栽培密度對高產大豆根系生長及花莢形成的影響

趙占營，楚光紅，李思忠，章建新

(1.新疆農業大學農學院,新疆 烏魯木齊 830052; 2新疆農業科學院經濟作物研究所,新疆 烏魯木齊 830091)

密度是影響大豆群體結構的主要因素[1]，合理密植是增加大豆產量的重要措施之一[2-3]。半矮稈品種與窄行密植技術結合獲得了大豆超高產[4-5]。作物正常的生長發育要依靠地下部根群吸收水分和養分[6]。根系形態決定植株獲得水分和養分的能力。因此，根系對產量形成有重要的影響[7]。根系干重與產量呈顯著正相關[8]。密植條件下根系分布廣是大豆高產的原因之一[9]。隨著密度的增加大豆主根長度增長[10]，根體積、根干重和傷流量均隨之降低[11]。隨著密度的增加單株平均花數、莢數均隨之減少，而群體花莢數增加[12-13]。花莢期根干重增量與總花數呈正相關，促進花莢期根系生長，增加花莢期根干重是提高總花數、總腔數的重要途徑[14]。大豆根系快速生長期與花莢形成期同步，健壯的根系，能夠增加單位面積總花數，增加單位面積總腔數、總粒數[15]。增加花數是增加莢數、粒數，最終增加大豆產量的最主要途徑[16]。有關密度對大豆根系生長的研究多是盆栽試驗的結果[17]，并且多未涉及到對花莢形成的影響。在不同密度下，根系生長與花莢形成的關系不清楚。本文在田間研究密度對大豆根系生長和花莢形成的影響規律及其相互關系，為大豆合理密植、高產高效栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2017年4—10月在新疆農業大學三坪實習農場進行。試驗地表層土壤類型為棕鈣土，耕作層深60 cm，0～20 cm土壤有機質1.1%、堿解氮60.0 mg·kg-1、速效磷16.0 mg·kg-1、速效鉀215.0 mg·kg-1、pH 8.28，前茬玉米。試驗采用裂區設計，品種為主區，2個品種分別為新大豆8號(2010年主栽品種，卵圓形葉)，新大豆27號(2017年主栽品種，披針形葉)；栽培密度為副區，3個密度分別為21.0×104株·hm-2(D1)、30.0×104株·hm-2(D2)和48.0×104株·hm-2(D3)。小區行長8 m，共6行，行距按50 cm+30 cm寬窄行配置。

2017年開春后于翻地前隨機施入重過磷酸鈣300.0 kg·hm-2。4月24日搶墑人工開溝條播，5月7日出苗。于第1片復葉完全展時定苗。定苗后按“1管2行”，在窄行中間鋪設毛管。6月11日滴頭水，生育期內共滴水6次(6月11日、6月16日、6月30日、7月10日、7月26日和8月10日，滴水量分別為225、225、375、525、525 m3·hm-2和750 m3·hm-2)，水表控制滴水量。在第1次滴水時隨水施入尿素150 kg·hm-2。全生育期內人工除草3次，8月26日前后完熟。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 根系參數 分別于6月18日、7月6日、7月22日、8月6日各處理選取具代表性樣點，自子葉節處剪斷植株，然后挖取0～60 cm土層根樣(每20 cm一層)。取土樣體積0.024 m3[0.4 m (長：寬、窄行1/2處間距)×0.3 m (寬：行長方向)×0.2 m (高：20 cm)]，重復2次。撿出根系洗凈，將主根與側根分開，采用根系掃描分析儀(WinRHIZ0-2004a，Canada)分別掃描0～20、20～40、40～60 cm土層的側根后，用數字化分析軟件(萬深LA-S根系分析系統，杭州)分析各根系參數。將掃描后根系在105℃下殺青30 min，80℃烘至恒重，測量并計算總側根長(m·m-2)和側根長密度(m·m-3);用1/1 000天平稱根干重，并計算總根干重(g·m-2)、根干重密度(g·m3)。

1.2.2 開花數和結莢數 自始花期開始，各處理分別選取代表性連續8株掛牌標記，每2 d調查記載主莖各節位新開花數、成莢(長2.0 cm)數，直至開花、成莢結束，統計并換算為單位面積內總花數、總莢數(No.·m-2)。

1.2.3 考種及測產 成熟期各小區收取中間4行(1.6 m×3 m)，人工脫粒稱重，隨即稱取籽粒100 g于80℃烘至恒重計算含水量，將各小區產量折合成標準含水量(13.5%)的產量。另連續選取具有代表性植株各20株于室內考種，測定單株各節位莢數、粒數、空腔數和百粒重。

