不同施肥量和種植密度對(duì)高丹草‘晉草4號(hào)’農(nóng)藝性狀和光合指數(shù)的影響

呂 鑫，平俊愛，杜志宏，李惠明，牛 皓，王玉斌，張福耀

（1山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所，山西 晉中 030600；2高粱遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉中 030600；3農(nóng)業(yè)部黃土高原作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030031）

0 引言

高丹草[Sorghum bicolor(L.)Moench]作為一種一年生禾本科牧草，它具有高度的適應(yīng)性、耐瘠性強(qiáng)、抗旱能力強(qiáng)、生長(zhǎng)量大，生物產(chǎn)量高，品質(zhì)好的特點(diǎn)，其莖葉品質(zhì)比籽粒高粱和青刈玉米柔軟，適口性好，再生能力強(qiáng)[1]。是種草還牧，減輕水土流失、水資源壓力，改善生態(tài)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)作物[2]。是解決中國(guó)各牧區(qū)走種草養(yǎng)畜，以牧為主，農(nóng)林牧協(xié)調(diào)發(fā)展之路的優(yōu)勢(shì)草種[3]。而目前如何能找到一個(gè)合理施肥量和種植密度是高丹草的種植模式中急需解決的栽培技術(shù)。目前，中國(guó)人均耕地面積不斷下降的情況下，增加高丹草生物產(chǎn)量等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的主要途徑就是提高單位面積的產(chǎn)出，而合理的種植密度和施肥水平是高丹草實(shí)現(xiàn)單產(chǎn)高產(chǎn)的重要前提[4]。

研究表明，密度和施肥量對(duì)于構(gòu)建良好的群體冠層結(jié)構(gòu)具有重要意義[5-8]。沈秀瑛等[9]研究表明，合理的密度和施肥量可以影響群體的光合效率，改善冠層結(jié)構(gòu)，提高作物產(chǎn)量。前人多是針對(duì)玉米進(jìn)行研究，而對(duì)適宜高丹草栽培品種的研究很少。本研究以不同種植密度和施肥量對(duì)高丹草品種‘晉草4號(hào)’光合特性和農(nóng)藝性狀的影響為切入點(diǎn)。以期探明‘晉草4號(hào)’最適的施肥量和種植密度，為適宜高丹草品種高產(chǎn)高效栽培研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)于2015年和2016年在晉中市榆次區(qū)修文鎮(zhèn)東白試驗(yàn)基地進(jìn)行。采用大田試驗(yàn)，測(cè)定土壤肥力：有機(jī)質(zhì)11.1 g/kg，全氮0.75 g/kg，速效磷4.62 mg/kg，速效鉀121.40 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試材料為高丹草‘晉草4號(hào)’（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究研究所選育）。試驗(yàn)采用兩因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，共36小區(qū)，小區(qū)面積15.6 m2。2015年4月28日和2016年5月1日播種，全生育期澆水3次，管理同常規(guī)大田。試驗(yàn)設(shè)密度處理4 個(gè)，分別為：D1，300000 株/hm2，D2，345000 株/hm2，D3，390000 株/hm2，D4，430000株/hm2。施肥處理3個(gè)，分別為：F1，肥料總量為600 kg/hm2：其中純N 300 kg/hm2，P2O5180 kg/hm2，K2O 120 kg/hm2；F2，肥料總量為750 kg/hm2：其中純N 375kg/hm2，P2O5225kg/hm2，K2O150kg/hm2；F3，900kg/hm2：其中純N 450 kg/hm2，P2O5270 kg/hm2，K2O 180 kg/hm2。

1.3 取樣及測(cè)定方法

1.3.1 農(nóng)藝性狀的測(cè)定 株高的測(cè)定：在高丹草最終成熟期即第二次刈割時(shí)，用塔尺測(cè)定單株株高；莖粗?jǐn)?shù)據(jù)的測(cè)定：連續(xù)選擇3株高丹草主莖，采用游標(biāo)卡尺測(cè)量其從地面數(shù)第5節(jié)節(jié)間莖粗?jǐn)?shù)據(jù)，再取平均值；分蘗數(shù)測(cè)定：在高丹草4 葉期選每小區(qū)中間4 行進(jìn)行調(diào)查，3次重復(fù)，取平均值；生物產(chǎn)量的測(cè)定：將高丹草第一次刈割（抽穗期）和第二次刈割（最終成熟期）的鮮重產(chǎn)量相加后得出，計(jì)算平均值并折算成每公頃產(chǎn)量；干重產(chǎn)量的測(cè)定：在第二次刈割后每個(gè)重復(fù)取樣3株，切碎并取500 g，烘干后用電子天平稱出干重?cái)?shù)據(jù)，計(jì)算平均值并折算成每公頃產(chǎn)量。

