农艺措施对谷子产量及抗倒伏力学性能的影响

2021-03-25武翠卿孙静鑫郭平毅王宏富武新慧

中国农业科学 2021年6期

武翠卿，孙静鑫，郭平毅，王宏富，武新慧

1山西农业大学工学院，山西太谷 030801；2运城学院机电工程系，山西运城 044000；3山西农业大学农学院，山西太谷 030801

【】明晰栽培条件互作对谷子叶片光合特性、茎秆生物力学性质指标的耦合影响，为运用谷子茎秆生物力学性质进行抗倒伏特性评价，为优化谷子种植栽培条件及抗倒伏优种筛选提供合理农艺措施和理论支持。采用裂区试验设计方法，主区选取4个在生产中具有代表性的谷子品种，副区为基于不同的播种密度与施肥量、播种密度与水分、水分与施肥量互作处理栽培条件，系统研究了栽培措施对谷子生长发育以及茎秆抗倒伏生物力学性质的影响。（1）除水分对谷子茎秆节平均直径影响不显著外，谷子品种、施肥量、播种密度及水分4个因素对谷子的产量、光合生理特性及茎秆形态特性均有极显著影响（＜0.001）；（2）谷子的千粒重、产量均随施肥量和水分的增加而增加；随播种密度的增加，千粒重呈下降趋势，产量呈现先上升后下降趋势；谷子旗叶SPAD值及最大荧光值（m）开花期显著高于灌浆期，开花期旗叶SPAD值、灌浆期旗叶m可作为谷子育种的目标性状；（3）播种密度对谷子田间倒伏率的影响最大，其次是水分、品种，施肥量的影响最小；（4）谷子茎秆倒数第二节的抗拉倒力与株高、节平均长度及茎秆节含水率显著负相关，与节平均直径显著正相关。不同农艺措施互作栽培条件下,单因子对谷子的产量、植株光合生理特性及茎秆力学性能影响最大；选择优良品种、合理密植（≤70万株/hm2）、适当水肥是提升谷子籽粒品质、增加产量、减少田间倒伏率的有效措施。

谷子；栽培农艺措施；叶片光合特性；茎秆生物力学性质；影响机理

0 引言

【研究意义】谷子营养丰富，且具有喜温、抗旱、早熟、耐瘠薄的生理特点[1-2]。由于谷子栽培和管理措施不同引起谷子产量相差悬殊[2]，导致谷子生产潜力未能充分发挥，所以需要探明农艺措施与谷子产量、抗倒伏能力之间的关系，为提升谷子籽粒品质、增加产量、减少田间倒伏率提供参考。【前人研究进展】国内外学者开展了大量关于播期、密度、施肥、水分等农艺栽培措施对小麦、谷子等作物生长农艺性状、产量及产量构成因素、品质等影响的研究。CARR等[3]、LITHOURGIDIS等[4]和GUBERAC等[5]研究了品种、播种密度以及耕作方式对小麦产量的影响，发现不同播种密度对小麦产量有很大影响；刘丽平等[6]、张娟[7]、朱翠林等[8]和李强等[9]研究了种植密度对小麦产量和品质的影响，发现其他种植条件不变时，产量随种植密度增大呈先升高后下降的趋势；李豪圣等[10]和韩金玲等[11]研究了种植密度对小麦茎秆形态的影响，发现种植密度对基部茎秆节间形态及抗倒伏力均有显著影响；郭天财等[12]、黄彩霞[13]研究了栽培技术对冬小麦植株光合特性的影响，结果表明增施氮肥可以有效提高旗叶光合色素含量，增强光合作用。赵海超等[14]通过研究播期对谷子生长及产量的影响，发现5月中旬是张家口地区谷子的最佳播期。刘正理等[15]测定了3种类型谷子在不同密度条件下产量及其构成要素，表明密度对群体个体并重夺高产型谷子产量影响不显著，而密度对个体夺高产型和群体夺高产型谷子产量影响显著。杨艳君[2]研究结果表明，施氮水平、施钾水平以及株距之间交互作用对张杂谷穗粒数和产量有显著影响，施氮水平与株距之间的交互作用对千粒重有显著影响。张亚琦[16]在不同施氮处理下，对杂交谷子产量与光合特性及水分利用效率（WUE）进行研究，表明谷子产量、光合特性及WUE与施氮水平密切相关，不同水肥耦合处理对杂交谷子产量的影响差异性较大。对于小麦、水稻等作物茎秆的生物力学性质试验研究[17-19]已经取得了许多有益成果，但在作物茎秆性状与抗倒性的相关性探索与研究上，主要集中在水稻、玉米、小麦等大宗作物上[20-24]。贾小平等[25]对41份谷子材料倒伏指数、株高、穗长等性状调查发现，株高不会减弱谷子的抗倒伏性，谷子根部第2节性状对谷子整株植株抗倒伏性起到关键作用。袁立新[26]认为，谷子株型与茎秆倒伏关系密切。郭玉明等[27]运用生物力学指标对小麦、玉米、高粱、大豆等茎秆作物的抗倒伏性进行了评价分析，研究了不同生长期惯性矩、弹性模量、抗弯刚度、抗弯强度等弯折性能有关的各生物力学指标与抗倒性之间的关系，并以小麦茎秆为例确定了评价指标体系及评价方法。【本研究切入点】系统研究栽培措施互作对谷子茎秆生物力学性质及叶绿素等物理性质指标的耦合影响，而相关研究还未见报道。【拟解决的关键问题】本文采用裂区试验设计，研究播种密度与施肥量、播种密度与水分、水分与施肥量等栽培措施互作对不同品种谷子产量、叶片光合特性，以及抗倒伏力学性能的耦合影响，建立相关性关系，探明了栽培措施与谷子茎秆生物力学性质和生长期叶绿素等物性指标的关联及影响机理，为优化谷子种植栽培农艺措施及运用生物力学性质进行谷子抗倒伏评价提供理性支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验谷子品种4个，分别为优谷49（高秆直穗、上直下披叶，辽宁省葫芦岛市农业科学研究所），公谷65（高秆弯穗、披散叶，辽宁省葫芦岛市农业科学研究所），长生18（穗码略紧、抗倒性强，山西省农业科学研究院谷子研究所），农谷04（矮秆直穗、抗旱抗倒的中晚熟品种，山西省农业科学研究院作物科学研究所）。

