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論文范文：施肥量和種植間距對谷子生長的影響
發布時間：2022-05-08 09:26
摘要：為了研究施肥量和種植間距對谷子生長的影響，本試驗以農大8號為試驗材料，釆用裂區設計，以磷的施用量為主區（四水平，0、1.4、2.8、4.2千克每畝，分別用P1，P2，P3，P4表示）。種植間距（株距）為副區（四水平，9cm，8.5cm，8cm，7.5cm，分別用J1，J2，J3，J4表示）。試驗共設置16個處理，設置三個重復區。從而研究施肥和種植間距對谷子產量及產量構成指標、谷子株高和莖粗、谷子營養品質、谷子光合特性的影響。主要研究結果如下：
（1）施肥量和種植間距對谷子產量及產量構成指標的影響
施肥量、種植間距及施肥量和種植間距的互作對谷子產量及產量構成指標的影響差異顯著。施肥量為P3與P4時產量及穗數較高，種植間距為J3和J4時產量及穗數較高。產量和穗數在處理為P3J3、P3J4、P4J3、P4J4時達較大值。千粒重在處理為P3J1、P3J2、P4J2、P4J2時達較大值。
（2）施肥量和種植間距對谷子株高和莖粗的影響
施肥量、種植間距及施肥量和種植間距的互作對谷子株高和莖粗的影響差異顯著。施肥量為P3、P4時株高顯著大于P1、P2，種植間距為J1、J2時株高較J3、J4大。施肥量和種植間距互作處理為P2J3、P3J3、P4J2、P4J3時株高較高。施肥量為P3和P4時莖粗較大，株距為J1和J2時莖粗較大。施肥量和種植間距為P2J3、P3J3、P4J2、P4J3時莖粗較大。
（3）施肥量和種植間距對谷子營養品質的影響
施肥量、種植間距及施肥量和種植間距的互作對谷子營養品質的影響差異顯著。粗蛋白含量、總淀粉含量、脂肪含量、纖維含量、蛋氨酸含量、脯氨酸含量及絲氨酸含量隨著施肥量的增加呈上升趨勢。粗蛋白含量、總淀粉含量、脂肪含量、纖維含量、蛋氨酸含量、脯氨酸含量及絲氨酸含量在施肥量為P3或P4時達較大值。在影響差異不顯著的情況下，考慮到施肥過多會影響環境質量并且增大成本，我們會選擇施肥量低的為最佳選擇，即P3和P4對谷子營養品質影響的效果最好且差異不顯著，所以我們認為P3為谷子的最佳施肥量。
粗蛋白含量、總淀粉含量、蛋氨酸含量、脯氨酸含量及絲氨酸含量隨著種植間距的增加呈下降趨勢。粗蛋白含量、總淀粉含量、蛋氨酸含量、脯氨酸含量及絲氨酸含量在種植間距為J1或J2時達較大值。
不同施肥量和種植間距的互作對粗蛋白含量、總淀粉含量、脂肪含量、纖維含量、蛋氨酸含量、脯氨酸含量及絲氨酸含量差異顯著。粗蛋白含量、總淀粉含量、脂肪含量、纖維含量、蛋氨酸含量、脯氨酸含量及絲氨酸含量在處理為P3J1、P3J2、P4J1、P4J2時達最大值。
（4）施肥量和種植間距對谷子光合特性的影響
施肥量、種植間距以及施肥量和種植間距的互作對谷子光合特性的影響差異均顯著。葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b及葉綠素a/b的含量均隨著施肥量的增加呈上升趨勢，施肥量為P3和P4時達到較大值。熒光參數F0、Fm、Fv/Fm隨施肥量的增加，基本呈增長趨勢。在影響差異不顯著的情況下，考慮到施肥過多會影響環境質量并且增大成本，我們會選擇施肥量低的為最佳選擇，即P3和P4對谷子熒光特性影響的效果最好且差異不顯著，所以我們認為P3為谷子的最佳施肥量。
葉綠素含量隨著種植間距減小，即種植密度的增加呈先上升后下降的趨勢，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b及葉綠素a/b的含量均在J2或J3時達到最大值。F0隨種植間距減小呈下降趨勢，J1時達最大值。Fm、 Fv/Fm隨種植間距減小呈上升趨勢，Fm在J3或J4時達到最大值。綜合考慮認為種植間距J3為谷子最佳種植間距。
葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a/b、葉綠素a/b在處理為P3J2 、P3J3、P4J2、P4J3時達較大值。F0在P4J1時達到最大值，其次為P4J2、P3J1、P3J2。Fm的最大值出現在P3J4，其次為P3J2、P4J4、P3J1。Fv/Fm的最大值出現在P4J3，其次為P4J4、P3J3、P3J4、P4J2。考慮到兩因素的互作，認為P3J3為谷子的最佳處理。
關鍵詞：谷子，磷肥，種植間距，生長狀況
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，又稱粟［Setaria italic (L.) Beauv］，退去稃片后為小米，屬于禾本科狗尾草屬的一年生草本植物。谷子起源于我國黃河流域，至今約有千多年的栽培歷史，現主要分布于東北、華北、西北等一些干旱半干旱生態環境較差的地區，是北方地區重要的糧食作物之一[1]。谷子在我國西北丘陵旱薄區的種植面積可達30%以上，被譽為旱作農業的“鐵桿莊稼”，是我國重要的戰略儲備作物，在保障旱區糧食安全中具有非常重要的作用 [2]。谷子具有很強的抗逆性、抗旱性，而且耐貧瘠、適應性廣；其子實的外殼堅硬，能防濕、防熱、不易霉變，可以長期保存 [3, 4]。近年來，由于生活水平的提高，人們改變了原先的膳食結構，逐步提高了小雜糧比重，因此，發展谷子生產，對增加糧食生產和改善人民生活具有十分重要的意義。
