种植方式对不同地区张杂谷10号抗倒伏特性及产量的影响

郭永新 周 浩 孙 鹏 王雅情 马 珂 李晓瑞 董淑琦 郭平毅 原向阳

（山西农业大学农学院/省部共建有机旱作农业国家重点实验室（筹），030031，山西太原）

谷子是中国农耕文明最早广泛栽培的作物[1]，小米具有丰富的营养价值，备受消费者青睐[2]。山西省谷子种植面积基本保持在20.00万～26.67万hm2[3]，在全国有举足轻重的地位。杂交谷子具有产量高和抗性强的特点，在山西谷子种植面积中占有较大的比重。品种、气候、营养状况和栽培措施等都会产生倒伏影响[4-6]。不同种植方式可直接影响作物生长的微环境及植株的株型结构，进而对作物抗倒伏性和产量造成影响[7]。卢杰等[8]研究表明，随着种植密度的增加，小麦茎秆机械强度呈下降趋势，倒伏指数先升高后降低，穗粒数和千粒重均降低。与裸地平作种植方式相比，起垄覆膜侧播种植方式可以显著降低春玉米的倒伏率[9]。茎秆各节间干重、硬皮穿刺强度和弯曲能力均随着群体密度的增加呈先增加后降低趋势，并且显著提高玉米产量[10]。与条播种植方式相比，穴播种植方式显著降低了水稻的重心高度和基部节间长度，提高了茎秆的抗折力，降低了植株的倒伏指数[11]。王吉祥等[12]通过单穴留苗数对谷子茎秆机械强度和倒伏指数研究，结果表明在单穴留苗3株时，谷子的抗倒伏能力最强。

前人关于不同种植方式对小麦、玉米、水稻等作物抗倒伏性和产量的研究比较深入[8,10,13-14]，而对谷子的研究鲜有报道[12,15-17]。本研究以张杂谷10号为试验材料，研究覆膜穴播、膜侧条播、裸地穴播和裸地条播 4种种植方式对山西省忻州市定襄县、晋中市太谷区和晋城市泽州县3个地区谷子品种抗倒伏性和产量的影响，为不同地区张杂谷10号的高产抗倒伏种植方式提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年5-10月在山西省忻州市定襄县（112°32′24″ E，38°24′ N）、晋中市太谷区（112°52′48″ E，37°42′ N）和晋城市泽州县（112°35′24″ E，35°18′ N）进行，3 个试验地点谷子生育期的降雨量分别为 451.55、461.47和415.93mm。试验地前茬作物均为玉米，试验地土壤基础肥力条件见表1。

表1 不同地点播种前0～20cm土层土壤基础肥力Table 1 Soil basal fertility in 0-20cm soil layer before sowing in different sites

1.2 试验材料

供试谷子品种张杂谷10号由河北省张家口市农业科学院提供。白色地膜由山西迎太塑料有限公司提供。复合肥料（腐殖酸螯合型，N-P2O5-K2O:18-19-18，总养分≥54%）由湖南开门子肥业有限公司提供。

1.3 试验设计

采用随机完全区组设计，设置覆膜穴播（MX）、膜侧条播（MT）、裸地穴播（LX）和裸地条播（LT）4种种植方式处理，小区面积为60m2（5m×12m），每个处理重复5次。定襄、太谷和泽州试验地分别于5月20日、25日和28日播种，于10月14日、10月12日和10月1日收获。4个处理的种植行距均为50cm，留苗数3×105株/hm2。地膜采用平铺半覆盖方式，覆膜穴播处理在膜上穴播2行种植，图1为4种种植方式示意图。3～5叶期进行间苗，其他田间管理同普通大田。

图1 不同种植方式示意图Fig.1 Diagrammatic sketch of different planting patterns

1.4 测定项目和方法

1.4.1 株高和重心高度 于谷子灌浆期每小区取株高及穗型相近的 3株代表植株，将测量样本去除根系后，使用米尺测量株高。将茎秆（带叶、叶鞘及穗）放于支点上，通过调节茎秆位置至茎秆平衡点上，茎秆基部至平衡点的距离记为重心高度。

