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论文范文:施肥量和种植间距对谷子生长的影响

发布时间:2022-05-08 09:26
摘要:为了研究施肥量和种植间距对谷子生长的影响,本试验以农大8号为试验材料,釆用裂区设计,以磷的施用量为主区(四水平,0、1.4、2.8、4.2千克每亩,分别用P1,P2,P3,P4表示)。种植间距(株距)为副区(四水平,9cm,8.5cm,8cm,7.5cm,分别用J1,J2,J3,J4表示)。试验共设置16个处理,设置三个重复区。从而研究施肥和种植间距对谷子产量及产量构成指标、谷子株高和茎粗、谷子营养品质、谷子光合特性的影响。主要研究结果如下:
(1)施肥量和种植间距对谷子产量及产量构成指标的影响
施肥量、种植间距及施肥量和种植间距的互作对谷子产量及产量构成指标的影响差异显著。施肥量为P3与P4时产量及穗数较高,种植间距为J3和J4时产量及穗数较高。产量和穗数在处理为P3J3、P3J4、P4J3、P4J4时达较大值。千粒重在处理为P3J1、P3J2、P4J2、P4J2时达较大值。
(2)施肥量和种植间距对谷子株高和茎粗的影响
施肥量、种植间距及施肥量和种植间距的互作对谷子株高和茎粗的影响差异显著。施肥量为P3、P4时株高显著大于P1、P2,种植间距为J1、J2时株高较J3、J4大。施肥量和种植间距互作处理为P2J3、P3J3、P4J2、P4J3时株高较高。施肥量为P3和P4时茎粗较大,株距为J1和J2时茎粗较大。施肥量和种植间距为P2J3、P3J3、P4J2、P4J3时茎粗较大。
(3)施肥量和种植间距对谷子营养品质的影响
施肥量、种植间距及施肥量和种植间距的互作对谷子营养品质的影响差异显著。粗蛋白含量、总淀粉含量、脂肪含量、纤维含量、蛋氨酸含量、脯氨酸含量及丝氨酸含量随着施肥量的增加呈上升趋势。粗蛋白含量、总淀粉含量、脂肪含量、纤维含量、蛋氨酸含量、脯氨酸含量及丝氨酸含量在施肥量为P3或P4时达较大值。在影响差异不显著的情况下,考虑到施肥过多会影响环境质量并且增大成本,我们会选择施肥量低的为最佳选择,即P3和P4对谷子营养品质影响的效果最好且差异不显著,所以我们认为P3为谷子的最佳施肥量。
粗蛋白含量、总淀粉含量、蛋氨酸含量、脯氨酸含量及丝氨酸含量随着种植间距的增加呈下降趋势。粗蛋白含量、总淀粉含量、蛋氨酸含量、脯氨酸含量及丝氨酸含量在种植间距为J1或J2时达较大值。
不同施肥量和种植间距的互作对粗蛋白含量、总淀粉含量、脂肪含量、纤维含量、蛋氨酸含量、脯氨酸含量及丝氨酸含量差异显著。粗蛋白含量、总淀粉含量、脂肪含量、纤维含量、蛋氨酸含量、脯氨酸含量及丝氨酸含量在处理为P3J1、P3J2、P4J1、P4J2时达最大值。
(4)施肥量和种植间距对谷子光合特性的影响
施肥量、种植间距以及施肥量和种植间距的互作对谷子光合特性的影响差异均显著。叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b及叶绿素a/b的含量均随着施肥量的增加呈上升趋势,施肥量为P3和P4时达到较大值。荧光参数F0、Fm、Fv/Fm随施肥量的增加,基本呈增长趋势。在影响差异不显著的情况下,考虑到施肥过多会影响环境质量并且增大成本,我们会选择施肥量低的为最佳选择,即P3和P4对谷子荧光特性影响的效果最好且差异不显著,所以我们认为P3为谷子的最佳施肥量。
叶绿素含量随着种植间距减小,即种植密度的增加呈先上升后下降的趋势,叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b及叶绿素a/b的含量均在J2或J3时达到最大值。F0随种植间距减小呈下降趋势,J1时达最大值。Fm、 Fv/Fm随种植间距减小呈上升趋势,Fm在J3或J4时达到最大值。综合考虑认为种植间距J3为谷子最佳种植间距。
叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a/b、叶绿素a/b在处理为P3J2 、P3J3、P4J2、P4J3时达较大值。F0在P4J1时达到最大值,其次为P4J2、P3J1、P3J2。Fm的最大值出现在P3J4,其次为P3J2、P4J4、P3J1。Fv/Fm的最大值出现在P4J3,其次为P4J4、P3J3、P3J4、P4J2。考虑到两因素的互作,认为P3J3为谷子的最佳处理。
施肥量和种植间距对谷子生长的影响
关键词:谷子,磷肥,种植间距,生长状况
Effects of fertilizer and planting distance on millet growth
Abstract: In order to study the effects of fertilizer and planting distance on the growth of millet, Nongda No.8 was adopted as the experimental material in our study, and design of fracture zones was adopted in the experiment, with the application of phosphorus as the main area (four levels, 0, 1.4, 2.8 and 4.2 kg/ha, expressed P1, P2, P3 and P4 respectively). The planting distance was sub-area (four levels, 9cm, 8.5cm, 8cm and 7.5cm, represented J1, J2, J3 and J4 respectively). A total of 16 treatments were set in the experiment, and three repeated areas were set. Thereby studied the effects of fertilization and planting distance on millet yield and the components of yield, plant height and stem diameter, nutrient quality and photosynthesis characteristics of millet. The main research results are as follows:
