包奇軍, 潘永東, 張華瑜, 柳小寧, 張東佳, 趙峰

(甘肅省農業(yè)科學院經濟作物與啤酒原料研究所, 蘭州 730070)

農業(yè)可持續(xù)性發(fā)展和環(huán)境保護是當今世界現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的兩大主題[1]。長期以來,因過量施用氮、磷肥導致地表氮、磷養(yǎng)分的流失量較大，不僅降低了養(yǎng)分利用效率和施肥效益，同時也提高了徑流水中養(yǎng)分含量，對地表和地下水環(huán)境均構成了較大威脅[2-4]。因此，在保證作物收益的前提下、優(yōu)化施肥管理、減少肥料投入、提高肥料利用率、降低環(huán)境污染成為當前農業(yè)生產的主要挑戰(zhàn)。近年來，優(yōu)化環(huán)境及肥料利用效率，控減施肥量化研究已逐漸成為眾多學者研究的熱點，有關減量施用的研究多以水稻種植為主[5-6]，在馬鈴薯、玉米、小麥等作物減量施肥研究大多以常規(guī)施肥量為基礎。尹梅等[7]研究結果表明，馬鈴薯減施90%K(30%+60%)處理產量與100% K處理產量沒有顯著差異。彭鈺潔等[8]研究表明，與常規(guī)施氮量比較,在 85%施氮量下,玉米幼苗根系分泌物中的α-葡萄糖、蘋果酸、亮氨酸、纈氨酸水平顯著增加。趙亞南等[9]研究表明，與常規(guī)施肥相比，減量施肥下小麥干物質轉運量、轉運率及其對籽粒灌漿的貢獻率增加28.5%、17.5%和20.7%，氮肥偏生產力、農學效率和表觀回收率提高79.2%、69.1%和27.9%，磷肥偏生產力、農學效率和表觀回收率提高91.1%、72.7%和68.5%。位高生等[10]研究表明，蜜柚較當前氮磷施用量下氮肥減量 30%，磷肥減量 35%具有增產和明顯改善果實品質的效果。啤酒大麥為啤酒工業(yè)的主要原料，施肥量對啤酒大麥產量及品質有很大影響，因此，啤酒大麥上主要集中在施肥量對產量和品質的影響[11-14]，而減量施肥對干物質積累和肥料利用效益等尚未見報道。

適度從源頭上減少氮、磷養(yǎng)分的投入量, 科學降低氮、磷的排放，既能控制農田生態(tài)環(huán)境的污染，又能保持農業(yè)可持續(xù)發(fā)展和農田生態(tài)環(huán)境建設[15-17]。結合國家農業(yè)農村部提出農業(yè)“一控(嚴格控制農業(yè)用水)、兩減(減少化肥和農藥使用量)、三基本(畜禽糞便、農作物秸稈、農膜基本資源化利用)”的要求，本文研究了減量施肥對甘肅省農科院選育的高產優(yōu)質啤酒大麥‘甘啤7號’生長發(fā)育、干物質積累、產量、品質、肥料利用率的影響，以期優(yōu)化西北啤酒大麥施肥措施、為實現(xiàn)化肥零增長的目標提供理論和技術依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為甘啤7號，由甘肅省農業(yè)科學院經濟作物與啤酒原料研究所提供。氮肥用尿素(N46%甘肅劉化集團有限公司)，磷肥用磷酸二銨(N 16%、P2O546%，云南三環(huán)中化化肥有限公司)。

籽粒蛋白質采用1241 Grain analyzer(FOSS TECATOR)近紅外儀測定，千粒重采用百分之一天平測定，飽滿度采用分級篩(SORTIMAT PFEUFFER)測定，單株莖、葉、葉鞘等干物質質量用萬分之一分析天平測定。

1.2 試驗條件

試驗于2016年、2017年在甘肅省農業(yè)科學院武威市黃羊鎮(zhèn)啤酒大麥試驗基地進行。黃羊鎮(zhèn)代表河西東部平川灌區(qū)，海拔1 766 m，年日照時數(shù)2 360～2 920 h，年平均氣溫6.0～7.0 ℃，年降水量200～260 mm，無霜期135～150 d。土壤為灌漠土，耕層(0～20 cm)有機質1.71 %，全氮1.00 g·kg-1，全磷0.87 g·kg-1，全鉀38.5 g·kg-1，速效氮70.3 mg·kg-1，速效磷35.4 mg·kg-1，pH 8.30，前茬作物大麥，地力均勻，屬中等肥力，水澆地。

