減氮接種根瘤菌劑對黃淮海地區(qū)高蛋白夏大豆生長發(fā)育 產(chǎn)量和經(jīng)濟效益的影響

田藝心，高鳳菊，曹鵬鵬，高祺，華方靜，王春雨，朱冠雄

（德州市農(nóng)業(yè)科學研究院，山東 德州 253015）

近年來，全球大豆蛋白需求量急劇增長[1，2]，導致我國大豆嚴重供不應求，進口依賴度逐年提高，嚴重威脅我國大豆產(chǎn)業(yè)和糧食安全。為此，國家出臺一系列政策扶持我國大豆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2019年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部制定《大豆振興計劃實施方案》，明確提出要推動國內(nèi)大豆生產(chǎn)實現(xiàn)“擴面、增產(chǎn)、提質(zhì)、綠色”，并重點“推廣高產(chǎn)、高蛋白優(yōu)質(zhì)大豆品種?！?022年中央1號文件再次強調(diào)“擴大大豆生產(chǎn)”“推行定額施肥，減少不合理化肥用量，促進化肥減量增效和綠色農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展?！边@就要求我們在確保提高高蛋白大豆產(chǎn)量和質(zhì)量的同時，做到綠色生產(chǎn)，盡可能減少化肥、農(nóng)藥等的施用量。在國家政策引導下，針對大豆生產(chǎn)中增產(chǎn)與綠色之間的矛盾，眾多學者進行了相關研究[3～5]，且內(nèi)容主要集中在根瘤菌劑的應用上[6，7]。

根瘤菌劑是指以根瘤菌為生產(chǎn)菌種制成的微生物制劑產(chǎn)品，其能夠固定空氣中的氮素，為豆科作物提供大量氮肥，從而達到增產(chǎn)的目的。據(jù)統(tǒng)計，根瘤菌與大豆共生固氮產(chǎn)生的氮素可占大豆植株所需氮素總量的60%～95%，幾乎能提供大豆植株所需的全部氮肥，且無污染、無公害，這為大豆生產(chǎn)中氮肥減施與替代提供了可行性條件。目前，美國、巴西、阿根廷等國家應用根瘤菌劑的大豆種植面積已達到70%～95%，且均不施用化學氮肥，高效固氮根瘤菌劑已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和大面積應用[8，9]，不僅提高了大豆產(chǎn)量和質(zhì)量，還極大地節(jié)省了肥料成本，且降低了肥料污染。目前，我國應用根瘤菌劑的大豆種植面積僅占1%～2%，根瘤菌劑的研究與應用理論還存在很大空白，且前人研究對象多集中在東北地區(qū)大豆上[10]，而針對黃淮海地區(qū)高蛋白夏大豆根瘤菌劑的應用研究鮮有報道。為此，以黃淮海地區(qū)優(yōu)質(zhì)高蛋白夏大豆品種為試材，開展根瘤菌劑對大豆農(nóng)藝性狀、結瘤特性、干物質(zhì)積累、產(chǎn)量和經(jīng)濟效益的影響研究，探討根瘤菌劑在高蛋白夏大豆品種上的適應性和固氮高效性，可為黃淮海地區(qū)大豆提質(zhì)增產(chǎn)以及根瘤菌劑的進一步研發(fā)與應用提供理論依據(jù)和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021年在山東省德州市黃河涯鎮(zhèn)科技園試驗基地進行。試驗地土壤為壤土，地勢平坦，肥力均勻，0～20 cm耕層土壤基礎養(yǎng)分含量為有機質(zhì)15.33 g/kg、堿解氮30.31 mg/kg、速效磷46.92 mg/kg、速效鉀123.45 mg/kg，pH值6.75。

1.2 試驗材料

試驗材料為黃淮海地區(qū)應用的高蛋白夏大豆品種齊黃34、冀豆12和菏豆37（表1）。

表1 參試高蛋白夏大豆品種的基本情況Table1 The basic situation of high protein summer soybean varieties tested

