盧華雨 ，張星星 ，文新亞 ，曹增強 ，史明睿 ，高 巖 ，陳 阜

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)作制度重點實驗室，北京 100193；2.永定河流域投資有限公司，北京 100193）

谷子是起源于我國的古老作物，是我國北方地區(qū)主要糧食作物之一[1]。谷子脫殼后為小米，與水稻、小麥等主糧作物相比，不僅富含脂肪、蛋白質(zhì)、膳食纖維、維生素及各種微量元素，并且含有豐富的生物活性物質(zhì)，對人體具有多種保健作用[2]。目前，我國谷子播種面積約為133.3 萬hm2[3]，山西省作為谷子的主產(chǎn)區(qū)之一，近10 a 來谷子種植面積基本穩(wěn)定保持在20.00 萬～26.67 萬hm2[4]。谷子生產(chǎn)和食用在山西省有幾千年的歷史，在糧食作物中一直占據(jù)重要的地位，為農(nóng)民增收致富發(fā)揮了重要的作用[5]。但農(nóng)戶為了實現(xiàn)高產(chǎn)盲目施用大量的化肥，如尿素、磷酸一銨、過磷酸鈣等[6]。長期過量施用化肥不僅會浪費肥料，而且促使植物體內(nèi)積累過多的硝酸鹽、亞硝酸鹽，并吸收大量的重金屬元素，導(dǎo)致作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降，并通過食物鏈最終在人體內(nèi)富集[7]。近年來，隨著生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展，我國農(nóng)田有機肥的施用比例正在逐步上升，有機肥具有緩效性[8]，并且含有氮、磷、鉀、有機質(zhì)、氨基酸及各種微量元素，為作物生長提供充足養(yǎng)分[9]，進而改善作物品質(zhì)和提升產(chǎn)量[10]，還可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用。因此，合理施用有機肥是提升作物產(chǎn)量和品質(zhì)的有效措施。

微生物菌肥和堆肥是當(dāng)前使用較多的生物有機肥，微生物菌肥通常是將作物有益微生物菌群（EM 菌）接種到有機肥料中，作為基肥施用到土壤中[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、革蘭氏陰性菌群等10 多個屬80 多種微生物[12]。堆肥主要是借助微生物功能，經(jīng)過高溫發(fā)酵等技術(shù)將人畜糞便、作物秸稈等進行好氧堆肥，在較短的時間內(nèi)完全發(fā)酵、腐熟、無害化處理，形成商品性有機肥料[13]。合理施用微生物菌肥與堆肥可以提高土壤肥力水平，豐富作物根際微生物，增強作物對營養(yǎng)的吸收與轉(zhuǎn)化能力，從而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[14]。張玉平等[14]通過田間小區(qū)試驗研究發(fā)現(xiàn)，施用豬糞源堆肥能夠有提升玉米—小白菜輪作系統(tǒng)的生產(chǎn)力，玉米和小白菜的產(chǎn)量都有所增加，并且顯著提升作物對鉀、磷肥的利用率。高菊生等[15]研究發(fā)現(xiàn)，選擇腐熟牛糞與化肥配施能夠持續(xù)保持水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，稻谷總產(chǎn)量較單施化肥平均提高了14.5%。司海麗等[16]通過2 a 定位試驗發(fā)現(xiàn)，有機肥施用量在15 000～30 000 kg/hm2對玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素促進效果最佳。目前，在半干旱地區(qū)進行有機肥替代化肥施用對谷子高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)作用的研究較少。

本試驗選擇在谷子種植中施用不同種類有機肥，探究不同種類肥料對谷子產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，明確在旱作條件下有機肥對當(dāng)?shù)毓茸赢a(chǎn)量和品質(zhì)的影響，旨在為有機肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的推廣提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021年5—10月在山西省大同市云州區(qū)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)有機旱作試驗站吉家莊鄉(xiāng)古定橋村進行。該區(qū)屬于溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，年均降水量在400～500 mm，降水多集中在夏季，年平均氣溫6.4 ℃。日照時數(shù)在2 485～2 965 h，無霜期125 d 左右。試驗地土壤為栗鈣土，耕層土壤的有機質(zhì)為0.87%，全氮為0.07%，有效磷為8.02 mg/kg，速效鉀為119 mg/kg，pH 值為8.41。

1.2 試驗材料

供試谷子品種為山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院谷子研究所選育的長雜2 號。供試肥料：牛糞源堆肥（含氮量≥1.5%）由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院生物質(zhì)中心提供，微生物菌肥（含氮量≥5%）購買于山東勁牛肥料有限公司，復(fù)合肥是從當(dāng)?shù)剞r(nóng)資公司購買的史丹利復(fù)合肥（含氮量≥25%）。

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，共設(shè)3 個施肥處理，即T1.960 kg/hm2復(fù)合肥；T2.30 000 kg/hm2堆肥；T3. 9 000 kg/hm2微生物菌肥。小區(qū)面積為50 m2（10 m×5 m），每個處理設(shè)4 次重復(fù)，所有肥料于播種前全部基施，后期不再施用。