中國是世界上谷子栽培面積最大的國家，在20世紀50年代前期，我國北方各省谷子的播種面積仍然處于農作物播種面積的首要地位，從20世紀70年代開始，由于隨著水利設施的改善和玉米、小麥高產作物的發展，特別是“以糧為綱”的政策導向，谷子被冠以“低產作物”而逐漸從中高產田向旱薄地種植退縮，年種植面積從1957年的840萬公頃大幅減少到1995年的152.3萬公頃。之后我國糧食緊缺形勢有所緩解，谷子種植面積的驟降趨勢得到控制，目前年種植面積維持在81萬公頃左右，谷子逐漸淪為輔糧和配角作物。2008年谷子被列為國家現代農業產業技術體系，促進了我國谷子現代化農業科研的發展，同時日趨嚴峻的干旱形勢、農產品國際競爭的加劇以及人民膳食結構多樣化的需求，使得社會和市場對谷子的需求增加，為谷子產業的發展帶來了新的機遇 [5]。目前我國谷子多種植于比較貧瘠的干旱丘陵山區，不少農民將谷子當作低產作物，種植積極性不高，導致谷子生產管理粗放，肥料施用量遠低于小麥和玉米，產量水平低下，一定程度上限制了谷子產業的發展 [6]。因此，優化谷子栽培措施促進單產提高、變粗放管理為精細管理是推動該地區谷子產業發展的重要舉措之一。
谷子因其營養豐富，在食品中占有重要的地位。谷子去殼后為小米，具有較高的營養價值，易消化，深受人們的喜愛，在農作物中被列為小雜糧之首，有“百谷之長”之稱 [1, 7]。據中國農科院分析，谷子含蛋白質7.5-17.5%，平均11.7%，脂肪酸含量為3%-4.6%, 平均4.5%, 碳水化合物72.8%，還含有人體所必須的氨基酸和鈣、磷、鐵及胡蘿卜素、維生素等營養物質 [8]。小米中含有人體必需的氨基酸，如動物實驗證明，蛋氨酸在體內除構成蛋白質外，主要作用是供給甲基形成膽堿，繼而磷脂，協助肝內脂肪轉變；缺少則易產生脂肪肝，甚至造成肝硬化。蛋氨酸還是合成肌酸膽堿，轉化為脯氨酸的主要原料。因此，蛋氨酸有防止脂肪肝和降低膽固醇的作用，具有一定的防癌作用。小米中的脂肪酸含量高于大米和小麥，并且脂肪酸結構合理，對皮膚、微血管、中樞神經系統都具有保護作用，并可防治動脈硬化和肝硬化，是脂溶性維生素和脂溶性色素的良好溶劑，有利于人體吸收這些營養 [9]。小米中膳食纖維含量豐富，是大米的2.5倍，易消化，適宜于老人小孩食用 [10]。小米中富含的鎂、鋅、鉀、硒等微量礦質元素，使小米具有壯體，防治克山病和大骨節病的功效 [11]。
谷子還具有一定的藥用價值，有養腎氣、除胃熱、利小便、治消渴的功效 [12]。食用炒焦小米，有益丹田、補虛損、開腸胃的作用 [13]。李時珍的《本草綱目》中記載：“粟米氣味咸，微寒無毒，養腎氣，祛脾胃中熱、益氣，治胃熱消渴，利小便”。《靈柩經》中記載：“半秫米湯”一方治療消化不良等癥，其中秫米就是粘粟。另外，谷草營養價值高，耐儲存，是喂養牲畜的重要飼料 [14]。谷子是唯一的糧飼兼用的高效作物，在緩解種植業和畜牧業爭地的矛盾中有著不可替代的重要地位 [15]。谷糠還可以釀酒和做醋，是很好的工業原料。
1.2 作物施肥的研究進展
建國以來直至 20 世紀 90 年代，我國糧食產量隨化肥用量增加呈快速增長趨勢，化肥投入對糧食增產的貢獻率達46.2% [16]，增施化肥是我國糧食增產，農民增收的重要手段之一，對于緩解我國人多地少的矛盾，防止糧食緊缺危機產生具有重要作用 [17]。隨著我國耕地面積的減少和人口的劇烈增長，化肥在保障糧食生產和經濟發展中的作用日益受到重視。近年來，我國化肥用量保持持續高速增長（年增長率約3%），目前我國化肥的施用總量已超過5000萬噸，約占全球化肥總施用量的40%。按照作物總播種面積計算，我國單位面積化肥的施用量為306 kg/ ha，也遠遠超過世界平均水平120 kg/ha，因此，不論從化肥總施用量還是單位面積施用量來看，我國均已處于世界較高水平 [18]。然而，高量的化肥投入并未大幅提升我國糧食總產水平，且化肥對糧食總產的貢獻以及化肥生產效率均呈下降趨勢，由于化肥施用的不當導致的“土壤養分殘留積累”和“資源浪費和環境污染等問題已成為我國農業生產中亟待解決的重要問題 [19]。
據聯合國糧農組織（FAO）資料顯示，在發展中國家施肥可使糧食作物單產提高55-57%。雖然化肥可顯著增加作物產量，但過量的肥料投入非但不會增產，反而會增加資源環境的壓力。目前，我國氮肥的當季表觀利用效率不到30%，磷肥的利用率只有15-20%，其中不合理的施肥技術是導致肥料利用效率低下的主要原因 [20]。我國農戶受“糞大水勤、不用問人”、“肥越多產越高”等傳統觀念的影響，化肥的施用盲目增加，在經濟作物種植上尤為突出，另外“一炮轟”、“重基肥輕追肥”的思想造成肥料增產效益低，錯誤的施肥方式如施肥后大水漫灌，磷肥撒施等，極易導致肥料養分通過的地表徑流、深層淋溶損失，反硝化作用及氨揮發等途徑損失 [21, 22]。化肥生產是能源資源消耗型產業，過量的、不合理的施肥會導致大量能源資源被浪費。我國每年氮肥生產綜合能耗約為1億噸標準煤，約占全國能源消耗的5%，磷肥生產每年消耗的磷礦超過1億噸，同時消耗了全國 72%硫素，磷資源已被國土資源部列入2010 年之后緊缺的資源，國內硫和鉀資源短缺，需要依賴進口。目前，我國能源緊張和資源短缺的局勢決定了化肥施用量不可能持續增加，因此必須通過優化施肥技術，降低化肥浪費，進而減少化肥用量 [23]。此外，我國化肥的大量施用會加劇土壤中氮素和磷素養分的積累并對環境造成威脅。目前我國土壤有效磷的土壤年均增長量達0.03 mg/ kg，北方部分菜田的土壤有效磷高達171 mg/kg，遠遠超出了國際上60 mg/kg的環境臨界值。硝態氮在土壤中的大量積累會導致深層淋溶風險，最終導致水源污染和養分損失 [24]。在我國華北地區的高產田，1 m土層的土壤硝酸鹽的累積量可達每公頃數百甚至上千千克，遠遠超出了作物生長所需；黃土高原地區長期高量施肥也導致 0-90 cm土層硝態氮積累量高達 719kg/ha [25, 26]。化肥生產及施用過程會導致氮氧化物和二氧化碳的排放，是溫室氣體的主要來源之一，其中的 NO2不僅會導致臭氧空洞的擴大，造成人類生存環境惡化，還會形成顆粒物，引發呼吸和視力疾病，也能隨水沉降產生酸雨，對人體健康和生態環境具有不可估量的影響 [17]，提高肥料利用效率，減少肥料的過量施用可在一定程度上緩解肥料生產和施用帶來的負面效應。