(1) Effects of fertilizer and planting distance on millet yield and yield components
There were significant differences in the effects of different parameters on the yield and yield components of millet. The yield and number of ears were higher when the fertilizer amount were P3 and P4, and the yield and number of ears were higher when the planting distance were J3 and J4. The yield and number of ears reached a larger value when treated as P3J3, P3J4, P4J3 and P4J4. The 1000-grain weight reaches a larger value when treated as P3J1, P3J2, P4J2 and P4J2.
(2) Effects of fertilizer and planting distance on millet height and stem diameter
The effects of fertilizer, planting distance, fertilizer application and planting distance on the height and stem diameter of millet were significant. Plant height was significantly greater than P1 and P2 when the fertilizer amount was P3 and P4, and plant height was larger when the planting spacing was J1 and J2. Plant height was higher when fertilizer and planting distance were treated as P2J3, P3J3, P4J2 and P4J3. The stem was larger when the fertilizer amount was P3 and P4, and larger when the plant spacing was J1 and J2. The stem was larger when the amount of fertilizer applied and the spacing of planting were P2J3, P3J3, P4J2 and P4J3.
(3) Effects of fertilizer and planting distance on the quality of millet nutrients
There were significant differences in the effects of fertilizer, planting distance, fertilizer and planting distance on the quality of millet nutrients. The crude protein content, total starch content, fat content, fiber content, methionine content, proline content and serine content increased with the increase of fertilizer application. The crude protein content, total starch content, fat content, fiber content, methionine content, proline content and serine content were higher when the fertilizer amount was P3 or P4. Under the condition that the difference is not significant, considering that too much fertilization will affect the environmental quality and increase the cost, we will choose the one with low fertilizer amount as the best choice, that is, P3 and P4 have the best effect on the nutrient quality of millet and the difference is not significant, so we think P3 is the best fertilizer amount of millet. 
The content of crude protein, total starch, methionine, proline and serine decreased with the increase of planting distance. The crude protein content, total starch content, methionine content, proline content and serine content reached a large value when the planting distance was J1 or J2.
