暢灼卓,王雅情,馮 雷,2,張麗光,3,郭平毅,原向陽(yáng)※
(1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,太谷 030801;2. 山西呂梁方山縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,呂梁 033199;3. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所,太原 030031)
谷子是中國(guó)重要的雜糧作物,由其籽粒脫殼而成的小米色澤金黃、營(yíng)養(yǎng)豐富。晉谷21號(hào)米質(zhì)優(yōu)良,歷史悠久,是山西小米的典型代表,在干旱半干旱地區(qū)廣泛種植[1-2]。谷子傳統(tǒng)播種大多采用窄行距人工條播,播籽量多,間苗量大;生產(chǎn)中也有一些精量播種機(jī),但無(wú)法很好適應(yīng)山地丘陵小田塊作業(yè)要求,存在播種質(zhì)量不高的缺點(diǎn),若減少播量,則易缺苗斷苗;若增大播量,則需要投入大量人工進(jìn)行間苗,生產(chǎn)成本高。近年來(lái),由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)和韓國(guó)張自動(dòng)化社合作研發(fā)出的自走式谷子精量播種機(jī),可精確控制播量和播距,適于山地丘陵小面積地塊作業(yè)。因此,研究寬行距下精量播種機(jī)播種作業(yè)參數(shù)對(duì)晉谷21號(hào)出苗質(zhì)量、光合特性及產(chǎn)量的影響具有重要作用。研究發(fā)現(xiàn),7 500和11 250 g/hm2的播量可保證谷子群體優(yōu)勢(shì)[3]。隨著播量的增大,出苗密度逐漸增大,經(jīng)覆土鎮(zhèn)壓后種子與土壤接觸充分,同時(shí)鎮(zhèn)壓有利于保持墑情,提高地溫,利于種子出苗和生長(zhǎng)[4-6]。適宜的種植密度可提高谷子產(chǎn)量[7-8],但留苗密度超過(guò)一定限值,則株高增加,莖粗降低[9],影響葉片對(duì)光能的利用,葉片的最小熒光產(chǎn)量(F0)、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率(ΦPSII)和光化學(xué)淬滅系數(shù)(Photochemical Quenching Coefficient,qP)降低,而非光化學(xué)淬滅系數(shù)(Non-Photochemical Quenching Coefficient, NPQ)增加[10-12],進(jìn)而導(dǎo)致凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)下降[13-15]。光合性能的降低使穗質(zhì)量、穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量降低[16-19],單株產(chǎn)量下降,通過(guò)合理密植增加的穗數(shù)不能彌補(bǔ)單株產(chǎn)量的下降,進(jìn)而導(dǎo)致群體產(chǎn)量降低[15,20-22];但種植密度過(guò)小,群體穗數(shù)較少,產(chǎn)量也會(huì)下降[23]。因此合理的種植密度有利于建立理想的群體株型結(jié)構(gòu),提高光合效率和光能利用率,使個(gè)體與群體發(fā)育協(xié)調(diào),產(chǎn)量提高[24]。關(guān)于種植密度或株行配置對(duì)谷子生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量影響的研究大多以人工方式控制播量[10,16],精量播種機(jī)的研究也大多集中在如何精準(zhǔn)控制播籽量的問(wèn)題上[25-26],關(guān)于精量播種機(jī)播種作業(yè)參數(shù)對(duì)谷子出苗數(shù)、出苗均勻度、光合熒光特性及產(chǎn)量的影響暫無(wú)報(bào)道。本研究旨在探討精量播種機(jī)不同的播量和播距對(duì)優(yōu)質(zhì)谷子品種晉谷21號(hào)出苗質(zhì)量、光合特性及產(chǎn)量的影響,以期為丘陵山地谷子機(jī)械化精量播種提供依據(jù)。
