施用有機肥對谷子產量、品質及經濟效益的影響

夏凡 李翠芳 王志剛 王超 宋曉彥 孫晶京 穆婷婷 楊武德 馮美臣

摘要：為研究有機肥對谷子產量、品質及經濟效益的影響，采用大田試驗，以晉谷57 為試驗材料，設置不施肥（T0，為對照）、化肥（常規(guī)施氮量180 kg/hm2，T1）、有機肥6 250 kg/hm2 （T2）、有機肥8 750 kg/hm2 （T3）和有機肥11 250 kg/hm2 （T4）共5 個處理，對比分析不同處理下谷子的產量及產量構成因素、品質和生物活性物質，并進行成本和效益核算，以期為谷子合理施用有機肥和發(fā)展有機旱作農業(yè)提供技術支撐。結果表明，不同處理下谷子產量為3 025.25～6 265.20 kg/hm2，其中，T3 處理產量為6 265.20 kg/hm2，較T0 處理顯著提高。Pearson 相關分析法分析產量與產量構成因素發(fā)現(xiàn)，產量與穗長、穗粗、單穗粒質量、單穗質量、千粒質量和出谷率呈極顯著正相關。從谷子籽粒品質來看，T1～T4 處理均可以改善籽粒品質，T3 處理下的蛋白質、脂肪和淀粉含量增幅最高，分別較對照增加1.74%、0.76% 和7.28%；T3 處理還顯著提高了籽粒中多酚、黃酮和葉酸含量。由于肥料投入較低，T2 處理下的經濟效益最高，與T0 處理相比提高8 157.80 元/hm2。施用有機肥對提高谷子產量、改善籽粒品質和提高籽粒生物活性物質含量均有一定的促進作用，8 750 kg/hm2有機肥對谷子產量、籽粒品質和生物活性物質效果最佳，可作為有機肥推薦使用量。

關鍵詞：谷子；有機肥；產量；品質；經濟效益

中圖分類號：S515 文獻標識碼：A 文章編號：1002?2481（2023）03?0278?07

谷子（Setaria italica（L.） Beauv.）又稱粟，是我國最古老的栽培作物之一[1]，其籽粒含有蛋白質、淀粉、脂肪、多酚和黃酮類物質等多種營養(yǎng)成分。除營養(yǎng)方面外，谷子作為一種無麩質谷物，對于控制糖尿病和降低血糖具有重要作用[2]。同時谷子具有抗旱性強、對水分利用率高和耐瘠薄等特點，被譽為“鐵桿莊稼”，是旱作農業(yè)中重要作物，在旱作農業(yè)和維持膳食結構多樣性等方面發(fā)揮著重要作用[3-4]。但在谷子種植過程中，為追求經濟效益，盲目過量施用化肥和噴藥，造成資源浪費和環(huán)境污染等問題，而且導致土壤理化性質變差，降低谷子產量和品質[5]。因此，提高土壤有機質含量，改善土壤環(huán)境，對于我國谷子產業(yè)發(fā)展和綠色農業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

有機肥具有肥效長久、營養(yǎng)全面、有機質豐富等特點，能夠改善土壤肥力，同時也減少了化肥的施用，為農業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供有力保障[6-7]。增施有機肥可以為作物生長提供營養(yǎng)，提高作物抗病能力，從而增加作物產量和收入[8]。目前，國內外學者對有機肥改善作物產量和品質方面進行了大量研究。王曉娟等[9]對旱地玉米施用不同用量的有機肥，發(fā)現(xiàn)有機肥處理可提高玉米產量，增加收益，同時對土壤蓄水保墑效果也較明顯。張尚沛等[10]研究發(fā)現(xiàn)，施用不同來源的腐熟有機肥對糜子的產量、生物產量和葉面積指數均有顯著影響。楊軍學等[1]研究發(fā)現(xiàn)，不同有機肥均可提高谷子產量，改善品質，但各類有機肥的增產效果不同。韓飛等[11]探究不同施肥模式對鹽堿地谷子生長的影響，結果表明，施用有機肥可增加谷子產量。楊永青等[12]對谷子進行連續(xù)3 a 的施肥試驗，結果表明，施用有機肥對谷子產量、品質和經濟效益均有所提高。何嬌等[13]研究施用有機肥對甜玉米品質的影響，發(fā)現(xiàn)施用有機肥后可提高玉米籽粒淀粉、可溶性糖和蛋白質含量。王樹瓊等[14]用有機肥替代化肥，研究小麥產量和經濟效益的差異，結果表明，有機肥替代化肥可提高小麥產量，增加凈收益。可見，目前有機肥研究主要集中在增施有機肥對土壤養(yǎng)分和肥力及作物生長情況方面，如土壤理化性質、土壤酶活性、作物生物性狀和產量等，而針對有機肥的施用量對谷子產量、品質、生物活性物質及經濟效益的綜合研究較少。

