减量施肥对啤酒大麦干物质积累、产量及肥料利用率的影响

包奇军, 潘永东, 张华瑜, 柳小宁, 张东佳, 赵峰

(甘肃省农业科学院经济作物与啤酒原料研究所, 兰州 730070)

农业可持续性发展和环境保护是当今世界现代农业发展的两大主题[1]。长期以来,因过量施用氮、磷肥导致地表氮、磷养分的流失量较大，不仅降低了养分利用效率和施肥效益，同时也提高了径流水中养分含量，对地表和地下水环境均构成了较大威胁[2-4]。因此，在保证作物收益的前提下、优化施肥管理、减少肥料投入、提高肥料利用率、降低环境污染成为当前农业生产的主要挑战。近年来，优化环境及肥料利用效率，控减施肥量化研究已逐渐成为众多学者研究的热点，有关减量施用的研究多以水稻种植为主[5-6]，在马铃薯、玉米、小麦等作物减量施肥研究大多以常规施肥量为基础。尹梅等[7]研究结果表明，马铃薯减施90%K(30%+60%)处理产量与100% K处理产量没有显著差异。彭钰洁等[8]研究表明，与常规施氮量比较,在 85%施氮量下,玉米幼苗根系分泌物中的α-葡萄糖、苹果酸、亮氨酸、缬氨酸水平显著增加。赵亚南等[9]研究表明，与常规施肥相比，减量施肥下小麦干物质转运量、转运率及其对籽粒灌浆的贡献率增加28.5%、17.5%和20.7%，氮肥偏生产力、农学效率和表观回收率提高79.2%、69.1%和27.9%，磷肥偏生产力、农学效率和表观回收率提高91.1%、72.7%和68.5%。位高生等[10]研究表明，蜜柚较当前氮磷施用量下氮肥减量 30%，磷肥减量 35%具有增产和明显改善果实品质的效果。啤酒大麦为啤酒工业的主要原料，施肥量对啤酒大麦产量及品质有很大影响，因此，啤酒大麦上主要集中在施肥量对产量和品质的影响[11-14]，而减量施肥对干物质积累和肥料利用效益等尚未见报道。

适度从源头上减少氮、磷养分的投入量, 科学降低氮、磷的排放，既能控制农田生态环境的污染，又能保持农业可持续发展和农田生态环境建设[15-17]。结合国家农业农村部提出农业“一控(严格控制农业用水)、两减(减少化肥和农药使用量)、三基本(畜禽粪便、农作物秸秆、农膜基本资源化利用)”的要求，本文研究了减量施肥对甘肃省农科院选育的高产优质啤酒大麦‘甘啤7号’生长发育、干物质积累、产量、品质、肥料利用率的影响，以期优化西北啤酒大麦施肥措施、为实现化肥零增长的目标提供理论和技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为甘啤7号，由甘肃省农业科学院经济作物与啤酒原料研究所提供。氮肥用尿素(N46%甘肃刘化集团有限公司)，磷肥用磷酸二铵(N 16%、P2O546%，云南三环中化化肥有限公司)。

籽粒蛋白质采用1241 Grain analyzer(FOSS TECATOR)近红外仪测定，千粒重采用百分之一天平测定，饱满度采用分级筛(SORTIMAT PFEUFFER)测定，单株茎、叶、叶鞘等干物质质量用万分之一分析天平测定。

1.2 试验条件

试验于2016年、2017年在甘肃省农业科学院武威市黄羊镇啤酒大麦试验基地进行。黄羊镇代表河西东部平川灌区，海拔1 766 m，年日照时数2 360～2 920 h，年平均气温6.0～7.0 ℃，年降水量200～260 mm，无霜期135～150 d。土壤为灌漠土，耕层(0～20 cm)有机质1.71 %，全氮1.00 g·kg-1，全磷0.87 g·kg-1，全钾38.5 g·kg-1，速效氮70.3 mg·kg-1，速效磷35.4 mg·kg-1，pH 8.30，前茬作物大麦，地力均匀，属中等肥力，水浇地。

