密度和施氮量對啤酒大麥氮素吸收利用及籽粒蛋白質含量的影響

張金汕，董慶國，方伏榮，王釗英，胡艷紅，趙風蘭，張建平，石書兵

(1.新疆農業大學農學院，新疆烏魯木齊 830052； 2.新疆農業科學院糧食作物研究所，新疆烏魯木齊 830091；3.新疆農業科學院，新疆烏魯木齊 830091； 4.塔城市農業技術推廣中心站，新疆塔城 834700；5.額敏縣農業技術推廣站，新疆額敏 834600)

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密度和施氮量對啤酒大麥氮素吸收利用及籽粒蛋白質含量的影響

張金汕1,2，董慶國4，方伏榮2，王釗英3，胡艷紅4，趙風蘭5，張建平5，石書兵1

(1.新疆農業大學農學院，新疆烏魯木齊 830052； 2.新疆農業科學院糧食作物研究所，新疆烏魯木齊 830091；3.新疆農業科學院，新疆烏魯木齊 830091； 4.塔城市農業技術推廣中心站，新疆塔城 834700；5.額敏縣農業技術推廣站，新疆額敏 834600)

摘要：為了給啤酒大麥優質高產栽培提供參考，選用甘啤4號為供試材料，采用裂區試驗設計，主區為種植密度，設325萬株·hm-2(D325)、375萬株·hm-2(D375)和425萬株·hm-2(D425)三個水平；副區為施氮量，設0(N0)、75 kg·hm-2(N75)、150 kg·hm-2(N150)、225 kg·hm-2(N225)和300 kg·hm-2(N300)五個水平，研究了密度和施氮量對啤酒大麥氮素積累、利用及籽粒蛋白質含量的影響。結果表明，種植密度僅對氮素利用效率有顯著性影響，且隨著密度增大氮素利用效率也增大。施氮量對籽粒清蛋白和球蛋白含量影響不顯著，對植株氮素濃度、產量及籽粒醇溶蛋白含量等影響均達顯著水平；隨著施氮量增加，植株氮素濃度和氮素積累量均表現為先增大后減小，且均在N225處理達到最大；產量(y)隨施氮量增加而增加，且與施氮量(x)可建立二次方程：y=-0.003x2+5.846 6x+2 748.7(R2 =0.966 5)；氮素吸收效率、氮素利用效率和氮素收獲指數與施氮量均呈極顯著的負相關，相關系數分別為-0.97、-0.95和-0.96；氮肥生理利用率、表觀利用率和農藝利用率也在不同種植密度和施氮處理下存在差異；籽粒總蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量與施氮量呈顯著正相關，相關系數分別為0.99、0.97和0.99。種植密度和施氮量的互作對氮素利用效率、氮素收獲指數和醇溶蛋白含量有顯著影響，對其余指標的影響均不顯著。

關鍵詞：啤酒大麥；氮素利用；蛋白質

氮是作物生長發育必需的營養元素，也是影響產量最重要的養分限制因子[1]。前人就施氮對農作物氮素吸收、轉運、產量及品質的影響進行了大量研究[2]。一般認為，適宜密度下隨著施氮量增加，作物氮素積累量、產量均增加，且籽粒蛋白質、氨基酸等含量也同時增大，而氮肥利用率卻呈遞減趨勢。就大麥而言，研究表明，增施氮肥、合理密植能很好地促進群體分蘗，增加有效穗數，實現高產[3]。隨著施氮量的提高，籽粒中蛋白質及其組分含量均有所提高[4]；施氮量與籽粒粗蛋白含量之間存在著顯著正相關[5-7]，尤其在大麥生長后期增施氮肥，蛋白質含量上升的幅度更大[8-9]。也有研究表明，當施氮量不超過150 kg·hm-2范圍時，不同施氮量處理間籽粒蛋白質含量差異不顯著；而當施氮量超過225 kg·hm-2時，各處理之間的差異達到顯著水平[10]。還有研究者認為，籽粒蛋白質含量與整個生育期施氮總量有極顯著的正相關關系[11]，且隨著施氮量的增加各蛋白質組分提高的幅度存在差異[12]。優質啤酒大麥要求蛋白質含量適中或偏低。因此，確定適宜的施氮量，研究啤酒大麥對氮素吸收利用以及施氮對蛋白質含量的影響是其優質高產栽培技術的重要內容。

