不同減源處理對(duì)套作大豆地下根瘤及地上植株生長(zhǎng)的影響

王明玥，李軻逸，宋璐炘，陳 平，雍太文

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/四川省作物帶狀復(fù)合種植工程技術(shù)研究中心，成都 611130）

大豆作為我國(guó)重要的糧油作物，進(jìn)口依存率高，我國(guó)人均耕地面積少、大豆種植成本高，因此改進(jìn)大豆種植模式，降低進(jìn)口依存率，對(duì)保證我國(guó)糧油安全有重要意義[1-2]。作為西南糧油主產(chǎn)省四川大豆發(fā)展迅速，但種植面積及作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)難以大幅度增加，需進(jìn)一步提高光能利用率以達(dá)到增產(chǎn)、增效[3]。套作大豆的發(fā)展有利于充分利用光熱資源，提高復(fù)種指數(shù)、增加生態(tài)效益，實(shí)現(xiàn)玉米、大豆的雙高產(chǎn)，是符合當(dāng)?shù)鬲?dú)特氣候條件的技術(shù)再創(chuàng)新[4-5]。玉米/大豆套作模式下，玉米對(duì)大豆苗期的生長(zhǎng)有抑制作用，大豆解除玉米蔭蔽后有恢復(fù)性生長(zhǎng)現(xiàn)象，其光合能力迅速恢復(fù)，碳同化物積累及轉(zhuǎn)運(yùn)速率增加，根瘤固氮能力提升，有利于降低與單作的灌漿差異[6-7]。大豆恢復(fù)性生長(zhǎng)階段，光合產(chǎn)物存在利用率提高及分配優(yōu)化的調(diào)控現(xiàn)象，有助于延緩大豆的衰老，增強(qiáng)根瘤固氮，實(shí)現(xiàn)減肥、增產(chǎn)增效的目的[8]。闡明套作大豆生長(zhǎng)及結(jié)瘤的調(diào)控機(jī)理，對(duì)弱光地區(qū)的間套作大豆推廣有著不可忽視的推動(dòng)作用[9]。

葉片是植物進(jìn)行光合作用的主要營(yíng)養(yǎng)器官，葉片光合能力的高低對(duì)植株生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成起著至關(guān)重要的作用[10]。前人對(duì)單作大豆進(jìn)行減源處理發(fā)現(xiàn)，隨葉面積減少的增多，植株有效莢數(shù)、有效粒數(shù)及百粒重的降低等就越明顯，減產(chǎn)效果顯著，但源對(duì)大豆的調(diào)控機(jī)制仍需進(jìn)一步研究[11]。M.Kasai[12]在對(duì)大豆剪葉中發(fā)現(xiàn)，剪葉使庫(kù)源比例增大，葉片碳水化合物顯著增加，但葉片葉綠素含量和Rubisco含量均未受到顯著影響。其他相關(guān)研究亦表明，植株光合產(chǎn)物的減少，會(huì)嚴(yán)重抑制其地上部的生長(zhǎng)發(fā)育，劉婷等[13]對(duì)大豆進(jìn)行蔭蔽處理發(fā)現(xiàn)植株碳源合成減少后，大豆的干物質(zhì)、葉面積及產(chǎn)量顯著降低，植株倒伏嚴(yán)重。光合有機(jī)物分配的改變，也會(huì)對(duì)根瘤生長(zhǎng)及其功能產(chǎn)生影響。大豆侵染細(xì)胞中的有機(jī)物質(zhì)含量是影響根瘤菌固氮能力的主要因素，當(dāng)?shù)矸哿４蠓葴p少時(shí)，根瘤菌固氮能力逐漸下降至結(jié)莢期開始衰老[14]。葉片作為提供碳源的主要器官，其分布優(yōu)化、面積增加及光合能力提高均有利于根瘤的生長(zhǎng)。張含彬、劉瑩等[15-16]研究表明，合理施氮保證初花前期（R1）葉片生長(zhǎng)，有利于減緩葉片脫落時(shí)間，增加植株對(duì)碳的固定及輸出，提高根瘤固氮能力。根瘤持續(xù)固氮，使氮素向上運(yùn)輸至葉片及其他庫(kù)器官，有利于延緩葉片衰老，促進(jìn)地上部生長(zhǎng)，達(dá)到互利共生[17-18]。

