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小麦-玉米轮作体系下长期定位秸秆还田对籽粒产量及品质的影响

2017-01-17刘锦涛刘树堂陈延玲南镇武袁铭章陈晶培

华北农学报 2016年6期
关键词:粗脂肪氮肥籽粒

辛 励,刘锦涛,刘树堂,陈延玲,南镇武,袁铭章,陈晶培

(青岛农业大学 资源与环境学院,山东 青岛 266109)

小麦-玉米轮作体系下长期定位秸秆还田对籽粒产量及品质的影响

辛 励,刘锦涛,刘树堂,陈延玲,南镇武,袁铭章,陈晶培

(青岛农业大学 资源与环境学院,山东 青岛 266109)

以莱阳潮土区长期定位秸秆还田小麦-玉米轮作为研究对象,探讨秸秆还田条件下施用氮肥以及单施有机肥对小麦、玉米产量以及籽粒品质的影响。采用氨基酸组成分析法、半微量凯氏定氮法以及残余法,对不同秸秆还田施肥处理下籽粒品质做出分析,得出2季秸秆还田施氮肥(WCN)处理小麦、玉米籽粒粗脂肪含量较1季秸秆还田施氮肥(WN)处理显著提高5.72%和9.49%。秸秆所占比例越大越有利于提高籽粒粗脂肪含量。WCN处理小麦、玉米籽粒蛋白质含量较2季秸秆还田(WC)处理显著提高32.53%,72.44%,表明氮肥所占比例越大越有利于提高蛋白质含量。单施有机肥与2季秸秆还田施氮肥能显著提高小麦、玉米产量。不同秸秆还田处理对小麦籽粒赖氨酸、胱氨酸、丙氨酸影响较小,对玉米籽粒胱氨酸、谷氨酸、甘氨酸影响也较小,除天门冬氨酸、亮氨酸、缬氨酸、赖氨酸、胱氨酸、丙氨酸外,长期不同秸秆还田处理对其他氨基酸的影响趋势与氨基酸总量的变化规律类似。综上所述,在秸秆还田的基础上配施氮肥能够得到较高的产量,提高籽粒品质。

秸秆还田;产量;籽粒品质;氨基酸

小麦、玉米是目前我国最主要的粮食作物,世界上将近50%的人口以它作为主食[1]。在我国,小麦、玉米的食用品质与日常生活密切相关。作为一种特殊的农作物,小麦籽粒中独特的麦谷蛋白和麦醇溶蛋白,可以制成各种食品[2]。以前的研究结果表明,长期施肥后,小麦、玉米籽粒各品质含量变化显著[3]。籽粒品质不仅受到自身遗传物质的影响,施肥措施及环境条件也起到一定作用,在很大程度上影响小麦的品质[4]。在针对籽粒品质研究中,氮肥作为重要的品质元素之一,受到很多关注,有机肥效应也得到关注,在各种营养元素对小麦品质的调控效应研究方面在持续改进与完善[5]。

长期定位秸秆还田在研究施肥与土壤肥力和环境演化、作物产量品质变化等方面具有十分重要的意义,深受国内外重视[6-7]。为此,在莱阳长期定位试验田进行试验,通过长期定位秸秆还田处理对小麦、玉米样品中粗脂肪、蛋白质、淀粉、氨基酸含量的测定分析,探讨其不同处理对小麦、玉米品质的影响,进一步明确有机肥、秸秆与无机肥配施等对小麦、玉米籽粒产量和品质的效应,了解小麦、玉米品质的动态变化状况,以期找到最适秸秆还田管理方式与措施。

1 材料和方法

1.1 试验设计

本试验设在青岛农业大学(原莱阳农学院)实验站,最早开始于2009年。土壤类型为非石灰性潮土。施肥前耕层土壤全氮(N)量0.60 g/kg,全磷(P)量0.64 g/kg,土壤有效磷(P)16.34 mg/kg,土壤速效钾(K)72.00 mg/kg,阳离子代换量为13.80 cmol/kg,pH 值6.8,土壤有机质含量为5.01 g/kg,土壤容重1.21 g/cm3,孔隙度为51.40%。

