施用不同种类肥料对谷子产量与品质的影响

卢华雨 ，张星星 ，文新亚 ，曹增强 ，史明睿 ，高 岩 ，陈 阜

（1.中国农业大学 农学院/农业农村部农作制度重点实验室，北京 100193；2.永定河流域投资有限公司，北京 100193）

谷子是起源于我国的古老作物，是我国北方地区主要粮食作物之一[1]。谷子脱壳后为小米，与水稻、小麦等主粮作物相比，不仅富含脂肪、蛋白质、膳食纤维、维生素及各种微量元素，并且含有丰富的生物活性物质，对人体具有多种保健作用[2]。目前，我国谷子播种面积约为133.3 万hm2[3]，山西省作为谷子的主产区之一，近10 a 来谷子种植面积基本稳定保持在20.00 万～26.67 万hm2[4]。谷子生产和食用在山西省有几千年的历史，在粮食作物中一直占据重要的地位，为农民增收致富发挥了重要的作用[5]。但农户为了实现高产盲目施用大量的化肥，如尿素、磷酸一铵、过磷酸钙等[6]。长期过量施用化肥不仅会浪费肥料，而且促使植物体内积累过多的硝酸盐、亚硝酸盐，并吸收大量的重金属元素，导致作物产量和品质下降，并通过食物链最终在人体内富集[7]。近年来，随着生态农业发展，我国农田有机肥的施用比例正在逐步上升，有机肥具有缓效性[8]，并且含有氮、磷、钾、有机质、氨基酸及各种微量元素，为作物生长提供充足养分[9]，进而改善作物品质和提升产量[10]，还可以实现农业废弃物的资源化利用。因此，合理施用有机肥是提升作物产量和品质的有效措施。

微生物菌肥和堆肥是当前使用较多的生物有机肥，微生物菌肥通常是将作物有益微生物菌群（EM 菌）接种到有机肥料中，作为基肥施用到土壤中[11]。微生物菌肥中含有大量的活性微生物，包括光合菌群、乳酸菌群、酵母菌群、革兰氏阴性菌群等10 多个属80 多种微生物[12]。堆肥主要是借助微生物功能，经过高温发酵等技术将人畜粪便、作物秸秆等进行好氧堆肥，在较短的时间内完全发酵、腐熟、无害化处理，形成商品性有机肥料[13]。合理施用微生物菌肥与堆肥可以提高土壤肥力水平，丰富作物根际微生物，增强作物对营养的吸收与转化能力，从而提高作物产量和品质[14]。张玉平等[14]通过田间小区试验研究发现，施用猪粪源堆肥能够有提升玉米—小白菜轮作系统的生产力，玉米和小白菜的产量都有所增加，并且显著提升作物对钾、磷肥的利用率。高菊生等[15]研究发现，选择腐熟牛粪与化肥配施能够持续保持水稻高产稳产，稻谷总产量较单施化肥平均提高了14.5%。司海丽等[16]通过2 a 定位试验发现，有机肥施用量在15 000～30 000 kg/hm2对玉米产量构成因素促进效果最佳。目前，在半干旱地区进行有机肥替代化肥施用对谷子高产优质作用的研究较少。

本试验选择在谷子种植中施用不同种类有机肥，探究不同种类肥料对谷子产量和品质的影响，明确在旱作条件下有机肥对当地谷子产量和品质的影响，旨在为有机肥在农业生产中的推广提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2021年5—10月在山西省大同市云州区中国农业大学有机旱作试验站吉家庄乡古定桥村进行。该区属于温带大陆性半干旱季风气候，年均降水量在400～500 mm，降水多集中在夏季，年平均气温6.4 ℃。日照时数在2 485～2 965 h，无霜期125 d 左右。试验地土壤为栗钙土，耕层土壤的有机质为0.87%，全氮为0.07%，有效磷为8.02 mg/kg，速效钾为119 mg/kg，pH 值为8.41。

1.2 试验材料

供试谷子品种为山西省农业科学院谷子研究所选育的长杂2 号。供试肥料：牛粪源堆肥（含氮量≥1.5%）由中国农业大学农学院生物质中心提供，微生物菌肥（含氮量≥5%）购买于山东劲牛肥料有限公司，复合肥是从当地农资公司购买的史丹利复合肥（含氮量≥25%）。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，共设3 个施肥处理，即T1.960 kg/hm2复合肥；T2.30 000 kg/hm2堆肥；T3. 9 000 kg/hm2微生物菌肥。小区面积为50 m2（10 m×5 m），每个处理设4 次重复，所有肥料于播种前全部基施，后期不再施用。