1.2 试验设计

试验于2018年4月至11月在山西农业大学试验田（海拔高度790 m）和山西农业大学农业生物力学实验室（室温）进行。试验地土壤类型为石灰性褐土，土壤pH 7.85，含有机质23.79 g·kg-1、全氮1.04 g·kg-1、速效氮 48.21 mg·kg-1、速效磷24.13 mg·kg-1、速效钾183.6 mg·kg-1。

试验Ⅰ区：采用裂区设计，主区为谷子品种，分别为优谷49、公谷65、长生18、农谷04；裂区1为播种密度，分别为50万株/hm2（D50）、60万株/hm2（D60）、70万株/hm2（D70）、80万株/hm2（D80）；裂区2为施肥处理，分别为底施氮肥（尿素，含N 46%）0（F0）、90 kg·hm-2（F90）、180 kg·hm-2（F180）和270 kg·hm-2（F270）。试验共计64个处理，每个处理行长4 m，行距0.5 m，4 行区3次重复。雨养，田间管理同常规生产。

试验Ⅱ区：采用裂区设计，主区为谷子品种，分别为优谷49，公谷65，长生18，农谷04；裂区为播种密度，分别为50万株/hm2（D50）、60万株/hm2（D60）、70万株/hm2（D70）、80万株/hm2（D80）。试验共计16个处理，每个处理行长4 m，行距0.5 m，4 行区9次重复，其中3次重复为雨养（W0，即旱作栽培），3次重复为灌底墒水播种（W1），3次重复为灌底墒水加生育期灌水（600 m3·hm-2）1次（W2），3种不同的水分管理中间设置15 m的隔离区。不施肥，田间管理同常规生产。

试验Ⅲ区：采用裂区设计，主区为谷子品种，分别为优谷49，公谷65，长生18，农谷04；裂区为施肥处理，分别为底施氮肥（尿素，含N 46%）0（F0）、90 kg·hm-2（F90）、180 kg·hm-2（F180）和270 kg·hm-2（F270）。试验共计16个处理，每个处理行长4 m，行距0.5 m，4 行区6次重复，其中3次重复为浇灌，3次重复为雨养，浇灌区和雨养区设置15 m的隔离区。谷子种植密度为60万株/hm2，田间管理同常规生产。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 谷子千粒重测量及产量计算收获期4个品种分别选择生长发育基本一致的植株，每个处理每次重复分别取10株进行单株收回，置于105℃的烘箱里杀青30 min，然后80℃的烘箱内烘干取出，分别考种，测量千粒重，计算产量。

1.3.2 叶绿素含量及叶绿素荧光动力学参数测定每个小区选取生长一致的20株挂牌标记，分别于灌浆期、开花期采用SPAD-502叶绿素仪测定叶绿素含量（SPAD值），用便携式调制叶绿素荧光仪Mini-PAM，按操作规程测定叶绿素荧光动力学参数，以20株谷子旗叶的平均值为该小区的测定值。测定叶绿素荧光时，叶片预先暗适应30 min，然后直接读出最大荧光（m）。

1.3.3 谷子倒伏率的计算每个处理随机选择5 m2的谷子生长区，查看总植株数及倒伏数，以倒伏植株占总植株的百分数为该处理的倒伏率。

1.3.4 谷子株高、节平均长度的测量谷子黄熟期，每个处理随机选择30株谷子并挂牌标记，用钢板尺测量其株高（谷子生长地表到穗下节顶部的长度），以所测量30株谷子的平均株高代表该处理的株高。查看所测谷子茎秆的节数，以株高除以节数为所测植株的节平均长度；以30株谷子的节平均长度的平均值为该处理的平均节长度。

1.3.5 谷子抗拉倒力的测量将每个处理挂牌30株谷子，用弹簧秤钩住谷子茎秆上部1/3高度处拉倒茎秆，记录弹簧秤的最大读数为该植株的抗拉倒力。以所测量30株谷子抗拉倒力的平均值为该处理的抗拉倒力。

1.3.6 谷子茎秆含水率测定将每个处理选出的30个植株称重、烘干、再称重，计算茎秆平均含水率，将该平均含水率作为该处理的茎秆含水率。

1.3.7 弯曲力学性质测试方法选取试验田中的3个品种（优谷49、长生18和农谷04）进行弯曲试验。采集时间为谷子成熟期，每个品种采样6株，除去根、叶及叶鞘，量取株高、穗重等形态指标后，从基部第二节起，节部依次向上截取各节间作为试样，测定其外径和壁厚。试验在SANS-CMT6104生物材料力学试验机上进行，选用精度达±5%N的200 N传感器，试验加载速率设定为10 mm·min-1，如图1所示。