已有研究較多地比較了單套作大豆復(fù)光后的植株表型、生理變化[19]以及減源對(duì)植株生長(zhǎng)發(fā)育[20]的調(diào)控。在玉米/大豆套作系統(tǒng)中，組成作物[21]、施氮量[22]以及作物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑[23]等改變，也能提高大豆的結(jié)瘤固氮能力。然而，前人對(duì)套作大豆光合有機(jī)物調(diào)控植株的生長(zhǎng)研究，多集中在品種與產(chǎn)量上[24]，而地上部恢復(fù)光照后的補(bǔ)償性生長(zhǎng)的主要作用機(jī)理及地下根瘤對(duì)其的響應(yīng)調(diào)控尚不清楚，需進(jìn)一步研究。本研究以玉米/大豆帶狀套作模式為研究對(duì)象，參考單作大豆的掉葉時(shí)期及掉葉量，對(duì)套作大豆進(jìn)行等比例剪葉處理，并設(shè)置不剪葉處理為對(duì)照，研究套作大豆掉落較晚的中下部葉片在恢復(fù)性生長(zhǎng)階段對(duì)葉片光合能力、根瘤生長(zhǎng)及產(chǎn)量形成的影響。旨在探明套作模式中下部葉片對(duì)地上部能源分配及根瘤生長(zhǎng)發(fā)育方面的作用，為套作大豆高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

大豆材料選用蔭蔽敏感性弱的晚熟大豆品種“南豆12”，玉米材料選用緊湊型玉米品種“登海605”，分別由四川省南充市農(nóng)業(yè)科學(xué)院和山東登海種業(yè)股份有限公司提供[25-26]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年在四川省現(xiàn)代糧食產(chǎn)業(yè)仁壽示范基地（30°04'N，104°16'E）進(jìn)行，該地區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫14.7℃。試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共5個(gè)處理，重復(fù)3次。記CK為單作大豆不剪葉處理，A為玉米/大豆套作模式下大豆剪葉處理，記A0為不剪葉，A1為R1期剪一次葉，A2 為 R1、R3期剪兩次葉；A3為 R1、R3和 R5期剪3次葉，A1、A2和A3剪葉總面積分別占全株的10%、30%和50%，剪葉時(shí)間參考單作大豆的落葉情況。剪葉方法為，從下往上剪節(jié)位葉，保留大豆植株的分枝莖稈與葉柄，只剪除葉片。

試驗(yàn)于2020年6月播種，種植方式采用玉米/大豆帶狀套作，玉米、大豆每帶種2行，帶寬40 cm，玉米帶與大豆帶間距60cm，兩帶總寬2m，帶長(zhǎng)6m，小區(qū)面積12 m2，大豆株距10 cm，單作密度為20.0萬(wàn)株/hm2，套作密度為10.0萬(wàn)株/hm2。玉米株距20 cm，套作密度為5.0萬(wàn)株/hm2。大豆底肥施用氮肥80 kg/hm2、P2O560 kg/hm2、K2O50 kg/hm2，施肥方式為行間開溝施肥。生育期間，及時(shí)除草和防治病蟲。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 根瘤的形態(tài)指標(biāo)

于大豆鼓粒期（R6）取樣，每個(gè)處理各取4株大豆植株，把地上植株從子葉節(jié)位剪下，地下部以根為中心掘取長(zhǎng)方體土塊（長(zhǎng)80cm×寬40cm×深20cm），裝入尼龍網(wǎng)袋中，用冷水快速淘洗干凈，將零散根瘤與根上未摘取的根瘤摘取放入冰水中，并進(jìn)行二次泥沙清洗，用紙巾吸干表面水分。

將每株大豆根瘤進(jìn)行分散平鋪拍照，用Image-Pro Plus軟件進(jìn)行處理?yè)Q算分析不同處理下根瘤的直徑與數(shù)量。

將R6期的大豆根瘤裝入牛皮紙袋中，于烘箱105℃殺青30 min，85℃烘干至恒重，萬(wàn)分位電子天平測(cè)定其干物質(zhì)重。

1.3.2 葉面積及SPAD

于R6期取4株長(zhǎng)勢(shì)相同的大豆植株，測(cè)定全株葉面積；將整株葉片自葉柄處剪下，分散平鋪于白板上，用標(biāo)尺標(biāo)記好刻度，垂直于白板拍照，后期用Image-Pro Plus軟件對(duì)照片進(jìn)行分析，計(jì)算葉面積。

