黃土塬區(qū)施肥策略對大豆生物量分配及轉(zhuǎn)化積累的影響

王小林，張盼盼，紀(jì)曉玲，張 靜，張 雄，喬文淵

（1榆林學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，陜西榆林 719000；2陜西省榆林市橫山區(qū)農(nóng)技推廣中心，陜西榆林 719100）

0 引言

黃土旱區(qū)作物產(chǎn)量的主要限制因子為降雨分布和土壤養(yǎng)分有效性的動(dòng)態(tài)互促機(jī)制[1]。不同生長環(huán)境通過調(diào)節(jié)作物形態(tài)發(fā)育、生理功能和生物量積累分配，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)量和水肥資源利用率的調(diào)控和提升[2]。不同性能肥料配施能夠滿足植株生長發(fā)育過程中全面的營養(yǎng)需求，從而改善植株構(gòu)型，激發(fā)產(chǎn)量潛力[3]，同時(shí)有利于土壤環(huán)境的優(yōu)化和水分、養(yǎng)分可持續(xù)利用[2-3]。

不同氣候環(huán)境條件下，肥料配比模式對不同作物產(chǎn)量形成過程具有綜合效應(yīng)[4]。作物生長發(fā)育受到土壤營養(yǎng)成分的直接制約，合理的肥料配比能夠有效提升作物干物質(zhì)有效積累和水分養(yǎng)分利用效率，保持土壤可持續(xù)生產(chǎn)力。通過優(yōu)化肥料配比調(diào)控水稻土養(yǎng)分活性，促進(jìn)水稻生長發(fā)育、提高籽粒產(chǎn)量證實(shí)了上述觀點(diǎn)的科學(xué)性[5]。添加新型控釋肥料能夠明顯促進(jìn)番茄的生長發(fā)育，增加莖、葉面積及番茄果實(shí)品質(zhì)[6]，合理的有機(jī)-無機(jī)肥料配施能夠?qū)ψ魑镏仓甑那o、葉碳水化合物積累起到促進(jìn)作用[7]，同時(shí)，替代并減少化肥投入、降低過度施肥污染土壤環(huán)境和土壤養(yǎng)分淋溶損失[7-8]。東北黑土區(qū)大豆的單株豆莢數(shù)與單株粒數(shù)都隨土壤中磷肥配施量的增加而上升，同時(shí)，豆科植物固氮作用和氮鉀肥的協(xié)調(diào)作用仍不可忽視[8]。在禾本科燕麥的研究中發(fā)現(xiàn)：燕麥地上部生物量、總生物量都隨施氮量的增加呈先增后減的基本規(guī)律，說明生物量的累積與分配都與土壤氮素有效性密切相關(guān)[9]。胡靜等[10]在羊草生物量分配研究中指出：羊草葉片形態(tài)發(fā)育與葉生物量、莖生物量都有非常密切的聯(lián)系，莖、葉的生物量可以通過莖、葉形態(tài)特征參數(shù)進(jìn)行直接或間接的表達(dá)。王瑤等[11]的研究結(jié)果認(rèn)為：地上部生物量與土壤中有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)性，可以通過增加土壤有機(jī)質(zhì)含量實(shí)現(xiàn)地上部生物量增加，為產(chǎn)量提升奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。作物植株器官生物量積累和分配是作物根系、冠層長期適應(yīng)環(huán)境自我調(diào)節(jié)的生物學(xué)結(jié)果[12]。黃土塬區(qū)化肥長期過量施用造成土壤養(yǎng)分過剩，殘留養(yǎng)分徑流損失嚴(yán)重，導(dǎo)致土壤生態(tài)環(huán)境和生產(chǎn)力持續(xù)下降[13]。為了逐步實(shí)現(xiàn)國家大豆需求自給，降低大豆大量進(jìn)口的依賴性[16]，優(yōu)化中國大豆產(chǎn)業(yè)體系，結(jié)合大豆抗性優(yōu)良、環(huán)境友好的基本特性，黃土旱地是傳統(tǒng)大豆優(yōu)勢區(qū)之一，是實(shí)現(xiàn)土壤環(huán)境改良和區(qū)域種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要選擇[14]。因此，通過優(yōu)化肥料配施模式，激發(fā)大豆自身增產(chǎn)增效潛能，綜合配施有機(jī)肥、生物菌肥降低化肥投入，實(shí)現(xiàn)大豆產(chǎn)量、土壤水肥利用效率同步提升，推動(dòng)旱地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

