磷肥对滴灌复播大豆生长发育、产量及经济效益的影响

杜孝敬 符小文 黄红梅 陈传信 陈佳君 张永杰安崇霄 徐文修,∗

(1新疆农业大学农学院,新疆维吾尔自治区乌鲁木齐 830052;2新疆伊宁县农业技术推广中心,新疆维吾尔自治区伊犁 835100; 3新疆农业科学院粮食作物研究所,新疆维吾尔自治区乌鲁木齐 830091)

大豆[Glycine max (Linn.) Merr.]既是重要的粮食作物,同时又是油料作物和饲料作物[1]。近年来,我国大豆种植面积逐渐减少,进口量逐年上升,积极发展复播大豆有利于缓解我国大豆产不供需的局面。新疆伊犁河谷部分地区每年冬小麦在6月底-7月初收获后,仍有较多光、热资源可以进行复播生产,其中当地主要的复种作物为大豆,复播大豆占北疆复播总面积的60%[2],且呈不断扩大的趋势。随着复播面积的增大,农田全年化肥用量也随之增加,加之长期以来农民重施氮(N)肥、轻施磷(P)肥的施肥习惯,以及目前氮肥利用率较低的现实[3],造成土壤氮素持续累积、磷素含量降低,尤其对自身具有固氮作用的大豆而言,过量施氮更易发生磷素的木桶效应,从而限制了复播大豆产量的提高和经济效益的增加。因此,在前期研究[4]得出最佳施氮量的基础上,进一步研究施磷量对大豆生长发育及产量的影响,探索出复播大豆合理的施磷量已成为亟需解决的问题。

磷是植物生长发育必需的三大元素之一[5],仅次于氮,是限制植物生长的第二大元素,影响作物的生长和发育,且对作物光合作用、碳水化合物的合成与运输及产量形成、品质改善均有调控作用[6]。刘建中等[7]研究发现全世界有43%耕地面积缺磷,约有13.9 亿hm2,我国严重缺磷的耕地面积约占总农田面积的三分之二[8]。据统计,我国农田磷肥施用量呈迅速增加趋势,从1978年磷肥施用量的282.4×104t 增至2016年的1 565.7×104t(复合肥按照1/3 计算)[9],增加了约5.4 倍,我国已成为世界上最大的磷肥生产国和消费国[10]。前人研究表明,在一定范围内随着施磷量的增加,大豆叶片中的硝酸还原酶活性也随之增大,从而促进了大豆对氮素的吸收,提高了氮素利用率[11]。低磷效基因型大豆在低磷处理下的总根长、根表面积及根体积均显著小于高磷基因型大豆[12]。此外,不同施肥时期对大豆的影响也不同。吴明才等[13]认为,只要大豆生长前期吸收了较多的磷,即使在盛花期停止磷素的供应,大豆的产量也不会受到严重影响;蔡柏岩等[14]研究发现在开花期前,随着磷肥的施入,钾素吸收显著增加,而在开花期后效果逐渐减小。目前,施磷对大豆影响的研究多是针对生育期较长的正播春大豆,而对生育期较短的复播夏大豆研究较少[15-16],且主要集中在耕作方式[17]、种植密度[18]和滴灌量[19]等方面,而关于见绿洲灌溉农业的复播大豆研究尚未见报道。为此,本研究针对伊犁河谷的气候特点与土肥条件,在滴灌条件下研究复播大豆生长及产量对不同施磷量的响应,以期筛选出复播大豆滴灌条件下的最佳施磷量,为伊犁河谷复播大豆高产高效施肥技术提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2016年7-10月在新疆伊宁县农业科技示范园进行,该区域位于伊犁河谷中部(81°33′E、43°56′N),海拔约813 m,气候温和,日照时间年平均可达2 800 ～3 000 h,年均降雨量257 mm,年平均气温8.5℃。全年无霜期170～175 d。试验区土壤为壤土,土地平整,0～20 cm 土壤耕作层基本理化性质为有机质1.54%、碱解氮90.9 mg·kg-1、速效磷7.8 mg·kg-1、速效钾100 mg·kg-1、土壤pH 值8.04。

