一种改善谷子品质的有机无机专用肥及其施肥方法

技术领域

本发明属于肥料技术领域，具体涉及一种改善谷子品质的有机无机专用肥及其施肥方法。

背景技术

谷子是一种抗旱节水耐贫瘠的环境友好型农作物，去壳后为小米，营养价值高，脂肪、粗纤维、维生素的含量明显高于大米和小麦，且含有丰富的矿物质和配比均衡的氨基酸，对于平衡营养、合理膳食有重要意义。近年来，随着人们健康饮食观念的增强，对小米需求量不断增加，品质优良的小米已成为谷子产业和科研发展的目标与动力。基因型遗传因素是谷子品质特性的基础，不同品种间品质存在明显差异，但不同的施肥制度对作物品质产生不同的影响。目前在作物生产中长期不当施用化肥不仅影响土壤理化性状，降低土壤pH，导致土壤板结，养分不平衡，而且也影响作物产量、品质，进而影响产品的市场竞争力。

不同种类、来源和比例的有机肥与化肥配施效果不一致。有研究发现N、P、K配施生物有机肥可以增加玉米产量以及淀粉、蛋白质含量。也有研究表明，生物有机肥部分替代化肥有利于水稻产量和品质的提高。在研究常规施肥量条件下，鸡粪、猪粪配施少量化肥，可以起到提升小麦品质的作用，而过量施用化肥或有机肥对小麦品质的提升作用不明显。大量研究表明，施肥措施在改善作物品质方面具有重要作用，但主要集中在玉米、水稻、小麦、马铃薯等作物上，谷子的研究报道较少。

随着黄粉虫(Tenebrio molitor)养殖的日益规模化，成为继家蚕和蜜蜂之后的第三大昆虫产业，养殖过程中的排泄物虫粪也越来越多。据测定，每1kg幼虫成长为成虫约产生2-3kg的虫粪。若每个黄粉虫养殖场养殖规模为10t·a

黄粉虫虫粪(简称黄粉虫粪)干燥、无臭、细小呈细沙状、是自然气孔率高的微小团粒结构，表面有黄粉虫消化道分泌液形成的微膜。黄粉虫粪本身含有丰富的营养物质，大量数据表明黄粉虫粪中的粗蛋白、氮、磷、钾含量分别为24.00％、3.37％、1.04％、1.40％，有机质高达70％以上，同时含有高等植物生长所必需的营养物质，包括碳、氢、氧、氮、磷、钾、镁、钙、硼、硫、铁、铜、锌、锰、钼、氯16种营养元素，养分优于现有的畜禽粪便，是一种优质的有机肥。

如果能将黄粉虫粪作为肥料进行利用，这样既实现了废弃物的资源再利用，又可以改良土壤和提高肥料利用率，实现废弃物循环利用、减肥增效和提升地力。但通过实验，如果将黄粉虫粪直接作为底肥施用，会影响种子发芽、烧苗。

发明内容

根据现有技术中的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种改善谷子品质的有机无机专用肥及其施肥方法，将黄粉虫粪发酵后作为有机肥，配施减量尿素,可以避免烧苗现象，实现节本增效。

本方案所述的一种改善谷子品质的有机无机专用肥，包括尿素和发酵黄粉虫粪,其中发酵黄粉虫粪采用含有黄粉虫粪和过磷酸钙厌氧发酵得到；所述过磷酸钙的质量为黄粉虫粪质量的2％-4％。

进一步，为了确保施肥效果，采用所述发酵黄粉虫粪由黄粉虫粪和过磷酸钙厌氧发酵得到。

进一步，为了提高谷子品质，所述过磷酸钙的质量为黄粉虫粪质量的3％。

进一步，优选上述改善谷子品质的有机无机专用肥还可以直接采用由尿素和发酵黄粉虫粪组成。

进一步,优选所述尿素为8-12份，发酵黄粉虫粪为250-500份。

进一步将上述改善谷子品质的有机无机专用肥的施肥方法改进如下:

在谷子播种时，采用尿素和发酵黄粉虫粪作为底肥一次性放入，其中尿素为8-12kg/667m

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明尿素配施黄粉虫粪的技术方案比单纯施用化肥，其尿素用量减少，从肥料的投入、作物的产量和品质、耕地地力的提升以及环境的影响等方面，起到了低碳循环、绿色、减肥增效的效应,同时也避免了烧苗现象。

附图说明

图1为氮素与有机肥配施对小米米色的影响；

图2为氮素与有机肥配施对小米呈味氨基酸的影响。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步说明，但不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

