糜子生育期短、耐旱、耐瘠薄,是晋北地区传统优势粮食作物,尤其在播种期干旱少雨、土壤墒情差的情况下,糜子更是晋北地区首选的备荒作物。同时,糜子营养丰富,在平衡膳食和促进人体健康方面具有独特的作用。钾是作物三大营养元素之一,被称为“品质元素”,大量研究[1,2,3]表明,钾元素对植物生长发育至关重要。它以多种方式参与植物体内的各种代谢过程,可增强作物抗逆能力[4],促进作物增产[5]。在提高作物抗倒伏方面,钾有着不可替代的作用[6]。杨波[7]研究表明,适量钾肥对免耕抛秧水稻抗根倒伏能力的调控表现为提高单茎根量和根体积,促进根系在半径为一横向土层内的分布,提高稻株固持力,降低单茎穗重和叶重,减轻致倒伏的内力和植株加在基部节间的弯曲力矩,促进茎秆横向生长,增加茎秆充实度,增强茎秆抗折断能力,改善免耕抛秧茎秆质量,进而增强植株抗根倒伏能力。范永义[8]研究显示,合理的硅、钾肥配比能显著增加易倒伏水稻品种B优827的茎秆壁厚和直径,缩短基部节间长度,增加节间化学组成,提高抗折力,改善基部节间维管束特性,最终增强植株抗倒伏能力,提高水稻产量。吴海兵等[9]研究表明,钾可以促进水稻株高、鲜重、节间粗、茎壁厚、单位节间干重和节间抗折力的提高,从而提高抗倒伏性能。糜子植株易倒伏,尤其是在生长发育中后期如遇大风暴雨,会严重影响产量与品质,因此,本试验研究了不同钾肥量追施处理对糜子植株茎秆形态、力学、生理特性及抗倒伏能力的影响,为糜子优质、抗倒和高产栽培提供一定依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验于山西省农业科学院高寒区作物研究所试验基地（39°53′44.71″ N,113°10′33.99″ E）进行,基地位于朔州市怀仁县毛家皂镇,海拔1018m,年均日照2450.1h,1-10月平均气温9.57℃,年均降水量321.5mm,春季干旱,降水偏少,雨量主要集中在7-9月。土壤为沙壤土。有机质10.7g/kg,水解性氮37.7mg/kg,有机磷8.79mg/kg,速效钾76mg/kg。
1.2 试验材料与方法
试验于2017-2018年进行,以国审糜子品种（糯性）晋黍9号为材料,在拔节期追施K肥。2017年设置6个施K（K2O）水平,分别为0（CK）、30、60、90、120和150kg/hm2;2018年设置4个K水平,分别为0（CK）、45、90和135kg/hm2,3次重复,小区面积为10m2。
在糜子成熟前10d,每个小区随机取样5穴,每穴取代表性单茎4条,共20条单茎,测量其主茎的株高、重心高、穗颈长、基部1~4节节间长和节间鲜重、各节间外径、节间抗折力以及根重。并计算茎秆的机械强度、倒伏指数和倒伏系数。小区收获后测产。2018年在20条单茎中取10条单茎测性状指标,另外10条用来测茎秆木质素和纤维素等化学成分含量。
1.3 测定项目及方法
株高=植株茎基部到穗顶端的距离;重心高=将茎秆（减去根部）放在一支点上,左右移动,使茎秆保持水平,支点到茎秆节间末端的长度;基茎粗=用游标卡尺分别测量茎基部1~5节的节间直径;分别测量植株基部1~5节节间长及鲜重（带鞘）,并计算节间充实度（节间鲜重/节间长）。用YYD-1茎秆强度测量仪（浙江托普仪器有限公司生产）测定节间抗折力。固定基部节使2个支点间距离为5cm,将节间水平放置在2个支点上,在节间中点施力节间折断时力的大小即为该节间的折断力。若节间长小于5cm则不测。测量植株单茎的鲜重、根重、穗长和穗重。
机械强度=节间抗折力×节间长/2;倒伏指数=重心高×地上部鲜重/机械强度;倒伏系数=株高×地上部鲜重/机械强度/根重。
2 结果与分析
2.1 不同施K量处理对糜子植株茎秆形态特征的影响
由表1可得,随着追施K量的增加,糜子株高呈增长趋势,重心高随之上移。在合适的K肥处理下,穗重和地上部鲜重等都有不同程度的增加,根重也有所增加,施K肥90kg/hm2时,穗重、地上部鲜重、基茎粗及根重较大,说明施用适量K肥可促进糜子植株地上部及根的生长,增加植株的生物量。
表1 不同K肥用量对糜子植株茎秆形态特征的影响
Table 1
| 年份 Year | K肥 K fertilizer (K2O kg/hm2) | 株高 Plant height (cm) | 穗长 Spike length (cm) | 穗重 Spike weight (g) | 重心高 Center of gravity height (cm) | 穗颈长 Neck length of spike (cm) | 基茎粗 Basinal stem diameter (cm) | 地上部鲜重 Aboveground fresh weight (g) | 根重 Root weight (g) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2017 | 0 | 157.0 | 36.3 | 24.8 | 79.7 | 24.7 | 0.78 | 64.8 | 3.07 |
