氮素營養(yǎng)水平對大豆氮素積累及產(chǎn)量的影響

董守坤,龔振平,祖?zhèn)?/p>

(東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院,黑龍江哈爾濱150030)

氮素是植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素和一些激素等的重要組成部分,是限制作物生長和產(chǎn)量形成的首要因素[1-3]。大豆自身積累高濃度的蛋白質(zhì),根瘤固氮對結(jié)實器官營養(yǎng)作用非常明顯[4]。但是要維持其正常生長靠根瘤固氮僅能滿足大豆需氮的50%左右[5-7],所以必須給以足夠的氮肥[8-10]。近幾年的研究結(jié)果表明,施用氮肥可以促進植株生長,提高大豆產(chǎn)量[11-12]。大豆的氮素來源于兩個方面,一是來自土壤和肥料中的氮素;二是來自根瘤菌的共生固氮,二者互相聯(lián)系,又相互制約。所以,施氮肥必須考慮根瘤的固氮特點,使其既能夠促進根瘤的固氮作用,又能給大豆補充養(yǎng)分,這是大豆合理施用氮肥技術中的關鍵問題。土壤中氮素來源和形態(tài)比較復雜,且受環(huán)境影響很大。因此,為了能夠更準確地揭示氮素水平對大豆氮素積累、來源特性及產(chǎn)量的影響,本試驗利用15N示蹤技術,采用砂培方法,在營養(yǎng)條件可控的環(huán)境下進行研究,以期為生產(chǎn)上合理施用氮肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

砂培試驗于2007年在東北農(nóng)業(yè)大學校內(nèi)進行。桶直徑0.30 m、高0.28 m,桶底鉆1cm直徑孔,裝江砂20 kg,裝桶前將江砂洗凈,置于玻璃防雨棚內(nèi),防止雨水淋入。在大豆2片復葉時接種根瘤菌,方法是取上年冷凍保存的大豆根瘤,研碎后加入到營養(yǎng)液中,每升營養(yǎng)液中約含5 g根瘤,連續(xù)淋澆5 d。

供試大豆(Glycine max)品種為東農(nóng)47(亞有限結(jié)莢習性,脂肪含量23.12%)。

1.2 試驗處理

試驗設全生育期營養(yǎng)液氮濃度為N 20、50、100、150 mg/L(分別用N20、N50、N100、N150 表示)4 個處理;為了模擬種肥作用,設V3期以前營養(yǎng)液中N濃度150mg/L,V3期以后變?yōu)?0 mg/L(N150-V3-20)、R1期以前營養(yǎng)液中N濃度150 mg/L,R1期以后變?yōu)?0 mg/L(N150-R1-20)、R2期以前營養(yǎng)液中N濃度150mg/L,R2期以后變?yōu)?0 mg/L(N150-R2-20)3個處理;另根據(jù)報道,種子形成初期追施氮肥能顯著提高對氮素的吸收[13],為此還設R4期以前營養(yǎng)液中N濃度20 mg/L,R4期以后變?yōu)?50 mg/L(N20-R4-150)和R5期以前營養(yǎng)液中N濃度20 mg/L,R5期以后變?yōu)?50 mg/L(N20-R5-150 mg/L)2個處理,共計 9個處理,每處理種30盆。以15N標記(NH4)2SO4(購于上海化工研究院,15N豐度為10.2%)作為氮源。營養(yǎng)液中除氮素外其他成分采用Hoagland營養(yǎng)液配制(mg/L):KH2PO4136.0,Mg-SO4240.0,CaCl2220.0,Na2MoO4·H2O 0.03,CuSO4·5H2O 0.08,ZnSO4·7H2O 0.22,MnCl2·4H2O 4.90,H3BO32.86,Fe-EDTA(將 5.57 g FeSO4·7H2O 和 7.45 g Na2EDTA分別溶解并定容到1 L蒸餾水中,使用時每升營養(yǎng)液加1 mL)[14]。

5月14日播種,播種至出苗(VE期)前每日淋澆1次自來水,每次500 mL。從出苗開始每日淋澆1次配制的營養(yǎng)液,每次500 mL;初花期(R1)以后每日淋澆2次,每次500 mL;為防止砂培中鹽分積累,每隔3 d用清水淋洗1次。