黃土丘陵溝壑區(qū)是西北旱區(qū)主要的糧食生產(chǎn)區(qū)，但因水土流失、粗放型耕作導(dǎo)致土壤養(yǎng)分有效性不足，水資源利用率偏低和作物產(chǎn)量長期低而不穩(wěn)[2,14]。優(yōu)化施肥模式是應(yīng)對區(qū)域環(huán)境現(xiàn)狀、保障作物產(chǎn)量和土壤質(zhì)量的有效措施[13]。大豆具有較好的抗旱性和改良土壤的生物特性，通過肥料優(yōu)化配施，最大程度提升土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力，匹配大豆生育期生長發(fā)育的需求規(guī)律，挖掘大豆增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的生物學(xué)潛力，改善黃土旱地種植結(jié)構(gòu)、提升土壤可持續(xù)生產(chǎn)力具有現(xiàn)實(shí)需求和實(shí)際意義。生物量積累與分配是大豆?fàn)I養(yǎng)生長向生殖生長過度的物質(zhì)基礎(chǔ)，能夠有效反映大豆生育期碳水化合物形成、器官積累和轉(zhuǎn)移分配規(guī)律，對于旱地大豆的產(chǎn)量形成具有決定性作用，通過明確不同化肥優(yōu)化配施模式下大豆形態(tài)發(fā)育及生物量積累分配的差異性表現(xiàn)，可為旱地肥料優(yōu)化配施、保證大豆穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)及水肥高效利用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018、2019年在陜西黃土高原丘陵溝壑區(qū)的榆林市橫山區(qū)橫山鎮(zhèn)石窯則村典型旱地農(nóng)田進(jìn)行，播種時(shí)間為每年5月8—10日，收獲時(shí)間為10月10—13 日。試驗(yàn)地位于東經(jīng) 108°56′—110°02′，北緯 37°22′—38°14′，海拔1232 m，平均氣溫9.6℃。無霜期約146天，年降水量約446.8 mm，70%降雨主要集中在7—9月，年蒸發(fā)量1211 mm，年日照時(shí)數(shù)2644 h。試驗(yàn)田土壤為黃綿土，肥力均勻。有機(jī)質(zhì)含量3.2 g/kg，全氮為0.3 g/kg，堿解氮18.9 mg/kg，速效磷6.2 mg/kg，速效鉀66.0 mg/kg，田間管理遵循傳統(tǒng)農(nóng)民管理模式。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用大豆品種‘汾豆78號’，每個(gè)小區(qū)的面積20 m2，4×5 m，株距25 cm，行距50 cm，大豆膜際起壟，壟底寬40 cm，壟高8～10 cm，地膜兩側(cè)5 cm處精確播種，每處理重復(fù)3次，共計(jì)18個(gè)小區(qū)（表1）。

表1 大豆施肥策略試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.3 試驗(yàn)測定項(xiàng)目及方法

葉綠素含量及光合性能的測定：試驗(yàn)?zāi)攴荩诖蠖故⒒ㄆ冢褂肧PAD502 plus（日本柯尼卡美能達(dá)）對頂端成熟葉進(jìn)行葉綠素含量測定，每處理選擇15株大豆，每株大豆選擇5片成熟葉片，每葉片測定3次取得平均值，5片葉的葉綠素含量平均值為單株葉綠素含量。分別在大豆盛花期、結(jié)莢期Li-6400光合儀（美國Li-COR公司）進(jìn)行葉片光合指標(biāo)測定，每小區(qū)選擇代表植株5棵，頂端成熟葉片測定光合速率、蒸騰速率，計(jì)算葉片瞬時(shí)水分利用效率。