試驗于2021年5月5日完成播種，采用起壟種植方式。壟溝寬40 cm，壟寬60 cm，每壟種植2 行，播種方式為機械穴播，每穴播種5～10 粒，株距為20 cm。播前灌溉一次底墑水，其他管理措施與當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田保持一致。

1.4 測定項目及方法

各個小區(qū)選取10株谷子植株進行相關(guān)農(nóng)藝性狀（株高、莖粗、節(jié)長、穗粗）的測定。谷子成熟后考種測定產(chǎn)量，同時將谷子籽粒去殼后測定其營養(yǎng)品質(zhì)。

每個小區(qū)選取10 m 雙行的所有谷子，將其谷穗剪下自然風(fēng)干至恒質(zhì)量時，脫粒稱質(zhì)量（含水量低于13%），然后折算為每公頃產(chǎn)量。

粗脂肪含量采用索氏抽提法測定；粗蛋白含量采用凱氏定氮法測定；總氨基酸含量采用分光光度法測定；直鏈淀粉含量采用紫外可見分光光度計法測定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010 軟件進行原始數(shù)據(jù)的初步統(tǒng)計，采用SPSS 19.0 統(tǒng)計學(xué)軟件進行統(tǒng)計分析，使用LSD 法進行方差分析和多重比較（P<0.05），使用Origin 2019 繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種類肥料對谷子株高、莖粗、節(jié)長的影響

不同種類肥料對谷子株高、莖粗、節(jié)長的影響如表1所示。

表1 不同種類肥料對谷子株高、莖粗、節(jié)長的影響Tab.1 Effects of different fertilizers on plant height，stem diameter，and node length of millet

由表1可知，3種肥料對谷子的株高、莖粗、節(jié)長的影響各不相同。T3處理下谷子的株高為159.59 cm，較T1、T2 處理分別顯著降低3.38%、5.68%（P<0.05）。T2、T3 處理較T1 處理能夠顯著提升谷 子的莖粗，提升幅度分別達(dá)到12.5%和18.0%（P<0.05），但T2 與T3 處理間無顯著差異，其中，T3 處理的莖粗表現(xiàn)最優(yōu)。T3 處理下節(jié)長為5.56 cm，較T1、T2處理分別顯著降低12.5%、11.8%（P<0.05）。谷子的株高、莖粗和節(jié)長3 個農(nóng)藝性狀對于群體抗倒伏性非常重要，其中T3（微生物菌肥）處理能得到較低株高、節(jié)長以及較粗的莖粗，該處理下谷子群體結(jié)構(gòu)較優(yōu)，能夠提升整體的抗倒伏能力，為谷子高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和提升品質(zhì)奠定良好的基礎(chǔ)。

2.2 不同種類肥料對谷子穗部性狀的影響

由表2 可知，T3 處理下能夠獲得相對較優(yōu)的穗粗，但與T1、T2 處理間無顯著差異（P>0.05）；穗長在T3 處理下表現(xiàn)較優(yōu)，均值達(dá)到了27.73 cm，較T1 和T2 處理分別顯著增加了16.12%、9.04%（P<0.05），但T1 和T2 處理間差異不顯著。T3 處理下谷子的單穗質(zhì)量、穗粒質(zhì)量和千粒質(zhì)量都顯著高于T1 和T2 處理，其中，T3 處理下單穗質(zhì)量的表現(xiàn)最優(yōu)，達(dá)到了30.49 g，此外穗粒質(zhì)量和千粒質(zhì)量較T1和T2 處理分別增加了32.47%、23.93%和12.55%、12.10%。谷穗的大小、形態(tài)等指標(biāo)與谷子株型和產(chǎn)量密切相關(guān)，其中單穗質(zhì)量和單穗粒質(zhì)量是構(gòu)成產(chǎn)量的重要因子，因此，研究谷子穗部性狀具有重要意義，3 種肥料處理下，微生物菌肥處理下谷子穗部性狀的表現(xiàn)最優(yōu)，說明微生物菌肥可改善谷子穗部性狀，對谷子增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)十分有利。

表2 不同種類肥料對谷子穗部性狀的影響Tab.2 Effects of different fertilizers on spike traits of millet

2.3 不同種類肥料對谷子產(chǎn)量的影響

不同種類肥料對谷子產(chǎn)量的影響如圖1 所示。

圖1 不同種類肥料對谷子產(chǎn)量的影響Fig.1 Effects of different fertilizers on millet yield

由圖1 可知，T3 處理下谷子的產(chǎn)量達(dá)到最高（6 831.43 kg/hm2）,較T1 和T2 處理分別顯著增加了6.05%和4.80%，但T1（6 441.73 kg/hm2）與T2（6 518.33 kg/hm2）處理間無顯著差異，說明微生物菌肥對谷子產(chǎn)量的增產(chǎn)效果優(yōu)于復(fù)合肥和堆肥。