于R6期，采用SPAD-502型葉綠素儀測(cè)定葉片SPAD值，選取大豆植株葉片的最底部葉片、中部葉片（分別為 CK、A0、A1、A2、A3的主莖從上往下數(shù)第 6、6、5、4、3 節(jié)位，圖 1）、最頂部葉片進(jìn)行測(cè)量，其中底部與中部葉片分別測(cè)定受光面與不受光面，記為底陽(yáng)、底陰、中陽(yáng)和中陰。每個(gè)處理選取10株進(jìn)行測(cè)定，夾取三出復(fù)葉的中間葉片，每片葉重復(fù)測(cè)6次，結(jié)果取平均值。

圖1 套作大豆剪葉設(shè)計(jì)圖Figure 1 Design drawing of cropping soybean leaf cutting

1.3.3 干物質(zhì)及產(chǎn)量

于始粒期（R5）、成熟初期（R7）取樣，各處理取4株，將大豆莖稈、葉片與豆莢分別裝入牛皮紙袋中，105℃殺青30 min，在85℃烘干至恒重，用天平測(cè)定其干物質(zhì)重。

于完熟期（R8），每個(gè)小區(qū)選取6株長(zhǎng)勢(shì)一致的大豆，測(cè)定相關(guān)農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及作圖，SPSS 27.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析（LSD，α=0.05）。

2 結(jié)果和分析

2.1 不同剪葉處理對(duì)大豆根瘤生長(zhǎng)的影響

2.1.1 根瘤數(shù)量

R6期，與單作相比，套作大豆在光恢復(fù)后，根瘤數(shù)量顯著增加，A0、A1、A2和A3分別較CK增加105.9%、67.0%、74.4%和10.3%（圖2）。與套作不剪葉相比，套作剪葉處理會(huì)降低根瘤數(shù)量，剪葉越多，根瘤數(shù)量降低越顯著，A3比A0降低46.4%。

圖2 R6期不同剪葉處理下的大豆根瘤數(shù)量Figure 2 The amount of nodules soybean root nodules under different leaf cutting treatment at R6 stage

2.1.2 根瘤直徑

由表1、圖3可知，在R6期，單作大豆根瘤的平均直徑及大直徑根瘤數(shù)量占比高于套作的，套作大豆各處理之間，根瘤平均直徑及大直徑的根瘤占比隨剪葉數(shù)量的增加而降低。其中A0、A1、A2和A3較CK降低了3.0%、8.1%、8.3%和10.0%。由表1來(lái)看，CK各粒徑根瘤數(shù)量分布較為平均，而套作各處理的各粒徑根瘤的數(shù)量分布主要集中于根瘤大小為2～4 mm及4～6 mm的范圍內(nèi)，隨剪葉數(shù)量的增加，分布更集中，數(shù)量更多，小直徑根瘤占比增加，使根瘤平均直徑降低。

表1 R6期不同剪葉處理下大豆根瘤各粒徑的數(shù)量及平均直徑Table 1 The number and average diameter of soybean root nodules under different leaf cutting treatment at R6 stage

2.1.3 根瘤干重

根瘤的固氮能力與其生物量大小有一定關(guān)系。由圖3所示，R6時(shí)期下大豆套作的根瘤干重高于單作，套作各處理之間隨剪葉數(shù)量的增加，根瘤干重降低。A0較CK顯著增加106.5%，A1、A2和A3較CK增加39.5%、27.6%和4.7%。

圖3 R6期不同剪葉處理下的大豆單株根瘤干重Figure 3 Root nodule weight per plant under different leaf cutting treatment at R6 stage

2.2 不同處理下大豆地上部積累的變化

2.2.1 全株葉面積及SPAD

R6期，套作大豆植株葉面積相對(duì)單作降低，且隨剪葉數(shù)量的增加而降低（圖4）。A0較CK減少4.7%，差異不顯著，A1、A2、A3較CK則顯著減少23.9%、44.0%和46.0%。

圖4 R6期不同剪葉處理下的大豆單株葉面積Figure 4 Leaf area per plant of soybean under different leaf cutting treatment at R6 stage

由圖5所示，大豆底部葉片SPAD值單套作各處理間無(wú)顯著性差異；中部葉片單作處理的SPAD值顯著高于套作各處理，套作各剪葉處理之間無(wú)顯著差異；頂部葉片單作的高于套作的，各套作處理之間差異不顯著。從單作大豆的SPAD值可以看出，單作大豆的光合能力呈紡錘形，是由相互遮陰的株形因素引起的。套作大豆中下部葉片剪葉后，由紡錘狀株形變?yōu)榘雸A形，植株底部的SPAD數(shù)值測(cè)定節(jié)位升高，剪葉越多，測(cè)定位點(diǎn)越高其總?cè)~綠素含量越高。