化學肥料有尿素（N含量46%）、磷酸二銨（P2O5含量46%）和硫酸鉀（K2O含量52%），均購于當?shù)剞r(nóng)資市場；根瘤菌劑和?；钤鰪姲聞芍袊r(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所提供。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 采用隨機區(qū)組試驗設計，小區(qū)面積15 m2，行長5 m，行距50 cm，6行/區(qū)，株距10 cm。每個大豆品種均設常規(guī)施肥（CK）和減氮接種根瘤菌劑（RH）2個處理，每處理均3次重復。其中，CK施肥量為尿素60 kg/hm2、磷酸二銨120 kg/hm2和硫酸鉀90 kg/hm2；RH處理在播種前2周左右用根瘤菌劑225 mL/hm2進行種子包衣（用種子包衣機將根瘤菌劑與種子混合均勻，陰干備用），施肥量為尿素30 kg/hm2、磷酸二銨120 kg/hm2和硫酸鉀90 kg/hm2。播種前一天，將所有化肥作為基肥一次性施入。6月15日人工起壟穴播大豆，定苗密度19.5萬株/hm2；其他田間管理措施同當?shù)爻Ｒ?guī)。

1.3.2 測定項目與方法

1.3.2.1 單株農(nóng)藝性狀及干物質(zhì)積累量。大豆收獲前1～2 d，每小區(qū)選擇長勢一致的連續(xù)植株5株，挖取帶有完整根系的植株，測量株高和底莢高度，統(tǒng)計主莖節(jié)數(shù)和有效分枝數(shù)；將根用清水洗凈后晾干，按根、莖、豆莢等器官分別裝袋（成熟期葉片和葉柄逐漸變黃脫落，忽略不計），先105℃殺青30 min，后80℃烘干至恒重，稱量各器官的干重，計算植株總干重。

1.3.2.2 結瘤性狀。大豆盛花期，每小區(qū)選擇長勢一致的連續(xù)植株5株，挖取完整根系，用清水洗凈，摘下根瘤，統(tǒng)計根瘤數(shù)量，并稱量鮮重；然后將根瘤置于烘箱內(nèi)80℃烘干至恒重，稱量干重。

1.3.2.3 產(chǎn)量及其構成因子。大豆收獲前1～2 d，每小區(qū)選擇長勢一致的連續(xù)植株5株，統(tǒng)計單株莢數(shù)和單株粒數(shù)，計算百粒重；每小區(qū)選取中間4行（10 m2）植株，收獲后將子粒晾干，稱重計產(chǎn)。

1.3.2.4 經(jīng)濟效益。大豆生產(chǎn)投入成本包括種子、農(nóng)藥、人工機械和肥料4項費用，均按照市場價格計算（表2）。按照2021年大豆平均價格5.5元/kg，計算大豆產(chǎn)值（產(chǎn)量×價格）和經(jīng)濟效益（產(chǎn)值-投入成本）。

表2 大豆生產(chǎn)成本 （元/hm2）Table 2 Production cost of soybean

1.3.3 數(shù)據(jù)處理與分析 利用Excel 2010軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析；利用SPSS 17.0軟件進行方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 減氮接種根瘤菌劑對高蛋白夏大豆植株性狀的影響

RH處理的參試大豆品種株高、主莖節(jié)數(shù)和有效分枝數(shù)均＞CK，指標值增幅分別為5.98%～6.31%、9.72%～15.08%和3.53%～6.22%，其中株高和主莖節(jié)數(shù)增加顯著，有效分枝數(shù)與CK差異不大；底莢高度均略＜CK，降幅為3.80%～5.29%，與CK差異均不顯著（表3）。表明減氮接種根瘤菌劑可顯著增加高蛋白夏大豆的株高和主莖節(jié)數(shù)，其中對主莖節(jié)數(shù)影響最大，對底莢高度和有效分枝數(shù)影響均較小。

