不同施氮水平下硅肥對谷子抗倒伏能力、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

摘要： 【目的】倒伏嚴(yán)重影響谷子產(chǎn)量和品質(zhì)。探究不同施氮水平下硅肥提高谷子莖稈強(qiáng)度、產(chǎn)量及品質(zhì)的作用，為谷子高產(chǎn)高效施肥提供技術(shù)方案。【方法】以晉谷21 和張雜13 為供試谷子品種，在山西太谷進(jìn)行大田試驗。在常規(guī)施氮量N1 （180 kg/hm2） 和高施氮量N2 （450 kg/hm2） 下，分別設(shè)置不施硅、施用硅酸鈉（Si1，SiO268.85 kg/hm2） 和硅鈣肥（Si2，SiO2 67.2 kg/hm2），共6 個處理。在谷子成熟期測量其株高、抗倒伏能力相關(guān)指標(biāo)、光合特性、產(chǎn)量和品質(zhì)相關(guān)指標(biāo)，并觀察莖稈橫切面顯微結(jié)構(gòu)?！窘Y(jié)果】N1 水平下，施用硅肥降低了谷子基節(jié)長度，增加了莖粗、莖稈抗折力和穿刺力，晉谷21 和張雜13 兩品種前五基節(jié)的節(jié)間長度分別降低了4.1%～30.1% 和9.5%～11.5%，莖粗分別增加5.3%～19.4% 和13.0%～34.1%；晉谷21 抗倒性在N1-Si1 處理較強(qiáng)，第一、第二基節(jié)抗倒伏指數(shù)較N1-Si0 處理分別增加37.4% 和35.8%，張雜13 在N1-Si2 處理時較強(qiáng)，第一、第二基節(jié)抗倒伏指數(shù)較N1-Si0 處理分別增加136.0% 和94.7%。N2 水平下，施用硅肥后晉谷21 和張雜13 前五基節(jié)的節(jié)間長度分別降低了9.6%～30.3% 和10.6%～14.9%，莖粗分別增加了9.56%～23.9% 和16.2%～31.0%，莖稈扁平度降低。硅鈣肥對谷子莖稈強(qiáng)度影響大于硅酸鈉，N2-Si2 處理晉谷21 的第二基節(jié)抗折力、穿刺力和抗倒伏指數(shù)比N2-Si0 分別增加97.9%、77.6% 和83.3%，張雜13 的第一基節(jié)抗折力、穿刺力和抗倒伏指數(shù)比N2-Si0 分別增加74.0%、66.8% 和128%。施硅后谷子莖稈中機(jī)械組織增厚，維管束數(shù)量增多且排列均勻，向莖稈中心延伸，且在N2 水平下，硅鈣肥作用效果優(yōu)于硅酸鈉。硅可促進(jìn)谷子穗碼發(fā)育，增加穗粗、穗粒數(shù)和千粒重，在高氮水平下硅鈣肥處理使晉谷21 和張雜13 的產(chǎn)量分別增加23.8% 和24.0%。施用硅肥能夠提高谷子脂肪、蛋白質(zhì)和氨基酸含量，在高氮水平下可以降低谷子直鏈淀粉/支鏈淀粉值。【結(jié)論】在高氮條件下，施用硅鈣肥使谷子前五基節(jié)長度降低，莖粗增加，機(jī)械強(qiáng)度增加，進(jìn)而提高抗倒伏能力；施用硅肥還可增加光合速率和蒸騰速率，促進(jìn)物質(zhì)積累和運輸，增加產(chǎn)量，改善品質(zhì)。

關(guān)鍵詞： 谷子； 硅酸鈣； 硅酸鈉； 施氮量； 基部莖稈性狀； 機(jī)械強(qiáng)度； 抗倒伏指數(shù)； 產(chǎn)量； 品質(zhì)

谷子（Setaria italica） 作為古老的C4 作物，在中國已有8000 多年種植歷史，是重要的雜糧作物。谷子耐旱耐瘠薄，水分養(yǎng)分利用能力強(qiáng)，光合效率高，且營養(yǎng)豐富，富含有益于人體健康的膳食纖維、抗氧化劑、植物化學(xué)物質(zhì)和多酚，是未來潛在的可持續(xù)生產(chǎn)的營養(yǎng)物質(zhì)來源[1?2]。為了獲得高產(chǎn)，谷子生產(chǎn)中普遍增施肥料，特別是氮肥，增加了谷子倒伏的風(fēng)險[3]。作物倒伏后，冠層光合作用降低，維管束斷裂，限制了光合產(chǎn)物的形成與轉(zhuǎn)運，顯著降低谷物產(chǎn)量和品質(zhì)，每倒伏2% 會導(dǎo)致產(chǎn)量下降1%，同時會增加收獲成本[4?6]。

