《Journal of Agriculture and Food Research》：Comparative class-wise wheat and barley system yields, and mineral nutrient concentrations, stoichiometry, and uptake across wide environmental ranges
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本研究比较了春小麦（Triticum aestivum L.）与春大麦（Hordeum vulgare L.）在不同环境条件下的系统产量、籽粒及残茬中的矿质养分浓度、化学计量特征及养分吸收量。研究人员在美国爱达荷州南北部14个环境点（2018–2019年）进行
本研究比较了春小麦（Triticum aestivum L.）与春大麦（Hordeum vulgare L.）在不同环境条件下的系统产量、籽粒及残茬中的矿质养分浓度、化学计量特征及养分吸收量。研究人员在美国爱达荷州南北部14个环境点（2018–2019年）进行了田间试验，测试了三种小麦类别（硬红春小麦、硬白春小麦、软白春小麦）和三种大麦类别（饲料大麦、食用大麦、麦芽大麦）。结果显示，不同作物类别的产量趋势存在明显差异，但在整体物种水平上未发现显著产量优势。在籽粒中，小麦总体上比大麦具有更高的矿质密度，尤其是在氮（N）、磷（P）、镁（Mg）、硫（S）、锌（Zn）和锰（Mn）方面；而大麦籽粒中钾（K）浓度更高。在残茬中，小麦的钾（K）浓度更高，而大麦的磷（P）和锌（Zn）浓度更高。碳与养分的化学计量比（C/nutrient stoichiometries）被呈现用于建模和诊断应用。研究表明，不同类别间的产量和养分动态差异主要由品种选育目标及环境互作驱动，为优化作物管理和营养品质提供了重要依据。
研究背景与问题
小麦（Triticum aestivum L.）和大麦（Hordeum vulgare L.）是全球重要的冷季禾谷类作物，常在同一环境和种植体系中生长。尽管已有大量研究比较两者的产量表现，但关于不同市场类别（如饲料大麦、麦芽大麦、硬红小麦等）之间的产量差异及其与环境互作的研究仍十分有限。此外，现有研究对两种作物在籽粒和残茬中的矿质养分浓度、化学计量特征及吸收量的系统性比较几乎空白。因此，研究人员开展了一项多环境研究，旨在填补这些知识空白，探究三类春小麦和三春大麦在广泛环境梯度下的产量和养分动态。
研究方法
研究人员在2018和2019年于美国爱达荷州南北部的7个地点（包括灌溉和旱地条件）设置了田间试验，共14个环境点。试验采用随机完全区组设计，每种作物类别独立布置，每处理设4个重复。供试材料包括3个代表性品种/类别：饲料大麦（Champion, Claymore, Lenetah）、食用大麦（Goldenheart, Kardia, Transit）、麦芽大麦（AAC Connect, Gemcraft, LCS Odyssey）、硬红春小麦（Alum, Jefferson, WB 9668）、硬白春小麦（Dayn, UI Platinum, WB 7202）和软白春小麦（Seahawk, UI Stone, WB 1035）。成熟期采集地上部样品，烘干后手工脱粒分离籽粒和残茬，称重计算产量和生物量，并采用燃烧法测定碳（C）和氮（N）浓度，电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）测定磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）、硫（S）、锌（Zn）、锰（Mn）浓度。统计分析采用混合模型（PROC MIXED），包括环境、物种、类别嵌套效应，并进行两阶段回归分析和主成分分析（PCA）。
研究结果
产量与残茬生产量
方差分析显示环境效应极显著，但物种间无显著产量差异。然而，类别间存在差异：饲料大麦和麦芽大麦产量较高，食用大麦和硬红小麦较低，而硬白和软白小麦在高产环境中响应更敏感。回归分析表明，在低产环境下大麦平均比小麦高0.62 Mg ha-1，而在高产环境下小麦平均比大麦高0.36 Mg ha-1。残茬生产量方面，物种间无显著差异，但低产环境下小麦残茬量略高于大麦。
籽粒养分浓度
小麦籽粒的氮（N）浓度显著高于大麦，其中硬红小麦最高，软白小麦最低，大麦中食用大麦居中。小麦籽粒的磷（P）浓度整体更高且稳定，而大麦对环境的响应更可塑。钾（K）浓度在大麦中更高。钙（Ca）浓度无物种差异。镁（Mg）、硫（S）浓度在小麦中更高，且硬红小麦显著高于软白小麦。锌（Zn）浓度在小麦中随环境指数增加而升高，最大差值达11.2 mg kg-1。锰（Mn）浓度差异最为显著：大麦籽粒锰浓度低且对环境不敏感，而小麦则高度响应，从低到高环境指数增加44.1 mg kg-1，种间差距达13–50 mg kg-1。
残茬养分浓度
大麦残茬的氮（N）浓度略高于小麦，且差距随环境指数增大而扩大。磷（P）和钙（Ca）浓度在大麦中随环境指数增加而上升更快。钾（K）浓度在小麦残茬中显著更高，平均高出7.59 g kg-1，且硬白小麦高于软白小麦。镁（Mg）浓度仅在最高环境指数下大麦高于小麦。硫（S）浓度在低环境指数下小麦更高。锌（Zn）浓度大麦整体高于小麦约6.81 mg kg-1。锰（Mn）浓度在中高环境指数下小麦显著更高，最大差值为14 mg kg-1。
养分吸收量与方差分解
籽粒养分吸收量主要受产量驱动（贡献率64%–84%），仅锰（Mn）例外，其浓度贡献占52%。残茬养分吸收量则由残茬产量和养分浓度共同主导，两者正相关导致协方差项为负值。
碳/养分化学计量比
所有碳/养分比（C/nutrient ratios）随环境指数升高而下降。籽粒中，小麦的碳/氮比（C/N）低于大麦，尤其是硬红小麦（约16–17），而大麦中食用大麦最低。残茬中，碳/钾比（C/K）和碳/钙比（C/Ca）在小麦中更低，反映其较高的钾和钙浓度。
主成分分析
主成分分析显示，两种作物的养分浓度间多为正相关，但锰（Mn）与其他养分呈负相关。磷（P）、镁（Mg）、锌（Zn）聚为一簇，氮（N）、钾（K）、硫（S）聚为另一簇。总产量与钙（Ca）在两种作物中的聚类位置不同。
讨论与结论
研究表明，大麦在低产环境下可能具有产量优势，而小麦在高产环境下表现更好，但这种差异受品种选育目标和类别特性的强烈影响。例如，麦芽大麦因长期育种投入而产量较高，食用大麦则相对较低。小麦籽粒整体矿质密度更高，尤其在氮、磷、镁、硫、锌、锰方面，暗示全麦食品可能具有更好的营养价值。锰的种间差异尤为突出，可能与根系分泌物或根际酸化机制有关。残茬的碳/氮比相近，表明两者在土壤氮固定和矿化动态上相似，但大麦残茬因结构化合物差异可能更难降解。总体而言，该研究强调了作物类别和环境互作在产量和养分管理中的重要性，为精准施肥和作物轮作提供了科学依据。