实施例

1本实施例采用的材料和方法

1.1试验地点及供试材料

试验于2021年在山西省晋中市太谷区申奉村山西农业大学试验田进行，2021年5月18日播种，2021年10月2日收获。

供试地土壤为：石灰性褐土，pH 7.9，有机质含量25.58g/kg，全氮含量1.01g/kg，碱解氮含量47.94mg/kg，有效磷含量23.48mg/kg，有效钾含量129.58mg/kg。供试谷子为晋谷21。

供试肥料：生物有机肥购于京台四方(北京)生物科技有限公司，有机质含量≥60％，有效活菌数≥3亿/克，(N+P

1.2试验设计

采用田间小区试验，完全随机设计，设置尿素两个水平120kg/hm

表1试验设计

上述实验数据，尿素的选择可以采用8kg/667m

1.3测定指标与方法

米色用色差仪(X-Rite(American)Vs450colorimeter)测定，脱粒、分筛、去杂后，测定米色亮度(L*)、红绿值(a*)、黄蓝值(b*)，橘色颜色指数CCI＝1000×a*/(L*×b*)。

类胡萝卜素含量测定：称取2.0g研磨好的样品，分别加入10m L水饱和正丁醇，振荡30s，使其充分混匀，避光保存。在室温下震荡3h，4 000g离心10min后取上清，即为类胡萝卜素提取液。通过分光光度计分别测定样品在450nm处的吸光值，从而得到总类胡萝卜素含量。

总类胡萝卜素(mg/kg)＝4A×V/m

其中，A为波长450nm处吸光值；V为提取液体积(m L)；m为样品质量(g)。

用近红外分析仪(NIRSTMDS2500丹麦)测定小米氨基酸组分、胶稠度。

粗蛋白按GB 5009.5—2016第一法测定；粗脂肪按GB 5009.6-2016第一法测定。

直链淀粉、支链淀粉采用何洁、田翔等人的双波长法测定，确定参比波长为在波长472nm(λ

y＝0.0426x+0.0001，R

y＝0.0031x+0.0167，R

总淀粉(％)＝直链淀粉(％)+支链淀粉(％)

式中X1、X2为查双波长直链、支链淀粉标准曲线得样品中直链、支链淀粉含量(mg)，m为样品质量(g)。

1.4数据处理

采用Microsoft Excel 2010对数据进行处理，用Origin 2021作图，用SPSS 20.0进行显著性(Duncan)分析和主成分分析。

2、上述实验的结果与分析

2.1氮肥与有机肥配施谷子米色的差异比较

由图1可知所有处理小米的L*、a*、b*值均为正值，即所有处理小米表现为偏亮、偏红、偏黄。配施生物有机肥和发酵黄粉虫粪处理，小米米色L*、a*、CCI值均极显著大于单施尿素处理。与N2处理相比，N2与生物有机肥配施L*、a*、CCI值分别增加2.35％-5.43％、43.61％-56.02％、41.43％-60.96％，与发酵黄粉虫粪配施L*、a*、CCI分别增加3.78％-5.41％、34.36％-48.34％、33.01％-65.02％。配施发酵黄粉虫粪对小米亮度的影响大于生物有机肥处理，对小米红绿值的影响小于生物有机肥。与N1处理相比，随着生物有机肥用量的增加，a*、b*、CCI增加，随着发酵黄粉虫粪施用量的增加，L*、b*值增加。不同种类有机肥与尿素配施对米色各指标影响不同。

2.2氮素与有机肥配施对谷子粗脂肪等营养品质的影响

由如下表2、表3可知，在同一尿素水平下，随着生物有机肥施用量的增加，谷子粗脂肪、粗蛋白、胶稠度和类胡萝卜素含量增加，表现为N2A2>N2A1>N1A2>N1A1，随着发酵黄粉虫粪施用量的增加谷子胶稠度和类胡萝卜素含量降低。与N1处理相比，N1与生物有机肥配施，谷子粗脂肪、粗蛋白含量分别增加1.54％、2.46％，胶稠度增长10.75％，类胡萝卜素含量降低3.32％。N1与发酵黄粉虫粪配施，谷子平均粗脂肪和粗蛋白含量增加3.43％和3.29％，平均胶稠度增长11.79％，类胡萝卜素含量降低6.35％。N1与生物有机肥配施，谷子粗脂肪、粗蛋白、类胡萝卜素含量以及胶稠度大于N1与发酵黄粉虫粪配施处理。与N2处理相比，N2与生物有机肥配施谷子粗脂肪、粗蛋白含量增加了4.89％、3.15％，胶稠度延长了17.62％，类胡萝卜素含量降低了0.96％。N2与发酵黄粉虫粪配施谷子粗脂肪、粗蛋白和类胡萝卜素含量分别增加0.50％、1.22％和5.56％，胶稠度延长21.37％。N2与生物有机肥处理平均粗脂肪、粗蛋白含量高于N2与发酵黄粉虫粪配施处理，而类胡萝卜素含量以及胶稠度小于N2与发酵黄粉虫粪配施处理。

