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谷子起源于中国,具有抗旱耐瘠、水分利用效率高、适应性广、营养丰富、营养成分均衡和饲草蛋白含量高等突出特点[1,2,3],被认为是应对未来水资源短缺的战略储备作物,在旱作农业区可持续发展、稳定粮食生产和维持膳食结构多样性等方面有着不可替代的作用[4]。神池县位于山西省西北部,主要粮食作物有谷子、玉米、马铃薯、莜麦、胡麻和豆类等。由于化学肥料养分含量高,使用方便,当地农民在作物种植过程中很少使用有机肥和微生物肥料,除马铃薯等极少数作物外,基本不施有机肥和微生物肥料。而化肥的大量施用造成土壤板结、耕地质量不断下降和农产品品质降低等一系列问题。因此,减施化肥、增施有机肥和微生物肥料对农业的可持续发展意义重大。前人关于化肥与有机肥、微生物肥料、生物有机肥的混合施用对作物产量及农艺性状的影响[5,6,7]已有研究报道。龚清世[8]研究表明,施用羊粪可以提高谷子产量及经济效益。薛仁风等[9]研究表明,合理配施生物有机肥可有效促进绿豆的生长和发育,显著提升绿豆产量。
本研究通过连续3年的田间试验,以谷子品种张杂6号为试验材料,研究了单施复合肥及与有机肥、生物有机肥和微生物菌剂配合施用对谷子产量、品质、土壤肥力及经济效益的影响,为当地谷子生产提供较为合理的施肥方案。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
山西省神池县地处晋西北黄土高原（111°~112°18′ E、38°56′~39°24′ N）,属温带大陆性季风气候。近30年气象数据资料显示,该地年平均气温5.4℃,年平均降水量为462.0mm,年平均日照时数为2 737.5h,年平均无霜期137.2d。最多风向为西风和偏西风,年平均风速3.6m/s。县境内海拔1 254~2 545m,高差达1 291m,县城海拔1 525.4m。于2017-2019年分别在山西省忻州市神池县虎北乡、东湖乡和长畛乡进行田间试验。试验田地势平坦。试验前取耕作层（0~20cm）土壤测定其基本理化性质,结果见表1。
表1 3个试验田土壤养分含量
Table 1
| 地点 Site | 有机质 Organic matter (%) | 碱解氮 Available nitrogen (mg/kg) | 速效磷 Available phosphorus (mg/kg) | 速效钾 Available potassium (mg/kg) |
|---|---|---|---|---|
| 虎北乡Hubei | 1.15 | 48.5 | 5.0 | 135.7 |
| 东湖乡Donghu | 1.69 | 66.2 | 8.8 | 145.0 |
| 长畛乡Changzhen | 1.48 | 65.7 | 5.2 | 123.0 |
1.2 试验材料
1.2.1 供试品种 供试谷子品种为张杂6号。
1.2.2 供试肥料 供试有机肥、生物有机肥、复合肥和微生物菌剂具体指标见表2。
表2 试验所用肥料
Table 2
| 肥料种类Type of fertilizer | 剂型Formulation | 技术指标Technical indicator | 功能微生物Function microbial |
|---|---|---|---|
| 有机肥Organic fertilizer | 颗粒 | 有机质≥45%,N+P2O5+K2O 5% | — |
| 生物有机肥Bio-organic fertilizer | 颗粒 | 有机质≥40%,有效活菌数（CFU）≥0.2亿/g | 枯草芽孢杆菌、胶冻样类芽孢杆菌 |
| 复合肥Compound fertilizer | 颗粒 | N+P2O5+K2O 51% | — |
| 微生物菌剂Microbial agent | 粉末 | 有效活菌数（CFU）≥2.0亿/g | 枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌 |
1.3 试验设计
试验于2017年4月-2019年10月进行。2017年和2018年均设4个施肥处理,分别为单施复合肥（CF）、1/2复合肥+有机肥（CFOF）、1/2复合肥+微生物菌剂（CFMA）和1/2复合肥+生物有机肥（CFBF）。2019年仅设1个施肥处理CFBF。试验采用随机区组设计,3次重复。行距0.5m,株距0.3m,种植密度为66 675株/hm2。具体施肥方案和试验示范面积见表3。其他种植方式及耕种管理按照当地常规大田生产进行。
表3 施肥处理及示范面积
Table 3
