红芸豆对氮素的需求规律及适宜施氮量研究*

郭彩霞，黄高鉴，王永亮，郭军玲，杨治平

(山西省农业科学院农业环境与资源研究所/山西省土壤环境与养分资源重点实验室 太原 030031)

红芸豆(Phaseolus vuglaris)属食用豆中普通菜豆矮生直立型中的一种，具有较高的营养价值[1]和经济价值，自20世纪80年代从美国引入山西后，种植面积逐年增加，成为山西省重要的杂粮作物之一[2]。岢岚县是山西省乃至全国的红芸豆重要产区，近年来种植面积一直稳定在8.7×103hm2左右，年产2 万t，年出口量约占全国的1/3[3]，已成为当地重要的支柱产业。然而随着红芸豆产业的不断发展，出现了单产水平低及根腐病等一系列问题，导致近些年经济效益低下[1，4]，其主要的一个限制因素是红芸豆的养分特别是氮素的需求规律不清楚，农民氮肥施用“两极分化”情况较为普遍，氮素的科学管理对作物的生长发育、产量形成、抗逆等均有显著的效应，但过量施用氮肥会对生态环境带来严重的负面影响[5-7]。因此，探明红芸豆的氮素需求规律并明确红芸豆合理的氮肥用量，在提高氮素资源利用效率的同时减少资源环境代价，既是一个重要的科学命题，也是生产实际中需要解决的实际问题。

国内许多学者针对这一问题做了探索性研究：乔秀平[8]研究了山西原平红芸豆的适宜施氮量，结果表明当氮肥施用量为340.40 kg⋅hm–2时，产量最高可达2 152 kg⋅hm–2；宋谨同等[9]在东北的研究表明，‘英国红’在氮肥施用量为29.82 kg⋅hm–2时，产量可达2 583.24 kg⋅hm–2；畅建武等[10]在山西东阳的红芸豆肥效试验结果表明，当红芸豆氮肥用量为172.50 kg⋅hm–2时，平均产量可达2 200 kg⋅hm–2；韩彦龙等[11]研究了山西省阳曲县红芸豆的养分限制因子及养分吸收、累积和分配特征，结果表明随生育期推进，茎、叶和荚皮中氮含量呈递减趋势，豆粒中氮含量呈递增趋势，每生产100 kg 红芸豆需供给N 4.37 kg；晋凡生等[12-13]通过对红芸豆氮磷钾配比研究发现，氮素积累量与干物质积累量之间的相关系数在结荚期和成熟期分别为0.95和0.96，且呈极显著水平，红芸豆施肥量在132.03 kg⋅hm–2时，产量最高达2 627.26 kg⋅hm–2。这些研究大多是针对氮磷钾肥配施，研究了氮肥投入与红芸豆产量的关系，对不同氮肥用量下红芸豆氮素吸收累积规律研究较少，特别是关于红芸豆对氮肥的吸收利用特征及响应机制研究较少，尤其是针对红芸豆主产区的研究鲜见报道。而不同区域下养分的供应能力会导致红芸豆养分吸收和利用特征有所不同，直接影响氮肥的合理施用和科学管理。因此本研究在山西省中、西部地区分别设置不同氮水平的田间试验，研究红芸豆对氮素吸收和利用特征以及氮肥肥料效应，阐明不同施氮水平下红芸豆氮素需求与分配特征，明确不同氮肥水平下红芸豆对氮素的响应机制及氮素累积规律与分配特征，旨在为红芸豆氮素管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究于2018年分别在山西省中部农业科学院东阳农业试验基地(东阳试验点)和省域西部红芸豆主产区岢岚县(岢岚试验点)进行。东阳试验点位于山西省晋中市榆次区东阳镇东阳村(112°40′5″E、37°33′22″N)，属暖温带大陆性季风气候，年平均气温9.8℃，多年平均降雨量418～483 mm，年日照时数2 662 h，无霜期158 d。该区域土壤类型为黄土状褐土，试验田此前为春玉米(Zea mays)长期定位试验(始于2014年，氮肥处理与本研究处理一致)。岢岚试验点位于黄土高原中部晋西北岢岚县曹家沟村(111°20′46″E、38°37′37″N)，属中温带大陆性季风气候，气候寒冷，年均气温 6.0℃，年均降雨量456 mm，无霜期110 d。红芸豆是该区的主要杂粮作物，通常于5月中下旬播种，于当年8月下旬、9月上旬收获。无灌水条件，土壤类型为黄土状褐土，土壤质地为壤土，试验田为农户习惯施肥区，前茬作物为谷子(Setaria italica)。试验田0～20 cm 土壤理化性状如表1所示。

