施氮量對套作大豆花后光合特性、干物質(zhì)積累及產(chǎn)量的影響

閆艷紅,楊文鈺 ,張新全,陳小林,陳忠群

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院,四川 雅安 625014;2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,四川 雅安 625014)

近年來,“玉米(Zey mays)-大豆(Glycine max)”套作模式在西南地區(qū)得到了迅猛發(fā)展[1-4]。在該模式中,大豆前期生長在玉米的蔭蔽之下,植株纖弱易倒伏;產(chǎn)量形成期葉片的光合速率逐漸下降,光合產(chǎn)物積累較少。因此,若想提高大豆產(chǎn)量,除了保證穩(wěn)健的壯苗之外,必須延緩大豆葉片衰老,保證花后(玉米已收獲)較高的光合速率和較多的干物質(zhì)積累量,才能獲得高產(chǎn)。有研究表明,作物95%以上的干物質(zhì)是由光合作用提供的,而葉綠素含量是影響作物光合作用的重要因素,氮是葉綠素的重要組分[5,6],氮素營養(yǎng)通過提高葉片老化過程中的葉綠素含量和光合速率,延緩葉片衰老和光合功能衰退[7]。大豆一生的氮素來源主要有3個方面,即土壤氮、肥料氮和根瘤固氮。研究認為維持大豆正常生長僅靠土壤氮和根瘤固氮的供給是遠遠不夠的,必須施以足夠的氮肥[8-12]。關(guān)于氮肥運籌在水稻(Oryza sativa)、小麥(Triticum aestivum)、棉花(Gossypium hirsutum)、玉米、黑麥草(Lolium perenne)、羌活(Notopterygiumfranchetii)上的研究較多,均表明施用氮肥可以提高植株葉片的葉綠素含量和光合速率,延長綠葉功能期,增加光合產(chǎn)物的積累量[13-18]。但關(guān)于氮肥在大豆上的施用量和施用效果卻頗有爭議,尤其在我國南方新發(fā)展起來的“玉米-大豆”套作模式中,氮肥施用量對大豆花后光合特性及干物質(zhì)積累量的影響還未見報道。據(jù)此,開展了“玉米-大豆”套作模式下不同施氮量對套作大豆花后光合特性、干物質(zhì)積累量及產(chǎn)量的影響研究,旨在明確套作大豆花后光合產(chǎn)物積累及產(chǎn)量與氮素養(yǎng)分之間的關(guān)系,為完善套作大豆高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效栽培技術(shù)措施提供相應(yīng)的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2008年5-10月在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)農(nóng)場進行。供試玉米品種為川單418(四川川單種業(yè)提供);大豆品種為貢選1號(四川省自貢市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所提供)。試驗地為重壤土,pH 7.0,0～20cm土層土壤肥力為有機質(zhì)36.63 g/kg,全氮3.24 g/kg,全磷3.12 g/kg,全鉀 19.6 g/kg,堿解氮 131.44 mg/kg,速效磷 28.85 mg/kg,速效鉀81.24 mg/kg。

試驗采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計,4個處理,分別為施純氮0(N0),32.4 kg/hm2(N1),64.8 kg/hm2(N2),97.2 kg/hm2(N3),基肥與追肥為1∶1,始花期(R1)(8月10日)追肥,3次重復(fù),共12個小區(qū)。小區(qū)面積為2 m×8 m,2 m開廂中玉米和大豆各占1 m。玉米于2008年4月8日播種,8月11日收獲,每廂播2行,行距50cm,穴距40cm,每穴留2苗,密度為5.0×104株/hm2;玉米底肥施純N 75 kg/hm2,KCl 22.5 kg/hm2,P2O522.5 kg/hm2;苗肥施純N 69 kg/hm2,兌糞水900擔(dān),攻苞肥施純N 135 kg/hm2,兌糞水900擔(dān)。大豆于2008年5月29日播種,10月25日收獲,行距33cm,穴距30cm,每穴留2苗,密度為1.0×105株/hm2;底肥施P2O563 kg/hm2;K2O 52.5 kg/hm2。大豆播種時大豆行的透光率(通過玉米冠層)為85%;當(dāng)大豆處于5節(jié)期(V5期)時,大豆行的透光率為69%;當(dāng)大豆處于R1期時,大豆行的透光率為75%,此時正是玉米收獲期。田間管理按常規(guī)高產(chǎn)栽培進行。

1.2 調(diào)查測定項目與方法

1.2.1 葉綠素(chlorophyll,Chl)含量 以大豆倒5葉為樣本,于花后1 d開始,每隔15 d按小區(qū)隨機取葉片5～8片,采用Arnon法測定葉綠素含量[19]。將葉綠素丙酮溶液在663和645 nm波長下比色,所得的光密度(OD)值代入公式計算浸提液中Chl a、Chl b和Chl(a+b)的值。

