施用有机肥对谷子产量、品质及经济效益的影响

夏凡 李翠芳 王志刚 王超 宋晓彦 孙晶京 穆婷婷 杨武德 冯美臣

摘要：为研究有机肥对谷子产量、品质及经济效益的影响，采用大田试验，以晋谷57 为试验材料，设置不施肥（T0，为对照）、化肥（常规施氮量180 kg/hm2，T1）、有机肥6 250 kg/hm2 （T2）、有机肥8 750 kg/hm2 （T3）和有机肥11 250 kg/hm2 （T4）共5 个处理，对比分析不同处理下谷子的产量及产量构成因素、品质和生物活性物质，并进行成本和效益核算，以期为谷子合理施用有机肥和发展有机旱作农业提供技术支撑。结果表明，不同处理下谷子产量为3 025.25～6 265.20 kg/hm2，其中，T3 处理产量为6 265.20 kg/hm2，较T0 处理显著提高。Pearson 相关分析法分析产量与产量构成因素发现，产量与穗长、穗粗、单穗粒质量、单穗质量、千粒质量和出谷率呈极显著正相关。从谷子籽粒品质来看，T1～T4 处理均可以改善籽粒品质，T3 处理下的蛋白质、脂肪和淀粉含量增幅最高，分别较对照增加1.74%、0.76% 和7.28%；T3 处理还显著提高了籽粒中多酚、黄酮和叶酸含量。由于肥料投入较低，T2 处理下的经济效益最高，与T0 处理相比提高8 157.80 元/hm2。施用有机肥对提高谷子产量、改善籽粒品质和提高籽粒生物活性物质含量均有一定的促进作用，8 750 kg/hm2有机肥对谷子产量、籽粒品质和生物活性物质效果最佳，可作为有机肥推荐使用量。

关键词：谷子；有机肥；产量；品质；经济效益

中图分类号：S515 文献标识码：A 文章编号：1002?2481（2023）03?0278?07

谷子（Setaria italica（L.） Beauv.）又称粟，是我国最古老的栽培作物之一[1]，其籽粒含有蛋白质、淀粉、脂肪、多酚和黄酮类物质等多种营养成分。除营养方面外，谷子作为一种无麸质谷物，对于控制糖尿病和降低血糖具有重要作用[2]。同时谷子具有抗旱性强、对水分利用率高和耐瘠薄等特点，被誉为“铁杆庄稼”，是旱作农业中重要作物，在旱作农业和维持膳食结构多样性等方面发挥着重要作用[3-4]。但在谷子种植过程中，为追求经济效益，盲目过量施用化肥和喷药，造成资源浪费和环境污染等问题，而且导致土壤理化性质变差，降低谷子产量和品质[5]。因此，提高土壤有机质含量，改善土壤环境，对于我国谷子产业发展和绿色农业可持续发展具有重要意义。

有机肥具有肥效长久、营养全面、有机质丰富等特点，能够改善土壤肥力，同时也减少了化肥的施用，為农业可持续发展提供有力保障[6-7]。增施有机肥可以为作物生长提供营养，提高作物抗病能力，从而增加作物产量和收入[8]。目前，国内外学者对有机肥改善作物产量和品质方面进行了大量研究。王晓娟等[9]对旱地玉米施用不同用量的有机肥，发现有机肥处理可提高玉米产量，增加收益，同时对土壤蓄水保墒效果也较明显。张尚沛等[10]研究发现，施用不同来源的腐熟有机肥对糜子的产量、生物产量和叶面积指数均有显著影响。杨军学等[1]研究发现，不同有机肥均可提高谷子产量，改善品质，但各类有机肥的增产效果不同。韩飞等[11]探究不同施肥模式对盐碱地谷子生长的影响，结果表明，施用有机肥可增加谷子产量。杨永青等[12]对谷子进行连续3 a 的施肥试验，结果表明，施用有机肥对谷子产量、品质和经济效益均有所提高。何娇等[13]研究施用有机肥对甜玉米品质的影响，发现施用有机肥后可提高玉米籽粒淀粉、可溶性糖和蛋白质含量。王树琼等[14]用有机肥替代化肥，研究小麦产量和经济效益的差异，结果表明，有机肥替代化肥可提高小麦产量，增加净收益。可见，目前有机肥研究主要集中在增施有机肥对土壤养分和肥力及作物生长情况方面，如土壤理化性质、土壤酶活性、作物生物性状和产量等，而针对有机肥的施用量对谷子产量、品质、生物活性物质及经济效益的综合研究较少。