1.2 试验材料及设计

供试品种为黑河45 号,由伊宁县农业技术推广中心提供。

试验采用随机区组设计。设5 个施磷水平(三料磷肥用量),即0(记作P0)、60(记作P1)、120(记作P2)、180(记作P3)、240 kg·hm-2(记作P4)。供试磷肥为三料磷肥(46% P2O5),磷肥作为基肥在播种前施入15 cm 土层。每个处理重复3 次,共15 个小区,每个小区面积为19.5 m2(3.9 m×5.0 m)。株距为6.3 cm,行距30 cm,灌溉采取滴灌方式,滴灌带采用1 管2 行铺设方式,即滴灌带的间距为60 cm。全生育期灌水8次,共灌水4 200 m3。在大豆生长期间追施氮肥150 kg·hm-2,其他管理与当地大田一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 SPAD 值的测定 从苗期开始,每10 d 分别选择晴天,在11：00-13：30 之间,用SPAD-502 型手持便携式叶绿素仪(Minolta Camem 公司,日本),在每个小区测定5 株夹取主茎上的倒3 叶中间小叶片,测其SPAD 值。

1.3.2 大豆植株干物质的测定 从苗期开始,每10 d分别于各小区随机选择连续的4 株大豆进行破坏性取样,剪去根系,将植株分为茎、叶片、叶柄和荚四部分,分别装袋,于105℃烘箱中杀青30 min,降至80℃烘干至恒重并测其质量。

1.3.3 叶面积和叶日积 与干物质测定同步,采用打孔称重法测定叶面积,按照公式分别计算叶面积指数(leaf area index, LAI)、叶日积(leaf area duration,LAD)：

式(2)中,LAI1、LAI2分别为时间t1、t2时测定的叶面积系数,单位为m2·d。

1.3.4 产量及产量构成因素的测定 大豆成熟后,在各小区随机选择连续的10 株大豆植株进行考种,分别考察单株荚数、单株粒数、百粒重。各小区进行实收测产,各处理的产量为3 次重复平均值。

1.3.5 磷肥偏生产力及磷肥农学利用效率的计算 按照公式分别计算磷肥偏生产力(partial factor productivity of phosphorous,PEPP,kg·kg-1)、磷肥农学效率( phosphorus agronomic use efficiercy, PAE,kg·kg-1)：

1.3.6 经济效益的计算 按照公式分别计算纯收益、总产值、总投入：

总投入包括农资、机耕和人工材料费等投入费用总和;2016年新疆大豆收购均价4 000 元·t-1。具体农资如表1 所示。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010 进行数据处理并制图;SPSS 19.0 进行统计分析。

表1 试验地基本农资项目Table 1 Basic agricultural projects of the tested soil

2 结果与分析

2.1 施磷量对复播大豆叶绿素含量(SPAD 值)的影响

叶片SPAD 值与叶绿素含量呈正相关,SPAD 值能够直接反映叶绿素含量,间接反映植株叶片的长势[20]。由图1 可知,不同施磷量处理对复播大豆SPAD 值的变化趋势基本一致,随着生育进程的推移呈先升高后降低的变化趋势,且均在结荚盛期(苗后50 d)达到最大值。在出苗后30 d 前,以P2处理最高,且与P0、P1均差异显著(P＜0.05),但与P3、P4均无显著差异(P＞0.05)。这可能是由于施用过多磷肥降低了复播大豆生长前期对氮素吸收的速率,导致SPAD 值下降。在出苗后30 d,不同施磷量对大豆SPAD 值的影响变化不大,各处理之间均无显著差异(P＞0.05)。说明施磷肥对复播大豆SPAD 值的影响较小,效果不明显。

图1 不同处理下复播大豆SPAD 值的动态变化Fig.1 Dynamic changes in SPAD value of summer soybean under different treatments