19 世紀德國杰出化學家李比希創立養分歸還學說,認為作物生長需要從土壤帶走養分,會致使土壤中的養分減少,如果要保持地力就應當向土壤添加肥料以歸還作物從土壤中帶走的養分,否則作物產量將會下降,這奠定了化肥施用的理論基礎。我國氮、磷肥的肥效研究開始于20世紀50年代末，通過第一次和第二次全國土壤普查基本明確了我國農田土壤養分的基本情況，在1981-1983年的第三次大規模化肥肥效試驗中對氮、磷、鉀及中量元素和微量元素肥料的協同效應進行了系統研究，至20世紀末，我國建立了近4000個多種類型的土壤肥力監測區域，涵蓋了不同的土壤類型，隨后繼續開展了缺素補施、配方施肥和平衡施肥的技術推廣工作，為我國糧食增產做出了巨大貢獻。但是在第二次全國土壤普查以后，全國性的施肥技術研究及示范工作沒有得到延續，科學施肥理論與技術也沒有取得重大突破，我國目前化肥的施用存在用量大而效率低下的現狀 [27]。近年來，面對日益緊缺的資源危機以及過量施肥帶來的環境污染，我國研究學者在減量施肥策略、協調作物高產與環境保護的養分綜合管理技術、食物鏈養分管理理論等方面的開展了廣泛的研究 [27-32]，為我國節肥增產增效、環境保護和農業可持續發展做出了巨大貢獻，同時也豐富了我國化肥施用理論與技術體系。
干旱會抑制作物根系生長，降低根長及根表面積，導致對養分的吸收能力下降，同時影響植物體內的營養代謝 [33, 34]。施肥一方面能夠促進作物根系和葉面積增大，提高作物根系吸水性和提水能力 [35, 36]，另一方面能夠補償干旱條件下植物生長受抑的不良效應，改善植物的生理功能，進而提高水分利用效率 [37]。有研究表明在干旱脅迫下，施氮增加了葉片相對含水量，提高了葉片的保水能力，在一定程度上提高了其耐旱性 [38]。另有研究發現施肥能夠增加作物蒸騰耗水占農田總蒸散的比例，降低農田蒸發損失，從而提高水分利用效率 [39, 40]。土壤肥力狀況影響著作物產量和水分的轉化效率，同時土壤水分狀況會對植物養分吸收、轉化及代謝產生影響，最終影響施肥的增產效應，肥與水兩者互為促進，相互制約。水肥互作對植物的作用效應可以分為三種，即協同效應、疊加效應和拮抗效應，通常把水肥之間的正交互作用或者協同效應叫做水肥耦合效應，旱地農田水肥調控的主要目的是要盡量發揮水肥之間的協同效應，減少水肥之間的拮抗效應 [41, 42]。施肥對作物根系影響的研究表明，在水分虧缺的條件下，氮磷肥配施可增加作物根系的數量和扎根深度，增加了根系密度和生長量，合理的施肥還能提高根系活力 [43, 44]。梁銀麗和康紹忠 [45] 研究表明，在貧瘠的黃土區坡耕地上，施肥能夠促進谷子根系生長，表現為根系加粗、根數和根量增加，擴大了對土壤深層水分的利用。Guo et al. [46] 研究發現在黃土高原農業區的欠水、平水和豐水年型下，小麥的最佳施肥量有所差異，分別為45、135和180 kg/ha。Russell [47] 分析了施肥效果與降雨量的關系，指出當降雨量小于120 mm 時，施氮沒有效果。戴慶林和楊文耀 [48] 發現當冬小麥生育期降雨量少于109 mm時，氮、磷的肥效為負值。穆興民 [49] 建立了我國北方旱地作物產量與土壤水肥耦合響應的二次拋物面方程，分析指出旱地作物產量對土壤水分及施肥量的響應具有動態變化特征，在水分脅迫條件下，施肥的增產效應較低，而在水分充足的條件下，施肥的增產效應突出。余存祖等 [50] 依據土壤含水量將谷子施肥效應劃分為三個區間，一是水分虧缺、約束肥效區（<14%），當土壤含水量低于凋萎濕度（6%），作物不能正常生長，施肥無效，當土壤含水量超過凋萎濕度（6%-14%），施肥具有一定的增產效果；二是水分適宜、肥效顯著區（14-20%），在該區內施肥對作物產量的提高有顯著的促進作用；三是水分過多、制約肥效區，該區土壤水分接近或達到飽和持水量，作物往往不能正常生長，施肥效果同樣較差。也有研究學者開展了水肥因子對產量貢獻的研究，李生秀等 [51] 在陜西澄城地區的研究發現，在低肥力田塊上肥料的增產效果更為突出，而在高肥力田塊，水分是對產量提高貢獻較大的因子，這主要是由于養分虧缺是限制低肥力農田下作物生產的首要因素，而不是水分因素；在旱區高肥力農田下，水分則是制約糧食增產的主要因子，因此采取有效措施改善土壤水分狀況對作物增產的作用更大 [52]。王殿武等 [53] 研究了不同降雨年型下作物產量與水肥之間的關系，得出平水年和豐水年型的水肥交互作用對作物增產貢獻最大，而在貧水年的作物增產的作用主要來自于肥料。眾多研究一致認為旱地施肥的促根效應機理是“以肥調水，以水促肥”，同時為我國旱作區“量水施肥，協調水肥關系”提供了理論指導。合理的施肥量受到水分條件的影響，旱地農田的水分條件主要受到降雨、覆膜、耕作方式、補灌措施的影響，因此，合理施肥水平的制定應充分考慮“以產定肥”、“因地施肥”、“因水施肥”等原則，努力實現水肥高效協同增產目標。