表1 不同试验地点0～20 cm 土层基础土壤养分含量Table1 Basic properties of the tested soil in the 0-20 cm layer in different experimental sites

1.2 田间试验设计

田间试验采用随机区组设计。东阳试验点设置4 个氮肥处理，分别为0 kg(N)·hm–2(N1)、60 kg(N)·hm–2(N2)、120 kg(N)·hm–2(N3)、180 kg(N)·hm–2(N4)，与此前长期定位试验一致，氮肥30%底施，50%于初花期、20%于始荚期施入；磷肥用量为105kg(P2O5)·hm–2，钾肥用量为75 kg(K2O)·hm–2，磷钾肥均作为基肥一次性施入，肥料用量及施肥时期见表2。每个处理重复4 次，小区面积30 m2。种植密度为75 000 穴·hm–2，每穴2 株，0.5 m 等行距人工点播，试验于2018年5月5日播种，8月4日收获测产。岢岚试验点设置5个氮肥处理，分别为0 kg(N)·hm–2(N1)、60 kg(N)·hm–2(N2)、120 kg(N)·hm–2(N3)、180 kg(N)·hm–2(N4)、240 kg(N)·hm–2(N5)，氮肥30%底施，50%于初花期、20%于始荚期施入；磷肥用量为105 kg(P2O5)·hm–2，钾肥用量为75 kg(K2O)·hm–2，磷钾肥均作为基肥一次性施入，肥料用量及施肥时期见表2。每个处理重复4 次，小区面积60 m2。种植密度为67 500 穴·hm–2，每穴2 株，0.5 m 等行距人工覆膜点播。试验于2018年5月28日播种，9月6日收获测产。红芸豆的品种为‘英国红’，氮肥为尿素(N 46%)，磷肥为颗粒过磷酸钙(P2O516%)，钾肥为硫酸钾(K2O 51%)。

表2 不同处理肥料用量及施用时期Table2 Fertilizer application rates at different stages of different fertilizer application treatments kg·hm–2

1.3 样品采集与测定

植物样品分别于苗期(V3)、开花期(R1)、结荚期(R3)、鼓粒期(R6)、生理成熟期(R8)采集，每小区选取有代表性的植株3 株。在V3 至R3 期，植株包括茎和叶2 部分；在R6 至R8 期，植株包括茎、叶、荚皮和籽粒4 部分。105℃杀青30 min，70℃烘干至质量恒定，称重。采用凯氏定氮法测定植株全氮含量[14]。测产采用实打实收的方式，同时每小区取代表性植株10 株进行考种，测定产量构成。

1.4 参数计算与统计分析

采用Excel 2010 计算和处理试验数据并绘图，SPSS 20 统计软件进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥用量对红芸豆产量的影响

由表3可以看出，东阳试验点和岢岚试验点红芸豆籽粒产量随施氮量的增加变化趋势基本一致，均呈现单峰曲线的变化特征，当氮施量水平达到N3 时，两个试验点的籽粒产量均达最高，分别为2 359.89 kg·hm–2和2 452.26 kg·hm–2，之后随着施氮量继续增加籽粒产量呈下降的趋势。相对于N3 处理，东阳试验点N1、N2、N4 处理籽粒产量分别减少33.80%、8.30%和10.54%；岢岚试验点N1、N2、N4、N5 处理籽粒产量较 N3 处理分别减少 22.27%、8.93%、3.64%、12.58%。施用氮肥有效增加了单株豆荚数，东阳试验点各施氮处理均显著高于不施氮处理，但岢岚试验点处理间差异不显著。每荚粒数、百粒重施肥处理显著高于不施肥处理，但各施氮处理间差异不显著。