硅是植物的有益元素，增加硅的供應(yīng)可使作物莖稈細(xì)胞壁加厚，維管束加粗，增加機(jī)械組織厚度和莖稈充實度，增強(qiáng)莖稈機(jī)械強(qiáng)度，因而提高作物抗倒伏能力。硅也能夠提高葉綠素含量，增強(qiáng)光合能力，延緩葉片衰老。水稻施硅能加深葉片顏色，促進(jìn)葉片堅挺，降低基節(jié)長度、增加莖粗，增強(qiáng)其抗倒伏能力[7]。小麥?zhǔn)┕韬蟾蛋l(fā)達(dá)，基節(jié)硬度變高變粗，株型得到改善，葉片堅韌且葉綠素含量增加，改善光合性能，促進(jìn)生物量積累和產(chǎn)量增加[8]。施硅后玉米總?cè)~面積增加，葉片挺直、夾角變小、功能期延長[ 9 ]。施用硅肥可促進(jìn)作物對氮磷鉀的吸收[10]，顯著降低重金屬的吸收累積[11]，通過調(diào)節(jié)滲透作用、增加細(xì)胞強(qiáng)度和抗氧化酶活性等，增加作物對生物（病、蟲） 和非生物脅迫（干旱、鹽、熱等） 的抵抗能力[12]。

盡管目前硅肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已有較多應(yīng)用，但在谷子生產(chǎn)中的具體應(yīng)用和效果尚未被充分研究。本研究采用田間試驗，研究不同氮肥用量下，硅酸鈉和硅鈣肥對谷子莖稈特性、光合作用及產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)的影響，為谷子優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)提供可行的養(yǎng)分管理措施。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019 年4—10 月在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)申奉村試驗基地進(jìn)行。試驗田0—20 cm 土層土壤pH 為7.36，有機(jī)質(zhì)為18.79 g/kg，全氮1.65 g/kg，堿解氮66.6 mg/kg，速效鉀88.2 mg/kg，速效磷22.7 mg/kg，有效硅為126 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試谷子品種為晉谷21 號和張雜13 號。硅肥分別為硅酸鈉（SiO2 49%） 和硅鈣肥（SiO2 24%）。

1.3 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置兩個施氮水平：常規(guī)施氮量（N 180kg/hm2，N1）、高施氮量（N 450 kg/hm2，N2）；每個氮水平下，設(shè)置不施硅（Si0）、施用硅酸鈉140 kg/hm2（Si1 ， SiO2 68.85 kg/hm2 ）、施用硅鈣肥280 kg/hm2（Si2，SiO2 67.2 kg/hm2），共6 個處理，分別記為N1-Si0、N1-Si1、N1-Si2、N2-Si0、N2-Si1、N2-Si2，每個處理3 次重復(fù)，小區(qū)面積12 m2（3 m×4 m）。所有處理均施P2O5 90 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2，供試肥料為尿素（N 42%）、過磷酸鈣（P2O5 12%） 和硫酸鉀（K2O 50%），3 種肥料均作為基肥在播種前一次性均勻施入土壤中。谷子于2019 年5 月24 日播種，深度3～4 cm，行距40 cm，株距8 cm，采用常規(guī)田間管理措施，10 月8 日收獲后進(jìn)行產(chǎn)量、品質(zhì)分析。谷子全生育期平均氣溫、降雨量如圖1 所示。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 硅含量測定

土壤有效硅含量采用檸檬酸提取—鉬藍(lán)比色法測定[13]。谷子植株中硅含量采用堿溶法提取—鉬藍(lán)比色法測定[14]。

1.4.2 株高、基節(jié)長度、粗度測定

于成熟期，在各小區(qū)選取5 株具有代表性的谷子測量株高、基部1～5 節(jié)的節(jié)間長度和莖粗。因谷子莖基節(jié)為橢圓形，用游標(biāo)卡尺分別測量其長軸、短軸長度，根據(jù)橢圓周長公式[C=2πb+4（a?b）] 計算莖基節(jié)周長，以表示莖粗（式中，a、b 分別為半長軸、半短軸的長，π 為圓周率）。