文中相關的生育時期:VE(出苗),V3(第3片復葉完全展開時),R1(初花期),R2(盛花期),R4(盛莢期),R5(鼓粒始期),R6(鼓粒滿期),R8(成熟期)。

1.3 取樣和分析

每次取樣均選擇在晴天上午9:00～10:00。地上部分自子葉痕處取下,根系及根瘤用水沖凈,每個處理R1～R6各時期取4盆,R8期取6盆,樣品于70℃烘干至恒重,測量地上與地下各部位的干重,粉碎后待分析用。在大豆葉片出現(xiàn)枯黃時,用1.5 m高的透明紗網(wǎng)將盆圍起來,收集殘葉和葉柄。以每盆為單位計算全株氮素積累量和產(chǎn)量。

植株氮素含量測定:采用凱氏定氮法。有機物中的氮在強熱和CuSO4、K2SO4、濃 H2SO4作用下,消化生成(NH4)2SO4,在凱氏定氮器中與堿作用,經(jīng)蒸餾釋放出的NH3收集于H3BO3溶液中,再用已知濃度的HCl標準溶液滴定,根據(jù)HCl消耗的量計算出氮的含量。

15N豐度測定:采用MAT2251型質(zhì)譜儀測定。樣品首先經(jīng)凱氏法消化,測定液在微酸性條件下濃縮至N 1 mg/mL左右,再在高真空條件下與次澳酸擔反應產(chǎn)生N2,用質(zhì)譜儀進行測定。

氮素積累量=干物質(zhì)量×氮素含量;

外源氮積累量=氮素積累量×(樣品15N豐度/硫酸銨15N豐度);

根瘤固氮積累量=氮素積累量-外源氮積累量。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素水平對大豆植株氮素積累的影響

氮素供應水平直接影響大豆的氮素營養(yǎng)狀況(表1)。在初花期(R1)以前,隨氮素水平增加,植株氮素積累量顯著增加,N100＞N50＞N20處理,差異達到顯著水平;當?shù)獫舛却笥?00 mg/L時對氮素積累沒有明顯促進作用。在R1～R8期,隨氮素水平增加,氮素積累量呈先增加后降低的趨勢,N50處理積累量最大,顯著大于N20、N100、N150;N100在 R6期以前顯著高于N20,到R8期N20和N100處理沒有顯著差異。說明初花期以前提高外源氮水平有利于植株氮素的積累,初花期以后,外源氮水平過高、過低均不利于植株對氮素的利用。

表1 不同生育時期全株氮素積累量(±SD,g/pot)Table 1 N accumulation in whole plant during the different stages of soybean

表1 不同生育時期全株氮素積累量(±SD,g/pot)Table 1 N accumulation in whole plant during the different stages of soybean

注(Note):V3-第3片復葉完全展開時Spreading of the 3rd leaf;R2—盛花期Full bloom;不同大、小寫字母表示處理間差異達1%和5%顯著水平Different capital and small letters mean significant among treatments at the 1%and 5%levels,respectively.

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表1還看出,大豆是對氮素非常敏感的作物,不同時期改變營養(yǎng)液中的氮濃度,對大豆植株氮素積累影響很大。從R8期氮素積累量可以看出,在VE～V3、VE～ R1、VE～ R2期給予150 mg/L 的高氮處理,而V3～R8期 、R1～ R8期 、R2～ R8期給予20mg/L的低氮處理時,N150-V3-20氮素積累量極顯著高于N20 、N150-R1-20 、N150-R2-20;N150-R1-20 、N150-R2-20、N20之間積累量無顯著差異。說明在第3片復葉完全展開(V3)期以前給予高氮處理能夠增加大豆對氮素的吸收利用,高氮處理的時間繼續(xù)延長對大豆氮素的積累沒有明顯的促進作用,甚至降低植株氮的積累。由此可以認為,大豆種肥的施氮量不宜過高,適量施氮使種肥氮的作用能維持到V3期即可;種肥氮量過大不僅不能達到促進氮素的利用,反而有抑制大豆對氮的積累的可能。

從成熟期(R8)氮素積累量可以看出,VE～ R4期、VE～ R5期給予 20 mg/L的低氮處理,R4～ R8期、R5～R8期給予 150 mg/L的高氮處理時,與N20相比其氮素積累量極顯著增加,其中N20-R5-150顯著大于N20-R4-150。說明適量的追施氮肥,可以增加大豆植株氮的積累,尤以在鼓粒始期(R5)追施氮肥,大豆對氮的吸收利用效果最好,這與甘銀波等[13]研究結(jié)果相似?？梢?進入結(jié)莢期以后大豆對氮的需求旺盛,追施氮肥是必要的,能夠促進對氮的吸收。

