《PLOS One》：Enhanced grain quality of malt barley (Hordeum distichon L.) in response to mixed use of organic compost and mineral nitrogen rates
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本文综述了有机堆肥与矿物氮肥混合施用对大麦麦芽品质的多维度影响。研究揭示了在土壤肥力下降的埃塞俄比亚高地，通过优化施肥组合（69 kg N ha-1+ 5 t ha-1堆肥），可有效协同提升千粒重、麦芽浸出率、麦芽β-葡聚糖和发芽能力等关键品质参数，实现满足酿造行业标准、优化大麦麦芽品质与恢复土壤肥力的双重目标，为小农户提供了可持续的生产方案。
引言
大麦（Hordeum vulgareL.）是具有高度遗传多样性的重要作物。埃塞俄比亚是大麦在非洲的主要生产国之一，其产量约占非洲大陆总产量的25%。在埃塞俄比亚，大麦是高地小农户用于粮食、饲料、麦芽生产（酿造业）和创收的关键作物。然而，由于土壤肥力水平低、土壤酸度高、养分投入不足、有机改良剂应用有限以及农艺管理措施不当等因素，其生产力（平均2.18 t ha-1）远低于世界平均水平（2.89 t ha-1）及其6 t ha-1的潜在生产力。低产量和品质产能，加上陈旧的麦芽工厂，迫使埃塞俄比亚每年需花费数百万美元进口麦芽大麦以满足国家层面的啤酒酿造需求。
影响麦芽大麦生产适用性的关键品质参数众多，包括麦芽浸出率、谷物蛋白积累、谷物大小和麦芽β-葡聚糖等。氮肥被认为是提高麦芽大麦产量的主要因素，因为它直接影响产量和质量。然而，持续使用化肥会导致土壤有机质（SOM）下降、土壤质量降低，并影响微生物活性，最终影响作物生产和生产力。另一方面，堆肥在提高大麦产量及其组成（如粒重）方面更为有效，并能显著改善土壤理化性质。尽管有机堆肥具有诸多优点，但由于其作为缓释肥料、劳动密集等原因，许多农民拒绝单独使用。
有机和矿物改良剂的联合施用有助于解决上述问题，改善土壤性质，最终提高作物产量和质量。尽管国际上关于大麦生产中矿物氮管理的研究广泛，但在埃塞俄比亚条件下，联合使用天然和矿物氮肥源的组合方法受到的关注相对较少。为填补这一研究空白，本研究旨在调查堆肥与化学氮肥的集成应用，以优化埃塞俄比亚高地（特别是研究区域）的麦芽大麦品质，同时平衡高产需求与酿造行业的质量标准。
材料与方法
本研究于2022年和2023年的种植季节，在埃塞俄比亚奥罗米亚州韦尔梅拉区的Holetta农业研究中心（HARC）实验田进行。试验点海拔约2400米，年平均降水量1100毫米，土壤类型为富铁质强淋溶土。试验采用随机区组设计，设置了五个氮水平（0、23、46、69和92 kg N ha-1）和四个堆肥水平（0、2.5、5和7.5 t ha-1）的因子排列，每个处理重复三次。供试作物为麦芽大麦品种Ibon174/03。尿素（46% N）和重过磷酸钙（46% P2O5）分别作为氮磷肥源。所有数据均进行方差分析（ANOVA）。
结果
千粒重
千粒重（TSW）受氮肥施用量、氮肥与种植季节的交互作用影响极显著。堆肥与种植季节的交互作用也对其有显著影响。最高千粒重（45.75 g）记录在92 kg ha-1和69 kg ha-1的氮水平下。即使是23 kg ha-1的低氮肥施用，也能将千粒重从零氮时的42.93 g提高到44.20 g。
水分含量
水分含量主要受种植年份影响显著，2022年的水分含量（11.79%）高于2023年（11.50%）。氮肥和堆肥的交互作用对水分含量有显著影响，其中最高值（12.20%）出现在2022年施用7.5 t ha-1堆肥和92 kg ha-1氮肥的组合中。
百升重
百升重受种植季节影响极显著，2022年的百升重（64.66 kg hl-1）高于2023年（62.13 kg hl-1）。氮肥与种植年份的交互作用对其影响显著，最高值（65.75 kg hl-1）出现在2022年施用46 kg ha-1氮肥时。
麦芽浸出率
麦芽浸出率受氮肥、有机堆肥和种植季节的主效应影响极显著，同时也受氮肥与堆肥、氮肥与种植季节、堆肥与种植季节的交互作用显著影响。最高的麦芽浸出率（80.44%）来自不施氮肥的处理，而最低的（78.28%）来自最高的氮肥施用量（92 kg ha-1）。堆肥施用也显示出类似趋势，低堆肥量（2.5 t ha-1）的浸出率最高（80.13%），高堆肥量（7.5 t ha-1）最低（78.69%）。
谷物蛋白含量
谷物蛋白浓度受矿物氮、堆肥施用量和种植年份的主效应影响极显著，三者的交互作用也影响显著。蛋白质含量与氮肥施用量呈正相关，最高蛋白水平（11.82%）出现在最高氮肥施用量（92 kg N ha-1）下。最高堆肥施用量（7.5 t ha-1）也产生了最高的蛋白质水平（11.43%）。
麦芽脆度