1.3 试验设计

试验设4个处理，分别为T1(N 0 kg·hm-2+P2O50 kg·hm-2)、T2 (N 50 kg·hm-2+P2O550 kg·hm-2)、T3 (N 100 kg·hm-2+P2O5100 kg·hm-2)和对照CK(当地常规施肥，N 150 kg·hm-2+P2O5150 kg·hm-2)。小区面积50 m2(10 m×5 m)，重复3次，处理间加2 m保护行，保护行中间起垄(垄宽0.5 m，垄高0.25 m),以便浇水，防止串肥。播种量按450万粒/hm2计算，肥料均作基肥播种前一次性施入。5月初第一水、6中旬第二水，其余田间管理同当地大田。

1.4 测试指标与方法

在啤酒大麦抽穗期每一个小区随机选取株高相近，穗子大小基本相同且同一天抽穗的50个单穗挂牌，分别在抽穗扬花期和成熟期成熟后取20个单穗的地上部，分成营养体和籽粒两部分，在80 ℃下烘至恒重，用万分之一分析天平测定其干物质质量。收获时按小区实际面积收获计算产量，并且在每一个小区随机取样20株进行考种，用于株高、穗长、茎节长度以及茎、叶、叶鞘等干物质质量测定。脱粒后取样进行籽粒品质检测分析，籽粒品质由甘肃省农业科学院西北啤酒大麦及麦芽品质检测实验室检测分析。

1.5 计算方法

花前贮藏干物质转运量(kg·hm-2)=抽穗扬花期干重-成熟期营养器官干重[18]

花后同化物输入籽粒量(kg·hm-2)=成熟期籽粒干重-营养器官花前贮藏干物质转运量[18]

氮素农学效率(kg·kg-1)=(施氮处理籽粒产量-不施氮处理籽粒产量)/施氮量[19]

氮偏生产力(kg·kg-1)=施肥小区产量/施氮量[20]

经济系数=籽粒干重/地上部干重

1.6 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2007进行数据整理，应用DPSv6.85软件进行数据统计分析及显著性检验。

2 结果与分析

2.1 减量施肥料对啤酒大麦生育期的影响

从表1看出，减量施肥对啤酒大麦出苗期、拔节期无影响。从孕穗期开始随着施肥量减少孕穗期、抽穗期、成熟期均较正常施肥提前，其中T1较对照孕穗期提前1 d，抽穗期提前2 d，成熟期提前3 d；T2与T3生育期基本一致，抽穗期较对照提前1 d，成熟期较对照提前1 d，即减量施肥对啤酒大麦营养生长进程无明显影响，但对啤酒大麦生殖生长具有明显影响，生殖生长不同阶段均提前，生育期较正常施肥缩短。

表1 减量施肥下啤酒大麦生育期 Table 1 Growth period of barley under reducing fertilizer treatments

2.2 减量施肥料对啤酒大麦植株不同器官的影响

2.2.1减量施肥对啤酒大麦穗长及茎节长度的影响 大麦株高是由穗长及各茎节组成，从图1可以看出，减量施肥抑制啤酒大麦生长发育，随着施肥量的减少，大麦株高、穗长和各茎节长度均不同程度受抑制。其中对T1处理影响最大，其次为T2，对T3影响最小。即减量施肥抑制啤酒大麦生长发育，其中对穗下第一茎节、第二茎节、第三茎节影响较大，对第四、第五、第六茎节影响较小，并且随着施肥量的减少对大麦株高、穗长和各茎节长度影响越大。

图1 减量施肥对啤酒大麦穗长及茎节长度的影响Fig.1 Influence of reducing fertilizer treatments on the length of barley ear and the stipes

2.2.2减量施肥对啤酒大麦单穗不同功能叶叶片干物质质量的影响 从图2可以看出，减量施肥同样抑制啤酒大麦不同功能叶生长发育，其中对旗叶叶片干物质质量影响最大，依次为倒二叶、倒三叶、倒四叶、倒五叶，对倒六叶叶片干物质质量影响不大。并且随着施肥量减少，啤酒大麦不同功能叶叶片干物质质量影响越大。

图2 减量施肥对啤酒大麦单穗不同功能叶叶片干物质质量的影响Fig.2 Influence of reducing fertilizer treatments on dry matter of barley leaf

2.2.3减量施肥对啤酒大麦单穗不同叶鞘干物质质量的影响 减量施肥抑制啤酒大麦叶鞘的生长发育，致使啤酒大麦叶鞘干物质质量降低(图3)，其中对旗叶叶鞘干物质质量重影响最大，其次为倒二叶叶鞘，再次为倒三叶叶鞘，倒四叶叶鞘、倒五叶叶鞘，对倒六叶叶鞘无影响。并且随时施肥量的减少，对啤酒大麦叶鞘干物质质量影响越大。