2.2 氮素水平對大豆植株氮素來源的影響

在砂培條件下,大豆氮素來源只有兩種,即來自于營養(yǎng)液中的外源氮和根瘤固定的氮。表2看出,隨氮素水平增加,植株中外源氮的比例隨之增大,根瘤固氮所占比例減小。營養(yǎng)液中氮素濃度從20 mg/L逐漸增加至150 mg/L時,外源氮所占比例從15.0%～ 20.1%增加到 73.5%～ 75.2%;根瘤固氮所占比例從79.9%～85.0%減小至24.8%～26.5%。說明當外源氮水平較高時,植株積累的氮主要來自于外源氮,而外源氮水平較低時,植株以根瘤固定的氮作為其主要的氮素來源。隨氮濃度增加,植株中外源氮積累量極顯著增加,當?shù)獫舛葹?00 mg/L時,外源氮的積累量最大,繼續(xù)提高氮水平不能增加對外源氮的利用。根瘤固氮積累量在初花期以前隨外源氮水平增加呈降低趨勢;在初花期以后則表現(xiàn)為N50＞N20＞N100＞N150處理,差異達顯著水平。說明根瘤生長需要氮,但外源氮的水平直接影響根瘤的固氮能力,過高、過低均不利于根瘤的生長。

不同時期改變營養(yǎng)液中氮濃度對大豆氮素構(gòu)成影響也很大(表2,表3)。從成熟期(R8)氮素積累量可以看出 ,在 VE～ V3期 、VE～ R1、VE～ R2期給予150mg/L的高氮處理,而 V3～ R8期、R1～ R8期 、R2～R8期給予20 mg/L的低氮處理時,與N20處理相比,隨高氮處理時間的延長,植株中外源氮所占比例增加,根瘤固氮所占比例降低。在鼓粒始期(R5)以前隨高氮處理時間的延長,外源氮積累量為N150-R2-20＞N150-R1-20＞N150-V3-20,差異達極顯著水平,至成熟期,3個處理間沒有明顯差異;而在成熟期,根瘤固氮積累量為N150-V3-20＞N20＞N150-R1-20＞N150-R2-20,差異達到顯著水平;N150-V3-20根瘤固氮積累量與N50基本相同。說明“啟動氮”的作用維持到第3片復葉完全展開時(V3),對大豆根瘤固氮的積累效果最好;作用時間繼續(xù)延長不僅對外源氮的吸收起不到促進作用,而且明顯抑制大豆根瘤固氮的積累。

當VE～R4期、VE～R5期給予20 mg/L的低氮處理,R4～R8期、R5～R8期給予150 mg/L的高氮處理時,植株中外源氮比例明顯比N20處理增加,根瘤固氮所占比例明顯減少;在鼓粒滿期(R6),植株外源氮積累量為N20-R4-150＞N20-R5-150＞N20,差異達極顯著水平;至成熟期,N20-R5-150極顯著大于N20-R4-150處理。說明在R4～R5期追施氮肥能夠明顯增加植株對氮的利用,尤其在鼓粒始期追施氮肥對外源氮的利用效果更佳。在鼓粒滿期,根瘤固氮積累量為N20＞N20-R5-150＞N20-R4-150,差異達極顯著水平,到成熟期兩個處理間根瘤固氮積累量沒有明顯差異。說明在R4～R5期追施氮肥,對根瘤的影響效果相同,即均能夠抑制根瘤的固氮作用,但抑制效果沒有明顯差異。