表3 減氮接種根瘤菌劑對高蛋白夏大豆植株性狀的影響Table 3 Effect of rhizobium inoculum on plant traits of high protein summer soybean

RH處理對不同大豆品種植株性狀的影響程度不同，各性狀變化幅度均以齊黃34最大，冀豆12最小。表明參試根瘤菌劑對大豆品種具有一定的選擇性，其與齊黃344的匹配性更高。

2.2 減氮接種根瘤菌劑對高蛋白夏大豆結瘤性狀的影響

RH處理的參試大豆品種根瘤鮮重、根瘤干重和根瘤數(shù)量均顯著＞CK，指標值增幅分別為54.09%～62.62%、57.06%～66.81%和38.90%～45.03%（表4）。表明減氮接種根瘤菌劑可顯著提高高蛋白夏大豆的結瘤性狀，其中對根瘤干重影響最大，對根瘤數(shù)量影響相對最小。

表4 減氮接種根瘤菌劑對高蛋白夏大豆結瘤性狀的影響Table 4 Effects of rhizobium inoculum on nodulation traits of high protein summer soybean

RH處理對不同大豆品種各結瘤性狀的影響程度不同，各性狀變化幅度均以齊黃34最大，冀豆12最小。表明參試根瘤菌劑對大豆品種具有選擇性，其與齊黃34適應性更好，匹配性更高，更易提高根部結瘤性狀。這可能與品種本身的遺傳特性有關。

2.3 減氮接種根瘤菌劑對高蛋白夏大豆干物質(zhì)積累量的影響

RH處理的參試大豆根、莖、豆莢干重以及植株總干重均＞CK，指標值增幅分別為8.90%～10.29%、11.91%～13.86%、12.22%～20.78%和11.93%～18.02%，其中豆莢干重和植株總干重增加顯著，而根和莖干重與CK差異不大；各器官干重的增幅順序均為豆莢＞植株＞莖＞根（表5）。表明減氮接種根瘤菌劑可顯著提高高蛋白夏大豆各器官以及整個植株的干物質(zhì)積累量，其中對豆莢干物質(zhì)積累量影響最大，對根干物質(zhì)積累量影響相對最小。減氮接種根瘤菌劑后能不同程度地明顯提高大豆各器官的干物質(zhì)積累量，尤其在大豆生長發(fā)育中后期對豆莢干物質(zhì)積累量的增加起到積極的促進作用，這對于提高子粒產(chǎn)量非常重要。

表5 減氮接種根瘤菌劑對高蛋白夏大豆干物質(zhì)積累量的影響Table 5 Effects of rhizobium inoculum on dry matter accumulation of high protein summer soybean

RH處理對不同大豆品種各器官以及整個植株干物質(zhì)積累量的影響程度不同，各性狀變化幅度均以齊黃34最大，冀豆12最小。表明不同大豆品種對同一根瘤菌劑的匹配性和適應性不同，參試根瘤菌劑與齊黃34的共生性更好。

2.4 減氮接種根瘤菌劑對高蛋白夏大豆產(chǎn)量及其構成因子的影響

RH處理的參試大豆品種產(chǎn)量均顯著＞CK，增幅為9.81%～13.02%，其中齊黃34產(chǎn)量增幅最大，冀豆12產(chǎn)量增幅最小（表6）。表明減氮接種根瘤菌劑可顯著提高高蛋白夏大豆的子粒產(chǎn)量，但對大豆品種的選擇性和作用程度有所不同，其中對齊黃34效果最好。

表6 減氮接種根瘤菌劑對高蛋白夏大豆產(chǎn)量及其構成因子的影響Table 6 Effects of rhizobium inoculum on yield and its component factors of high protein summer soybean