合理的施肥可以促進植株生長、提高作物產量和水肥利用效率，但當施肥量超過一定范圍后，作物產量會表現出下降的趨勢。張亞琦等 [54] 研究了不同施氮水平對雜交谷子的影響，得出300 kg/ha的施氮量下水肥利用效率最高，施氮肥能夠有效提高谷子的水分利用效率、光合速率、蒸騰速率和氣孔導度，生育前期施肥不足或偏多會增加谷子水分消耗量，生殖生長階段進行適當追肥延長了肥料供應，增大了耗水量，有助于谷子產量的形成。嚴昌榮等 [55] 等研究表明，在合理的施肥量范圍內，隨施肥量的增加，春谷子株高、單位面積穗數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%；但過量施肥會導致春谷子產量和水分利用效率下降。過量的施肥不僅會降低作物產量，同時也會加劇肥料資源的損失，降低其利用效率。司清林等 [56] 研究表明，施肥量在一定范圍內時，冬小麥的產量會隨著施氮量的增加而增加，當施氮量超過一定值后，再增加施氮量增產效果不明顯，并且降低氮素利用效率，損失大量氮肥資源，造成生態環境污染，史振聲和鐘雪梅 [57] 以及魏成熙 [58] 對玉米、小麥施肥與產量間關系的研究也得到了類似的結論。張福鎖等 [19] 也認為造成肥料利用率低的最主要原因是高產農田過量施肥，化肥用量必須以同時大幅度增加作物產量和提高養分效率為目標。因此，科學確定施肥量、合理控制養分利用效率是各區域作物增產的重要途徑。
1.3 種植密度對作物生長的影響
種植密度直接影響作物產量構成要素中的單位面積穗數，決定了最終作物產量的高低。對谷子而言，在稀植條件下，個體能夠得到充分發育從而形成大穗，有“稀植秀大穗”之稱，但由于群體過小，不能充分利用光能、養分和水分資源，群體產量仍然不高，畝穗數不足是影響產量的主要矛盾；進一步的增加密度，單株穗粒數、粒重會有一定的下降，但穗數得到提高，產量會有相應的增加；當密度超過某一閾值后，個體生長與資源不足的矛盾激化，導致穗重和粒數急劇下降，產量降低。因此，建立合理的群體結構是解決個體-群體矛盾，協調穗數、粒數、粒重關系，充分利用光能和水肥資源，進而獲取高產高效的根本途徑 [59]。禾谷類作物的產量構成因素之間存在一定的相互補償和調節效應，但不同的群體大小仍然會影響最終產量 [60]。隨著種植密度的增大，谷子的籽粒產量呈先升高后降低的趨勢 [61]，密度的增加會導致秕谷率增加，單株產量下降，但在一定的范圍內，谷子群體產量與穗數呈正相關，因此在保證穗數的基礎上防秕增粒才能獲得高產 [62, 63]。在不同地區進行的研究表明，在不同密度和栽培方式下，谷子粒重的變異較小，穗粒數變異較大，而單位面積的成粒數是決定產量高低的主要因素。有關高產下谷子適宜種植密度的研究結果不盡相同，有研究認為谷子通過稀植獲得大穗來可實現高產；也有研究認為合理密植發揮群體效應是谷子奪取高產的途徑 [64-66]。谷子的最適種植密度受品種特性、農田水肥狀況、栽培方式及種植區氣候條件的影響 [67-69]，合理密植需要根據實際狀況，盡可能的提高單位面積內的株數，同時要保證單株能夠充分的利用光溫和水肥等資源條件，使三大產量構成因素得以統一，保證穗粒數而增產 [70]。對于晚熟品種，由于生育期長，單株生長潛力大，需要豐富的空間及水肥資源，留苗密度應適當降低，而早熟品種生育期短，植株矮小，個體對光熱水肥資源的利用能力較差，應當適增大留苗密度；分蘗弱的品種留苗密些，分蘗強的稀些；隨著水肥條件的提高，可適當的加大留苗密度，而在干旱貧瘠的農田留苗密度應減小 [65]。在正常栽培條件下，中等旱地和水澆地以每公頃· 37.5萬株-45萬株為宜，水肥條件較好的可增加至45萬-52.5萬株，肥力較差的旱地以 22.5萬-30萬株為宜，坡地以15萬株為宜。
庫源關系是作物生理的理論基礎之一，庫大源足流暢是作物高產群體的目標，此時群體源生產效率最高 [71]。作物各部分器官生長呈一定的相關性，其中作物群體生物產量與籽粒產量往往呈極顯著正相關，高密度群體通常具有較高的生物產量，但若群體過大，會導致籽粒產量下降，收獲指數顯著降低 [72]。提高谷子生物產量的同時保證較高的收獲指數，能夠最大限度的提高單位面積的物質產出 [73]。葉源量和源的生產能力是在玉米高產栽培的重要指標 [74]。有研究表明，種植密度能顯著影響干物質量在籽粒以及莖稈，葉片，葉鞘等部位的分配比例 [75, 76]。群體庫和源的大小均隨著密度的增加而增加，不同密度群體產量形成的限制因子有所不同，增源是高密度下增產的有效途徑，而擴庫是低密度下獲得高產的關鍵，強源促庫是高產的關鍵 [77, 78]。因此，合理的留苗密度應當以構建高效的源庫流群體結構為基礎。
株行距配置即種植密度調控，是谷子高產栽培群體構建的主要影響因素[79, 80]。合理的群體結構可有效改善作物冠層內的光照、溫濕度和CO2等農田微環境 [81, 82]，提高冠層群體光合效率以及光能利用效率，進而增加作物產量 [83]。葉面積指數是作物群體結構是否合理的重要指標。高密度群體高生物產量的獲得可歸因于冠層具有更大的光截獲量，更多的光能被轉化為化學能，而過低或者過高的群體密度都會導致葉面積指數的降低，葉片的平均傾斜角增大，群體散射輻射和直射輻射透過系數增大，消光系數增加，最終降低作物對光能的截獲率 [84]。不同密度群體下各時期葉面積的變化規律不同，導致不同群體對光能的利用存在差異。高密度種植下的作物葉面積指數前期增長較快，最大葉面積指數一般出現在花期，群體光合速率在生育前期增長較快，光合產物積累多，而生育后期葉面積指數下降早，群體光合速率衰退快，植株衰老較早；低密度種植下葉面積指數在生育前期上升緩慢，光能利用率較低 [85, 86]；中密度群體葉面積指數增長快，峰值持續時間較長，冠層結構合理，生育中后期有較高的群體光合速率，為更多的光合產物分配到生殖器官提供了保證 [87]。欒素榮等 [61] 對不同密度下的谷子群體特征和產量進行了研究，認為常規谷子開花期的最佳葉面積指數為4.3-4.63。谷子種植群體結構是否合理可通過測定群體內的光照強度來評價，合理的谷田群體下部綠葉的光照強度等于谷子光補償點（1200-4500 米燭光），若大于光補償點表明種植密度過小，漏光較多，光能不能得到充分利用，若小于光補償點則說明群體密度過大，影響下部葉片的光合作用。