1.3 數據統計分析

采用DPS 7.05和Excel 2013進行數據統計分析和繪圖。

2 結果與分析

2.1 栽培密度對總根干重和根干重密度的影響

由圖1(A)可知，各處理0～60 cm土層根系總干重均表現為隨生育進程推移呈先增加后降低變化，7月22前后群體總根干重達最大值，而后緩慢下降。6月18日—7月22日為根系快速增長期，增長量占根系總干重的63.21%～80.47%。兩品種總根干重密度間差異達顯著水平，7月6日前均表現為D3>D2>D1，7月22日后均表現為D2(D3)>D1，7月22日新大豆27號D2、D3分別較D1增加23.68%、18.48%，新大豆8號D2、D3分別較D1增加27.25%、19.71%；兩品種均以D2根干重最大；各處理的根干重密度均表現為0～20>20～40>40～60 cm土層，0～20、20～40、40～60 cm的根干重密度差異達顯著水平，7月22日0～20 cm土層均表現為D2>D3>D1(見圖1(B))，新大豆27號0～20 cm土層根干重密度D2、D3分別較D1增加24.97%、18.51%，7月22日后20～40、40～60 cm土層表現為D2(D3)>D1(見圖1(C)、1(D))，新大豆27號20～40 cm土層D2、D3分別較D1增加12.11%、27.19%，40～60 cm土層D2、D3分別較D1增加55.79%、64.56%，新大豆8號D2、D3分別較D1增加164.61%、240.66%。增加密度顯著增加0～60 cm土層根系總干重，最大根干重的種植密度為30.0×104株·hm-2；再增加密度0～20 cm土層根系干重密度下降，20～40、40～60 cm土層繼續增加或不降低，有利于增加40～60 cm土層根系干重。

圖1 總根干重(A)及根干重密度(B、C、D)的動態變化Fig.1 Dynamic variations in total root dry weigh (A) and root dry weight density(B、C、D)

2.2 栽培密度對總側根長和側根長密度的影響

由圖2(A)可知，不同處理的總側根長在生育期內呈先增加后降低的變化趨勢，各處理均在7月6

圖2 總側根長(A)及側根長密度(B、C、D)的動態變化Fig.2 Dynamic variations in total lateral root length(A) and lateral root length density(B、C、D)

日(始莢期)達最大值，至7月22日迅速下降，此后至8月6日緩慢下降，且生育期內兩品種密度處理間總側根長差異顯著。7月6日新大豆27號總側根長表現為D2、D3處理分別較D1增加13.59%、28.50%；新大豆8號總側根長表現為D2、D3處理分別較D1增加12.99%、43.61%。各處理的根長密度均表現為0～20>20～40>40～60 cm土層，0～20、20～40、40～60 cm土層根長密度處理間差異顯著。0～20 cm土層均表現為D3>D2>D1，7月6日新大豆27號D2、D3分別較D1增加9.33%、26.72%，新大豆8號D2、D3分別較D1增加6.94%、30.80%(圖2(B))；20～40 cm土層根長密度新大豆27號D2、D3分別較D1增加21.13%、33.49%，新大豆8號D2、D3分別較D1增加29.97%、65.70 %(圖2(C))；40～60 cm土層根長密度新大豆27號D2、D3分別較D1增加28.30%、27.96%，新大豆8號D2、D3分別較D1增加37.67%、140.57 %(圖2(D))。增加密度，增加大豆各生育期總側根長和0～60 cm土層根長密度，最大總側根長的種植密度為48.0×104株·hm-2。7月6日至7月22日總側根長和各土層的根長密度劇降。

2.3 栽培密度對花數、莢數及開花、成莢動態的影響

由表1可知，隨栽培密度的增加，單株花數、莢數和腔數顯著降低，而群體總花數、總莢數和總腔數顯著增加，且處理間差異達顯著水平。新大豆27號、新大豆8號群體總莢數、總腔數處理間分別表現為D3>D2>D1、D3(D2)>D1，總腔數D3較D1分別增加23.84%、35.40%，D3處理下新大豆27號群體花數較新大豆8號增加13.62%、莢數減少7.52%。隨生育進程的推移單株日新開花數和新結莢數呈先增加后降低變化，兩品種開花期密度處理間均表現為D1>D2(D3)；新大豆27號D3開花高峰期為6月22日較D1晚2 d，新大豆8號也晚2 d；新大豆27號D3結莢高峰期為7月15日晚于D1處理8 d，新大豆8號D3結莢高峰期較D1晚6 d，提高日開花峰值。D2處理下新大豆27號花期和莢期較新大豆8號分別多2 d和6 d(圖3(A)、3(B))。增加密度推遲大豆始花期、開花和結莢高峰出現時間，縮短開花期。

2.4 根系生長與花、莢形成的關系

由圖4、5可知，7月6日(始莢期)新大豆27號和新大豆8號總根干重(x1,x2)、總根長(x11,x12)與總花數(y1,y2)呈顯著或極顯著正相關關系。總根干重、總根長與總花數的R2值新大豆27號分別為0.8477*、0.9106*，新大豆8號R2值分別為0.7531、0.9993**。7月22日(始粒期)總根干重、總根長與總腔數(y11,y12)的R2值新大豆27號分別為0.6954、0.9837**，新大豆8號R2值分別為0.7902*、0.9277*。總根長與總花數和總腔數的R2值高于根干重與總花數和總腔數的R2值。增加始莢期根系干重、根系長度有利于增加總花數，增加始粒期根系干重、根系長度有利于增加總腔數。根系長度與開花數和腔數的關系較根干重更密切。

