施氮量对滴灌高产春大豆根系生长及产量的影响

高 阳，楚光红，傅积海，张艳伟，章建新

(新疆农业大学农学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

新疆是我国春大豆的高产区。晚熟大豆品种中黄35与膜下滴灌技术结合在新疆获得6.0 t·hm-2的超高产[1]。大豆获得高产必需积累相应的氮量[2]。大豆有土壤、肥料和根瘤固氮三种氮来源，三者之间既相辅相成，又相互制约，共同为大豆提供生长发育所需要的氮素营养[3]。施用适量氮肥，补充土壤氮素的不足是大豆高产关键技术措施之一[4]。根系生长状况不仅决定作物获得水分和养分的能力，还影响植物地上部分生长发育和产量的形成[5-6]。氮肥对大豆生长和产量的影响是从根系生长开始的[7]。适当的氮素可促进大豆根系生长，增加根系干物质量，过量氮素则抑制其生长[8]。夏大豆根系性状因不同施肥量而异，造成根系对地上部的供养能力不同，最终影响籽粒产量[9]。大豆生物量和产量随着施氮量的增加而增加，而根瘤数量、干物质量、大小呈逐渐下降的趋势，若想要最大发挥大豆结瘤固氮功能，就需不施氮或少施氮[10]。已有的氮肥对大豆根系生长的影响研究多是东北盆(筐)栽试验的结果，有关氮肥对新疆春大豆根系生长影响的研究很少[11]。本文在田间滴灌条件下系统地研究了施氮量对中熟品种新大豆27号根系生长和产量的影响规律，为新疆大豆高产栽培提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年在新疆伊宁县农业科技示范园区(萨地克于孜乡)进行。试验地为壤土，前茬春玉米，玉米收后秸秆还田。0～20 cm土层有机质17.3 g·kg-1、碱解氮57.8 mg·kg-1、有效磷22.6 mg·kg-1、速效钾235 mg·kg-1、pH8.5，翻地前机施P2O5138 kg·hm-2和K2O 120 kg·hm-2。4月11日人工播种，品种为新大豆27号。行距宽行50 cm、窄行30 cm。第1片复叶全展时定苗，株距8.3 cm，理论保苗30万株·hm-2。定苗后按“1管2行”将毛管铺于窄行中间。分别在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)依次为750、600、750、600 m3·hm-2。生育期间人工除草2次，9月17日收获。

1.2 试验设计

试验采用单因子完全随机区组设计，以普通尿素(含氮量46%)为氮源。根据实验地肥力水平，设置0 kg·hm-2(N0)、75 kg·hm-2(N75)、150 kg·hm-2(N150)、225 kg·hm-2(N225)4个氮肥(纯氮)处理，各处理均由单独的施肥装置控制，3次重复，小区面积32.0 m2(10.0 m×3.2 m)。施氮时期及施氮量见表1。

表1 各处理施氮量及施肥时期Table 1 Nitrogen application amount and fertilizer application period

1.3 测定项目与方法

1.3.1 根系形态及根瘤测定 分别于6月11日(R1：始花期)、6月25日(R2：盛花期)、7月11日(R3：始荚期)、7月25日(R5：始粒期)、8月11日、8月25日(R6：满粒期)，分别选取具代表性的样点，挖取各处理0～20、20～40、40～60、60～80 cm土层(止于无根土层)根系，每层取土体积为0.019 2 m3(0.4 m×0.24 m×0.2 m，长×宽×高，长为宽行中点与窄行中点的距离，宽为行长，高为深度)，2次重复。分别收集各土层中根系及根瘤，用水洗尽(放置一个100目筛子，以防止根及根瘤被冲走)根系和根瘤上的泥土。将计数后根瘤放入烘箱在105℃杀青30 min，在80℃下烘干至恒量称质量。

根系形态采用根系扫描分析仪(WinRHIZ0-2004a，Canada)测定。将冲洗净侧根样放入30 cm×40 cm树脂玻璃槽中，加入适量的水(使其淹过根样)，用毛刷将根样(0～20、20～40 cm土层去除主根)充分散开后，进行扫描获取图像，经专用数字化软件(WinRHIZ0-2004a)分析后获得根长、根表面积、根体积、平均直径、根尖数等形态指标。将扫描完根样在80℃下烘干称质量。