试验设置5个处理:1季秸秆还田(WN)、2季秸秆还田(WC)、2季秸秆还田施氮肥(WCN)、单施有机肥(M),具体施肥见表1。每个处理3个重复,同时设置空白对照(CK),随机区组排列,其间均设保护行。

试验地实行冬小麦-夏玉米轮作制,每年两作。冬小麦品种为烟优361;夏玉米品种1为鲁玉16号。无机肥用尿素,高量氮肥每年施用276 kg/hm2。有机肥用猪圈粪,含全氮量为2~3 g/kg,含全磷量为0.5~2.0 g/kg,有机质含量为20~50 g/kg,干燥的玉米、小麦秸秆其全氮含量平均为1.93%、施用高低量均以与无机氮肥等含氮量计算。

表1 试验处理Tab.1 Experimental treatment

注:+.单季小麦;++.小麦-玉米。

Note:+.Single season wheat;++.Wheat and corn.

1.2 测定方法

1.2.1 小麦、玉米籽粒淀粉含量的测定方法 小麦、玉米在田间采取套袋措施,以保证样品的纯度。在每年小麦、玉米收获后,按照随机多点混合原则,每个小区采集30个样点,混合后四分法取样。此次试验分别取小麦、玉米籽粒样品,测定各品质指标,利用高速多功能粉粹机将样品磨细,全部过0.25 mm筛,将样品装于密封性好的塑料袋中做好标记,备用。淀粉含量的测定采用蒽酮法[8]。测出的可溶性糖含量之后乘以系数5.83,得到淀粉含量。1.2.2 小麦、玉米籽粒蛋白质含量的测定方法 蛋白质含量的测定采用GB2905-82半微量凯氏定氮法[8]。

1.2.3 小麦、玉米籽粒粗脂肪含量的测定方法 粗脂肪含量测定方法采用残余法[8]。

1.2.4 小麦、玉米必需氨基酸含量的测定方法 必需氨基酸含量检测依据为GB-T18246-2000,用日立8900高速氨基酸自动分析仪测定。 L-8900专用氨基酸分析仪是进行氨基酸分离、衍生和检测的全自动化专用分析系统,具有很高的精密性,分别测定小麦、玉米样品,了解不同秸秆还田处理籽粒氨基酸含量动态变化,前处理用盐酸水解,上机测定分析各必需氨基酸含量及总量,计算平均数、标准差及变异系数,并进行聚类分析,了解其变化趋势。

1.3 数据统计

各试验数据都是经过多次测定,每个项目的测定都尽可能控制在相同的条件,差别很大的数据剔除,然后计算求得平均值,利用Excel列表作图,应用SPSS软件进行标准误差分析、方差分析、显著性检验,个别计算结果可能由于某些原因与理论值存在差距,但总体趋势大致相同,具有一定可信度。

2 结果与分析

2.1 长期定位秸秆还田对小麦和玉米籽粒蛋白质含量的影响

长期定位秸秆还田对小麦、玉米籽粒蛋白质含量的影响如图1所示。秸秆还田配施氮肥使小麦、玉米籽粒蛋白质含量显著增加且蛋白质含量变化趋势一致;与对照相比,不同秸秆还田处理使小麦、玉米籽粒蛋白质分别提高5.95%,48.62%,28.74%和0.90%,77.03%,60.40%;与单施有机肥相比,2季秸秆还田配施氮肥使小麦、玉米籽粒蛋白质含量显著增加,增幅分别为16.35%,7.22%;在同一氮肥投入水平下,小麦、玉米2季秸秆还田处理(WCN)蛋白质含量显著高于1季秸秆还田(WN)的处理,WCN处理小麦、玉米籽粒蛋白质含量较WN处理显著提高19.63%和10.37%;在同一秸秆还田水平下,施氮肥处理(WCN)蛋白质含量显著高于秸秆还田处理(WC)。WCN处理小麦、玉米籽粒蛋白质含量较WC处理显著提高32.53%,72.44%,氮肥所占比例越大越有利于提高蛋白质含量。

英文小写字母,表示0.05的显著性水平。图2-4、表3同。English lowercase letters at 0.05 level of significance.The same as Fig.2-4,Tab.3.