表2尿素配施生物有机肥对谷子品质的影响

同一列不同小写字母表示差异在0.05水平显著(下同)；ns—不显著Notsignificant；*—P<0.05；**—P<0.01；***—P<0.001

表3尿素配施黄粉虫粪对谷子品质的影响

同一列不同小写字母表示差异在0.05水平显著(下同)；ns—不显著Notsignificant；*—P<0.05；**—P<0.01；***—P<0.001

2.3氮素与有机肥配施对谷子淀粉含量的影响

由如下表4、5可知，与单施尿素处理相比，尿素与有机肥配施处理显著提高了谷子支链淀粉和淀粉总含量及支直比。在同一尿素水平下，随着生物有机肥施用量的增加，谷子直链、支链淀粉以及淀粉总含量增加，淀粉支直比降低；随着发酵黄粉虫粪施用量的增加，直链、支链淀粉以及总淀粉含量降低，支直比：N2B1>N2B2>N1B2>N1B1。其中N2A1、N2B1处理，支链淀粉、淀粉总含量以及支直比最大，其他配施处理之间差异不显著，N1A2处理直链淀粉含量最高为15.48％。在同一尿素用量下，尿素与发酵黄粉虫粪配施谷子各淀粉组分以及支直比均大于尿素与生物有机肥处理。与N2处理相比，配施发酵黄粉虫粪谷子平均支链淀粉、总淀粉含量以及支直比增加19.44％、12.85％和31.29％，直链淀粉含量降低2.64％。

表4氮素与生物有机肥配施对谷子淀粉的影响

表5氮素与发酵黄粉虫粪配施对谷子淀粉的影响

2.4氮肥与有机肥配施对小米氨基酸含量的影响

氨基酸是蛋白质的主要成分，谷子含有丰富的氨基酸，特别是人体必须的氨基酸蛋氨酸、色氨酸等含量高于大米。由下表6、表7可知谷子17种氨基酸中含量较高的是谷氨酸、异亮氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸、天冬氨酸平均含量分别为2.42％、1.50％、1.10％、0.91％和0.82％；其中谷氨酸含量最高的处理是N1B1(2.59％)、N2(2.57％)、N2B1(2.57％)；各施肥处理丙氨酸含量的变异范围最小为1.08％-1.11％，含量最高的处理是N2B1、N1B1、N2A2；脯氨酸含量的变异范围最大为0.23％-0.45％，含量最高的处理是N2A2；在发酵黄粉虫粪与尿素配施的处理中N2水平处理下，Ile、Met、Pro、Try的含量都高于N1水平下的各处理，在生物有机肥与尿素的配施处理中，Arg、Cys、Met、Pro、Try、Val氨基酸含量在N2水平含量更高。因此，不同的施肥方式、不同的施肥量及不同的有机肥对小米中氨基酸的组分有不同的影响。

表6尿素配施生物有机肥对小米氨基酸组分的影响

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表7尿素配施发酵黄粉虫粪对小米氨基酸组分的影响

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表6和表7中，同一列不同小写字母表示差异在0.05水平显著(下同)；ns—不显著Not significant；*—P<0.05；**—P<0.01；***—P<0.001

2.5氮素与有机肥配施对小米呈味氨基酸的影响

风味氨基酸主要分为鲜、甜和苦三类，由图2可知，所有处理中风味氨基酸含量从高到低为苦味氨基酸>鲜味氨基酸>甜味氨基酸，且差异显著。尿素与发酵黄粉虫粪配施处理，谷子氨基酸差值均大于尿素与生物有机肥配施处理(N1A1除外)。与对照相比，尿素与有机肥配施处理显著提高了谷子鲜味氨基酸含量，尿素与生物有机肥配施谷子鲜味氨基酸含量平均增加6.93％，与发酵黄粉虫配施含量平均增加6.85％。N1A1、N1B2、N2B1处理，甜味氨基酸含量较高分别为2.96％、2.92％、2.95％。与单施有机肥比较，尿素与生物有机肥配施谷子苦味氨基酸平均含量显著降低了2.00％(N2A2除外)，与发酵黄粉虫粪配施处理降低2.68％。