The crude protein content, total starch content, fat content, fiber content, methionine content, proline content and serine content were significantly different between different fertilizer application amount and planting distance. Crude protein content, total starch content, fat content, fiber content, methionine content, proline content and serine content reached the maximum when treated as P3J1, P3J2, P4J1 and P4J2.
(4) Effects of fertilizer and planting distance on photosynthesis characteristics of millet
There were significant differences in the effects of the amount of fertilizer applied, the amount of planting space, the amount of fertilizer applied and the amount of planting space on the photosynthetic characteristics of millet. The content of chlorophyll a, chlorophyll b, chlorophyll a+b and chlorophyll a/b all showed an upward trend with the increase of the fertilizer amount, and reached a larger value when the fertilizer amount was P3 and P4. The fluorescence parameters F0, Fm, Fv/Fm showed an increasing trend with the increase of fertilizer application. Under the condition that the difference is not significant, considering that too much fertilization will affect the environmental quality and increase the cost, we will choose the one with low fertilizer amount as the best choice, that is, P3 and P4 have the best effect on the fluorescence characteristics of millet and the difference is not significant. Therefore, we believe that P3 is the best fertilizer amount of millet.
The content of chlorophyll decreased with the planting distance, that is, the planting density increased first and then decreased, and the content of chlorophyll a, chlorophyll b, chlorophyll a+b and chlorophyll a/b all reached the maximum at J2 or J3. F0 decreases with the decrease of planting distance, and reaches the maximum at J1. Fm and Fv/Fm showed an upward trend with the decrease of planting distance, and Fm reached its maximum at J3 or J4. The optimum planting distance is J3.
Chlorophyll a, chlorophyll b, chlorophyll a/b, and chlorophyll a/b reached large values when treated as P3J2, P3J3, P4J2 and P4J3. F0 reaches its maximum value at P4J1, followed by P4J2, P3J1 and P3J2. The maximum value of Fm appears in P3J4, followed by P3J2, P4J4 and P3J1. The maximum value of Fv/Fm appears in P4J3, followed by P4J4, P3J3, P3J4 and P4J2. Considering the interaction between the two factors, P3J3 is considered to be the best treatment for millet.
Keywords: millet, phosphate fertilizer, planting distance, millet growth
 
 
 
1 前言
1.1 谷子概述
谷子,又称粟[Setaria italic (L.) Beauv],退去稃片后为小米,属于禾本科狗尾草属的一年生草本植物。谷子起源于我国黄河流域,至今约有千多年的栽培历史,现主要分布于东北、华北、西北等一些干旱半干旱生态环境较差的地区,是北方地区重要的粮食作物之一[1]。谷子在我国西北丘陵旱薄区的种植面积可达30%以上,被誉为旱作农业的“铁杆庄稼”,是我国重要的战略储备作物,在保障旱区粮食安全中具有非常重要的作用 [2]。谷子具有很强的抗逆性、抗旱性,而且耐贫瘠、适应性广;其子实的外壳坚硬,能防湿、防热、不易霉变,可以长期保存 [3, 4]。近年来,由于生活水平的提高,人们改变了原先的膳食结构,逐步提高了小杂粮比重,因此,发展谷子生产,对增加粮食生产和改善人民生活具有十分重要的意义。
中国是世界上谷子栽培面积最大的国家,在20世纪50年代前期,我国北方各省谷子的播种面积仍然处于农作物播种面积的首要地位,从20世纪70年代开始,由于随着水利设施的改善和玉米、小麦高产作物的发展,特别是“以粮为纲”的政策导向,谷子被冠以“低产作物”而逐渐从中高产田向旱薄地种植退缩,年种植面积从1957年的840万公顷大幅减少到1995年的152.3万公顷。之后我国粮食紧缺形势有所缓解,谷子种植面积的骤降趋势得到控制,目前年种植面积维持在81万公顷左右,谷子逐渐沦为辅粮和配角作物。2008年谷子被列为国家现代农业产业技术体系,促进了我国谷子现代化农业科研的发展,同时日趋严峻的干旱形势、农产品国际竞争的加剧以及人民膳食结构多样化的需求,使得社会和市场对谷子的需求增加,为谷子产业的发展带来了新的机遇 [5]。目前我国谷子多种植于比较贫瘠的干旱丘陵山区,不少农民将谷子当作低产作物,种植积极性不高,导致谷子生产管理粗放,肥料施用量远低于小麦和玉米,产量水平低下,一定程度上限制了谷子产业的发展 [6]。因此,优化谷子栽培措施促进单产提高、变粗放管理为精细管理是推动该地区谷子产业发展的重要举措之一。
