施氮量對滴灌高產(chǎn)春大豆根系生長及產(chǎn)量的影響

高 陽，楚光紅，傅積海，張艷偉，章建新

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

新疆是我國春大豆的高產(chǎn)區(qū)。晚熟大豆品種中黃35與膜下滴灌技術(shù)結(jié)合在新疆獲得6.0 t·hm-2的超高產(chǎn)[1]。大豆獲得高產(chǎn)必需積累相應(yīng)的氮量[2]。大豆有土壤、肥料和根瘤固氮三種氮來源，三者之間既相輔相成，又相互制約，共同為大豆提供生長發(fā)育所需要的氮素營養(yǎng)[3]。施用適量氮肥，補(bǔ)充土壤氮素的不足是大豆高產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)措施之一[4]。根系生長狀況不僅決定作物獲得水分和養(yǎng)分的能力，還影響植物地上部分生長發(fā)育和產(chǎn)量的形成[5-6]。氮肥對大豆生長和產(chǎn)量的影響是從根系生長開始的[7]。適當(dāng)?shù)牡乜纱龠M(jìn)大豆根系生長，增加根系干物質(zhì)量，過量氮素則抑制其生長[8]。夏大豆根系性狀因不同施肥量而異，造成根系對地上部的供養(yǎng)能力不同，最終影響籽粒產(chǎn)量[9]。大豆生物量和產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加，而根瘤數(shù)量、干物質(zhì)量、大小呈逐漸下降的趨勢，若想要最大發(fā)揮大豆結(jié)瘤固氮功能，就需不施氮或少施氮[10]。已有的氮肥對大豆根系生長的影響研究多是東北盆(筐)栽試驗(yàn)的結(jié)果，有關(guān)氮肥對新疆春大豆根系生長影響的研究很少[11]。本文在田間滴灌條件下系統(tǒng)地研究了施氮量對中熟品種新大豆27號根系生長和產(chǎn)量的影響規(guī)律，為新疆大豆高產(chǎn)栽培提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016年在新疆伊寧縣農(nóng)業(yè)科技示范園區(qū)(薩地克于孜鄉(xiāng))進(jìn)行。試驗(yàn)地為壤土，前茬春玉米，玉米收后秸稈還田。0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)17.3 g·kg-1、堿解氮57.8 mg·kg-1、有效磷22.6 mg·kg-1、速效鉀235 mg·kg-1、pH8.5，翻地前機(jī)施P2O5138 kg·hm-2和K2O 120 kg·hm-2。4月11日人工播種，品種為新大豆27號。行距寬行50 cm、窄行30 cm。第1片復(fù)葉全展時定苗，株距8.3 cm，理論保苗30萬株·hm-2。定苗后按“1管2行”將毛管鋪于窄行中間。分別在6月13日、7月14日、8月5日、8月19日滴水，滴水量(水表控制)依次為750、600、750、600 m3·hm-2。生育期間人工除草2次，9月17日收獲。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用單因子完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，以普通尿素(含氮量46%)為氮源。根據(jù)實(shí)驗(yàn)地肥力水平，設(shè)置0 kg·hm-2(N0)、75 kg·hm-2(N75)、150 kg·hm-2(N150)、225 kg·hm-2(N225)4個氮肥(純氮)處理，各處理均由單獨(dú)的施肥裝置控制，3次重復(fù)，小區(qū)面積32.0 m2(10.0 m×3.2 m)。施氮時期及施氮量見表1。

表1 各處理施氮量及施肥時期Table 1 Nitrogen application amount and fertilizer application period

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 根系形態(tài)及根瘤測定 分別于6月11日(R1：始花期)、6月25日(R2：盛花期)、7月11日(R3：始莢期)、7月25日(R5：始粒期)、8月11日、8月25日(R6：滿粒期)，分別選取具代表性的樣點(diǎn)，挖取各處理0～20、20～40、40～60、60～80 cm土層(止于無根土層)根系，每層取土體積為0.019 2 m3(0.4 m×0.24 m×0.2 m，長×寬×高，長為寬行中點(diǎn)與窄行中點(diǎn)的距離，寬為行長，高為深度)，2次重復(fù)。分別收集各土層中根系及根瘤，用水洗盡(放置一個100目篩子，以防止根及根瘤被沖走)根系和根瘤上的泥土。將計(jì)數(shù)后根瘤放入烘箱在105℃殺青30 min，在80℃下烘干至恒量稱質(zhì)量。