1.3.2 光合數(shù)據(jù)的測(cè)定 葉綠素含量測(cè)定：用TYS-A型葉綠素測(cè)定儀對(duì)高丹草中部葉片進(jìn)行了葉綠素的測(cè)定；葉面指數(shù)(LAI)的測(cè)定：在高丹草拔節(jié)期和抽穗期用SunScan冠層分析儀測(cè)定，3次重復(fù)；光合數(shù)據(jù)（包括凈光合速率和氣孔導(dǎo)度）的測(cè)定：在高丹草第二次刈割時(shí)，上午10:00 用CB-1102 便攜式光合蒸騰測(cè)定儀，對(duì)高丹草‘晉草4號(hào)’倒3葉進(jìn)行了氣孔導(dǎo)度的測(cè)定，3次重復(fù)，取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用DPS 7.02分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥量和密度水平對(duì)‘晉草4號(hào)’各農(nóng)藝性狀的影響

2.1.1 不同施肥量和密度水平對(duì)‘晉草4 號(hào)’株高的影響 株高是影響高丹草生物產(chǎn)量的關(guān)鍵因子之一，與生物產(chǎn)量呈正相關(guān)[10]。但株高值也需在一個(gè)合理區(qū)間內(nèi)，如果株高過高會(huì)引起高丹草倒伏而影響生物產(chǎn)量。結(jié)果表明，F(xiàn)2D3處理方案最佳，即種植密度為390000株/hm2，施肥量為750 kg/hm2時(shí)，株高最高，達(dá)290 cm，居12個(gè)處理第一位。通過多重比較可知，F(xiàn)2D3 與除F1D1、F2D2、F3D1以外的其他處理都達(dá)極顯著的差異；方差分析結(jié)果表明，肥料、密度試驗(yàn)中的施肥量因素對(duì)‘晉草4號(hào)’株高的影響較明顯，其中F2處理750 kg/hm2的株高最高，F(xiàn)3處理株高最低（表1圖1）。

2.1.2 不同施肥量和密度水平對(duì)‘晉草4 號(hào)’分蘗數(shù)的影響 分蘗數(shù)與高丹草生物產(chǎn)量也呈正相關(guān)[11]。分蘗數(shù)高的高丹草品種對(duì)生物產(chǎn)量的補(bǔ)償性好。在大田生產(chǎn)中，如果播種時(shí)出現(xiàn)缺苗斷壟的情況，分蘗數(shù)多的品種可以有效地補(bǔ)償因缺苗造成的減產(chǎn)，對(duì)高丹草高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)起十分重要的作用。結(jié)果表明，F(xiàn)2D4處理方案最佳，即種植密度為430000株/hm2，施肥量為750 kg/hm2時(shí)，分蘗數(shù)最高，達(dá)2.12個(gè)，居12個(gè)處理第一位。通過多重比較可知，F(xiàn)2D4、F2D3與其他處理達(dá)極顯著的差異；方差分析結(jié)果表明，肥料、密度試驗(yàn)中的施肥量因素對(duì)‘晉草4號(hào)’分蘗數(shù)的影響較明顯，其中F2處理750 kg/hm2的分蘗數(shù)最高，F(xiàn)3處理分蘗數(shù)最低（表1、圖2）。

表1 不同施肥量和種植密度對(duì)‘晉草4號(hào)’各農(nóng)藝性狀的影響

圖1 不同施肥量和密度對(duì)‘晉草4號(hào)’株高的影響

圖2 不同施肥量和密度對(duì)‘晉草4號(hào)’分蘗數(shù)的影響

2.1.3 不同施肥量和密度水平對(duì)‘晉草4 號(hào)’莖粗的影響 莖粗也是影響高丹草生物產(chǎn)量的關(guān)鍵因子之一[12]。如果莖粗值低，會(huì)引起高丹草抗倒伏性下降。在極端天氣狀態(tài)下，莖粗值低的品種倒伏率、倒折率較高，直接影響生物產(chǎn)量。結(jié)果表明，F(xiàn)1D4、F2D2、F2D3 和F3D4 處理方案最佳，莖粗最高，達(dá)1.20 cm，居處理第一位。通過多重比較可知，F(xiàn)1D4、F2D2、F2D3和F3D4達(dá)極顯著的差異；方差分析結(jié)果表明，肥料、密度試驗(yàn)中的密度因素對(duì)‘晉草4 號(hào)’莖粗的影響較明顯，其中D4處理430000株/hm2的莖粗值最高，D1和D3處理莖粗值最低（表1、圖3）。