谷子因其营养丰富,在食品中占有重要的地位。谷子去壳后为小米,具有较高的营养价值,易消化,深受人们的喜爱,在农作物中被列为小杂粮之首,有“百谷之长”之称 [1, 7]。据中国农科院分析,谷子含蛋白质7.5-17.5%,平均11.7%,脂肪酸含量为3%-4.6%, 平均4.5%, 碳水化合物72.8%,还含有人体所必须的氨基酸和钙、磷、铁及胡萝卜素、维生素等营养物质 [8]。小米中含有人体必需的氨基酸,如动物实验证明,蛋氨酸在体内除构成蛋白质外,主要作用是供给甲基形成胆碱,继而磷脂,协助肝内脂肪转变;缺少则易产生脂肪肝,甚至造成肝硬化。蛋氨酸还是合成肌酸胆碱,转化为脯氨酸的主要原料。因此,蛋氨酸有防止脂肪肝和降低胆固醇的作用,具有一定的防癌作用。小米中的脂肪酸含量高于大米和小麦,并且脂肪酸结构合理,对皮肤、微血管、中枢神经系统都具有保护作用,并可防治动脉硬化和肝硬化,是脂溶性维生素和脂溶性色素的良好溶剂,有利于人体吸收这些营养 [9]。小米中膳食纤维含量丰富,是大米的2.5倍,易消化,适宜于老人小孩食用 [10]。小米中富含的镁、锌、钾、硒等微量矿质元素,使小米具有壮体,防治克山病和大骨节病的功效 [11]。
谷子还具有一定的药用价值,有养肾气、除胃热、利小便、治消渴的功效 [12]。食用炒焦小米,有益丹田、补虚损、开肠胃的作用 [13]。李时珍的《本草纲目》中记载:“粟米气味咸,微寒无毒,养肾气,祛脾胃中热、益气,治胃热消渴,利小便”。《灵柩经》中记载:“半秫米汤”一方治疗消化不良等症,其中秫米就是粘粟。另外,谷草营养价值高,耐储存,是喂养牲畜的重要饲料 [14]。谷子是唯一的粮饲兼用的高效作物,在缓解种植业和畜牧业争地的矛盾中有着不可替代的重要地位 [15]。谷糠还可以酿酒和做醋,是很好的工业原料。
1.2 作物施肥的研究进展
建国以来直至 20 世纪 90 年代,我国粮食产量随化肥用量增加呈快速增长趋势,化肥投入对粮食增产的贡献率达46.2% [16],增施化肥是我国粮食增产,农民增收的重要手段之一,对于缓解我国人多地少的矛盾,防止粮食紧缺危机产生具有重要作用 [17]。随着我国耕地面积的减少和人口的剧烈增长,化肥在保障粮食生产和经济发展中的作用日益受到重视。近年来,我国化肥用量保持持续高速增长(年增长率约3%),目前我国化肥的施用总量已超过5000万吨,约占全球化肥总施用量的40%。按照作物总播种面积计算,我国单位面积化肥的施用量为306 kg/ ha,也远远超过世界平均水平120 kg/ha,因此,不论从化肥总施用量还是单位面积施用量来看,我国均已处于世界较高水平 [18]。然而,高量的化肥投入并未大幅提升我国粮食总产水平,且化肥对粮食总产的贡献以及化肥生产效率均呈下降趋势,由于化肥施用的不当导致的“土壤养分残留积累”和“资源浪费和环境污染等问题已成为我国农业生产中亟待解决的重要问题 [19]。
据联合国粮农组织(FAO)资料显示,在发展中国家施肥可使粮食作物单产提高55-57%。虽然化肥可显著增加作物产量,但过量的肥料投入非但不会增产,反而会增加资源环境的压力。目前,我国氮肥的当季表观利用效率不到30%,磷肥的利用率只有15-20%,其中不合理的施肥技术是导致肥料利用效率低下的主要原因 [20]。我国农户受“粪大水勤、不用问人”、“肥越多产越高”等传统观念的影响,化肥的施用盲目增加,在经济作物种植上尤为突出,另外“一炮轰”、“重基肥轻追肥”的思想造成肥料增产效益低,错误的施肥方式如施肥后大水漫灌,磷肥撒施等,极易导致肥料养分通过的地表径流、深层淋溶损失,反硝化作用及氨挥发等途径损失 [21, 22]。化肥生产是能源资源消耗型产业,过量的、不合理的施肥会导致大量能源资源被浪费。我国每年氮肥生产综合能耗约为1亿吨标准煤,约占全国能源消耗的5%,磷肥生产每年消耗的磷矿超过1亿吨,同时消耗了全国 72%硫素,磷资源已被国土资源部列入2010 年之后紧缺的资源,国内硫和钾资源短缺,需要依赖进口。目前,我国能源紧张和资源短缺的局势决定了化肥施用量不可能持续增加,因此必须通过优化施肥技术,降低化肥浪费,进而减少化肥用量 [23]。此外,我国化肥的大量施用会加剧土壤中氮素和磷素养分的积累并对环境造成威胁。