图1 谷子茎秆弯曲性质测试

由公式（1—2）分别计算茎秆的抗弯强度和弹性模量，公式（3）计算惯性矩。式中，为弯曲试件所承受的最大载荷，即弯折力，N；为茎秆试件受力点的外径，mm；为弯曲试件标距长度，mm；为试样加载点的弯曲挠度，mm；为茎秆空心圆截面的惯性矩，mm4；为茎秆试件受力点的内径，mm。×为抗弯刚度，反映茎秆抵抗变形的能力，该值越大，表明茎秆抵抗变形的能力越强；惯性矩是衡量茎秆抗弯能力的一个截面几何参数；弯曲强度弯是对应最大弯矩截面的弯曲应力，作为判别能否被弯折的判据；弹性模量是反映茎秆材料属性的常数，这几个茎秆的力学性质参数可通过测定茎秆截面面积、弯折力、挠度，利用上述公式求出。

1.3.8 各参数与产量的灰色关联度计算按灰色系统理论要求，将谷子的产量（千粒重）、叶绿素含量及其他参数视为一个整体，构建一个灰色系统。采用DPS v7.05统计软件计算各参数与产量的灰色关联度。设产量（千粒重）即为参考数列0，其他相关性状参数分别为比较数列1、2、3、、i，参数X与产量（0）的关联系数（）和各因素的关联度（）为：

（5）

1.4 试验数据记录和处理

采用Excel记录所测数据并求平均值，运用SAS中的“”程序运算功能分析各影响因素的显著性。

2 结果

2.1 施肥量、密度对谷子产量、植株光合生理特性及茎秆特性的影响

品种、施肥量及播种密度对谷子的千粒重、产量、开花期SPAD、灌浆期SPAD、开花期最大m、灌浆期最大m、茎秆倒伏率、株高、节平均长度及节平均直径均有极显著影响（＜0.001）。品种与施肥量互作对谷子的千粒重、产量、开花期SPAD、灌浆期SPAD及茎秆倒伏率、株高均有极显著影响（＜0.001）；品种与播种密度互作对谷子的千粒重、产量及茎秆倒伏率有显著影响（＜0.05）。施肥量与播种密度互作对谷子的秕谷率、产量有显著影响（＜0.05）（表1）。

参照值可见，单因素中，影响千粒重、产量的主要因子是施肥量；因子互作中，品种和施肥量互作的影响最大，施肥量和播种密度互作的次之，品种和播种密度互作的最小，且影响不显著。说明施肥量对增产具有极其重要的作用。

单因素中，影响开花期与灌浆期SPAD、最大荧光值（m）的主要因子是品种，施肥量次之，播种密度最小；因子互作中，品种和施肥量互作对开花期与灌浆期SPAD、m影响最大，且影响显著，而品种和播种密度互作、施肥量和播种密度互作均对开花期与灌浆期SPAD、m的影响不显著。

相同的栽培条件下，农谷04的旗叶SPAD、旗叶最大荧光值（m）均最大，优谷49的均最小，公谷64和长生18的SPAD介于二者之间。不同栽培条件下，4个品种开花期旗叶SPAD、最大荧光值均显著高于灌浆期（表1—3）。相同播种密度下，谷子旗叶开花期与灌浆期SPAD、m均随施肥量的增加而增加。

单因素中，播种密度对谷子的倒伏率影响最大，品种次之，施肥量最小；因子互作中，品种和播种密度互作对谷子倒伏率的影响最大，且影响极显著，品种和施肥量互作、施肥量和播种密度互作的值接近，且影响均不显著。相同的栽培条件下，优谷49的倒伏率最高，农谷的04最低，公谷65和长生18介于二者之间（表1—3）。在相同的施肥量下，谷子的田间倒伏率均随着播种密度的增加而增加。

表1 施肥量、密度处理对谷子产量、植株光合生理特性和茎秆特性的影响及显著性分析

续表1 Continued table 1

＜0.001表明水平极显著，<0. 05表明水平显著。下同

＜0.001 indicates extremely significant difference,＜0.05 indicates significant difference. The same as below

单因素中，品种对谷子的株高、节平均长度及节平均直径的影响最大，施肥量次之，播种密度最小；因子互作中，品种和施肥量互作对谷子的株高及节平均直径影响最大且极显著，其他不显著。不同播种密度、水分及施肥条件下优谷49株高、节平均长度最大，而优谷49的节平均直径最小（表1—3）。在相同的施肥量下，各品种的株高、节平均长度随播种密度的增加而增加，而节平均直径随播种密度的增加而减小；相同播种密度下，株高、节平均长度及节平均直径随施肥量的增加而增加。

2.2 水分、密度对谷子产量、植株光合生理特性及茎秆特性的影响

水分对谷子的千粒重、产量、开花期SPAD、灌浆期SPAD、开花期最大m、灌浆期最大m、茎秆倒伏率、株高及节平均长度均有极显著影响（＜0.001），而对节平均直径影响不显著。品种与水分互作对谷子的千粒重、产量、开花期SPAD、灌浆期SPAD、开花期最大m、灌浆期最大m、茎秆倒伏率、株高及节平均长度均有显著影响（＜0.05），而对节平均直径影响不显著。播种密度与水分互作对谷子的产量有极显著影响（＜0.001）。参照值可见，水分对各个指标的影响最大，品种和水分互作次之，播种密度与水分互作最小且影响均不显著（表2）。