2.1.4 不同施肥量和密度水平對(duì)‘晉草4 號(hào)’生物產(chǎn)量的影響 高丹草生物產(chǎn)量的高低是判斷其作為飼料作物合理性的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一，是指高丹草在生長(zhǎng)期間產(chǎn)生和積累有機(jī)物質(zhì)的總量，稱作生物產(chǎn)量。生物產(chǎn)量對(duì)判斷高丹草器官平衡、產(chǎn)量增加潛力等具有重要的意義[10-12,16]。施肥量和密度是影響生物產(chǎn)量的重要因素。高丹草屬于C4 作物，植株高大。因此，肥料和密度對(duì)生物產(chǎn)量的影響較普通C3 作物和低桿作物明顯。試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)2D3 處理方案最佳，即種植密度為390000株/hm2，施肥量為750 kg/hm2時(shí)，生物產(chǎn)量值最高，達(dá)到131921.98 kg/hm2，居12 個(gè)處理第一位。通過多重比較可知，F(xiàn)2D3 與除F1D4、F2D1 以外的其他處理達(dá)極顯著的差異；方差分析結(jié)果表明，肥料、密度試驗(yàn)中的密度因素對(duì)‘晉草4號(hào)’生物產(chǎn)量的影響較明顯，其中D3處理390000株/hm2的生物產(chǎn)量最高，D1處理300000株/hm2最低（表1、圖4）。

圖3 不同施肥量和密度對(duì)‘晉草4號(hào)’莖粗的影響

圖4 不同施肥量和密度對(duì)‘晉草4號(hào)’生物產(chǎn)量的影響

2.1.5 不同施肥量和密度水平對(duì)‘晉草4號(hào)’干重產(chǎn)量的影響 干重產(chǎn)量和生物產(chǎn)量都是選育高丹草的關(guān)鍵指標(biāo)性狀[10,12,16]。如果干重產(chǎn)量低，說明該品種積累的干物質(zhì)低，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值相對(duì)要差。所以，干物質(zhì)產(chǎn)量是選育高丹草新品種品質(zhì)的重要參考。結(jié)果表明，F(xiàn)2D3處理方案最佳，即種植密度為390000株/hm2，施肥量為750 kg/hm2時(shí)，干重產(chǎn)量達(dá)到最高，達(dá)32005.76 kg/hm2，居12 個(gè)處理第一位。通過多重比較可知，F(xiàn)2D3，F(xiàn)1D4，F(xiàn)2D1 與F1D1、F1D3、F2D4、F3D1、F3D4達(dá)極顯著的差異；方差分析結(jié)果表明，肥料、密度試驗(yàn)中的施肥量因素對(duì)‘晉草4號(hào)’干重產(chǎn)量的影響較明顯，其中F2處理750 kg/hm2的干重產(chǎn)量最高，F(xiàn)3處理干重產(chǎn)量最低（表1、圖5）。

圖5 不同施肥量和密度對(duì)‘晉草4號(hào)’干重產(chǎn)量的影響

2.2 不同施肥量和密度水平對(duì)‘晉草4號(hào)’各光合指數(shù)的影響

2.2.1 不同施肥量和密度水平對(duì)‘晉草4 號(hào)’葉綠素含量的影響 葉綠素是一類與光合作用有關(guān)的最重要的色素[13]。從結(jié)果中看出，葉綠素含量F2D2處理方案最佳，F(xiàn)2D3 次之。通過多重比較可知，F(xiàn)2D2 和 F2D3 達(dá)顯著的差異；方差分析結(jié)果表明，肥料、密度試驗(yàn)中的施肥量因素對(duì)‘晉草4 號(hào)’葉綠素含量的影響較明顯，其中F2處理750 kg/hm2的葉綠素含量最高，F(xiàn)3處理葉綠素含量最低（表2、圖6）。

2.2.2 不同施肥量和密度水平對(duì)‘晉草4 號(hào)’葉面積指數(shù)的影響 葉面積指數(shù)(LAI)是指一定土地面積上植物葉面面積總和與土地面積之比，是反映作物群體結(jié)構(gòu)的重要因子[13-14]。結(jié)果表明，葉面積指數(shù)F2D3 最佳，F(xiàn)2D2 次之，通過多重比較可知，F(xiàn)2D3 和 F2D2 達(dá)顯著的差異；方差分析結(jié)果表明，肥料、密度試驗(yàn)中的施肥量因素對(duì)‘晉草4 號(hào)’葉面積指數(shù)的影響較明顯，其中F2處理750 kg/hm2的葉面積指數(shù)最高（表2、圖7）。

2.2.3 不同施肥量和密度水平對(duì)‘晉草4 號(hào)’凈光合速率的影響 凈光合速率(Pn)是指光合作用產(chǎn)生的糖類減去呼吸作用消耗的糖類（即凈光合作用產(chǎn)生的糖類）的速率[14]。結(jié)果表明，凈光合速率F2D3最佳，F(xiàn)3D4次之，通過多重比較可知，F(xiàn)2D3 和F3D4 達(dá)顯著的差異；方差分析結(jié)果表明，肥料、密度試驗(yàn)中的施肥量因素對(duì)‘晉草4 號(hào)’凈光合速率的影響較明顯，其中F2 處理750 kg/hm2的凈光合速率最高，F(xiàn)1 處理 600 kg/hm2最低（表2、圖8）。