试验于2021年5月5日完成播种，采用起垄种植方式。垄沟宽40 cm，垄宽60 cm，每垄种植2 行，播种方式为机械穴播，每穴播种5～10 粒，株距为20 cm。播前灌溉一次底墒水，其他管理措施与当地高产田保持一致。

1.4 测定项目及方法

各个小区选取10株谷子植株进行相关农艺性状（株高、茎粗、节长、穗粗）的测定。谷子成熟后考种测定产量，同时将谷子籽粒去壳后测定其营养品质。

每个小区选取10 m 双行的所有谷子，将其谷穗剪下自然风干至恒质量时，脱粒称质量（含水量低于13%），然后折算为每公顷产量。

粗脂肪含量采用索氏抽提法测定；粗蛋白含量采用凯氏定氮法测定；总氨基酸含量采用分光光度法测定；直链淀粉含量采用紫外可见分光光度计法测定。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2010 软件进行原始数据的初步统计，采用SPSS 19.0 统计学软件进行统计分析，使用LSD 法进行方差分析和多重比较（P<0.05），使用Origin 2019 绘图。

2 结果与分析

2.1 不同种类肥料对谷子株高、茎粗、节长的影响

不同种类肥料对谷子株高、茎粗、节长的影响如表1所示。

表1 不同种类肥料对谷子株高、茎粗、节长的影响Tab.1 Effects of different fertilizers on plant height，stem diameter，and node length of millet

由表1可知，3种肥料对谷子的株高、茎粗、节长的影响各不相同。T3处理下谷子的株高为159.59 cm，较T1、T2 处理分别显著降低3.38%、5.68%（P<0.05）。T2、T3 处理较T1 处理能够显著提升谷 子的茎粗，提升幅度分别达到12.5%和18.0%（P<0.05），但T2 与T3 处理间无显著差异，其中，T3 处理的茎粗表现最优。T3 处理下节长为5.56 cm，较T1、T2处理分别显著降低12.5%、11.8%（P<0.05）。谷子的株高、茎粗和节长3 个农艺性状对于群体抗倒伏性非常重要，其中T3（微生物菌肥）处理能得到较低株高、节长以及较粗的茎粗，该处理下谷子群体结构较优，能够提升整体的抗倒伏能力，为谷子高产稳产和提升品质奠定良好的基础。

2.2 不同种类肥料对谷子穗部性状的影响

由表2 可知，T3 处理下能够获得相对较优的穗粗，但与T1、T2 处理间无显著差异（P>0.05）；穗长在T3 处理下表现较优，均值达到了27.73 cm，较T1 和T2 处理分别显著增加了16.12%、9.04%（P<0.05），但T1 和T2 处理间差异不显著。T3 处理下谷子的单穗质量、穗粒质量和千粒质量都显著高于T1 和T2 处理，其中，T3 处理下单穗质量的表现最优，达到了30.49 g，此外穗粒质量和千粒质量较T1和T2 处理分别增加了32.47%、23.93%和12.55%、12.10%。谷穗的大小、形态等指标与谷子株型和产量密切相关，其中单穗质量和单穗粒质量是构成产量的重要因子，因此，研究谷子穗部性状具有重要意义，3 种肥料处理下，微生物菌肥处理下谷子穗部性状的表现最优，说明微生物菌肥可改善谷子穗部性状，对谷子增产稳产十分有利。

表2 不同种类肥料对谷子穗部性状的影响Tab.2 Effects of different fertilizers on spike traits of millet

2.3 不同种类肥料对谷子产量的影响

不同种类肥料对谷子产量的影响如图1 所示。

图1 不同种类肥料对谷子产量的影响Fig.1 Effects of different fertilizers on millet yield

由图1 可知，T3 处理下谷子的产量达到最高（6 831.43 kg/hm2）,较T1 和T2 处理分别显著增加了6.05%和4.80%，但T1（6 441.73 kg/hm2）与T2（6 518.33 kg/hm2）处理间无显著差异，说明微生物菌肥对谷子产量的增产效果优于复合肥和堆肥。