相同播种密度下，谷子旗叶SPAD及m随着水分的增加而增加；谷子田间倒伏率随着水分的增加而增加；各品种的株高及节平均长度随着水分的增加而增加。

在相同的水分处理下，倒伏率随着播种密度的增加而增加；各谷子品种的株高及节平均长度随着播种密度的增加而增加。

2.3 施肥量、水分对谷子产量、植株光合生理特性及茎秆特性的影响

施肥量与水分互作对谷子的千粒重、产量、开花期SPAD、灌浆期SPAD及茎秆倒伏率有显著影响（＜0.05）（表3）。

续表2 Continued table 2

相同施肥条件下，旗叶SPAD及旗叶m随着灌水的增加而增加；谷子田间倒伏率均随水分的增加而增加；优谷49及农谷04的株高、节平均长度及节平均直径均随着水分增加而增加。

在相同的水分处理下，旗叶SPAD及旗叶m随施肥量的增加而增加，田间倒伏率随着施肥量的增加而增加；谷子茎秆的株高、节平均长度及节平均直径均随着施肥量的增加而增加。

2.4 不同处理对谷子产量、植株光合生理特性的影响

适宜的水分及施肥量一般能促进叶片叶绿素的合成，延缓叶绿素的降解，增强光合作用[28-29]。本研究结果也表明，相同的栽培条件下，不同品种的谷子旗叶SPAD具有一定的差异，不同栽培条件对谷子旗叶SPAD有显著性影响，结合前面分析表明，增加水、肥对提高谷子旗叶叶绿素含量，增强谷子光合潜力具有较大的促进作用。

2.5 谷子各节间材料弯曲试验结果及相关分析

不同品种谷子茎秆的节间长、外径、弯折力、弯曲强度、弹性模量及抗弯刚度有显著性差异（＜0.05）；同一品种，谷子茎秆不同节间的节间长、外径、弯折力、惯性矩有显著性差异（＜0.05）（表 4）。

谷子茎秆不同节间的弯折力有显著性差异，沿茎秆向上，各节间所需的弯折力逐渐减小，由于弯折力与弯曲试样标距、截面尺寸等有关，因此判别茎秆在外载荷作用下能否被弯折要消除弯折力的影响，用弯曲应力强度作为判据；不同品种谷子茎秆的弹性模量及抗弯刚度有显著性差异，说明不同品种间材料弹性性质有较大差异；不同节间的弹性模量、弯曲强度及抗弯刚度无显著性差异，说明谷子茎秆的弹性模量、弯曲强度和抗弯刚度沿高度变化较小，茎秆沿高度各节间无明显抗弯强度不足的薄弱段。

表3 施肥量、水分对谷子产量、植株光合生理特性和茎秆特性的影响及显著性分析

续表3 Continued table 3

2.6 谷子茎秆特性与谷子抗拉倒力相关分析

谷子茎秆倒数第二节的抗倒伏性对整根茎秆的抗倒伏性极其重要[25]，因此测定倒数第二节的抗拉倒力，并分析其与茎秆不同特性之间的相关性。

谷子抗拉倒力与茎秆不同特性指标相关性分析表明，谷子抗拉倒力与株高、节平均长度及茎秆节水分百分含量显著负相关，与节平均直径成显著正相关，其中，优谷49、农谷04抗拉倒力与茎秆节平均直径相关系数分别为0.82、0.79（表 5）。

2.7 谷子旗叶光合生理特性与千粒重相关分析

谷子旗叶光合生理特性与千粒重的灰色关联度分析如表6所示。

谷子开花期旗叶SPAD与谷子千粒重关联度高，分析其原因，由于开花期光合能力强，为谷子籽粒灌浆提供了较高的物质储备。灌浆期旗叶最大荧光（m）与千粒重含量高说明灌浆期PSII反应中心QA→QB传递电子的能力强，灌浆期源库协调，为籽粒灌浆提供了较好的生理基础[30-33]。开花期旗叶SPAD、灌浆期最大荧光m两项指标与千粒重高度关联，可作为谷子育种的目标性状，也可作为谷子栽培管理中检测谷子生长状态的参考指标。

3 讨论

3.1 对谷子产量及光合生理特性等的影响

除水分对谷子茎秆节平均直径影响不显著外，谷子品种、施肥量、播种密度及水分4个因素对谷子的产量、光合生理特性及茎秆特性均有极显著影响。这与刘正理等[15]、张娟[7]、黄彩霞[13]、李豪圣等[10]的研究结论一致，说明谷子的品种、施肥量、播种密度及水分对谷子的产量、光合生理特性、茎秆特性的影响与小麦的类似。

表4 谷子各节间材料弯曲力学性能指标试验测试值

1：节间长（mm）；2：外径（mm）；3：壁厚（mm）；4：弯折力（N）；5：惯性矩（mm4）；6：弯曲强度（MPa）；7：弹性模量（MPa）；8：抗弯刚度（N∙mm2）