1.4.3 重心高度、莖稈力學(xué)指標(biāo)測定

重心高度測定：取成熟期谷子植株地上部，將其放置于與地面垂直的支桿上，左右調(diào)節(jié)莖稈位置，使其處于平衡位置，用卷尺測量從主莖底端到支點處的距離，即為重心高度。

抗折力與穿刺力測定：取成熟期谷子第一、二基節(jié)，使用YYD-1 型莖稈強(qiáng)度測量儀測定抗折力（機(jī)械強(qiáng)度） 和穿刺力。

抗倒伏指數(shù)計算公式[15]：莖稈抗倒指數(shù)=莖稈抗折力/莖稈重心高度。

1.4.4 光合指標(biāo)測定

利用CI-340 型便攜式光合測量儀，于上午9：00—11：00 選取完整無病蟲害的谷子倒二葉片，測定凈光合速率（Pn） 、氣孔導(dǎo)度（Gs）和蒸騰速率（Tr） 等光合參數(shù)，并計算水分利用效率（WUE= Pn/Tr）。

1.4.5 莖節(jié)顯微結(jié)構(gòu)觀察

取成熟期谷子第二基節(jié)，用刀片橫切1～2 mm 厚，放入培養(yǎng)皿中用番紅進(jìn)行染色，用顯微鏡觀察并拍照。

1.4.6 產(chǎn)量、品質(zhì)分析

在谷子完全成熟后，各小區(qū)隨機(jī)收獲2 m2 內(nèi)的全部谷穗，晾曬1 周后脫粒測產(chǎn)。每小區(qū)選取10 株進(jìn)行考種，測量穗長、穗粗、穗粒重、千粒重等。將谷子脫殼并挑選完整一致的籽粒，采用近紅外光譜分析儀測定蛋白質(zhì)、氨基酸、直鏈淀粉含量[16]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用 Microsoft Excel 2019 整理、分析數(shù)據(jù)，使用Origin 2021 繪制圖表，利用SPSS 23.0 對每個谷子品種的指標(biāo)進(jìn)行二因素方差分析和相關(guān)分析，采用鄧肯氏新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 硅肥對谷子莖稈形態(tài)特征的影響

從圖2 可以看出高量氮肥處理N2 顯著提高了晉谷21 的株高，對張雜13 無顯著影響。施用硅肥對晉谷21 的株高無顯著影響，卻顯著增加了張雜13的株高。N1-Si1 （硅酸鈉） 和N1-Si2 （硅鈣肥） 處理的張雜13 株高較N1-Si0 分別增高了9.67% 和17.6%，N2-Si1 和N2-Si2 均增高了17.1%。Si1 （硅酸鈉） 和Si2 （硅鈣肥） 對谷子株高的影響無顯著差異，且與氮肥無顯著交互作用。

相比于常規(guī)氮量（N1），高量氮肥（N2） 顯著增加了晉谷21 第一、三、四基節(jié)和張雜13 第二基節(jié)的節(jié)間長度（圖3）。施用硅肥顯著降低谷子前四基節(jié)長，氮、硅交互作用不顯著，只在晉谷21 號的第二、三基節(jié)顯示有交互作用。N1 水平下，施硅處理晉谷21 和張雜13 前五基節(jié)的長度分別降低了4.1%～30.1%、9.5%～11.5%，N2 水平下分別降低了9.6%～30.3%、10.6%～14.9% （圖3）。不同基節(jié)對硅的響應(yīng)存在差異，以第一、二基節(jié)降低效果最顯著，Si1、Si2 處理后晉谷21 和張雜13 較Si0 分別降低22.6%、14.2% 和20.4%、12.5%。

由圖4 可知，施氮顯著增加晉谷21 基節(jié)莖粗，對張雜13 莖粗的影響不顯著。硅對谷子莖稈增粗作用達(dá)顯著水平，晉谷21 和張雜13 于常規(guī)氮量（N1）下，硅處理的前五基節(jié)莖粗較Si0 分別增加5.3%～19.4% 和13.0%～34.1%，Si2 對張雜13 莖粗的促進(jìn)作用大于Si1；高氮量（N2） 下，前五基節(jié)莖粗較Si0分別增加9.56%～23.9% 和16.2%～31.0%，Si1 與Si2 間差異不顯著。