| 年份 Year | 处理 Treatment | 复合肥 Compound fertilizer (kg/hm2) | 有机肥 Organic fertilizer (kg/hm2) | 微生物菌剂 Microbial agent (kg/hm2) | 生物有机肥 Bio-organic fertilizer (kg/hm2) | 示范面积 Demonstration area (hm2) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2017 | CF | 600 | 0 | 0 | 0 | 4 |
| CFOF | 300 | 3 000 | 0 | 0 | 4 | |
| CFMA | 300 | 0 | 300 | 0 | 4 | |
| CFBF | 300 | 0 | 0 | 3 000 | 4 | |
| 2018 | CF | 600 | 0 | 0 | 0 | 28 |
| CFOF | 300 | 3 000 | 0 | 0 | 28 | |
| CFMA | 300 | 0 | 300 | 0 | 28 | |
| CFBF | 300 | 0 | 0 | 3 000 | 28 | |
| 2019 | CFBF | 300 | 0 | 0 | 3 000 | 112 |
1.4 测定项目和测定方法
1.4.1 农艺性状 采用五点取样法,选取植株齐整,长6.67m、宽1m的样方,测量样方中所有植株的株高、穗长和穗下茎长。
1.4.2 产量指标 待谷子成熟后,将样方中每株谷子的谷穗剪下,称量穗重;然后将谷穗晒干、去杂脱壳、称重,测算谷子产量、小米产量及出米率。
1.4.3 经济效益 不计人工投入,根据谷子种植过程中的农资投入成本和谷子市场收购价格,计算各处理组的净收入。
1.4.4 品质指标 由山西省食品工业研究所测定小米蛋白质、脂肪和淀粉含量。
1.4.5 土壤理化指标 试验前后采用“之”字形布点法,采集0~20cm土层土样,充分混匀得到土壤样品。由山西省农业科学院农业环境与资源研究所测定土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量。
2 结果与分析
2.1 不同施肥处理对谷子农艺性状的影响
如表4所示,与CF处理相比,其他3个处理均能不同程度地促进谷子植株生长。2017年,CFOF、CFMA和CFBF处理的谷子生长情况均优于CF处理,其中CFMA和CFOF处理之间差异不显著,CFBF处理的谷子株高、穗长和穗下茎长最高,分别较CF处理提高了6.1%、9.7%和5.2%。
表4 不同施肥处理对谷子农艺性状的影响
Table 4
| 处理 Treatment | 株高Plant height | 穗长Ear length | 穗下茎长Stem length below panicle | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2017 | 2018 | 平均Average | 2017 | 2018 | 平均Average | 2017 | 2018 | 平均Average | |
| CF | 134.7c | 122.2b | 128.5c | 24.0c | 21.9a | 23.0c | 110.7c | 100.3b | 105.5c |
| CFOF | 139.0b | 123.9b | 131.5b | 25.2b | 22.3a | 23.8b | 113.8b | 101.6b | 107.7b |
| CFMA | 139.5ab | 122.7b | 131.1b | 25.2ab | 22.5a | 23.9b | 114.2a | 100.2b | 107.2b |
| CFBF | 142.9a | 126.9a | 134.9a | 26.3a | 23.2a | 24.8a | 116.5a | 103.7a | 110.1a |
Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference (P < 0.05), the same below
注：同列不同小写字母表示差异显著（P<0.05）,下同
2018年,CFOF和CFMA处理的株高、穗长和穗下茎长与CF处理差异不显著,CFBF处理的谷子株高和穗下茎长与CF处理差异显著,较CF处理分别提高了3.8%和3.4%。
综合比较2017和2018年谷子的各项农艺指标,CFBF处理的谷子长势最好,其株高、穗长和穗下茎长较CF处理平均分别提高了5.0%、7.8%和4.4%。说明复合肥减半,配施有机肥、微生物菌剂和生物有机肥均能促进谷子植株生长。其中,1/2复合肥配施生物有机肥的CFBF处理效果最好。
2.2 不同施肥处理对谷子产量的影响
如表5所示,在2017年,CFBF处理谷子产量最高,CFOF处理次之,分别较CF处理提高了24.6%和12.9%;CFMA处理无增产效果,且略低于CF处理。晒干去杂脱壳后,CFBF处理小米产量和出米率较CF处理分别提高了29.2%和3.7%。在2018年,同样是CFBF处理谷子产量最高,CFOF处理次之,分别较CF处理提高了17.0%和7.9%。小米产量大小为CFBF>CFOF>CFMA>CF,其中CFBF处理较CF处理提高了22.7%,出米率大小为CFBF>CFOF>CFMA>CF,CFBF处理较CF处理提高了4.9%。