試驗(yàn)品種:晉谷21號(hào)(山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所提供)。
播種機(jī):自走式多功能小粒種子播種機(jī) JAS-502 B(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)和韓國(guó)張自動(dòng)化社聯(lián)合研發(fā))。該播種機(jī)播種行距33.3 cm,播深3 cm,自帶動(dòng)力,適合山地丘陵作業(yè),可在壟上播種,操作簡(jiǎn)便、轉(zhuǎn)彎靈巧,開(kāi)溝、播種、覆土、鎮(zhèn)壓一次完成,PSU炭黑防靜電材料制作的播種輪對(duì)種子磨損小、準(zhǔn)確落種率高,兩側(cè)配置移動(dòng)用膠輪,便于播種機(jī)不作業(yè)時(shí)入庫(kù)移動(dòng),自由組裝,可更換播種輪以達(dá)到精確控制下籽量、株行距的目標(biāo),基本實(shí)現(xiàn)谷子的精播免(少)間苗。
該播種機(jī)配套多類型播種輪,其中 F播種輪凹槽的外徑為5 mm,深度為2.5 mm,圓形,播種量為每穴3~4粒;X播種輪凹槽的外徑為4 mm,深度為2 mm,圓形,播種量為每穴2~3粒;YJ播種輪凹槽的外徑為5 mm,深度為1.8 mm,V形,播種量為每穴1~2粒。
1.2.1 太谷試驗(yàn)地
2013年5-9月在山西省晉中市太谷縣山西農(nóng)業(yè)大學(xué)進(jìn)行試驗(yàn),褐土,肥力中等,播前施底肥純氮207 kg/hm2、純P2O596 kg/hm2、K2O 139.5 kg/hm2。地理坐標(biāo)為北緯37°12′~37°3′,東經(jīng) 112°28′~113°01′。5-9 月降雨量為451 mm,平均溫度為22.06 ℃。
1.2.2 澤州試驗(yàn)地
2014年5-9月在山西省晉城市澤州縣高都鎮(zhèn)善獲村試驗(yàn),紅褐土,肥力中等,播前施底肥純氮69 kg/hm2,有機(jī)肥1 200 kg/hm2,純P2O596 kg/hm2。地理坐標(biāo)為北緯 35°12′~35°42′,東經(jīng) 112°31′~113°14′。5-9 月降雨量為455.6 mm,平均溫度為21.4 ℃。
出苗試驗(yàn)采用裂裂區(qū)設(shè)計(jì),主區(qū)設(shè)置鎮(zhèn)壓和不鎮(zhèn)壓2個(gè)處理,裂區(qū)播距設(shè)置為7、10和13 cm,裂裂區(qū)通過(guò)F、X和YJ共3個(gè)播種輪分別設(shè)置(3~4、2~3和1~2粒/穴)3個(gè)播量。共18個(gè)處理,每個(gè)處理3次重復(fù),共計(jì)54個(gè)小區(qū);生長(zhǎng)特性及產(chǎn)量試驗(yàn)采用隨機(jī)完全區(qū)組設(shè)計(jì),不進(jìn)行鎮(zhèn)壓處理(見(jiàn)表1)。太谷試驗(yàn)田每個(gè)小區(qū)面積30 m2(10 m× 3 m),澤州試驗(yàn)田選用播量3~4粒,播距10 cm(F-10);播量3~4粒,播距13 cm(F-13);播量2~3粒,播距7 cm(X-7);播量 2~3粒,播距10 cm(X-10);播量1~2粒,播距7 cm(YJ-7)等處理進(jìn)行產(chǎn)量驗(yàn)證試驗(yàn),每個(gè)小區(qū)面積60 m2(30 m×2 m)。
表1 試驗(yàn)處理Table 1 Experimental treatments
在灌漿期,各小區(qū)隨機(jī)選取3株谷子,選取倒2葉,做好標(biāo)記,分別測(cè)定凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)和光合色素含量。
