降低显著；泽州试验田同样显示X-10的实收产量高。根据课题组多年的试验，在行距33.3 cm的条件下，若土壤墒情、整地和种子质量不高时，建议播种时每次下籽2～3粒，播距10 cm左右，出苗均匀，可以大大减少间苗用工量或达到不间苗的效果；若播种条件适宜，建议适当加大播距或减少下籽量。

4 结 论

在本试验条件下，使用自走式多功能小粒种子播种机JAS-502 B播种晋谷21号，采用行距33.3 cm，株距10 cm，每次播种量2～3粒（采用X播种轮，其凹槽的外径为4 mm，深度为2 mm，圆形），谷子的产量、品质较好。虽单株光合速率和单株产量不是最高，但群体结构的优化，使合理密植增加的穗数弥补了由于光合速率降低导致的单株产量的降低，故群体产量较高。试验结果显示，在此机械化播种条件下，出苗均匀，密度适中，产量高，可以实现少间苗或免间苗。太谷试验区的理论产量达到290.04 kg/667 m2，泽州试验区的实收产量达到242 kg/667 m2。因此，采用此播种作业参数可为丘陵山地谷子机械化精量播种提供依据。