表5 不同施肥处理对谷子产量的影响
Table 5
| 年份 Year | 处理 Treatment | 谷子产量 Millet yield (kg/hm2) | 小米产量 Millet yield (kg/hm2) | 出米率 Milled rice rate (%) |
|---|---|---|---|---|
| 2017 | CF | 6 252.0 | 4 383.0 | 70.1 |
| CFOF | 7 059.0 | 4 941.3 | 70.0 | |
| CFMA | 6 243.0 | 4 432.5 | 71.0 | |
| CFBF | 7 791.0 | 5 664.1 | 72.7 | |
| 2018 | CF | 5 512.5 | 3 859.5 | 70.0 |
| CFOF | 5 950.5 | 4 225.5 | 71.0 | |
| CFMA | 5 865.0 | 4 140.0 | 70.6 | |
| CFBF | 6 405.0 | 4 734.3 | 73.4 |
2.3 不同施肥处理对谷子经济效益的影响
由表6可以看出,总收入与产量呈正比。与CF处理相比,2017年CFBF和CFOF处理的净收入增加,CFMA处理的净收入降低;2018年CFOF和CFMA处理净收入降低,CFBF处理净收入提高。从平均净收入来看,CFBF处理的平均净收入最高,较CF处理增加6.1%;CFOF处理次之,较CF处理增加2.8%;CFMA处理平均净收入低于CF处理。
表6 不同施肥处理对谷子经济效益的影响
Table 6
| 处理 Treatment | 总收入（元/hm2） General income (yuan/hm2) | 生产成本（元/hm2） Cost of production (yuan/hm2) | 净收入（元/hm2） Net income (yuan/hm2) | 平均净收入（元/hm2） Average net income (yuan/hm2) | 较CF增加 Increase than CF (%) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2017 | 2018 | 2017 | 2018 | 2017 | 2018 | |||||
| CF | 21 256.8 | 18 742.5 | 1 950.0 | 1 950.0 | 19 306.8 | 16 792.5 | 18 049.7 | - | ||
| CFOF | 24 000.6 | 20 231.7 | 3 570.0 | 3 570.0 | 20 430.6 | 16 661.7 | 18 546.2 | 2.8 | ||
| CFMA | 21 226.2 | 19 941.0 | 4 620.0 | 4 620.0 | 16 606.2 | 15 321.0 | 15 963.6 | -11.6 | ||
| CFBF | 26 489.4 | 21 777.0 | 4 980.0 | 4 980.0 | 21 509.4 | 16 797.0 | 19 153.2 | 6.1 | ||
Note: The purchase price of millet is 3.4 yuan/kg, the same below
注：谷子市场收购价为3.4元/kg,下同
2.4 不同施肥处理对谷子品质的影响
如表7所示,CFBF和CFMA处理蛋白质含量均高于CF处理,CFOF处理在2017年蛋白质含量略低于CF处理,2年CFBF处理蛋白质含量均最高,分别较CF处理提高了5.2%和27.1%。2017年CFMA和CFBF处理的脂肪含量与CF处理差异显著,分别比CF处理提高了11.1%和5.6%;2018年各处理脂肪含量均与CF处理差异显著,CFBF处理脂肪含量最高,较CF处理提高了28.1%。2017年和2018年各肥料配施处理淀粉含量均高于CF处理,表现为CFBF>CFOF>CFMA>CF,其中,CFBF处理较CF处理平均提高了4.0%。说明1/2复合肥配施生物有机肥的CFBF处理对谷子品质改善作用最好。
表7 不同施肥处理对谷子品质的影响
Table 7
| 处理 Treatment | 蛋白质Protein | 脂肪Fat | 淀粉Starch | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2017 | 2018 | 2017 | 2018 | 2017 | 2018 | |||
| CF | 9.6b | 9.6c | 3.6b | 3.2c | 62.7c | 68.3b | ||
