甘啤大麥氮素積累與分配模型模擬

彭飛,高曉陽,楊志平,劉佳,賀大偉,侯寶華,楊建青,王明磊,武季玲

(甘肅農(nóng)業(yè)大學，甘肅 蘭州　730070)

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甘啤大麥氮素積累與分配模型模擬

彭飛,高曉陽,楊志平,劉佳,賀大偉,侯寶華,楊建青,王明磊,武季玲

(甘肅農(nóng)業(yè)大學，甘肅 蘭州730070)

【目的】 探明啤酒大麥氮素積累與轉(zhuǎn)運分配的關(guān)系.【方法】 以甘肅啤酒大麥‘甘啤5號’‘甘啤6號’和‘甘啤7號’為材料，在施氮量分別為7.5 g/m2、15 g/m2、22.5 g/m2并分區(qū)正交試驗條件下，研究了大麥莖、葉和穗氮素積累和轉(zhuǎn)運分配模型并進行了回歸分析.【結(jié)果】 施氮量不同，從揚花期到成熟期大麥葉片、莖稈、穗穎以及籽粒中氮含量變化顯著.隨著施氮量的增加，大麥氮素積累和轉(zhuǎn)運量呈近似直線上升的趨勢，但在施氮量超過15 g/m2之后，氮素積累和轉(zhuǎn)運趨向飽和.氮素轉(zhuǎn)運貢獻率隨施氮水平的提高呈二次曲線型變化規(guī)律，營養(yǎng)器官對籽粒氮的貢獻率在58.23%至64.58%之間.【結(jié)論】 本試驗條件下，甘啤大麥合理施氮量為15.81～16.51 g/m2.

啤酒大麥；施肥水平；氮含量；氮素分配模型

啤酒大麥是釀造啤酒的主要原料之一.我國每年大約種植生產(chǎn)200多萬t的啤酒大麥，在西北地區(qū)，特別是甘肅和新疆的種植面積較大[1].氮素是植物必不可少的營養(yǎng)元素，也是作物產(chǎn)品的重要組分.大麥氮素的吸收積累和向籽粒運轉(zhuǎn)的特性是提高大麥產(chǎn)量、提升大麥品質(zhì)和提高氮素利用率的基礎(chǔ)，因此有必要研究不同品種施氮量與啤酒大麥產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)的相互關(guān)系及規(guī)律.目前有關(guān)學者對于小麥和水稻等農(nóng)作物的氮素積累轉(zhuǎn)運以及產(chǎn)量影響做了大量的研究[2-10].但是關(guān)于大麥特別是西部大麥氮素分配模型的研究報道還相對較少.本研究擬以釀酒啤麥蛋白質(zhì)含量為參考標準，擬探明啤酒大麥氮肥施用水平與氮素積累及轉(zhuǎn)運分配關(guān)系，即提高產(chǎn)量又滿足釀造品質(zhì)要求，為啤酒大麥合理施肥提供科學依據(jù).

1　材料與方法

1.1品種及試驗設(shè)計

選用甘肅啤酒大麥主栽品種‘甘啤5號’‘甘啤6號’和‘甘啤7號’為試驗材料，于2013～2014年連續(xù)2個生長季在甘肅農(nóng)業(yè)大學實驗地進行田間試驗，土壤類型為灰褐土，土壤肥力中等，地力均勻，人工條播，行距25 cm.5月播種,其他栽培管理同大田.‘甘啤5號’‘甘啤6號’和‘甘啤7號’分開種植，均分為A、B、C 3塊區(qū)域，分別施以7.5、15、22.5 g/m23種水平的氮肥，各處理選取長勢一致且同一天開花的植株掛標簽予以樣本標記,分別在開花期、花后1周、2周、3周、4周和成熟期隨機采取標記植株樣品9株,用水沖洗干凈,分為葉片(包括黃葉和綠葉)、莖鞘、穗(成熟期取)等不同部位,105 ℃下殺青0.5 h,80 ℃下烘干48 h稱干質(zhì)量.各部位樣品用凱氏定氮—半微量蒸餾法測定含氮量.大麥成熟(7月中旬)后,每小區(qū)收獲長勢均勻的大麥1平方米計株數(shù)、穗數(shù),人工脫粒,測產(chǎn)量.

1.2測定與分析方法

于大麥開花期、開花后1～4周每周和成熟期共6次，選取植株樣本洗凈烘干后粉碎，用凱氏定氮法測定各器官的全氮含量，計算氮素積累、轉(zhuǎn)運及對籽粒氮素積累貢獻率.數(shù)據(jù)分析處理方法如下[10]：

氮素積累量=植株營養(yǎng)器官干質(zhì)量×植株營養(yǎng)器官含氮量；

氮素轉(zhuǎn)運量=開花期營養(yǎng)器官氮素積累量-成熟期營養(yǎng)器官氮素積累量；

氮素轉(zhuǎn)運率(%)=氮素轉(zhuǎn)運量/開花期營養(yǎng)器官氮素積累量×100%；

氮素貢獻率(%)=氮素轉(zhuǎn)運量/成熟期籽粒氮素積累量×100%.