本研究通過開展有機肥的施用對谷子產量、籽粒品質和生物活性物質的效應研究，在保證谷子生長發(fā)育及經濟效益的基礎上，探求適合山西谷子種植的施肥量，減少化肥的使用，以期為谷子合理施用有機肥和發(fā)展有機旱作農業(yè)提供技術支撐。

1材料和方法

1.1 試驗材料

供試谷子品種為晉谷57，由山西農業(yè)大學經濟作物研究所提供。供試有機肥為復合微生物菌劑，有效活菌數≥2.0 億個/g，有機質≥60%，含氮（N）1.6%，氮（N）+磷（P2O5）+鉀（K2O）為5%?；蕿槟蛩兀?6%N），中國石油天然氣股份有限公司生產。

1.2 試驗地概況

試驗于2020—2021 年在山西省晉中市太谷區(qū)山西農業(yè)大學申奉試驗站（37?25 ′N，112?35 ′E）進行。供試土壤為灰褐土，2020 年0～20 cm 土層pH 值為7.67，有機質含量為17.86 g/kg，全氮含量為2.38 g/kg，速效磷含量為9.49 mg/kg，速效鉀含量為167.46 mg/kg。2021 年0～20 cm 土層pH值為7.54，有機質含量為18.86 g/kg，全氮含量為2.68 g/kg，速效磷含量為10.69 mg/kg，速效鉀含量為186.46 mg/kg。

1.3 試驗設計

試驗采用單因素完全隨機區(qū)組設計，共設置5 個施肥處理：T0（不施肥，為對照）、T1（化肥，常規(guī)施N 量180 kg/hm2）、T2（有機肥，6 250 kg/hm2）、T3（有機肥，8 750 kg/hm2）、T4（有機肥，11 250 kg/hm2），各處理重復3 次，小區(qū)面積為3 m×5 m，四周設置保護行，行距60 cm，株距10 cm。在每年的5 月播種，同年10 月收獲，田間管理與當地農戶常規(guī)田間管理相同。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 產量及產量構成因素的測定 于谷子成熟期，每個小區(qū)取1 m2長勢均勻的谷子進行測產。每個小區(qū)隨機取10 株長勢均勻的植株測定穗長、單穗質量、穗粗、單穗粒質量和千粒質量，計算出谷率。

出谷率= 糙米粒質量/穗質量× 100% （1）

1.4.2 籽粒品質的測定 蛋白質含量采用凱氏定氮法測定，含氮量乘以系數6.25 為蛋白質含量[15]。脂肪含量利用SZF-06C 脂肪測量儀進行測定[16]。淀粉含量使用蒽酮比色法測定[17]。

1.4.3 籽粒生物活性物質的測定 多酚的提取及測定：利用超聲波輔助提取籽粒多酚[18]，采用Folin-Ciocalteu（FC）比色法進行測定，以沒食子酸為標準樣品[19]。黃酮的提取及測定參考文獻[20]進行。葉酸的提取及測定參考文獻[21]進行，用北京冬歌博業(yè)生物科技有限公司生產的ELISA 葉酸檢測試劑盒進行檢測。

1.4.4 經濟效益分析 根據當年谷子的實際產量與收購價格，計算產出值；根據當年種子、肥料、農藥、人工、農機作業(yè)等投入，計算生產成本費用；產出值減去生產成本費用即為經濟效益。

產出值=籽粒產量×谷子單價（2）

生產成本費用（元）=種子成本+肥料成本+農藥成本+人工成本+農業(yè)作業(yè)費（3）

1.5 數據分析

試驗使用Microsoft Excel 2010 整理數據，Origin 2019 進行繪圖，SPSS 26.0 軟件進行數據統(tǒng)計分析，采用Duncan 法進行差異顯著性分析。