1.4.2 茎秆机械强度及倒伏指数 于灌浆期在每小区选3株长势均匀一致的植株，去掉基部第1和第2节间叶鞘，剪下节间，称量节间鲜重，并测量长度。用游标卡尺测量茎粗（节间中部长轴和短轴直径）。然后使用 SANS-CMT6104生物材料力学试验机测定基部节间机械强度，试验加载速率为10mm/min。最后放入牛皮纸袋中，105℃杀青30min，80℃烘干至恒重，用天平称量其干重。

基部节间干密度=节间干重/节间体积，基部第1和第2节间中髓腔可忽略不计，因此，节间体积=节间长度×π×节间中部长轴直径×节间中部短轴直径×节间长。基部节间充实度=节间干重/节间长度。倒伏指数=单株鲜重×重心高度/机械强度[4,18]。

1.4.3 纤维素和木质素含量 将1.4.2测定后的材料利用万能粉碎机粉碎，过 60目筛后测定茎秆节间化学成分。分别使用BC4205和BC4285试剂盒测定木质素和纤维素含量，试剂盒购置于北京索莱宝科技有限公司。

1.4.4 产量 于成熟期，每个小区人工收割 20m2谷穗，风干后用脱粒机脱粒，计算产量。

1.5 数据处理

用 Microsoft Excel 2010软件进行数据整理并绘图，用SPSS 24软件对同一地点不同种植方式进行数据统计和方差分析，以Duncan’s新复极差法进行显著性分析（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同种植方式对张杂谷10号株高和重心高度的影响

由图2可知，不同地点的张杂谷10号株高整体趋势表现为MX＞MT＞LX＞LT，各地点覆膜处理的重心高度均高于裸地处理。在定襄试验地，MX处理的株高比 LX和 LT处理显著高 3.88%和4.86%；在太谷试验地，不同处理对张杂谷10号的株高无显著影响，覆膜处理与裸地处理的重心高度存在显著差异；在泽州试验地，覆膜处理与裸地处理的重心高度和株高均存在显著差异，且MX处理的株高最大，MT处理的重心高度最大。

图2 不同种植方式对张杂谷10号株高和重心高度的影响Fig.2 Effects of different planting patterns on plant height and gravity center height of Zhangza 10

2.2 不同种植方式对张杂谷10号茎秆第1节间相关指标的影响

方差分析结果（表2）显示，地点和种植方式2个因素以及二者的互作效应对张杂谷 10号茎秆第1节间相关指标的影响均达到极显著水平。

表2 不同种植方式对张杂谷10号茎秆第1节间相关指标的影响Table 2 Effects of different planting patterns on related indexes of the first internode of Zhangza 10 stem

在定襄试验地，MX处理的倒伏指数和节间长度均高于其他处理，且倒伏指数与其他处理间存在显著差异。各处理的机械强度表现为 MT＞LT＞MX＞LX。覆膜处理的节间长度和茎粗均高于裸地处理。此外，MT处理的节间干密度和节间充实度均显著高于其他处理。

在太谷试验地，MX处理的张杂谷 10号倒伏指数最大。MT处理节间机械强度与MX、LX和LT处理相比分别显著提高12.41%、26.69%和16.97%。覆膜处理与裸地处理的节间长度存在显著差异，MX处理节间长度最大。MT处理的茎粗最大，且与裸地处理差异显著。MT处理节间干密度和节间充实度最高，其中MT处理的节间充实度与MX、LX和LT处理相比分别显著增高9.81%、21.84%和15.42%。

在泽州试验地，覆膜处理与裸地处理之间的倒伏指数存在显著差异，且MX处理倒伏指数最大。LT处理的机械强度、节间干密度和节间充实度都表现为最高，其节间干密度与MX、MT和LX处理相比分别显著增高17.16%、7.79%和6.33%。各处理之间的茎粗无显著差异。裸地处理的节间充实度显著高于覆膜处理，MX处理节间充实度最低，为123.45mg/cm。

2.3 不同种植方式对张杂谷10号茎秆第2节间相关指标的影响

方差分析结果（表3）显示，地点和种植方式2个因素以及二者的互作效应对第2节间各指标的影响均达到极显著水平。在太谷和泽州试验地，各处理间的倒伏指数表现为相同的趋势，即MX＞MT＞LX＞LT。在定襄和太谷试验地，MT处理的第2节间机械强度显著高于其他处理，泽州试验地 LT处理的机械强度表现为最大。

表3 不同种植方式对张杂谷10号茎秆第2节间相关指标的影响Table 3 Effects of different planting patterns on related indexes of the second internode of Zhangza 10 stem