2.5 栽培密度對產量及產量構成因素的影響

由表2可知，增加密度籽粒產量顯著增加，處理間表現在為D3>D2>D1。新大豆27號D2、D3籽粒產量分別較D1增加7.05%、23.05%；新大豆8號D2、D3籽粒產量分別較D1增加11.05%、16.74%。增加密度顯著增加群體總莢數和總粒數，降低單株數莢數和粒數；密度處理間百粒重差異不顯著。D3處理下新大豆27號籽粒產量較新大豆8號高10.74%，其單株粒數、總粒數分別較新大豆8號增加18.69%、14.53%。增加密度降低單株粒數、增加總粒數和產量，對百粒重影響不顯著。

表1 開花數和結莢數

注: 不同小寫字母表示同一生育期各處理在P<0.05水平上差異顯著，下同。

Notes: Different lowercase letters in the same growth stage mean significant difference atP<0.05 level among treatments, the same below.

圖3 開花數(A)及結莢數(B)隨時間的動態變化Fig.3 Dynamic variations in flowering (A) and pod number (B)

注：*和**分別表示t檢驗0.05和0.01水平差異顯著。下同。Note: * and ** means significant difference of test at 0.05 and 0.01 level. The same below.圖4 根干重、根長與總花數的關系(7月6日)Fig.4 The relationship of total flower number between root dry weight and root length (07-06)

圖5 根干重、根長與總腔數的關系(7月22日)Fig.5 The relationship of total cavities number between dry root weight and root length (07-22)

品種Variety處理Treatment收獲株數/(×104·hm-2)Harvested plants莢數/(No.·plant-1)Pods粒數/(No.·plant-1)Grains百粒重/g100-seed weight產量/(kg·hm-2)Yield新大豆27號Xindadou 27D120.6c41.0a110.6a14.33a3158.01cD229.7b27.7b85.1b14.06a3380.72bD347.5a19.6c61.6c14.33a3885.91a新大豆8號Xindadou 8D120.6c37.1a92.6a14.74a3005.84cD229.4b33.4b79.5b14.84a3338.07bD347.4a21.2c51.9c14.82a3508.92a

3 討論與結論

根系健壯生長是大豆地上部生長發育、開花結莢和高產形成的基礎，根系起著從土壤中吸收水分和養分并向上運輸的重要作用。田間試驗結果表明，隨栽培密度的增加，可降低0～20 m土層根系寬、根體積、根干重及傷流量[11]。盆栽試驗結果表明，隨密度的增加，超高產品種和普通品種的單株根表面積和根體積下降，其中普通品種的下降幅度更大[17]。生殖生長期根系性狀與產量間呈顯著正相關關系，隨密度的不斷增加，田間0～20 cm土層單株根干重、根長度等性狀呈下降變化趨勢[18]。本研究結果表明，密度在21×104～ 48×104株·hm-2的范圍內，增加密度顯著增加0～60 cm土層根系總干重和總根長，同時增加40～60 cm土層根系干重和根長。最大根干重的種植密度為30.0×104株·hm-2，低于最大總根長的種植密度(48.0×104株·hm-2)。表明總根干重對增加密度的反應比總根長敏感，過高的密度導致大豆生育中后期根系總根干重減少主要是0～20 cm土層根系干重降低的結果，20～60 cm土層根系干重則表現增加或不降低；0～60 cm的總根長均隨密度增加而增加。高密度更有利于增加總根長。增加密度顯著促進大豆根系生長，增加根系總量和深層根量。

單位面積總花數、總莢數、總粒數是重要的產量性狀，與大豆產量關系密切[19]。增加密度增加產量。本試驗結果表明，隨著密度增加，單株花數、莢數和腔數減少，而群體總花數、總莢數和總腔數顯著增加，新大豆27號D3處理的總花數、總莢數分別較D1增加51.92%、10.29%，新大豆8號分別增加49.47%、31.91%，且增加密度對新大豆27號增花效果顯著好于新大豆8號。增加密度推遲大豆開花和結莢高峰出現時間，增加開花峰值，結莢期后移，最終增加開花數和結莢數。

大豆根系的快速生長期與開花、結莢過程同步。根系生長狀況必然會影響到開花和結莢過程及最終形成的花數、莢數、腔數、粒數。超高產品種(系)花、莢期根量大、活性高是其總花、莢數明顯多于普通品種(系)的重要原因[20]。本試驗結果表明，兩品種在不同密度條件下，總花數與始莢期的根系總干重和總根長呈正相關，總腔數與始粒期的根系總干重和總根長呈正相關。總花數、總腔數與根長的正相關關系較其與根干重的相關關系更密切，這可能是由于根系養分吸收能力與根系長度的關系比根干重更密切。增加栽培密度，0～60 cm土層根系最大長度與總花數、總莢數、總粒數、產量也呈現增加的趨勢，與此不同，高密度導致根系干重下降。可見，增加栽培密度增產的原因是通過促進大豆根系生長，增加根系長度和深層根量，進而增加單位面積總花數、總莢數、總腔數和總粒數的結果。大豆根系生長和花莢形成受到品種特性、田間土壤條件等多種復雜因素的影響。有關根系與花莢形成的關系有待進一步深入研究。