不同肥料配比对糜子产量和品质的调控效应

王君杰 陈凌 田翔 乔治军

摘 要 为探明不同施肥方式对糜子营养品质、食味品质和产量的影响，于2019年在山西河曲进行试验，以河曲大红糜子为材料，选用不同配比的有机肥（羊粪）、生物菌肥、尿素和复合肥，研究不同施肥配比对糜子品质和产量的影响。结果表明：不同肥料配比对糜子产量和品质性状显著影响，复合肥和有机肥（F+Y）配施显著提高糜子籽粒产量（GY）、净光合速率（Pn）、钙（Ca）和铁（Fe）含量，显著减低直链淀粉含量（AC）；相关性分析发现，籽粒产量（GY）和净光合速率（Pn）呈极显著正相关，相关系数为0.82，鎂（Mg）与铁（Fe）呈极显著正相关，值为0.68，直链淀粉含量（AC）与醇溶蛋白含量（Gli）、钙（Ca）达到极显著负相关，值分别为-0.66和  -0.50；主成分分析发现，糜子各性状指标分为4个主成分，分别代表糜子食味品质、营养品质、产量指标和蛋白营养品质，综合得分以复合肥和有机肥（F+Y）处理最高，并显著高于其他处理。综上所述，复合肥（187.5   kg·hm-2）与有机肥（1.5×104 kg·hm-2）配施是糜子获得优质高产的主要施肥方式。

关键词 糜子；产量；营养品质；食味品质；施肥方式

糜子是禾本科C4作物，具有抗旱、喜温、耐瘠薄、生育期短等特点，在中国农业发展史上具有举足轻重的地位[1]。作物籽粒品质和产量主要受遗传基因、栽培措施和种植环境共同影响，其中肥料是影响籽粒品质和产量最主要的因素[2]。近年来，不合理的化肥施用，严重造成生态环境破坏、地下水及土壤污染、肥效减低[3-4] 等一系列环境问题，因此推进种植业绿色发展，实现化肥农药施用量负增长，并深入推进有机肥代替化肥成为糜子优质生产发展方向。有机肥、生物菌肥具有改善土壤理化性质、土壤结构和生物活性、增加土壤有机质含量和生物多样性、增强作物抗逆性等特点[5-6]，但具有肥效慢和养分含量低等缺点；无机肥具有肥效快、养分高等优点，但过量施用会造成土壤板结、环境污染等现象，最终导致农作物产量和品质下降[7]。有机肥无机肥合理配施，调整农业投入结构，减少化肥农药施用量，实现资源节约、环境友好的农业可持续发展。针对有机肥无机肥配施对作物产量和品质的研究已有大量报道，但主要集中在大宗作物和经济作物上，研究表明，有机肥替代部分无机肥能显著提高作物产量和品质。氮肥能显著提高农作物微量元素的吸收且主要集中在籽粒铁锌含量的研究[8-9]，小麦籽粒醇溶蛋白和谷蛋白含量随着施氮量的增加而增加[10]，增施有机肥显著增加作物蛋白质含量[11]和直链淀粉含量[12-13]，有机无机肥配施能显著提高作物产量[14-17]和品质[18-22]，生物菌肥配施无机肥有利于提高作物产量[23-24]和品质[25-26]，虽然大量研究揭示了有机肥和无机肥配施对农作物产量和品质有显著提高作用，但不同施肥方式主要局限于有机肥和无机肥[27]，而对有机肥、生物菌肥、尿素和复合肥的配施方式研究较少。糜子作为小宗作物，研究基础比较薄弱，针对肥料方面的研究主要集中在对产量的影响[28-31]，对品质的研究比较少，特别是对糜子营养品质、食味品质和产量指标的综合研究鲜有报道，糜子品质主要分为商品品质、食味品质和营养品质，各个品质指标间相互联系、相互影响，所以如何根据所需的产量品质需求选择合适的施肥方式，是亟需研究的产业问题。本研究在忻州河曲基地进行，以河曲大红糜子为试验材料，设置有机肥、生物菌肥、复合肥和尿素4种肥料类型，设置11个施肥处理，测定糜子籽粒蛋白质、直链淀粉、谷蛋白、醇溶蛋白、锌、钙、镁、产量和光合速率9个指标，利用多元统计分析方法研究不同施肥方式对糜子产量和品质的影响，旨在为糜子优质高产的最优施肥方式提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