根系形態(tài)采用根系掃描分析儀(WinRHIZ0-2004a，Canada)測定。將沖洗凈側(cè)根樣放入30 cm×40 cm樹脂玻璃槽中，加入適量的水(使其淹過根樣)，用毛刷將根樣(0～20、20～40 cm土層去除主根)充分散開后，進(jìn)行掃描獲取圖像，經(jīng)專用數(shù)字化軟件(WinRHIZ0-2004a)分析后獲得根長、根表面積、根體積、平均直徑、根尖數(shù)等形態(tài)指標(biāo)。將掃描完根樣在80℃下烘干稱質(zhì)量。

1.3.2 根系活力及傷流量測定 參照張憲政[12]的氯化三苯基四氮唑(TTC)法，取樣方法與根系取樣相同，選取各層的嫩根0.5 g左右。參照熊慶娥[13]的方法：測定日期同根系，各處理每次選取連續(xù)6株，于北京時間20∶00時從子葉節(jié)處剪斷植株，迅速將裝有脫脂棉(已稱質(zhì)量，精確到0.1 mg)的離心管套住下胚軸，脫脂棉緊貼切口，管口用塑料薄膜密封，次日8∶00時取下離心管，封口稱重。

1.3.3 產(chǎn)量及其結(jié)構(gòu)測定 在成熟期每小區(qū)選取中間4行實(shí)收4.8 m2(3 m×1. 6m)，分別人工脫粒，晾干后稱取質(zhì)量和百粒重，同時用谷物水分測定儀測定各小區(qū)籽粒含水量，將各小區(qū)產(chǎn)量折合成標(biāo)準(zhǔn)含水量(13.5%)的產(chǎn)量。成熟前每小區(qū)連續(xù)選10株，逐株統(tǒng)計(jì)粒數(shù)，以30株的平均值計(jì)算單株粒數(shù)。

1.3.4 氮肥農(nóng)學(xué)利用率計(jì)算 氮肥農(nóng)學(xué)利用率=(施氮區(qū)產(chǎn)量—空白區(qū)產(chǎn)量)÷施氮量

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0和Excel(2013版)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及繪圖，方差分析采用Duncan法。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對春大豆側(cè)根干物質(zhì)量和側(cè)根干物質(zhì)量密度時空變化的影響

各處理根系側(cè)根總干物質(zhì)量在6月11日(R1期)至6月25日(R2期)的積累量占6月25日的66.9%～73.7%。處理間6月25日至8月25日的側(cè)根總根干物質(zhì)量差異達(dá)顯著水平(圖1A)。處理N75、N150、N225的側(cè)根系總重多大于N0。7月25日(R5期)至8月25日(R6期)均以N150處理側(cè)根總根系干物質(zhì)量最大，7月25日N75、N150、N225根系分別較N0增加10.83%、27.3%、13.29%。由圖1B、1C、1D、1E可知，隨著土層變深側(cè)根干物質(zhì)量密度呈劇降變化趨勢，R5期0～20、20～40 cm土層側(cè)根干物質(zhì)量分別占總側(cè)根干物質(zhì)量的88.92%～89.95%和5.60%～6.54%。施氮處理0～20 cm土層側(cè)根干物質(zhì)量密度與N0處理差異顯著，7月25日N75、N150、N225側(cè)根干物質(zhì)量密度分別比N0增加10.59%、27%、14.35%；20～40、40～60、60～80 cm土層側(cè)根干物質(zhì)量密度處理間差異均不顯著。大豆根系主要是在R1～R5期建成的，R1～R2期增加施氮量顯著增加0～80 cm土層大豆側(cè)根干物質(zhì)量，主要是0～20 cm土層側(cè)根干物質(zhì)量增加的結(jié)果。7月25日-8月25日均以N150處理較高。