有關大麥播種密度的研究普遍認為，播量過高過低都不利于籽粒產量的提高[13]。播量較小時雖能提高有效分蘗和千粒重，但因群體密度過低，干物質積累偏少，產量很難提高。隨著播量增大，無效分蘗增加，增產幅度減少。當播量增加到一定量時反而減產，且易造成倒伏。另有研究表明，適宜的播種密度還能提高麥芽的品質[14]。但目前關于密度和施氮對啤酒大麥植株氮素代謝及籽粒蛋白質、蛋白組分含量的研究較少。因此，本研究擬探討高、中、低密度下不同施氮水平對啤酒大麥植株氮素吸收累積動態、氮肥利用率和籽粒蛋白質含量的影響，以期為啤酒大麥的合理密植和科學施用氮肥提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗設計

試驗于2015年在新疆塔城市博孜達克農場試驗田進行(E 83°14′55.82″，N 46°40′29.49″，海拔565 m)。土壤為棕鈣土類中層礫質土種。試驗前0～20 cm土層pH值為8.45，含有機質14.56 g·kg-1、全氮0.67 g·kg-1、堿解氮74 mg·kg-1、速效磷7 mg·kg-1、速效鉀238 mg·kg-1。翻耕前統一基施磷酸二銨(含N 18%、P2O546%) 180 kg·hm-2。供試品種為甘啤4號，播期為2015年4月20日。前茬作物為玉米。

試驗采用裂區設計，主區為種植密度(D)，設3個處理水平：D325(325萬株·hm-2)、D375(375萬株·hm-2)、D425(425萬株·hm-2)；副區為施氮量(N)，共5個處理水平：N0(0 kg·hm-2)、N75(75 kg·hm-2)、N150(150 kg·hm-2)、N225(225 kg·hm-2)、N300(300 kg·hm-2)。氮肥種類為尿素(含N 46%)，于分蘗期施入土壤。小區行長2 m，行距0.2 m，小區面積8 m2，3次重復。其他管理措施同中產田一致。

1.2測定項目與方法

1.2.1植株氮素含量的測定

在大麥生長發育期間，分別于施氮后0、15、30、45、60、75、90 d，取長勢一致的10株樣品，測定植株氮素含量(75 d后取樣分為籽粒和秸稈兩部分)。待測樣品在105 ℃恒溫箱內殺青30 min后于80 ℃恒溫下烘至恒重，稱其干重。烘干樣粉碎后，用濃H2SO4-H2O2消解，采用半微量凱氏定氮法[15]測定植株氮素含量。

1.2.2籽粒蛋白質及蛋白組分含量的測定

籽粒總蛋白含量采用FOSS Infratec 1241型紅外籽粒品質分析儀測定。蛋白質組分的提取采用連續提取法[16]，先后用蒸餾水、2%氯化鈉溶液、70%乙醇溶液和0.5%的氫氧化鈉溶液分別提取清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白。蛋白質組分含量的測定采用雙縮脲法，即用標準牛血清蛋白溶液作透光率-蛋白質含量標準曲線，再將待測樣品于540 nm下比色測定透光率，從標準曲線中查出相應蛋白組分濃度。

1.3氮素吸收與利用效率計算

計算公式參照文獻[17]中的方法：氮素積累量(kg·hm-2)=氮素含量×干物質質量；氮素吸收效率=植株地上部氮素積累量/施氮量×100%；氮素利用效率=籽粒產量/植株地上部氮素積累量×100%；氮素收獲指數=籽粒氮素積累量/植株地上部氮素積累量；氮肥生理利用率=(施氮區產量-空白區產量)/(施氮區植株總吸氮量-空白區植株總吸氮量)×100%；氮肥表觀利用率=(施氮區植株總吸氮量-空白區植株總吸氮量)/施氮量×100%；氮肥農藝利用率=(施氮區產量-空白區產量)/施氮量×100%。

用Excel 2007、DPS 7.05統計軟件進行數據處理和統計分析。

2結果與分析

2.1施氮量對不同種植密度下大麥氮素含量的影響

分蘗期施氮后，植株氮素含量隨著大麥的生育進程先升高后逐漸降低(圖1)，且施氮15 d后最高，成熟期(秸稈)最小。其中，施氮后60 d(開花期)，植株氮含量降低至4.75～14.67 g·kg-1，平均8.67 g·kg-1，比施氮15 d后低43.01%～76.38%，平均降低61.61%。隨后秸稈中氮含量繼續下降，至成熟期平均降至3.92 g·kg-1。籽粒則反之，且籽粒氮含量的大小表現為D375>D325>D425，但差異均不顯著。

N0～N300分別表示施氮量為0～300 kg·hm-2，D325～D425分別表示種植密度為325～425 萬株·hm-2

N0-N300mean N application rate of 0-300 kg·hm-2，D325-D425mean planting density of 325-425×104·hm-2,respectively