本研究通过开展有机肥的施用对谷子产量、籽粒品质和生物活性物质的效应研究，在保证谷子生长发育及经济效益的基础上，探求适合山西谷子种植的施肥量，减少化肥的使用，以期为谷子合理施用有机肥和发展有机旱作农业提供技术支撑。

1材料和方法

1.1 试验材料

供试谷子品种为晋谷57，由山西农业大学经济作物研究所提供。供试有机肥为复合微生物菌剂，有效活菌数≥2.0 亿个/g，有机质≥60%，含氮（N）1.6%，氮（N）+磷（P2O5）+钾（K2O）为5%。化肥为尿素（46%N），中国石油天然气股份有限公司生产。

1.2 试验地概况

试验于2020—2021 年在山西省晋中市太谷区山西农业大学申奉试验站（37?25 ′N，112?35 ′E）进行。供试土壤为灰褐土，2020 年0～20 cm 土层pH 值为7.67，有机质含量为17.86 g/kg，全氮含量为2.38 g/kg，速效磷含量为9.49 mg/kg，速效钾含量为167.46 mg/kg。2021 年0～20 cm 土层pH值为7.54，有机质含量为18.86 g/kg，全氮含量为2.68 g/kg，速效磷含量为10.69 mg/kg，速效钾含量为186.46 mg/kg。

1.3 试验设计

试验采用单因素完全随机区组设计，共设置5 个施肥处理：T0（不施肥，为对照）、T1（化肥，常规施N 量180 kg/hm2）、T2（有机肥，6 250 kg/hm2）、T3（有机肥，8 750 kg/hm2）、T4（有机肥，11 250 kg/hm2），各处理重复3 次，小区面积为3 m×5 m，四周设置保护行，行距60 cm，株距10 cm。在每年的5 月播种，同年10 月收获，田间管理与当地农户常规田间管理相同。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 产量及产量构成因素的测定 于谷子成熟期，每个小区取1 m2长势均匀的谷子进行测产。每个小区随机取10 株长势均匀的植株测定穗长、单穗质量、穗粗、单穗粒质量和千粒质量，计算出谷率。

出谷率= 糙米粒质量/穗质量× 100% （1）

1.4.2 籽粒品质的测定 蛋白质含量采用凯氏定氮法测定，含氮量乘以系数6.25 为蛋白质含量[15]。脂肪含量利用SZF-06C 脂肪测量仪进行测定[16]。淀粉含量使用蒽酮比色法测定[17]。

1.4.3 籽粒生物活性物质的测定 多酚的提取及测定：利用超声波辅助提取籽粒多酚[18]，采用Folin-Ciocalteu（FC）比色法进行测定，以没食子酸为标准样品[19]。黄酮的提取及测定参考文献[20]进行。叶酸的提取及测定参考文献[21]进行，用北京冬歌博业生物科技有限公司生产的ELISA 叶酸检测试剂盒进行检测。

1.4.4 经济效益分析 根据当年谷子的实际产量与收购价格，计算产出值；根据当年种子、肥料、农药、人工、农机作业等投入，计算生产成本费用；产出值减去生产成本费用即为经济效益。

产出值=籽粒产量×谷子单价（2）

生产成本费用（元）=种子成本+肥料成本+农药成本+人工成本+农业作业费（3）

1.5 数据分析

试验使用Microsoft Excel 2010 整理数据，Origin 2019 进行绘图，SPSS 26.0 软件进行数据统计分析，采用Duncan 法进行差异显著性分析。