根系干重測定：在大豆結(jié)莢期采用根鉆法獲得0～30 cm耕層全部根系，取樣范圍長寬深10 cm×10 cm×30 cm，整根取出，篩土，清水輕柔沖洗，封裝塑封袋4℃冰箱保存；實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，將根系分別放入加厚牛皮紙袋，放入烘箱，75℃下烘至恒重，稱量獲得根系干重。

地上部器官生物量測定：兩年試驗(yàn)期間，分別在大豆開花期、結(jié)莢期每小區(qū)采集代表性植株5株，每株不同器官（莖、葉、莢）分別手工分離，分批放入烘箱，105℃下殺青1 h，75℃烘至恒重，使用電子天平稱量獲得莖、葉、莢、粒生物量。

產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子測定：每個(gè)小區(qū)取5 m2大豆全部植株進(jìn)行考種，數(shù)出每株莢數(shù)，用數(shù)粒機(jī)獲取每株粒數(shù)，用電子天平分別稱單株粒重、百粒重，求其平均值，計(jì)算小區(qū)產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010軟件，SPSS 17.0軟件進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)分析，同時(shí)用Sigma plot 12.5進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)?zāi)攴萁涤昙皻鉁刈兓?/h3>

2018、2019年度降雨量及月份分布較10年均值有顯著變化（圖1）。2018年總降雨量520.2 mm，較10年均值顯著增加18.9%，2019年總降雨量421.2 mm，較10年均值降低3.7%，豐水年和缺水年差異明顯；80%以上降雨發(fā)生在6—9月份，且2018年度7、8、9月份降雨量較10年均值增加40.1%，2019年度降雨量增加6.1%，對于大豆關(guān)鍵生育期需水具有較好的補(bǔ)充作用，試驗(yàn)?zāi)甓葴囟茸兓^10年均值無顯著差異。

圖1 試驗(yàn)?zāi)攴輾鉁丶敖涤炅孔兓?/p>

2.2 施肥策略對大豆開花期葉綠素含量、光合性能及生物量分配的影響

優(yōu)化施肥策略可有效改善大豆開花期葉片葉綠素含量，從而提升葉片光合生理功能和葉片水分利用效率（圖2）。NPK配施葉片葉綠素含量增幅1.70%，配施有機(jī)肥顯著實(shí)現(xiàn)葉綠素含量增幅提升40%左右，連續(xù)性有機(jī)肥和生物菌肥投入葉綠素含量增加6.0%～10%；葉片光合能力與葉綠素含量緊密聯(lián)系，NPK優(yōu)化施用、配施有機(jī)肥葉片光合速率增加1.56%，葉片蒸騰速率提升4.0%～6.6%，葉片水分利用效率(WUEL)顯著增加8.8%～19.3%，連年化肥配施有機(jī)肥、生物菌肥顯著增加WUEL。

圖2 施肥策略對開花期大豆葉片光合性能的影響

化肥優(yōu)化策略及化肥配施有機(jī)肥、生物菌肥可顯著降低大豆根冠比，隨施肥年份的增加，NPK優(yōu)化策略和有機(jī)肥、生物菌肥配施調(diào)控大豆根系、地上部干物質(zhì)積累分配的效用差異更加顯著（圖3）。2018年度，雨水充足，NPK優(yōu)化模式、NPK-O和NPK-B根系干重較對照顯著增加29.3%、44.3%和31.6%，而地上部干物質(zhì)增幅在NPK配施模式為35.6%，NPK-O增加24.7%，NPK-B只有4.9%，根系干重增幅總體較高，配施有機(jī)肥和生物菌肥根冠比較高；2019年度，降雨量偏少，施肥策略差異性得到激發(fā)，NPK優(yōu)化模式根冠比降低，NPK-B降幅尤為顯著；NPK-O根冠比較高，根系干重增加10.6%，地上部干重增加7.2%，根冠比偏高，施肥策略通過調(diào)控根系、莖葉生物量積累響應(yīng)季節(jié)性氣候干旱。