2.6谷子籽粒品质指标相关性分析

由如下表8可以看出，14个指标中共有21对指标间表现出高度相关性，且达到显著水平，与籽粒蛋白质含量高度相关的有8个指标，分别为L*、a*、b*、甜味氨基酸、鲜味氨基酸、支链淀粉、总淀粉、支直比。与支链淀粉含量相关的有5个指标，分别为粗蛋白、胶稠度、L*、a*、鲜味氨基酸；与直链淀粉相关的有4个指标，分别为胶稠度、a*、鲜味氨基酸、支直比；与淀粉支直比相关的有8个指标，分别为粗蛋白、直链淀粉、胶稠度、L*、a*、鲜味氨基酸、支链淀粉、淀粉总含量。与米色a*相关的有5个指标，分别为粗蛋白、直链淀粉、胶稠度、L*；与L*相关的指标有3个，分别为粗脂肪、粗蛋白、胶稠度；而b*值仅与粗蛋白含量这一个指标相关。本试验各指标间的相关性分析表明，谷子籽粒蛋白质含量、支链淀粉、淀粉总含量以及支直比与多项指标之间存在高度相关性是反映小米品质状况的重要单项指标。

表8谷子籽粒品质之间的相关性

**.在0.01级别(双尾)，相关性显著。

*.在0.05级别(双尾)，相关性显著。

2.7谷子籽粒品质主成分分析

12个品质指标的主成分分析结果(表8)表明，前4个主成分的累计贡献率达到了81.97％，可以代表所有单项原始品质性状信息，第一主成分特征值为4.73，贡献率为39.45％，载荷较大的有：粗脂肪、粗蛋白、支链淀粉、L*、甜味氨基酸、鲜味氨基酸，对第一主成分均呈正效应，以此向量作为线向组合系数得到的综合指标较大时，会获得较高的粗脂肪含量因子。第二主成分特征值为2.08，贡献率为17.36％，荷载较大的有：胶稠度、L*、a*、b*，可称之为米色因子。第三主成分特征值为1.71，贡献率为14.28％，荷载较大的有：类胡萝卜素、苦味氨基酸。

通过主成分分析，将评价谷子籽粒品质的12个单项指标转化为4个主成分综合指标，通过下式，计算不同施肥处理谷子籽粒品质性状的综合得分(F)。

F＝主成分1得分×39.45％+主成分2得分×17.36％+主成分3得分×14.28％+主成分4得分×10.89％。上式中，综合得分值(F)为各主成分得分乘以各自的权重的和；各主成分权重为该主成分特征值占总特征值的比值。F值量化反映了不同施肥处理晋谷21籽粒品质的综合表现(表9)，分值越高表明综合品质越好。由表10可知尿素配施不同有机肥，小米品质优于单施有机肥及尿素单施，其中N2B1、N2B2、N2A2处理品质最优，无论是单施有机肥还是单施化肥，施氮量越大，品质综合得分越高；在相同的施肥量下，发酵黄粉虫粪处理的品质综合得分均大于生物有机肥处理，且配施处理施氮量越大综合得分的差距越小。

表10不同施肥处理谷子籽粒品质主成分得分、综合得分及排名

3结论

通过上述实施内容，与对照相比，尿素与有机肥配施类胡萝卜素含量增加3.82％-15.93％，表明尿素与有机肥配施谷子偏红偏亮，米色的综合指标好，具有较好的外观品质。相关性分析发现小米米色L*、a*值与支链淀粉、鲜味氨基酸、粗蛋白和粗脂肪含量呈正相关。在同一有机肥施肥水平下，随着尿素施用量的增加，谷子类胡萝卜素含量降低。