1.2.2 群體葉面積指數(shù)(leaf area index,LAI) 于花后1 d開始,每隔14 d采用“SUSNCAN”冠層分析儀(英國產(chǎn))測定套作大豆群體LAI。

1.2.3 光合參數(shù) 以大豆倒5葉為樣本,于花后16,31和46 d,用 Li-6400型便攜式光合作用測定系統(tǒng)(美國產(chǎn)),使用開放式氣路,在晴天上午10:00-12:00測定光合參數(shù)。每小區(qū)選5片生長一致且受光方向相近的功能葉(倒5葉)測定中上部表面凈光合速率(net photosynthetic rate,Pn)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance,Gs)及蒸騰速率(transpiration rate,T r),重復(fù)3次。

1.2.4 地上部干物質(zhì)積累量 于花后1 d開始,每隔14 d按小區(qū)隨機取5株大豆植株,減去根部,將莖稈、葉柄、葉和莢分別裝袋,于105℃殺青1 h,80℃烘干至恒重,稱干重。

1.2.5 套作大豆產(chǎn)量構(gòu)成 成熟時,每小區(qū)取樣9株(每行取3株),測定單株莢數(shù)、單莢粒數(shù)及百粒重,計算理論產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對套作大豆花后光合特性的影響

2.1.1 花后葉片中葉綠素含量的動態(tài)變化 套作大豆植株花后葉片的Chl a、Chl b和Chl(a+b)含量呈先增加,花后46 d時達到最大值,隨后降低的趨勢;除N3處理外,花后葉片中Chl a/b值也呈先增加后降低的趨勢,但其升高與降低的速度均較緩慢(圖1)。施氮對花后葉片中的Chl a、Chl b和Chl(a+b)含量及Chl a/b值的變化規(guī)律基本沒有影響,但施氮顯著增加了Chl b和Chl(a+b)含量。

施氮處理間比較,花后葉片中的Chl a含量和Chl a/b值表現(xiàn)為:N1、N2處理均高于N0,而N3處理則低于N0;花后46 d時,N1、N2處理的Chl a含量分別較N0高15.56%和12.39%?；ê笕~片中的Chl b和Chl(a+b)含量表現(xiàn)為隨施氮量的增加而提高;花后46 d時,Chl b含量表現(xiàn)為N3處理極顯著高于其余施氮處理及對照,Chl(a+b)含量則表現(xiàn)為各施氮處理間無顯著性差異,卻極顯著高于對照。

2.1.2 花后大豆群體LAI的動態(tài)變化 花后套作大豆植株群體的LAI呈先增加,花后46 d時達到最高值,隨后降低的趨勢(圖2)。但各施氮處理間降低的趨勢不同,N3處理花后46 d迅速降低,N0、N1處理則呈緩慢降低的趨勢。施氮對LAI的變化規(guī)律基本沒有影響,卻顯著增加了花后1～46 d的LAI,且隨施氮量的提高而增加;花后61 d時,各處理間的LAI表現(xiàn)為N1>N2>N0>N3。

2.1.3 花后葉片中某些光合生理參數(shù)的動態(tài)變化 花后套作大豆葉片的Pn、Gs及Tr均呈先上升,隨后下降的趨勢(表1)。各施氮處理間比較,N1、N2處理植株花后葉片的Pn、Gs及 Tr均高于N0,且N1處理與N0間差異極顯著;N3處理植株花后葉片的Pn、Gs及Tr則低于N0?；ê?1 d時,N1處理植株葉片的Pn、Gs及T r分別較N0高14.92%,23.76%和16.79%。

2.2 施氮量對套作大豆花后干物質(zhì)積累的影響

圖1 套作大豆花后葉片光合色素含量的動態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of chlorophyll contents of relay strip intercropping G.max leaves after blooming

施氮量對套作大豆花后干物質(zhì)積累量有顯著影響(表2)?；ê?～31 d,施氮處理植株葉片、莖稈、葉柄及地上部總干重均高于對照(N0),其中N1處理最高,與對照差異極顯著?；ê?6～61 d,N1、N2處理植株各器官的干物質(zhì)積累量高于N0處理,而N3處理植株各器官的干物質(zhì)積累量均顯著低于對照?；ê?1 d時,N3處理植株的葉片、莖稈、葉柄、莢和地上部總干重分別較N0處理低6.90%,4.08%,18.06%,5.08%和6.18%。

