甘啤大麦氮素积累与分配模型模拟

彭飞,高晓阳,杨志平,刘佳,贺大伟,侯宝华,杨建青,王明磊,武季玲

(甘肃农业大学，甘肃 兰州　730070)



甘啤大麦氮素积累与分配模型模拟

彭飞,高晓阳,杨志平,刘佳,贺大伟,侯宝华,杨建青,王明磊,武季玲

(甘肃农业大学，甘肃 兰州730070)

【目的】 探明啤酒大麦氮素积累与转运分配的关系.【方法】 以甘肃啤酒大麦‘甘啤5号’‘甘啤6号’和‘甘啤7号’为材料，在施氮量分别为7.5 g/m2、15 g/m2、22.5 g/m2并分区正交试验条件下，研究了大麦茎、叶和穗氮素积累和转运分配模型并进行了回归分析.【结果】 施氮量不同，从扬花期到成熟期大麦叶片、茎秆、穗颖以及籽粒中氮含量变化显著.随着施氮量的增加，大麦氮素积累和转运量呈近似直线上升的趋势，但在施氮量超过15 g/m2之后，氮素积累和转运趋向饱和.氮素转运贡献率随施氮水平的提高呈二次曲线型变化规律，营养器官对籽粒氮的贡献率在58.23%至64.58%之间.【结论】 本试验条件下，甘啤大麦合理施氮量为15.81～16.51 g/m2.

啤酒大麦；施肥水平；氮含量；氮素分配模型

啤酒大麦是酿造啤酒的主要原料之一.我国每年大约种植生产200多万t的啤酒大麦，在西北地区，特别是甘肃和新疆的种植面积较大[1].氮素是植物必不可少的营养元素，也是作物产品的重要组分.大麦氮素的吸收积累和向籽粒运转的特性是提高大麦产量、提升大麦品质和提高氮素利用率的基础，因此有必要研究不同品种施氮量与啤酒大麦产量和籽粒品质的相互关系及规律.目前有关学者对于小麦和水稻等农作物的氮素积累转运以及产量影响做了大量的研究[2-10].但是关于大麦特别是西部大麦氮素分配模型的研究报道还相对较少.本研究拟以酿酒啤麦蛋白质含量为参考标准，拟探明啤酒大麦氮肥施用水平与氮素积累及转运分配关系，即提高产量又满足酿造品质要求，为啤酒大麦合理施肥提供科学依据.

1　材料与方法

1.1品种及试验设计

选用甘肃啤酒大麦主栽品种‘甘啤5号’‘甘啤6号’和‘甘啤7号’为试验材料，于2013～2014年连续2个生长季在甘肃农业大学实验地进行田间试验，土壤类型为灰褐土，土壤肥力中等，地力均匀，人工条播，行距25 cm.5月播种,其他栽培管理同大田.‘甘啤5号’‘甘啤6号’和‘甘啤7号’分开种植，均分为A、B、C 3块区域，分别施以7.5、15、22.5 g/m23种水平的氮肥，各处理选取长势一致且同一天开花的植株挂标签予以样本标记,分别在开花期、花后1周、2周、3周、4周和成熟期随机采取标记植株样品9株,用水冲洗干净,分为叶片(包括黄叶和绿叶)、茎鞘、穗(成熟期取)等不同部位,105 ℃下杀青0.5 h,80 ℃下烘干48 h称干质量.各部位样品用凯氏定氮—半微量蒸馏法测定含氮量.大麦成熟(7月中旬)后,每小区收获长势均匀的大麦1平方米计株数、穗数,人工脱粒,测产量.

1.2测定与分析方法

于大麦开花期、开花后1～4周每周和成熟期共6次，选取植株样本洗净烘干后粉碎，用凯氏定氮法测定各器官的全氮含量，计算氮素积累、转运及对籽粒氮素积累贡献率.数据分析处理方法如下[10]：

氮素积累量=植株营养器官干质量×植株营养器官含氮量；

氮素转运量=开花期营养器官氮素积累量-成熟期营养器官氮素积累量；

氮素转运率(%)=氮素转运量/开花期营养器官氮素积累量×100%；

氮素贡献率(%)=氮素转运量/成熟期籽粒氮素积累量×100%.

由于大麦从土壤里吸收的氮在其各器官中的分布状态，是氮素分配与运转综合作用的结果.为简化分配模型研究，本试验假设在大麦抽穗开花前氮素以吸收分配过程为主，抽穗后以再分配为主[12].