2.2 施磷量对复播大豆叶面积指数(LAI)的影响

由图2 可知,不同施磷量条件下,大豆叶面积指数均随着生育进程呈先升高后降低的变化趋势,且均在鼓粒初期(出苗后60 d)达到最大。其中以P3处理的LAI 最高(5.36),较P0、P1、P2、P4分别高出28.45%、9.70%、6.28%、14.93%,且显著差异(P＜0.05)。从全生育期来看,施磷各处理的LAI 均高于不施磷处理(P0),说明施磷肥能够促进大豆叶面积指数的增加。在出苗后30 d 前,各处理之间叶面积指数无显著差异(P＞0.05)。在出苗后30 d,施磷处理均与不施磷处理(P0)间显著差异(P＜0.05),各处理的叶面积指数依次表现为P3＞P2＞P1＞P4＞P0。结果表明,适当增加施磷量有利于叶片的发育,获得较大的叶片,进而增大群体叶面积指数,而不施磷或施入过多的磷肥则会起到相反作用。

图2 不同处理下复播大豆叶面积指数的动态变化Fig.2 Dynamic changes in LAI of summer soybean under different treatments

2.3 施磷量对复播大豆生育阶段叶日积的影响

由表2 可知,各处理的叶日积均随着生育时期的推进呈先增加后降低的变化趋势,且均在鼓粒期达到最高值,其中以P3处理最高,为95.98 m2·d,分别较P0、P1、P2和 P4高 30.37%、16.68%、3.27% 和18.01%。除开花期、结荚期外,P2与P3处理间无显著差异,P1与P4处理无显著差异,但P2与P3处理的叶日积均显著高于P1和P4。各施磷处理在不同生育阶段的叶日积及总和均显著高于不施磷处理(P0),说明施磷可以显著提高复播大豆光能利用率。除苗期外,各处理在各生育时期的叶日积及总和均依次表现为P3＞P2＞P1＞P4＞P0。结果表明,适宜的施磷量可以有效提高叶片的光能利用率,为复播大豆产量形成奠定基础,而过高的施磷量会使叶片光合作用降低。

表2 不同磷肥施用水平下各生育阶段叶日积的变化Table 2 Dynamic changes in LAD of summer soybean under different treatment/(m2·d)

2.4 施磷量对复播大豆干物质积累与分配的影响

由表3 可知,各施磷处理的单株干物质积累总量和各器官干物质积累量均表现为随着施磷量的增加呈先增加后降低的变化趋势,且均以P3处理最大,说明适量施磷能有效促进大豆各器官干物质积累量的增加,为大豆高产稳产提供充足的物质条件,但过多施用磷肥会抑制植株干物质量的积累。进一步分析各器官干物质积累量所占总干物质积累量的比例可知,随着生育进程的推进,各处理的茎和叶柄所占干物质分配比例呈先增加后降低的变化趋势,且除P4处理下茎的干物质分配比例外,均在结荚初期(苗后40 d)达到最大,分别在32.07%～37.17%和15.46%～17.59%之间;叶片干物质分配比例则随着生育进程的推进呈逐渐降低的趋势,出苗后30 d 前,各处理均在50.28%以上,出苗后30 d 后,植株叶片干物质分配比例减少,而荚果干物质分配比例大幅增加,自该时期后的物质分配中心逐渐向荚转移,表明复播大豆开花期以前光合产物主要分配给茎、叶片等营养器官,用于大豆植株形态构建;开花期以后重心转移到生殖器官上,为获得高产奠定基础。分析出苗后50 ～60 d 可知,各施磷处理随着生育进程的推移,单株荚的干物质分配比例大幅上升,其荚生长速率以P3处理的最大,为0.88 g·d-1,分别较P0、P1、P2、P4处理增加0.10、0.10、0.01、0.09 g·d-1,说明适量的磷肥能够促进荚粒生殖器官的快速生长,但不施磷或过多施用磷肥会起到抑制作用。