1: Internode length (mm);2: External diameter (mm);3: Wall thickness (mm);4: Bending force (N);5: Moment of inertia of an area (mm4);6: Bending strength (MPa) ;7: Elasticity modulus (MPa);8: Flexural rigidity (N∙mm2)

表5 谷子抗拉倒力与茎秆特性的相关系数

“*”表示0.05的显著水平，“**”表示0.01的显著水平

* represents significantly different at 0.05 level, ** represents significantly different at 0.01 level

表6 谷子旗叶光合生理特性与千粒重的关联度

在本研究各因素变化范围内，谷子的千粒重、产量均随施肥量和水分的增加而增加；随播种密度的增加千粒重呈下降趋势，产量呈现先上升后下降趋势，与杨艳君[2]的研究结果类似。说明产量的增加主要由于单位面积穗数的增加，弥补了千粒重随播种密度增加而下降造成的单穗产量下降。因此，一定范围内，增加播种密度、水分及施肥量可以极大提高谷子产量，但如果密度过大，水肥太高会造成谷子贪青旺长，谷子籽粒质量变差，茎秆头重脚轻，容易倒伏，最终影响产量。

旗叶SPAD、m与施肥量、播种密度及水分呈正相关关系，不同谷子品种间的SPAD、m显著不同，与郭天财等[12]的研究结果类似。

由SAS分析结果可知，播种密度对谷子田间倒伏率的影响最大，其次是水分、品种，施肥量的影响最小。谷子品种田间倒伏率均表现为其他栽培条件不变时，随着播种密度的增加而增加，亦随着水分的增加而增加。

3.2 对谷子茎秆抗倒伏力学性质影响

不同品种谷子茎秆的弯曲强度、弹性模量及抗弯刚度有显著性差异，与袁志华等[34]在小麦品种间惯性矩有显著差异的研究结果不同；不同节间的惯性矩差异显著，而弹性模量及抗弯刚度差异不显著，说明弹性模量、抗弯刚度沿高度变化较小，不同品种间材料性质却有较大差别，与梁莉[22]的茎秆力学性质试验结果趋势相近；弯曲强度、弹性模量、抗弯刚度可作为评价茎秆抗倒伏性能的判据。

作物的田间倒伏率与茎秆形态指标、农艺措施、品种、自然条件（风、雨）等诸多因素有关[35-37]。在实际生产中，谷子的倒伏大多是由风雨载荷作用所致，主要是由于植株抵抗力和植株招风力之间失衡[36]产生的。从力学分析看，谷子茎秆在风雨载荷作用下产生了倒伏，是最大弯折内力（最大弯矩）发生截面材料的弯曲强度（许可弯曲应力）小于风载作用时的最大外载荷（外力）引起的最大弯曲应力（工作应力）。由于风载的形成不仅涉及到单株植株与穗体的形态特性参数，更与植株与穗体群体的形态特征招风效应紧密相关，在风雨载荷作用下茎秆作物抗倒伏力学性能研究方面，笔者团队以小麦为对象进行了较为深入的理论研究与试验分析[35]，因此对于谷子植株招风力的阐述限于篇幅没有展开。

谷子植株在风雨载荷作用下产生的弯曲可简化成悬臂梁模型（根系土壤部位还需增加一定的弹性约束许可量），风雨载荷产生的弯曲外力沿茎秆高度线性分布，最大弯矩在靠近根部节间。不同节间弯曲强度沿茎秆高度的分布试验结果表明，与外力作用下不同茎秆高度弯矩产生的工作应力比较，最为薄弱的部位是基部节间，实际在风雨载荷作用下及谷子茎秆抗拉倒力测试试验中，发生弯折的部位大多发生在基部第2、3节。因此，谷子茎秆基部第2、3节弯曲强度试验结果是重要参考，第2节至第9节的弯曲强度的试验结果显示，茎秆上部各节间无明显薄弱之处，与力学理论分析一致[35]。

谷子茎秆倒数第2节的抗拉倒力与株高、节平均长度及茎秆节含水率显著负相关，与贾小平等[25]、袁立新[26]研究结果一致，不同的是，本研究得出节平均直径与抗拉倒力显著正相关，与刘鑫[38]的研究结果相似。表明谷子的植株越高、节平均长度越大、茎秆含水率越高，越容易倒伏。因此，选育矮秆品种的同时，适当控水，抑制谷子株高和茎秆含水率，是增强谷子抗倒伏的有效栽培农艺措施。

4 结论

不同农艺措施互作栽培条件下，单因子对谷子的产量、植株光合生理特性及茎秆力学特性影响最大；开花期旗叶SPAD、灌浆期最大荧光m可作为谷子优种筛选的目标性状。

选择合适良种、合理密植（≤70万株/hm2）、适当灌溉和施肥是提升旱作区谷子籽粒品质、增加产量、降低田间倒伏的有效农艺措施。

谷子茎秆形态特征、生物力学性能与茎秆抗倒伏特性相关性显著，弯曲强度、弹性模量、抗弯刚度等3个生物力学性质指标可用来评价谷子茎秆的抗倒伏能力。

[1] 张云, 刘斐, 王慧军. 谷子产业与文化融合发展新探. 产经评论, 2013, 4(1): 56-62.

ZHANG Y, LIU F, WANG H J. Trial research of the integration between millet industry and culture. Industrial Economic Review, 2013, 4(1): 56-62. (in Chinese)

[2] 杨艳君. 施肥和密度对张杂谷5号生理特性和产量构成的影响[D]. 晋中: 山西农业大学, 2013.