在定襄试验地，MX处理的节间长度与MT处理相比显著提高4.35%，MX处理的茎粗显著高于其他处理。不同处理下节间干密度和节间充实度表现为相同的趋势，即MT＞MX＞LT＞LX，且MT处理与其他处理之间存在显著差异。

在太谷试验地，覆膜处理的节间长度显著高于裸地处理，MT处理的节间干密度和节间充实度显著高于其他处理。在相同覆盖情况下，条播处理的节间干密度和节间充实度高于穴播处理。

在泽州试验地，LX处理的第2节间长度最大，与覆膜处理存在显著差异，MX与MT处理的茎粗之间无显著差异。各处理节间干密度和节间充实度表现为相同的趋势，即LT＞LX＞MT＞MX，且LT处理与其他处理之间存在显著差异。

2.4 不同种植方式对张杂谷10号茎秆第1节间木质素和纤维素含量的影响

如图3所示，在定襄试验地，MT处理的张杂谷10号茎秆第1节间木质素和纤维素含量最大。在太谷试验地，不同处理对木质素和纤维素含量的影响表现为相同的趋势，即MT＞MX＞LT＞LX。在泽州试验地，裸地处理的木质素和纤维素含量显著高于覆膜处理，且LT处理的木质素含量与MX、MT和LX处理相比分别显著增高46.08%、26.39%和6.86%。

图3 不同种植方式对张杂谷10号茎秆第1节间木质素和纤维素含量的影响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 不同种植方式对张杂谷10号茎秆第2节间木质素和纤维素含量的影响

在同一种植模式处理下，定襄试验地张杂谷10号第2节间木质素和纤维素含量均高于太谷和泽州试验地（图4）。在定襄试验地，各处理下第2节间的木质素和纤维素含量表现为相同的趋势，即MT＞LT＞MX＞LX。在太谷试验地，LX处理的第 2节间木质素和纤维素含量显著低于其他处理。在泽州试验地，各处理对木质素和纤维素含量的影响与第1节间趋势相同，表现为LT＞LX＞MT＞MX，且LT处理显著高于其他处理。

图4 不同种植方式对张杂谷10号茎秆第2节间木质素和纤维素含量的影响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 抗倒伏指标间相关性分析

通过对茎秆各指标间的相关性分析（表4）可以看出，株高与重心高度表现为极显著正相关，与第 1和第 2节间倒伏指数表现为正相关，但不显著。倒伏指数与机械强度、节间充实度、木质素和纤维素含量表现为显著或极显著负相关，与茎粗表现为负相关，与节间长度表现为正相关，但均不显著。另外，第2节间倒伏指数与第2节间干密度极显著负相关。各节间机械强度与节间充实度、木质素和纤维素含量表现为显著或极显著正相关，第2节间机械强度与其节间充实度表现为极显著正相关。各节间干密度、节间充实度与茎粗、节间木质素和纤维素含量表现为显著或极显著正相关，节间干密度和节间充实度之间表现为极显著正相关。

表4 不同抗倒伏指标间的相关性分析Table 4 Correlation analysis of different lodging resistance indexes

2.7 不同种植方式对张杂谷10号产量的影响

由图5可知，在定襄和太谷试验地，不同处理的产量表现出相同的趋势，即MX＞MT＞LX＞LT，且覆膜处理的产量显著高于裸地处理。泽州试验地与太谷、定襄试验地表现为相反的趋势，裸地处理的产量高于覆膜处理，且LX处理的产量与MT处理相比显著提高4.97%。

图5 不同种植方式对张杂谷10号产量的影响Fig.5 Effects of different planting patterns on yield of Zhangza 10

3 讨论

株高是影响作物倒伏的主要因素，一般认为株高较高的品种抗倒伏能力较弱[19]。也有研究[20-21]表明，株高不是决定作物抗倒伏能力的唯一因素，作物的抗倒性还与其茎秆特性有关。在本研究中，张杂谷10号的株高与倒伏指数不显著相关，这与Kaack等[22]研究一致。重心高度是反映作物倒伏能力的重要指标，一般认为重心高度越高，倒伏指数越大[23]，本研究也得出相似结论。通过相关性分析得出，株高与重心高度表现为极显著正相关，而太谷试验地各处理之间的株高无显著差异，覆膜处理的重心高度高于裸地处理，这是由于张杂谷 10号生育后期覆膜处理的穗部质量高于裸地处理。