圖3 施肥策略對大豆結(jié)莢期和成熟期根、冠生物量積累的影響

肥料配施具有良好的莖葉生物量調(diào)控作用，調(diào)控效應(yīng)與年度降雨分布有關(guān)，并隨生育期延伸差異性逐漸增大（圖4）。結(jié)莢期肥料配施莖葉比較對照明顯增加，隨著生育期延伸，處理間莖葉比差異加大。NPK配施大豆結(jié)莢期莖、葉生物量顯著增加41.7%和32.3%，NPK-O莖、葉生物量分別增加28.9%和22.9%，莖、葉生物量積累同比增加，莖葉比相對平穩(wěn)，處理間差異較小；成熟期莖葉比顯著降低，NPK處理莖、葉生物量增量分別為21.4%和80.4%，2NPK處理莖、葉生物量分別增加33.1%和121.2%，2NPK莖葉比最小，生物量轉(zhuǎn)化效率較高；NPK-O和NPK-B莖葉生物量降幅平緩。

圖4 施肥策略對大豆結(jié)莢期、成熟期莖葉干物質(zhì)分配的影響

粒莢比是反映籽粒膨大過程中干物質(zhì)轉(zhuǎn)移的重要參數(shù)，大豆收獲期粒莢干重比例隨施肥策略不同出現(xiàn)明顯增長（圖5）。2018和2019年度，粒莢比變化規(guī)律相似，NPK低量配施有利于增加粒莢比，并隨使用年份增加而增加；NPK-B粒莢比兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓染哂酗@著差異，干旱年份顯著增加12.1%；其他處理粒莢比在豐水年和欠水年間無顯著變化，但較CK分別增加11.6%和10.1%；NPK、2NPK增幅最高，分別為15.5%和11.4%；NPK-O增幅最小為7.7%，優(yōu)化肥料配施可有效調(diào)控莢干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移，激發(fā)產(chǎn)量潛力。

圖5 施肥策略對大豆收獲期籽粒、豆莢干物質(zhì)分配的影響

收獲指數(shù)(HI)受到年份降雨量的顯著影響，豐水年(2018)HI較欠水年(2019)顯著增加22.5%；施肥策略具有明顯提升HI的生物學(xué)潛力（圖6）。干旱年份，2NPK、NPK-O處理HI增加不顯著；N、NPK和NPK-B處理HI顯著增加17.1%、22.2%和19.6%；豐水年HI增加不明顯，但NPK-O依然增加幅度較高，達(dá)到6.9%，具有較好提升產(chǎn)量的潛力。

圖6 不同施肥處理對大豆成熟期收獲指數(shù)的影響

2.3 肥料配施模式下產(chǎn)量構(gòu)成因素的差異性比較分析

產(chǎn)量構(gòu)成和籽粒產(chǎn)量可以有效說明肥料配施增產(chǎn)的最終效應(yīng)，兩年數(shù)據(jù)分析顯示（表2）：化肥配施模式優(yōu)化具有促進(jìn)產(chǎn)量提升的效能，每株莢數(shù)在NPK-O顯著增加41.6%，且百粒重較化肥優(yōu)化配施處理顯著增加16.3%左右，最終實(shí)現(xiàn)較對照顯著增產(chǎn)53.3%，較化肥優(yōu)化模式（N，NPK和2NPK）增產(chǎn)25.5%左右，較NPK-B顯著增產(chǎn)38.0%，化肥配施有機(jī)肥具備更好的增產(chǎn)能力和潛力。

