谷子(Setaria italica (L.) Beau)属禾本科(Grainier)狗尾草属(Setaria Beauv.),是群众非常喜爱的小杂粮作物之一,不仅营养丰富,而且具有一定药用价值,但由于受生产水平的限制及大宗作物小麦、玉米等影响,近年来种植面积逐年下降。20世纪90年代以来,杂交谷子系列品种的育成显著提高了产量水平。优质高产的杂交谷子是我国乃至世界粮食安全的有力保障,而良种需良法配套,即最佳栽培技术,是发挥杂交谷优质高产潜力的重要保证。本试验采用5因素二次通用旋转组合设计,探讨氮、磷、钾、行距和株距对张杂谷5号生长发育特性、碳氮代谢相关指标,光合特性及其产量构成因素的影响。明确张杂谷5号在山西晋中地区栽培密度和肥料供应最佳组合,旨在探索该品种高产栽培条件,为促进生长发育、提高叶片光合、增加光合产物积累、充分发挥杂交谷产量潜力和大面积推广提供理论依据。主要研究结果如下：(1)采用灰色关联度分析研究张杂谷5号8个农艺性状对产量的相对重要性,8个农艺性状与产量的关联系数的顺序为叶面积系数>穗长>分蘖数>穗码数>穗粗>株高>茎粗>节长。氮肥对张杂谷5号株高、分蘖数、节长、叶面积指数和穗长均有显著影响,在设计范围内,随着施氮量的增加,株高、节长呈上升趋势,分蘖数、叶面积指数和穗长均呈先升后降趋势。随着施磷量的增加,分蘖数和茎粗均呈先升后降趋势。钾对谷子株高、茎粗、节长有显著影响,随着施钾量的增加,株高和节长呈上升趋势,茎粗先升后缓慢下降。在设计范围内,随着行距的变窄,株高、分蘖数、穗粗、穗长、穗码数逐步增加到一定程度后呈下降趋势；随着株距的缩小,分蘖数、茎粗、穗长也均呈先增后减趋势；随着行距的变宽,茎粗、节长均呈上升趋势；随着株距的扩大,节长也呈上升趋势。氮与行距的相互作用对穗长有显著作用,高氮高密配合可增加穗长。钾与行距的互作效应对穗粗产生了显著作用。磷与株距的互作对谷子株高有显著影响。行距和株距之间的相互作用对穗码数有显著影响,窄行距和大株距以及宽行距和小株距配置有利于穗码数的增加。合理密植和适当施肥,可使叶面积指数在最适宜范围内,促进分蘖,基部节间粗短。本研究范围内中等肥力配中等密度有利于谷子的生长发育。(2)施氮、磷水平和种植行距对张杂谷5号叶片可溶性蛋白、可溶性糖和硝酸还原酶活性均有显著影响,并随着施氮、磷量的增加和行距的变窄,这三个指标均呈现出先增后减趋势。随着钾肥增加,叶片可溶性蛋白和硝酸还原酶活性先略有增加,而后逐渐降低,这提示叶片可溶性蛋白和硝酸还原酶活性对钾肥不敏感。施钾水平对可溶性糖有显著影响,叶片可溶性糖含量随施钾量的增加,先缓慢上升后迅速下降。施钾水平和株距的互作对可溶性蛋白和硝酸还原酶活性都有显著作用,在低钾水平下,可以通过加大种植密度来调节可溶性蛋白含量和硝酸还原酶活性,高钾高密组合不利于提高可溶性蛋白含量和硝酸还原酶活性。在生产上可以在窄行中密度的基础上,通过增施氮磷肥来提高叶片可溶性蛋白含量、可溶性糖含量和硝酸还原酶活性,从而达到产量的提高和品质的改善。(3)最大限度地提高光能利用率是提高作物产量的主要途径。谷子与玉米、高梁等作物均为C4作物,具有高光效的特点。从遗传到生理谷子都具有超高产的可能,但是谷子的产量迟迟未能突破。原因之一是光能利用效率低。氮、磷、钾、行距和株距是影响叶片光合作用的重要因子。本研究表明氮对叶绿素含量、净光合速率、胞间CO2浓度、相对电子传递速率、实际光化学量子产量、光化学淬灭参数、非光化学淬灭参数和最大光化学量子产量都有显著影响,在设计范围内,叶绿素含量、净光合速率、胞间CO2浓度、相对电子传递速率、实际光化学量子产量和光化学淬灭随着施氮肥水平的增加均呈先增后降趋势；非化学淬灭参数随着施氮量的增加先减小后增大；随着氮的增加最大光化学量子产量呈直线上升趋势。磷对净光合速率、相对电子传递速率、实际光化学量子产量和非化学淬灭有显著影响,并且这些指标随着施磷量的增加均呈先增后减趋势。钾单因素效应很明显,对净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度、相对电子传递速率、实际光化学量子产量和光化学淬灭都有显著影响。