1.3.2 根系活力及伤流量测定 参照张宪政[12]的氯化三苯基四氮唑(TTC)法，取样方法与根系取样相同，选取各层的嫩根0.5 g左右。参照熊庆娥[13]的方法：测定日期同根系，各处理每次选取连续6株，于北京时间20∶00时从子叶节处剪断植株，迅速将装有脱脂棉(已称质量，精确到0.1 mg)的离心管套住下胚轴，脱脂棉紧贴切口，管口用塑料薄膜密封，次日8∶00时取下离心管，封口称重。

1.3.3 产量及其结构测定 在成熟期每小区选取中间4行实收4.8 m2(3 m×1. 6m)，分别人工脱粒，晾干后称取质量和百粒重，同时用谷物水分测定仪测定各小区籽粒含水量，将各小区产量折合成标准含水量(13.5%)的产量。成熟前每小区连续选10株，逐株统计粒数，以30株的平均值计算单株粒数。

1.3.4 氮肥农学利用率计算 氮肥农学利用率=(施氮区产量—空白区产量)÷施氮量

1.4 数据处理

采用SPSS 19.0和Excel(2013版)软件进行数据分析及绘图，方差分析采用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 施氮量对春大豆侧根干物质量和侧根干物质量密度时空变化的影响

各处理根系侧根总干物质量在6月11日(R1期)至6月25日(R2期)的积累量占6月25日的66.9%～73.7%。处理间6月25日至8月25日的侧根总根干物质量差异达显著水平(图1A)。处理N75、N150、N225的侧根系总重多大于N0。7月25日(R5期)至8月25日(R6期)均以N150处理侧根总根系干物质量最大，7月25日N75、N150、N225根系分别较N0增加10.83%、27.3%、13.29%。由图1B、1C、1D、1E可知，随着土层变深侧根干物质量密度呈剧降变化趋势，R5期0～20、20～40 cm土层侧根干物质量分别占总侧根干物质量的88.92%～89.95%和5.60%～6.54%。施氮处理0～20 cm土层侧根干物质量密度与N0处理差异显著，7月25日N75、N150、N225侧根干物质量密度分别比N0增加10.59%、27%、14.35%；20～40、40～60、60～80 cm土层侧根干物质量密度处理间差异均不显著。大豆根系主要是在R1～R5期建成的，R1～R2期增加施氮量显著增加0～80 cm土层大豆侧根干物质量，主要是0～20 cm土层侧根干物质量增加的结果。7月25日-8月25日均以N150处理较高。

图1 各处理不同土层大豆总侧根干物质量(A)和侧根干物质量密度(B～E)的变化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 施氮量对春大豆侧根长和侧根长密度时空变化的影响

由图2A可见，各处理总侧根长在生育期间均呈单峰曲线变化，在7月25日(R5期)达到峰值后缓慢下降。施氮处理总侧根长与N0差异均达显著水平，7月25日N75、N150、N225总侧根长较N0增加34.59%、49.46%、30.45%，7月25日-8月25日均以N150处理总侧根长较长。由图2B、2C、2D、2E可知，侧根长在0～20、20～40、40～60、60～80 cm土层分别占0～80 cm土层总侧根长的57.12%～59.72%、19.76%～23.07%、12.44%～13.11%、7.01%～7.42%，侧根长密度随着土层加深呈下降趋势。施氮处理0～20、20～40、40～60 cm土层根长密度与N0处理差异显著，7月25日0～20 cm土层N75、N150、N225侧根长较N0增加16.11%、29.02%、14.37%，20～40 cm土层N75、N150、N225侧根长较N0增加41.78%、57.08%、32.32%；60～80 cm土层根长密度处理间差异不显著。增加施氮量显著增加0～80 cm土层大豆侧根长，主要是0～40 cm土层侧根长增加的结果。7月25日～8月25日均以N150处理较长。

图2 各处理不同土层大豆总侧根长(A)和根长密度(B～E)的变化Fig. 2 Changes of soybean on total length of lateral root (A) and root length density (B～E) in different soil layers