表2 施肥策略對大豆產(chǎn)量形成的影響

3 討論

土壤水分、養(yǎng)分環(huán)境是影響作物形態(tài)構(gòu)建和產(chǎn)量形成的重要因素[15]。生物量積累與分配是反映作物適應(yīng)土壤、氣候環(huán)境的自我調(diào)節(jié)能力的重要體現(xiàn)[13]。植株光合產(chǎn)物向各器官分配率是制約旱作大豆產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[16]，土壤養(yǎng)分有效性是影響植株各器官干物質(zhì)量的積累和分配的調(diào)控因子[17]。氮、磷、鉀肥合理配施可有效調(diào)控植物生長發(fā)育[18]，協(xié)調(diào)不同生育期器官發(fā)育的生理性能，保證良好的碳水化合物生成、轉(zhuǎn)移與積累作用[19]，保障作物更好地應(yīng)對微環(huán)境的變化。2018和2019年度，降雨量差異較大，是造成大豆形態(tài)發(fā)育、生理功能差異性的根本原因（圖1）。雨水充足，施肥優(yōu)化模式效應(yīng)被緩和，葉綠素含量和光合能力增幅較小，氣候干旱激發(fā)施肥策略的協(xié)調(diào)能力，尤其是增施有機(jī)肥和生物菌肥，顯著增加葉綠素含量(8.0%)和蒸騰速率(5.3%)，同時(shí)促進(jìn)葉片水分利用能力（14.1%，圖2），為器官干物質(zhì)積累奠定良好的生理學(xué)基礎(chǔ)。

生物量分配與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)性主要體現(xiàn)在大豆?fàn)I養(yǎng)生長向生殖生長過度時(shí)，碳水化合物的轉(zhuǎn)移方向和速率[20]。根、莖、葉是農(nóng)作物主要的功能器官，其干物質(zhì)自身積累和轉(zhuǎn)移分配，除了體現(xiàn)作物生理生態(tài)適應(yīng)性外，尤其受到外界環(huán)境的刺激和調(diào)控，決定營養(yǎng)物質(zhì)向繁殖器官（花、莢和籽粒）的積累效率[21]。本研究認(rèn)為：優(yōu)化化肥配施模式可有效協(xié)調(diào)根、莖、葉的形態(tài)發(fā)育和生物量積累（圖3）。豐水年份，增加NPK配施量促進(jìn)根系生物量的積累，欠水年份，化肥壯根效應(yīng)受到土壤水分的限制。配施有機(jī)肥具有良好的壯根、促根作用，根系干重平均增加27.5%，根冠比顯著提升，可以推斷配施有機(jī)肥具有緩解干旱脅迫的生物學(xué)效應(yīng)。莖、葉生物量分配隨著生育期的延伸差異性明顯增加，化肥優(yōu)化配施莖葉比顯著降低，配施有機(jī)肥和生物菌肥莖葉比相對穩(wěn)定（圖4）。化肥主要表現(xiàn)為對葉片生物量積累的促進(jìn)，而有機(jī)肥和生物菌肥偏向增加莖桿生物量的積累。根、莖、葉生物量分配的差異性、多樣性是旱地大豆應(yīng)對環(huán)境變化的有效策略，根系形態(tài)發(fā)育容易造成冗余生長，莖葉生物量大量積累有利于后期生物量有效轉(zhuǎn)化，肥料配施可以較好的協(xié)調(diào)根莖葉生物量合理分配，為產(chǎn)量提升儲(chǔ)備充足碳水化合物。