2.2 长期定位秸秆还田对小麦、玉米籽粒粗脂肪含量的影响

不同秸秆还田处理对小麦、玉米籽粒粗脂肪含量存在差异(图2)。与对照相比,单施有机肥(M)处理,小麦、玉米籽粒粗脂肪显著提高24.05%,24.79%,而秸秆还田处理使粗脂肪含量降低;与单施有机肥(M)处理相比,秸秆还田配施氮肥(WCN、WN)使小麦籽粒粗脂肪含量显著降低10.45%和15.31%,使玉米籽粒粗脂肪含量显著降低8.51%和16.44%,在同一氮肥投入水平下,2季秸秆还田(WCN)粗脂肪含量显著高于1季秸秆还田(WN)处理,WCN处理小麦、玉米籽粒粗脂肪含量较WN处理显著提高5.72%和9.49%。秸秆所占比例越大越有利于提高籽粒粗脂肪含量。

2.3 长期定位秸秆还田对小麦和玉米籽粒淀粉含量的影响

图3所示,与对照相比,单施有机肥(M)使小麦、玉米籽粒淀粉含量分别显著提高8.81%和10.67%;与M处理相比,秸秆还田施氮肥使小麦、玉米籽粒淀粉含量显著降低,其中,WCN、WN处理降幅分别为18.74%和 24.53%;在同一氮肥投入水平下,1季秸秆还田处理(WN)淀粉含量显著高于2季秸秆还田(WCN)处理,WN处理较WCN处理小麦、玉米籽粒淀粉含量提高4.36%和8.58%;在等量秸秆还田投入情况下(WC和WCN),WCN处理较WC处理小麦、玉米籽粒淀粉含量分别显著提高13.75%和19.52%;氮肥所占比例大的处理更有利于提高籽粒淀粉含量。

图2 不同秸秆还田处理对小麦玉米粗脂肪含量的影响Fig.2 Effects of different straw returning treatments on crude fat content of wheat and maize

图3 不同秸秆还田处理对小麦和玉米淀粉含量的影响Fig.3 Effects of different straw returning treatments on starch content of wheat and maize

2.4 长期定位秸秆还田对小麦、玉米籽粒蛋白质组分含量的影响

由表2可以看出,施用有机肥与氮肥可以影响小麦籽粒蛋白质组分的含量。其中,施用有机肥与CK相比,谷蛋白含量降低了5.29%。当氮肥施用处于同一水平(WN、WCN)时可以看出,球蛋白含量降低8.11%,当秸秆还田量处于同一水平(WC、WCN)时可以看出,清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量均随着施氮量的增加而增加,分别增加了3.62%,23.12%,6.08%,66.38%。这说明秸秆还田配施氮肥能够增加小麦籽粒清蛋白、球蛋白和谷蛋白含量。在同一氮素水平下,随着秸秆还田量增加,清蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量增加,改善小麦品质。

表2 不同秸秆还田处理对小麦蛋白质组分含量的影响Tab.2 Effects of different straw returning treatments on the contents of protein components in wheat %

由表2还可以看出,不同秸秆还田处理间,玉米籽粒蛋白质各组分含量存在显著性差异。当处于同一施氮肥水平(WN、WCN)时,增加秸秆还田量可以提高清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白的含量,分别增加了5.43%,5.64%,9.74%和13.78%。随着秸秆还田量的增加,组蛋白含量明显增加。WCN处理较M处理,球蛋白、醇溶蛋白分别降低了24.00%与7.14%,清蛋白、谷蛋白分别增加了14.11%,15.12%。秸秆还田(WC)与秸秆还田配施氮肥(WCN)相比,清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量增加,分别增加了90.19%,44.23%,43.47%,53.62%。说明长期秸秆还田配施氮肥以及施用有机肥可以增加玉米籽粒蛋白质组分含量,改善玉米品质。