由于大麥從土壤里吸收的氮在其各器官中的分布狀態(tài)，是氮素分配與運轉(zhuǎn)綜合作用的結(jié)果.為簡化分配模型研究，本試驗假設(shè)在大麥抽穗開花前氮素以吸收分配過程為主，抽穗后以再分配為主[12].

2　結(jié)果與分析

2.1大麥葉片氮素含量變化規(guī)律

不同大麥品種植株葉片各時期氮素含量變化測試結(jié)果如表1所示.在同一個時期里，隨著施氮水平的提高，‘甘啤5號’葉片中的氮素含量相應增加，‘甘啤5號’A區(qū)施氮肥處理的氮素含量明顯低于其他施氮肥處理，B區(qū)和C區(qū)之間的差距不明顯.同樣，另外2個品種的變化趨勢也與此基本一致.從大麥開花后開始到成熟期，甘啤大麥葉片中氮素含量呈現(xiàn)持續(xù)下降的變化趨勢，開花后3～4周下降速率加快，成熟期下降到了最低.大麥葉片氮素從開花到成熟持續(xù)降低，說明在大麥抽穗開花后，簡化模型假設(shè)條件成立，葉片氮素逐漸外運，氮素積累量小于外運量.

表1　不同品種大麥植株葉片各時期氮素含量Tab.1　N content of leaves in different barley variety　(mg·g-1)

2.2大麥莖鞘氮素含量變化規(guī)律

不同品種大麥植株莖鞘各時期氮素含量變化測試結(jié)果如圖1所示.3種大麥莖鞘的氮素含量變化規(guī)律也是基本相同的，開花后，氮素含量在莖鞘中呈現(xiàn)持續(xù)下降的變化趨勢，開花后的前兩周下降速率相對比較快，直到成熟期氮素含量下降至最低值.莖鞘氮素含量開花后持續(xù)下降趨勢說明抽穗以后是莖鞘氮素外運時期簡化分配模型假設(shè)條件成立，氮素進行了轉(zhuǎn)運和再分配.另外，不同品種各試驗區(qū)的施氮量水平對氮素的利用、吸收和轉(zhuǎn)運影響不顯著.

圖1　不同品種大麥植株莖鞘各時期氮素含量變化曲線Fig.1　N content of Leaf sheaths in different barley variety

2.3穗穎氮素含量變化規(guī)律

不同品種大麥植株穗穎各時期氮素含量見圖2.3個品種的氮素變化基本保持一致，大麥穗穎的氮素含量的變化趨勢是持續(xù)下降，開花后的1～2周下降速率最快，一致保持下降到成熟期最低值.穗穎氮素含量開花后迅速下降，成熟期氮含量下降至最低值，反映出灌漿期是穗穎氮素外運時期，前述試驗假設(shè)條件成立，穗穎氮素進行了實際轉(zhuǎn)運和再分配.

試驗結(jié)果表明，不同施氮量對蛋白質(zhì)積累有顯著影響.當施氮量為7.5 g/m2時，3種品種成熟時蛋白質(zhì)含量約為10%；當施氮量為15 g/m2，成熟期蛋白質(zhì)含量約為12%，滿足國家優(yōu)質(zhì)啤酒大麥的品質(zhì)要求；當施氮量為22.5 g/m2時，籽粒蛋白質(zhì)含量大于14%，高于啤麥品質(zhì)標準要求.

圖2　不同品種大麥植株穗穎各時期 氮素含量變化Fig.2　N content of ears in different barley variety

2.4甘啤大麥氮素轉(zhuǎn)運變化規(guī)律

不同品種大麥以及不同施氮量處理條件下甘啤大麥氮素積累和轉(zhuǎn)運結(jié)果見表2和圖3.

隨著施氮量的增加，氮素轉(zhuǎn)運量呈現(xiàn)近似直線上升的趨勢，施氮量22.5 g/m2處理條件下的‘甘啤7號’籽粒成熟期氮素積累量最高，為418.92 mg；施氮量7.5 g/m2處理條件下的‘甘啤5號’籽粒成熟期氮素積累量最低，為177.48 mg.穗穎的氮素轉(zhuǎn)運率最高，莖鞘次之，葉片最低.