2结果与分析

2.1 不同处理对谷子产量及产量构成因素的影响

由表1 可知，与T0 处理相比，化肥和有机肥处理显著提高了产量，穗长、穗粗、单穗粒质量、单穗质量、千粒質量及出谷率也显著提高，T1 较T0 处理分别增加53.68%、9.72%、5.87%、19.39%、11.47%、4.12%和7.01%。与化肥T1处理相比，有机肥T2～T4处理下的产量与产量构成因素均有所提高，随着有机肥用量的增加，产量及穗长、穗粗、单穗粒质量、单穗质量、千粒质量、出谷率均先增加后减少。其中，T3处理对谷子产量及穗长、穗粗、单穗粒质量、千粒质量、出谷率影响较大，较T1 处理分别提高34.76%、5.67%、10.60%、11.42%、7.70%、15.02% 和3.60%，且与T0 和T1 处理间差异显著（P<0.05）。

2.2 产量与产量构成因素的相关性分析

采用Pearson 相关分析法分析产量与产量构成因素的相关性结果如表2 所示。

由表2 可知，谷子产量与穗长、穗粗、单穗粒质量、单穗质量、千粒质量和出谷率均呈极显著正相关（P<0.01），其相关系数分别为0.939、0.955、0.960、0.949、0.653 和0.695；穗长与单穗质量、穗粗、单穗粒质量和出谷率均呈极显著正相关，穗长与千粒质量存在显著正相关；单穗质量与穗粗、单穗粒质量呈极显著正相关，穗粗与单穗粒质量、出谷率呈极显著正相关；出谷率与单穗质量和单穗粒质量呈极显著正相关，因此，提高单穗质量与穗粒质量可提高出谷率。

2.3 不同处理对谷子籽粒品质的影响

谷子籽粒蛋白质、脂肪和淀粉含量是衡量其品质的重要指标。不同施肥量对谷子籽粒品质的影响如图1 所示。

由图1 可知，随着有机肥施用量的增加，蛋白质、脂肪和淀粉含量均先增加后减少。蛋白质和淀粉含量由高到低排序为T3>T2>T1>T4>T0，T1～T3 处理间差异不显著，说明化肥处理与有机肥处理均能提高籽粒蛋白质和淀粉含量，但有机肥T3 处理对籽粒蛋白质和淀粉含量提高幅度更大。有机肥处理下的籽粒脂肪含量与化肥处理间差异显著（P<0.05），且T3 处理下最大，表明适量施用有机肥可改善谷子籽粒品质。

2.4 不同处理对谷子籽粒生物活性物质的影响

从图2 可以看出，对谷子施肥后能明显提高其籽粒生物活性物质，随着有机肥施用量增加，多酚、黄酮和叶酸含量随着提高，当达到一定范围后不再增加。其中，T3 处理对多酚、黄酮和叶酸含量影响最明显，分别为53.80、16.06 mg/100 g 和2.50 μg/g。与T0 处理相比，T3 处理的多酚、黄酮和叶酸含量分别提高7.4%、8.0% 和33.0%。

2.5 不同处理下谷子经济效益分析

谷子以4.4 元/kg，农机费以900 元/hm2，种子费以40 元/kg（播种量22.5 kg/hm2），尿素以2.7 元/kg，有机肥以800 元/t 计算。

从表3 可以看出，T0、T1、T2、T3 和T4 处理的年净收益分别为11 511.10、17 599.46、19 668.90、18 766.88、13 334.04 元/hm2。其中，T2 处理下的年净收益最大，其次为T3 处理，而T0 处理的年净收益最低。从经济角度看，施用有机肥处理（6 250 kg/hm2）获得的年净收益最高，T4 处理生产成本最高，但经济效益高于T0 处理，在发展可持续农业中仍具有推广价值。