1.4.1 出苗質(zhì)量統(tǒng)計(jì)
出苗以谷子露出第一葉且距地面1 cm為標(biāo)準(zhǔn)[27]。株距測(cè)量連續(xù)11株的距離為準(zhǔn),取平均數(shù),3次重復(fù),計(jì)算平均株距和株距標(biāo)準(zhǔn)差。
1.4.2 光合色素含量的測(cè)定
光合色素含量參考張憲政[28]的方法。
1.4.3 光合參數(shù)的測(cè)定
于上午9:00-11:00,用美國(guó)思愛(ài)迪生產(chǎn)的CI-340光合測(cè)定儀測(cè)定葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間 CO2濃度(Ci),測(cè)定時(shí)光照強(qiáng)度為(900±50)μmol/(m2·s),環(huán)境溫度為(28±2)℃,大氣 CO2濃度為(380±5)μmol/mol。
1.4.4 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定
于20:30后,使用德國(guó)WALZ公司生產(chǎn)的便攜式葉綠素?zé)晒鈨x PAM-2500測(cè)定各葉綠素?zé)晒鈪?shù):PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)量子產(chǎn)量(ΦPSⅡ)、表觀光合電子傳遞速率(Apparent Photosynthetic Electron Transport Rate, ETR),光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)。
1.4.5 產(chǎn)量測(cè)定
太谷縣試驗(yàn)田在各小區(qū)取 3株測(cè)定單株穗質(zhì)量;各小區(qū)內(nèi)測(cè)定2 m2(長(zhǎng)2 m,寬1 m)內(nèi)的穗數(shù),3次重復(fù),計(jì)算理論產(chǎn)量。澤州試驗(yàn)田穗數(shù)與穗質(zhì)量測(cè)定方法與太谷試驗(yàn)田一致;實(shí)收產(chǎn)量為同一處理的谷子穗全部收割脫粒,測(cè)定各處理全部收獲籽粒質(zhì)量。
使用Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),使用DPS 6.50軟件處理試驗(yàn)結(jié)果。采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行不同處理間的多重比較。
2.1.1 播距和播量對(duì)谷子出苗數(shù)的影響
如圖 1所示,出苗數(shù)隨播量的增加而增加,隨播距的增加而減小。其中,F(xiàn)-7鎮(zhèn)壓處理出苗數(shù)最大,YJ-13處理出苗數(shù)最小。同一播種輪處理下,由于增加了土壤與種子的接觸面積,鎮(zhèn)壓處理的出苗數(shù)高于無(wú)鎮(zhèn)壓處理,X-13處理相較X-7和X-10處理,分別降低了54.55%和23.53%。
圖1 播距和播量對(duì)出苗數(shù)的影響Fig.1 Effects of seeding rate and seeding distance on the emergency number
2.1.2 播距和播量對(duì)出苗均勻度的影響
由表 2可知,株距和株距標(biāo)準(zhǔn)差隨播量的增加而減小,隨播距的增加而增大,使用鎮(zhèn)壓處理的株距和株距標(biāo)準(zhǔn)差均小于無(wú)鎮(zhèn)壓處理,YJ-13無(wú)鎮(zhèn)壓處理的平均株距和株距標(biāo)準(zhǔn)差均最大,F(xiàn)-7鎮(zhèn)壓處理最小。無(wú)鎮(zhèn)壓處理下的YJ-7與YJ-10和YJ-13相比,YJ-7的株距分別顯著降低了 37.44%和 41.73%,株距標(biāo)準(zhǔn)差分別顯著降低了38.74%和51.16%;有無(wú)鎮(zhèn)壓處理的X播種輪各處理內(nèi)和 F播種輪各處理內(nèi)的平均株距和株距標(biāo)準(zhǔn)差均無(wú)顯著差異。