倒伏指数的高低可以直接反映植株的抗倒伏能力。本研究发现，在定襄和太谷试验地，MT处理的倒伏指数低于MX处理。通过相关性分析可知，是由节间的机械强度、节间木质素和纤维素含量差异造成的。植株的茎秆形态是影响作物抗倒伏能力的重要指标[24-25]。李金才等[26]研究表明，茎秆第2节间相较于第1节间更易发生倒伏，本研究得出相似结论。本试验还发现太谷与定襄试验地MT处理下第1和第2节间机械强度最大，而在泽州试验地则表现为LT处理最大，这说明不同种植方式对不同地点张杂谷10号基部节间的机械强度影响不同。在相同覆盖情况下，穴播处理的节间长度高于条播处理。这可能是由于穴播影响了作物的株型和冠层结构，造成了张杂谷10号个体之间对光的竞争，促进了张杂谷10号株高的增长，使得节间长而细，提高重心高度进而可能增加倒伏的几率。

节间干密度和充实度可以间接反映植株的抗倒性。徐磊等[27]对20个抗倒性不同的小麦品系研究，结果表明，节间干密度和节间充实度与倒伏指数存在负相关。姚金保等[28]对小麦抗倒指数与茎秆特性的相关性分析得出，抗倒指数与基部第1和第2节间充实度呈显著或极显著正相关，本研究结论与其相似。本研究还表明，MT处理下定襄和太谷试验地张杂谷10号节间干密度和充实度最高，LT处理表现为最低，在泽州试验地得出相反的结论，表现为LT处理最高，MX处理最低，这可能是由于泽州试验地张杂谷10号生育时期的气温较高，覆膜处理增加了土壤温度，高于谷子的最适生长温度，进而引发谷子病害，导致茎秆支撑性减弱。

木质素和纤维素是具有加固细胞壁机械强度和增强植物抗倒伏性的生物学功能，可作为评价作物抗倒性的重要指标[29-31]。朱丽斌等[32]研究发现，耐密玉米品种不仅茎秆强度高于不耐密品种，且木质素含量以及木质素积累速率也高于不耐密品种。王凯等[33]研究表明，抗倒伏品种通过增加茎秆内木质素含量，增大了茎秆抗折力，从而增强抗倒能力。董荷荷等[34]研究表明，在小麦起身期与孕穗期2次追氮模式可以显著提高茎秆的木质素积累量，进而提高小麦抗倒能力。本研究表明，茎秆机械强度与茎秆木质素和纤维素含量表现为显著或极显著正相关关系，这表明提高茎秆木质素和纤维素含量有利于提高张杂谷10号茎秆的机械强度和植株的抗倒伏能力。同时，本试验还发现，在相同覆盖条件下，穴播种植方式的木质素和纤维素含量低于条播种植方式，这可能是穴播处理下，张杂谷10号在生育后期群体郁蔽程度高，减少了叶片对光的截获效率，使得植株茎秆发育变弱，进而影响木质素和纤维素的合成。

作物的群体结构和功能是产量形成的基础，合理的种植方式可以优化作物的群体结构，增强对环境的适应能力，进而提高作物的产量[35]。李万斌等[36]研究表明，谷子覆膜穴播处理产量高于裸地处理。曹昌林等[37]研究表明，高粱平作覆膜膜下种植与平作覆膜膜侧种植产量显著高于裸地种植，且膜侧种植相较于膜下种植可提高高粱产量。本研究得出，在定襄和太谷试验地，采用覆膜处理可增加张杂谷10号的产量，且MT处理下产量略低于MX处理。而在泽州试验地，裸地处理的产量高于覆膜处理，且LX与LT处理间产量差异不显著。

4 结论

不同种植方式对不同地区张杂谷10号倒伏及产量的影响存在差异。在定襄和太谷试验地，膜侧条播种植方式下茎秆基部节间机械强度高，节间干密度和节间充实度大，节间木质素和纤维素含量高，且产量较高；在泽州试验地，裸地条播种植方式下，张杂谷10号表现出抗倒伏能力强且产量高。综合不同种植方式对张杂谷10号抗倒伏性和产量的影响，在定襄和太谷适合采用膜侧条播种植方式，在泽州适合裸地条播种植方式。