2.3 施氮量對套作大豆產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

施氮處理對套作大豆的產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素有顯著影響(表3)。各處理間的有效莢數(shù)和產(chǎn)量大小順序均表現(xiàn)為N1>N2>N0>N3;其中N1處理的有效莢數(shù)和產(chǎn)量分別較對照(N0)高17.37%和18.22%。莢粒數(shù)隨施氮量的提高而增加,N2、N3處理極顯著高于N0、N1處理。百粒重隨施氮量的提高而降低,N3處理極顯著低于N0、N1處理。

3 討論

光合作用是物質(zhì)生產(chǎn)的基本過程,作物95%以上的干物質(zhì)是光合作用提供的,而作物產(chǎn)量的高低依賴于花后干物質(zhì)積累量的高低。葉綠素含量是影響作物光合作用的重要因子,所以,植物葉片葉綠素含量直接決定著葉片光合能力的大小,而氮是葉綠素的重要組分。李翎和曹翠玲[30]在水培條件下研究氮對葉綠素含量影響時發(fā)現(xiàn),在小麥生殖生長期,隨外源氮素水平提高,Chl a、Chl b含量提高,光合速率也提高。同時,氮也是大豆生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的主要元素之一,氮素供應(yīng)過多或過少都會引起大豆生長代謝紊亂,器官功能衰退,最終導(dǎo)致減產(chǎn)[20-23]。一些研究表明,大豆施氮不增產(chǎn)或增產(chǎn)效果不顯著[24-26],多數(shù)美國的大豆研究人員的試驗結(jié)果支持這一觀點。其原因被解釋為,氮素影響根瘤的發(fā)育和功能。另一觀點則是大豆施氮具有增產(chǎn)效果[27-29],其原因是苗期適量少施氮肥可以氮換碳,以氮促碳,保證營養(yǎng)生長的物質(zhì)能源;而花期追肥可促進營養(yǎng)器官氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運,達到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)。可見,不同的土壤類型和氮含量、栽培模式等諸多因素都可影響氮肥的施用效果。

表1 施氮量對套作大豆花后葉片某些光合生理參數(shù)的影響Table 1 Effect of nitrogen levels on some photosynthetic physiology parameters of relay strip intercropping G.max leaves after blooming

表2 施氮量對大豆花后地上部干物質(zhì)積累量的影響Table 2 Effect of nitrogen levels on the total above-ground biomass of relay strip intercropping G.max after blooming g/株P(guān)lant

表3 施氮量對套作大豆產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 3 Effect of nitrogen levels on relay strip intercropping G.max yield and its components

本試驗的結(jié)果表明,施氮顯著增加了大豆植株花后葉片的Chl b和Chl(a+b)含量,表現(xiàn)為隨施氮量增加而提高的趨勢;中低氮水平下,Chl a含量和Chl a/b值顯著高于對照,高氮水平下,Chl a含量和Chl a/b值則低于對照,而Chl a是光合作用原初反應(yīng)的中心色素,Chl a/b反映植物對光能利用的多少。本試驗也證明了這一點,在中低氮水平下,花后葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)及蒸騰速率(T r)均顯著高于對照及高氮處理;套作大豆花后各器官的干物質(zhì)積累量顯著提高,尤其有效莢數(shù)與對照間差異極顯著,進而顯著增加了產(chǎn)量,但全生育期氮肥用量達到97.2 kg/hm2時,就開始減產(chǎn)。這是由于有效莢的高低決定于分枝莢的多少及群體通風(fēng)透光的好壞[31]。本試驗也表明,在中低氮水平下,花后大豆群體的葉面積指數(shù)保持較高水平,均高于對照,而在高氮水平下,花后1～46 d大豆群體的葉面積指數(shù)極顯著高于對照,不利于通風(fēng)透光,落花落莢嚴重。因此,在西南區(qū)“玉米-大豆”套作模式中,若想獲得大豆高產(chǎn),在土壤肥力適中的情況下,施中低量的氮肥即可。

[1］雍太文,任萬軍,楊文鈺,等.旱地新三熟“麥/玉/豆”模式的內(nèi)涵、特點及栽培技術(shù)[J].耕作與栽培,2006,(6):48-50.

[2］楊文鈺,張含彬.南方丘陵地區(qū)旱地新三熟“麥/玉/豆”高效栽培技術(shù)[J].作物雜志,2006,(5):43-44.

[3］閆艷紅,楊文鈺,張靜,等.葉面噴施烯效唑?qū)Υ蠖巩a(chǎn)量及品質(zhì)的影響[J].草業(yè)學(xué)報,2010,19(4):251-254.

[4］楊文鈺,雍太文,任萬軍,等.發(fā)展套作大豆,振興大豆產(chǎn)業(yè)[J].大豆科學(xué),2008,27(1):1-4.

[5］Osaki M,Iyoda M,Tadano T.Ontogenetic changes in the contents of ribulose-1,5-bisphophate carboxyase/oxygenase,phosphoenolpyruvate carboxylase,and chlorophyll in individual leaves of maize[J].Soil Science Plant Nutrition,1995,41(2):285-293.