1.3 試驗設計

試驗設4個處理，分別為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)和對照CK(當?shù)爻Ｒ?guī)施肥，N 150 kg·hm-2+P2O5150 kg·hm-2)。小區(qū)面積50 m2(10 m×5 m)，重復3次，處理間加2 m保護行，保護行中間起壟(壟寬0.5 m，壟高0.25 m),以便澆水，防止串肥。播種量按450萬粒/hm2計算，肥料均作基肥播種前一次性施入。5月初第一水、6中旬第二水，其余田間管理同當?shù)卮筇铩?/p>

1.4 測試指標與方法

在啤酒大麥抽穗期每一個小區(qū)隨機選取株高相近，穗子大小基本相同且同一天抽穗的50個單穗掛牌，分別在抽穗揚花期和成熟期成熟后取20個單穗的地上部，分成營養(yǎng)體和籽粒兩部分，在80 ℃下烘至恒重，用萬分之一分析天平測定其干物質質量。收獲時按小區(qū)實際面積收獲計算產量，并且在每一個小區(qū)隨機取樣20株進行考種，用于株高、穗長、莖節(jié)長度以及莖、葉、葉鞘等干物質質量測定。脫粒后取樣進行籽粒品質檢測分析，籽粒品質由甘肅省農業(yè)科學院西北啤酒大麥及麥芽品質檢測實驗室檢測分析。

1.5 計算方法

花前貯藏干物質轉運量(kg·hm-2)=抽穗揚花期干重-成熟期營養(yǎng)器官干重[18]

花后同化物輸入籽粒量(kg·hm-2)=成熟期籽粒干重-營養(yǎng)器官花前貯藏干物質轉運量[18]

氮素農學效率(kg·kg-1)=(施氮處理籽粒產量-不施氮處理籽粒產量)/施氮量[19]

氮偏生產力(kg·kg-1)=施肥小區(qū)產量/施氮量[20]

經濟系數(shù)=籽粒干重/地上部干重

1.6 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007進行數(shù)據(jù)整理，應用DPSv6.85軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 減量施肥料對啤酒大麥生育期的影響

從表1看出，減量施肥對啤酒大麥出苗期、拔節(jié)期無影響。從孕穗期開始隨著施肥量減少孕穗期、抽穗期、成熟期均較正常施肥提前，其中T1較對照孕穗期提前1 d，抽穗期提前2 d，成熟期提前3 d；T2與T3生育期基本一致，抽穗期較對照提前1 d，成熟期較對照提前1 d，即減量施肥對啤酒大麥營養(yǎng)生長進程無明顯影響，但對啤酒大麥生殖生長具有明顯影響，生殖生長不同階段均提前，生育期較正常施肥縮短。

表1 減量施肥下啤酒大麥生育期 Table 1 Growth period of barley under reducing fertilizer treatments

2.2 減量施肥料對啤酒大麥植株不同器官的影響

2.2.1減量施肥對啤酒大麥穗長及莖節(jié)長度的影響 大麥株高是由穗長及各莖節(jié)組成，從圖1可以看出，減量施肥抑制啤酒大麥生長發(fā)育，隨著施肥量的減少，大麥株高、穗長和各莖節(jié)長度均不同程度受抑制。其中對T1處理影響最大，其次為T2，對T3影響最小。即減量施肥抑制啤酒大麥生長發(fā)育，其中對穗下第一莖節(jié)、第二莖節(jié)、第三莖節(jié)影響較大，對第四、第五、第六莖節(jié)影響較小，并且隨著施肥量的減少對大麥株高、穗長和各莖節(jié)長度影響越大。

圖1 減量施肥對啤酒大麥穗長及莖節(jié)長度的影響Fig.1 Influence of reducing fertilizer treatments on the length of barley ear and the stipes

2.2.2減量施肥對啤酒大麥單穗不同功能葉葉片干物質質量的影響 從圖2可以看出，減量施肥同樣抑制啤酒大麥不同功能葉生長發(fā)育，其中對旗葉葉片干物質質量影響最大，依次為倒二葉、倒三葉、倒四葉、倒五葉，對倒六葉葉片干物質質量影響不大。并且隨著施肥量減少，啤酒大麥不同功能葉葉片干物質質量影響越大。

圖2 減量施肥對啤酒大麥單穗不同功能葉葉片干物質質量的影響Fig.2 Influence of reducing fertilizer treatments on dry matter of barley leaf

2.2.3減量施肥對啤酒大麥單穗不同葉鞘干物質質量的影響 減量施肥抑制啤酒大麥葉鞘的生長發(fā)育，致使啤酒大麥葉鞘干物質質量降低(圖3)，其中對旗葉葉鞘干物質質量重影響最大，其次為倒二葉葉鞘，再次為倒三葉葉鞘，倒四葉葉鞘、倒五葉葉鞘，對倒六葉葉鞘無影響。并且隨時施肥量的減少，對啤酒大麥葉鞘干物質質量影響越大。