圖1施氮量對不同種植密度下大麥植株氮素含量動態的影響

Fig.1Effect of nitrogen application levels on nitrogen content under different planting density of barley plant

施氮量對植株氮素含量影響顯著，隨著施氮量增加，相同生育時期植株的含氮量均表現為先增大后減小。對施氮量處理進行多重比較發現，N225處理植株氮含量最大。其中，施氮后15 d、60 d，N225處理比N0處理增高47.06%和75.91%。成熟期施氮量對秸稈氮素含量的影響大幅減小，而籽粒中氮素含量仍存在顯著差異，表現為N225>N150>N300>N75>N0，且N225、N150、N300之間差異顯著，N225處理比N75和N0處理增大5.07%和11.77%。這表明，施氮量對大麥分蘗至開花期間秸稈氮含量和成熟期籽粒氮含量的影響較大，過高和過低的施氮量均不利于氮素積累。

2.2施氮量對不同種植密度下大麥氮素吸收與利用的影響

2.2.1對氮素積累與產量的影響

隨著種植密度增大，氮素利用效率均增大(表1)。D425處理下氮素利用效率達38.10%，比D325和D375處理高19.06%和10.12%，差異達顯著水平(P=0.018)；D375處理下植株氮素積累量、氮素吸收效率和產量均最大，但不同密度下差異不顯著；氮素收獲指數在D325和D375處理下相同，D425處理下降7.46%，差異不顯著。這表明，D375處理下上述指標的綜合效益最佳。

由表1可知，施氮對上述指標的影響均達顯著水平。施氮量增加，植株氮素積累量呈先增大后減小的變化趨勢，且在N225處理達到最大值。經Duncan多重比較可知，N225處理下氮素積累量比N0處理增大91.49%，差異顯著，比N300處理高18.67%，但差異不顯著。產量隨施氮量增加而增加，但增加的幅度不斷減小；N300處理比N0、N75、N150和N225處理分別高55.42%、28.05%、23.92%和5.50%。以施氮量為橫坐標，產量為縱坐標可擬合得出施氮量-產量的二次曲線方程y= -0.003x2+5.846 6x+2 748.7(R2= 0.966 5)。氮素吸收效率、氮素利用效率和氮素收獲指數與施氮量均表現為極顯著的負相關，相關系數分別為-0.97、-0.95和-0.96。其中，氮素利用效率隨施氮量增加表現為N0>N75>N150>N300>N225，氮素收獲指數隨施氮量增加表現為N0>N75>N225>N150>N300。

密度和施氮量的互作對氮素利用效率(P=0.000 1)和氮素收獲指數(P=0.000 4)有顯著影響，對其余指標的影響均不顯著。綜合分析，植株氮素積累量在密度375 萬株·hm-2、施氮量225 kg·hm-2的組合下最大；產量在密度375 萬株·hm-2、施氮量300 kg·hm-2的組合下最高(表1)。

表1　施氮量對不同種植密度下大麥氮素吸收利用的影響

同一組數據后的小寫字母不同，表示差異在0.05水平上顯著，表4同

Different lower case letters mean difference significant at the 0.05 levels，the same as table 4

2.2.2對氮肥利用率的影響

密度和施氮量對大麥氮肥生理利用率(PNUE)、表觀利用率(ANRE) 和農藝利用率(ANUE)的影響都存在差異。以施氮量為橫坐標，氮肥利用率為縱坐標可擬合得出氮肥效應的二次方程(表2)。由表2可知，氮肥生理利用率隨施氮量的增加先增大后下降，在低、中、高密度下的最高利用率分別為35.07%、45.60%和56.68%，對應的施氮量分別為566.00、679.44和515.75 kg·hm-2。這表明大麥氮肥最高生理利用率隨種植密度的增大而增大。

氮肥表觀利用率在D375處理下最高，對應施氮量為190.00 kg·hm-2，其次為D325處理；而D425處理下，氮肥表觀利用率隨氮肥增加變化的規律性不明顯(R2=0.613 5)。氮肥農藝利用率在不同密度下，最高利用率差異較大，D325、D375、D425下的最高利用率分別為6.40%、5.56%和10.76%，對應的施氮量為245.13、168.23和193.00 kg·hm-2。這表明，中密度條件下氮肥最高農藝利用率對應的施氮量最少。

表2　不同種植密度和施氮量處理下大麥氮肥效應方程和最高利用率施氮量

PNUE：physiological N use efficiency;ANRE:apparent N recovery efficiency;ANUE:agronomic N use efficiency