2.3 施氮量对春大豆侧根表面积和侧根表面积密度时空变化的影响

不同处理春大豆侧根系总表面积与根长变化趋势相同，7月25日(R5期)达峰值后缓慢下降。 6月25日至8月25日施氮处理根表面积与N0差异达显著水平，均表现为N150>N75>N225>N0(图 3A)。7月25日N75、N150、N225总根表面较N0增加22.88%、38.14%、17.80%。由图3B、3C、3D、3E可见，随着土层加深根表面积密度呈剧降变化趋势，0～20 cm土层侧根表面积密度占总面积的53.75%～55.92%，20～40 cm占总面积的23.01%～26.19%。施氮处理0～20、20～40、40～60 cm土层根表面积密度与N0差异显著，7月25日0～20 cm土层N75、N150、N225根表面积较N0处理分别高出19.09%、34.24%、11.53%，20～40 cm土层分别高出38.97%、54.41%、33.82%；60～80 cm土层根长密度处理间差异不显著。增加施氮量显著增加0～80 cm土层大豆侧根表面积，主要是0～40 cm土层侧根表面积增加的结果。7月25日～8月25日均以N150处理较大。

图3 各处理不同土层大豆总侧根表面积(A)和表面积密度(B～E)的变化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 施氮量对春大豆根系伤流和根系活力的影响

由图 4A可见，单株根系伤流量在生育期间呈单峰曲线变化，6月11日后逐渐增加，至7月15日～8月11日达峰值后迅速下降。N0、N75处理峰值出现在7月25日，N150、N225峰值出现在8月11日。6月25日～8月25日施氮处理单株伤流量与N0差异显著，多表现为N150>N225>N75>N0，7月25日(R5期)N150较N0增加176%。6月25日至8月25日各土层根系活力均呈下降趋势，同一时期随土层变深，根系活力也呈下降的变化趋势，0～20、20～40 cm土层施氮处理较N0差异显著，表现为N150>N75>N225>N0，6月25日(R2期)0～20、20～40 cm 根系活力N150处理分别较N0增加44.3%、25.1%；40～60、60～80 cm土层施氮处理较N0差异不显著(见图4B)。施氮肥增加根系伤流量和0～40 cm土层根系活力，均以N150较高。

图4 各处理根系伤流量(A)和根系活力(B)的变化Fig. 4 Changes of soybean on bleeding sap amount and activity of root

2.5 施氮量对春大豆根瘤数和根瘤干物质量的影响

各处理根瘤数在7月25日前后达峰值。6月25日至8月25日期间N0、N75、N150的根瘤数与N225间差异显著，表现为N0、N75、N150均大于N225(图5A)。6月11日-8月25日根瘤干物质量呈递增趋势，施氮处理与N0间差异显著，多表现为N0>N75>N150> N225，8月25日N0处理根瘤干物质量为18.89 g·m-2，较N75、N150、N225处理分别高出8.69%、31.36%、120.42%(图5B)。施氮量增加单位面积根瘤数和根瘤干物质量减少，且单位面积根瘤干物质量下降对施氮量增加较根瘤数更敏感，N150根瘤数与N0相近，根瘤干物质量明显低于N0。

2.6 施氮量对春大豆产量及产量构成因素的影响

由表2可见，施氮处理N150、N225与N0间产量差异显著，分别较N0处理增加12.35%、5.31%；处理间单株粒数、荚数差异显著，百粒重差异不显著；随施氮量增加氮肥农学利用效率降低。增加施氮量产量增加是单株荚数、粒数增加的结果；以N150产量和氮肥农学利用效率较高，分别为4 889.62 kg·hm-2、3.58 kg·kg-1。

图5 各处理根瘤数量(A)和根瘤干物质量(B)的变化Fig. 5 Changes of soybean on root nodule amount and dry mass of nodule

表2 春大豆产量及产量构成因素Table 2 The yield and its yield components of soybean

注：不同小写字母表示不同处理在P<0.05水平上差异显著。

Note: Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments atP<0.05 probability level.