圖3 減量施肥對啤酒大麥不同葉鞘干物質質量的影響 Fig.3 Influence of reducing fertilizer treatments on dry matter of barley leaf sheath

2.2.4減量施肥對啤酒大麥不同莖節(jié)干物質質量的影響 從圖4可以看出，減量施肥抑制啤酒大麥植株莖節(jié)生長發(fā)育，致使啤酒大麥不同莖節(jié)干物質質量降低，隨著施肥量減少，對不同莖節(jié)干物質質量影響增大，其中對T1影響最大，其次為T2、T3。

圖4 減量施肥對啤酒大麥不同莖節(jié)干物質質量的影響Fig.4 Influence of reducing fertilizer treatments on dry matter of barley stem nodes

表2 減量施肥對啤酒大麥單穗地上各器官干物質質量及占總干物質質量的比例Table 2 Ratios of various organs dry weight and total dry weight in reducing fertilizer treatments

2.2.5減量施肥對啤酒大麥單穗地上各器官干物質質量及占總干物質質量影響 從表2可以看出，減量施肥啤酒大麥地上部穗、籽粒、葉、葉鞘、莖節(jié)等干物質質量均較對照降低，但差異不顯著。從兩年試驗結果看，減量施肥葉片干物質質量降幅最大，其次為葉鞘干物質質量、再次莖稈干物質和穗干物質質量，籽粒干物質質量降幅差異不大。從不同處理看，T1干物質質量降幅最大，降幅達15.35%，其中葉干物質質量降幅為21.56%，莖稈干物質質量降幅為19.19%，葉鞘干物質質量降幅為17.13%，穗和籽粒干物質質量降幅為12.86%和6.56%；T2干物質質量降幅次之，為10.68%，其中葉干物質質量降幅為18.38%，莖稈干物質質量降幅為15.05%，葉鞘干物質質量降幅為13.20%，穗和籽粒干物質質量降幅分別為7.67%和3.98%；T3干物質質量降幅為3.61%，其中葉干物質質量降幅為10.13%，葉鞘干物質質量降幅為9.28%，莖稈干物質質量降幅為4.65%，穗和籽粒干物質質量降幅分別為1.48%和1.18%；兩年趨勢基本一致，但年際間降幅不同，其中葉、葉鞘、莖節(jié)等干物質質量降幅2016年大于2017年度；穗和籽粒干物質質量降幅2016年小于2017年度。

綜上，減量施肥抑制啤酒大麥莖、葉、葉鞘、穗、籽粒生長發(fā)育，植株總的綠葉面積減少，植株總的光合產物減少，導致植株地上部穗、籽粒、葉、葉鞘、莖節(jié)等干物質質量降低。

2.3 減量施肥對啤酒大麥產量性狀的影響

從兩年結果看(表3)，基本苗隨著施肥量減少較對照增加，兩年平均T1為433.50 萬·hm-2，較對照提高11.43%，T2為427.50萬·hm-2，較對照提高9.91%，T3為399.00 萬·hm-2，較對照提高2.58%，對照為388.95萬·hm-2，年際間趨勢基本一致，但2016年處理之間差異不顯著，2017年處理間差異達顯著水平；分蘗成穗數(shù)隨施肥量減少明顯較對照降低，年際間趨勢基本一致，且差異達極顯著水平，其中T1為693.15 萬穗·hm-2，較對照降低17.07%，T2為755.85 萬穗·hm-2，較對照降低9.57%，T3為812.10萬穗·hm-2，較對照降低2.84%，對照為835.80萬穗·hm-2；隨著施肥量減少穗粒數(shù)減少，兩年趨勢一致且差異不顯著，穗粒數(shù)T1為21.8粒，較對照降低11.76%，T2、T3分別為22.5、23.4粒，對照為24.7粒。減量施肥千粒重均高于對照，T1最高為49.8 g，T2為48.7 g，T3為47.4 g，對照為45.6 g，且差異達顯著水平；隨著施肥量的減施，啤酒大麥倒伏顯著降低，年際間趨勢基本一致，且差異達極顯著水平。

表3 減量施肥下啤酒大麥主要產量性狀及產量Table 3 Yield components of barley under reducing fertilizer treatments

從產量看，減量施肥明顯降低啤酒大麥產量，各處理產量均較對照減產，年際間趨勢一致差異均達極顯著水平，兩年平均T1為5 385.60 kg·hm-2，較對照減產38.31%，其次為T2為6 839.01 kg·hm-2，較對照減產21.66%，T3為8 136.41 kg·hm-2，較對照減產6.8%；減量施肥提高啤酒大麥經濟系數(shù)，但差異不顯著。