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（1）施肥量和種植間距對谷子產量及產量構成指標的影響
施肥量、種植間距及施肥量和種植間距的互作對谷子產量及產量構成指標的影響差異顯著。施肥量為P3與P4時產量及穗數較高，種植間距為J3和J4時產量及穗數較高。產量和穗數在處理為P3J3、P3J4、P4J3、P4J4時達較大值。千粒重在處理為P3J1、P3J2、P4J2、P4J2時達較大值。
（2）施肥量和種植間距對谷子株高和莖粗的影響
施肥量、種植間距及施肥量和種植間距的互作對谷子株高和莖粗的影響差異顯著。施肥量為P3、P4時株高顯著大于P1、P2，種植間距為J1、J2時株高較J3、J4大。施肥量和種植間距互作處理為P2J3、P3J3、P4J2、P4J3時株高較高。施肥量為P3和P4時莖粗較大，株距為J1和J2時莖粗較大。施肥量和種植間距為P2J3、P3J3、P4J2、P4J3時莖粗較大。
（3）施肥量和種植間距對谷子營養品質的影響
施肥量、種植間距及施肥量和種植間距的互作對谷子營養品質的影響差異顯著。粗蛋白含量、總淀粉含量、脂肪含量、纖維含量、蛋氨酸含量、脯氨酸含量及絲氨酸含量隨著施肥量的增加呈上升趨勢。粗蛋白含量、總淀粉含量、脂肪含量、纖維含量、蛋氨酸含量、脯氨酸含量及絲氨酸含量在施肥量為P3或P4時達較大值。在影響差異不顯著的情況下，考慮到施肥過多會影響環境質量并且增大成本，我們會選擇施肥量低的為最佳選擇，即P3和P4對谷子營養品質影響的效果最好且差異不顯著，所以我們認為P3為谷子的最佳施肥量。
粗蛋白含量、總淀粉含量、蛋氨酸含量、脯氨酸含量及絲氨酸含量隨著種植間距的增加呈下降趨勢。粗蛋白含量、總淀粉含量、蛋氨酸含量、脯氨酸含量及絲氨酸含量在種植間距為J1或J2時達較大值。
不同施肥量和種植間距的互作對粗蛋白含量、總淀粉含量、脂肪含量、纖維含量、蛋氨酸含量、脯氨酸含量及絲氨酸含量差異顯著。粗蛋白含量、總淀粉含量、脂肪含量、纖維含量、蛋氨酸含量、脯氨酸含量及絲氨酸含量在處理為P3J1、P3J2、P4J1、P4J2時達最大值。
（4）施肥量和種植間距對谷子光合特性的影響
施肥量、種植間距以及施肥量和種植間距的互作對谷子光合特性的影響差異均顯著。葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b及葉綠素a/b的含量均隨著施肥量的增加呈上升趨勢，施肥量為P3和P4時達到較大值。熒光參數F0、Fm、Fv/Fm隨施肥量的增加，基本呈增長趨勢。在影響差異不顯著的情況下，考慮到施肥過多會影響環境質量并且增大成本，我們會選擇施肥量低的為最佳選擇，即P3和P4對谷子熒光特性影響的效果最好且差異不顯著，所以我們認為P3為谷子的最佳施肥量。
葉綠素含量隨著種植間距減小，即種植密度的增加呈先上升后下降的趨勢，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b及葉綠素a/b的含量均在J2或J3時達到最大值。F0隨種植間距減小呈下降趨勢，J1時達最大值。Fm、 Fv/Fm隨種植間距減小呈上升趨勢，Fm在J3或J4時達到最大值。綜合考慮認為種植間距J3為谷子最佳種植間距。
葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a/b、葉綠素a/b在處理為P3J2 、P3J3、P4J2、P4J3時達較大值。F0在P4J1時達到最大值，其次為P4J2、P3J1、P3J2。Fm的最大值出現在P3J4，其次為P3J2、P4J4、P3J1。Fv/Fm的最大值出現在P4J3，其次為P4J4、P3J3、P3J4、P4J2。考慮到兩因素的互作，認為P3J3為谷子的最佳處理。
關鍵詞：谷子，磷肥，種植間距，生長狀況
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，又稱粟［Setaria italic (L.) Beauv］，退去稃片后為小米，屬于禾本科狗尾草屬的一年生草本植物。谷子起源于我國黃河流域，至今約有千多年的栽培歷史，現主要分布于東北、華北、西北等一些干旱半干旱生態環境較差的地區，是北方地區重要的糧食作物之一[1]。谷子在我國西北丘陵旱薄區的種植面積可達30%以上，被譽為旱作農業的“鐵桿莊稼”，是我國重要的戰略儲備作物，在保障旱區糧食安全中具有非常重要的作用 [2]。谷子具有很強的抗逆性、抗旱性，而且耐貧瘠、適應性廣；其子實的外殼堅硬，能防濕、防熱、不易霉變，可以長期保存 [3, 4]。近年來，由于生活水平的提高，人們改變了原先的膳食結構，逐步提高了小雜糧比重，因此，發展谷子生產，對增加糧食生產和改善人民生活具有十分重要的意義。
中國是世界上谷子栽培面積最大的國家，在20世紀50年代前期，我國北方各省谷子的播種面積仍然處于農作物播種面積的首要地位，從20世紀70年代開始，由于隨著水利設施的改善和玉米、小麥高產作物的發展，特別是“以糧為綱”的政策導向，谷子被冠以“低產作物”而逐漸從中高產田向旱薄地種植退縮，年種植面積從1957年的840萬公頃大幅減少到1995年的152.3萬公頃。之后我國糧食緊缺形勢有所緩解，谷子種植面積的驟降趨勢得到控制，目前年種植面積維持在81萬公頃左右，谷子逐漸淪為輔糧和配角作物。2008年谷子被列為國家現代農業產業技術體系，促進了我國谷子現代化農業科研的發展，同時日趨嚴峻的干旱形勢、農產品國際競爭的加劇以及人民膳食結構多樣化的需求，使得社會和市場對谷子的需求增加，為谷子產業的發展帶來了新的機遇 [5]。目前我國谷子多種植于比較貧瘠的干旱丘陵山區，不少農民將谷子當作低產作物，種植積極性不高，導致谷子生產管理粗放，肥料施用量遠低于小麥和玉米，產量水平低下，一定程度上限制了谷子產業的發展 [6]。因此，優化谷子栽培措施促進單產提高、變粗放管理為精細管理是推動該地區谷子產業發展的重要舉措之一。