小米的化学成分直接影响蒸煮食味品质，蛋白质含量越高，蒸煮品质越差，直链淀粉影响小米饭的粘度、弹性、适口性、回生值。胶稠度是指小米蒸煮一定时间后，米汤中胶质的流动长度，反映米胶的软硬，其中胶稠度越大，米饭越软，蒸煮性越好，与小米饭的柔软性有关。胶稠度与适口性之间呈正相关，本试验表明，单施尿素显著降低了谷子胶稠度，与N2处理相比尿素与有机肥配施谷子胶稠度增加了11.79％-21.37％，粗脂肪含量增加0.50％-3.15％，粗蛋白含量增加1.22％-3.15％，支链淀粉增加了19.43％-22.06％，直链淀粉含量降低了0.32％-12.29％，相关性分析发现，胶稠度与支链淀粉、淀粉支直比以及粗脂肪含量呈显著正相关，与直链淀粉含量呈负相关，与粗蛋白相关性不显著。油脂含量直接影响小米粥感官质量，高油脂含量小米的粘聚性，柔软性，滋味和适口性等指标比较。氨基酸的种类与含量影响小米的鲜味与口感。相关性分析发现，鲜味氨基酸含量与支链淀粉、总淀粉以及淀粉支直比呈显著正相关。在一定范围内支直比较大，直链淀粉含量高的谷子鲜味氨基酸含量高，谷子蒸煮品质较好，米饭湿润有光泽，鲜味和口感较好。相较于N2，尿素与有机肥配施处理鲜味氨基酸含量增加3.44％-3.54％，甜味氨基酸含量增加1.72％-3.75％，其中N1A1、N1B1、N1B2、N2B1处理氨基酸差值较大，尿素与有机肥配施提高了小米鲜味。氮、磷是氨基酸合成的重要元素，氮、磷肥配施能显著提高总氨基酸含量以及苏氨酸、丝氨酸、天冬氨酸(鲜味、甜味氨基酸)等主要氨基酸含量。尿素与有机肥配施不仅提供了充足的氮素营养，同时有机肥中含有丰富的磷钾及微量元素满足作物生长需求。

综合所有的品质指标进行主成分分析，可知小米品质主要受粗脂肪、粗蛋白、支链淀粉以及米色的影响。计算其综合得分：

N2B1>N2B2>N2A2>N1A2>N1B1>N1A1>N2A1>N1B2>N2>B2>N1>A2>B1>A1>CK。

因此尿素与有机肥配施有利于改善谷子外观品质，提高营养品质和食味品质。本实施方式中配施有机肥处理，随着施肥量的增加谷子粗脂肪和粗蛋白含量增加，有机肥用量及尿素用量与有机肥用量二者的交互作用对谷子粗蛋白的影响远小于尿素。N2与有机肥配施处理粗蛋白含量差异不显著可能是因为达到蛋白质含量的提高的临界值；在同一配施处理比例下，不同种类有机肥处理谷子，粗蛋白含量存在差异，可能是由于，一个生育期内有机肥与化肥对品质的影响主要取决于二者在作物生长过程中提供的速效氮水平，两种有机肥由于生产工艺以及所含菌种差异造成的矿化速率不同。与N2处理相比，尿素与生物有机肥配施谷子直链淀粉含量降低0.81％-7.41％，尿素与发酵黄粉虫粪配施谷直链淀粉含量降低0.32％-12.29％，在同一尿素水平下随着生物有机肥含量的增加直链淀粉含量降低。这可能是配施一定量的有机肥，增加了土壤微生物活动，提高了土壤积温进而影响了谷子直链淀粉的合成。相较于发酵黄粉虫粪，生物有机肥添加了更多的益生菌菌群，微生物活动更活跃，更有利于土壤温度的提高。

综上所述，本试验条件下，不同量的尿素与不同量生物有机肥、发酵黄粉虫粪配施，对于提高谷子的外观品质、蒸煮风味品质和营养品质都能够起到很好的促进作用，不同施肥措施对谷子各品质指标的影响强度不同，由大到小依次为：粗脂肪、粗蛋白、支链淀粉、米色；主成分分析表明N2B1、N2B2、N2A2、N1A2、N1B1处理即合适的尿素与有机肥配施对改善谷子品质指标有重要影响。因此优化施肥管理模式能够显著改善谷子品质。

为了进一步方便查看将上述实施方案中尿素和发酵黄粉虫粪组合后的有机无机专用肥效果总结如下：

(1)减少了氮肥用量，比常规谷子种植氮肥用量减少了17.6％～50％。

(2)一次性施肥，可满足谷子生长需要的氮磷钾大量营养元素，还可以提供谷子生长需要的微量元素和有益菌。实现了氮肥减施，提高肥料利用率，提升谷子田耕地质量，助力碳达峰、碳中和,同时避免了烧苗现象。

(3)改善了品质。比常规施肥谷子胶稠度增加了11.79％-21.37％，粗脂肪含量增加0.50％-3.15％，粗蛋白含量增加1.22％-3.15，支链淀粉增加了19.43％-22.06％，直链淀粉含量降低了0.32％-12.29％，鲜味氨基酸含量增加3.44％-3.54％，甜味氨基酸含量增加1.72％-3.75％，对于提高谷子的外观品质、蒸煮风味品质和营养品质都能够起到很好的促进作用。