如表 3所示,隨著播量的增加,雖葉綠素 a(Chlorophyll a, Chl-a)和類胡蘿卜素(Carotenoids, Car)含量呈下降趨勢(shì),葉綠素b(Chlorophyll b, Chl-b)含量呈升高趨勢(shì),葉綠素(a+b)(Chlorophyll (a+b), Chl-(a+b))含量呈先升高后降低的趨勢(shì),但各處理間差異均不顯著。
表2 播距和播量對(duì)出苗均勻度的影響Table 2 Effects of seeding distance and seeding rate on emergence uniformity
表3 播距和播量對(duì)晉谷21倒2葉光合色素含量的影響Table 3 Effects of seeding distance and seeding rate on photosynthetic pigment content at the 2nd leaf from top of Jingu 21
由表 4可知,播量一定,隨著播距的增大,谷子葉片接受的光合有效輻射增大,Pn和Gs呈上升趨勢(shì),Ci呈下降趨勢(shì);播距一定,隨著播量的增大,谷子葉片自遮陰,Pn和Gs總體呈下降趨勢(shì),Ci總體呈上升趨勢(shì)。F-10和F-13處理的Pn差異不顯著,均顯著高于F-7處理,Pn的提高有利于單株產(chǎn)量的提高;X播種輪各處理的Pn差異未達(dá)顯著水平;YJ-13處理顯著高于YJ-7和YJ-10處理。YJ-10和YJ-13處理的Gs差異不顯著且均高于其他處理;X-10和X-13處理無(wú)的Gs顯著性差異,且高于X-7處理;F-13處理的Gs顯著高于F-10處理和F-7處理。F-7處理的Ci顯著高于F-10處理,F(xiàn)-10處理與F-13處理差異不顯著;X-7處理的Ci顯著高于X-10和X-13處理,X-10和X-13處理間的差異未達(dá)顯著水平;YJ-7處理顯著高于YJ-10和YJ-13處理,YJ-10處理顯著高于YJ-13處理。
表4 播距和播量對(duì)晉谷21倒2葉光合特性的影響Table 4 Effects of seeding distance and seeding rate on photosynthetic characteristics at the 2nd leaf from top of Jingu 21
如表5所示,ΦPSII、ETR隨播量的增加而減小,隨播距的增加而增大;NPQ隨播量的增加而增大,隨播距的增加而減??;qP在各處理間無(wú)顯著性差異。F-7處理的 ΦPSII和ETR與YJ-13處理相比分別降低了35.71%和33.60%,與X-10處理相比分別降低了18.18%和18.00%,X-10處理相較YJ-13處理分別降低了21.43%和19.03%;F-7處理的NPQ相較YJ-13處理增高了51.19%,較X-10處理增高了3.40%,X-10與YJ-13處理相比,增高了49.47%。
表5 播量和播距對(duì)晉谷倒2葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Table 5 Effects of seeding distance and seeding rate on chlorophyll fluorescence parameters at the 2nd leaf from top of Jingu 21
由表6可知,對(duì)于太谷縣試驗(yàn)田,隨著播量的減小,谷子每667 m2穗數(shù)呈下降趨勢(shì),而由于谷子的光合能力隨播量的減小逐漸增大,故穗粒質(zhì)量呈升高趨勢(shì);隨著播距的增大,每667 m2穗數(shù)呈下降趨勢(shì),而穗粒質(zhì)量呈相反趨勢(shì)。F播種輪處理內(nèi)穗粒質(zhì)量差異均顯著,結(jié)穗數(shù)F-7處理顯著高于F-10和F-13處理;X播種輪處理內(nèi)結(jié)穗數(shù)差異均顯著,X-7處理顯著高于X-10和X-13處理;YJ播種輪處理內(nèi)穗粒質(zhì)量未達(dá)到顯著水平,YJ-7處理結(jié)穗數(shù)顯著高于YJ-10和YJ-13處理。