目前我国土壤有效磷的土壤年均增长量达0.03 mg/ kg,北方部分菜田的土壤有效磷高达171 mg/kg,远远超出了国际上60 mg/kg的环境临界值。硝态氮在土壤中的大量积累会导致深层淋溶风险,最终导致水源污染和养分损失 [24]。在我国华北地区的高产田,1 m土层的土壤硝酸盐的累积量可达每公顷数百甚至上千千克,远远超出了作物生长所需;黄土高原地区长期高量施肥也导致 0-90 cm土层硝态氮积累量高达 719kg/ha [25, 26]。化肥生产及施用过程会导致氮氧化物和二氧化碳的排放,是温室气体的主要来源之一,其中的 NO2不仅会导致臭氧空洞的扩大,造成人类生存环境恶化,还会形成颗粒物,引发呼吸和视力疾病,也能随水沉降产生酸雨,对人体健康和生态环境具有不可估量的影响 [17],提高肥料利用效率,减少肥料的过量施用可在一定程度上缓解肥料生产和施用带来的负面效应。
19 世纪德国杰出化学家李比希创立养分归还学说,认为作物生长需要从土壤带走养分,会致使土壤中的养分减少,如果要保持地力就应当向土壤添加肥料以归还作物从土壤中带走的养分,否则作物产量将会下降,这奠定了化肥施用的理论基础。我国氮、磷肥的肥效研究开始于20世纪50年代末,通过第一次和第二次全国土壤普查基本明确了我国农田土壤养分的基本情况,在1981-1983年的第三次大规模化肥肥效试验中对氮、磷、钾及中量元素和微量元素肥料的协同效应进行了系统研究,至20世纪末,我国建立了近4000个多种类型的土壤肥力监测区域,涵盖了不同的土壤类型,随后继续开展了缺素补施、配方施肥和平衡施肥的技术推广工作,为我国粮食增产做出了巨大贡献。但是在第二次全国土壤普查以后,全国性的施肥技术研究及示范工作没有得到延续,科学施肥理论与技术也没有取得重大突破,我国目前化肥的施用存在用量大而效率低下的现状 [27]。近年来,面对日益紧缺的资源危机以及过量施肥带来的环境污染,我国研究学者在减量施肥策略、协调作物高产与环境保护的养分综合管理技术、食物链养分管理理论等方面的开展了广泛的研究 [27-32],为我国节肥增产增效、环境保护和农业可持续发展做出了巨大贡献,同时也丰富了我国化肥施用理论与技术体系。
干旱会抑制作物根系生长,降低根长及根表面积,导致对养分的吸收能力下降,同时影响植物体内的营养代谢 [33, 34]。施肥一方面能够促进作物根系和叶面积增大,提高作物根系吸水性和提水能力 [35, 36],另一方面能够补偿干旱条件下植物生长受抑的不良效应,改善植物的生理功能,进而提高水分利用效率 [37]。有研究表明在干旱胁迫下,施氮增加了叶片相对含水量,提高了叶片的保水能力,在一定程度上提高了其耐旱性 [38]。另有研究发现施肥能够增加作物蒸腾耗水占农田总蒸散的比例,降低农田蒸发损失,从而提高水分利用效率 [39, 40]。土壤肥力状况影响着作物产量和水分的转化效率,同时土壤水分状况会对植物养分吸收、转化及代谢产生影响,最终影响施肥的增产效应,肥与水两者互为促进,相互制约。水肥互作对植物的作用效应可以分为三种,即协同效应、叠加效应和拮抗效应,通常把水肥之间的正交互作用或者协同效应叫做水肥耦合效应,旱地农田水肥调控的主要目的是要尽量发挥水肥之间的协同效应,减少水肥之间的拮抗效应 [41, 42]。施肥对作物根系影响的研究表明,在水分亏缺的条件下,氮磷肥配施可增加作物根系的数量和扎根深度,增加了根系密度和生长量,合理的施肥还能提高根系活力 [43, 44]。梁银丽和康绍忠 [45] 研究表明,在贫瘠的黄土区坡耕地上,施肥能够促进谷子根系生长,表现为根系加粗、根数和根量增加,扩大了对土壤深层水分的利用。Guo et al. [46] 研究发现在黄土高原农业区的欠水、平水和丰水年型下,小麦的最佳施肥量有所差异,分别为45、135和180 kg/ha。Russell [47] 分析了施肥效果与降雨量的关系,指出当降雨量小于120 mm 时,施氮没有效果。戴庆林和杨文耀 [48] 发现当冬小麦生育期降雨量少于109 mm时,氮、磷的肥效为负值。