麦芽脆度受化学氮肥和堆肥肥料源的主效应影响极显著。氮肥水平与麦芽脆度含量呈负相关，最高脆度（81.13%）来自未施氮肥的地块，而最低（77.81%）来自最高的氮肥施用量（92 kg ha-1）。最高的平均麦芽脆度（80.65%）记录在施用7.5 t ha?1堆肥的处理中。
麦芽β-葡聚糖
麦芽β-葡聚糖受矿物氮、有机堆肥和种植年份的主效应影响极显著，种植年份与堆肥水平的交互作用也显著影响。最高的麦芽β-葡聚糖（607.53 ppm）来自施用92 kg N ha-1的地块。在堆肥方面，最高施用量（7.5 t ha-1）产生了最高的β-葡聚糖含量（572.53 ppm）。
发芽能力
发芽能力（GC）受氮肥和堆肥水平的主效应影响极显著，矿物氮和堆肥水平的交互作用也极显著影响。最高的发芽能力（98.24%）记录在最高的92 kg N ha-1矿物氮肥施用量下。最高的谷物发芽能力（96.96%）记录在最高的7.5 t ha-1堆肥施用水平下。最高的平均发芽能力（98.92%）来自92 kg ha-1氮肥和7.5 t ha-1堆肥的联合施用。
发芽能量
发芽能量（GE）对氮肥、堆肥施用率的主效应以及堆肥与种植年份的交互作用响应极显著。最高的发芽能量（97.05%）记录在92 kg ha-1的氮肥水平下。堆肥施用量也显著影响发芽能量，最高施用量（7.5 t ha-1）记录到最高的发芽能量（95.17%）。
多元回归与相关性分析
多元回归分析表明，谷物蛋白含量与氮肥施用量、堆肥施用量和种植年份呈正相关。麦芽浸出率则与这三者呈负相关。麦芽β-葡聚糖和发芽能量与氮肥、堆肥及种植年份呈正相关。相关性分析显示，谷物蛋白浓度与β-葡聚糖、发芽能量和发芽能力呈极显著正相关，但与麦芽浸出率和麦芽脆度呈极显著负相关。麦芽浸出率与β-葡聚糖和发芽能力呈极显著负相关，但与麦芽脆度、水分含量和百升重呈显著正相关。
讨论
千粒重
千粒重随氮肥施用量的增加而增加，这表明氮对于改善大麦种子发育至关重要。这可能与氮肥促进养分吸收、增强光合作用和促进旺盛的营养生长有关。最佳剂量的有机改良剂通过改善土壤健康、养分可及性和土壤物理性质，对千粒重产生积极影响。不同种植季节的天气条件变化会影响养分有效性，最终影响作物生长和种子重量。
麦芽浸出率
麦芽浸出率是麦芽品质的关键指标。增加氮肥施用量会导致谷物蛋白浓度上升，从而限制胚乳修饰并降低麦芽浸出率。不施用任何肥料的对照处理显示出最高的麦芽浸出率。土壤中养分含量的增加可能会降低麦芽浸出率，这与谷物蛋白含量呈负相关。种植年份的变化通过改变蛋白质与淀粉的比例影响麦芽浸出率。
谷物蛋白含量
谷物蛋白积累的差异可能是由于堆肥施用量增加改善了养分可及性和土壤条件，特别是在环境条件更有利的种植年份。矿物氮肥施用量的增加会线性提高麦芽大麦的谷物蛋白浓度。有机和无机改良剂的混合使用与单独使用化学氮肥相比，可以维持或略微降低谷物蛋白浓度。埃塞俄比亚标准局和阿塞拉麦芽工厂设定的麦芽大麦谷物蛋白浓度标准范围为9-12%，本研究大部分处理符合此要求。
麦芽β-葡聚糖
麦芽β-葡聚糖对氮肥施用量的增加呈线性响应。然而，有机肥与矿物氮肥的联合施用对大麦和小麦作物中的β-葡聚糖浓度没有显著影响。种植年份显著影响β-葡聚糖浓度，这是由于环境条件或天气变量以及籽粒发育过程中的土壤水分影响了参与β-葡聚糖合成和降解的酶的功能。
发芽能力与发芽能量
发芽能力是决定麦芽和啤酒生产适用性的关键特征。化学氮肥施用量显著影响大麦种子的发芽百分比。有机肥源根据剂量对提高麦芽大麦谷物的发芽能力非常重要。氮提供了增强胚胎发育和活力的必需养分，提高了发芽过程中的种子代谢过程。发芽能量对化学氮肥施用量的主效应响应显著。氮肥水平对麦芽大麦种子的发芽能量有显著影响。
结论
麦芽大麦是埃塞俄比亚最重要的谷类作物之一。本实验表明，有机堆肥和化学氮肥施用量的均衡使用对千粒重、麦芽浸出率、谷物蛋白浓度、麦芽β-葡聚糖、发芽能力和发芽能量有显著影响。此外，矿物氮、堆肥和种植季节的综合和交互作用影响了各种麦芽品质参数。
最重要的是，结果清楚地表明，适度施用69 kg N ha?1混合5 t ha?1堆肥可以在麦芽品质性状之间提供最佳平衡，在不过度提高蛋白质含量或不降低麦芽浸出率的情况下，满足可接受的行业标准。这种集成管理方法不仅改善了麦芽品质，同时支持了土壤肥力和长期生产可持续性，为埃塞俄比亚高地的小农户提供了一种实用且可扩展的途径。
本实验的实际意义超出了实验田范围。对于埃塞俄比亚高地的小农户，矿物氮与堆肥组合的最佳肥料使用提供了一种可行的方法，以增强麦芽品质性状和市场价值，同时维持土壤健康和质量。对于啤酒厂，它确保了高品质麦芽大麦谷物的可靠供应，这对于持续高效的制麦和酿造至关重要，也是减少麦芽进口依赖的解决方案。研究结果也向政策制定者和发展计划强调了整合有机肥和化学施肥对于提高农业生产力和确保长期环境可持续性的重要性。为了得出更强有力且广泛适用的建议，未来进行跨多个季节和地点的研究，并辅以更多的品质参数评估是明智的。
