内布拉斯加西部冬大麦磷氮需求探究：施肥时机、用量与磷源类型对籽粒产量及品质的影响

《Crop, Forage & Turfgrass Management》：Exploring winter barley phosphorus and nitrogen needs in western Nebraska

　　

美国高平原地区的种植系统主要受限于水分供应不足以及该地区高海拔所导致的生长季缩短。冬大麦（Hordeum vulgare L.）与冬小麦在农艺要求和设备需求上具有相似性，而内布拉斯加州庞大的养牛产业为以大麦作为饲料或放牧利用提供了成熟的市场，从而支持其在几乎不需要改变基础设施的情况下被采用。研究人员于2021年至2024年在内布拉斯加西部两个地点开展了田间试验，重点优化磷（P）和氮（N）肥料的施用时机、用量和类型，以在高平原地区实现大麦籽粒产量的优化。当以磷酸一铵（monoammonium phosphate, MAP）和尿素形式施用60 lb ac?1的P和18 lb ac?1的N时，籽粒产量较对照高出35%；尤其是当配合春季追施氮肥（32 lb ac?1的N）时，产量较对照处理高出43%。与磷氮分次配合施用相比，仅施氮处理使籽粒蛋白质含量提高了6.5%。当氮肥100%以种肥条施方式施用时，籽粒蛋白质含量比分次施用提高7.5%。与仅施氮处理相比，磷氮配合处理的分蘖数、总地上部生物量和株高分别高出24%、38%和5%。总体而言，这些结果表明，磷肥的施用位置与氮肥分次管理相结合，在优化内布拉斯加西部冬大麦产量方面发挥着关键作用。这也表明，短期内磷源类型具有重要影响，MAP的表现优于40 Rock，尽管这一优势的生理或农艺学基础尚需进一步研究。

论文解读

一、研究背景与意义

大麦（Hordeum vulgare L.）是全球第四大谷类作物，仅次于玉米、水稻和小麦。2023–2024年度全球大麦产量达3.15亿磅，其中美国占2.8%。内布拉斯加州2022年大麦产量为836万磅，种植面积2920英亩，较2012年产量增长290%、收获面积增长168%。内布拉斯加庞大的养牛产业（2024年1月报告存栏625万头，其中275万头在育肥场）为大麦作为饲料提供了成熟市场。与玉米相比，大麦在牛瘤胃中的淀粉和蛋白质消化率更高，以相同方式加工时具有更高的增重效率。

内布拉斯加西部及周边高平原地区海拔高、降水少，年均降水量仅17英寸（432 mm），生长季短，形成了以小麦为中心的种植体系。冬大麦因能在生长季早期达到关键物候阶段、避开开花和灌浆期的最严重高温，比春大麦更具优势。然而，该地区冬季低温和降水不足可能导致冬大麦越冬困难——作物可耐受低至–4°F（–20°C）的温度，低于此温度则可能发生严重冻害；约2.8英寸的积雪覆盖可将存活温度下限从–4°F降至–40°F。

该地区土壤钾含量通常较高或极高，很少需要补充，但磷和氮肥通常不可或缺。已有研究表明大麦产量对施氮量呈正响应，春季施氮因生物量形成期养分需求更高而尤为重要；施磷量与冬大麦产量和越冬存活率也呈正相关。磷酸一铵（MAP，11-52-0）通常同时提供磷和氮，但新型磷源正在出现，如Simplot公司的40 Rock（12-40-0，含6.5%硫和1%锌）。当地农民已在使用40 Rock，但对其在大麦上的优劣以及其所含硫和锌的效益知之甚少。鉴于该地区大麦产业正在复苏，而针对现代品种和栽培措施的肥力管理实践研究不足，研究人员于2021至2024年在内布拉斯加西部开展了一系列协调的田间试验，以确定最优生产实践。

二、主要关键技术方法

研究人员在内布拉斯加西部两个地点开展试验：位于Sidney附近夏延县的High Plains Agricultural Laboratory（HPAL，内布拉斯加大学研究农场）和位于Banner县Harrisburg西北方向、靠近内布拉斯加–怀俄明边界的合作农场。试验覆盖2021–2022、2022–2023和2023–2024三个生长季，因2022–2023年冬季严寒导致所有试验点冻害绝收，最终获得2022年和2024年两个年份的数据。试验采用随机完全区组设计，设4次重复和16个不同施肥处理，构成磷氮的不规则部分因子设计。供试品种为‘NB15420’（Nu Horizon Genetics），播种量为100万粒 ac^?1，按种子发芽率校正。秋季肥料在播种时施于种子下方1英寸的种沟内，春季肥料人工撒施于土壤表面。数据采集包括：播前土壤采样（0–8和8–24英寸两个深度）进行化学分析；籽粒蛋白质含量测定（2022年采用杜马斯燃烧法，2024年采用近红外光谱法并结合杜马斯法验证）；小区产量采用小型小区联合收割机测定；株高、分蘖数、总地上部生物量和收获指数（harvest index, HI）均在收获前采样测定。统计分析使用SAS 9.4的PROC GLIMMIX过程，采用III型固定效应检验，最小二乘均值采用Tukey–Kramer调整，Pearson相关系数使用PROC CORR计算。