谷子因其營養豐富，在食品中占有重要的地位。谷子去殼后為小米，具有較高的營養價值，易消化，深受人們的喜愛，在農作物中被列為小雜糧之首，有“百谷之長”之稱 [1, 7]。據中國農科院分析，谷子含蛋白質7.5-17.5%，平均11.7%，脂肪酸含量為3%-4.6%, 平均4.5%, 碳水化合物72.8%，還含有人體所必須的氨基酸和鈣、磷、鐵及胡蘿卜素、維生素等營養物質 [8]。小米中含有人體必需的氨基酸，如動物實驗證明，蛋氨酸在體內除構成蛋白質外，主要作用是供給甲基形成膽堿，繼而磷脂，協助肝內脂肪轉變；缺少則易產生脂肪肝，甚至造成肝硬化。蛋氨酸還是合成肌酸膽堿，轉化為脯氨酸的主要原料。因此，蛋氨酸有防止脂肪肝和降低膽固醇的作用，具有一定的防癌作用。小米中的脂肪酸含量高于大米和小麥，并且脂肪酸結構合理，對皮膚、微血管、中樞神經系統都具有保護作用，并可防治動脈硬化和肝硬化，是脂溶性維生素和脂溶性色素的良好溶劑，有利于人體吸收這些營養 [9]。小米中膳食纖維含量豐富，是大米的2.5倍，易消化，適宜于老人小孩食用 [10]。小米中富含的鎂、鋅、鉀、硒等微量礦質元素，使小米具有壯體，防治克山病和大骨節病的功效 [11]。
谷子還具有一定的藥用價值，有養腎氣、除胃熱、利小便、治消渴的功效 [12]。食用炒焦小米，有益丹田、補虛損、開腸胃的作用 [13]。李時珍的《本草綱目》中記載：“粟米氣味咸，微寒無毒，養腎氣，祛脾胃中熱、益氣，治胃熱消渴，利小便”。《靈柩經》中記載：“半秫米湯”一方治療消化不良等癥，其中秫米就是粘粟。另外，谷草營養價值高，耐儲存，是喂養牲畜的重要飼料 [14]。谷子是唯一的糧飼兼用的高效作物，在緩解種植業和畜牧業爭地的矛盾中有著不可替代的重要地位 [15]。谷糠還可以釀酒和做醋，是很好的工業原料。
1.2 作物施肥的研究進展
建國以來直至 20 世紀 90 年代，我國糧食產量隨化肥用量增加呈快速增長趨勢，化肥投入對糧食增產的貢獻率達46.2% [16]，增施化肥是我國糧食增產，農民增收的重要手段之一，對于緩解我國人多地少的矛盾，防止糧食緊缺危機產生具有重要作用 [17]。隨著我國耕地面積的減少和人口的劇烈增長，化肥在保障糧食生產和經濟發展中的作用日益受到重視。近年來，我國化肥用量保持持續高速增長（年增長率約3%），目前我國化肥的施用總量已超過5000萬噸，約占全球化肥總施用量的40%。按照作物總播種面積計算，我國單位面積化肥的施用量為306 kg/ ha，也遠遠超過世界平均水平120 kg/ha，因此，不論從化肥總施用量還是單位面積施用量來看，我國均已處于世界較高水平 [18]。然而，高量的化肥投入并未大幅提升我國糧食總產水平，且化肥對糧食總產的貢獻以及化肥生產效率均呈下降趨勢，由于化肥施用的不當導致的“土壤養分殘留積累”和“資源浪費和環境污染等問題已成為我國農業生產中亟待解決的重要問題 [19]。
據聯合國糧農組織（FAO）資料顯示，在發展中國家施肥可使糧食作物單產提高55-57%。雖然化肥可顯著增加作物產量，但過量的肥料投入非但不會增產，反而會增加資源環境的壓力。目前，我國氮肥的當季表觀利用效率不到30%，磷肥的利用率只有15-20%，其中不合理的施肥技術是導致肥料利用效率低下的主要原因 [20]。我國農戶受“糞大水勤、不用問人”、“肥越多產越高”等傳統觀念的影響，化肥的施用盲目增加，在經濟作物種植上尤為突出，另外“一炮轟”、“重基肥輕追肥”的思想造成肥料增產效益低，錯誤的施肥方式如施肥后大水漫灌，磷肥撒施等，極易導致肥料養分通過的地表徑流、深層淋溶損失，反硝化作用及氨揮發等途徑損失 [21, 22]。化肥生產是能源資源消耗型產業，過量的、不合理的施肥會導致大量能源資源被浪費。我國每年氮肥生產綜合能耗約為1億噸標準煤，約占全國能源消耗的5%，磷肥生產每年消耗的磷礦超過1億噸，同時消耗了全國 72%硫素，磷資源已被國土資源部列入2010 年之后緊缺的資源，國內硫和鉀資源短缺，需要依賴進口。目前，我國能源緊張和資源短缺的局勢決定了化肥施用量不可能持續增加，因此必須通過優化施肥技術，降低化肥浪費，進而減少化肥用量 [23]。此外，我國化肥的大量施用會加劇土壤中氮素和磷素養分的積累并對環境造成威脅。目前我國土壤有效磷的土壤年均增長量達0.03 mg/ kg，北方部分菜田的土壤有效磷高達171 mg/kg，遠遠超出了國際上60 mg/kg的環境臨界值。硝態氮在土壤中的大量積累會導致深層淋溶風險，最終導致水源污染和養分損失 [24]。在我國華北地區的高產田，1 m土層的土壤硝酸鹽的累積量可達每公頃數百甚至上千千克，遠遠超出了作物生長所需；黃土高原地區長期高量施肥也導致 0-90 cm土層硝態氮積累量高達 719kg/ha [25, 26]。化肥生產及施用過程會導致氮氧化物和二氧化碳的排放，是溫室氣體的主要來源之一，其中的 NO2不僅會導致臭氧空洞的擴大，造成人類生存環境惡化，還會形成顆粒物，引發呼吸和視力疾病，也能隨水沉降產生酸雨，對人體健康和生態環境具有不可估量的影響 [17]，提高肥料利用效率，減少肥料的過量施用可在一定程度上緩解肥料生產和施用帶來的負面效應。