| CFOF | 9.5b | 10.0b | 3.4b | 3.7b | 64.2b | 70.7b | ||
| CFMA | 9.7b | 10.3b | 4.0a | 3.8b | 64.0b | 68.6a | ||
| CFBF | 10.1a | 12.2a | 3.8a | 4.1a | 65.3a | 71.0a | ||
2.5 不同施肥处理对土壤理化性质的影响
如表8所示,2017年,CF处理试验后较试验前土壤有机质含量有所降低,而其他处理的土壤有机质含量较试验前土壤均显著增加,表现为CFBF>CFOF>CFMA>CF,分别较试验前提高了16.5%、13.3%和5.1%,CF处理试验后较试验前土壤有机质含量降低了11.3%;试验后的碱解氮含量表现为CFBF>CFMA>CFOF>CF,其中以CFBF处理含量最高,较试验前提高了19.9%;试验后速效磷含量表现为CFBF>CFMA>CFOF>CF,其中CFBF处理与其他处理间差异显著,CFOF和CFMA处理之间差异不显著;试验后速效钾含量表现为CFBF>CFMA>CFOF>CF,CFBF和CFMA处理之间差异不显著,但显著高于其他处理,较试验前分别提高了6.6%和5.1%。2018年,试验后有机质含量表现为CFBF>CFMA>CFOF>CF,其中CFBF和CFMA处理之间差异不显著,CFOF和CF处理之间差异不显著;试验后碱解氮含量表现为CFOF>CFMA>CFBF>CF;试验后速效磷含量表现为CFBF>CFMA>CFOF>CF,其中CFBF处理速效磷含量与CF处理差异显著,较试验前提高了13.2%;试验后速效钾含量表现为CFBF>CFMA>CFOF>CF,其中CFBF与CF处理间差异较显著,CFOF与CFMA处理之间差异不显著。综上所述,CFBF、CFMA和CFOF处理均能不同程度地改善土壤肥力,其中CFBF处理效果优于其他处理,说明生物有机肥的施用对土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的积累有积极作用。
表8 不同施肥处理对土壤养分含量的影响
Table 8
| 年份 Year | 处理 Treatment | 试验前Pre-test | 试验后Post-test | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 有机质 Organic matter (%) | 碱解氮 Available nitrogen (mg/kg) | 速效磷 Available phosphorus (mg/kg) | 速效钾 Available potassium (mg/kg) | 有机质 Organic matter (%) | 碱解氮 Available nitrogen (mg/kg) | 速效磷 Available phosphorus (mg/kg) | 速效钾 Available potassium (mg/kg) | |||
| 2017 | CF | 1.15a | 46.7a | 5.0a | 134a | 1.02c | 44.2d | 3.57c | 120c | |
| CFOF | 1.13a | 46.7a | 5.0a | 136a | 1.28b | 50.9c | 6.20b | 139b | ||
| CFMA | 1.17a | 47.0a | 5.2a | 137a | 1.23b | 52.5b | 6.48b | 144a | ||
| CFBF | 1.15a | 46.8a | 5.2a | 136a | 1.34a | 56.1a | 7.76a | 145a | ||
| 2018 | CF | 1.64a | 66.0a | 8.9a | 145a | 1.62b | 61.4c | 7.81c | 132c | |
| CFOF | 1.58a | 66.6a | 9.1a | 143a | 1.66b | 71.4a | 9.30b | 149b | ||
| CFMA | 1.71a | 65.8a | 8.8a | 142a | 1.75a | 68.9b | 9.45b | 152b | ||
| CFBF | 1.69a | 66.2a | 8.8a | 145a | 1.79a | 66.9b | 9.96a | 157a | ||
2.6 大面积示范推广与验证性试验
在2017和2018年试验的基础上,2019年选择产量最高的CFBF处理示范种植谷子112hm2（表9）,示范结果显示各项产量指标和经济效益均明显高于2017和2018年单施复合肥处理,谷子产量达7 050.0kg/hm2,小米产量为6 000.0kg/hm2,净收入为18 990.0元/hm2,出米率达到3年中最高（85.7%）。说明CFBF处理的施肥方案适宜大面积推广示范。
