这是一项关于优化谷子（foxtail millet）行距配置以提高抗倒伏能力、产量和水分生产力的原创性研究。该研究由中国科学院遗传与发育生物学研究所农业水资源重点实验室的马玉诏和董宝娣等人完成，合作单位包括河北省农林科学院谷子研究所。论文于2024年6月4日在线发表于《european journal of agronomy》第158卷，文章编号为127230。研究地点位于中国华北平原的栾城农业生态系统试验站，试验于2020年和2021年两个生长季进行。

华北平原是中国重要的粮食产区，但地下水超采问题严重，亟需推广高水分生产力（water productivity, WP）的作物。谷子因其突出的耐旱性和高WP而成为该区域种植结构调整的重要作物。然而，谷子茎秆较高且柔软，在高密度种植条件下容易发生倒伏（lodging），尤其在灌浆期穗重逐渐增加以及后期降雨概率较高的环境下，倒伏会导致19.3%至51.1%的产量损失，严重制约了谷子的高产稳产。倒伏是指茎秆在内外力共同作用下从直立状态发生不可逆位移的现象。谷子倒伏主要发生在基部茎节，尤其是第二基部茎节。茎秆的形态特征和力学强度是影响倒伏的关键因素，其中株高和节间长度与抗倒伏性呈负相关，而重心高度、节间直径、节间充实度、折断抗性和拉伸抗性则与抗倒伏性呈正相关。已有研究表明，通过优化冠层空间配置可以改善群体光环境，促进茎秆健壮发育和干物质积累，从而降低倒伏风险并提高产量。然而，中国谷子生产中长期习惯采用等行距种植，关于不同行距配置对谷子茎秆特性和抗倒伏性的系统研究仍然有限。因此，本研究提出假设：优化行距配置能够改善谷子冠层光分布，增强茎秆抗倒伏能力，进而提高籽粒产量和水分生产力。研究的核心目标包括：分析行距对植株形态特征、力学特性、抗倒伏性及冠层光分布的影响；量化不同行距配置下产量和WP的差异；评估导致倒伏及影响产量和WP的关键决定因素，并为华北平原谷子种植提出适宜的行距推荐。

试验选用谷子品种“张杂16号”，设置四种行距配置处理：T0（40 + 40 cm）、T1（30 + 50 cm）、T2（20 + 60 cm）和T3（10 + 70 cm），每个处理重复三次，小区面积为60 m²。种植密度统一为每公顷65万株。除行距变化外，所有小区的田间管理措施保持一致。播种前施用磷酸二铵450 kg hm⁻²、尿素300 kg hm⁻²和氯化钾150 kg hm⁻²作为基肥。2020年7月1日播种，10月11日收获；2021年7月3日播种，10月13日收获。全生育期不追肥、不灌溉，仅依靠自然降雨。

研究测定了多项指标。在茎秆形态特征方面，于灌浆期测量株高、重心高度、节间长度和节间直径，2021年还测定了节间鲜重和干重。所有节间指标均针对第二至第六基部节间（I2–I6）进行。根据鲜重和干重计算了鲜节间充实度（fresh internode plumpness, FIP）和干节间充实度（dry internode plumpness, DIP）。在力学特性方面，2020年和2021年均测定了折断抗性，2021年还测定了拉伸抗性。倒伏指数（lodging index, LI）根据重心高度、茎鲜重和折断抗性计算。成熟期统计倒伏率，倒伏植株定义为茎秆折断或倾斜角度≥30°。2021年开花期使用冠层分析仪（LP80）测定距地面0、30、60和90 cm高度的光合有效辐射，计算光透过率和光截获率，并按宽行和窄行分别分析。成熟期收获后测定有效穗数、单穗重、穗粒重、地上部生物量和籽粒产量。通过播前和收获时测定0–190 cm土层的土壤含水量计算土壤贮水量变化，进而计算全生育期蒸散量（evapotranspiration, ET），并计算产量水平水分生产力（WPy）和生物量水平水分生产力（WPbm）。数据分析采用单因素方差分析和Duncan新复极差检验，使用Pearson相关分析、线性回归和逐步回归分析关键茎秆特性对倒伏的影响，并利用偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）阐明行距配置影响倒伏、产量和WP的机制。

研究结果显示，行距配置对茎秆形态特征有显著影响。T1处理的重心高度在两年中均显著低于其他处理。2021年T1的I2–I6平均节间直径比T0增加了10.23%。在2021年，T1的I2–I6节间鲜重、干重、鲜充实度和干充实度均显著高于其他处理，与T0相比分别增加了21.76%、16.23%、18.09%和12.59%。在力学特性方面，T1在两年中始终表现出最高的I2–I6折断抗性，比T0高22.89%–38.70%。2021年T1的拉伸抗性比T0高8.75%，而T2和T3分别比T0降低了27.78%和27.34%。相应地，T1的I2–I6倒伏指数最低，两年中平均倒伏指数分别比T0降低15.34%和15.98%。T1的倒伏率比T0显著降低了67.34%–91.92%，而T2和T3的倒伏率则分别增加了66.76%–67.69%和71.16%–82.27%。

冠层光分布分析表明，T1处理在宽行30–90 cm冠层高度的光截获率比T0提高了97.89%，而T2和T3则分别下降了14.24%和58.44%。相关分析显示，宽行30–60 cm和60–90 cm冠层光截获率与倒伏指数和倒伏率呈显著负相关，与节间直径、鲜重、干重、充实度和折断抗性呈显著正相关。回归分析进一步表明，重心高度、节间长度和折断抗性是影响第二基部节间倒伏指数的主要因素，而节间直径、拉伸抗性和折断抗性是影响倒伏率的关键因素。产量和WPy与倒伏率呈显著负相关（r²分别为0.560和0.380）。PLS-SEM模型显示，行距优化后宽行30–90 cm光截获率的提高正向影响了第二基部节间的形态指标（直径和干充实度），进而正向影响力学指标（折断抗性和拉伸抗性），最终降低倒伏率并提高产量和WPy。模型适配指标良好（SRMR = 0.040，NFI = 0.808），表明路径关系可靠。

在产量和水分利用方面，T1的籽粒产量比T0提高了4.10%–8.03%，而T2和T3的产量分别降低了5.07%–16.10%和2.96%–16.79%。T1的蒸散量在2020年和2021年分别比T0降低了10.32%和15.19%，其WPy分别提高了20.79%和22.46%，WPbm分别提高了16.67%和19.07%。

综合来看，本研究证明30 + 50 cm行距配置通过改善冠层中层的光分布，促进了基部节间直径和充实度的增加，进而增强了茎秆的折断抗性和拉伸抗性，有效降低了倒伏风险，最终实现了产量和水分生产力的同步提升。该行距配置被确定为华北平原谷子种植的最优方案。研究的关键指标包括重心高度、节间长度、节间直径、折断抗性和拉伸抗性，这些指标可作为谷子抗倒伏性评价和品种选育的重要参考。本研究的创新之处在于系统评估了多个基部节间的形态和力学特性，而非仅关注单一节间，这为全面评价整株茎秆的抗倒伏能力提供了更可靠的方法。此外，研究首次将冠层光截获率与茎秆特性和倒伏率纳入结构方程模型进行综合分析，揭示了行距配置通过光环境调控茎秆发育进而影响倒伏和产量的机制路径。这一发现为华北平原谷子抗倒伏品种选育和高效栽培管理提供了理论依据，也为其他禾谷类作物的行距优化研究提供了方法学参考。研究还指出，未来可进一步引入“安全系数”法和非破坏性预测技术，以更全面地区分茎倒伏和根倒伏的敏感性及其机制差异。