YANG Y J. Effects of fertilization and density on physiological characteristics and yield components of foxtail millet hybrid Zhangzagu 5[D]. Jinzhong: Shanxi Agricultural University, 2013. (in Chinese)

[3] CARR P M, HORSLEY R D, POLANDA W W. Tillage and seeding rate effects on wheat cultivars II. yield components. Crop Science, 2003, 43(1): 210-218.

[4] LITHOURGIDIS A S, DHIMA K V, DAMALAS C A, VASILAKOGLOU I B, ELEFTHEROHORINOS I G. Tillage effects on wheat emergence and yield at varying seeding rates, and on labor and fuel consumption. Crop Science, 2006, 46(3): 1187 -1192.

[5] GUBERAC V, MARTINČIĆ J, MARIČ S, BEDE M, JURIŠIĆ M, ROZMAN V. Grain yield components of winter wheat new cultivars in correlation with sowing rate. Cereal Research Communications, 2000, 28(3): 307-314.

[6] 刘丽平, 欧阳竹, 武兰芳, 孙振中. 灌溉模式对不同密度小麦群体质量和产量的影响. 麦类作物学报, 2011, 31(6): 1116-1122.

LIU L P, OUYANG Z, WU L F, SUN Z Z. Effect of irrigation schedules on population quality and grain yield of winter wheat under different densities. Journal of Triticeae Crops, 2011, 31(6): 1116-1122. (in Chinese)

[7] 张娟. 种植密度和氮肥水平互作对冬小麦产量和氮素利用率的调控效应研究[D]. 泰安: 山东农业大学, 2014.

ZHANG J. Combined effect of plant density and nitrogen level on grain yield and nitrogen use efficiency in winter wheat[D]. Taian: Shandong Agricultural University, 2014. (in Chinese)

[8] 朱翠林, 李锐宁, 张保军, 张正茂, 赵永萍, 王玉玲, 韩思明. 旱肥地密度对大穗型冬小麦品种生育特性及产量的影响. 西北农业学报, 2010, 19(1): 71-75.

ZHU C L, LI R N, ZHANG B J, ZHANG Z M, ZHAO Y P, WANG Y L, HAN S M. Effect of planting density on growth characters and yield of winter wheat variety of big spike in dryland. Acta Agriculturae Boreali-occidentalis Sinica, 2010, 19(1): 71-75. (in Chinese)

[9] 李强, 李慧敏, 李丁, 乔文臣, 孙书娈, 孟祥海, 魏建伟, 赵明辉, 赵凤梧. 播期和种植密度对冬小麦节水新品种衡S29产量及相关因素的影响. 山东农业科学, 2017, 49(3): 37-41.

LI Q, LI H M, LI D, QIAO W C, SUN S L, MENG X H, WEI J W, ZHAO M H, ZHAO F W. Effects of new sowing date and planting density on yield and yield components of new winter wheat cultivar Heng S29. Shandong Agricultural Sciences, 2017, 49(3): 37-41. (in Chinese)

[10] 李豪圣, 刘爱峰, 刘建军, 程敦公, 宋健民, 赵振东, 卓一鸣. 不同栽培条件对冬小麦基部茎秆形态特征的影响. 现代农业科技, 2008(8): 34-37.

LI H S, LIU A F, LIU J J, CHENG D G, SONG J M, ZHAO Z D, ZHUO Y M. Effects of different cultivation conditions on morphological characteristics of stem at base of winter wheat. Modern Agricultural Science, 2008(8): 34-37. (in Chinese)

[11] 韩金玲, 杨晴, 周印富, 王文颇. 冀东地区种植密度对小麦京冬8号抗倒伏能力和产量的影响. 麦类作物学报, 2015, 35(5): 667-673.

HAN J L, YANG Q, ZHOU Y F, WANG W P. Effect of planting density on lodging-resistance and grain yield of winter wheat in the east of Hebei province. Journal of Triticeae Crops, 2015, 35(5): 667-673. (in Chinese)

[12] 郭天财, 宋晓, 马冬云, 王永华, 谢迎新, 查菲娜, 岳艳军, 岳彩凤. 施氮水平对冬小麦旗叶光合特性的调控效应. 作物学报, 2007, 33(12): 1977-1981.

GUO T C, SONG X, MA D Y, WANG Y H, XIE Y X, ZHA F N, YUE Y J, YUE C F. Effects of nitrogen application rates on photosynthetic characteristics of flag leaves in winter wheat (L. ). Acta Agronomica Sinica, 2007, 33(12): 1977-1981. (in Chinese)

[13] 黄彩霞. 不同栽培技术措施对甘肃小麦产量及产量形成影响效应的研究[D]. 兰州: 甘肃农业大学, 2016.

HUANG C X. Study of different cultivation technology on yield and yield formation of wheat in Gansu[D]. Lanzhou: Gansu Agricultural University, 2016. (in Chinese)

[14] 赵海超, 曲平化, 龚学臣, 陈春艳. 不同播期对旱作谷子生长及产量的影响. 河北北方学院学报(自然科学版), 2012, 28(3): 26-30.