表9 2019年CFBF处理下谷子的产量及经济效益
Table 9
| 示范面积 Demonstration area (hm2) | 谷子产量 Grain yield (kg/hm2) | 小米产量 Millet yield (kg/hm2) | 出米率 Milled rice rate (%) | 总收入（元/hm2） General income (yuan/hm2) | 生产成本（元/hm2） Cost of production (yuan/hm2) | 净收入（元/hm2） Net income (yuan/hm2) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 112 | 7 050.0 | 6 000.0 | 85.7 | 23 970.0 | 4 980.0 | 18 990.0 |
3 讨论
缓效生物有机肥与速效化肥配合施用在马铃薯、番茄和烤烟等作物上起到了提质增效作用[10,11]。本试验在复合肥减量配施有机肥的基础上,研究了复合肥减半配施微生物菌剂和生物有机肥处理对谷子的影响。试验结果表明,改变常规施肥习惯,复合肥减半配施有机肥、微生物菌剂或生物有机肥处理均能不同程度地改善谷子的农艺性状,尤其是复合肥减半配施生物有机肥处理（CFBF）谷子株高、穗长和穗下茎长较单施复合肥处理（CF）平均分别提高了5.0%、7.8%和4.4%,这与王高鸿等[12]研究结果一致。与单施复合肥相比,复合肥减半和生物有机肥配合施用能显著提高谷子产量,增产17.0%~24.6%。复合肥减半配施有机肥处理（CFOF）也能够提高谷子的农艺性状和产量,但效果低于复合肥减半配施生物有机肥（CFBF）处理,其原因可能是复合肥配施生物有机肥既充分补充了土壤有机碳源,又添加了外源微生物,可以增加土壤微生物的数量和活性,在作物生长前期给作物提供一定的速效养分,同时在作物生长过程中微生物可通过分解土壤中的有机质和矿物质养分,不断地供作物生长需求,达到速效和长效兼有的效果[13,14]。
谷子籽粒脱皮后的小米是一种高营养的暖性食物[15],含有丰富的营养物质,包括碳水化合物、维生素、淀粉、脂肪、蛋白质和氨基酸等[16]。蛋白质含量是判断小米质量好坏的重要品质因子之一,谷子的蛋白质含量变幅为8.06%~19.21%,高于其他禾谷类作物[17]。脂肪含量也是判断小米质量好坏的重要品质因子之一。小米的主要可食部分淀粉含量在60%左右,直接影响小米的食用品质和加工品质[18]。杨军学等[19]研究得出,鸡粪、猪粪和牛粪等有机肥的施用对蛋白质和脂肪含量均有不同程度的提高。本试验结果表明,复合肥减半配施生物有机肥处理（CFBF）对谷子品质的改善效果较显著,蛋白质、脂肪和淀粉含量较单施复合肥处理（CF）分别提高了16.1%、16.2%和4.0%。
化肥虽然可以短期内解决作物对养分的需求,但对农田土壤质量的影响也是难以逆转的[20]。长期大量地施用化肥会造成土壤耕作层变浅、土壤营养元素失调、土壤板结和有机质含量下降等问题,影响农业生态平衡,限制农业增产,降低农业可持续生产力。本试验以单施复合肥为对照,设置复合肥减半配合施用有机肥、微生物菌剂和生物有机肥处理,结果表明,3种肥料配施处理均能够不同程度地改良土壤性质,其中复合肥减半配施生物有机肥的施肥处理效果最佳,土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量较试验前均有显著增加,这与孙薇等[21]的研究结果相似。其原因可能是,生物有机肥中既含有有机质,又含有有益菌,而有机肥和微生物菌剂分别只含有有机质和有益菌;生物有机肥中的大量有机质能够提高土壤肥力,为土壤中的微生物代谢提供能源,对土壤中氮的矿化有激发作用,有利于土壤中磷和钾的积累[22,23];生物有机肥中的有益菌大量繁殖,并且活化土壤中的微生物,有利于固定和释放土壤养分[24,25];本试验所用生物有机肥中的胶冻样类芽孢杆菌具有很强的解磷解钾作用,可以将土壤中的无效态磷和钾转化为植物可吸收态的磷和钾。
4 结论
复合肥减半配施有机肥、微生物菌剂和生物有机肥均能促进谷子植株生长。其中,1/2复合肥配施生物有机肥处理的谷子长势最好,其株高、穗长和穗下茎长较单施复合肥处理均有所提高。1/2复合肥配施生物有机肥处理下的小米产量和出米率较单施复合肥处理均有不同程度的提升,同时对谷子品质改善作用最好。1/2复合肥配施生物有机肥、1/2复合肥配施微生物菌剂和1/2复合肥配施有机肥处理均能不同程度地改善土壤肥力,1/2复合肥配施生物有机肥处理效果优于其他处理,生物有机肥的施用对土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的积累有积极作用。因此,从谷子产量、品质和收入等方面综合考虑,神池县当地的谷子生产应选择“300kg/hm2复合肥+3 000kg/hm2生物有机肥”的施肥方案。