2.2 氮硅肥配施對谷子莖稈強(qiáng)度的影響

由表1 可知，施硅和施氮顯著降低晉谷21 重心高度，而對張雜13 的重心高度影響不顯著，且氮與硅在兩品種中均為表現(xiàn)出交互作用。在N2 水平下，硅處理（Si1 和Si2） 顯著降低晉谷21 莖稈重心高度，分別較Si0 降低9.0% 和10.9%。

除張雜13 第一基節(jié)穿刺力外，施氮顯著影響兩個品種的抗折力、穿刺力，增加谷子抗倒伏指數(shù)，晉谷21 中硅×氮交互作用顯著（表1）。晉谷21 和張雜13 莖稈第一基節(jié)抗折力、穿刺力和抗倒伏指數(shù)均大于第二基節(jié)。施用硅肥顯著增加莖稈抗折力和穿刺力，提高谷子抗倒伏指數(shù)，在常規(guī)氮量下，兩種硅肥對谷子抗倒性的影響差異不顯著，晉谷21 抗倒性在N1-Si1 時較強(qiáng)，第一、第二基節(jié)抗倒伏指數(shù)較N1-Si0 分別增加37.4% 和35.8%，張雜13 在N1-Si2 時較強(qiáng)，第一、第二基節(jié)抗倒伏指數(shù)較N1-Si0 分別增加136.0% 和94.7%。在高量氮下，N2-Si2 處理時谷子的抗折力、穿刺力和抗倒伏指數(shù)均最大，晉谷21 第二基節(jié)抗倒性增加量最高，其抗折力、穿刺力和抗倒伏指數(shù)比N2-Si0 分別增加97.9%、77.6% 和83.3%，張雜13 第一基節(jié)抗倒伏性增加最大，與N2-Si0 相比，抗折力、穿刺力和抗倒伏指數(shù)分別增加74.0%、66.8% 和128%。

2.3 硅肥對谷子莖稈顯微結(jié)構(gòu)的影響

谷子莖稈由表皮、基本組織和維管束三部分組成。其中表皮由一層結(jié)構(gòu)緊密的細(xì)胞組成，基本組織主要由大的薄壁細(xì)胞組成，靠近表皮的薄壁細(xì)胞壁增厚并木質(zhì)化形成機(jī)械組織，增加莖的機(jī)械支持能力，維管束隨機(jī)地分布在基本組織中，由韌皮部和木質(zhì)部構(gòu)成，起著長距離運輸水分養(yǎng)分和機(jī)械支撐的作用[17]。從圖5 可以看出，施硅后莖稈中機(jī)械組織增厚，維管束數(shù)量增多且排列均勻，向莖稈中心延伸，使得莖稈整體受力均勻，機(jī)械支撐能力或抗折力增加（表1），提高谷子的抗倒伏性和水分養(yǎng)分轉(zhuǎn)運能力。在N2 條件下，兩種硅肥對谷子莖稈結(jié)構(gòu)的影響存在差異，與硅酸鈉相比，硅鈣肥處理后晉谷21 的維管束增粗且數(shù)量增加，張雜13 的維管束較分散，向中心均勻延伸，機(jī)械組織增厚顯著。

2.4 硅肥對谷子硅含量的影響

谷子不同器官中硅含量在4.28～36.7 mg/g，葉片中含量最高，其次為根、莖，穗中硅含量最低（圖6）。高量氮肥增加晉谷21 各器官的硅含量，對張雜13 莖中硅含量影響較小。施硅顯著增加谷子根、莖、葉、穗硅含量，除晉谷21 穗硅含量外，硅肥與氮肥存在交互作用。常規(guī)施氮量下，兩個硅肥處理晉谷21 根、莖硅含量無顯著差異，但硅酸鈣（N1-Si2） 處理的葉硅含量顯著高于硅酸鈉（N1-Si1）。張雜13 在常規(guī)和高量氮下，硅鈣肥處理的葉中硅含量顯著高于硅酸鈉處理，根中硅含量則低于硅酸鈉，穗部硅含量無顯著差異。