2.4 不同种类肥料对谷子籽粒营养品质的影响

由表3 可知，T2 处理下谷子籽粒中粗脂肪的含量最高，依次为T2>T1>T3（P<0.05），其中，T2处理较T1 和T3 处理分别显著增加了35.00%、52.54%（P<0.05）。籽粒中总氨基酸含量在T2 处理下达到最高，并显著高于T1 和T3 处理。T2 处理下籽粒粗蛋白质含量最高，直链淀粉含量是最低，但与T1 和T3 处理间均无显著差异。粗脂肪、总氨基酸和粗蛋白质的含量是小米重要的营养指标，其含量的高低决定了谷子的营养价值。直链淀粉是小米重要的蒸煮品质，直链淀粉含量低，米饭黏性大、软糯且有光泽。因此，堆肥处理下谷子籽粒中粗脂肪、总氨基酸和粗蛋白质含量均较高，且直链淀粉含量低，说明该处理下能够获得较高的营养品质及较优的蒸煮品质。

表3 不同种类肥料对籽粒品质的影响Table 3 Effects of different fertilizers on grain quality of millet g/100 g

3 结论与讨论

山西省作为我国重要的杂粮作物生产基地，杂粮作物的优质高产对于国家粮食安全和农业绿色可持续发展具有重要的意义[17]。作物农艺性状和经济性状是影响作物产量的重要因素之一，也是衡量施肥效果的重要指标。株高、茎粗、穗粗、穗长等性状共同作用影响作物生长发育进程，最终会影响谷子的产量。本研究表明，施用有机肥相较于常规化肥能够显著改善谷子的农艺性状、经济性状和产量，这与杨军学等[18]的研究结果一致，该研究发现，猪粪肥处理下的谷子农艺性状、产量构成因素和生物量表现是最优的，其中，猪粪处理下谷子的株高、穗长的平均值分别达141.6、52.9 cm，且猪粪处理下谷子产量构成因素，如穗质量、穗粒质量和千粒质量都最高，说明猪粪处理在促进谷子产量构成方面优势较为明显。韩飞等[19]在不同肥料种类对盐碱地谷子生长的研究中也得出相近的结论，商品有机肥高量（6 000 kg/hm2）替代化肥处理下抽穗期的株高、茎粗、穗长、穗粗皆显著高于习惯施肥处理，表明有机肥高量替代化肥可促进谷子的生长发育和产量的形成。前人研究证实，施用有机肥在谷子等杂粮作物上有增产提质的效果，在玉米[20]、小麦[21]、水稻[22]等主粮作物上也有较多研究。朱利霞等[23]对玉米的研究发现，生物有机肥替代化肥能获得更高的产量。陈欢等[24]对小麦通过长期定位试验研究发现，配施豆饼肥的增产效果最佳，并且配施有机肥的产量趋势线始终高于常规化肥，这说明施用有机肥更加有利于产量的稳定性与生产可持续性。

籽粒品质是决定谷子价值的重要参考指标[25]。一般来说，谷子籽粒品质的优劣主要受品种的遗传特性决定，但也与使用肥料种类密切相关。有机肥养分含量齐全，基本包含了植物生长必需的16 种营养元素，能够满足作物整个生育期的养分需求，进而能够有效改善谷子的籽粒品质。本研究表明，施用有机肥使得谷子籽粒中总氨基酸和粗脂肪的含量显著提高（P<0.05），但谷子籽粒中蛋白质与直链淀粉含量并无明显变化。该结果与杨军学等[18]、李俊文等[26]研究结果基本一致，杨军学等[18]研究发现，猪粪肥、鸡粪肥的施用均能不同程度提高谷子籽粒中蛋白质和粗脂肪的含量。李俊文等[26]研究发现，不同施肥处理下粗蛋白质的含量均高于对照组，其中施用有机肥处理下粗蛋白质、粗淀粉和粗脂肪含量均最高，相较于对照组分别提升了13.07%、2.79%、9.62%，说明施用有机肥对改善谷子营养品质提升效果最为明显。通过1 a 的田间试验发现，在晋北地区施用有机肥能够改善谷子的农艺性状，进而获得更高的产量和更优的籽粒品质，因此，在晋北地区逐步推行有机肥替代化肥是具有可行性的。