2　结果与分析

2.1大麦叶片氮素含量变化规律

不同大麦品种植株叶片各时期氮素含量变化测试结果如表1所示.在同一个时期里，随着施氮水平的提高，‘甘啤5号’叶片中的氮素含量相应增加，‘甘啤5号’A区施氮肥处理的氮素含量明显低于其他施氮肥处理，B区和C区之间的差距不明显.同样，另外2个品种的变化趋势也与此基本一致.从大麦开花后开始到成熟期，甘啤大麦叶片中氮素含量呈现持续下降的变化趋势，开花后3～4周下降速率加快，成熟期下降到了最低.大麦叶片氮素从开花到成熟持续降低，说明在大麦抽穗开花后，简化模型假设条件成立，叶片氮素逐渐外运，氮素积累量小于外运量.

表1　不同品种大麦植株叶片各时期氮素含量Tab.1　N content of leaves in different barley variety　(mg·g-1)

2.2大麦茎鞘氮素含量变化规律

不同品种大麦植株茎鞘各时期氮素含量变化测试结果如图1所示.3种大麦茎鞘的氮素含量变化规律也是基本相同的，开花后，氮素含量在茎鞘中呈现持续下降的变化趋势，开花后的前两周下降速率相对比较快，直到成熟期氮素含量下降至最低值.茎鞘氮素含量开花后持续下降趋势说明抽穗以后是茎鞘氮素外运时期简化分配模型假设条件成立，氮素进行了转运和再分配.另外，不同品种各试验区的施氮量水平对氮素的利用、吸收和转运影响不显著.

图1　不同品种大麦植株茎鞘各时期氮素含量变化曲线Fig.1　N content of Leaf sheaths in different barley variety

2.3穗颖氮素含量变化规律

不同品种大麦植株穗颖各时期氮素含量见图2.3个品种的氮素变化基本保持一致，大麦穗颖的氮素含量的变化趋势是持续下降，开花后的1～2周下降速率最快，一致保持下降到成熟期最低值.穗颖氮素含量开花后迅速下降，成熟期氮含量下降至最低值，反映出灌浆期是穗颖氮素外运时期，前述试验假设条件成立，穗颖氮素进行了实际转运和再分配.

试验结果表明，不同施氮量对蛋白质积累有显著影响.当施氮量为7.5 g/m2时，3种品种成熟时蛋白质含量约为10%；当施氮量为15 g/m2，成熟期蛋白质含量约为12%，满足国家优质啤酒大麦的品质要求；当施氮量为22.5 g/m2时，籽粒蛋白质含量大于14%，高于啤麦品质标准要求.

图2　不同品种大麦植株穗颖各时期 氮素含量变化Fig.2　N content of ears in different barley variety

2.4甘啤大麦氮素转运变化规律

不同品种大麦以及不同施氮量处理条件下甘啤大麦氮素积累和转运结果见表2和图3.

随着施氮量的增加，氮素转运量呈现近似直线上升的趋势，施氮量22.5 g/m2处理条件下的‘甘啤7号’籽粒成熟期氮素积累量最高，为418.92 mg；施氮量7.5 g/m2处理条件下的‘甘啤5号’籽粒成熟期氮素积累量最低，为177.48 mg.穗颖的氮素转运率最高，茎鞘次之，叶片最低.

由图3可以看出，‘甘啤5号’‘甘啤6号’以及‘甘啤7号’中氮素从营养器官转运到籽粒的总贡献率在58.23%到64.58%之间，表明籽粒中的氮素大部分是由大麦的其他营养器官中转运过来，其余部分是通过根系从土壤中吸收而来.而各营养器官转运到籽粒中的氮素比重最大，叶片次之，穗颖最低.通过氮素总贡献率的比较，施氮量15 g/m2处理条件下的‘甘啤7号’贡献率最高，氮素总贡献率为64.58%，施氮量7.5 g/m2处理条件下的‘甘啤5号’贡献率最低，氮素总贡献率为58.23%.3种啤酒大麦对籽粒的总贡献率都呈现先高后低的趋势，并且都以‘甘啤7号’的贡献率最高.回归分析各品种对籽粒的贡献率y与施氮量x的关系方程见表4，呈现二次曲线.本研究最高贡献率时的施氮量范围为15.81～16.51 g/m2.

表2　不同品种大麦植株各器官转运情况及成熟期籽粒氮素积累量Tab.2　N transshipment of each organ and accumulation of grain in different barley variety

表3　不同品种大麦氮素贡献率与施氮量的关系方程Tab.3　Regression equation between contribution and N application rate

图3　不同品种大麦各营养器官的 氮素贡献率Fig.3　N contribution ratio of each organ in different barley variety

综上所述，在各个时期中，随着施氮量提高，‘甘啤5号’‘甘啤6号’和‘甘啤7号’叶片、茎鞘、穗颖的氮含量都逐渐增加；在抽穗开花后的不同时期里，氮素从叶片、茎鞘、穗颖中逐渐向籽粒中转运，各营养器官中的氮素含量开始降低；而且叶片的氮素贡献率高于茎鞘.本研究中3个品种的氮素贡献率呈现先高后低的趋势，经回归分析得出结论，将施氮量控制在15.81～16.51 g/m2的范围内，能够让氮素贡献率达到61.15～64.67%，并且3个品种籽粒蛋白质含量也都符合国家优质啤酒大麦标准的要求.