2.5 氮硅肥配施對谷子光合作用的影響

硅肥和氮肥對兩個品種光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs） 的影響達(dá)極顯著水平且存在交互作用，對蒸騰速率（Tr） 影響顯著但無交互作用。氮肥顯著影響谷子水分利用效率（WUE），而硅的影響不顯著（圖7）。晉谷21 的Pn、Gs、Tr 在N2-Si2 處理時最大，分別為23.5 μmol/（m2·s）、180.8 mmol/（m2·s）、5.38 mmol/（m2·s），顯著高于N2-Si0、N1-Si0 和N1-Si1 處理；N2-Si2 處理的WUE 與N2-Si0 差異不顯著，但是顯著高N1-Si0 和N1-Si1 處理。張雜13 的Pn 和WUE 在N2-Si2 處理時最大分別為24.2 μmol/（m2 ·s） 和6.75 mmol/mol，Gs 和Tr 在N2-Si1 處理時達(dá)到最大值，較N2-Si0 分別增加23.3% 和14.3%。表明氮、硅配施可增加谷子光合速率、蒸騰速率和水分利用效率，促進(jìn)同化物的形成和轉(zhuǎn)運。

2.6 氮硅肥配施對谷子產(chǎn)量的影響

從表2 可以看出，氮肥和硅肥對谷子穗長、穗粗無顯著影響，但顯著增加穗粒數(shù)和產(chǎn)量，其中對張雜13 穗粒數(shù)和產(chǎn)量的交互作用顯著。不同氮肥用量下，施硅（Si1、Si2） 能顯著增加谷子穗粒數(shù)和產(chǎn)量。硅鈣肥（Si2） 處理顯著增加晉谷21 和張雜13 產(chǎn)量，在高供氮水平（N2-Si2） 時產(chǎn)量最高，較N2-Si0 處理分別增加23.8% 和24.0%，穗粒數(shù)分別增加16.9% 和16.8%。氮肥、硅肥對晉谷21 千粒重?zé)o顯著影響，而顯著增加張雜13 千粒重。表明施用硅肥促進(jìn)穗碼發(fā)育，增加穗粗、穗粒數(shù)和千粒重，進(jìn)而增加谷子產(chǎn)量，且硅鈣肥（Si2） 的增產(chǎn)作用大于硅酸鈉（Si1）。

2.7 氮硅肥配施對谷子營養(yǎng)品質(zhì)的影響

施硅和施氮對谷子脂肪和蛋白質(zhì)含量的影響顯著，在晉谷21 中交互作用顯著，在張雜13 中交互作用不顯著（表3）。在高氮水平下施硅增加了谷子脂肪和蛋白質(zhì)含量，其中，晉谷21 在硅鈣肥處理（N2-Si2） 時最高，較N1-Si0 分別增加13.65% 和4.14%；張雜13 在硅鈣肥處理（N2-Si2） 的脂肪含量、硅酸鈉處理（N2-Si1） 的蛋白質(zhì)含量均顯著高于N1-Si0，分別提高10.86% 和4.44%。增施氮肥（N2） 和硅肥（Si1、Si2） 對谷子總淀粉含量的影響不顯著，但改變了直、支鏈淀粉比例（表3）。正常供氮水平下，N1-Si1 處理降低了晉谷21 直鏈淀粉含量，較（N1 -Si0） 降低了3.85%；高供氮水平下，施硅處理后張雜13 的直鏈淀粉含量降低、支鏈淀粉含量增加，N2-Si1 處理時變化最明顯，直鏈淀粉降低3.18%，支鏈淀粉含量提高1.36%。氮硅肥配施對谷子氨基酸含量的影響顯著，在正常供氮水平下，施硅降低晉谷21 籽粒中氨基酸含量，張雜13 氨基酸含量增加；高供氮水平下施硅增加了兩品種籽粒氨基酸含量，在N2 -Si1 處理時含量最高，晉谷21 和張雜13 分別為4.85% 和4.45%。這表明施用硅肥能夠提高谷子脂肪、蛋白質(zhì)和氨基酸含量，在高氮水平下可以降低谷子直鏈淀粉含量，增加支鏈淀粉含量。