進一步對RH處理的參試大豆品種產(chǎn)量構成因子進行分析發(fā)現(xiàn)，RH處理后參試大豆品種的單株莢數(shù)、單株粒數(shù)和百粒重均較CK出現(xiàn)不同程度的提高，指標值增幅分別為20.76%～28.08%、23.29%～29.04%和0.53%～1.98%，其中百粒重與CK差異不大，單株莢數(shù)和單株粒數(shù)增加顯著。表明減氮接種根瘤菌劑可顯著提高大豆產(chǎn)量的主要原因是顯著提高了大豆單株莢數(shù)和單株粒數(shù)，百粒重對產(chǎn)量影響較小。

RH處理對不同大豆品種產(chǎn)量及各產(chǎn)量性狀的提高程度不同，各性狀變化幅度均以齊黃34最大，冀豆12最小。表明參試根瘤菌劑與齊黃34的共生性優(yōu)于其他2個品種，尤其在大豆生育后期養(yǎng)分供應及生殖器官養(yǎng)分積累方面促進作用更為明顯。

2.5 減氮接種根瘤菌劑對高蛋白夏大豆經(jīng)濟效益的影響

RH處理的參試大豆品種投入成本均較CK減少46.5元/hm2，產(chǎn)值、產(chǎn)投比和經(jīng)濟效益均＞CK，其中產(chǎn)值增加1 683.33～2 436.83元/hm2，經(jīng)濟效益增加1 730.33～2 483.33元/hm2，效益增幅為14.27%～18.17%（表7）。表明減氮接種根瘤菌劑可提高產(chǎn)投比，明顯增加大豆產(chǎn)值和經(jīng)濟效益。

表7 減氮接種根瘤菌劑對高蛋白夏大豆經(jīng)濟效益的影響Table 7 Effects of rhizobium inoculum on economic benefits of high protein summer soybean

RH處理對不同大豆品種各經(jīng)濟效益性狀的影響程度不同，其中齊黃34產(chǎn)值和經(jīng)濟效益最高，產(chǎn)投比和效益增幅最大。進一步表明參試根瘤菌劑對大豆品種具有選擇性，其與齊黃34的共生性優(yōu)于其他2個品種。

3 結論與討論

根瘤菌劑可促進大豆根部形成更多根瘤，增強根瘤與大豆的共生固氮體系，進而從空氣中固定更多氮素，滿足植株的氮素需求[11]。前人研究表明，大豆施用根瘤菌肥后植株鮮重、根瘤數(shù)、根瘤鮮重等增加，子粒增產(chǎn)幅度達13%以上[12]；氮肥適量減施后采用根瘤菌拌種，大豆子粒干重較對照（當?shù)厥┓仕剑┰黾?4.6%，產(chǎn)量提高9.75%[13]；施氮配合接種根瘤菌較僅施氮肥增產(chǎn)11.5%～46.3%，并能顯著提高大豆根瘤數(shù)量、根瘤干重以及各器官和單株的干物質(zhì)積累量[14]。本研究結果顯示，減氮接種根瘤菌劑處理的參試大豆品種植株性狀、結瘤性狀、植株各器官干物質(zhì)積累量均優(yōu)于其CK，尤其是主莖節(jié)數(shù)、株高、根瘤數(shù)量、根瘤鮮干重、豆莢干重以及植株總干物質(zhì)積累量增加顯著；單株莢數(shù)和單株粒數(shù)較CK明顯增多，產(chǎn)量增加9.81%～13.02%，經(jīng)濟效益提高14.27%～18.17%?？梢钥闯?，根瘤菌劑接種對黃淮海地區(qū)高蛋白夏大豆同樣適用，既能改善大豆植株生長性狀，增強根部結瘤能力，提高子粒產(chǎn)量和經(jīng)濟效益，又能減少氮肥施用，降低環(huán)境污染，有利于農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。