2.2.4 不同施肥量和密度水平對(duì)‘晉草4 號(hào)’氣孔導(dǎo)度的影響 氣孔導(dǎo)度(Gs)表示的是氣孔張開的程度，影響光合作用，呼吸作用及蒸騰作用[15]。結(jié)果表明，氣孔導(dǎo)度F3D1最佳，F(xiàn)2D3次之，通過多重比較可知，F(xiàn)3D1和F2D3達(dá)顯著的差異；方差分析結(jié)果表明，肥料、密度試驗(yàn)中的施肥量因素對(duì)‘晉草4號(hào)’氣孔導(dǎo)度的影響較明顯，其中F2 處理750 kg/hm2的氣孔導(dǎo)度最高，F(xiàn)1 處理600 kg/hm2最低（表2、圖9）。

表2 不同施肥量和種植密度對(duì)‘晉草4號(hào)’各光合指數(shù)的影響

圖6 不同施肥量和密度對(duì)‘晉草4號(hào)’葉綠素含量的影響

圖7 不同施肥量和密度對(duì)‘晉草4號(hào)’葉面積指數(shù)的影響

3 結(jié)論與討論

李光等[13]研究表明，在作物生長(zhǎng)過程中，影響作物生產(chǎn)最重要因素之一是施肥量的多少。而如果要構(gòu)建良好的群體結(jié)構(gòu)，獲得適宜的光合面積，減少漏光損失，提高光能利用效率，合理的種植密度是作物實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的必要條件。作物群體產(chǎn)量最高時(shí)，其單株在田間的分布應(yīng)該處于最佳狀態(tài)[17]，要獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，就必須使個(gè)體、群體和環(huán)境相協(xié)調(diào)達(dá)到最優(yōu)化[13,19]。

本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果基本一致，隨著施肥量和種植密度增大，株高、分蘗、莖粗和干重產(chǎn)量大體上呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，生物產(chǎn)量卻呈現(xiàn)出波浪式變化趨勢(shì)。從最終結(jié)果分析，這5個(gè)農(nóng)藝性狀在F2D3處理方案，即種植密度為390000 株/hm2，施肥量為750 kg/hm2時(shí)均處于最佳或高峰值。由此可以說明，并不是施肥量最高，或者種植密度最大時(shí)各農(nóng)藝性狀值最高，而是在一個(gè)特定施肥量和種植密度水平上其農(nóng)藝性狀值處于最佳效果。另外，光合作用是作物體內(nèi)極為重要的代謝過程，光合作用的強(qiáng)弱對(duì)作物的生長(zhǎng)、產(chǎn)量及其抗逆性都具有十分重要的影響[13,19-20]。葉綠素含量、LAI、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度等指標(biāo)最終影響著‘晉草4 號(hào)’生物產(chǎn)量的高低。本研究表明，隨著施肥量和種植密度增大，葉綠素含量、LAI、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度大體上呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。從最終結(jié)果分析，這4 個(gè)光合性狀在F2D3 處理方案，即種植密度為390000 株/hm2，施肥量為750 kg/hm2時(shí)均處于最佳或高峰值。

圖8 不同施肥量和密度對(duì)‘晉草4號(hào)’凈光合速率的影響

圖9 不同施肥量和密度對(duì)‘晉草4號(hào)’氣孔導(dǎo)度的影響

由此可以說明，在種植密度為390000 株/hm2，施肥量為750 kg/hm2時(shí)，‘晉草4號(hào)’的群體結(jié)果處于最合理的狀態(tài)，能截獲更多的光能，可提高群體光合速率，光合產(chǎn)物積累量增加，最終使高丹草群體生物產(chǎn)量顯著增加。并不是說施肥量越多，或者說留苗密度越大，‘晉草4號(hào)’的生物產(chǎn)量等各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)就處于最高狀態(tài)，相反，隨著施肥量和種植密度的不斷增加，‘晉草4號(hào)’的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)反而有下降趨勢(shì)，過高的肥料投入和種植密度會(huì)使主莖生長(zhǎng)過快而導(dǎo)致莖粗值有下降現(xiàn)象，使主莖的抗倒伏能力下降，遇到惡劣氣象條件容易引起倒伏而減產(chǎn)，使肥料和土地利用率降低，不僅增加了種植成本，還會(huì)產(chǎn)生污染等一列問題，而對(duì)目前高丹草大田生產(chǎn)來說，尋求一個(gè)適宜的投入產(chǎn)出比，不僅可以提高肥料利用率和增加高丹草生物產(chǎn)量等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，而且還能改善品質(zhì)，達(dá)到節(jié)本增效的目的[16]。