| 30 | 161.3 | 34.3 | 18.5 | 81.2 | 19.7 | 0.69 | 56.9 | 3.93 | |
| 60 | 165.5 | 35.6 | 23.0 | 81.0 | 22.3 | 0.84 | 63.6 | 4.67 | |
| 90 | 166.3 | 34.5 | 26.3 | 88.0 | 19.5 | 0.90 | 77.7 | 5.27 | |
| 120 | 162.3 | 34.7 | 21.8 | 82.3 | 21.3 | 0.83 | 62.1 | 4.00 | |
| 150 | 166.0 | 35.7 | 17.7 | 84.0 | 20.5 | 0.82 | 58.2 | 3.57 | |
| 2018 | 0 | 127.3 | 37.3 | 22.2 | 83.0 | 21.6 | 0.81 | 67.2 | 3.56 |
| 45 | 136.3 | 38.0 | 20.2 | 85.4 | 18.3 | 0.78 | 60.5 | 3.76 | |
| 90 | 139.6 | 37.2 | 24.4 | 87.8 | 22.4 | 0.88 | 75.5 | 3.92 | |
| 135 | 142.3 | 38.2 | 22.4 | 90.9 | 22.6 | 0.89 | 82.0 | 3.85 |
2.2 不同施K量处理对糜子植株茎秆节间特性的影响
由表2可看出,2017和2018年结果基本一致,随着施K量的增多,植株基部1~4节节间充实度整体呈先增加后降低的趋势。基部1~4节平均节间充实度在施K肥90kg/hm2时最大,2017年较CK高0.11g/cm,2018年较CK高0.04g/cm,之后增施K肥节间充实度不再增加。
表2 不同K肥用量对糜子茎秆节间特性的影响
Table 2
| 年份 Year | K肥 K fertilizer (K2O kg/hm2) | 节间长Intersection length (cm) | 节间鲜重Fresh intersection weight (g) | 充实度Straw fullness (g/cm) | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 基1节 Section 1 | 基2节 Section 2 | 基3节 Section 3 | 基4节 Section 4 | 基1节 Section 1 | 基2节 Section 2 | 基3节 Section 3 | 基4节 Section 4 | 基1节 Section 1 | 基2节 Section 2 | 基3节 Section 3 | 基4节 Section 4 | 均值 Average | ||||
| 2017 | 0 | 15.17 | 15.00 | 16.00 | 14.83 | 5.53 | 4.57 | 4.63 | 4.27 | 0.36 | 0.30 | 0.29 | 0.29 | 0.31 | ||
| 30 | 9.50 | 18.33 | 20.67 | 17.33 | 3.33 | 5.32 | 5.07 | 5.00 | 0.35 | 0.29 | 0.25 | 0.29 | 0.30 | |||
| 60 | 8.50 | 16.33 | 13.83 | 16.83 | 3.23 | 5.47 | 4.43 | 5.33 | 0.38 | 0.33 | 0.32 | 0.32 | 0.34 | |||
| 90 | 7.17 | 14.83 | 16.50 | 15.00 | 3.40 | 6.17 | 6.20 | 5.93 | 0.47 | 0.42 | 0.38 | 0.40 | 0.42 | |||
| 120 | 4.67 | 14.50 | 17.33 | 16.00 | 1.82 | 4.54 | 5.70 | 5.40 | 0.39 | 0.31 | 0.33 | 0.34 | 0.34 | |||
| 150 | 5.33 | 17.00 | 17.00 | 18.00 | 1.97 | 5.73 | 5.37 | 5.83 | 0.37 | 0.34 | 0.32 | 0.32 | 0.34 | |||
| 2018 | 0 | 8.23 | 15.22 | 16.95 | 16.15 | 2.83 | 4.94 | 6.76 | 5.03 | 0.34 | 0.32 | 0.40 | 0.31 | 0.34 | ||
| 45 | 6.03 | 15.97 | 19.08 | 18.18 | 2.06 | 4.91 | 5.68 | 5.16 | 0.34 | 0.31 | 0.30 | 0.28 | 0.31 | |||