產(chǎn)量從高到低為X-10處理、X-13處理、YJ-7處理、YJ-10處理、X-7處理、F-13處理、YJ-13處理、F-10處理、F-7處理。F播種輪處理內(nèi)的理論產(chǎn)量無(wú)顯著差異,X-10處理的理論產(chǎn)量顯著高于X-13處理,X-13處理的理論產(chǎn)量顯著高于YJ-7處理,YJ-7處理的理論產(chǎn)量顯著高于F-13處理。澤州縣試驗(yàn)田產(chǎn)量從高到低為為X-10、YJ-7、X-7、F-13、F-10,與太谷試驗(yàn)區(qū)理論產(chǎn)量的趨勢(shì)基本一致。雖F-10的結(jié)穗數(shù)最高,顯著高于X-10和X-7處理,但穗粒質(zhì)量 F-10顯著低于其余各處理;YJ-7的穗粒質(zhì)量最高,均顯著高于其余各處理,但其結(jié)穗數(shù)卻顯著低于其余各處理。
表6 播距和播量對(duì)晉谷21產(chǎn)量的影響Table 6 Effects of seeding distance and seeding rate on the yield of Jingu 21
谷子顆粒小,若未與土壤充分接觸,會(huì)導(dǎo)致種子缺水而不能正常發(fā)芽,經(jīng)覆土器和鎮(zhèn)壓輪覆土鎮(zhèn)壓之后與土壤充分接觸,保墑效果好且有利于種子出苗[4]。太谷試驗(yàn)田綜合結(jié)果顯示,鎮(zhèn)壓處理的谷子出苗數(shù)也顯著高于未鎮(zhèn)壓處理,同一處理,結(jié)穗數(shù)高于出苗數(shù),可能與后期又有種子陸續(xù)出苗有關(guān)。高志軍等[6]的研究表明,隨著播量的增加,谷子出苗密度增高。梁雞保等[24]發(fā)現(xiàn),隨著谷子播量的增加,出苗時(shí)間短且整齊度高。本研究得出,隨著播量的增加,株距和株距標(biāo)準(zhǔn)差減小,谷子出苗更加均勻,可能是由于谷子存在群體頂土優(yōu)勢(shì),與高志軍等研究結(jié)果基本一致。由于出苗數(shù)不同,谷子的形態(tài)發(fā)生改變,導(dǎo)致谷子群體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,群體結(jié)構(gòu)對(duì)于谷物的光合性能影響極大[29]。光合作用是作物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ),是決定作物生產(chǎn)力組成的主要因素[30]。較低的種植密度會(huì)造成光能的浪費(fèi),過(guò)高的種植密度會(huì)使作物的葉面積指數(shù)過(guò)高,導(dǎo)致葉片自遮陰,透光率低,光合效率低,植株間土壤水分、肥料競(jìng)爭(zhēng)激烈,從而導(dǎo)致產(chǎn)量下降[16,20,31-32]。谷子葉片的葉綠素含量、光合速率均隨種植密度的增加而降低[14]。光合速率的變化可能是由于光合作用原初反應(yīng)過(guò)程中葉片的葉綠素?zé)晒馓匦园l(fā)生變化[33]。研究發(fā)現(xiàn),PSⅡ光能轉(zhuǎn)換效率和Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP均隨著種植密度的增高而減小,NPQ隨種植密度的增高而增大[34-36,10]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,ΦPSⅡ、ETR和qP均隨谷子種植密度的升高而降低,而NPQ隨密度的升高而升高。這可能是因?yàn)楦叩姆N植密度抑制了谷子光系統(tǒng) II的光能轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致光化學(xué)效率和電子傳遞速率降低,而非光化學(xué)淬滅系數(shù)的升高,說(shuō)明植物吸收的過(guò)剩光能以熱能的形式散失,啟動(dòng)了光保護(hù)機(jī)制。