随着行距的变窄,净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度、相对电子传递速率、实际光化学量子产量和光化学淬灭增加,但行距变窄到一定程度,密度与净光合速率、叶绿素含量、实际光化学量子产量和光化学淬灭等矛盾激化,净光合速率减慢,光合效率降低,最后导致产量降低。株距对所有的指标的单因素效应都不显著。钾也能通过氮肥间接促进光合来显示肥力效应,氮与钾的互作对张杂谷5号的净光合速率、胞间CO2浓度、相对电子传递速率、实际光化学量子产量和光化学淬灭有显著影响。氮与株距、钾与株距间交互作用对实际光化学量子产量和光化学淬灭均有显著影响,钾与株距间交互作用对净光合速率、胞间CO2浓度均有显著影响。氮与株距间交互作用对相对电子传递速率有显著影响。因此,张杂谷5号合理施肥的主要措施以增氮为主,通过增氮补钾,以钾促氮,配合施磷,更有利提高光合,从而实现增产的目的。合理密植的增产机理主要是使光的截获量增加,从而增加作物干物质积累量,提高产量。(4)较高的光合碳同化能力是作物获得高产的前提。谷子杂交优势利用是近年来谷子研究领域的一项突破性成果,杂交谷较常规谷增产率在40%左右,但对谷子杂交种光合优势的研究尚未见报道。本研究在拔节期和灌浆期分别对张杂谷5号和晋谷21号的光合特性进行比较。结果表明：在拔节期和灌浆期,张杂谷5号的净光合速率都显著的高于晋谷21号。蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度的变化趋势和叶绿素含量一致,在拔节期张杂谷5号和晋谷21号这四个指标之间差异不显著,但在灌浆期差异是显著的。无论是拔节期还是灌浆期,张杂谷5号和晋谷21号之间相对电子传递速率都不存在显著差异。但实际光化学量子产量之间在两个生育期都存在显著差异,这说明张杂谷5号PS Ⅱ反应中心在有部分关闭情况下的原初光能捕获效率比晋谷21号高。在拔节期,张杂谷5号和晋谷21号之间光化学淬灭参数不存在显著差异,但在灌浆期这个差异性就体现出来了。在灌浆期,晋谷21号的非光化学淬灭参数显著的高于张杂谷5号。无论是拔节期还是灌浆期,张杂谷5号与晋谷21号之间的最大光化学量子产量都不存在显著差异,这与该参数在非胁迫条件下变化极小,并不受品种和生长条件影响有关。综上所述,说明杂交谷在拔节期和灌浆期的光合特性显著高于常规种,植物的生长发育离不开光合作用,光合作用是生物界所有物质代谢和能量代谢的物质基础,张杂谷不仅能捕获多的光能,并且使所捕获的光能较充分地用于光合作用,形成更多光合产物,张杂谷5号的光合优势是其产量高于晋谷21号的一大主因。(5)产量与单位面积穗数、单穗粒数、出谷率、单穗粒重、单穗重显著正相关,而与千粒重无显著相关。这六个产量性状与产量的相关性顺序为：单穗粒数>出谷率>单穗粒重>单穗重>单位面积穗数>千粒重。磷和钾对单稳重有显著影响,磷对单穗粒重有显著影响,氮和磷对出谷率有显著影响。氮、行距、磷、钾对产量和单穗粒数有显著影响,氮肥和行距影响较大,而磷和钾肥影响较小。行距、株距和氮对单位面积穗数有显著影响,随着施氮量的增加以及行距变窄和株距的缩小,单位面积穗数均呈增加趋势。施磷水平对千粒重有显著影响,随着施磷量的增加,千粒重表现先升后降趋势。在研究的5个因素中,施氮水平和行距、施氮水平和株距、施磷水平和施钾水平、施磷水平和株距、行距和株距之间的互作对单穗重有显著影响。施氮水平和株距、施磷水平和施钾水平之间的互作对单穗粒重有显著影响。施氮水平和施磷水平对出谷率有显著影响。施氮水平、施钾水平以及株距之间交互作用对单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。该5因素与产量间回归关系极显著,拟合程度较高,可用于实际生产预测。本研究推荐张杂谷5号的最佳的农艺方案为施氮(N)178-197kg hm-2磷(P25)88～101kg hm-2,钾(K2O)54～67kg hm-2行距为22-24cm,株距为12-13cm。