2.4 不同種類肥料對谷子籽粒營養(yǎng)品質(zhì)的影響

由表3 可知，T2 處理下谷子籽粒中粗脂肪的含量最高，依次為T2>T1>T3（P<0.05），其中，T2處理較T1 和T3 處理分別顯著增加了35.00%、52.54%（P<0.05）。籽粒中總氨基酸含量在T2 處理下達(dá)到最高，并顯著高于T1 和T3 處理。T2 處理下籽粒粗蛋白質(zhì)含量最高，直鏈淀粉含量是最低，但與T1 和T3 處理間均無顯著差異。粗脂肪、總氨基酸和粗蛋白質(zhì)的含量是小米重要的營養(yǎng)指標(biāo)，其含量的高低決定了谷子的營養(yǎng)價值。直鏈淀粉是小米重要的蒸煮品質(zhì)，直鏈淀粉含量低，米飯黏性大、軟糯且有光澤。因此，堆肥處理下谷子籽粒中粗脂肪、總氨基酸和粗蛋白質(zhì)含量均較高，且直鏈淀粉含量低，說明該處理下能夠獲得較高的營養(yǎng)品質(zhì)及較優(yōu)的蒸煮品質(zhì)。

表3 不同種類肥料對籽粒品質(zhì)的影響Table 3 Effects of different fertilizers on grain quality of millet g/100 g

3 結(jié)論與討論

山西省作為我國重要的雜糧作物生產(chǎn)基地，雜糧作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)對于國家糧食安全和農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[17]。作物農(nóng)藝性狀和經(jīng)濟性狀是影響作物產(chǎn)量的重要因素之一，也是衡量施肥效果的重要指標(biāo)。株高、莖粗、穗粗、穗長等性狀共同作用影響作物生長發(fā)育進程，最終會影響谷子的產(chǎn)量。本研究表明，施用有機肥相較于常規(guī)化肥能夠顯著改善谷子的農(nóng)藝性狀、經(jīng)濟性狀和產(chǎn)量，這與楊軍學(xué)等[18]的研究結(jié)果一致，該研究發(fā)現(xiàn)，豬糞肥處理下的谷子農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量構(gòu)成因素和生物量表現(xiàn)是最優(yōu)的，其中，豬糞處理下谷子的株高、穗長的平均值分別達(dá)141.6、52.9 cm，且豬糞處理下谷子產(chǎn)量構(gòu)成因素，如穗質(zhì)量、穗粒質(zhì)量和千粒質(zhì)量都最高，說明豬糞處理在促進谷子產(chǎn)量構(gòu)成方面優(yōu)勢較為明顯。韓飛等[19]在不同肥料種類對鹽堿地谷子生長的研究中也得出相近的結(jié)論，商品有機肥高量（6 000 kg/hm2）替代化肥處理下抽穗期的株高、莖粗、穗長、穗粗皆顯著高于習(xí)慣施肥處理，表明有機肥高量替代化肥可促進谷子的生長發(fā)育和產(chǎn)量的形成。前人研究證實，施用有機肥在谷子等雜糧作物上有增產(chǎn)提質(zhì)的效果，在玉米[20]、小麥[21]、水稻[22]等主糧作物上也有較多研究。朱利霞等[23]對玉米的研究發(fā)現(xiàn)，生物有機肥替代化肥能獲得更高的產(chǎn)量。陳歡等[24]對小麥通過長期定位試驗研究發(fā)現(xiàn)，配施豆餅肥的增產(chǎn)效果最佳，并且配施有機肥的產(chǎn)量趨勢線始終高于常規(guī)化肥，這說明施用有機肥更加有利于產(chǎn)量的穩(wěn)定性與生產(chǎn)可持續(xù)性。

籽粒品質(zhì)是決定谷子價值的重要參考指標(biāo)[25]。一般來說，谷子籽粒品質(zhì)的優(yōu)劣主要受品種的遺傳特性決定，但也與使用肥料種類密切相關(guān)。有機肥養(yǎng)分含量齊全，基本包含了植物生長必需的16 種營養(yǎng)元素，能夠滿足作物整個生育期的養(yǎng)分需求，進而能夠有效改善谷子的籽粒品質(zhì)。本研究表明，施用有機肥使得谷子籽粒中總氨基酸和粗脂肪的含量顯著提高（P<0.05），但谷子籽粒中蛋白質(zhì)與直鏈淀粉含量并無明顯變化。該結(jié)果與楊軍學(xué)等[18]、李俊文等[26]研究結(jié)果基本一致，楊軍學(xué)等[18]研究發(fā)現(xiàn)，豬糞肥、雞糞肥的施用均能不同程度提高谷子籽粒中蛋白質(zhì)和粗脂肪的含量。李俊文等[26]研究發(fā)現(xiàn)，不同施肥處理下粗蛋白質(zhì)的含量均高于對照組，其中施用有機肥處理下粗蛋白質(zhì)、粗淀粉和粗脂肪含量均最高，相較于對照組分別提升了13.07%、2.79%、9.62%，說明施用有機肥對改善谷子營養(yǎng)品質(zhì)提升效果最為明顯。通過1 a 的田間試驗發(fā)現(xiàn)，在晉北地區(qū)施用有機肥能夠改善谷子的農(nóng)藝性狀，進而獲得更高的產(chǎn)量和更優(yōu)的籽粒品質(zhì)，因此，在晉北地區(qū)逐步推行有機肥替代化肥是具有可行性的。