2結果與分析

2.1 不同處理對谷子產量及產量構成因素的影響

由表1 可知，與T0 處理相比，化肥和有機肥處理顯著提高了產量，穗長、穗粗、單穗粒質量、單穗質量、千粒質量及出谷率也顯著提高，T1 較T0 處理分別增加53.68%、9.72%、5.87%、19.39%、11.47%、4.12%和7.01%。與化肥T1處理相比，有機肥T2～T4處理下的產量與產量構成因素均有所提高，隨著有機肥用量的增加，產量及穗長、穗粗、單穗粒質量、單穗質量、千粒質量、出谷率均先增加后減少。其中，T3處理對谷子產量及穗長、穗粗、單穗粒質量、千粒質量、出谷率影響較大，較T1 處理分別提高34.76%、5.67%、10.60%、11.42%、7.70%、15.02% 和3.60%，且與T0 和T1 處理間差異顯著（P<0.05）。

2.2 產量與產量構成因素的相關性分析

采用Pearson 相關分析法分析產量與產量構成因素的相關性結果如表2 所示。

由表2 可知，谷子產量與穗長、穗粗、單穗粒質量、單穗質量、千粒質量和出谷率均呈極顯著正相關（P<0.01），其相關系數分別為0.939、0.955、0.960、0.949、0.653 和0.695；穗長與單穗質量、穗粗、單穗粒質量和出谷率均呈極顯著正相關，穗長與千粒質量存在顯著正相關；單穗質量與穗粗、單穗粒質量呈極顯著正相關，穗粗與單穗粒質量、出谷率呈極顯著正相關；出谷率與單穗質量和單穗粒質量呈極顯著正相關，因此，提高單穗質量與穗粒質量可提高出谷率。

2.3 不同處理對谷子籽粒品質的影響

谷子籽粒蛋白質、脂肪和淀粉含量是衡量其品質的重要指標。不同施肥量對谷子籽粒品質的影響如圖1 所示。

由圖1 可知，隨著有機肥施用量的增加，蛋白質、脂肪和淀粉含量均先增加后減少。蛋白質和淀粉含量由高到低排序為T3>T2>T1>T4>T0，T1～T3 處理間差異不顯著，說明化肥處理與有機肥處理均能提高籽粒蛋白質和淀粉含量，但有機肥T3 處理對籽粒蛋白質和淀粉含量提高幅度更大。有機肥處理下的籽粒脂肪含量與化肥處理間差異顯著（P<0.05），且T3 處理下最大，表明適量施用有機肥可改善谷子籽粒品質。

2.4 不同處理對谷子籽粒生物活性物質的影響

從圖2 可以看出，對谷子施肥后能明顯提高其籽粒生物活性物質，隨著有機肥施用量增加，多酚、黃酮和葉酸含量隨著提高，當達到一定范圍后不再增加。其中，T3 處理對多酚、黃酮和葉酸含量影響最明顯，分別為53.80、16.06 mg/100 g 和2.50 μg/g。與T0 處理相比，T3 處理的多酚、黃酮和葉酸含量分別提高7.4%、8.0% 和33.0%。

2.5 不同處理下谷子經濟效益分析

谷子以4.4 元/kg，農機費以900 元/hm2，種子費以40 元/kg（播種量22.5 kg/hm2），尿素以2.7 元/kg，有機肥以800 元/t 計算。

從表3 可以看出，T0、T1、T2、T3 和T4 處理的年凈收益分別為11 511.10、17 599.46、19 668.90、18 766.88、13 334.04 元/hm2。其中，T2 處理下的年凈收益最大，其次為T3 處理，而T0 處理的年凈收益最低。從經濟角度看，施用有機肥處理（6 250 kg/hm2）獲得的年凈收益最高，T4 處理生產成本最高，但經濟效益高于T0 處理，在發(fā)展可持續(xù)農業(yè)中仍具有推廣價值。