2.2 不同氮肥用量对红芸豆单株干物质累积与分配的影响

由图1可以看出，两个试验点各处理单株干物质积累在整个生育期均呈现“慢—快—慢”的增长趋势。R3 至R6 时期干物质累积较快，随后进入缓慢增长期。在R8 时期，东阳试验点的单株干物质累积量在28.23～41.09 g，平均为35.94 g，岢岚试验点的单株干物质累积量在46.55～62.15 g，平均为56.98 g，高于东阳试验点。

随着红芸豆生育期的变化，营养器官干物质累积量占比逐渐降低，生殖器官干物质累积量占比逐渐增加。由表4可以看出，东阳试验点R1 时期叶、茎占地上部干物质累积量的比例平均为57.32%和42.68%；在R3 时期，叶、茎干物质所占比重有所下降，但仍占很大的比例，达59.26%和40.75%，此时生殖器官开始生长，随着红芸豆籽粒的形成，生殖器官所占干物质累积量比例迅速增加；到R6 时期，红芸豆生殖器官所占地上部干物质累积量比例为59.59%～60.69%，平均为60.32%；到成熟期，红芸豆生殖器官所占地上部干物质累积量比例为66.09%～71.85%，平均为68.42%；籽粒所占地上部干物质累积量的比例为 43.73%～49.97%，平均为47.60%。岢岚试验点R1 时期的叶、茎干物质累积量占地上部干物质累积量的 6 4.44%～7 1.2 3%和28.77%～35.56%，平均为67.51%和32.49%；R3 时期，叶、茎干物质累积量比重有所下降，但仍占很大的 比例，这个时期生殖器官开始生长，随着红芸豆籽粒的形成，生殖器官所占干物质累积量比例迅速增加；到R6 时期，红芸豆生殖器官所占地上部干物质累积量比例为55.83%～58.21%，平均为56.54%；到成熟期，红芸豆生殖器官所占地上部干物质累积量比例为64.27%～69.83%，平均为68.11%，籽粒所占地上部干物质累积量的比例为40.32%～47.65%，平均为44.39%。

图1 不同试验地点不同氮肥施用量下红芸豆地上部生物量累积动态Fig.1 Dynamics of red kidney bean shoots biomass at different nitrogen application levels in different experimental sites

表4 不同试验地点不同氮肥施用量下不同生育期红芸豆植株各器官干物质累积与分配Table4 Dry matter accumulation and distribution in organs of red kidney bean at different growth stages and different nitrogen application levels in different experimental sites

对两个试验点各处理进行比较，东阳试验点V3至R3 时期叶、茎干物质累积量施肥处理显著高于不施肥处理(V3 时期叶差异不显著)；R6 时期，生殖器官干物质累积量逐渐增加，营养器官干物质累积量逐渐减少；到R8 时期，干物质累积量在不同器官中的累积量和分配比例依次为籽粒＞茎＞荚皮＞叶，其中单株籽粒产量为13.71～20.53 g，平均为16.95 g。岢岚试验点V3 至R3 时期叶、茎干物质累积量施肥处理显著高于不施肥处理(V3 时期茎秆差异不显著)；R6 时期，生殖器官干物质累积量逐渐增大，营养器官逐渐减少，特别是叶的干物质累积量呈下降趋势；R8 时期，干物质累积量在不同器官中的累积量和分配比例依次为籽粒＞茎＞荚皮＞叶(N2、N4 处理荚皮＞茎)，其中单株籽粒产量为 21.58～28.62 g，平均为25.26 g，N3 处理单株籽粒产量最高，达28.62 g。

2.3 不同氮肥用量红芸豆单株氮素累积与分配的变化特征

由图2可知，红芸豆地上部单株氮素吸收量动态与干物质累积量动态大致趋势一致，东阳试验点R1至R3 时期单株氮素累积量从0.29 g 增加到 0.54 g；R6 时期单株氮素累积量为0.47～0.72 g，平均为0.63 g，R8 时期达0.78 g。岢岚试验点R1 至R3 时期单株氮素累积量从0.60 g 增加到0.74 g；R6 时期单株氮素累积量为0.92～1.25 g，平均为1.16 g，R8 时期达1.28 g。