三、研究结果

3.1 籽粒产量

Banner县在两个试验年份均遭遇不利环境条件（包括啮齿动物活动和干旱），产量极低（2022年均产181 lb ac^?1，2024年均产1211 lb ac^?1），各处理间无显著差异，肥力并非该地点的产量限制因素。夏延县播前0–8英寸土壤氮含量分别为23 lb ac^?1（2021年）和25 lb ac^?1（2023年），远低于大麦适宜水平。夏延县两年合并数据显示，仅施氮处理与对照相比产量略有增加，但各施氮水平间无显著差异；将25 lb ac^?1的氮按33%秋施/66%春施分次施用与全部秋施相比无差异。该地区降水稀少，特别是2022年春季追氮后和2024年播种后的降水低于常年平均水平，可能限制了尿素溶解和入土，导致春季追施的氮有较大比例滞留于土壤表面而易于氨挥发损失。MAP处理（处理7、8、9，分别为20、40、60 lb P ac^?1配6、12、18 lb N ac^?1种沟施用）呈现产量线性增长趋势，60 lb P ac^?1处理产量显著高于较低两个水平，且未观察到产量平台，提示更高MAP用量可能进一步增产。40 Rock处理（处理10、11、12）均显著高于对照但彼此间无差异，未呈现线性趋势。这可能与40 Rock的制造工艺导致其溶解度低于MAP有关，干旱条件可能加剧这一问题；文献指出某些磷矿粉肥料完全溶解可能需要长达40年。此外，40 Rock所含的硫和锌虽可增产，但过量锌可能对植物产生毒性，而本研究未对土壤中这些养分进行分析，无法完全解释其产量表现。将处理按磷源和是否追施春季氮分组后，所有磷氮处理均优于对照；MAP配合春季追氮的产量显著高于仅种沟施用的两个磷氮组，而40 Rock配合春季追氮仅与对照有差异。春季追施氮的引入带来了产量改善，表明磷与氮分次施用之间存在协同效应。按四大类（对照、仅施氮、种沟磷氮、种沟磷氮+春季追氮）分组后，种沟磷氮和种沟磷氮+春季追氮的产量最高且彼此无差异，均显著高于仅施氮和对照。

3.2 籽粒蛋白质含量

2024年夏延县数据显示，籽粒蛋白质含量与施氮量之间未呈现正相关趋势，最高施氮水平并未比最低施氮水平产生更高的蛋白质含量。仅施氮处理中，唯一差异出现在处理2和处理3之间：25 lb N ac^?1全部秋施比同量按33%/66%分次施用的蛋白质含量更高。不同MAP和40 Rock用量在播种时施用呈现轻微负趋势但无显著差异。按四大类分组后，仅施氮处理的籽粒蛋白质含量显著高于种沟磷氮+春季追氮处理。籽粒蛋白质含量与籽粒产量呈显著负相关（r = –0.515，p < .0001），这与小麦和大麦中常见的产量–蛋白质权衡关系一致。

3.3 株高、分蘖、总地上部生物量与收获指数

夏延县2022和2024年合并数据显示，同一肥料类型的不同用量间株高无差异；仅施氮处理与对照株高无差异，而种沟磷氮和种沟磷氮+春季追氮处理的株高显著高于仅施氮和对照，但两者之间无差异。分蘖数据显示，2024年因环境因素处理间无差异；2022年按四大类分组后，仅施氮处理的分蘖数显著低于其他处理——比对照少28.3%，比种沟磷氮处理少38.6%，比种沟磷氮+春季追氮处理少36.5%。总地上部生物量在2024年无处理间差异；2022年按四大类分组后，种沟磷氮+春季追氮处理的生物量显著高于对照和仅施氮处理，与种沟磷氮处理相似。收获指数在各处理间无显著差异，与部分文献中高氮降低收获指数的结果不同，但与施用磷肥时无差异的报道一致。

四、讨论与结论

本研究表明，仅施氮处理虽较对照有产量优势，但低于磷氮配合施用。种沟磷氮施用至关重要，在此基础上增加春季追氮可带来小幅增量改善。在磷源方面，40 Rock和MAP总体响应相似，但40 Rock各用量间无差异，而MAP用量与产量呈正线性关系且未出现平台，未来试验可采用更高MAP用量以探索最优水平。干旱条件可能掩盖了缓释肥料（如40 Rock）的潜在优势。仅施氮处理比种沟磷氮+春季追氮处理的籽粒蛋白质含量更高，但籽粒蛋白质产量在最高分次施氮量配合较高MAP用量和春季追氮时达到最高，表明高量MAP种沟施用配合春季追氮能最好地平衡籽粒产量和蛋白质含量。种沟磷氮施用倾向于产生更高的株高、分蘖数和生物量，这很可能解释了其更高的产量表现。本研究还凸显了环境条件对冬大麦生产和肥料响应的巨大影响：2023年因严寒全试验点绝收，2022和2024年部分性状处理间差异被抑制，表明该地区年际天气变异性可能超过施肥管理的影响。研究聚焦于优化肥料用量、时机和来源，同时也揭示了肥力、天气气候条件和品种特性之间的交互作用，这些均需进一步研究以确保种植者在该地区种植冬大麦的高成功率。