2019年6—9月在山西忻州河曲县文笔镇邬家沙梁村（N39°22′，E111°13′）进行，该地海拔  1 036 m，该区年均气温8.8 ℃，无霜期150  d左右，前茬作物为玉米，土壤性质为沙壤土，温、光、热资源适宜糜子的生长发育（表1）。

1.2 试验设计

采取单因素随机区组设计，供试品种为河曲大红糜子，设有机肥羊粪（Y）、复合肥（F）、生物菌肥（J）和尿素（N）按一定比例配合施用，施肥量按照减量施氮的政策进行设置，共设置11个处理（表2），3次重复，重复之间设置1  m宽的走道，每个重复2小区之间设置0.5 m的走道，共33个小区，小区面积为15 m2（3 m×5 m），种植密度为  6×105株·hm-2，行距为30 cm，株距为5 cm，  6月上旬播种，9月下旬收获。播种前肥料统一作为基肥施入土壤，糜子生育期间田间管理均一致。生物菌肥由内蒙古嘉华智慧农业科技有限公司提供，其中有机养分（氮+磷+钾）≥12%，有机质≥45%，专利活性物质≥每克0.2亿个。复合肥  （N∶P∶K为28∶6∶6）和尿素  （46.4%）由史丹利化肥股份有限公司提供。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 净光合速率 选择在9：00—11：00的天气晴朗、无风或风速很小的天气条件下进行，采用便携式光合仪LI-6400XT测定糜子开花期植株倒二叶的净光合速率（Net photosynthetic rate，Pn）。

1.3.2 籽粒产量 成熟期小区植株全部收获，用剪刀剪下所有糜子穗装入纱网袋，然后脱粒晾干，至籽粒含水量低于14%以下进行称量保存，换算即为籽粒产量（Grain yield，GY）。

1.3.3 蛋白质含量

糜子籽粒收获后，籽粒含水量晾晒至14%以下，取200 g籽粒进行脱壳粉样，用全自动凯氏定氮仪测定籽粒蛋白质含量，蛋白质含量（Protein content，PC）=籽粒氮含量×  6.25。

1.3.4 微量元素 籽粒中的Ca、Fe和Mg含量采用原子吸收分光光度计法进行测定，Fe按照GB5009.90进行测定，Ca按照GB5009.92进行测定，Mg按照GB5009.241进行测定。

1.3.5 直链淀粉 糜子籽粒中的直链淀粉含量（Amylose content，AC）采用双波长分光光度计法，按照DB/T2265标准进行测定。

1.3.6 谷蛋白、醇溶蛋白 醇溶蛋白含量（Gliadin content，Gli）：称0.2 g粉末样品于10 mL离心管中，加入70%乙醇2 mL，搖匀后离心机  5 000 r·min-1离心10 min，将上清液倒入消化管中，重复3次，合并上清液，残渣留下，H2SO4-H2O2靛酚蓝比色法测氮。

谷蛋白含量（Gluten content，Glu）：残渣中加入0.2% NaOH2 mL，摇匀后离心机5 000   r·min-1离心10 min，将上清液倒入消化管中，重复3次，合并上清液，H2SO4-H2O2靛酚蓝比色法测氮。

1.4 数据处理

用Excel 2010对试验数据进行整理，用DPS 9.50统计软件对数据进行方差分析，采用SPSS 20统计软件对数据进行相关性分析、主成分分析和聚类分析，采用Origin 2021软件进行作图分析。