图2 不同试验地点不同氮肥施用量下红芸豆地上部氮素累积动态Fig.2 Dynamics of red kidney bean shoot nitrogen accumulation at different nitrogen application levels in different experimental sites

由图3可以看出，红芸豆营养器官氮素吸收量随着生育期的变化呈现先增加后降低的趋势，生殖器官则呈现逐渐增加的趋势。在东阳试验点V3 至R1 期(图3a，3c)，单株叶片氮素吸收量占地上部吸收量比例最高达76.92%，茎秆氮素吸收量占地上部氮素吸收量比例达42.62%；R1 至R6 时期，单株叶片、茎秆氮素吸收量所占比例逐渐降低到14.70%和14.40%；R8 时期(图3g)，籽粒氮素吸收量占地上部氮素吸收量的69.12%～76.60%，平均为73.79%。在岢岚试验点V3 至R1 时期(3b，3d)，单株叶片氮素吸收量占地上部总吸收量比例最高达79.71%，茎氮素吸收量所占比例达27.35%；R3 至R6 时期，单株叶片氮素吸收量占地上部总吸收量从 63.50%降低至22.98%，茎氮素吸收量所占比例从 36.70%降低到15.93%；R8 时期(图3h)，籽粒氮素吸收量占地上部氮素吸收量65.48%～75.18%，平均为70.27%。

处理间比较结果表明(图3)，单株红芸豆叶、茎氮素吸收量在R3 时期达最高，R6 时期后出现降低的趋势，荚皮的氮素吸收量在R6 时期达最高，之后逐渐降低，籽粒的氮素吸收量呈现逐渐增加的趋势。在东阳试验点，R3 时期，N4 处理叶、茎氮素吸收量最高，分别为每株0.44 g、0.21 g，占地上部氮素吸收量的67.01%、32.99%；R6 时期(图3e)，N4 处理荚皮氮素累积量最高，为每株0.09 g，占地上部氮素吸收量的14.81%；R8 时期，N4 处理籽粒氮素吸收量最高，为每株0.72 g，占地上部氮素吸收量的74.81%。在岢岚试验点，R1 时期，N3 处理叶氮素吸收量最高可达每株0.70 g，占地上部氮素吸收量的79.71%；R3 时期，N4 处理茎单株氮素吸收量最高，为每株0.30 g，占地上部氮素吸收量的35.71%；R6 时期(图3f) N4 处理荚皮氮素吸收量最高，为每株0.18 g，占地上部氮素吸收量的17.68%；R8 时期，N3 处理籽粒氮素吸收量最高，为每株0.99 g，占地上部氮素吸收量的73.28%。

2.4 不同氮肥用量红芸豆植株氮素转运特征

由表5可知，两个试验点营养体氮素转运和对籽粒的贡献总体趋势表现为营养体氮素转运量随着施氮量的增加而增加；转运效率随着施氮量增加而增加，但达到最大后有降低的趋势。而对籽粒的贡献率两个试验点差异显著，在东阳试验点，转运效率为63.65%～73.70%，地上部营养器官对籽粒的贡献率为47.22%～61.26%；在岢岚试验点，地上部营 养器官转运效率为54.21%～65.19%，而地上部营养器官对籽粒的贡献率为53.04%～60.44%。

图3 不同试验地点不同氮肥施用量下红芸豆不同生育期各器官氮素累积量Fig.3 Nitrogen accumulation in organs of red kidney bean at different growth stages and different nitrogen application levels in different experimental sites