图3 减量施肥对啤酒大麦不同叶鞘干物质质量的影响 Fig.3 Influence of reducing fertilizer treatments on dry matter of barley leaf sheath

2.2.4减量施肥对啤酒大麦不同茎节干物质质量的影响 从图4可以看出，减量施肥抑制啤酒大麦植株茎节生长发育，致使啤酒大麦不同茎节干物质质量降低，随着施肥量减少，对不同茎节干物质质量影响增大，其中对T1影响最大，其次为T2、T3。

图4 减量施肥对啤酒大麦不同茎节干物质质量的影响Fig.4 Influence of reducing fertilizer treatments on dry matter of barley stem nodes

表2 减量施肥对啤酒大麦单穗地上各器官干物质质量及占总干物质质量的比例Table 2 Ratios of various organs dry weight and total dry weight in reducing fertilizer treatments

2.2.5减量施肥对啤酒大麦单穗地上各器官干物质质量及占总干物质质量影响 从表2可以看出，减量施肥啤酒大麦地上部穗、籽粒、叶、叶鞘、茎节等干物质质量均较对照降低，但差异不显著。从两年试验结果看，减量施肥叶片干物质质量降幅最大，其次为叶鞘干物质质量、再次茎秆干物质和穗干物质质量，籽粒干物质质量降幅差异不大。从不同处理看，T1干物质质量降幅最大，降幅达15.35%，其中叶干物质质量降幅为21.56%，茎秆干物质质量降幅为19.19%，叶鞘干物质质量降幅为17.13%，穗和籽粒干物质质量降幅为12.86%和6.56%；T2干物质质量降幅次之，为10.68%，其中叶干物质质量降幅为18.38%，茎秆干物质质量降幅为15.05%，叶鞘干物质质量降幅为13.20%，穗和籽粒干物质质量降幅分别为7.67%和3.98%；T3干物质质量降幅为3.61%，其中叶干物质质量降幅为10.13%，叶鞘干物质质量降幅为9.28%，茎秆干物质质量降幅为4.65%，穗和籽粒干物质质量降幅分别为1.48%和1.18%；两年趋势基本一致，但年际间降幅不同，其中叶、叶鞘、茎节等干物质质量降幅2016年大于2017年度；穗和籽粒干物质质量降幅2016年小于2017年度。

综上，减量施肥抑制啤酒大麦茎、叶、叶鞘、穗、籽粒生长发育，植株总的绿叶面积减少，植株总的光合产物减少，导致植株地上部穗、籽粒、叶、叶鞘、茎节等干物质质量降低。

2.3 减量施肥对啤酒大麦产量性状的影响

从两年结果看(表3)，基本苗随着施肥量减少较对照增加，两年平均T1为433.50 万·hm-2，较对照提高11.43%，T2为427.50万·hm-2，较对照提高9.91%，T3为399.00 万·hm-2，较对照提高2.58%，对照为388.95万·hm-2，年际间趋势基本一致，但2016年处理之间差异不显著，2017年处理间差异达显著水平；分蘖成穗数随施肥量减少明显较对照降低，年际间趋势基本一致，且差异达极显著水平，其中T1为693.15 万穗·hm-2，较对照降低17.07%，T2为755.85 万穗·hm-2，较对照降低9.57%，T3为812.10万穗·hm-2，较对照降低2.84%，对照为835.80万穗·hm-2；随着施肥量减少穗粒数减少，两年趋势一致且差异不显著，穗粒数T1为21.8粒，较对照降低11.76%，T2、T3分别为22.5、23.4粒，对照为24.7粒。减量施肥千粒重均高于对照，T1最高为49.8 g，T2为48.7 g，T3为47.4 g，对照为45.6 g，且差异达显著水平；随着施肥量的减施，啤酒大麦倒伏显著降低，年际间趋势基本一致，且差异达极显著水平。

表3 减量施肥下啤酒大麦主要产量性状及产量Table 3 Yield components of barley under reducing fertilizer treatments

从产量看，减量施肥明显降低啤酒大麦产量，各处理产量均较对照减产，年际间趋势一致差异均达极显著水平，两年平均T1为5 385.60 kg·hm-2，较对照减产38.31%，其次为T2为6 839.01 kg·hm-2，较对照减产21.66%，T3为8 136.41 kg·hm-2，较对照减产6.8%；减量施肥提高啤酒大麦经济系数，但差异不显著。