表3　施氮量及種植密度對大麥籽粒蛋白質及其組分含量的影響(F值)

*表示在0.05水平上顯著，表5同

* mean significant difference at the 0.05 level，the same as in table 5

2.3施氮量對不同種植密度下大麥籽粒蛋白質及其組分含量的影響

方差分析結果(表3)表明，種植密度對大麥籽粒總蛋白質及其組分含量都無顯著性影響。施氮量對總蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量有顯著影響，對清蛋白和球蛋白含量的影響不顯著，且影響的程度表現為谷蛋白>醇溶蛋白>總蛋白>清蛋白>球蛋白。種植密度和施氮量的互作僅對醇溶蛋白含量有顯著影響(P=0.018)，D325處理下，醇溶蛋白含量隨施氮量的增加表現為N225>N300>N0>N150>N75；D375和D425處理下表現為N300>N225>N150>N75>N0。

對施氮量副處理的SSR分析(表4)表明，隨著施氮量的增加，除球蛋白含量變化不顯著外，其他組分含量均表現為顯著增大的趨勢。其中，總蛋白在N225水平下與對照相比出現顯著差異，清蛋白和球蛋白的變化程度較小，變異系數僅有4.07%和1.80%；醇溶蛋白在N0、N75之間無顯著性差異，N0、N150之間差異達顯著水平；谷蛋白受施氮量影響的程度最大，變異系數為12.48%，N0、N75之間無顯著差異，N0、N75與N150、N225、N300之間差異達顯著性水平。具體見表4。

表4　施氮量對大麥籽粒蛋白質及其組分含量的影響

表5　施氮量及氮素吸收利用與籽粒蛋白質及蛋白組分含量的相關系數(r)

2.4施氮量與蛋白組分含量的相關性

由表5可知，施氮量與總蛋白、清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量均表現為顯著正相關；氮素積累量與各蛋白組分含量也都呈顯著的正相關；氮素利用率與球蛋白的相關程度最大，其次為清蛋白，醇溶蛋白和總蛋白，與谷蛋白的相關性最小；氮素收獲指數與球蛋白的相關性最大，其次為醇溶蛋白和清蛋白，與總蛋白和谷蛋白無顯著的相關性。

3討 論

3.1種植密度對大麥產量、品質及氮素利用的影響

目前關于種植密度對大麥產量和品質影響的研究較多，而關于種植密度對大麥植株氮素積累及利用等研究少見報道。王顥等[18]研究表明，在一定種植密度范圍內，啤酒大麥產量隨密度增加而提高，且播量為600萬株·hm-2時達到最高，超過此范圍則反之；而籽粒蛋白質含量隨播量增加呈下降趨勢。張想平等[19]研究表明，種植密度在300萬～900萬株·hm-2時，隨種植密度加大，產量差異不顯著，但主穗粒重、單穗粒數等性狀均呈現降低趨勢，且當種植密度達750萬株·hm-2時，原麥蛋白質含量由一級標準(10.0%～12.5%)下降到二級標準(9.0%～13.5%)。本研究表明，種植密度為325萬～425萬株·hm-2時，啤酒大麥產量、蛋白質及其組分含量均無顯著性差異，這和前人的研究基本一致。本研究還表明，種植密度對植株氮素積累量、氮素吸收效率和氮素收獲指數也無顯著影響，而對氮素利用效率的影響達顯著水平，且隨著種植密度增大氮素利用效率也增大；氮肥最高生理利用率也隨種植密度增大而增大，而氮肥表觀利用率在D375處理下最高，但氮肥農藝利用率在不同密度下差異較大，其中D375處理下氮肥最高農藝利用率對應的施氮量最少。

3.2施氮量對大麥氮素利用的影響

沈會權等[20]研究表明，施用氮肥可顯著提高不同時期啤酒大麥莖稈中氮含量；在施氮量 0～225 kg·hm-2時，花前植株氮素積累量隨施氮水平的提高呈上升趨勢，但施氮量提高至 300 kg·hm-2后，上升幅度變小。劉桃菊等[21]研究表明，成熟期莖葉氮含量、植株氮積累量、籽粒氮含量也隨施氮量的增加而增加，但籽粒氮含量增速緩慢；氮素收獲指數均隨施氮量的增加而下降。本研究表明，施氮量對植株氮素含量影響顯著，且隨著施氮量增加，植株各生育時期含氮量均表現為先增大后減小，且N225處理植株氮含量最大，這和前人的研究基本一致。本研究還表明，產量隨施氮量增加而增加，但增加的幅度不斷減小；而氮素吸收效率、氮素利用效率和氮素收獲指數與施氮量均表現為極顯著的負相關，密度和施氮量的互作對氮素利用效率和氮素收獲指數有顯著影響，對其余指標的影響均不顯著，且大麥植株氮素積累量在密度為375 萬株·hm-2、施氮量為225 kg·hm-2的組合下最大；產量在密度為375 萬株·hm-2、施氮量為300 kg·hm-2的組合下最高。

