不同施肥量和種植密度對高丹草‘晉草4號’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)新山西省重點實驗室，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)制重點實驗室，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，它具有高度的適應性、耐瘠性強、抗旱能力強、生長量大，生物產(chǎn)量高，品質(zhì)好的特點，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[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)勢作物[2]。是解決中國各牧區(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)勢草種[3]。而目前如何能找到一個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)濟指標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。前人多是針對玉米進行研究，而對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高丹草品種‘晉草4號’光合特性和農(nóng)藝性狀的影響為切入點。以期探明‘晉草4號’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 試驗地概況

本試驗于2015年和2016年在晉中市榆次區(qū)修文鎮(zhèn)東白試驗基地進行。采用大田試驗，測定土壤肥力：有機質(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 試驗設(shè)計

供試材料為高丹草‘晉草4號’（山西省農(nóng)業(yè)科學院高粱研究研究所選育）。試驗采用兩因素隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復，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。試驗設(shè)密度處理4 個，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，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 取樣及測定方法

1.3.1 農(nóng)藝性狀的測定 株高的測定：在高丹草最終成熟期即第二次刈割時，用塔尺測定單株株高；莖粗數(shù)據(jù)的測定：連續(xù)選擇3株高丹草主莖，采用游標卡尺測量其從地面數(shù)第5節(jié)節(jié)間莖粗數(shù)據(jù)，再取平均值；分蘗數(shù)測定：在高丹草4 葉期選每小區(qū)中間4 行進行調(diào)查，3次重復，取平均值；生物產(chǎn)量的測定：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，計算平均值并折算成每公頃產(chǎn)量；干重產(chǎn)量的測定：在第二次刈割后每個重復取樣3株，切碎并取500 g，烘干后用電子天平稱出干重數(shù)據(jù)，計算平均值并折算成每公頃產(chǎn)量。

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

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

試驗數(shù)據(jù)采用DPS 7.02分析軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥量和密度水平對‘晉草4號’各農(nóng)藝性狀的影響

2.1.1 不同施肥量和密度水平對‘晉草4 號’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合理區(qū)間內(nèi)，如果株高過高會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，株高最高，達290 cm，居12個處理第一位。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極顯著的差異；方差分析結(jié)果表明，肥料、密度試驗中的施肥量因素對‘晉草4號’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‘晉草4 號’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)高的高丹草品種對生物產(chǎn)量的補償性好。在大田生產(chǎn)中，如果播種時出現(xiàn)缺苗斷壟的情況，分蘗數(shù)多的品種可以有效地補償因缺苗造成的減產(chǎn)，對高丹草高產(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，分蘗數(shù)最高，達2.12個，居12個處理第一位。通過多重比較可知，F(xiàn)2D4、F2D3與其他處理達極顯著的差異；方差分析結(jié)果表明，肥料、密度試驗中的施肥量因素對‘晉草4號’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‘晉草4號’各農(nóng)藝性狀的影響

圖1 不同施肥量和密度對‘晉草4號’株高的影響

圖2 不同施肥量和密度對‘晉草4號’分蘗數(shù)的影響

2.1.3 不同施肥量和密度水平對‘晉草4 號’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達極顯著的差異；方差分析結(jié)果表明，肥料、密度試驗中的密度因素對‘晉草4 號’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‘晉草4 號’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)濟指標之一，是指高丹草在生長期間產(chǎn)生和積累有機物質(zhì)的總量，稱作生物產(chǎn)量。生物產(chǎn)量對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，肥料和密度對生物產(chǎn)量的影響較普通C3 作物和低桿作物明顯。試驗結(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，生物產(chǎn)量值最高，達到131921.98 kg/hm2，居12 個處理第一位。通過多重比較可知，F(xiàn)2D3 與除F1D4、F2D1 以外的其他處理達極顯著的差異；方差分析結(jié)果表明，肥料、密度試驗中的密度因素對‘晉草4號’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‘晉草4號’莖粗的影響

圖4 不同施肥量和密度對‘晉草4號’生物產(chǎn)量的影響

2.1.5 不同施肥量和密度水平對‘晉草4號’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，其營養(yǎng)價值相對要差。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，干重產(chǎn)量達到最高，達32005.76 kg/hm2，居12 個處理第一位。通過多重比較可知，F(xiàn)2D3，F(xiàn)1D4，F(xiàn)2D1 與F1D1、F1D3、F2D4、F3D1、F3D4達極顯著的差異；方差分析結(jié)果表明，肥料、密度試驗中的施肥量因素對‘晉草4號’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‘晉草4號’干重產(chǎn)量的影響

2.2 不同施肥量和密度水平對‘晉草4號’各光合指數(shù)的影響

2.2.1 不同施肥量和密度水平對‘晉草4 號’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 達顯著的差異；方差分析結(jié)果表明，肥料、密度試驗中的施肥量因素對‘晉草4 號’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‘晉草4 號’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 達顯著的差異；方差分析結(jié)果表明，肥料、密度試驗中的施肥量因素對‘晉草4 號’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‘晉草4 號’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 達顯著的差異；方差分析結(jié)果表明，肥料、密度試驗中的施肥量因素對‘晉草4 號’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‘晉草4 號’氣孔導度的影響 氣孔導度(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，氣孔導度F3D1最佳，F(xiàn)2D3次之，通過多重比較可知，F(xiàn)3D1和F2D3達顯著的差異；方差分析結(jié)果表明，肥料、密度試驗中的施肥量因素對‘晉草4號’氣孔導度的影響較明顯，其中F2 處理750 kg/hm2的氣孔導度最高，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‘晉草4號’各光合指數(shù)的影響

圖6 不同施肥量和密度對‘晉草4號’葉綠素含量的影響

圖7 不同施肥量和密度對‘晉草4號’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現(xiàn)高產(chǎn)的必要條件。作物群體產(chǎn)量最高時，其單株在田間的分布應該處于最佳狀態(tài)[17]，要獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，就必須使個體、群體和環(huán)境相協(xié)調(diào)達到最優(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，生物產(chǎn)量卻呈現(xiàn)出波浪式變化趨勢。從最終結(jié)果分析，這5個農(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各農(nóng)藝性狀值最高，而是在一個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，光合作用的強弱對作物的生長、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、氣孔導度等指標最終影響著‘晉草4 號’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、氣孔導度大體上呈現(xiàn)先升后降的趨勢。從最終結(jié)果分析，這4 個光合性狀在F2D3 處理方案，即種植密度為390000 株/hm2，施肥量為750 kg/hm2時均處于最佳或高峰值。

圖8 不同施肥量和密度對‘晉草4號’凈光合速率的影響

圖9 不同施肥量和密度對‘晉草4號’氣孔導度的影響

由此可以說明，在種植密度為390000 株/hm2，施肥量為750 kg/hm2時，‘晉草4號’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’的生物產(chǎn)量等各項經(jīng)濟指標就處于最高狀態(tài)，相反，隨著施肥量和種植密度的不斷增加，‘晉草4號’的各項經(jīng)濟指標反而有下降趨勢，過高的肥料投入和種植密度會使主莖生長過快而導致莖粗值有下降現(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，還會產(chǎn)生污染等一列問題，而對目前高丹草大田生產(chǎn)來說，尋求一個適宜的投入產(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)濟指標，而且還能改善品質(zhì)，達到節(jié)本增效的目的[16]。