ZHAO H C, QU P H, GONG X C, CHEN C Y. Effects of different planting dates on growth and yield of dryland millet. Journal of Hebei North University (natural science edition), 2012, 28(3): 26-30. (in Chinese)

[15] 刘正理, 程汝宏, 张凤莲, 夏雪岩, 师志刚, 张耀华. 不同密度条件下3种类型谷子品种产量及其构成要素变化特征研究. 中国生态农业学报, 2007, 15(5): 135-138.

LIU Z L, CHENG R H, ZHANG F L, XIA X Y, SHI Z G, ZHANG Y H. Yield and yield component characteristics of three foxtail millet varieties at different planting densities. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2007, 15(5): 135-138. (in Chinese)

[16] 张亚琦. 氮、钾肥对杂交谷子产量及耗水规律的影响研究[D]. 保定: 河北农业大学, 2014.

ZHANG Y Q. Study on the effects of nitrogen and potassium fertilizer on yield and water consumption pattern of hybrid millet[D]. Baoding: Hebei Agricultural University, 2014. (in Chinese)

[17] HIRAI Y, INOUE E, MORI K. Application of a quasi-static stalk bending analysis to the dynamic response of rice and wheat stalks gathered by a combine harvester reel. Biosystems Engineering, 2004, 88(3): 281-294．

[18] İNCE A, UĞURLUAY S, GÜZEL E, ÖZCAN M T. Bending and shearing characteristics of sunflower stalk residue. Biosystems Engineering, 2005, 92(2): 175-181．

[19] O’DGHERTY M J, HUBER J A, DYSON J, MARSHALL C J. A study of the physical and mechanical properties of wheat straw. Agricultural Engineering Research, 1995, 62(2): 133-142．

[20] 高梦祥, 郭康权, 杨中平, 李星恕．玉米秸秆的力学特性测试研究．农业机械学报, 2003, 34(4): 48-51．

GAO M X, GUO K Q, YANG Z P, LI X S. Study on mechanical properties of cornstalk. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2003, 34(4): 48-51. (in Chinese)

[21] 梁莉, 郭玉明. 作物茎秆生物力学性质与形态特性相关性研究. 农业工程学报, 2008, 24(7): 1-6.

LIANG L, GUO Y M. Correlation study of biomechanical properties and morphological characteristics of crop stalks. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2008, 24(7): 1-6. (in Chinese)

[22] 梁莉, 郭玉明. 不同生长期小麦茎秆力学性质与形态特性的相关性. 农业工程学报, 2008, 24(8): 131-134.

LIANG L, GUO Y M. Relationship between stalk biomechanical properties and morphological traits of wheat at different growth stages. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2008, 24(8): 131-134. (in Chinese)

[23] 杨惠杰, 杨仁崔, 李义珍, 姜照伟, 郑景生. 水稻茎秆性状与抗倒性的关系. 福建农业学报, 2000, 15(2): l-7.

YANG H J, YANG R C, LI Y Z, JIANG Z W, ZHENG J S. Relationship between culm traits and lodging resistance of rice cultivars. Fujian Journal of Agricultural Sciences, 2000, 15(2): l-7. (in Chinese)

[24] 霍中洋, 董明辉, 张洪程, 戴其根, 陈卫中. 不同粳稻品种倒伏指数及其相关农艺性状分析. 西南农业大学学报, 2003, 25(3): 234-237.

HUO Z Y, DONG M H, ZHANG H C, DAI Q G, CHEN W Z. Analysis of lodging index and some related agronomic characters in differentrice cultivars. Journal of Southwest Agricultural University, 2003, 25(3): 234-237. (in Chinese)

[25] 贾小平, 董普辉, 张红晓, 全建章, 董志平. 谷子抗倒伏性和株高、穗部性状的相关性研究. 植物遗传资源学报, 2015, 16(6): 1188-1193.

JIA X P, DONG P H, ZHANG H X, QUAN J Z, DONG Z P. Correlation study of lodging resistance and plant height, panicle traits in foxtail millet. Journal of Plant Genetic Resources, 2015, 16(6): 1188-1193. (in Chinese)

[26] 袁立新. 谷子株型对茎秆倒伏影响的研究. 吉林农业科学, 1998(4): 36-37.

YUAN L X. Study on the effect of millet plant type on lodging of stem. Jilin Agricultural Science, 1998(4): 36-37. (in Chinese)

[27] 郭玉明, 袁红梅, 阴妍, 梁莉, 李红波. 茎秆作物抗倒伏生物力学评价研究及关联分析. 农业工程学报, 2007, 23(7): 14-18.

GUO Y M, YUAN H M, YIN Y, LIANG L, LI H B. Biomechanical evaluation and grey relational analysis of lodging resistance of stalk crops. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2007, 23(7): 14-18. (in Chinese)

[28] 王景燕, 龚伟, 包秀兰, 唐海龙, 胡文, 芶国军. 水肥耦合对汉源花椒幼苗叶片光合作用的影响. 生态学报, 2016, 36(5): 1321-1330.

WANG J Y, GONG W, BAO X L, TANG H L, HU W, GOU G J. Coupling effects of water and fertilizer on diurnal variation of photosynthesis ofMaxim‘hanyuan’seedling leaf. Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(5): 1321-1330. (in Chinese)

[29] 孙光照, 刘小刚, 余小弟, 彭有亮, 冷险险, 黄一峰, 杨启良. 微润管布设方式和施肥水平对蓝莓生长及光合特性的影响. 生态学杂志, 2019, 38(2): 604-611.