2.8 谷子硅含量、莖稈特性、產(chǎn)量與抗倒伏指數(shù)的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果（圖8） 表明，兩品種谷子莖稈中硅含量與產(chǎn)量、抗倒伏指數(shù)、第一、二基節(jié)的穿刺力和抗折力、基節(jié)莖粗呈極顯著正相關(guān)；與基節(jié)長度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，第一基節(jié)長達(dá)極顯著水平。兩個品種的抗倒伏指數(shù)與產(chǎn)量、基節(jié)的穿刺力和抗折力、前五基節(jié)莖粗呈極顯著正相關(guān)，與基節(jié)長負(fù)相關(guān)。其中晉谷21 的第一、二基節(jié)長與抗倒伏指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)。晉谷21 的株高、重心高度與抗倒伏指數(shù)和硅含量均無相關(guān)性，而張雜13 株高與硅含量和抗倒伏指數(shù)呈極顯著正相關(guān)，重心高度與抗倒伏指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。這表明硅含量、第一、二基節(jié)的穿刺力和抗折力、前五基節(jié)莖粗是影響谷子抗倒伏性的主要因素，氮硅配施增加谷子莖稈中硅含量（圖6），使基節(jié)的節(jié)間縮短、增粗（圖4），穿刺力和抗折力提高，顯著增加谷子抗倒伏能力（表1）。

3 討論

3.1 施硅優(yōu)化谷子莖稈特性增加抗倒伏能力

作物株高、基節(jié)長度、莖粗等莖稈形態(tài)特征與抗倒伏有直接的關(guān)系。谷子倒伏率和倒伏指數(shù)與株高、重心高度和節(jié)間長度正相關(guān)，與莖粗和單位長度節(jié)間干重呈顯著負(fù)相關(guān)[18]。小麥株高、第二基節(jié)長度、單莖鮮重和第二節(jié)間莖粗是影響倒伏的重要因素[19]，株高、穗頸角度、莖粗與倒伏指數(shù)呈顯著正相關(guān)[20]。水稻的株高與抗倒伏性無直接相關(guān)性，而與第一、二基節(jié)長度顯著負(fù)相關(guān)[21]。說明基部莖粗、節(jié)間長度是影響作物倒伏的主要因素，而株高是否影響作物抗倒伏與作物種類有關(guān)。本研究中，谷子的抗倒伏指數(shù)與第一、二基節(jié)長、前五基節(jié)粗（長軸長和短軸長） 具有顯著相關(guān)性；與張雜13 相比，晉谷21 基節(jié)粗、機(jī)械組織厚，維管束數(shù)量多，表現(xiàn)出較強(qiáng)的莖稈抗折力和抗倒伏能力。

氮是作物的必需營養(yǎng)元素，增施氮肥可增加作物產(chǎn)量和品質(zhì)，但也增加了倒伏的風(fēng)險。硅能夠增加作物莖稈強(qiáng)度，增強(qiáng)植株抗倒伏能力[17，20?21]。本試驗設(shè)置正常供氮（180 kg/hm2） 和高氮（450 kg/hm2） 兩個施氮水平，配施適量硅肥，研究氮、硅及其交互作用對谷子莖稈特性及抗倒性的影響。施用硅肥增加作物光合速率和葉面積指數(shù)、提高產(chǎn)量，同時增加莖鞘中木質(zhì)素和纖維素含量[22]，提高莖稈機(jī)械強(qiáng)度和抗倒伏性[23?25]。在高量供氮水平下，施用硅肥使水稻第一、二基節(jié)莖粗增加，從而提高莖稈的抗倒伏指數(shù)，顯著提高水稻產(chǎn)量[17]。莖稈的解剖學(xué)直觀反映出谷子的抗倒伏能力，莖稈橫截面維管束數(shù)量越多越密集代表其莖稈的抗倒性越強(qiáng)[26]。小麥的莖稈外徑和壁厚之比，厚壁組織比例，單位面積上大維管束平均數(shù)目和纖維素含量是影響莖稈機(jī)械強(qiáng)度的主要因素[27]。水稻抗倒伏能力與莖稈彎曲力矩、硅含量和小維管束數(shù)目顯著正相關(guān)[28]。研究表明，硅能改善莖的組織結(jié)構(gòu)，促進(jìn)細(xì)胞壁木質(zhì)化和硅質(zhì)化，使厚壁細(xì)胞更加發(fā)達(dá)，提高莖稈強(qiáng)度[17]。本研究中，谷子硅含量與第一、二基節(jié)的穿刺力和抗折力、前五基節(jié)莖粗呈極顯著正相關(guān)，與第一基節(jié)長顯著負(fù)相關(guān)，施硅主要通過增加第一、二基節(jié)的穿刺力和抗折力、前五基節(jié)莖粗而影響谷子抗倒伏性。硅肥降低谷子晉谷21、張雜13 基節(jié)節(jié)間長度、增加莖粗（圖3、圖4），增加莖稈中機(jī)械組織厚度和維管束數(shù)量（圖5），穿刺力和抗折力增強(qiáng)，提高了谷子莖稈抗倒伏能力和源—庫間物質(zhì)運輸能力。