豆科植物與根瘤菌形成根瘤的過程是一個需要雙方有關基因共同參與、相互識別、協(xié)同作用的復雜過程[15]，根瘤菌劑只有與宿主合理搭配才能使豆科植物獲得最佳的固氮效果。本研究結果顯示，同種根瘤菌對不同大豆品種的植株性狀、結瘤性狀、干物質(zhì)積累量、子粒產(chǎn)量和經(jīng)濟效益影響程度不同，參試根瘤菌劑與齊黃34的適應性和匹配性較其他2個品種表現(xiàn)更優(yōu)，也證實了根瘤菌與不同大豆品種的共生表型匹配性存在較大差異，這既與大豆品種本身的遺傳特性有關，又與根瘤菌劑的品種選擇性有關。前人研究[16，17]表明，相同根瘤菌菌種在大豆品種間表現(xiàn)出了極大的結瘤和固氮差異，同一大豆品種與不同地理來源的根瘤菌共生特性差別也很大，且隨著大豆品種的不斷更新，原有的根瘤菌更難以匹配和發(fā)揮作用。因此，我國根瘤菌劑的發(fā)展與大豆品種的更新應同步進行，只有篩選出與豆科作物品種匹配、固氮能力好、競爭結瘤能力強的優(yōu)良菌株，才能真正發(fā)揮根瘤菌劑的應用效果。

本研究發(fā)現(xiàn)，根瘤菌劑接種對大豆根和莖的干物質(zhì)積累量影響不顯著，但明顯提高了豆莢干重，植株總干重也因豆莢干重提高而顯著提高，表明根瘤菌劑接種對生殖器官干物質(zhì)積累的促進作用更為突出。究其原因，可能是大豆生長發(fā)育后期營養(yǎng)物質(zhì)多向生殖器官轉移積累，此時經(jīng)過根瘤菌劑接種后的大豆植株根瘤數(shù)量多數(shù)達到峰值，固氮酶最多，固氮能力最強，從空氣中固定的銨態(tài)氮素積累較多，從而促使養(yǎng)分向豆莢等生殖器官分配積累。這與張愛媛等[18]和徐玥等[19]的研究結果類似，表明與常規(guī)氮肥相比，根瘤菌與大豆通過共生固氮產(chǎn)生的氮素更易被植株吸收利用，根瘤菌劑接種提高了大豆的固氮能力和效率。

大量研究表明，根瘤菌劑接種可以減少肥料用量，提高大豆產(chǎn)量和效益[20～22]。本研究中，根瘤菌接種后，3個高蛋白夏大豆品種的產(chǎn)量及其構成因子均增加，尤其是單株莢數(shù)和單株粒數(shù)增加明顯，增幅分別為20.76%～28.08%和23.29%～29.04%，產(chǎn)量提高9.81%～13.02%。氮肥減施50%+根瘤菌劑接種處理雖然生產(chǎn)成本與常規(guī)施肥處理相差不大，但大豆產(chǎn)值和經(jīng)濟效益明顯增加，分別增加了1 683.33～2 436.83元/hm2和1 730.33～2 483.33元/hm2。表明參試根瘤菌劑在3個高蛋白大豆品種上應用均具有可行性，這對促進高蛋白夏大豆產(chǎn)量和效益提升，根瘤菌劑的推廣應用，實現(xiàn)大豆綠色可持續(xù)發(fā)展具有積極意義；同時也表明根瘤菌與豆科作物的共生固氮作用具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。值得注意的是，目前巴西、阿根廷、美國等國家根瘤菌劑生產(chǎn)已實現(xiàn)工業(yè)化和大面積推廣應用，根瘤菌劑接種的大豆種植面積比例已高達70%～95%，不僅實現(xiàn)了化學氮肥零施入，且每年的經(jīng)濟效益均超過了25億美元；而我國根瘤菌劑接種的大豆種植面積僅占1%～2%，與國外相比差距太大。因此，我們應積極借鑒國外成功經(jīng)驗，充分重視根瘤菌劑的固氮功能，加大相關研究力度，爭取縮短與國外水平的差距，為我國大豆產(chǎn)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造新途徑。