圖1 各處理不同土層大豆總側(cè)根干物質(zhì)量(A)和側(cè)根干物質(zhì)量密度(B～E)的變化Fig.1 Changes of soybean on total lateral root dry weight (A) and lateral root dry weight density (B～E) in different soil layers

2.2 施氮量對春大豆側(cè)根長和側(cè)根長密度時空變化的影響

由圖2A可見，各處理總側(cè)根長在生育期間均呈單峰曲線變化，在7月25日(R5期)達(dá)到峰值后緩慢下降。施氮處理總側(cè)根長與N0差異均達(dá)顯著水平，7月25日N75、N150、N225總側(cè)根長較N0增加34.59%、49.46%、30.45%，7月25日-8月25日均以N150處理總側(cè)根長較長。由圖2B、2C、2D、2E可知，側(cè)根長在0～20、20～40、40～60、60～80 cm土層分別占0～80 cm土層總側(cè)根長的57.12%～59.72%、19.76%～23.07%、12.44%～13.11%、7.01%～7.42%，側(cè)根長密度隨著土層加深呈下降趨勢。施氮處理0～20、20～40、40～60 cm土層根長密度與N0處理差異顯著，7月25日0～20 cm土層N75、N150、N225側(cè)根長較N0增加16.11%、29.02%、14.37%，20～40 cm土層N75、N150、N225側(cè)根長較N0增加41.78%、57.08%、32.32%；60～80 cm土層根長密度處理間差異不顯著。增加施氮量顯著增加0～80 cm土層大豆側(cè)根長，主要是0～40 cm土層側(cè)根長增加的結(jié)果。7月25日～8月25日均以N150處理較長。

圖2 各處理不同土層大豆總側(cè)根長(A)和根長密度(B～E)的變化Fig. 2 Changes of soybean on total length of lateral root (A) and root length density (B～E) in different soil layers

2.3 施氮量對春大豆側(cè)根表面積和側(cè)根表面積密度時空變化的影響

不同處理春大豆側(cè)根系總表面積與根長變化趨勢相同，7月25日(R5期)達(dá)峰值后緩慢下降。 6月25日至8月25日施氮處理根表面積與N0差異達(dá)顯著水平，均表現(xiàn)為N150>N75>N225>N0(圖 3A)。7月25日N75、N150、N225總根表面較N0增加22.88%、38.14%、17.80%。由圖3B、3C、3D、3E可見，隨著土層加深根表面積密度呈劇降變化趨勢，0～20 cm土層側(cè)根表面積密度占總面積的53.75%～55.92%，20～40 cm占總面積的23.01%～26.19%。施氮處理0～20、20～40、40～60 cm土層根表面積密度與N0差異顯著，7月25日0～20 cm土層N75、N150、N225根表面積較N0處理分別高出19.09%、34.24%、11.53%，20～40 cm土層分別高出38.97%、54.41%、33.82%；60～80 cm土層根長密度處理間差異不顯著。增加施氮量顯著增加0～80 cm土層大豆側(cè)根表面積，主要是0～40 cm土層側(cè)根表面積增加的結(jié)果。7月25日～8月25日均以N150處理較大。

圖3 各處理不同土層大豆總側(cè)根表面積(A)和表面積密度(B～E)的變化Fig. 3 Changes of soybean on total surface area of lateral root (A) and surface area density (B～E) in different soil layers

2.4 施氮量對春大豆根系傷流和根系活力的影響

由圖 4A可見，單株根系傷流量在生育期間呈單峰曲線變化，6月11日后逐漸增加，至7月15日～8月11日達(dá)峰值后迅速下降。N0、N75處理峰值出現(xiàn)在7月25日，N150、N225峰值出現(xiàn)在8月11日。6月25日～8月25日施氮處理單株傷流量與N0差異顯著，多表現(xiàn)為N150>N225>N75>N0，7月25日(R5期)N150較N0增加176%。6月25日至8月25日各土層根系活力均呈下降趨勢，同一時期隨土層變深，根系活力也呈下降的變化趨勢，0～20、20～40 cm土層施氮處理較N0差異顯著，表現(xiàn)為N150>N75>N225>N0，6月25日(R2期)0～20、20～40 cm 根系活力N150處理分別較N0增加44.3%、25.1%；40～60、60～80 cm土層施氮處理較N0差異不顯著(見圖4B)。施氮肥增加根系傷流量和0～40 cm土層根系活力，均以N150較高。