| 90 | 10.97 | 13.65 | 19.48 | 16.92 | 3.34 | 5.59 | 9.03 | 5.52 | 0.30 | 0.41 | 0.46 | 0.33 | 0.38 | |||
| 135 | 13.11 | 16.87 | 24.80 | 18.63 | 3.90 | 6.82 | 7.97 | 7.61 | 0.30 | 0.40 | 0.32 | 0.41 | 0.36 | |||
2.3 不同施K量处理对糜子植株茎秆力学特性的影响
由表3可知,随着施K量的增加,基部1~4节节间的抗折力有所增加,在K肥为90kg/hm2时抗折力最大,基部1~4节节间的平均抗折力2017年较CK增加8.5N,2018年较CK增加8.1N,之后增加施K量,抗折力不再增加。随着施K量的增加,基部1~4节节间的机械强度有所增加,但没有明显的饱和效应。倒伏指数和倒伏系数是评价糜子植株抗倒性的2个指标,其中倒伏系数考虑了根对倒伏的作用。随着施K量的增多,基部节间的倒伏指数和倒伏系数均减小。图1显示,基部2~4节平均倒伏系数2017和2018年有相同的变化规律,都是随着追施K量的增加,倒伏系数减小,K肥为90kg/hm2时倒伏系数最小,分别为8.93和9.63,分别比CK小6.90和0.94,之后再增施K肥倒伏系数不再减小。以上结果说明,施用K肥可通过加强糜子植株基部节间的机械强度、抗折力以及根部的生长从而增强植株的抗倒能力。
表3 不同K肥处理对糜子植株茎秆力学特性的影响
Table 3
| 年份 Year | K肥 K fertilizer (K2O kg/hm2) | 抗折力 Breaking resistance (N) | 机械强度 Mechanical strength (N·cm) | 倒伏指数 Lodging index | 倒伏系数 Lodging coefficient | |||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 基1节 Section 1 | 基2节 Section 2 | 基3节 Section 3 | 基4节 Section 4 | 基1节 Section 1 | 基2节 Section 2 | 基3节 Section 3 | 基4节 Section 4 | 基1节 Section 1 | 基2节 Section 2 | 基3节 Section 3 | 基4节 Section 4 | 基1节 Section 1 | 基2节 Section 2 | 基3节 Section 3 | 基4节 Section 4 | |||||
| 2017 | 0 | 44.7 | 34.4 | 28.1 | 22.6 | 338.7 | 258.3 | 224.5 | 167.6 | 15.2 | 20.0 | 23.0 | 30.8 | 9.8 | 12.9 | 14.8 | 19.8 | |||
| 30 | 50.0 | 32.8 | 28.4 | 23.6 | 237.3 | 300.7 | 293.1 | 204.2 | 19.5 | 15.4 | 15.8 | 22.6 | 9.8 | 7.8 | 8.0 | 11.4 | ||||
| 60 | 54.2 | 38.2 | 32.4 | 25.7 | 230.4 | 312.0 | 224.3 | 216.6 | 22.4 | 16.6 | 23.0 | 23.9 | 9.8 | 7.2 | 10.0 | 10.4 | ||||
| 90 | 55.0 | 38.4 | 39.9 | 30.6 | 197.1 | 284.8 | 328.9 | 229.8 | 34.7 | 24.0 | 20.8 | 29.8 | 12.5 | 8.6 | 7.5 | 10.7 | ||||
| 120 | 40.3 | 35.6 | 31.7 | 22.6 | 93.9 | 258.1 | 274.4 | 180.5 | 54.4 | 19.8 | 18.6 | 28.3 | 26.8 | 9.8 | 9.2 | 14.0 | ||||
| 150 | 50.9 | 35.2 | 32.2 | 26.1 | 135.8 | 299.5 | 273.7 | 234.9 | 36.1 | 16.4 | 17.9 | 20.9 | 19.9 | 9.0 | 9.9 | 11.5 | ||||
| 2018 | 0 | 41.4 | 30.9 | 27.2 | 26.8 | 170.5 | 235.0 | 230.2 | 216.1 | 32.7 | 23.8 | 24.2 | 25.8 | 14.1 | 10.2 | 10.4 | 11.1 | |||
| 45 | 40.8 | 28.0 | 22.4 | 22.0 | 122.9 | 223.8 | 213.5 | 199.9 | 42.0 | 23.1 | 24.2 | 25.8 | 17.6 | 9.7 | 10.1 | 10.8 | ||||