穆兴民 [49] 建立了我国北方旱地作物产量与土壤水肥耦合响应的二次抛物面方程,分析指出旱地作物产量对土壤水分及施肥量的响应具有动态变化特征,在水分胁迫条件下,施肥的增产效应较低,而在水分充足的条件下,施肥的增产效应突出。余存祖等 [50] 依据土壤含水量将谷子施肥效应划分为三个区间,一是水分亏缺、约束肥效区(<14%),当土壤含水量低于凋萎湿度(6%),作物不能正常生长,施肥无效,当土壤含水量超过凋萎湿度(6%-14%),施肥具有一定的增产效果;二是水分适宜、肥效显著区(14-20%),在该区内施肥对作物产量的提高有显著的促进作用;三是水分过多、制约肥效区,该区土壤水分接近或达到饱和持水量,作物往往不能正常生长,施肥效果同样较差。也有研究学者开展了水肥因子对产量贡献的研究,李生秀等 [51] 在陕西澄城地区的研究发现,在低肥力田块上肥料的增产效果更为突出,而在高肥力田块,水分是对产量提高贡献较大的因子,这主要是由于养分亏缺是限制低肥力农田下作物生产的首要因素,而不是水分因素;在旱区高肥力农田下,水分则是制约粮食增产的主要因子,因此采取有效措施改善土壤水分状况对作物增产的作用更大 [52]。王殿武等 [53] 研究了不同降雨年型下作物产量与水肥之间的关系,得出平水年和丰水年型的水肥交互作用对作物增产贡献最大,而在贫水年的作物增产的作用主要来自于肥料。众多研究一致认为旱地施肥的促根效应机理是“以肥调水,以水促肥”,同时为我国旱作区“量水施肥,协调水肥关系”提供了理论指导。合理的施肥量受到水分条件的影响,旱地农田的水分条件主要受到降雨、覆膜、耕作方式、补灌措施的影响,因此,合理施肥水平的制定应充分考虑“以产定肥”、“因地施肥”、“因水施肥”等原则,努力实现水肥高效协同增产目标。
合理的施肥可以促进植株生长、提高作物产量和水肥利用效率,但当施肥量超过一定范围后,作物产量会表现出下降的趋势。张亚琦等 [54] 研究了不同施氮水平对杂交谷子的影响,得出300 kg/ha的施氮量下水肥利用效率最高,施氮肥能够有效提高谷子的水分利用效率、光合速率、蒸腾速率和气孔导度,生育前期施肥不足或偏多会增加谷子水分消耗量,生殖生长阶段进行适当追肥延长了肥料供应,增大了耗水量,有助于谷子产量的形成。严昌荣等 [55] 等研究表明,在合理的施肥量范围内,随施肥量的增加,春谷子株高、单位面积穗数和千粒重均有所增加,施肥可使春谷子水分利用效率增加11.6%~16.2%;但过量施肥会导致春谷子产量和水分利用效率下降。过量的施肥不仅会降低作物产量,同时也会加剧肥料资源的损失,降低其利用效率。司清林等 [56] 研究表明,施肥量在一定范围内时,冬小麦的产量会随着施氮量的增加而增加,当施氮量超过一定值后,再增加施氮量增产效果不明显,并且降低氮素利用效率,损失大量氮肥资源,造成生态环境污染,史振声和钟雪梅 [57] 以及魏成熙 [58] 对玉米、小麦施肥与产量间关系的研究也得到了类似的结论。张福锁等 [19] 也认为造成肥料利用率低的最主要原因是高产农田过量施肥,化肥用量必须以同时大幅度增加作物产量和提高养分效率为目标。因此,科学确定施肥量、合理控制养分利用效率是各区域作物增产的重要途径。
1.3 种植密度对作物生长的影响
种植密度直接影响作物产量构成要素中的单位面积穗数,决定了最终作物产量的高低。对谷子而言,在稀植条件下,个体能够得到充分发育从而形成大穗,有“稀植秀大穗”之称,但由于群体过小,不能充分利用光能、养分和水分资源,群体产量仍然不高,亩穗数不足是影响产量的主要矛盾;进一步的增加密度,单株穗粒数、粒重会有一定的下降,但穗数得到提高,产量会有相应的增加;当密度超过某一阈值后,个体生长与资源不足的矛盾激化,导致穗重和粒数急剧下降,产量降低。因此,建立合理的群体结构是解决个体-群体矛盾,协调穗数、粒数、粒重关系,充分利用光能和水肥资源,进而获取高产高效的根本途径 [59]。禾谷类作物的产量构成因素之间存在一定的相互补偿和调节效应,但不同的群体大小仍然会影响最终产量 [60]。