施氮量對滴灌高產春大豆根系生長及產量的影響

高 陽，楚光紅，傅積海，張艷偉，章建新

(新疆農業大學農學院，新疆 烏魯木齊 830052)

新疆是我國春大豆的高產區。晚熟大豆品種中黃35與膜下滴灌技術結合在新疆獲得6.0 t·hm-2的超高產[1]。大豆獲得高產必需積累相應的氮量[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育所需要的氮素營養[3]。施用適量氮肥，補充土壤氮素的不足是大豆高產關鍵技術措施之一[4]。根系生長狀況不僅決定作物獲得水分和養分的能力，還影響植物地上部分生長發育和產量的形成[5-6]。氮肥對大豆生長和產量的影響是從根系生長開始的[7]。適當的氮素可促進大豆根系生長，增加根系干物質量，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能力不同，最終影響籽粒產量[9]。大豆生物量和產量隨著施氮量的增加而增加，而根瘤數量、干物質量、大小呈逐漸下降的趨勢，若想要最大發揮大豆結瘤固氮功能，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)栽試驗的結果，有關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地研究了施氮量對中熟品種新大豆27號根系生長和產量的影響規律，為新疆大豆高產栽培提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016年在新疆伊寧縣農業科技示范園區(薩地克于孜鄉)進行。試驗地為壤土，前茬春玉米，玉米收后秸稈還田。0～20 cm土層有機質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 試驗設計

試驗采用單因子完全隨機區組設計，以普通尿素(含氮量46%)為氮源。根據實驗地肥力水平，設置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，各處理均由單獨的施肥裝置控制，3次重復，小區面積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 測定項目與方法

1.3.1 根系形態及根瘤測定 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，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，長為寬行中點與窄行中點的距離，寬為行長，高為深度)，2次重復。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。將計數后根瘤放入烘箱在105℃殺青30 min，在80℃下烘干至恒量稱質量。

根系形態采用根系掃描分析儀(WinRHIZ0-2004a，Canada)測定。將沖洗凈側根樣放入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，進行掃描獲取圖像，經專用數字化軟件(WinRHIZ0-2004a)分析后獲得根長、根表面積、根體積、平均直徑、根尖數等形態指標。將掃描完根樣在80℃下烘干稱質量。

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6株，于北京時間20∶00時從子葉節處剪斷植株，迅速將裝有脫脂棉(已稱質量，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 產量及其結構測定 在成熟期每小區選取中間4行實收4.8 m2(3 m×1. 6m)，分別人工脫粒，晾干后稱取質量和百粒重，同時用谷物水分測定儀測定各小區籽粒含水量，將各小區產量折合成標準含水量(13.5%)的產量。成熟前每小區連續選10株，逐株統計粒數，以30株的平均值計算單株粒數。

1.3.4 氮肥農學利用率計算 氮肥農學利用率=(施氮區產量—空白區產量)÷施氮量

1.4 數據處理

采用SPSS 19.0和Excel(2013版)軟件進行數據分析及繪圖，方差分析采用Duncan法。

2 結果與分析

2.1 施氮量對春大豆側根干物質量和側根干物質量密度時空變化的影響

各處理根系側根總干物質量在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日的側根總根干物質量差異達顯著水平(圖1A)。處理N75、N150、N225的側根系總重多大于N0。7月25日(R5期)至8月25日(R6期)均以N150處理側根總根系干物質量最大，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，隨著土層變深側根干物質量密度呈劇降變化趨勢，R5期0～20、20～40 cm土層側根干物質量分別占總側根干物質量的88.92%～89.95%和5.60%～6.54%。施氮處理0～20 cm土層側根干物質量密度與N0處理差異顯著，7月25日N75、N150、N225側根干物質量密度分別比N0增加10.59%、27%、14.35%；20～40、40～60、60～80 cm土層側根干物質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土層大豆側根干物質量，主要是0～20 cm土層側根干物質量增加的結果。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根干物質量(A)和側根干物質量密度(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 施氮量對春大豆側根長和側根長密度時空變化的影響

由圖2A可見，各處理總側根長在生育期間均呈單峰曲線變化，在7月25日(R5期)達到峰值后緩慢下降。施氮處理總側根長與N0差異均達顯著水平，7月25日N75、N150、N225總側根長較N0增加34.59%、49.46%、30.45%，7月25日-8月25日均以N150處理總側根長較長。由圖2B、2C、2D、2E可知，側根長在0～20、20～40、40～60、60～80 cm土層分別占0～80 cm土層總側根長的57.12%～59.72%、19.76%～23.07%、12.44%～13.11%、7.01%～7.42%，側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側根長較N0增加16.11%、29.02%、14.37%，20～40 cm土層N75、N150、N225側根長較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土層大豆側根長，主要是0～40 cm土層側根長增加的結果。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 施氮量對春大豆側根表面積和側根表面積密度時空變化的影響