3.2 硅酸鈉和硅鈣肥與谷子莖稈抗倒特性

莖稈強(qiáng)度、抗折力等特性與莖稈中所吸附的硅、鈣等礦質(zhì)元素密切相關(guān)。硅促進(jìn)細(xì)胞壁木質(zhì)化和硅質(zhì)化，厚壁細(xì)胞增加，能改善莖稈組織結(jié)構(gòu)，提高莖稈強(qiáng)度，降低倒伏指數(shù)[29]。鈣促進(jìn)玉米硬皮組織和維管束的發(fā)育，增加莖壁厚度、纖維素沉積和節(jié)間充實度，使莖稈機(jī)械組織發(fā)達(dá)，提高植株抗倒伏能力[30]。本試驗中，增施硅肥增加谷子莖稈機(jī)械組織厚度，維管束數(shù)量增多且排列均勻（圖5），莖稈機(jī)械強(qiáng)度和抗倒能力增加（表1）。硅鈣肥的作用效果顯著優(yōu)于硅酸鈉，硅鈣肥處理后谷子莖維管束增粗且數(shù)量增加，維管束較分散，向中心均勻延伸，機(jī)械組織增厚（圖5），這可能是由于非水溶性硅鈣肥中硅的后效作用較強(qiáng)，而硅酸鈉為水溶性肥料，肥效快，作用后效較短。此外，硅鈣肥中除了硅元素以外，鈣和其它微量元素對莖稈組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的作用[17]。例如，鈣既可作為營養(yǎng)元素與果膠結(jié)合形成果膠酸鈣，抑制細(xì)胞壁降解，維持細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，又可作為信號分子介導(dǎo)鈣調(diào)素及其靶蛋白影響木質(zhì)素沉積，提高莖稈強(qiáng)度[29，31]。

3.3 氮促進(jìn)谷子硅的積累

植物中硅含量差異顯著，一般在0.1%～20%（SiO2），單子葉植物的硅含量較高，雙子葉植物相對較低。植物各器官間硅含量存在差異，主動吸硅型植物各器官硅含量的變化范圍約為4～75 mg/g，被動吸硅型植物的變化范圍約為11～39 mg/g[10]。谷子根、莖、葉、穗中硅含量在4.28～36.7 mg/g （圖6），葉片中含量最高，遵循“末端分布規(guī)律”，這是因為硅在植株地上部的運輸是隨蒸騰流進(jìn)行，通過木質(zhì)部運輸?shù)竭_(dá)植物不同組織和器官中，主要沉積在蒸騰作用最強(qiáng)的葉片中[10]。硅肥提高水稻葉片轉(zhuǎn)氨酶和籽粒淀粉分支酶活性，促進(jìn)氮素吸收，氮素積累量與硅素積累量呈極顯著正相關(guān)[32]。但氮肥用量過多，會阻礙水稻生長后期對硅的吸收，硅在莖鞘、葉片和全株中的含量均隨氮素水平的提高而下降[27]。施硅顯著增加谷子根、莖和葉片硅含量（圖6），硅鈣肥（Si2） 作用效果優(yōu)于硅酸鈉（Si1），增施氮肥促進(jìn)谷子對硅的吸收及其在根、莖中積累，兩個品種對氮、硅的響應(yīng)差異不顯著。

3.4 施硅提高谷子產(chǎn)量和品質(zhì)