圖5 R6期不同剪葉處理下大豆葉片SPADFigure 5 Soybean leaf SPAD under different leaf cutting treatment at R6 stage

2.2.2 干物質(zhì)質(zhì)量

地上部生物量的大小一定程度上可以反映大豆植株對(duì)莢果及根瘤的供源能力。如圖6所示，R5期大豆的莢果干重在各處理之間差異不顯著，套作剪葉處理下的葉與莖的干物質(zhì)重與單作相比顯著降低，套作剪葉處理之間差異不顯著，其中A0、A1、A2和A3葉片干物質(zhì)重較CK的降低67%、0、70.7%、67.9%和71.8%。

圖6 不同剪葉處理下的大豆干物質(zhì)重量Figure 6 Dry matter weight of soybean under different leaf cutting treatment

R7期，單作葉片脫落較為嚴(yán)重，套作大豆葉片干物質(zhì)重升高，但隨著剪葉數(shù)量的增加而顯著降低，CK的葉干重較A0處理降低31.2%；與單作相比，套作大豆的莖、莢干重均呈降低趨勢(shì)，且隨剪葉數(shù)量的增加而顯著降低，A0、A1、A2和A3的莖干重較CK的降低10.4%、42.4%、48.1%和62.9%，A0、A1、A2和A3的莢干重較CK降低5.1%、40.5%、51.2%和75.0%，表明中下部葉片的增加，對(duì)套作大豆解除蔭蔽后的莖、葉和莢的生長(zhǎng)有著顯著促進(jìn)作用。

2.3 大豆產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成

由表2所示，在R8期，與單作大豆相比，套作大豆產(chǎn)量呈降低趨勢(shì)，且隨剪葉數(shù)量的增加而顯著降低，A0、A1、A2和 A3分別較 CK的降低 5.3%、13.0%、16.5%和17.5%。A1、A2和A3分別較A0的降低8.1%、11.8%和12.9%。在分枝數(shù)方面，剪葉處理與對(duì)照差異不顯著，套作不剪葉和適度剪葉有助于粒數(shù)增加，A0相對(duì)單作增加4.7%。

表2 不同剪葉處理下的大豆產(chǎn)量構(gòu)成Table 2 Soybean yield composition under different treatment

3 討論

根瘤固氮、土壤及肥料中的氮是大豆生長(zhǎng)發(fā)育的主要氮素來(lái)源，其中根瘤固氮能力最強(qiáng)，直接影響植株后期的生長(zhǎng)及產(chǎn)量的增加[27]。玉米與大豆對(duì)氮源競(jìng)爭(zhēng)的根系互作效應(yīng)會(huì)抑制套作大豆前期的根瘤的生長(zhǎng)及固氮能力[28]，同時(shí)大豆根瘤本身生長(zhǎng)到一段階段也會(huì)有抑制現(xiàn)象產(chǎn)生。H.Fujikake等[29]研究發(fā)現(xiàn)葉片光合產(chǎn)物的增加有利于減弱根瘤的生長(zhǎng)抑制作用，本研究對(duì)套作大豆剪葉反向證明這一觀點(diǎn)，隨著剪葉的增加，大豆根瘤數(shù)量、根瘤直徑與根瘤干重均有降低。韓善華[30]的研究表明供源能力越弱的豌豆植株，根瘤侵染細(xì)胞的固氮能力越差，根瘤的生長(zhǎng)抑制作用越嚴(yán)重。推測(cè)根瘤數(shù)量及平均直徑的降低可能是由于碳源的減少，不利于光合產(chǎn)物向地下部的分配。本試驗(yàn)中CK的根瘤數(shù)量在R6期顯著低于A0，但干物質(zhì)與其他剪葉處理之間差異不顯著，可能是由于CK前期供源充足，有利于大直徑根瘤的生長(zhǎng)，這與王桂花[31]的實(shí)驗(yàn)結(jié)論相似。同時(shí)，龐婷[32]研究發(fā)現(xiàn)大豆套作條件下中下部葉片較單作條件下衰老脫落較慢，表明玉米/大豆套作種植下，大豆可以通過(guò)比單作中下部掉落慢的葉片進(jìn)行光合作用增源，滿足地下部根瘤對(duì)源的需求，增加大豆根瘤的數(shù)量與平均直徑，從而達(dá)到地上部和地下部之間營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的調(diào)節(jié)。