3结论与讨论

有机肥在农业生产中应用较多，有机肥不仅含有作物生长发育所需的有机、无机营养成分，而且能够改善土壤中的微量元素结构，调节土壤酸碱度，使植物能够正常生长发育并提高产量[22]。有研究表明，施用有机肥对作物产量有增产效果[23-27]。

本研究中，发现施用化肥和有机肥均可以提高谷子产量，与对照相比，8 750 kg/hm2的有机肥增产幅度最大，这与杜凤霞等[28]研究结果相似。原因可能在于化肥属于速效养分，植物可以快速吸收并利用，营养生长期快速生长并消耗大量养分，导致生殖生长期养分不足；有机肥属于缓效养分，植物吸收慢，营养生长期养分消耗慢，生殖生长期养分充足，加快籽粒的形成，提高产量[29]。而且有机肥中含有作物所需元素和大量微生物等活性物质，不仅为作物提供营养物质，又可以促进土壤中其他营养成分的分解，以供作物生长利用[30-31]。但过量施用有机肥不能达到明显增产的效果，导致年净收益降低，这可能是因为过量施用有机肥时伴随着土壤致病微生物数量的增加[32]，土壤养分流失，谷子不能完全吸收，不利于谷子的营养生长。增产的实质是提高穗长、单穗质量、单穗粒质量和出谷率，产量与构成因素相关性分析表明，穗长、单穗质量、单穗粒质量和出谷率对谷子产量有影响作用，增加穗粒质量和穗质量可提高出谷率，这与张霞等[33]的研究结果一致。

籽粒品质形成的生理代谢过程复杂，环境条件如光、温、水、肥和病害等均对籽粒品质的形成产生重要影响。而施肥是谷子生产管理的重要环节，有机肥在分解过程中，不仅释放养分有利于植物吸收，还可产生多种激素，促进作物光合作用，促进光合产物的产生，增强光合作用产物向籽粒运输的能力，使胚乳中存有充足的蛋白质、脂肪和淀粉等物质，从而赋予籽粒优良的品质[34]。ZHANG 等[35]研究表明，施用有机肥不仅提高水稻产量，对于品质也有改善作用。本研究中施用有机肥的谷子籽粒蛋白质、脂肪和淀粉含量与对照相比，有明显差异，且大于对照处理。其中，施用8 750 kg/hm2 的有机肥效果明显较好。同时高量有机肥（11 250 kg/hm2）的施用降低了蛋白质、脂肪和淀粉含量，这可能是因为施用高量有机肥易影响土壤酸碱环境，这必然引起谷子品质的改变[36]。说明在适量有机肥条件下谷子吸收养分的能力和光合作用的提高，有利于改善籽粒品质。

本研究结果表明，适量有机肥的施用不仅提高谷子籽粒蛋白质、脂肪和淀粉含量，对籽粒多酚、黄酮和叶酸形成也具有促进作用，显著增加多酚、黄酮和叶酸含量，这与前人结果一致[37]。这可能是与有机肥中含有大量的腐殖质、有机质养分及多种激素等生长调节物质有关，它们在植物代谢过程中起到重要作用。此外，有机肥中含有大量钾元素，钾能增强植物光合作用，促进碳水化合物的合成、运输和贮存，促进植物生长发育[38]，进而增强合成活性物质的次生代谢过程，有利于植物体内有效成分的合成與积累[39]。但有机肥对谷子籽粒生物活性物质合成的影响机制研究较少，未来还有待探究。从产量和品质角度看，施用8 750 kg/hm2 的有机肥对增加产量和改善品质效果明显较好。但从经济效益方面分析，本试验中，各处理经济效益存在差异，施用6 250 kg/hm2 的有机肥年净收益最高，施用11 250 kg/hm2的有机肥年净收益仅高于化肥处理，与沈金林[40]的研究结果相似。因此，在谷子生产中要因地制宜，合理施肥才能达到增产和增收的效果；在追求高产的过程要切合实际，使效益增收达到最优。

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