減量施肥提高啤酒大麥出苗率、千粒重、植株抗倒伏能力和經濟系數(shù)，但分蘗成穗數(shù)成穗數(shù)明顯降低，導致產量明顯降低。但經濟系數(shù)較對照提高，說明減施氮磷肥對啤酒大麥生物學產量影響大于對經濟產量影響。

從影響產量的三因素成穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重看,減量施肥對成穗數(shù)影響最大，其次為千粒重、最后為穗粒數(shù)。

2.4 減量施肥對啤酒大麥原麥品質的影響

減量施肥對啤酒大麥蛋白質含量影響(表4)極顯著，隨著施肥量減少，籽粒蛋白質含量呈降低趨勢，年際間趨勢一致，且處理間差異達極顯著水平，其中T1蛋白質含量為10.8%，較對照降低1.7個百分點，降幅為13.60%，T2蛋白質含量為11.6%，較對照降低0.9個百分點，降幅為7.20%，T3蛋白質含量為12.1%，較對照降低0.4個百分點，降幅為3.6%。

表4 減量施肥對啤酒大麥原麥品質Table 4 Quality of barley under reducing fertilizer treatments

隨著施肥量減少，啤酒大麥籽粒千粒重呈上升趨勢，差異達顯著水平，年際間區(qū)域基本一致，其中T1千粒重為49.8 g，較對照增加4.2 g，增幅為9.21%；T2千粒重為48.7 g，較對照增加3.1 g，增幅為6.69%；T3千粒重為47.4 g，較對照增加1.8 g，增幅為3.84%。

減量施肥對啤酒大麥飽滿度(腹徑≥2.5 mm)有顯著影響，隨著施肥量的減少，飽滿度(腹徑≥2.5 mm)呈上升趨勢，其中T1為94.2%，較對照增加6.4個百分點，增幅為7.13%，T2為94.2%，較對照增加5.1個百分點，增幅為5.67%，T3為91.7%，較對照增加2.6個百分點，增幅為2.9%，年際間趨勢基本一致，但2016處理之間差異顯著水平，2017年處理間差異達極顯著水平。從籽粒原麥品質看，各處理籽粒原麥品質均達國家優(yōu)級標準。

2.5 減量施肥對籽粒產量形成與肥料效率的影響

從表5可以看出，隨著施肥量減少，花前貯藏干物質轉運量減少，對籽粒貢獻率也隨之減少，花前貯藏干物質轉運量對籽粒貢獻率在8.17%～20.08%之間，而花后同化物輸入籽粒的輸入量隨施肥量的減少而減少，但對籽粒的貢獻率增加，對籽粒的貢獻率在79.92%～91.83%之間，年際間變化基本一致，且處理間差異顯著。表明產量的形成主要源于花后同化物的輸入，減量施肥降低了大麥花前貯藏干物質的轉運量和花后同化物對籽粒的輸入量，同時減量施肥降低花前貯藏干物質對籽粒的貢獻，提高花后同化物對籽粒貢獻，但花前貯藏干物質的轉運量顯著大于花后同化物對籽粒的輸入量，從而降低大麥產量。

表5 減量施肥下啤酒大麥肥料效率Table 5 Fertilizer use efficience of barely under reducing fertilizer treatments

氮肥農學效率是評價作物施肥成效和產量水平的重要指標之一，反映了氮素從源到籽粒庫的分配比例和施肥對光合產物的影響。隨著施肥量減少，氮素農學效率和氮肥偏生產力提高，年際間趨勢基本一致。2016年氮素農學效率之間差異顯著，2017年氮素農學效率之間差異不顯著，但兩年氮肥偏生產力各處理之間差異均達極顯著水平。說明在減量施肥處理下，大麥能夠通過自身調節(jié)更為有效地利用肥料中的氮。

2.6 減量施肥對啤酒大麥經濟效益的影響

減量施肥對啤酒大麥經濟效益影響極顯著(表6)，隨著施肥量減少，各處理總產值，純收益、產投比均較對照降低，年際間趨勢基本一致，且差異達極顯著水，其中T1純收益較對照降低4 246.21元·hm-2，降幅達54.97%，產投比降低0.53，降幅達24.14%，T2純收益較對照降低2 777.23元·hm-2，降幅達29.45%，產投比降低0.23，降幅為10.34%，T3純收益較對照降低685.34元·hm-2，降幅達7.27%，產投比降低0.02，降幅為0.69%。從經濟效益看，減量施肥不利于產量形成，降低收益，但從生態(tài)效益看，減量施肥可以節(jié)省化肥用量，綜合經濟效益和生態(tài)效益看，適當減量施肥對純收益無顯著影響，不僅能降低肥料肥投入量，還有助于提高肥料的利用率和產投比。