2.5 不同氮肥施用量对氮肥利用效率的影响

由图4可以看出，两个试验点不同处理间氮肥利用率变幅很大。东阳试验点氮肥利用率为21.21%～60.34%，平均为42.33 %；岢岚试验点氮肥利用率为16.29 %～76.09 %，平均为44.11 %。两个试验点不同氮肥用量下氮肥偏生产力也存在较大差异。东阳试验点氮肥偏生产力为11.79～36.78 kg·kg–1，平均为21.97 kg·kg–1；岢岚试验点氮肥偏生产力为8.60～44.92 kg·kg–1，平均为23.01 kg·kg–1。两个试验点的氮肥利用率和氮肥偏生产力大致呈现出随着施氮量的增加而降低的趋势，东阳试验点的氮肥利用率和氮肥偏生产力显著低于岢岚试验点。

表5 不同试验地点不同氮肥施用量下红芸豆植株氮转运量特征Table5 Characteristics of nitrogen translocation in red kidney bean at different nitrogen application levels in different experimental sites

图4 不同试验地点不同氮肥施用量对红芸豆氮肥利用效率的影响Fig.4 Effect of nitrogen application levels on fertilizer-N use efficiency of red kidney bean in different experimental sites

2.6 红芸豆籽粒产量对氮肥的响应特征

图5 红芸豆籽粒产量对氮肥用量的反应曲线Fig.5 Red kidney bean yield response to nitrogen application levels

为进一步定量分析两个试验点施肥量对红芸豆产量的影响，通过构建一元二次回归方程对两个试验点的施氮量与产量数据进行拟合(图5)。结果表明两 个试验点的籽粒产量均随施氮量的增加呈现“先升高、后降低”的变化趋势。东阳试验点，当氮肥用量为115.93 kg·hm–2时，可实现最高产量2 354.50 kg·hm–2；若采用最佳经济施肥量，则在产量基本不降低的情况下，氮肥用量为 110.36 kg·hm–2，可节约氮肥用量4.80%。在岢岚试验点，当氮肥用量为138.15 kg·hm–2时，可以实现最高产量2 429.06 kg·hm–2；若采用最佳经济施肥量，则在产量基本不降低的情况下，氮肥用量为126.31 kg·hm–2，可节约氮肥用量8.57%。

3 讨论

3.1 氮肥施用量对红芸豆产量及生物量的影响

氮素是影响作物生长发育的重要养分限制因 子[10，15-17]。宋谨同等[9，18]研究表明，在一定范围内适量增施氮肥，能增强植株吸收氮素转化为籽粒产量的能力。氮肥的合理施用能有效提高籽粒的百粒重和每荚粒数，进而提高籽粒产量[19-22]。本研究结果与此相似，当施氮量为0～180 kg·hm–2，东阳和岢岚两个试验点红芸豆的百粒重和每荚粒数均有不同程度提高，籽粒产量大幅提高。韩彦龙等[11]的研究结果表明，红芸豆干物质累积在整个生育期内先增加后减少，全生育期单株干物质累积在现蕾期至盛花期、盛花期至结荚期出现两次高峰，分别占红芸豆植株总干重的25.25%和46.22%。苗期至盛花期以生长茎叶为主，结荚后，籽粒成为红芸豆干物质累积的主体，占植株总干重的36.1%～45.7%，收获时单株豆粒产量为25.84 g。本研究东阳试验点收获期单株籽粒产量平均为16.95 g，岢岚试验点收获期单株籽粒产量平均为25.26 g。东阳试验点单株籽粒产量较低，是由于该试验点此前为定位施肥处理(起始于2014年)，土壤氮的供给对试验影响较小，另外该试验点红芸豆生育期缩短10 d，早熟、早衰也影响籽粒形成。晋凡生等[13]研究表明，红芸豆干物质累积量呈现生育前期增加快，生育后期逐渐平缓的变化趋势，在收获期单株红芸豆生殖器官占干物质总量比例达72.22%，单株干物质量为44.53 g。本研究东阳试验点收获期单株干物质累积量为 28.23～ 41.09 g，平均为35.94 g；岢岚试验点收获期单株干物质累积量为46.55～62.15 g，平均为56.98g。主要是由于岢岚试验点前茬作物施肥为农户习惯施肥处理，另外受土壤供肥能力以及气候条件影响，使得红芸豆生育期延长，进而影响干物质的累积量。