| 90 | 53.1 | 46.4 | 32.2 | 27.0 | 291.2 | 316.5 | 313.9 | 228.2 | 22.8 | 20.9 | 21.1 | 29.0 | 9.2 | 8.5 | 8.6 | 11.8 | ||||
| 135 | 48.4 | 40.4 | 27.0 | 25.2 | 316.9 | 340.8 | 334.3 | 235.0 | 25.5 | 23.7 | 24.1 | 34.3 | 10.3 | 9.6 | 9.8 | 14.0 | ||||
图1
图1
2017-2018年不同施K量下植株茎基2~4节平均倒伏系数
Fig.1
Average lodging coefficients of plant stalk base in section 2-4 under different K dosage in 2017-2018
2.4 不同施K量处理对糜子植株茎秆生理特性的影响
图2可知,施用不同量的K肥后,植株基2节的木质素含量在施K肥处理间差异不显著,但均显著高于CK,木质素含量较不施K肥分别提高4.17%、3.91%和4.26%,说明施用K肥可增加糜子植株基2节的木质素含量,从而增强植株的抗倒性。
图2
图2
不同K肥处理植株基2节的木质素含量
不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。下同
Fig.2
Lignin contents of different K fertilizer treatments in section 2
Different lowercase letters indicate significant differences (P < 0.05). The same below
由图3可得,随着K肥施用量的增加,糜子植株茎秆基2节的纤维素含量增多,之后又有所降低。追施K肥90kg/hm2时,植株茎基2节的纤维素含量最高,为39.01%。
图3
图3
不同K肥处理植株基2节的纤维素含量
Fig.3
Cellulose contents in section 2 under different K fertilizer treatments
2.5 不同施K量处理对糜子植株产量的影响
从图4中可看出,施用K肥后,2018年糜子植株产量极显著高于对照,2017年产量与对照差异不显著。其中追施K肥90kg/hm2处理的植株产量最高,2017和2018年产量分别为2517.9kg/hm2和3251.6kg/hm2,分别比当年对照增产16.2%和35.1%。
图4
图4
不同K肥处理对糜子产量的影响（2017-2018年）
不同大写字母表示差异显著（P<0.01）
Fig.4
Effects of different K fertilizer treatments on broom corn millet plants yield (2017-2018)
Difference capital letters indicate significant differences (P < 0.01)
3 讨论
本试验在项目组前期研究[10]基础上,以倒伏系数作为植株倒伏评价指标,也得出了类似的研究结果,即合理追施钾肥可增加糜子植株的生物量,增加植株的茎粗和根重,同时增加植株基部节间的充实度、抗折力和机械强度等力学指标,降低倒伏指数与倒伏系数,提高植株的抗倒伏能力,增加糜子植株产量。
木质素分布于植物木质化的机械组织和输导组织的细胞壁中,具有增加细胞壁强度、提高细胞壁不透水性和茎机械强度的作用,范永义[8]研究认为,禾谷类作物茎秆中木质素含量较低是其倒伏的主要原因。因此,提高单位体积内木质素含量可增强茎秆的强度,有利于提高茎秆的抗倒伏能力。本试验研究结果得出,追施钾45、90和135kg/hm2时,茎秆木质素含量差异不显著,但都显著高于CK,较CK分别提高4.17%、3.91%和4.26%。
纤维素是细胞壁骨架的主要物质,其基本单元是微纤丝,水稻中非木质化细胞壁的机械支撑力量主要来自微纤丝;微纤丝既能保持细胞的形状,同时还可增进植株的机械强度[8],因此,单位体积纤维素含量的高低直接关系到机械组织是否发达。本试验追施K肥90kg/hm2时,植株茎基2节的纤维素含量最高,为39.01%。
4 结论
合理追施K肥,不仅可以增加植株的生物量,改善植株茎秆形态,增加植株的茎粗和根重,还可以增加植株基部节间的充实度、抗折力和机械强度等力学指标,降低倒伏指数与倒伏系数,同时可改变糜子植株茎秆的生理特性,增加基2节的木质素和纤维素含量,改善其基部节间维管束特性,增强植株抗倒伏能力,提高糜子产量。综合考虑糜子植株的抗倒伏能力和经济效益,追施K肥90kg/hm2效果较好。