2 结果与分析

2.1 施肥方式对糜子生长发育的影响

2.1.1 糜子净光合速率 由图1可以看出，糜子Pn以F+Y处理最大，Pn值为28.55    μmol·m-2·s-1，较对照CK增加36.54%，并显著高于其他处理；以Y+J处理最低，值为20.57 μmol·m-2·s-1，Y+J处理与对照CK差异不显著，可能有机肥与生物菌肥配施两者存在一定的拮抗作用，影响根系吸收营养物质，同时二者肥效比较低，从而导致施肥效果对净光合速率影响不显著。

2.1.2 籽粒产量 GY与Pn变化趋势一致（图2），以F+Y处理最大，值为5  044.19 kg·hm-2，较对照CK增加32.67%，并显著高于其他处理；以Y+J处理最低，值为3 543.44 kg·hm-2，单施Y和J对糜子产量的影响差异不显著，且单施F和N对糜子产量的影响差异也不显著，可以认为不同无机肥或者有机肥单施对糜子的增产效应差异不明显。

2.1.3 糜子食味营养品质 由图3可以得出，糜子籽粒Glu含量以单施N处理最大，为3 062.66 μg·g-1，显著高于其他处理（F+Y除外），N+J处理最低，为1 948.76   μg·g-1，显著低于其他处理，次之为N+Y处理，表明无机肥尿素配施生物菌肥或有机肥能显著减低糜子Glu含量。Glu含量的变化趋势与Mg呈相反趋势，N处理显著提高糜子籽粒Glu含量，但显著减低Mg含量；N+J处理显著提高糜子Mg含量，却显著减低Glu含量。

糜子籽粒Gli含量以单施F处理最大，为  1 823.55  μg·g-1，显著高于其他处理，次之分别为N+Y和F+Y，表明有机肥无机肥配施能增加籽粒醇溶蛋白含量；以N+J处理最小，为  896.02  μg·g-1，显著低于其他处理，较最大值减小幅度达103.51%。

糜子籽粒AC以对照CK最大，为200.52   g·kg-1，显著高于其他处理，较最小值157.65   g·kg-1（F+Y处理）增加27.19%，表明施肥能显著减低糜子直链淀粉含量，从而一定程度上改善了糜子食味品质。

糜子籽粒PC以N+Y处理最大，为  15.56%，显著高于其他处理，较对照CK增加  9.19%，对照CK最小，为14.25%，说明施肥能显著提高糜子籽粒蛋白质含量，增加了糜子营养品质。

2.1.4 营养品质 由图4可以看出，糜子籽粒Ca和Fe含量都以F+Y处理最大，分别为  0.008 4%和29.53 mg·kg-1，较对照CK分别增加3.70%和5.72%，并显著高于其他处理； N+F处理的Ca含量最低，为  0.007 5%，说明无机肥N+F配施显著减低糜子籽粒的Ca含量；单施N处理的Fe含量最低，为25.13 mg·kg-1，单施F、N+F处理的Fe含量次之，表明无机肥单施及配施能显著减低糜子籽粒Fe的含量。

糜子籽粒Mg含量以N+J处理最大，为  0.108 7%，显著高于其他处理，单施N处理最低，为0.086 3%，显著低于其他处理，可见生物菌肥通过其有效活菌来改善土壤理化性质，与尿素配施来减缓氮素对Mg离子的抑制作用。

2.2 相关分析

各性状指标之间存在一定相关性（图5），Mg与Fe达到极显著正相关，值为0.68，与Glu呈显著负相关，值为-0.40；Ca与Glu和Gli达到极显著正相关，值分别0.56和0.62；AC与Gli和Ca达到极显著负相关，值分别为-0.66和  -0.50；GY和Pn达到极显著正相关，值为  0.82；PC与Gli达到显著正相关，相关系数为  0.36，与Fe呈显著负相关，为-0.36。

2.3 主成分分析

对Ca、Fe、Mg、AC、Glu、Gli、PC、Pn、GY 9个指标在11个不同施肥方式处理下进行主成分分析，Kaiser-Meyer-Olkin取样适切性量数（KMO）值为0.531，且Sig值小于0.05，表明该数据支持主成分分析。