减量施肥提高啤酒大麦出苗率、千粒重、植株抗倒伏能力和经济系数，但分蘖成穗数成穗数明显降低，导致产量明显降低。但经济系数较对照提高，说明减施氮磷肥对啤酒大麦生物学产量影响大于对经济产量影响。

从影响产量的三因素成穗数、穗粒数、千粒重看,减量施肥对成穗数影响最大，其次为千粒重、最后为穗粒数。

2.4 减量施肥对啤酒大麦原麦品质的影响

减量施肥对啤酒大麦蛋白质含量影响(表4)极显著，随着施肥量减少，籽粒蛋白质含量呈降低趋势，年际间趋势一致，且处理间差异达极显著水平，其中T1蛋白质含量为10.8%，较对照降低1.7个百分点，降幅为13.60%，T2蛋白质含量为11.6%，较对照降低0.9个百分点，降幅为7.20%，T3蛋白质含量为12.1%，较对照降低0.4个百分点，降幅为3.6%。

表4 减量施肥对啤酒大麦原麦品质Table 4 Quality of barley under reducing fertilizer treatments

随着施肥量减少，啤酒大麦籽粒千粒重呈上升趋势，差异达显著水平，年际间区域基本一致，其中T1千粒重为49.8 g，较对照增加4.2 g，增幅为9.21%；T2千粒重为48.7 g，较对照增加3.1 g，增幅为6.69%；T3千粒重为47.4 g，较对照增加1.8 g，增幅为3.84%。

减量施肥对啤酒大麦饱满度(腹径≥2.5 mm)有显著影响，随着施肥量的减少，饱满度(腹径≥2.5 mm)呈上升趋势，其中T1为94.2%，较对照增加6.4个百分点，增幅为7.13%，T2为94.2%，较对照增加5.1个百分点，增幅为5.67%，T3为91.7%，较对照增加2.6个百分点，增幅为2.9%，年际间趋势基本一致，但2016处理之间差异显著水平，2017年处理间差异达极显著水平。从籽粒原麦品质看，各处理籽粒原麦品质均达国家优级标准。

2.5 减量施肥对籽粒产量形成与肥料效率的影响

从表5可以看出，随着施肥量减少，花前贮藏干物质转运量减少，对籽粒贡献率也随之减少，花前贮藏干物质转运量对籽粒贡献率在8.17%～20.08%之间，而花后同化物输入籽粒的输入量随施肥量的减少而减少，但对籽粒的贡献率增加，对籽粒的贡献率在79.92%～91.83%之间，年际间变化基本一致，且处理间差异显著。表明产量的形成主要源于花后同化物的输入，减量施肥降低了大麦花前贮藏干物质的转运量和花后同化物对籽粒的输入量，同时减量施肥降低花前贮藏干物质对籽粒的贡献，提高花后同化物对籽粒贡献，但花前贮藏干物质的转运量显著大于花后同化物对籽粒的输入量，从而降低大麦产量。

表5 减量施肥下啤酒大麦肥料效率Table 5 Fertilizer use efficience of barely under reducing fertilizer treatments

氮肥农学效率是评价作物施肥成效和产量水平的重要指标之一，反映了氮素从源到籽粒库的分配比例和施肥对光合产物的影响。随着施肥量减少，氮素农学效率和氮肥偏生产力提高，年际间趋势基本一致。2016年氮素农学效率之间差异显著，2017年氮素农学效率之间差异不显著，但两年氮肥偏生产力各处理之间差异均达极显著水平。说明在减量施肥处理下，大麦能够通过自身调节更为有效地利用肥料中的氮。

2.6 减量施肥对啤酒大麦经济效益的影响

减量施肥对啤酒大麦经济效益影响极显著(表6)，随着施肥量减少，各处理总产值，纯收益、产投比均较对照降低，年际间趋势基本一致，且差异达极显著水，其中T1纯收益较对照降低4 246.21元·hm-2，降幅达54.97%，产投比降低0.53，降幅达24.14%，T2纯收益较对照降低2 777.23元·hm-2，降幅达29.45%，产投比降低0.23，降幅为10.34%，T3纯收益较对照降低685.34元·hm-2，降幅达7.27%，产投比降低0.02，降幅为0.69%。从经济效益看，减量施肥不利于产量形成，降低收益，但从生态效益看，减量施肥可以节省化肥用量，综合经济效益和生态效益看，适当减量施肥对纯收益无显著影响，不仅能降低肥料肥投入量，还有助于提高肥料的利用率和产投比。