氮素是生命元素之一，促進(jìn)氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素等關(guān)鍵物質(zhì)的合成，施硅能夠提高葉綠素的含量、增強(qiáng)光合能力、延緩葉片的衰老，有利于作物產(chǎn)量品質(zhì)提高[33]。硅促進(jìn)水稻穗發(fā)育，增加籽粒產(chǎn)量，增加了庫容量（庫強(qiáng)度），通過反饋調(diào)節(jié)葉片光合速率（源強(qiáng)）、葉肉導(dǎo)度和氨基酸代謝，以滿足庫對碳水化合物、含氮化合物的需求，從而維持源—庫協(xié)調(diào)，并增加氮素利用效率[34]。葉面噴施硅肥增加葉片葉綠素含量、光合速率和碳代謝，提高大豆、咖啡的產(chǎn)量和氮肥利用率[35]。硅增加葉肉細(xì)胞中硅化細(xì)胞比例，提高散射光的透射量，增加冠層內(nèi)的光能量，同時增強(qiáng)葉綠體偶聯(lián)因子Mg2+-ATPase和Ca2+-ATPase 活性，促進(jìn)光合磷酸化，從而增加光合能力[36]。施用二氧化硅納米顆粒（SiNP） 增加葉綠素含量、提高凈光合速率，以及可溶性糖和生長素（IAA） 含量，促進(jìn)田間條件下小麥生長[37]。這表明硅既可直接增強(qiáng)源器官葉片的光合作用，也可增加穗（種子）、果實等庫器官容量反饋促進(jìn)光合作用的增加[35，38]。此外，硅肥可維持土壤較高含水量，增加碳豐度，增加小麥生物量和產(chǎn)量，是可持續(xù)性農(nóng)業(yè)的一項有效措施[36]。硅肥增加玉米穗粗、穗行數(shù)、穗粒數(shù)，顯著增加產(chǎn)量，但大豆單株生物量、有效分枝數(shù)、經(jīng)濟(jì)系數(shù)在施硅后降低而減產(chǎn)；水稻施硅增加糙米率、精米率和整精米率，改善加工品質(zhì)，提高蛋白質(zhì)含量，直鏈淀粉含量變化較小，食味評分有所降低[39]。氮硅配施提高小麥的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重[40]，增加香稻的產(chǎn)量、香氣物質(zhì)2-乙?；?1-吡咯啉（2-AP） 以及氮代謝酶活性[41]。谷子的產(chǎn)量構(gòu)成因素主要包括單位面積穗數(shù)、穗長穗粗、穗粒數(shù)、千粒重等，品質(zhì)可分為營養(yǎng)品質(zhì)、食味品質(zhì)、商品品質(zhì)等。合理施肥（包括肥料種類及其配比） 對谷子產(chǎn)量品質(zhì)有顯著影響。本試驗中，谷子硅含量與產(chǎn)量極顯著正相關(guān)，硅肥施用后谷子凈光合速率和氣孔導(dǎo)度顯著增加，提高其光合作用強(qiáng)度，促進(jìn)谷子穗碼發(fā)育，增加穗粗、穗粒數(shù)和千粒重，進(jìn)而增加谷子產(chǎn)量（表2），同時提高谷子脂肪、蛋白質(zhì)和必需氨基酸含量（表3）；增施氮肥增加硅對谷子的增產(chǎn)效應(yīng)，降低直鏈淀粉/支鏈淀粉值，改善谷子食味品質(zhì)和蒸煮品質(zhì)。

4 結(jié)論

施用硅肥促進(jìn)硅在谷子根、莖和葉片中的積累，降低谷子基部節(jié)間長度，增加莖粗及莖稈中機(jī)械組織厚度和維管束數(shù)量，因而提高了莖稈機(jī)械強(qiáng)度、穿刺力和抗折力，進(jìn)而提高了谷子抗倒伏能力和源—庫間的物質(zhì)運輸能力。源—庫間的物質(zhì)運輸能力的提高有利于光合作用和蒸騰作用，促進(jìn)了谷子穗碼發(fā)育，增加穗粗、穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量，提高谷子脂肪、蛋白質(zhì)和必需氨基酸含量，降低直鏈淀粉/支鏈淀粉值，改善谷子營養(yǎng)和食味品質(zhì)。高施氮量條件下，硅鈣肥提高谷子莖稈抗倒伏能力、產(chǎn)量和品質(zhì)的效果優(yōu)于硅酸鈉。

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基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2021YFD1901103-5）；國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目（CARS-06-14.5-A28）；山西省農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項（谷子）；山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院育種工程專項（YZ2021-12）。