对糜子籽粒Ca、Fe、Glu等9个品质和产量性状进行主成分分析，由表3可以看出，特征值大于1的有4个，可以选用前4个主成分进行数据分析，各特征值的大小代表各个主成分对总遗传方差的贡献，前4个主成分方差贡献率分别为31.238%、21.628%、18.499%和13.970%，并且累计方差贡献率为85.335%，说明9个原始变量85.335%的数据信息被提取出形成新的4个变量，既保留了原始信息又使数据简单化。

由表4可以得出：主成分1负荷较重的指标主要是Gli、AC和Ca，AC和Gli是评价食味品质的主要指标之一，糜子AC含量越高，为粳型糜子，口感越差；Gli含量增加，食味变差，所以主成分1可以标记为食味品质。主成分得分值以F+Y处理最高，为1.860（表5），说明F+Y处理与Gli、AC和Ca密切相关，F+Y施肥方式可以促进Gli和Ca含量的增加，而对AC含量有抑制  作用。

主成分2负荷较重的指标主要是Fe和Mg，Fe和Mg是人体所必须的微量元素，是评价糜子营养品质的主要指标之一，所以主成分2可以标记为营养品质。主成分得分值（表5）以N+J处理最高，为1.654，说明N+J处理与Fe和Mg密切相关，N+J施肥方式可以促进Fe和Mg含量的增加。

主成分3负荷较重的指标主要是GY和Pn，Pn是影响糜子产量的主要指标之一，Pn值越大，植株有机物积累量越多，从而产量越高，所以主成分3可以标记为产量指标。主成分得分值（表5）以F+Y处理最高，为1.788，说明F+Y处理与GY和Pn密切相关，F+Y施肥方式可以有效促进糜子GY和Pn增加。

主成分4负荷较重的指标主要是Glu和PC，Glu和PC含量多少是评价糜子营养品质的主要指标之一，Glu占了PC含量的80%，所以主成分4可以标记为蛋白营养品质。主成分得分值（表5）以施肥方式N+Y处理最高，为1.598，说明  N+Y处理与Glu和PC密切相关，N+Y施肥方式可以有效促进糜子PC含量的增加，对Glu含量有抑制作用。

各个主成分得分按照下列公式进行计算：  Fi=wi1X1+wi2X2+…+wijXj。

其中Fi表示第i个主成分，ωij表示第i成分第j个指标对应的成分得分系数，Xj表示第j个指标的标准化数值。

综合得分按照下列公式进行计算：F=α1F1+α2F2+…+αiFi，其中αi表示第i个主成分的权重。其中αi=λi/（∑pi=1） λi，λi为第i个主成分的贡献率，∑pi=1 λi表示i个主成分的累计贡  献率。

F1=0.112X1+0.316X2+0.029X3-  0.381X4+0.132X5+0.368X6+0.112X7+  0.0002X8+0.030X9

F2=0.467X1+0.005X2+0.470X3-0.138X4-0.227X5+0.038X6-0.137X7-  0.041X8-0.027X9

F3=-0.017X1-0.111X2-0.026X3-  0.112X4+0.082X5-0.020X6+0.057X7+  0.492X8+0.504X9

F4=-0.081X1-0.143X2+0.076X3-  0.040X4-0.543X5+0.227X6+0.626X7-  0.028X8+0.034X9

F=0.321F1+0.259F2+0.250F3+  0.170F4

由表5可以看出：綜合得分值值以F+Y处理最大，为1.061，并显著高于其他处理，对照CK值最小，为-0.954，说明复合肥和有机肥配施能显著影响糜子籽粒食味品质、营养品质和产量，不同施肥方式对品质和产量指标的影响各不相同，可以根据所需指标的不同进行合理的施肥。