19 世紀德國杰出化學家李比希創立養分歸還學說,認為作物生長需要從土壤帶走養分,會致使土壤中的養分減少,如果要保持地力就應當向土壤添加肥料以歸還作物從土壤中帶走的養分,否則作物產量將會下降,這奠定了化肥施用的理論基礎。我國氮、磷肥的肥效研究開始于20世紀50年代末，通過第一次和第二次全國土壤普查基本明確了我國農田土壤養分的基本情況，在1981-1983年的第三次大規模化肥肥效試驗中對氮、磷、鉀及中量元素和微量元素肥料的協同效應進行了系統研究，至20世紀末，我國建立了近4000個多種類型的土壤肥力監測區域，涵蓋了不同的土壤類型，隨后繼續開展了缺素補施、配方施肥和平衡施肥的技術推廣工作，為我國糧食增產做出了巨大貢獻。但是在第二次全國土壤普查以后，全國性的施肥技術研究及示范工作沒有得到延續，科學施肥理論與技術也沒有取得重大突破，我國目前化肥的施用存在用量大而效率低下的現狀 [27]。近年來，面對日益緊缺的資源危機以及過量施肥帶來的環境污染，我國研究學者在減量施肥策略、協調作物高產與環境保護的養分綜合管理技術、食物鏈養分管理理論等方面的開展了廣泛的研究 [27-32]，為我國節肥增產增效、環境保護和農業可持續發展做出了巨大貢獻，同時也豐富了我國化肥施用理論與技術體系。
干旱會抑制作物根系生長，降低根長及根表面積，導致對養分的吸收能力下降，同時影響植物體內的營養代謝 [33, 34]。施肥一方面能夠促進作物根系和葉面積增大，提高作物根系吸水性和提水能力 [35, 36]，另一方面能夠補償干旱條件下植物生長受抑的不良效應，改善植物的生理功能，進而提高水分利用效率 [37]。有研究表明在干旱脅迫下，施氮增加了葉片相對含水量，提高了葉片的保水能力，在一定程度上提高了其耐旱性 [38]。另有研究發現施肥能夠增加作物蒸騰耗水占農田總蒸散的比例，降低農田蒸發損失，從而提高水分利用效率 [39, 40]。土壤肥力狀況影響著作物產量和水分的轉化效率，同時土壤水分狀況會對植物養分吸收、轉化及代謝產生影響，最終影響施肥的增產效應，肥與水兩者互為促進，相互制約。水肥互作對植物的作用效應可以分為三種，即協同效應、疊加效應和拮抗效應，通常把水肥之間的正交互作用或者協同效應叫做水肥耦合效應，旱地農田水肥調控的主要目的是要盡量發揮水肥之間的協同效應，減少水肥之間的拮抗效應 [41, 42]。施肥對作物根系影響的研究表明，在水分虧缺的條件下，氮磷肥配施可增加作物根系的數量和扎根深度，增加了根系密度和生長量，合理的施肥還能提高根系活力 [43, 44]。梁銀麗和康紹忠 [45] 研究表明，在貧瘠的黃土區坡耕地上，施肥能夠促進谷子根系生長，表現為根系加粗、根數和根量增加，擴大了對土壤深層水分的利用。Guo et al. [46] 研究發現在黃土高原農業區的欠水、平水和豐水年型下，小麥的最佳施肥量有所差異，分別為45、135和180 kg/ha。Russell [47] 分析了施肥效果與降雨量的關系，指出當降雨量小于120 mm 時，施氮沒有效果。戴慶林和楊文耀 [48] 發現當冬小麥生育期降雨量少于109 mm時，氮、磷的肥效為負值。穆興民 [49] 建立了我國北方旱地作物產量與土壤水肥耦合響應的二次拋物面方程，分析指出旱地作物產量對土壤水分及施肥量的響應具有動態變化特征，在水分脅迫條件下，施肥的增產效應較低，而在水分充足的條件下，施肥的增產效應突出。余存祖等 [50] 依據土壤含水量將谷子施肥效應劃分為三個區間，一是水分虧缺、約束肥效區（<14%），當土壤含水量低于凋萎濕度（6%），作物不能正常生長，施肥無效，當土壤含水量超過凋萎濕度（6%-14%），施肥具有一定的增產效果；二是水分適宜、肥效顯著區（14-20%），在該區內施肥對作物產量的提高有顯著的促進作用；三是水分過多、制約肥效區，該區土壤水分接近或達到飽和持水量，作物往往不能正常生長，施肥效果同樣較差。也有研究學者開展了水肥因子對產量貢獻的研究，李生秀等 [51] 在陜西澄城地區的研究發現，在低肥力田塊上肥料的增產效果更為突出，而在高肥力田塊，水分是對產量提高貢獻較大的因子，這主要是由于養分虧缺是限制低肥力農田下作物生產的首要因素，而不是水分因素；在旱區高肥力農田下，水分則是制約糧食增產的主要因子，因此采取有效措施改善土壤水分狀況對作物增產的作用更大 [52]。王殿武等 [53] 研究了不同降雨年型下作物產量與水肥之間的關系，得出平水年和豐水年型的水肥交互作用對作物增產貢獻最大，而在貧水年的作物增產的作用主要來自于肥料。眾多研究一致認為旱地施肥的促根效應機理是“以肥調水，以水促肥”，同時為我國旱作區“量水施肥，協調水肥關系”提供了理論指導。合理的施肥量受到水分條件的影響，旱地農田的水分條件主要受到降雨、覆膜、耕作方式、補灌措施的影響，因此，合理施肥水平的制定應充分考慮“以產定肥”、“因地施肥”、“因水施肥”等原則，努力實現水肥高效協同增產目標。
合理的施肥可以促進植株生長、提高作物產量和水肥利用效率，但當施肥量超過一定范圍后，作物產量會表現出下降的趨勢。張亞琦等 [54] 研究了不同施氮水平對雜交谷子的影響，得出300 kg/ha的施氮量下水肥利用效率最高，施氮肥能夠有效提高谷子的水分利用效率、光合速率、蒸騰速率和氣孔導度，生育前期施肥不足或偏多會增加谷子水分消耗量，生殖生長階段進行適當追肥延長了肥料供應，增大了耗水量，有助于谷子產量的形成。嚴昌榮等 [55] 等研究表明，在合理的施肥量范圍內，隨施肥量的增加，春谷子株高、單位面積穗數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%；但過量施肥會導致春谷子產量和水分利用效率下降。過量的施肥不僅會降低作物產量，同時也會加劇肥料資源的損失，降低其利用效率。司清林等 [56] 研究表明，施肥量在一定范圍內時，冬小麥的產量會隨著施氮量的增加而增加，當施氮量超過一定值后，再增加施氮量增產效果不明顯，并且降低氮素利用效率，損失大量氮肥資源，造成生態環境污染，史振聲和鐘雪梅 [57] 以及魏成熙 [58] 對玉米、小麥施肥與產量間關系的研究也得到了類似的結論。張福鎖等 [19] 也認為造成肥料利用率低的最主要原因是高產農田過量施肥，化肥用量必須以同時大幅度增加作物產量和提高養分效率為目標。因此，科學確定施肥量、合理控制養分利用效率是各區域作物增產的重要途徑。