3.2 氮肥施用量对红芸豆氮素吸收利用的影响

氮肥用量影响到土壤养分的供应，直接影响到作物对肥料养分的吸收与利用，进而影响到产量和肥料利用率[23]。章建新等[24]通过研究施氮对大豆(Glycine max)氮素吸收分配的影响表明，氮素的日均积累量平均为3.59 kg·hm–2·d–1，最大值为7.52 kg·hm–2·d–1；王树起等[25]通过研究施氮大豆氮素吸收积累的影响发现，在成熟期单株籽粒氮素累积量为0.30～0.47 g·株–1；杨广东等[26]对高寒地区芸豆氮肥与密度优化组合模式研究发现，施氮量和密度组合最佳时，籽粒氮含量最高；韩彦龙等[11]发现红芸豆成熟时，单株籽粒氮累积量为0.76 g·株–1。本研究在不同氮肥用量条件下，东阳试验点单株籽粒氮素累积量为0.3～0.7 g·株–1，平均为0.56 g·株–1；岢岚试验点单株籽粒氮素累积量为0.8～0.9 g·株–1，平均为0.87 g·株–1。构成单株籽粒氮素累积量差异的原因，一方面可能是由于两地气候条件差异，东阳试验点年平均气温为9.8℃，岢岚试验点年平均气温为6℃，积温较低，以及土壤供氮能力差异，使得东阳试验点较岢岚试验点生育期缩短了10 d。夏玄等[27]研究发现豆科作物独特生物固氮体系促进作物对氮素的吸收与利用；姜妍等[28]研究发现控制氮肥用量对提高豆科植物对氮素的吸收利用能力乃至产量的增加具有至关重要作用；龚振平等[29]研究发现，大豆氮素营养主要来自58.7%根瘤固氮和39.8%土壤氮。红芸豆属于豆科作物，根瘤固氮作用对氮肥吸收有一定的影响[29]，对红芸豆固氮能力有待进一步研究。

氮肥利用率是作物吸收利用氮肥的主要指标，不仅受土壤性质、作物种类和生长时期、氮肥以及肥料种类、施用技术以及气候条件等因素的强烈影响，且具有很大的变幅，国内外有许多表征肥料利用效率的参数，如作物生产系数、作物的偏生产率或生产率、作物的边际产量等。一般来说，国际上用以表征农田肥料利用效率的参数有养分回收率、肥料农学利用率、肥料生理利用率及肥料的偏生产力[6]。本研究根据需要选择了氮肥利用率和氮肥偏生产力2个参数进行分析与评价。晋凡生等[12]研究表明红芸豆氮肥利用率为25%～40%。本研究东阳试验点氮肥利用效率为21.21%～60.34%，平均为42.33%；岢岚试验点氮肥利用效率为16.29%～76.09%，平均为44.11%。岢岚试验点的生育期延长10 d，有效增加了红芸豆的籽粒产量与氮素吸收量。同一产量水平下，岢岚试验点的氮素吸收量高于东阳试验点，再次证明岢岚试验点氮肥利用效率高于东阳试验点。另外，由于东阳试验点年平均气温较高，也影响红芸豆植株对氮素的吸收利用，因而影响产量的形成，导致东阳试验地产量较低。

4 结论

在不同氮肥用量条件下，山西省中、西部地区红芸豆干物质累积随着生育进程呈现“慢-快-慢”动态，合理的氮肥用量有助于干物质向籽粒中转移，东阳、岢岚试验点单株籽粒所占总干物质比重最高可达49.97%和47.65%；同时可增加红芸豆植株对氮素的吸收和转运，进而提高氮肥利用效率和生产力，这是籽粒产量增加的基础。基于籽粒产量和氮肥用量的回归方程，计算得出山西中部红芸豆的适宜施氮量为110.36 kg⋅hm–2，西北部为126.31 kg⋅hm–2。综合考虑土壤特征、气候以及品种等条件，红芸豆氮肥施用量可以此为基准进行微调。这为高效合理的氮肥施用提供了科学依据，但对于不同氮肥用量下红芸豆固氮机理仍需进一步研究。