3　讨论

国内主要农作物如水稻和小麦等已对氮素积累与转运分配有较多研究，环境因素和自身的品质会影响小麦的氮素转运率.Campbell等研究得出[12]，小麦中营养器官对籽粒的氮素贡献率是茎鞘最大，叶片次之，穗颖最低.这与本研究得出结论相同，可知甘啤大麦与小麦氮素分配上有相似之处.增加施氮量，有利于冬小麦植株吸收氮素[13]，但是过量施氮，作物的产量反而会降低.蔡剑等[1]研究表明，南方大麦产量和施氮量是呈现二次曲线的关系.开花后大麦氮素积累比小麦高出很多，而且根据国家标准优质啤酒大麦籽粒中蛋白质含量不宜过高，欧洲酿造协会更要求大麦蛋白质含量不高于11.5%[14-15].

本试验与小麦研究结果基本一致.由于本试验以甘肃甘啤系列啤酒大麦为试验品种进行研究，其他不同品种啤酒大麦的氮素转运贡献率最高时相应施氮量水平是否都相同以及营养器官中氮素分配变化规律等问题，还需进一步深入研究.

致谢：感谢甘肃省农业科学院大麦原料研究所提供试验品种‘甘啤5号’‘甘啤6号’和‘甘啤7号’.

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[2]沈建辉，戴廷波，荆奇.施氮时期对专用小麦干物质和氮素积累、运转及产量和蛋白质含量的影响[J].麦类作物学报，2004,24(1):55-58

[3]吕鹏，张吉旺，刘伟.施氮量对超高产夏玉米产量及氮素吸收利用的影响[J].植物营养与肥料学报，2011,17(4):852-860

[4]晏娟，沈其荣，尹斌.施氮量对氮高效水稻种质4007的氮素吸收、转运和利用的影响[J].土壤学报，2010,47(1):107-114

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[7]彭玉,马均,蒋明金.缓/控释肥对杂交水稻根系形态、生理特性和产量的影响[J].植物营养与肥料学报，2013,19(5)：1048-1057

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[9]何宗仁,汤希君.二棱大麦主要经济性状遗传参数的研究[J].甘肃农业大学学报,1989,26(2)：61-65

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(责任编辑李辛)

Stimulating experiment of nitrogen accumulation and allocation model in Gansu beer barley

PENG Fei,GAO Xiao-yang,YANG Zhi-ping,LIU Jia,HE Da-wei,HOU Bao-hua,YANG Jian-qing,WANG Ming-lei,WU Ji-ling

(Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

【Objective】 To prove the relationship between nitrogen accumulation and distribution of Gansu beer barley.【Method】 Using Gansu beer barley Ganpi No.5,Ganpi No.6 and Ganpi No.7 as materials to take the orthogonal experiment at nitrogen rate of 0.75 kg/m2,1.50 kg/m2and 2.25 kg/m2to stimulate the models for barley nitrogen accumulation and distribution of barley leaf,stem and spike and carry out regression analysis.【Result】 At the different nitrogen rate levels,the nitrogen content changed significantly from flowering to maturity stage in barley leaves,stems,ear and grains.With the increase of nitrogen rate,the nitrogen accumulation and translocation increased almost linearly in barley.When the nitrogen rate was more than 15 g/m2,nitrogen accumulation and translocation in Gansu beer barley tended to saturation.The translocation contribution appeared conic change with the increase of nitrogen rate,and 58.23 to 64.58 percent of nitrogen in grain was transferred from nutritive organs.【Conclusion】 The optimal nitrogen rate is 15.81～16.51 g/m2.

beer barley;fertilizer level;nitrogen content;nitrogen distribution model

彭飞(1990-)，男，硕士研究生，主要从事大麦氮素分配的研究.E-mail:984793932@qq.com

高晓阳，男，教授，主要从事农业工程检测与智能控制技术及系统研究.E-mail:gaoxiao1081@sina.com

国家自然科学基金项目(61164001);甘肃省教育厅高等学校科研计划项目(1102-07);甘肃省干旱生境作物学重点实验室开放基金课题(1102-11).

2015-04-15；

2015-05-13

S 512.3+1

A

1003-4315(2016)04-0032-05