2.5 长期定位秸秆还田对作物产量的影响

由图4 可以看出,施用有机肥及2季秸秆还田配施氮肥处理显著的增加小麦、玉米籽粒产量。其中M处理小麦籽粒产量最高为5 986.3 kg/hm2,玉米籽粒产量最高为10 572.6 kg/hm2,与对照处理相比,分别增加了538.81%,210.23%,增产效果极显著;WCN处理次高,小麦、玉米增产分别为8 442.0,5 024.4 kg/hm2,与对照处理相比,分别增加了143.08%,425.83%。当处于同一施氮肥水平(WN、WCN)时,WN处理小麦产量为3 015.6 kg/hm2,玉米产量为6 522.6 kg/hm2,与WCN处理相比,小麦、玉米分别降低了29.42%,66.61%,说明在同一施氮肥水平下,增加秸秆还田量能够提高玉米产量;当处于同一秸秆还田水平(WC、WCN)时,WC处理小麦产量为955.7,3 472.8 kg/hm2,与WCN处理相比,小麦、玉米产量降低了143.72%,66.61%,说明在同一秸秆还田水平下,增施氮肥能够提高玉米产量,并且随着施肥量增加而显著增加。

图4 长期定位秸秆还田对玉米产量的影响Fig.4 Effects of long-term fixed straw returning on the yield of corn

2.6 长期定位秸秆还田对小麦和玉米氨基酸含量的影响

长期定位施肥对小麦、玉米籽粒氨基酸含量的影响如表3 所示。氨基酸总含量变化趋势与蛋白质含量变化趋势基本一致;其中,WN处理小麦氨基酸总量最高,与对照CK或单施有机肥M处理相比,分别提高了2.99%,2.02%,比WCN处理提高了1.54%;M处理玉米氨基酸总量最高,与对照CK相比,提高了2.6%,比WC处理提高了1.98%,WCN处理次之,为0.71%。在氨基酸各组分中,小麦、玉米籽粒谷氨酸含量最高,小麦为2.55%~3.95%,其中WN处理小麦谷氨酸含量最高,为3.95%,玉米为0.44%~0.91%,其中M处理小麦谷氨酸含量最高,为0.91%;小麦各处理蛋氨酸含量最低,为0.16%~0.23%;玉米各处理赖氨酸含量最低,为0.14%~0.21%;不同秸秆还田处理对小麦籽粒赖氨酸、胱氨酸、丙氨酸影响极小,对玉米籽粒胱氨酸、谷氨酸、甘氨酸影响极小,除天门冬氨酸、亮氨酸、缬氨酸、赖氨酸、胱氨酸、丙氨酸外,长期不同秸秆还田处理对其他氨基酸的影响趋势与氨基酸总量的变化规律基本类似,但对各组分氨基酸的影响程度不同。

利用SPSS 层次聚类的Q 型聚类分别对小麦、玉米籽粒氨基酸含量进行分类分析。个体距离采用平方欧氏距离,类间距离采用平均连接距离,生成的聚类分析树形图,结果均聚成3 类(图5,6)。可看出小麦氨基酸含量,WN氨基酸含量最高,单独为1类,M处理与WC处理的氨基酸含量相似性较高,聚为第2 类;CK 与M的氨基酸含量相似性较高,聚为第3 类。小麦聚类分析与玉米聚类分析存在差异,玉米WN、WCN处理氨基酸含量较高,为1类,CK处理与WC处理的氨基酸含量相似性较高,聚为第2 类;CK处理与M氨基酸含量相似,聚为第3 类。可见,氮肥施入量是影响玉米氨基酸含量的重要因素。

表3 不同秸秆还田处理对小麦、玉米籽粒氨基酸含量的影响Tab.3 Effects of different straw returning treatments on the contents of amino acids in wheat and maize %

图5 小麦氨基酸聚类分析Fig.5 Cluster analysis of wheat

图6 玉米氨基酸聚类分析Fig.6 Cluster analysis of maize

3 讨论与结论

3.1 不同秸秆还田处理对作物产量的影响

孙宁科等[9]认为有机肥与化肥长期配施增加作物产量和产量的稳定性。在本试验中,小麦和玉米M处理在氮素投入量低于WCN处理的情况下,其籽粒产量与WCN相当甚至更高,这与甄丽莎等[10]的研究结果相似。本试验结果表明,不同处理小麦、玉米籽粒蛋白质含量变化趋势一致,氮肥所占比例越大越有利于提高蛋白质含量。