2.5 施磷量对复播大豆产量及磷肥利用效率的影响

由表4 可知,各施磷处理的实收产量均显著高于不施磷(P0)处理,各施磷处理的平均实收产量为2 526.34 kg·hm-2,较不施磷增产22.70%,说明施磷肥均能够有效增加复播大豆产量。对比各施磷处理的实收产量可知,实收产量随着施磷量的增加呈先上升后降低的变化趋势,且P2与P3处理无显著差异,其中P3处理的实收产量最高,分别较P1和P4高14.60%和16.09%。进一步分析产量构成因素可知,各施磷处理之间的单株荚数和单株粒数均无显著差异,但均显著高于P0处理,说明施磷肥能够增加单株荚数和单株粒数,但与施磷量关系不密切。P2与P3处理间的百粒重无显著差异,但与其他处理均差异显著(P ＜0.05),说明适当增施磷肥能够促进大豆百粒重的增加,从而为大豆增产稳产提供有力条件。从总体趋势看,随着施磷量的增加,大豆磷肥农学利用效率及磷肥偏生产力均呈逐渐下降的趋势,且各施磷处理间差异显著。表明适当增加施磷量可以有效提高复播大豆的产量,而施磷量过多会导致减产,还会使肥料利用效率显著降低,造成不必要的浪费。

2.6 施磷量对复播大豆的经济效益的影响

由表5 可知,各施磷处理纯收益均显著高于不施磷(P0)处理,各施磷处理的平均纯收益为3 910.33元·hm-2,较P0处理增加56.98%,说明施磷肥均能够显著的增加经济效益。复播大豆总投入随着施磷量的增加而增加,以P4处理的总投入最高,为6 765.0元·hm-2,各施磷处理的总产值、纯收益及投入产出比均呈先升高后降低的变化趋势,且均以P3处理最高,分别为11 222.9 元·hm-2、4 637.9 元·hm-2和1.71。对比各处理的总产值、纯收益及投入产出比可知,P2和P3处理间无显著差异,但均与P0、P1、P4间差异显著。P0、P1、P2、P3和P4处理的纯收益分别为2 490.9、3 606.7、4 452.4、4 637.9 和 2 944.3元·hm-2,其中P3处理的纯收益较P0、P1、P2和P4分别提高86.19%、28.59%、4.17%和57.52%,说明适量施磷肥不仅可以提高大豆产量,还能节约成本,增加经济效益。

表3 不同磷肥施用水平下复播大豆各生育期干物质积累与分配比例的变化Table 3 Change of dry matter accumulation and distribution proportion at different growth stages of summer soybean under different treatment/(g·plant-1)

表4 不同磷肥施用水平下复播大豆产量、产量构成因素及磷肥效率Table 4 Yield, yield components factor and phosphate efficiency of summer soybean under different treatment

表5 不同磷肥施用水平下的复播大豆经济效益Table 5 Economic benefit of summer soybean under different treatment

3 讨论

磷对作物的生长发育与新陈代谢起着十分重要的作用,其主要通过大豆的叶绿素含量和叶面积指数来影响叶片的光合作用及光合产物的积累,进而影响大豆产量的形成[21]。受大豆品种、地域气候、当地土壤养分等条件的影响,学者们关于磷素对大豆叶绿素含量影响的研究结论并不一致。研究表明,随着磷素供应的增加,大豆叶片叶绿素含量显著升高,中磷和高磷处理均显著大于低磷,但中磷与高磷之间差异不大[22]。但也有学者认为磷肥对大豆叶绿素含量的影响差异并不明显[23],这与本研究结果基本相同。LAI是反映作物群体大小的动态指标,合理的群体叶面积是大豆高产形成的物质保证。大豆缺磷导致细胞分裂、光合作用和呼吸作用等代谢降低,减缓植株生长,导致叶片小,光合速率低,进而减缓植株的生长发育[24]。本研究中,各处理复播大豆LAI 在生长前期差异不明显,苗后30 d 后各施磷处理复播大豆LAI 依次表现为P3＞P2＞P1＞P4＞P0,说明适宜的施磷量能够对复播大豆生长发育起到促进作用,而不施磷或施过高磷肥则会抑制其生长。这与陈国兴等[25]的研究结果相同,说明无论是盆栽条件还是大田条件,大豆LAI 均受磷肥的影响较明显,适宜的施磷量能够增强叶片的光合能力,促进大豆营养器官的生长。