圖4 各處理根系傷流量(A)和根系活力(B)的變化Fig. 4 Changes of soybean on bleeding sap amount and activity of root

2.5 施氮量對春大豆根瘤數(shù)和根瘤干物質(zhì)量的影響

各處理根瘤數(shù)在7月25日前后達(dá)峰值。6月25日至8月25日期間N0、N75、N150的根瘤數(shù)與N225間差異顯著，表現(xiàn)為N0、N75、N150均大于N225(圖5A)。6月11日-8月25日根瘤干物質(zhì)量呈遞增趨勢，施氮處理與N0間差異顯著，多表現(xiàn)為N0>N75>N150> N225，8月25日N0處理根瘤干物質(zhì)量為18.89 g·m-2，較N75、N150、N225處理分別高出8.69%、31.36%、120.42%(圖5B)。施氮量增加單位面積根瘤數(shù)和根瘤干物質(zhì)量減少，且單位面積根瘤干物質(zhì)量下降對施氮量增加較根瘤數(shù)更敏感，N150根瘤數(shù)與N0相近，根瘤干物質(zhì)量明顯低于N0。

2.6 施氮量對春大豆產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表2可見，施氮處理N150、N225與N0間產(chǎn)量差異顯著，分別較N0處理增加12.35%、5.31%；處理間單株粒數(shù)、莢數(shù)差異顯著，百粒重差異不顯著；隨施氮量增加氮肥農(nóng)學(xué)利用效率降低。增加施氮量產(chǎn)量增加是單株莢數(shù)、粒數(shù)增加的結(jié)果；以N150產(chǎn)量和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率較高，分別為4 889.62 kg·hm-2、3.58 kg·kg-1。

圖5 各處理根瘤數(shù)量(A)和根瘤干物質(zhì)量(B)的變化Fig. 5 Changes of soybean on root nodule amount and dry mass of nodule

表2 春大豆產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素Table 2 The yield and its yield components of soybean

注：不同小寫字母表示不同處理在P<0.05水平上差異顯著。

Note: Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments atP<0.05 probability level.