施用有机肥及秸秆还田配施氮肥处理能够显著的增加小麦、玉米产量。其中M处理小麦、玉米产量最高,分别为5 986.3,10 572.6 kg/hm2,增产效果明显;WCN处理次高,与对照处理相比,小麦、玉米分别增加了143.08%,425.83%。当处于同一施氮肥水平(WN、WCN)时,WN处理小麦、玉米产量与WCN处理相比,分别降低了29.42%,66.61%,说明在同一施氮肥水平下,增加秸秆还田量能够提高玉米产量;当处于同一秸秆还田水平(WC、WCN)时,WC处理与WCN处理相比,小麦、玉米产量降低了143.72%,66.61%,说明在同一秸秆还田水平下,增施氮肥能够提高玉米产量,并且随着施肥量增加而增加,施用有机肥料相比秸秆还田配施化肥有利于提高产量。

3.2 不同秸秆还田处理对小麦、玉米籽粒蛋白质、淀粉、粗脂肪含量的影响

本试验结果表明,氮肥对玉米籽粒蛋白质各组分含量的影响程度不同,当处于同一施氮肥水平(WN、WCN)时,增加秸秆还田量可以提高清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白的含量。秸秆还田(WC)与秸秆还田配施氮肥(WCN)相比,玉米籽粒清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量显著增加。当氮肥施用处于同一水平(WN、WCN)时,随着秸秆还田量的增加,小麦籽粒球蛋白含量降低,当秸秆还田量处于同一水平(WC、WCN)时,随着施氮量的增加,清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量均随着增加。与此同时,施用有机肥能够增加清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量,改善小麦、玉米籽粒品质。不同类型小麦、玉米蛋白质、氨基酸等的组分变化规律相同但含量不同[11-12];在同一施氮范围内,小麦、玉米籽粒蛋白质含量随秸秆还田量的增加而增加[13-15],与本试验研究结果相符。

长期定位秸秆还田各处理下2015年的小麦、玉米籽粒中粗脂肪含量变化明显,各处理均比对照组粗脂肪含量增加,其中小麦、玉米籽粒提高明显的是M处理,分别比对照组提高20.31%,23.35%,总体提升显著,秸秆还田与施肥对改变小麦、玉米籽粒中粗脂肪的含量影响明显,与对照相比,秸秆还田与氮肥配施及有机肥可以使粗脂肪含量有所增加。秸秆还田与氮肥促进碳水化合物的合成,从而使粗脂肪的合成量增加,提高籽粒中粗脂肪的含量,比较经济可行的方法就是增施秸秆还田与氮肥并增加有机肥的施用。

在等氮量投入下,秸秆施用比例越大越有利于提高小麦、玉米淀粉、粗脂肪含量。小麦、玉米籽粒淀粉含量与有机物料供用量有关,与对照相比,单施有机肥(M)使小麦、玉米籽粒淀粉含量显著提高;与M处理相比,秸秆还田施氮肥使小麦、玉米籽粒淀粉含量显著降低。与对照相比,单施有机肥(M)使小麦、玉米籽粒淀粉含量显著提高,与M处理相比,WCN、WN处理使小麦、玉米籽粒淀粉含量降低,随着秸秆供用水平的变化,小麦、玉米籽粒总淀粉含量变化规律表现出较大差异[16-18]。这与本试验秸秆还田量增加有利于淀粉含量提高的结果相一致。这是因为还田的秸秆提供了丰富的有机物质,增加淀粉合成底物以及光合作用底物,改善了小麦、玉米的生长,进而有利于淀粉合成[19]。

研究表明,以提高蛋白质含量为生产目的时,应多施氮并提高化肥氮所占比例,而以淀粉和粗脂肪为目的时,应提高有机肥所占比例。因此,在实际生产中,以提高蛋白质含量为目的时,应多施氮并提高化肥氮所占比例,而以提高淀粉和脂肪为生产目的时,应提高秸秆所占比例。南雄雄、游东海等[20-21]认为有机肥中含有大量的碳源及其他微量元素,能促进植物的生长,进而促进淀粉和脂肪的合成,提高淀粉和粗脂肪的含量。