3.3施氮量對大麥蛋白質及其組分含量的影響

Marianne[5]、申玉香[6]和許 峰等[8]研究表明，蛋白質含量隨施氮量的增加而明顯提高。Sieling等[4]研究認為，隨著施氮量的提高，籽粒中清蛋白、谷蛋白、球蛋白和醇溶蛋白等蛋白質組分含量均有所提高；在大麥生長后期增施氮肥，則籽粒中蛋白質含量較前期增施氮肥上升的幅度大。常金華等[11]研究表明，籽粒蛋白質含量與整個生育期施氮總量有極顯著的正相關關系。趙檀方等[10]研究表明，當施氮量不超過 150 kg·hm-2范圍時，不同施氮量處理間籽粒差異不顯著，而當施氮量上升到 225 kg·hm-2時，各處理之間蛋白質含量發生了顯著差異。本研究表明，施氮量對總蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白有顯著性影響，對清蛋白和球蛋白的影響不顯著，且影響的程度表現為谷蛋白>醇溶蛋白>總蛋白>清蛋白>球蛋白，這和前人的研究略有差異。本研究還表明，隨著施氮量的增加，除球蛋白變化不顯著外，其他組分均表現為顯著的增大趨勢。施氮量與蛋白質及其組分都表現為顯著正相關，相關程度為谷蛋白>總蛋白/清蛋白>醇溶蛋白>球蛋白。

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Effect of Density and N Fertilizer on Nitrogen Uptake and Protein Content of Beer Barley

ZHANG Jinshan1,2,DONG Qingguo4,FANG Furong2,WANG Zhaoying3,HU Yanhong4,ZHAO Fenglan5,ZHANG Jianping5,SHI Shubing1

(1.College of Agronomy of Xinjiang Agricultural University,Urumqi,Xinjiang 830052,China; 2.Research Institute of Cereal Crops,Xinjiang Academy of Agricultural Sciences,Urumqi,Xinjiang 830091,China; 3.Xinjiang Academy of Agricultural Sciences,Urumqi,Xinjiang 830091,China; 4.Tacheng Agricultural Technology Promotion Center,Tacheng,Xinjiang 834700,China; 5.Emin Agricultural Technology Promotion stations,Emin,Xinjiang 834600,China)

Abstract:In order to provide theory basis for high quality and high yield of beer barley cultivation,Ganpi-4 was selected as material,with split plot experiment design,including three planting density(325，375 and 425 million shares·hm-2) as main block and five levels of nitrogen (0,75,150,225 and 300 kg·hm-2) as split block. The effects of density and N application rate on beer barley N accumulation and utilization and the influence of the grain protein content was studied.The result showed that planting density only had a significant effect on nitrogen use efficiency.As the density increases,nitrogen use efficiency was also increased.The effect of N application rate on albumin and globulin was not significant,but that on plant nitrogen concentration,yield and gliadin was significant.With the increase of N application rate,plant nitrogen concentration and nitrogen accumulation increased first and then decreasd,and reached the maximum under the N225treatment.Yield (y) increased with the increase of N application rate (x) with a quadratic equation: y=-0.003x2+5.846 6x+2 748.7(R2=0.966 5).N application rate had significantly negative correlation relationship with N uptake efficiency,N use efficiency and N harvest index.Nitrogen physiological utilization,apparent utilization and agronomic utilization also varied under different density and nitrogen treatments.N application rate had significantly positive correlation relationship with grain total protein,gliadin and protein,with the correlation coefficient as 0.99,0.97 and 0.99.The interaction between planting densities and N application rate had significant effects on nitrogen utilization efficiency,nitrogen harvest index and gliadin proteins,but had no significant effect on the rest of the indicators.

Key words:Beer barley；N efficiency；Protein

中圖分類號：S513.1；S311

文獻標識碼：A

文章編號：1009-1041(2016)03-0371-08

通訊作者：方伏榮(E-mail: ffr118@sina.com)； 石書兵(E-mail:shubshi@sina.com)

基金項目：大麥(青稞)產業技術體系建設專項(CARS-05)

收稿日期：2015-11-08修回日期：2015-12-28

網絡出版時間：2016-03-01

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160301.1343.032.html

第一作者E-mail：zhangjinshan0530@sina.com