表6 減量施肥下啤酒大麥經濟效益Table 6 Economic benefits of barely production under reducing fertilizer treatments

3 討論

3.1 減量施肥影響啤酒大麥生長發(fā)育和干物質積累

氮素是植物體內蛋白質、核酸和葉綠素的組成成分，當?shù)爻渥銜r，植物可合成較多的蛋白質，促進細胞的分裂和增長，缺氮往往表現(xiàn)為生長緩慢，植株矮小，禾本科作物則表現(xiàn)為分孽少。磷是植物體內核酸、蛋白質和酶等多種重要化合物的組成元素，可以促進作物生長。作物缺磷時，表現(xiàn)為生長遲緩、產量降低。作物生長過程中所需要的氮磷主要由根系吸收提供，土壤的氮磷含量顯著影響著根系對氮素的吸收[21-22]，從而影響作物的生長發(fā)育。研究結果表明，減量施肥影響啤酒大麥生長發(fā)育和干物質的積累，減量施肥下啤酒大麥孕穗期、抽穗期、成熟期均對照提前，株高、穗長和各莖節(jié)長度均較對照縮短，葉、葉鞘、莖稈、籽粒等干物質質量均較對照降低，分蘗成穗數(shù)顯著低于對照，且隨著施肥量減少影響越大，但出苗率、籽粒千粒重和植株抗倒伏能力均較對照明顯提高。

3.2 減量施肥影響啤酒大麥產量和品質

干物質積累因作物種類、品種、環(huán)境因素和栽培管理措施的不同而存在較大差異[23-25]。而干物質積累是產量形成的基礎，直接影響作物產量和品質的形成[26-27]。研究結果表明，減量施肥均較對照減產，兩年平均T1為5 385.60 kg·hm-2，較對照減產38.31%，其次為T2為6 839.01 kg·hm-2，較對照減產21.66%，T3為8 136.41 kg·hm-2，較對照減產6.8%，處理間差異達極顯著水平，兩年趨勢基本一致。從影響產量的三因素成穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重看，減量施肥對成穗數(shù)影響最大且差異達極顯著水平，其次為千粒重、最后為穗粒數(shù)但差異不顯著。從籽粒品質看減量施肥籽粒蛋白質含量降低，千粒重上升， 飽滿度(腹徑≥2.5 mm)增大，而且品質均較對照有明顯改善，主要因為土壤養(yǎng)分含量少，成穗主要依靠主穗成穗，成穗數(shù)降低，每個籽粒獲得的養(yǎng)分充足，千粒質量升高，這與前人研究結果一致[6-10]。

3.3 減量施肥影響啤酒大麥產量形成與肥料效率

籽粒灌漿物質來源包括花前合成貯藏于營養(yǎng)器官并在花后轉移到籽粒的同化物，以及花后合成直接運移至籽粒的光合產物[28]。本研究結果表明，花前貯藏干物質轉運量對籽粒貢獻率在8.17%～20.08%之間，而花后同化物輸入籽粒的輸入量對籽粒的貢獻率在79.92%～91.83%之間。表明產量的形成主要源于花后同化物的輸入，減量施肥降低了大麥花前貯藏干物質的轉運量和花后同化物對籽粒的輸入量，同時減量施肥降低花前貯藏干物質對籽粒的貢獻，提高花后同化物對籽粒貢獻，因花前貯藏干物質的轉運量顯著小于花后同化物對籽粒的輸入量，從而降低大麥產量，致使總產值、純收益、產投比均較對照降低。因此,適當降低氮磷肥施用量是提高其肥料利用率的途徑之一，但施肥量過低，會導致產量嚴重降低，所以在啤酒大麥生產中必需二者兼顧。

隨著施肥量減少，氮素農學效率和氮肥偏生產力提高，氮肥偏生產力各處理之間差異均達極顯著水平。說明在減量施肥處理下，大麥能夠通過自身調節(jié)更為有效地利用肥料中的氮，而每千克氮肥生產的籽粒也高于對照。這與前人研究結果一致，彭鈺潔等[6]適當減施肥油菜氮、磷肥料利用率均有所提高，部分處理效果明顯達到了顯著水平，李恩堯等[29]和趙士誠等[30]研究結果均表明，減量施肥后玉米產量沒有顯著降低，肥料利用率反而略有增加。