3 结论与讨论

3.1 不同施肥方式对糜子品质的影响

直链淀粉含量的多少是区分粳性糜子和糯性糜子的主要指标，其含量多少直接影响糜子的营养品质和食味品质，直链淀粉含量、蛋白质含量及其组分既影响作物籽粒营养品质又影响食味品质。金正勋等[32]、王康君等[33]研究表明稻米中的直链淀粉和蛋白质含量是决定水稻蒸煮食味品质的最主要化学成分，其含量高稻米的蒸煮食味品质就变劣，随着施氮量的增加，水稻籽粒蛋白质含量增加，直链淀粉含量减低，胶稠度逐渐变短；而吴长明等[34]阐明直链淀粉含量的高低不是影响水稻食味品质的关键成分。水稻精米中主要有谷蛋白和醇溶蛋白，其含量决定了水稻的营养品质和食味品质，水稻蛋白质含量与稻米食味品质呈极显著负相关，直链淀粉含量>20%，蛋白质含量>9%的水稻往往米饭较硬，适口性差[35]。

本研究结果显示，不同施肥方式显著提高糜子籽粒蛋白质含量，但对直链淀粉含量显著减低，Hao等[36]研究得出氮肥能显著增加水稻籽粒蛋白质含量，但抑制籽粒直链淀粉的积累，与本试验研究结果基本一致。Kifayatullah等[12]指出有机肥替代50%的无机肥较单施无机肥能显著提高水稻籽粒蛋白质含量和直链淀粉含量，卞景阳等[37]研究表明有机肥替代部分无机肥有显著增加稻米直链淀粉含量和减低籽粒蛋白质含量，该结果与本试验结果不一致，本试验得出F+Y处理的蛋白质含量和直链淀粉含量显著低于单施无机肥N和F。徐令旗等[38]研究发现与无机肥相比，有机肥增加了水稻稻米蛋白质含量，减低了直链淀粉含量，这与本试验结果相反，本试验得出单施有机肥较单施复合肥和氮肥显著提高糜子籽粒直链淀粉含量，减低蛋白质含量。可能本试验以羊粪作为有机肥，而徐令旗等[38]所使用有机肥为生物炭、海藻生物有机肥、基施旺生物有机肥和凹凸棒有机肥。

Wei等[39]研究表明不同施肥方式（缓控无机肥）较对照不施肥减低水稻稻米谷蛋白和醇溶蛋白含量，这与本试验结果基本一致，本试验得出N+F无机肥处理较对照CK显著减低糜子籽粒谷蛋白和醇溶蛋白的含量。谷蛋白不影响糜米食味品质，而醇溶蛋白组分增加，糜米食味变差，可以通过增加谷蛋白含量，减低醇溶蛋白含量，在不影响糜米食味品质的前提下提高糜米的营养品质。

通过不同施肥方式对糜子营养食味品质的研究表明：不同类型肥料配比对糜子籽粒PC、AC、Glu和Gli含量各有差异，可根据不同需求来选择科学合理的施肥方式，同时继续进行不同施肥方式对胶稠度、脂肪含量、糊化温度等营养食味品质的研究。

3.2 施肥方式对糜子籽粒微量元素含量的影响

铁、钙、镁、锰、锌等是人体所必需的微量元素，参与了维生素和激素的合成、参与了人体中50%～70%的酶组分形成，对预防疾病衰老和提升营养健康具有重要作用[40]，增加饮食多样性是提高人体微量元素的主要途径[41-42]。

本试验结果表明，不同施肥方式对糜子籽粒钙镁铁含量具有显著影响， F+Y显著提高糜子籽粒Ca和Fe的含量， N+J显著提高糜子籽粒Mg的含量；单施无机肥N显著减低糜子籽粒Mg和Fe的含量，无机肥N+F配施显著减低糜子籽粒Ca的含量。Pszczókowska等[43]阐明施氮量不改变小麦籽粒钙镁的含量，但显著增加籽粒铁含量，常旭虹等[44]、姜丽娜等[45]和赵德勇[46]也发现增施氮肥有利于小麦籽粒铁的积累，而Klikocka等[47]研究报道施氮有利于春小麦钙镁的增加，Promuthai等[48]研究表明施用氮肥对水稻糙米和精米中铁含量没有显著影响，Patel等[16]指出谷子籽粒微量元素铁不受氮素处理的影响。可见不同作物籽粒钙铁镁含量对肥料的响应具有一定差异，造成不同原因可能受作物本身特性、土壤特性、气候环境的影响。有关有机无机肥配施对提高糜子籽粒微量元素含量还有待进一步系统深入。