随着种植密度的增大,谷子的籽粒产量呈先升高后降低的趋势 [61],密度的增加会导致秕谷率增加,单株产量下降,但在一定的范围内,谷子群体产量与穗数呈正相关,因此在保证穗数的基础上防秕增粒才能获得高产 [62, 63]。在不同地区进行的研究表明,在不同密度和栽培方式下,谷子粒重的变异较小,穗粒数变异较大,而单位面积的成粒数是决定产量高低的主要因素。有关高产下谷子适宜种植密度的研究结果不尽相同,有研究认为谷子通过稀植获得大穗来可实现高产;也有研究认为合理密植发挥群体效应是谷子夺取高产的途径 [64-66]。谷子的最适种植密度受品种特性、农田水肥状况、栽培方式及种植区气候条件的影响 [67-69],合理密植需要根据实际状况,尽可能的提高单位面积内的株数,同时要保证单株能够充分的利用光温和水肥等资源条件,使三大产量构成因素得以统一,保证穗粒数而增产 [70]。对于晚熟品种,由于生育期长,单株生长潜力大,需要丰富的空间及水肥资源,留苗密度应适当降低,而早熟品种生育期短,植株矮小,个体对光热水肥资源的利用能力较差,应当适增大留苗密度;分蘖弱的品种留苗密些,分蘖强的稀些;随着水肥条件的提高,可适当的加大留苗密度,而在干旱贫瘠的农田留苗密度应减小 [65]。在正常栽培条件下,中等旱地和水浇地以每公顷· 37.5万株-45万株为宜,水肥条件较好的可增加至45万-52.5万株,肥力较差的旱地以 22.5万-30万株为宜,坡地以15万株为宜。  
库源关系是作物生理的理论基础之一,库大源足流畅是作物高产群体的目标,此时群体源生产效率最高 [71]。作物各部分器官生长呈一定的相关性,其中作物群体生物产量与籽粒产量往往呈极显著正相关,高密度群体通常具有较高的生物产量,但若群体过大,会导致籽粒产量下降,收获指数显著降低 [72]。提高谷子生物产量的同时保证较高的收获指数,能够最大限度的提高单位面积的物质产出 [73]。叶源量和源的生产能力是在玉米高产栽培的重要指标 [74]。有研究表明,种植密度能显著影响干物质量在籽粒以及茎秆,叶片,叶鞘等部位的分配比例 [75, 76]。群体库和源的大小均随着密度的增加而增加,不同密度群体产量形成的限制因子有所不同,增源是高密度下增产的有效途径,而扩库是低密度下获得高产的关键,强源促库是高产的关键 [77, 78]。因此,合理的留苗密度应当以构建高效的源库流群体结构为基础。
株行距配置即种植密度调控,是谷子高产栽培群体构建的主要影响因素[79, 80]。合理的群体结构可有效改善作物冠层内的光照、温湿度和CO2等农田微环境 [81, 82],提高冠层群体光合效率以及光能利用效率,进而增加作物产量 [83]。叶面积指数是作物群体结构是否合理的重要指标。高密度群体高生物产量的获得可归因于冠层具有更大的光截获量,更多的光能被转化为化学能,而过低或者过高的群体密度都会导致叶面积指数的降低,叶片的平均倾斜角增大,群体散射辐射和直射辐射透过系数增大,消光系数增加,最终降低作物对光能的截获率 [84]。不同密度群体下各时期叶面积的变化规律不同,导致不同群体对光能的利用存在差异。高密度种植下的作物叶面积指数前期增长较快,最大叶面积指数一般出现在花期,群体光合速率在生育前期增长较快,光合产物积累多,而生育后期叶面积指数下降早,群体光合速率衰退快,植株衰老较早;低密度种植下叶面积指数在生育前期上升缓慢,光能利用率较低 [85, 86];中密度群体叶面积指数增长快,峰值持续时间较长,冠层结构合理,生育中后期有较高的群体光合速率,为更多的光合产物分配到生殖器官提供了保证 [87]。栾素荣等 [61] 对不同密度下的谷子群体特征和产量进行了研究,认为常规谷子开花期的最佳叶面积指数为4.3-4.63。谷子种植群体结构是否合理可通过测定群体内的光照强度来评价,合理的谷田群体下部绿叶的光照强度等于谷子光补偿点(1200-4500 米烛光),若大于光补偿点表明种植密度过小,漏光较多,光能不能得到充分利用,若小于光补偿点则说明群体密度过大,影响下部叶片的光合作用。
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