2.3 氮素水平對大豆產(chǎn)量的影響

表4看出,外源氮水平增加,對植株高度有一定的促進作用。N20處理的株高最小;N20-R4-150、N20-R5-150處理的株高大于N20處理,但低于N50 、N100、N150、N150-V3-20 、N150-R1-20 和 N150-R2-20處理。說明當營養(yǎng)液中氮素濃度為20 mg/L時,氮素不足而影響植株的生長,在結(jié)莢期以后提高外源氮水平對植株高度影響不大。不同氮素水平對大豆節(jié)數(shù)沒有明顯影響,對莢數(shù)、粒數(shù)、產(chǎn)量影響較大 。N50、N20-R4-150、N20-R5-150 產(chǎn)量最高 ,N20、N150-V3-20產(chǎn)量次之,N100、N150-R1-20和N150-R2-20較低,N150處理產(chǎn)量最低。在生育前期保持較高氮素水平,分別在第3片復葉完全展開時(V3)、初花期(R1)、盛花期(R2)以后降到較低的氮素水平時,隨高氮處理的時間延長,產(chǎn)量降低。本試驗研究表明,在盛莢期(R4)或鼓粒始期(R5)提高外源氮水平,大豆產(chǎn)量顯著提高,這與李永孝[15]認為在結(jié)莢末期追施氮肥能顯著提高大豆產(chǎn)量的結(jié)果相似。很多學者研究認為,高氮條件下抑制了根瘤的生長,降低了生物固氮能力[16-17],本試驗表明,過低的氮素水平不能滿足大豆植株對氮的需求,而在過高的氮水平條件下根瘤固氮量較低,對大豆產(chǎn)量形成不利。

表4 大豆產(chǎn)量構(gòu)成因素分析Table 4 Analysis of yield components at the different N levels

3 討論

1)本試驗看出,隨著外源氮水平的增加,大豆植株氮素積累呈先增加后降低變化趨勢,當外源氮水平較低時,因氮供應不足,氮素積累量較少,而過高的氮水平又不利于氮素的積累;在砂培條件下,營養(yǎng)液氮濃度為50 mg/L時,植株氮素積累量最大,有利于大豆對氮的吸收利用。甘銀波等[13]研究表明,大豆生長需要一定量的“啟動氮”;董鉆[8]認為,以氮肥做基肥或種肥可以促進對土壤氮和肥料氮的吸收,起到“啟動效應”。本試驗結(jié)果也表明,“啟動氮”的這種作用維持到第3片復葉完全展開時,對大豆氮的積累效果最好,作用時間繼續(xù)延長會抑制大豆植株對氮的利用;在種子形成初期補充氮肥的供給能明顯增加植株對氮的積累,促進大豆對氮素的吸收利用。

2)大豆生長發(fā)育所需要的氮由根瘤菌供給和從介質(zhì)中吸收。本試驗結(jié)果顯示,外源氮積累量和根瘤固氮積累量隨外源氮水平增加呈先增加后降低的變化趨勢。當?shù)獫舛葹?00 mg/L時,有利于植株對外源氮的吸收;當?shù)獫舛葹?0 mg/L時,有利于根瘤固氮的積累。但是,僅靠根瘤固氮難以滿足大豆對氮的需求,高氮水平嚴重抑制了根瘤固氮的積累,致使大豆氮素積累總量減少。為使根瘤能更多地固定氮,也必須施一定量的“啟動氮”?！皢拥钡淖饔镁S持到第3片復葉完全展開,植株根瘤固氮的積累量最大。在生育后期,隨著根瘤逐漸衰老死亡,根瘤固氮能力降低,因此在結(jié)莢期和鼓粒期補充氮的供給,可以明顯增加植株氮的積累量。

3)從試驗看出,隨氮素水平的增加,大豆產(chǎn)量呈先增加后降低的變化趨勢,氮素營養(yǎng)水平可能與產(chǎn)量呈拋物線的關系。過低的氮素水平因氮素不足,不能滿足大豆生長發(fā)育的需要,產(chǎn)量較低;而過高的氮素水平又嚴重抑制了根瘤的固氮作用,也不能獲得較高的產(chǎn)量。生育前期氮水平過高,會抑制根瘤的固氮作用,不利于大豆產(chǎn)量的形成;而在前期保持適量的氮素供應,可使根瘤得到充分的生長發(fā)育,在結(jié)莢期或鼓粒初期再補充氮的供給,可以明顯增加大豆的產(chǎn)量。湯樹德[18]認為,必須同時滿足大豆一生中對根瘤固氮和土壤(肥料)氮的需求才能獲得較高的子實產(chǎn)量,本試驗通過砂培方法也得出類似結(jié)論。因此,與其說氮素的供應是高產(chǎn)大豆的限制因素,不如說協(xié)調(diào)大豆對共生固氮和外源供氮的最大需求,是提高大豆子粒產(chǎn)量的關鍵所在。

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