3 討 論

滴灌施肥技術(shù)與傳統(tǒng)施肥方法相比，其顯著特點(diǎn)是可以將水肥通過滴灌系統(tǒng)直接輸送到作物根區(qū)附近，使水分和養(yǎng)分在土壤中均勻分布，從而保證養(yǎng)分被根系直接吸收利用，避免灌水不均勻和減輕土壤板結(jié)。大豆對氮肥的反應(yīng)主要取決于土壤礦質(zhì)氮含量的高低，R1期土壤礦質(zhì)氮含量對大豆生物量和產(chǎn)量的影響大于其它生育時期[15]。適當(dāng)?shù)牡乜纱龠M(jìn)大豆根系生長，增加根系干物質(zhì)量，過量氮素則抑制其生長[8，16-17]。不同生育時期氮肥施用量與大豆根瘤干物質(zhì)量、數(shù)量間均具有顯著的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系[18]。東北筐栽試驗(yàn)表明適量施氮對根瘤生長有顯著的促進(jìn)作用，當(dāng)?shù)毓?yīng)不足時則會抑制根瘤的生長，但當(dāng)?shù)毓?yīng)過量時也會抑制根瘤的形成[3]。倪麗[11]等研究表明：在漫灌條件下不同施氮處理明顯抑制根瘤的形成，對側(cè)根數(shù)略有促進(jìn)作用，但對大豆根系生長促進(jìn)不明顯。本試驗(yàn)結(jié)果表明：滴灌條件下在大豆R1～R2期，施氮量在0～225 kg·hm-2的范圍內(nèi)，隨著施氮量增加，0～80 cm土層側(cè)根總干物質(zhì)量、側(cè)根總長度、側(cè)根總表面積、0～40 cm土層根系活性、單株根系傷流量均表現(xiàn)為先增后降的變化趨勢(主要是0～20 cm土層變化的結(jié)果)。其中，當(dāng)施氮量在0～150 kg·hm-2的范圍內(nèi)大豆根系生長及單株傷流量處于上升趨勢，而當(dāng)施氮量為225 kg·hm-2時對大豆根系生長及單株傷流量促進(jìn)作用明顯弱于150 kg·hm-2處理；增施氮肥減少單位面積根瘤數(shù)和根瘤干物質(zhì)量，N150處理根瘤數(shù)和根瘤干物質(zhì)量較大，而N225處理明顯抑制單位面積根瘤數(shù)和根瘤干物質(zhì)量；產(chǎn)量以150 kg·hm-2處理較高(4 889.62 kg·hm-2)，較0 kg·hm-2處理產(chǎn)量(4 352.1 kg·hm-2)增產(chǎn)12.35%，其氮肥農(nóng)學(xué)利用效率為3.58 kg·kg-1。可見，R1～R2期施氮肥大豆產(chǎn)量增加主要是促進(jìn)0～20 cm土層根系生長，增加對土壤養(yǎng)分吸收量的結(jié)果。這是由于大豆66.9%～73.7%的根干物質(zhì)量是R1～R5期形成的緣故，并且此時又是大豆花數(shù)和莢數(shù)形成的時期，促進(jìn)根系生長增加花數(shù)和莢數(shù)，增加產(chǎn)量[19]。本研究的適宜施氮量明顯高于東北的50 kg·hm-2(產(chǎn)量僅為2 600 kg·hm-2)[9]，可能是由于產(chǎn)量較高造成施氮量較高。由于大豆根系生長和高產(chǎn)形成的適宜土壤礦質(zhì)氮含量遠(yuǎn)高于根瘤的形成和固氮的適宜礦質(zhì)氮含量，適宜施氮量在促進(jìn)根系生長、增加產(chǎn)量的同時，減少單位面積的根瘤質(zhì)量，過量施氮肥還減少單位面積的根瘤數(shù)量，進(jìn)一步減少單位面積根瘤質(zhì)量，均不利于大豆根瘤固氮能力的發(fā)揮。即施氮肥在促進(jìn)根系生長增加大豆產(chǎn)量的同時，可能減少根瘤的固氮量。在本試驗(yàn)期間，2016年6、7月降水量分別為82.9、45.5 mm，分別較歷年平均增加145.26%、48.20%，導(dǎo)致第二次施氮肥推遲到7月14日；試驗(yàn)處理均在7月28日因大風(fēng)暴雨倒伏；8月份(灌漿期)平均溫度(23℃)比歷年平均值(22.4℃)高0.6℃，均不利于大豆高產(chǎn)形成，主要降低了百粒重(若按正常年份百粒重23 g計(jì)算，N150處理產(chǎn)量可達(dá)5 728.32 kg·hm-2)。上述情況對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了一定的影響。對于新疆超高產(chǎn)春大豆，如何合理施用氮肥，協(xié)調(diào)根系生長與根瘤固氮能力的關(guān)系是需要進(jìn)一步研究的問題。

4 結(jié) 論

施氮肥主要促進(jìn)0～20 cm土層根系生長，提高0～40 cm土層根系活力，增加根系傷流量，均以N150處理的0～80 cm土層根量較大；增施氮肥減少單位面積根瘤數(shù)和根瘤干物質(zhì)量，N150處理根瘤數(shù)與N0相近，根瘤干物質(zhì)量明顯低于N0；增施氮肥增加產(chǎn)量，以N150處理產(chǎn)量較高，為4 889.62 kg·hm-2。施氮肥增加產(chǎn)量主要是促進(jìn)根系0～20 cm土層根系生長，提高0～40 cm根系活力的結(jié)果。