3.3 不同秸秆还田处理对小麦和玉米籽粒氨基酸含量的影响

有研究表明,在等氮量条件下,施用秸秆后,籽粒蛋白质含量均高于单施氮肥处理,而且有机物料使用量越高,效果越好[22]。刘树堂等[23]也有相似的研究,与常规施肥相比,氮肥与有机肥配合使用,可显著提高籽粒品质。在一定氮用量范围内,小麦、玉米籽粒氨基酸含量随氮肥用量的增加而增加[24]。其本身品质特性决定施氮对玉米品质的改善作用。小麦、玉米氨基酸含量受遗传因素控制[25],当品种一定时,环境和管理措施也有显著影响,其中以养分供应状况最重要[26]。这可能是在等氮量的条件下,秸秆中含有大量的有益微量元素和活性物质,这些元素和活性物质能够极大地促进作物对氮的吸收和氮的转化,从而提高了氮肥的利用率,使氨基酸含量明显增加,与本试验结果一致。但也有报道施氮量对氨基酸组分的影响甚微[27],本试验结果表明,不同秸秆还田水平均能提高2种籽粒必需氨基酸和非必需氨基酸含量;但籽粒各组分氨基酸含量的含量变化不同,不同秸秆还田处理对小麦籽粒赖氨酸、胱氨酸、丙氨酸影响较小,对玉米籽粒胱氨酸、谷氨酸、甘氨酸影响也较小,除天门冬氨酸、亮氨酸、缬氨酸、赖氨酸、胱氨酸、丙氨酸外,长期不同秸秆还田处理对其他氨基酸的影响趋势与氨基酸总量的变化规律基本类似。

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Effects of Combined Application of Straw and Organic Fertilizer on Grain Yield and Quality under Wheat Maize Rotation System

XIN Li,LIU Jintao,LIU Shutang,CHEN Yanling,NAN Zhenwu,YUAN Mingzhang,CHEN Jingpei

(College of Resources and Environmental Sciences,Qingdao Agricultural University,Qingdao 266109,China)

This study to Laiyang in Chao Soil Region long-term positioning straw of wheat-maize rotation as research object,applying nitrogen fertilizer were studied under the condition of straw returning and the single application organic fertilizer on wheat and maize yield and grain quality of influence.At the same level of nitrogen fertilizer,the two crop straw returning to field application of nitrogen fertilizer (WCN) treatment of wheat,corn grain crude fat content compared with a quarter of straw to field nitrogen fertilizer (WN) treatment significantly increased by 5.72% and 9.49%.The proportion of straw was more conducive to improve the crude fat content of grain.WCN processing wheat,corn grain protein content than those of the other two season straw (WC) treatment significantly improved 32.53%,72.44%,showed that the proportion of nitrogen bigger was beneficial to improving the protein content.Single application of organic fertilizer and two season straw returning to field application of nitrogen fertilizer could significantly improve the yield of wheat and maize.Different straw returning treatment on wheat grain lysine,cystine acid,alanine had little effect,the corn grain cystine acid,glutamic acid,glycine has little effect,except for aspartic acid,leucine,valine,lysine lysine,cystine acid,alanine,long-term different straw also fields of other amino acids.To sum up,the application of nitrogen fertilizer on the basis of straw returning to the field can get higher yield and improve grain quality.

Straw returning to field;Yield;Grain quality;Amino acid

2016-06-14

山东省现代农业产业技术体系建设经费资助(SDAIT-02-06);黄淮海平原东部(山东)小麦玉米丰产节水节肥技术集成与示范(2013BAD07B00);高效海洋复合微生物肥料关键技术的研究与示范(2015ZDXX0502B01);公益性行业(农业)科研专项(201203030)

辛 励(1991-),男,山东安丘人,硕士,主要从事植物营养方面的研究。

刘树堂(1962-),男,山东安丘人,教授,博士,硕士生导师,主要从事植物营养与施肥技术的研究。

S158 文献标识码:A 文章编号:1000-7091(2016)06-00164-07

10.7668/hbnxb.2016.06.026

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