3 讨 论

滴灌施肥技术与传统施肥方法相比，其显著特点是可以将水肥通过滴灌系统直接输送到作物根区附近，使水分和养分在土壤中均匀分布，从而保证养分被根系直接吸收利用，避免灌水不均匀和减轻土壤板结。大豆对氮肥的反应主要取决于土壤矿质氮含量的高低，R1期土壤矿质氮含量对大豆生物量和产量的影响大于其它生育时期[15]。适当的氮素可促进大豆根系生长，增加根系干物质量，过量氮素则抑制其生长[8，16-17]。不同生育时期氮肥施用量与大豆根瘤干物质量、数量间均具有显著的线性负相关关系[18]。东北筐栽试验表明适量施氮对根瘤生长有显著的促进作用，当氮素供应不足时则会抑制根瘤的生长，但当氮素供应过量时也会抑制根瘤的形成[3]。倪丽[11]等研究表明：在漫灌条件下不同施氮处理明显抑制根瘤的形成，对侧根数略有促进作用，但对大豆根系生长促进不明显。本试验结果表明：滴灌条件下在大豆R1～R2期，施氮量在0～225 kg·hm-2的范围内，随着施氮量增加，0～80 cm土层侧根总干物质量、侧根总长度、侧根总表面积、0～40 cm土层根系活性、单株根系伤流量均表现为先增后降的变化趋势(主要是0～20 cm土层变化的结果)。其中，当施氮量在0～150 kg·hm-2的范围内大豆根系生长及单株伤流量处于上升趋势，而当施氮量为225 kg·hm-2时对大豆根系生长及单株伤流量促进作用明显弱于150 kg·hm-2处理；增施氮肥减少单位面积根瘤数和根瘤干物质量，N150处理根瘤数和根瘤干物质量较大，而N225处理明显抑制单位面积根瘤数和根瘤干物质量；产量以150 kg·hm-2处理较高(4 889.62 kg·hm-2)，较0 kg·hm-2处理产量(4 352.1 kg·hm-2)增产12.35%，其氮肥农学利用效率为3.58 kg·kg-1。可见，R1～R2期施氮肥大豆产量增加主要是促进0～20 cm土层根系生长，增加对土壤养分吸收量的结果。这是由于大豆66.9%～73.7%的根干物质量是R1～R5期形成的缘故，并且此时又是大豆花数和荚数形成的时期，促进根系生长增加花数和荚数，增加产量[19]。本研究的适宜施氮量明显高于东北的50 kg·hm-2(产量仅为2 600 kg·hm-2)[9]，可能是由于产量较高造成施氮量较高。由于大豆根系生长和高产形成的适宜土壤矿质氮含量远高于根瘤的形成和固氮的适宜矿质氮含量，适宜施氮量在促进根系生长、增加产量的同时，减少单位面积的根瘤质量，过量施氮肥还减少单位面积的根瘤数量，进一步减少单位面积根瘤质量，均不利于大豆根瘤固氮能力的发挥。即施氮肥在促进根系生长增加大豆产量的同时，可能减少根瘤的固氮量。在本试验期间，2016年6、7月降水量分别为82.9、45.5 mm，分别较历年平均增加145.26%、48.20%，导致第二次施氮肥推迟到7月14日；试验处理均在7月28日因大风暴雨倒伏；8月份(灌浆期)平均温度(23℃)比历年平均值(22.4℃)高0.6℃，均不利于大豆高产形成，主要降低了百粒重(若按正常年份百粒重23 g计算，N150处理产量可达5 728.32 kg·hm-2)。上述情况对试验结果产生了一定的影响。对于新疆超高产春大豆，如何合理施用氮肥，协调根系生长与根瘤固氮能力的关系是需要进一步研究的问题。

4 结 论

施氮肥主要促进0～20 cm土层根系生长，提高0～40 cm土层根系活力，增加根系伤流量，均以N150处理的0～80 cm土层根量较大；增施氮肥减少单位面积根瘤数和根瘤干物质量，N150处理根瘤数与N0相近，根瘤干物质量明显低于N0；增施氮肥增加产量，以N150处理产量较高，为4 889.62 kg·hm-2。施氮肥增加产量主要是促进根系0～20 cm土层根系生长，提高0～40 cm根系活力的结果。