合理的種植密度也是增產(chǎn)的重要措施之一[36]。谷子產(chǎn)量的高低決定于單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒質(zhì)量的乘積, 協(xié)調(diào)好這三者之間關(guān)系,有利于獲得較佳產(chǎn)量[37]。劉紅霞等[38]和劉正理等[23]發(fā)現(xiàn)隨種植密度增加,谷子的有效穗數(shù)顯著增加,使群體產(chǎn)量升高;但穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量顯著降低,使單株產(chǎn)量降低;在一定密度范圍內(nèi),隨著種植密度的增加,谷子的群體產(chǎn)量和單株產(chǎn)量配比達(dá)到理想狀態(tài),產(chǎn)量極顯著增加,與本研究結(jié)果基本相符。而孫鵬等[39]認(rèn)為,隨種植密度的增加,冬小麥穗數(shù)呈先降后增的趨勢(shì),穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量呈先增后降的趨勢(shì)。這可能與作物種類和試驗(yàn)中種植密度不同有關(guān)。同時(shí)黃學(xué)芳等[37]指出,隨群體密度的增加,張雜谷 5號(hào)成穗數(shù)、成穗率相應(yīng)減少。這主要是因?yàn)闀x谷21無(wú)分蘗,而張雜谷 5號(hào)有分蘗,其群體結(jié)構(gòu)有較大差異,因此對(duì)成穗數(shù)的影響不同。本研究發(fā)現(xiàn),出苗數(shù)越多,單位面積結(jié)穗數(shù)越多,但由于光合性能的降低導(dǎo)致穗粒質(zhì)量降低;出苗數(shù)越少,單位面積結(jié)穗數(shù)越少,但光合性能的升高導(dǎo)致穗粒質(zhì)量的升高。所以較低的種植密度有利于提高單株產(chǎn)量,較高的種植密度對(duì)群體產(chǎn)量的提高有較好的效果。
太谷縣試驗(yàn)中X-10的理論產(chǎn)量高,雖然其出苗質(zhì)量、穗數(shù)不如F-7處理,但因F-7處理種植密度過(guò)高,群體結(jié)構(gòu)的因素導(dǎo)致Pn降低,使穗粒質(zhì)量降低嚴(yán)重,導(dǎo)致單株產(chǎn)量顯著降低;雖穗粒質(zhì)量不及 YJ-13處理,但 YJ-13處理由于種植密度過(guò)小,穗數(shù)嚴(yán)重降低,即使光合速率及效率高,但也無(wú)法彌補(bǔ)其穗數(shù)的降低,導(dǎo)致群體產(chǎn)量降低顯著;澤州試驗(yàn)田同樣顯示X-10的實(shí)收產(chǎn)量高。根據(jù)課題組多年的試驗(yàn),在行距33.3 cm的條件下,若土壤墑情、整地和種子質(zhì)量不高時(shí),建議播種時(shí)每次下籽2~3粒,播距10 cm左右,出苗均勻,可以大大減少間苗用工量或達(dá)到不間苗的效果;若播種條件適宜,建議適當(dāng)加大播距或減少下籽量。
在本試驗(yàn)條件下,使用自走式多功能小粒種子播種機(jī)JAS-502 B播種晉谷21號(hào),采用行距33.3 cm,株距10 cm,每次播種量2~3粒(采用X播種輪,其凹槽的外徑為4 mm,深度為2 mm,圓形),谷子的產(chǎn)量、品質(zhì)較好。雖單株光合速率和單株產(chǎn)量不是最高,但群體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,使合理密植增加的穗數(shù)彌補(bǔ)了由于光合速率降低導(dǎo)致的單株產(chǎn)量的降低,故群體產(chǎn)量較高。試驗(yàn)結(jié)果顯示,在此機(jī)械化播種條件下,出苗均勻,密度適中,產(chǎn)量高,可以實(shí)現(xiàn)少間苗或免間苗。太谷試驗(yàn)區(qū)的理論產(chǎn)量達(dá)到290.04 kg/667 m2,澤州試驗(yàn)區(qū)的實(shí)收產(chǎn)量達(dá)到242 kg/667 m2。因此,采用此播種作業(yè)參數(shù)可為丘陵山地谷子機(jī)械化精量播種提供依據(jù)。