[6］Spiertz J H J,Vos J.Grain growth of wheat and its limitation by carbohydrate and nitrogen supply[A].In:Day W,Atkin R K.Wheat Growth and Modeling[M].New York:Plenum Press,1986:129-141.

[7］勾玲,閆潔,韓春麗,等.氮肥對新疆棉花產(chǎn)量形成期葉片光合特性的調(diào)節(jié)效應(yīng)[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報,2004,10(5):488-493.

[8］王金陵.大豆[M].哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社,1982:63-64.

[9］丁洪,郭慶元.氮肥對大豆不同類型品種結(jié)瘤固氮影響的差異性研究[J].大豆科學(xué),1994,13(3):274-278.

[10］甘銀波,涂學(xué)文,田任久.大豆的最佳氮肥施用時期研究[J].大豆科學(xué),1998,17(4):287-291.

[11］Pantalone V R,Rebetzke G J,Burton J W,et al.Phenotypic evaluation of root traits in soybean and applicability to plant breeding[J].Crop Science,1996,36(2):456-459.

[12］張含彬,任萬軍,楊文鈺,等.不同施氮量對套作大豆根系形態(tài)與生理特性的影響[J].作物學(xué)報,2007,33(1):107-112.

[13］王衛(wèi),謝小立,謝永宏,等.不同施肥制度對雙季稻氮吸收、凈光合速率及產(chǎn)量的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報,2010,16(3):752-757.

[14］Pal M,Rao S,Jain V,et al.Effect of elevated CO2and nritrogen on wheat growth and photosynthesis[J].Biologia Plantarum,2005,49(3):467-470.

[15］李學(xué)剛,宋憲亮,孫學(xué)振,等.控釋氮肥對棉花葉片光合特性及產(chǎn)量的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報,2010,16(3):656-662.

[16］段巍巍,趙紅梅,郭程瑾,等.夏玉米光合特性及氮素用量的反應(yīng)[J].作物學(xué)報,2007,33(6):949-954.

[17］周琴,趙超鵬,曹春信,等.不同氮肥基追比對多花黑麥草碳氮轉(zhuǎn)運和種子產(chǎn)量的影響[J].草業(yè)學(xué)報,2010,19(4):47-53.

[18］方子森,高凌花,張恩和,等.人工施用氮肥、磷肥對寬葉羌活產(chǎn)量和質(zhì)量的影響[J].草業(yè)學(xué)報,2010,19(4):54-60.

[19］趙世杰,史國安,董新純.植物生理實驗指導(dǎo)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社,2002:55-57.

[20］張含彬,伍曉燕,楊文鈺.氮肥對套作大豆干物質(zhì)積累與分配的影響[J].大豆科學(xué),2006,25(4):404-409.

[21］劉麗君,孫聰姝,劉艷.氮肥對大豆結(jié)瘤及葉片氮素積累的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005,36(2):133-137.

[22］甘銀波,陳靜,Stulen I.大豆不同生長階段施用氮肥對生長,結(jié)瘤及產(chǎn)量的影響[J].大豆科學(xué),1997,16(2):125-130.

[23］Leffel R C,Cregan P B,Bolgiano A P,et al.Nitrogen metabolism of normal and high-seed-protein soybean[J].Crop Science,1992,32(3):747-750.

[24］杜天慶,苗果園.氮肥施用量對生土地大豆生物性狀和產(chǎn)量的影響[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué),2006,34(3):53-55.

[25］Schmitt M,Lamb J A,Randall G W,et al.In-season fertilizer nitrogen applications for soybean in Minnesota[J].Agronomy Journal,2001,93(5):983-988.

[26］Barker D W S.Nitrogen application to soybean at early reproductive development[J].Agronomy Journal,2005,97(2):615-619.

[27］汪金香,袁慶玲,強潤,等.增施氮肥是獲得大豆高產(chǎn)的有效措施[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2006,(20):49.

[28］Ray J D,Heatherly L G.Influence of large amounts of nitrogen on nonirrigated and irrigated soybean[J].Crop Science,2006,46(1):52-60.

[29］Osborne S L,Riedell W E.Starter nitrogen fertilizer impact on soybean yield and quality in the northern great plains[J].Agronomy Journal,2006,98(6):1569-1574.

[30］李翎,曹翠玲.氮素水平對小麥幼苗葉綠體色素蛋白復(fù)合體含量的影響[J].西北植物學(xué)報,2007,27(3):554-559.

[31］傅金民,張康靈,蘇芳,等.大豆產(chǎn)量形成期光合速率和庫源調(diào)節(jié)效應(yīng)[J].中國油料作物學(xué)報,1998,20(1):51-56.