表6 减量施肥下啤酒大麦经济效益Table 6 Economic benefits of barely production under reducing fertilizer treatments

3 讨论

3.1 减量施肥影响啤酒大麦生长发育和干物质积累

氮素是植物体内蛋白质、核酸和叶绿素的组成成分，当氮素充足时，植物可合成较多的蛋白质，促进细胞的分裂和增长，缺氮往往表现为生长缓慢，植株矮小，禾本科作物则表现为分孽少。磷是植物体内核酸、蛋白质和酶等多种重要化合物的组成元素，可以促进作物生长。作物缺磷时，表现为生长迟缓、产量降低。作物生长过程中所需要的氮磷主要由根系吸收提供，土壤的氮磷含量显著影响着根系对氮素的吸收[21-22]，从而影响作物的生长发育。研究结果表明，减量施肥影响啤酒大麦生长发育和干物质的积累，减量施肥下啤酒大麦孕穗期、抽穗期、成熟期均对照提前，株高、穗长和各茎节长度均较对照缩短，叶、叶鞘、茎秆、籽粒等干物质质量均较对照降低，分蘖成穗数显著低于对照，且随着施肥量减少影响越大，但出苗率、籽粒千粒重和植株抗倒伏能力均较对照明显提高。

3.2 减量施肥影响啤酒大麦产量和品质

干物质积累因作物种类、品种、环境因素和栽培管理措施的不同而存在较大差异[23-25]。而干物质积累是产量形成的基础，直接影响作物产量和品质的形成[26-27]。研究结果表明，减量施肥均较对照减产，两年平均T1为5 385.60 kg·hm-2，较对照减产38.31%，其次为T2为6 839.01 kg·hm-2，较对照减产21.66%，T3为8 136.41 kg·hm-2，较对照减产6.8%，处理间差异达极显著水平，两年趋势基本一致。从影响产量的三因素成穗数、穗粒数、千粒重看，减量施肥对成穗数影响最大且差异达极显著水平，其次为千粒重、最后为穗粒数但差异不显著。从籽粒品质看减量施肥籽粒蛋白质含量降低，千粒重上升， 饱满度(腹径≥2.5 mm)增大，而且品质均较对照有明显改善，主要因为土壤养分含量少，成穗主要依靠主穗成穗，成穗数降低，每个籽粒获得的养分充足，千粒质量升高，这与前人研究结果一致[6-10]。

3.3 减量施肥影响啤酒大麦产量形成与肥料效率

籽粒灌浆物质来源包括花前合成贮藏于营养器官并在花后转移到籽粒的同化物，以及花后合成直接运移至籽粒的光合产物[28]。本研究结果表明，花前贮藏干物质转运量对籽粒贡献率在8.17%～20.08%之间，而花后同化物输入籽粒的输入量对籽粒的贡献率在79.92%～91.83%之间。表明产量的形成主要源于花后同化物的输入，减量施肥降低了大麦花前贮藏干物质的转运量和花后同化物对籽粒的输入量，同时减量施肥降低花前贮藏干物质对籽粒的贡献，提高花后同化物对籽粒贡献，因花前贮藏干物质的转运量显著小于花后同化物对籽粒的输入量，从而降低大麦产量，致使总产值、纯收益、产投比均较对照降低。因此,适当降低氮磷肥施用量是提高其肥料利用率的途径之一，但施肥量过低，会导致产量严重降低，所以在啤酒大麦生产中必需二者兼顾。

随着施肥量减少，氮素农学效率和氮肥偏生产力提高，氮肥偏生产力各处理之间差异均达极显著水平。说明在减量施肥处理下，大麦能够通过自身调节更为有效地利用肥料中的氮，而每千克氮肥生产的籽粒也高于对照。这与前人研究结果一致，彭钰洁等[6]适当减施肥油菜氮、磷肥料利用率均有所提高，部分处理效果明显达到了显著水平，李恩尧等[29]和赵士诚等[30]研究结果均表明，减量施肥后玉米产量没有显著降低，肥料利用率反而略有增加。