不同處理春大豆側根系總表面積與根長變化趨勢相同，7月25日(R5期)達峰值后緩慢下降。 6月25日至8月25日施氮處理根表面積與N0差異達顯著水平，均表現為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土層大豆側根表面積，主要是0～40 cm土層側根表面積增加的結果。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日達峰值后迅速下降。N0、N75處理峰值出現在7月25日，N150、N225峰值出現在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和根瘤干物質量的影響

各處理根瘤數在7月25日前后達峰值。6月25日至8月25日期間N0、N75、N150的根瘤數與N225間差異顯著，表現為N0、N75、N150均大于N225(圖5A)。6月11日-8月25日根瘤干物質量呈遞增趨勢，施氮處理與N0間差異顯著，多表現為N0>N75>N150> N225，8月25日N0處理根瘤干物質量為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和根瘤干物質量減少，且單位面積根瘤干物質量下降對施氮量增加較根瘤數更敏感，N150根瘤數與N0相近，根瘤干物質量明顯低于N0。

2.6 施氮量對春大豆產量及產量構成因素的影響

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

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

表2 春大豆產量及產量構成因素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

滴灌施肥技術與傳統施肥方法相比，其顯著特點是可以將水肥通過滴灌系統直接輸送到作物根區附近，使水分和養分在土壤中均勻分布，從而保證養分被根系直接吸收利用，避免灌水不均勻和減輕土壤板結。大豆對氮肥的反應主要取決于土壤礦質氮含量的高低，R1期土壤礦質氮含量對大豆生物量和產量的影響大于其它生育時期[15]。適當的氮素可促進大豆根系生長，增加根系干物質量，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量、數量間均具有顯著的線性負相關關系[18]。東北筐栽試驗表明適量施氮對根瘤生長有顯著的促進作用，當氮素供應不足時則會抑制根瘤的生長，但當氮素供應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，對側根數略有促進作用，但對大豆根系生長促進不明顯。本試驗結果表明：滴灌條件下在大豆R1～R2期，施氮量在0～225 kg·hm-2的范圍內，隨著施氮量增加，0～80 cm土層側根總干物質量、側根總長度、側根總表面積、0～40 cm土層根系活性、單株根系傷流量均表現為先增后降的變化趨勢(主要是0～20 cm土層變化的結果)。其中，當施氮量在0～150 kg·hm-2的范圍內大豆根系生長及單株傷流量處于上升趨勢，而當施氮量為225 kg·hm-2時對大豆根系生長及單株傷流量促進作用明顯弱于150 kg·hm-2處理；增施氮肥減少單位面積根瘤數和根瘤干物質量，N150處理根瘤數和根瘤干物質量較大，而N225處理明顯抑制單位面積根瘤數和根瘤干物質量；產量以150 kg·hm-2處理較高(4 889.62 kg·hm-2)，較0 kg·hm-2處理產量(4 352.1 kg·hm-2)增產12.35%，其氮肥農學利用效率為3.58 kg·kg-1。可見，R1～R2期施氮肥大豆產量增加主要是促進0～20 cm土層根系生長，增加對土壤養分吸收量的結果。這是由于大豆66.9%～73.7%的根干物質量是R1～R5期形成的緣故，并且此時又是大豆花數和莢數形成的時期，促進根系生長增加花數和莢數，增加產量[19]。本研究的適宜施氮量明顯高于東北的50 kg·hm-2(產量僅為2 600 kg·hm-2)[9]，可能是由于產量較高造成施氮量較高。由于大豆根系生長和高產形成的適宜土壤礦質氮含量遠高于根瘤的形成和固氮的適宜礦質氮含量，適宜施氮量在促進根系生長、增加產量的同時，減少單位面積的根瘤質量，過量施氮肥還減少單位面積的根瘤數量，進一步減少單位面積根瘤質量，均不利于大豆根瘤固氮能力的發揮。即施氮肥在促進根系生長增加大豆產量的同時，可能減少根瘤的固氮量。在本試驗期間，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%，導致第二次施氮肥推遲到7月14日；試驗處理均在7月28日因大風暴雨倒伏；8月份(灌漿期)平均溫度(23℃)比歷年平均值(22.4℃)高0.6℃，均不利于大豆高產形成，主要降低了百粒重(若按正常年份百粒重23 g計算，N150處理產量可達5 728.32 kg·hm-2)。上述情況對試驗結果產生了一定的影響。對于新疆超高產春大豆，如何合理施用氮肥，協調根系生長與根瘤固氮能力的關系是需要進一步研究的問題。

4 結 論

施氮肥主要促進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和根瘤干物質量，N150處理根瘤數與N0相近，根瘤干物質量明顯低于N0；增施氮肥增加產量，以N150處理產量較高，為4 889.62 kg·hm-2。施氮肥增加產量主要是促進根系0～20 cm土層根系生長，提高0～40 cm根系活力的結果。