SUN G Z, LIU X G, YU X D, PENG Y L, LENG X X, HUANG Y F, YANG Q L. Effects of moistube patterns and fertilization levels on growth and physiological characteristics of blueberry. Chinese Journal of Ecology, 2019, 38(2): 604-611. (in Chinese)

[30] 吴长艾, 孟庆伟, 邹琦, 赵世杰, 王玮. 小麦不同品种叶片对光氧化胁迫响应的比较研究. 作物学报, 2003, 29(3): 339-344.

WU C A, MENG Q W, ZOU Q, ZHAO S J, WANG W. Comparative study on the photooxidative response in different wheat cultivar leaves. Acta Agronomica Sinica, 2003, 29(3): 339-344. (in Chinese)

[31] MAXWELL K, JOHNSON G N. Chlorophyll fluorescence-a practical guide. Journal of Experimental Botany, 2000, 51(345): 659-668.

[32] 胡学华, 蒲光兰, 肖千文, 刘永红, 邓家林. 水分胁迫下李树叶绿素荧光动力学特性研究. 中国生态农业学报, 2007, 15(1): 75-77.

HU X H, PU G L, XIAO Q W, LIU Y H, DENG J L. Effects of water stress on chlorophyll fluorescence in leaves of plum). Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2007, 15(1): 75-77. (in Chinese)

[33] 宋丽丽, 郭延平, 徐凯, 张良诚. 温州蜜柑叶片光合作用光抑制的保护机理. 应用生态学报, 2003, 14(1): 47-50.

SONG L L, GUO Y P, XU K, ZHANG L C. Protective mechanism in photoinhibition of photosynthesis inleaves. Chinese Journal of Applied Ecology, 2003, 14(1): 47-50. (in Chinese)

[34] 袁志华, 李英骏, 鞠阳. 小麦茎秆力学特性与氮磷钾含量的关系. 应用基础与工程科学学报, 2010, 18(6): 967-973.

YUAN Z H, LI Y J, JU Y. Relationship between mechanical property and contents of nitrogen, phosphorus and potassium of wheat stem. Journal of Basic Science and Engineering, 2010, 18(6): 967-973. (in Chinese)

[35] 张倩. 调节剂对不同密度和氮肥水平下寒地春玉米茎秆质量与产量形成的调控机制[D]. 北京: 中国农业大学, 2014.

ZHANG Q. Regulation mechanism of plant growth regulator on stem quality and yield formation of spring maize in cold region under different plant densities and N fertilizer levels[D]. Beijing: China Agriculture University, 2014. (in Chinese)

[36] 田伯红. 禾谷类作物抗倒伏性的研究方法与谷子抗倒性评价. 植物遗传资源学报, 2013, 14(2): 265-269.

TIAN B H.The methods of lodging resistance assessment in cereal crops and their application in foxtail millet.Journal of Plant Genetic Resources, 2013, 14(2): 265-269. (in Chinese)

[37] Liang L, Guo Y M. Analysis and finite element simulation for mechanical response of wheat to wind and rain loads. International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 2008, 1(1): 82-88.

[38] 刘鑫. 不同玉米品种在不同密度下抗倒伏性能的研究[D]. 保定: 河北农业大学, 2012.

LIU X. Studies on lodging-resistance performance of maize under different plant density condition[D]. Baoding: Hebei Agricultural University, 2012. (in Chinese)

Effects of agronomic managements on yield and lodging resistance of millet

1College of Engineering, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi;2Mechanical and Electronic Engineering Department, Yuncheng University, Yuncheng 044000, Shanxi;3College of Agriculture, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801

【】In order to study the effect of interaction treatment cultivation conditions on yield of millet and the biomechanical properties of quantitative evaluation of lodging resistance.【】In this paper, using split zone design, four millet varieties with representativeness in production were selected. Based on interaction treatment cultivation conditions of different seeding density and fertilization, seeding density and water, water and fertilization conditions, the effects of cultivation measures on the growth and development of millet and the biomechanical properties of stem on lodging resistance were systematically studied.【】(1) Except for the effect of water on the average diameter of millet stalk, the yield, photosynthetic physiological characteristics and stem characteristics of millet were significantly affected by four factors: millet variety, fertilization amount, sowing density and water content (<0.001). (2)The 1 000-grain weight and yield of millet increased with the increase of fertilizer and water.With the increase of seed density, 1 000-grain weight decreased, and the yield increased first and then decreased.The SPAD value and the maximum fluorescence value (m) of millet flag leaf at flowering stage were significantly higher than that at filling stage.The SPAD value of flag leaf at flowering stage andmvalue of flag leaf at filling stage were used as the target traits of millet breeding. (3)The effect of sowing density on the lodging rate in millet was the greatest, followed by the influence of water and variety, while the effect of fertilization was the least.(4) The tensile force of the penultimate node of millet stem was negatively correlated with plant height, average length of nodes and moisture of stem nodes, and positively correlated with average diameter of nodes.【】Under the interaction treatment cultivation conditions of different agronomic measures, the single factor had the greatest influence on the yield of millet, plant photosynthetic physiological characteristics and stem mechanical properties.Selecting fine varieties, reasonable close planting (≤700 000 plants/hm2) and proper water and fertilizer were effective measures to improve the quality of millet, to increase yield, and to reduce the lodging rate in the field.

millet; agronomic measures; photosynthetic characteristics of leaves; biomechanical properties of stem; influence mechanism