不同肥料配施可以有效提高大豆籽粒產(chǎn)量，并受到自然降水的影響，豐水年份肥料優(yōu)化配施大豆平均增產(chǎn)27.9%，干旱年份肥料優(yōu)化配施平均增產(chǎn)40.2%（表2）；其中，配施生物菌肥在偏旱年份實(shí)現(xiàn)最大產(chǎn)量提升(61.4%)，NPK優(yōu)化施肥也可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量41.4%，化肥配施和增施生物菌肥可以緩解干旱脅迫的減產(chǎn)效應(yīng)。配施有機(jī)肥在豐水年份具有更好的產(chǎn)量促進(jìn)作用(48.8%)，化肥優(yōu)化模式產(chǎn)量提升優(yōu)于生物菌肥處理，較多降雨可能會(huì)削弱化學(xué)肥料、生物菌肥的增產(chǎn)效力。營養(yǎng)生長期生物量高效積累，進(jìn)入生殖生長期后，生物量的有效轉(zhuǎn)移有利于產(chǎn)量迅速提升[22]。收獲指數(shù)有效反映營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)化的最終結(jié)果[23-24]，豆莢生物量是大豆籽粒膨大過程中非常關(guān)鍵的干物質(zhì)來源，但隨著生育期后期氣候環(huán)境的變化，豆莢生物量轉(zhuǎn)移受到一定程度制約[25]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示：化肥優(yōu)化配施平均提升粒莢比12.0%，配施生物菌肥顯著提升粒莢比15.7%，對應(yīng)收獲指數(shù)增加9.0%和13.3%，充分肯定了化肥優(yōu)化配施和增施生物菌肥具有更大的增產(chǎn)潛力。綜合分析，大豆生物量分配對于產(chǎn)量形成具有至關(guān)重要的生物學(xué)意義[26]，NPK化肥優(yōu)化配施具有更直接的增產(chǎn)能力，但考慮到土壤環(huán)境和肥力有效性的可持續(xù)利用，配施有機(jī)肥或者生物菌肥具有更好的增產(chǎn)、增效和優(yōu)化土壤環(huán)境的作用。

4 結(jié)論

本研究基于黃土旱塬自然降雨低而不穩(wěn)和土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低的現(xiàn)實(shí)，通過化肥、有機(jī)肥和生物菌肥優(yōu)化配施，有效調(diào)控旱地大豆干物質(zhì)積累、分配，促進(jìn)產(chǎn)量穩(wěn)步增加，主要結(jié)論如下：

（1）生育期降雨量直接影響大豆產(chǎn)量形成；優(yōu)化化肥配比產(chǎn)量顯著提升30.7%，并顯著緩解干旱對產(chǎn)量的限制；配施有機(jī)肥和生物菌肥可在化肥增產(chǎn)水平之上再提升34.5%和19.9%，優(yōu)化肥料配施模式具有提升大豆產(chǎn)量和改善土壤環(huán)境的雙重作用。（2）化肥優(yōu)化配施策略、配施生物菌肥顯著增加大豆莖葉比、粒莢比和收獲指數(shù)，有效促進(jìn)營養(yǎng)器官生物量向生殖器官轉(zhuǎn)化，激發(fā)大豆增產(chǎn)潛力；成熟期總生物量受到降雨量和施肥策略的影響，配施生物菌肥通過增加莖稈生物量而提升作物總生物量；配施有機(jī)肥顯著增加根系干重，有效調(diào)控植株根冠比，配施微生物菌肥根冠比具有更靈活的環(huán)境適應(yīng)性。（3）增施微生物菌肥增強(qiáng)葉片光合速率，降低無效蒸騰，有效提升葉片水分利用能力。綜上所述，配施有機(jī)肥和生物菌肥以優(yōu)化根系生長環(huán)境為切入點(diǎn)，全面協(xié)調(diào)根系形態(tài)發(fā)育，靈活應(yīng)對變化的土壤、氣候環(huán)境，增強(qiáng)根系、葉片功能，有效協(xié)調(diào)營養(yǎng)生長與生殖生長之間的物質(zhì)轉(zhuǎn)移積累，優(yōu)化大豆籽粒膨大期生物量轉(zhuǎn)化效率，為大豆增產(chǎn)提供了良好的促進(jìn)作用。