在大豆生育期间,植株干物质积累量及其向各器官的分配比例是制约大豆产量的关键因素[17,26],而磷素营养对大豆干物质积累与分配起着非常重要的作用。研究表明,低磷会明显抑制根瘤原基发育形成根瘤,减少大豆根瘤数量,显著降低大豆的固氮能力,进而影响大豆干物质积累[27-28]。也有研究认为,施磷过多的条件下,大豆植株的结瘤数量减少[29],致使大豆植株吸收其他营养成分较慢,造成植株生长速度下降,进而降低大豆植株鲜重和干物质积累量。本研究与宋秀丽等[23]、蔡柏岩等[30]的研究结果基本一致。本研究中,大豆各生育时期适宜施磷处理的干物质积累及分配均优于不施磷处理,总体表现为P3＞P2＞P4＞P1＞P0。本研究还发现大豆苗后50 ～60 d,其荚生长速率以P3处理最大,为0.88 g·d-1,分别较P0、P1、P2、P4处理高0.10、0.10、0.01、0.09 g·d-1,说明过低的磷素无法满足大豆植株的快速生长发育的需求,而过高的磷素供应会导致植株徒长,呼吸作用增强[1],养分大量消耗,反而使荚粒生殖器官的生长延缓,导致干物质积累及分配下降。因此,适当的施肥量才能促进大豆生殖器官的生长,为大豆的高产稳产奠定基础。

施磷处理对大豆开花、成荚及营养物质向籽粒的转运量、对籽粒的贡献率具有一定效应[31],且在一定范围内增施磷肥可增加大豆产量[32],但缺磷大豆植株体内的磷素调整能够叶片中淀粉/蔗糖的值和光合产物的分配情况,因此缺磷会减少花数、减低成荚数量[24],进而影响大豆产量。而过量的施磷不仅会使作物贪青晚熟,产量减低[33-34],还会导致土壤富磷状态,随着径流、淋洗等多种方式将磷素带入水体,带来水体富营养化的潜在威胁,造成农田土壤中磷的损失与磷肥资源浪费[35-36],这与本研究结果相同。本研究中,未施磷处理显著降低了复播大豆有效荚数、有效粒数及百粒重,而过量施磷对大豆有效荚数和有效粒数影响较小,但会影响大豆百粒重,因此未施磷或过量施磷均不利于产量的形成。本研究还发现P3处理的纯收益最高,为4 637.9 元·hm-2,较P0、P1、P2和P4分别提高86.19%、28.59%、4.17%和57.52%,说明适量施磷肥能明显增加大豆产量及经济效益,但超出范围增施磷肥不仅会导致产量降低、成本增加,经济收益也会减少。

4 结论

不同施磷量对滴灌复播大豆叶面积指数、干物质积累与分配、产量及经济效益均存在一定影响,施磷量180 kg·hm-2(P3)为复播大豆生长发育、产量及经济效益的转折点,低于或超过这一节点对大豆产量形成及经济效益均不利。然而,因各地的地力水平本身存在差异,故施磷量可根据当地实际情况进行测土配方稍作调整。综合考虑,建议北疆麦后复播大豆施磷量控制在120～180 kg·hm-2之间。本研究结果距离精准施肥仍有一定的距离,还需要进一步缩小施磷量的梯度和探索不同大豆生育时期的施磷效果,以确定当地复播大豆的最佳的施磷量和施磷时期。