由圖3可以看出，‘甘啤5號’‘甘啤6號’以及‘甘啤7號’中氮素從營養(yǎng)器官轉(zhuǎn)運到籽粒的總貢獻率在58.23%到64.58%之間，表明籽粒中的氮素大部分是由大麥的其他營養(yǎng)器官中轉(zhuǎn)運過來，其余部分是通過根系從土壤中吸收而來.而各營養(yǎng)器官轉(zhuǎn)運到籽粒中的氮素比重最大，葉片次之，穗穎最低.通過氮素總貢獻率的比較，施氮量15 g/m2處理條件下的‘甘啤7號’貢獻率最高，氮素總貢獻率為64.58%，施氮量7.5 g/m2處理條件下的‘甘啤5號’貢獻率最低，氮素總貢獻率為58.23%.3種啤酒大麥對籽粒的總貢獻率都呈現(xiàn)先高后低的趨勢，并且都以‘甘啤7號’的貢獻率最高.回歸分析各品種對籽粒的貢獻率y與施氮量x的關(guān)系方程見表4，呈現(xiàn)二次曲線.本研究最高貢獻率時的施氮量范圍為15.81～16.51 g/m2.

表2　不同品種大麥植株各器官轉(zhuǎn)運情況及成熟期籽粒氮素積累量Tab.2　N transshipment of each organ and accumulation of grain in different barley variety

表3　不同品種大麥氮素貢獻率與施氮量的關(guān)系方程Tab.3　Regression equation between contribution and N application rate

圖3　不同品種大麥各營養(yǎng)器官的 氮素貢獻率Fig.3　N contribution ratio of each organ in different barley variety

綜上所述，在各個時期中，隨著施氮量提高，‘甘啤5號’‘甘啤6號’和‘甘啤7號’葉片、莖鞘、穗穎的氮含量都逐漸增加；在抽穗開花后的不同時期里，氮素從葉片、莖鞘、穗穎中逐漸向籽粒中轉(zhuǎn)運，各營養(yǎng)器官中的氮素含量開始降低；而且葉片的氮素貢獻率高于莖鞘.本研究中3個品種的氮素貢獻率呈現(xiàn)先高后低的趨勢，經(jīng)回歸分析得出結(jié)論，將施氮量控制在15.81～16.51 g/m2的范圍內(nèi)，能夠讓氮素貢獻率達到61.15～64.67%，并且3個品種籽粒蛋白質(zhì)含量也都符合國家優(yōu)質(zhì)啤酒大麥標準的要求.

3　討論

國內(nèi)主要農(nóng)作物如水稻和小麥等已對氮素積累與轉(zhuǎn)運分配有較多研究，環(huán)境因素和自身的品質(zhì)會影響小麥的氮素轉(zhuǎn)運率.Campbell等研究得出[12]，小麥中營養(yǎng)器官對籽粒的氮素貢獻率是莖鞘最大，葉片次之，穗穎最低.這與本研究得出結(jié)論相同，可知甘啤大麥與小麥氮素分配上有相似之處.增加施氮量，有利于冬小麥植株吸收氮素[13]，但是過量施氮，作物的產(chǎn)量反而會降低.蔡劍等[1]研究表明，南方大麥產(chǎn)量和施氮量是呈現(xiàn)二次曲線的關(guān)系.開花后大麥氮素積累比小麥高出很多，而且根據(jù)國家標準優(yōu)質(zhì)啤酒大麥籽粒中蛋白質(zhì)含量不宜過高，歐洲釀造協(xié)會更要求大麥蛋白質(zhì)含量不高于11.5%[14-15].

本試驗與小麥研究結(jié)果基本一致.由于本試驗以甘肅甘啤系列啤酒大麥為試驗品種進行研究，其他不同品種啤酒大麥的氮素轉(zhuǎn)運貢獻率最高時相應施氮量水平是否都相同以及營養(yǎng)器官中氮素分配變化規(guī)律等問題，還需進一步深入研究.

致謝：感謝甘肅省農(nóng)業(yè)科學院大麥原料研究所提供試驗品種‘甘啤5號’‘甘啤6號’和‘甘啤7號’.

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(責任編輯李辛)

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

彭飛(1990-)，男，碩士研究生，主要從事大麥氮素分配的研究.E-mail:984793932@qq.com

高曉陽，男，教授，主要從事農(nóng)業(yè)工程檢測與智能控制技術(shù)及系統(tǒng)研究.E-mail:gaoxiao1081@sina.com

國家自然科學基金項目(61164001);甘肅省教育廳高等學?？蒲杏媱濏椖?1102-07);甘肅省干旱生境作物學重點實驗室開放基金課題(1102-11).

2015-04-15；

2015-05-13

S 512.3+1

A

1003-4315(2016)04-0032-05