3結論與討論

有機肥在農業(yè)生產中應用較多，有機肥不僅含有作物生長發(fā)育所需的有機、無機營養(yǎng)成分，而且能夠改善土壤中的微量元素結構，調節(jié)土壤酸堿度，使植物能夠正常生長發(fā)育并提高產量[22]。有研究表明，施用有機肥對作物產量有增產效果[23-27]。

本研究中，發(fā)現(xiàn)施用化肥和有機肥均可以提高谷子產量，與對照相比，8 750 kg/hm2的有機肥增產幅度最大，這與杜鳳霞等[28]研究結果相似。原因可能在于化肥屬于速效養(yǎng)分，植物可以快速吸收并利用，營養(yǎng)生長期快速生長并消耗大量養(yǎng)分，導致生殖生長期養(yǎng)分不足；有機肥屬于緩效養(yǎng)分，植物吸收慢，營養(yǎng)生長期養(yǎng)分消耗慢，生殖生長期養(yǎng)分充足，加快籽粒的形成，提高產量[29]。而且有機肥中含有作物所需元素和大量微生物等活性物質，不僅為作物提供營養(yǎng)物質，又可以促進土壤中其他營養(yǎng)成分的分解，以供作物生長利用[30-31]。但過量施用有機肥不能達到明顯增產的效果，導致年凈收益降低，這可能是因為過量施用有機肥時伴隨著土壤致病微生物數量的增加[32]，土壤養(yǎng)分流失，谷子不能完全吸收，不利于谷子的營養(yǎng)生長。增產的實質是提高穗長、單穗質量、單穗粒質量和出谷率，產量與構成因素相關性分析表明，穗長、單穗質量、單穗粒質量和出谷率對谷子產量有影響作用，增加穗粒質量和穗質量可提高出谷率，這與張霞等[33]的研究結果一致。

籽粒品質形成的生理代謝過程復雜，環(huán)境條件如光、溫、水、肥和病害等均對籽粒品質的形成產生重要影響。而施肥是谷子生產管理的重要環(huán)節(jié)，有機肥在分解過程中，不僅釋放養(yǎng)分有利于植物吸收，還可產生多種激素，促進作物光合作用，促進光合產物的產生，增強光合作用產物向籽粒運輸的能力，使胚乳中存有充足的蛋白質、脂肪和淀粉等物質，從而賦予籽粒優(yōu)良的品質[34]。ZHANG 等[35]研究表明，施用有機肥不僅提高水稻產量，對于品質也有改善作用。本研究中施用有機肥的谷子籽粒蛋白質、脂肪和淀粉含量與對照相比，有明顯差異，且大于對照處理。其中，施用8 750 kg/hm2 的有機肥效果明顯較好。同時高量有機肥（11 250 kg/hm2）的施用降低了蛋白質、脂肪和淀粉含量，這可能是因為施用高量有機肥易影響土壤酸堿環(huán)境，這必然引起谷子品質的改變[36]。說明在適量有機肥條件下谷子吸收養(yǎng)分的能力和光合作用的提高，有利于改善籽粒品質。

本研究結果表明，適量有機肥的施用不僅提高谷子籽粒蛋白質、脂肪和淀粉含量，對籽粒多酚、黃酮和葉酸形成也具有促進作用，顯著增加多酚、黃酮和葉酸含量，這與前人結果一致[37]。這可能是與有機肥中含有大量的腐殖質、有機質養(yǎng)分及多種激素等生長調節(jié)物質有關，它們在植物代謝過程中起到重要作用。此外，有機肥中含有大量鉀元素，鉀能增強植物光合作用，促進碳水化合物的合成、運輸和貯存，促進植物生長發(fā)育[38]，進而增強合成活性物質的次生代謝過程，有利于植物體內有效成分的合成與積累[39]。但有機肥對谷子籽粒生物活性物質合成的影響機制研究較少，未來還有待探究。從產量和品質角度看，施用8 750 kg/hm2 的有機肥對增加產量和改善品質效果明顯較好。但從經濟效益方面分析，本試驗中，各處理經濟效益存在差異，施用6 250 kg/hm2 的有機肥年凈收益最高，施用11 250 kg/hm2的有機肥年凈收益僅高于化肥處理，與沈金林[40]的研究結果相似。因此，在谷子生產中要因地制宜，合理施肥才能達到增產和增收的效果；在追求高產的過程要切合實際，使效益增收達到最優(yōu)。

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