葉片是植物進(jìn)行光合作用，產(chǎn)生有機(jī)物質(zhì)的重要器官，其生長(zhǎng)及分布影響著植株地上部的生長(zhǎng)。前人研究表明，少量剪葉可以促進(jìn)葉片增長(zhǎng)速率增加，使有機(jī)物向地上部分配增大[33]。不同剪葉部位及時(shí)期對(duì)大豆產(chǎn)量所造成的影響不同[34]，這與本試驗(yàn)剪葉處理后，葉面積及根瘤數(shù)量降低不呈等比例下降的試驗(yàn)結(jié)果有一定相似之處。試驗(yàn)表明，剪葉后全株葉面積有小幅度增加現(xiàn)象，可能是大豆在剪葉的刺激下，產(chǎn)生相關(guān)自我保護(hù)補(bǔ)償機(jī)制，使得莖葉生長(zhǎng)形態(tài)產(chǎn)生改變，以滿足供應(yīng)更多有機(jī)物質(zhì)的需求。植株雖然有一定的自我補(bǔ)償能力，但不足以彌補(bǔ)剪葉造成的影響，依舊有產(chǎn)量下降等現(xiàn)象出現(xiàn)，這與V.Srinivasa、傅金民等[35-36]研究結(jié)果相似。地上部干物質(zhì)的積累與分配一定程度上能反應(yīng)地上部生長(zhǎng)情況，本試驗(yàn)研究中，地上部源的減少也使植株地上部的生長(zhǎng)發(fā)育發(fā)生變化，具體表現(xiàn)在干物質(zhì)重減少、葉面積降低等問(wèn)題，這與呂書財(cái)?shù)萚37]在大豆植株有機(jī)物質(zhì)合成減少后，植株進(jìn)行光合的主要影響因素變化相似。推測(cè)隨著剪葉的增加，不同地上部器官的干物質(zhì)重下降比例不同，可能是由于弱光環(huán)境下的大豆其光合產(chǎn)物會(huì)優(yōu)先分配給植株的地上部，促進(jìn)莖、葉生長(zhǎng)，以獲得更多的光照，來(lái)滿足同化作用的需求[38]。

大豆籽粒產(chǎn)量受單位面積株數(shù)、百粒重、單株粒數(shù)和分枝數(shù)等因素影響，大豆植株源流庫(kù)三者之間的合理分配有利于大豆的生長(zhǎng)發(fā)育[39]。套作大豆剪葉處理使得供源能力減弱，導(dǎo)致百粒重、單株粒數(shù)等影響減少，降低大豆產(chǎn)量。趙紅梅等[40]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)一個(gè)特定品種而言，在合適的栽培條件下，莢粒數(shù)的改變較小，影響較大的是籽粒大小、籽粒灌漿速率和有效灌漿時(shí)間。本試驗(yàn)中各處理間的分枝數(shù)差異不顯著，粒數(shù)隨著剪葉強(qiáng)度增加呈顯著降低趨勢(shì)，最終導(dǎo)致單、套作產(chǎn)量在不剪葉（A0）時(shí)差異不顯著，而套作剪葉后產(chǎn)量顯著降低。綜上所述，套作大豆剪葉處理后將會(huì)同時(shí)抑制中下部葉片對(duì)地上部莖葉生長(zhǎng)及地下部根瘤發(fā)育的補(bǔ)償調(diào)控，降低植株固碳固氮的能力，進(jìn)一步影響結(jié)莢鼓粒和產(chǎn)量形成，但其具體調(diào)控機(jī)理，還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明。

4 結(jié)論

與單作相比，套作大豆解除蔭蔽后的補(bǔ)償性生長(zhǎng)主要是由根瘤的生長(zhǎng)起主要作用。R6期，A0較CK的根瘤數(shù)量、干物質(zhì)重增加，SPAD、葉面積及根瘤平均直徑差異不顯著，產(chǎn)量下降5.3%。隨套作剪葉數(shù)量的增加，地上地下生長(zhǎng)均受到抑制，地下部根瘤的數(shù)量、干物質(zhì)重、平均直徑及地上部的葉面積、植株干物質(zhì)重較A0顯著降低，導(dǎo)致植株供源能力不足，產(chǎn)量降低8.1%～12.9%。在玉米/大豆套作模式下，可以選用葉片衰老較晚的大豆品種或采用增源擴(kuò)庫(kù)技術(shù)，來(lái)促進(jìn)套作大豆恢復(fù)性生長(zhǎng)，達(dá)到增產(chǎn)、增效的目的。