1.3 種植密度對作物生長的影響
種植密度直接影響作物產量構成要素中的單位面積穗數，決定了最終作物產量的高低。對谷子而言，在稀植條件下，個體能夠得到充分發育從而形成大穗，有“稀植秀大穗”之稱，但由于群體過小，不能充分利用光能、養分和水分資源，群體產量仍然不高，畝穗數不足是影響產量的主要矛盾；進一步的增加密度，單株穗粒數、粒重會有一定的下降，但穗數得到提高，產量會有相應的增加；當密度超過某一閾值后，個體生長與資源不足的矛盾激化，導致穗重和粒數急劇下降，產量降低。因此，建立合理的群體結構是解決個體-群體矛盾，協調穗數、粒數、粒重關系，充分利用光能和水肥資源，進而獲取高產高效的根本途徑 [59]。禾谷類作物的產量構成因素之間存在一定的相互補償和調節效應，但不同的群體大小仍然會影響最終產量 [60]。隨著種植密度的增大，谷子的籽粒產量呈先升高后降低的趨勢 [61]，密度的增加會導致秕谷率增加，單株產量下降，但在一定的范圍內，谷子群體產量與穗數呈正相關，因此在保證穗數的基礎上防秕增粒才能獲得高產 [62, 63]。在不同地區進行的研究表明，在不同密度和栽培方式下，谷子粒重的變異較小，穗粒數變異較大，而單位面積的成粒數是決定產量高低的主要因素。有關高產下谷子適宜種植密度的研究結果不盡相同，有研究認為谷子通過稀植獲得大穗來可實現高產；也有研究認為合理密植發揮群體效應是谷子奪取高產的途徑 [64-66]。谷子的最適種植密度受品種特性、農田水肥狀況、栽培方式及種植區氣候條件的影響 [67-69]，合理密植需要根據實際狀況，盡可能的提高單位面積內的株數，同時要保證單株能夠充分的利用光溫和水肥等資源條件，使三大產量構成因素得以統一，保證穗粒數而增產 [70]。對于晚熟品種，由于生育期長，單株生長潛力大，需要豐富的空間及水肥資源，留苗密度應適當降低，而早熟品種生育期短，植株矮小，個體對光熱水肥資源的利用能力較差，應當適增大留苗密度；分蘗弱的品種留苗密些，分蘗強的稀些；隨著水肥條件的提高，可適當的加大留苗密度，而在干旱貧瘠的農田留苗密度應減小 [65]。在正常栽培條件下，中等旱地和水澆地以每公頃· 37.5萬株-45萬株為宜，水肥條件較好的可增加至45萬-52.5萬株，肥力較差的旱地以 22.5萬-30萬株為宜，坡地以15萬株為宜。
庫源關系是作物生理的理論基礎之一，庫大源足流暢是作物高產群體的目標，此時群體源生產效率最高 [71]。作物各部分器官生長呈一定的相關性，其中作物群體生物產量與籽粒產量往往呈極顯著正相關，高密度群體通常具有較高的生物產量，但若群體過大，會導致籽粒產量下降，收獲指數顯著降低 [72]。提高谷子生物產量的同時保證較高的收獲指數，能夠最大限度的提高單位面積的物質產出 [73]。葉源量和源的生產能力是在玉米高產栽培的重要指標 [74]。有研究表明，種植密度能顯著影響干物質量在籽粒以及莖稈，葉片，葉鞘等部位的分配比例 [75, 76]。群體庫和源的大小均隨著密度的增加而增加，不同密度群體產量形成的限制因子有所不同，增源是高密度下增產的有效途徑，而擴庫是低密度下獲得高產的關鍵，強源促庫是高產的關鍵 [77, 78]。因此，合理的留苗密度應當以構建高效的源庫流群體結構為基礎。
株行距配置即種植密度調控，是谷子高產栽培群體構建的主要影響因素[79, 80]。合理的群體結構可有效改善作物冠層內的光照、溫濕度和CO2等農田微環境 [81, 82]，提高冠層群體光合效率以及光能利用效率，進而增加作物產量 [83]。葉面積指數是作物群體結構是否合理的重要指標。高密度群體高生物產量的獲得可歸因于冠層具有更大的光截獲量，更多的光能被轉化為化學能，而過低或者過高的群體密度都會導致葉面積指數的降低，葉片的平均傾斜角增大，群體散射輻射和直射輻射透過系數增大，消光系數增加，最終降低作物對光能的截獲率 [84]。不同密度群體下各時期葉面積的變化規律不同，導致不同群體對光能的利用存在差異。高密度種植下的作物葉面積指數前期增長較快，最大葉面積指數一般出現在花期，群體光合速率在生育前期增長較快，光合產物積累多，而生育后期葉面積指數下降早，群體光合速率衰退快，植株衰老較早；低密度種植下葉面積指數在生育前期上升緩慢，光能利用率較低 [85, 86]；中密度群體葉面積指數增長快，峰值持續時間較長，冠層結構合理，生育中后期有較高的群體光合速率，為更多的光合產物分配到生殖器官提供了保證 [87]。欒素榮等 [61] 對不同密度下的谷子群體特征和產量進行了研究，認為常規谷子開花期的最佳葉面積指數為4.3-4.63。谷子種植群體結構是否合理可通過測定群體內的光照強度來評價，合理的谷田群體下部綠葉的光照強度等于谷子光補償點（1200-4500 米燭光），若大于光補償點表明種植密度過小，漏光較多，光能不能得到充分利用，若小于光補償點則說明群體密度過大，影響下部葉片的光合作用。
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