施氮量對套作大豆花后光合特性、干物質積累及產量的影響

閆艷紅,楊文鈺 ,張新全,陳小林,陳忠群

(1.四川農業大學動物科技學院,四川 雅安 625014;2.四川農業大學農學院,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得到了迅猛發展[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;產量形成期葉片的光合速率逐漸下降,光合產物積累較少。因此,若想提高大豆產量,除了保證穩健的壯苗之外,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積累量,才能獲得高產。有研究表明,作物95%以上的干物質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,增加光合產物的積累量[13-18]。但關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積累量的影響還未見報道。據此,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、干物質積累量及產量的影響研究,旨在明確套作大豆花后光合產物積累及產量與氮素養分之間的關系,為完善套作大豆高產、優質、高效栽培技術措施提供相應的理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2008年5-10月在四川農業大學教學農場進行。供試玉米品種為川單418(四川川單種業提供);大豆品種為貢選1號(四川省自貢市農業科學研究所提供)。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組設計,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,共12個小區。小區面積為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,攻苞肥施純N 135 kg/hm2,兌糞水900擔。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%;當大豆處于5節期(V5期)時,大豆行的透光率為69%;當大豆處于R1期時,大豆行的透光率為75%,此時正是玉米收獲期。田間管理按常規高產栽培進行。

1.2 調查測定項目與方法

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(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)測定套作大豆群體LAI。

1.2.3 光合參數 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(美國產),使用開放式氣路,在晴天上午10:00-12:00測定光合參數。每小區選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)、氣孔導度(stomatal conductance,Gs)及蒸騰速率(transpiration rate,T r),重復3次。

1.2.4 地上部干物質積累量 于花后1 d開始,每隔14 d按小區隨機取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 套作大豆產量構成 成熟時,每小區取樣9株(每行取3株),測定單株莢數、單莢粒數及百粒重,計算理論產量。

2 結果與分析

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%。花后葉片中的Chl b和Chl(a+b)含量表現為隨施氮量的增加而提高;花后46 d時,Chl b含量表現為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表現為N1>N2>N0>N3。

2.1.3 花后葉片中某些光合生理參數的動態變化 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。花后31 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積累的影響

圖1 套作大豆花后葉片光合色素含量的動態變化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積累量有顯著影響(表2)。花后1～31 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。花后46～61 d,N1、N2處理植株各器官的干物質積累量高于N0處理,而N3處理植株各器官的干物質積累量均顯著低于對照。花后61 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量及產量構成因素的影響

施氮處理對套作大豆的產量及產量構成因素有顯著影響(表3)。各處理間的有效莢數和產量大小順序均表現為N1>N2>N0>N3;其中N1處理的有效莢數和產量分別較對照(N0)高17.37%和18.22%。莢粒數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

光合作用是物質生產的基本過程,作物95%以上的干物質是光合作用提供的,而作物產量的高低依賴于花后干物質積累量的高低。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現,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,氮也是大豆生長發育和產量形成的主要元素之一,氮素供應過多或過少都會引起大豆生長代謝紊亂,器官功能衰退,最終導致減產[20-23]。一些研究表明,大豆施氮不增產或增產效果不顯著[24-26],多數美國的大豆研究人員的試驗結果支持這一觀點。其原因被解釋為,氮素影響根瘤的發育和功能。另一觀點則是大豆施氮具有增產效果[27-29],其原因是苗期適量少施氮肥可以氮換碳,以氮促碳,保證營養生長的物質能源;而花期追肥可促進營養器官氮素向籽粒的轉運,達到高產優質。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Plant

表3 施氮量對套作大豆產量及產量構成因素的影響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積累量顯著提高,尤其有效莢數與對照間差異極顯著,進而顯著增加了產量,但全生育期氮肥用量達到97.2 kg/hm2時,就開始減產。這是由于有效莢的高低決定于分枝莢的多少及群體通風透光的好壞[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極顯著高于對照,不利于通風透光,落花落莢嚴重。因此,在西南區“玉米-大豆”套作模式中,若想獲得大豆高產,在土壤肥力適中的情況下,施中低量的氮肥即可。

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