3.3 施肥方式对籽粒产量的影响

有机肥替代部分无机肥能显著提高作物产量。张盼盼等[49-50]研究表明，有机肥（87.5   t·hm-2）与磷石膏（60 t·hm-2）配施能显著提高糜子产量和净光合速率，张磊等[29]阐明在90  kg·hm-2施氮处理下能显著提高糜子产量，表现为90  kg·hm-2> 135  kg·hm-2> 45   kg·hm-2> 0  kg·hm-2，本试验研究得出F+Y较其他处理能显著提高糜子产量和净光合速率，产量以Y+J和CK较低，且两者差异不显著。Dhanushi等[51]研究指出生物菌肥和有机肥配施显著提高大豆产量和蛋白质含量，可以作为无机肥的有效替代品，这与本试验结果不一致，可能与大豆自身具有固氮能力，能提高后期生长发育所需的氮素营养所致。

周瑜等[28]研究指出糜子产量和净光合速率随着施氮量的增加而增加，这与本试验结果基本一致。单施Y和单施J的糜子产量差异不显著，但显著高于单施N和单施F。这与朱元宏等[52]和Kifayatullah等[12]的研究结果一致。说明单施有机肥、生物菌肥通过改善土壤理化性质和增加土壤微生物含量来搭建糜子根系吸收营养的理想环境，从而促进糜子产量的增加。有机无机肥配施比例不同，对产量和品质的影响不同。Liang等[53]認为25%有机肥+75%化肥处理下烤烟品质较好，50%有机肥+50%化肥处理下烤烟产量高，与本试验结果基本一致。

本研究主要结论为施肥方式显著影响糜子产量和品质性状，以F+Y配施显著提高糜子GY、Pn、Ca和Fe含量，显著减低AC，有助于提高糜子产量，改善品质。

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Regulation Effects of Different Fertilization Ratios on Yield and Quality in Broomcorn Millet

Abstract This study aims to explore the effects of different fertilization methods on the nutrient quality，edible quality and yield of broomcorn millet.The experiment used Hequ red broomcorn millet as subject material from  Hequ，Shanxi Province in 2019. Different fertilizer ratios were used，including organic fertilizer （sheep manure），biological bacterial fertilizer，urea and compound fertilizer.We determined the quality indicators and yield of broomcorn millet under different fertilization ratios.The results showed that different fertilizer ratios significantly influenced the yield and quality characteristics of broomcorn millet，the combined application of compound fertilizer and organic （F+Y） significantly increased the grain yield（GY），net photosynthetic rate（Pn），calcium （Ca） and iron（Fe），and significantly reduced the amylose content（AC）. Correlation analysis showed that grain yield （GY） was significantly positively correlation with net photosynthetic rate （Pn） of broomcorn millet，with the value of 0.82，magnesium （Mg） was significantly positively correlation with iron （Fe） ，with the value of   0.68，amylase content （AC） was significantly negatively correlation with gliadin （Gli） and calcium （Ca），with the value of -0.66 and -0.50 respectively. The results of principal component analysis showed that each character index of broomcorn millet was divided into 4 principal components，which represented the edible quality，nutritient quality，yield index and protein nutritient quality of broomcorn millet respectively，The comprehensive score of compound fertilizer and organic （F+Y） was the highest and significantly higher than other treatments. In conclusion，the combined application of compound fertilizer（187.5 kg·hm-2） and organic fertilizer（1.5×104 kg·hm-2） is the main fertilization method for high quality and yield in broomcorn millet.

Key words Broomcorn millet; Yield; Nutrient quality; Edible quality; Fertilization methods