水氮耦合对芸豆生理及产量的影响

2020-10-14刘春梅王孟雪

水利科学与寒区工程 2020年5期

李婷，周旭，刘春梅，王孟雪

(黑龙江八一农垦大学农学院，黑龙江大庆 163000)

水肥是影响作物生长发育的重要因子[1]。水分是作物生长的必要条件，同时也是化肥溶解所必需的，而且营养向根系表面迁移和根系吸收养分的过程都必须有水分的参与[2]。合理的水氮管理有利于作物的生长发育和产量形成[3]，而不合理的灌溉和施肥不仅造成水资源的浪费，而且还会造成农业面源污染，破坏生态环境。合理的水氮运筹光合速率和硝酸还原酶活性较高，促进产量增加[4]。实践证明，合理的水氮条件可以改善作物的光合性能，影响干物质积累与分配，从而产量增加[5]。也有研究指出，合理的水氮调控可以提高植株叶绿素含量[6]。马桂香等[7]研究表明，合理的施氮量可以刺激硝酸还原酶活性提高，从而促进植株对养分的吸收。综上可见，研究水氮耦合效应尤其是水氮耦合效应对作物生长发育的影响，具有重要的理论和实践意义。

芸豆(Phaseolus vulgaris)属一年生豆科草本植物，比较早熟，适应性强，丰产性好[8-9]，具有丰富的营养价值和容易消化的优质蛋白资源[10]。现有关于豆类杂粮芸豆的研究多集中于栽培模式[11-12]、品质评价[13]和盐碱胁迫[14]等方向, 在水分和氮素对芸豆影响方面的研究已有少量报道, 其中华劲松[15]探讨了花荚期土壤水分胁迫对芸豆光合生理及产量性状的影响, 结果表明干旱胁迫可以显著降低叶绿素的含量, 抑制植株生长, 从而降低产量；乔秀平[16]研究了不同施氮水平对芸豆产量的影响, 结果表明芸豆随着氮肥施用量的增加, 每荚粒数、单位面积荚数和百粒质量都呈上升趋势。目前将水分和氮素二者结合起来考虑的研究尚不多见, 关于水氮耦合对芸豆影响方面的研究更少。

本文以芸豆品种英国红为研究对象，研究不同水氮调控对芸豆生理指标及产量的影响，以揭示不同水氮处理下芸豆生长规律，旨在为研究调控水氮-生理指标和产量提供参考，为芸豆不同水氮模式的选择和节水优质高效生产栽培提供理论参考依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年在大庆市黑龙江八一农垦大学盆栽试验场进行，该地位于黑龙江省西部、松辽盆地中央坳陷区北部，地理位置北纬45°46′至46°55′，东经124°19′至125°12′。日平均温度≤5 ℃的天数≥145天，全年无霜期较短，气候特征属北寒带大陆性季风气候。

供试品种为英国红。供试土壤取自黑龙江八一农垦大学试验基地耕层土壤(0～20 cm土层)，土壤理化性质全氮1.29 g/kg,全磷0.48 g/kg,碱解氮90.68 mg/kg,速效磷44.15 mg/kg,速效钾120 mg/kg。

1.2 试验设计

本试验2019年5月25日播种，8月31日收获，生育期99 d。试验考虑灌溉方式、施氮水平两个因素，设常规灌溉(W1)、控制灌溉(W2)两种灌溉方式。常规灌溉的土壤含水量控制在田间持水量的80%，控制灌溉的土壤含水量控制在田间持水量的60%。4个施氮水平(尿素，以纯N计):25 kg/hm2(N1)、30 kg/hm2(N2)、35 kg/hm2(N3)、40 kg/hm2(N4)。磷肥：36 kg/hm2；钾肥：21 kg/hm2。

试验共计10个处理，每个处理重复3次，试验处理设计见表1。每盆装土15 kg，每天采用称重法控制土壤含水量。土壤蒸发与植株蒸腾在农田中同时发生，很难将两者区分开来。在作物完全覆盖地面后，土壤蒸发相对较小，蒸腾占主导地位。因此，每天称重缺少的水分视为植物的蒸腾作用，而土壤蒸发作用忽略不计。

表1 试验处理设计

1.3 测定内容与方法

1.3.1 芸豆生理指标测定

1.3.1.1 叶绿素含量测定

于芸豆苗期和花荚期取新鲜叶片2至3片，洗净，擦干，将去掉中脉的叶片剪碎，混匀。称取剪碎的新鲜样品0.2 g,共3份，将其放入25 mL混有丙酮-乙醇混合提取液(丙酮与无水乙醇放入体积比为1∶1)的棕色容量瓶中，于40 ℃恒温箱中浸提24 h，冷却至室温后，以80%丙酮作为对照，用分光光度计分别在波长645 nm、652 nm和663 nm下测定光密度值。

Ca=(12.7D663-2.69D645)V/W

(1)

Cb=(22.9D645-4.68D663)V/W

(2)

C=1000VD652/34.5W

(3)

式中:Ca、Cb和C分别为叶绿素a含量、叶绿素b含量和叶绿素总量,mg/g;D663、D645和D652分别为叶绿素溶液在波长663 nm、645 nm和652 nm时的吸光度，V为提取液体积,L;W为材料鲜重，g。

1.3.1.2 硝酸还原酶活性测定

将取回的新鲜叶片洗净，用吸水纸吸干，再用打孔器打成直径约1 cm的圆片，称取叶片0.5 g两份，一份作为对照，一份作为酶活性测定用。向对照管中加入1 mL 30%三氯乙酸，各管中加入9 mL 0.1 mol/L的KNO3溶液，混匀后于干燥器中抽气1 min再通入空气，再抽真空，反复几次，在25 ℃下黑暗中反应0.5 h,再向测定管(对照管除外)加入1 mL 30%三氯乙酸终止酶反应。将各管摇匀静止2 min后取2 mL反应液，加入1 mL磺胺和1 mL萘基乙烯胺，摇匀显色15 min后，在540 nm处测定其吸光度。根据标准曲线计算反应液中生成的亚硝态氮总量。通过测定得出，标准曲线的回归方程为y=0.1056x+0.0095,y为吸光度值，x为亚硝态氮。

单位鲜重样品中硝酸还原酶活性=

(4)

式中：x为反应液酶催化产生的亚硝态氮总量，μg；v1为提取酶时加入的缓冲液体积，mL；v2为酶反应时加入的粗酶液体积，mL；W为样品鲜重，g；t为反应时间，h。

1.3.2 芸豆产量测定

在收获后，对每个处理的芸豆进行测产，分别测量芸豆的株高、分枝数、每株荚数、每株粒数、每株粒重、主茎节数和茎粗，计算每个处理芸豆产量。

1.4 数据处理与统计分析

采用SPSS13.0单因素方差分析及Duncan多重比较方法进行显著差异性分析及均值比较。

2 结果与分析

2.1 不同水氮处理叶绿素含量动态变化分析

不同水氮条件下，苗期各处理芸豆叶绿素a含量见图1。由图1可以看出，在常规灌溉条件下，叶绿素a含量最大值出现在W1N3处理；在控制灌溉条件下，叶绿素a最大值出现在W2N4处理，W2N2叶绿素a含量最低。

图1 水氮耦合对芸豆苗期叶绿素a的影响

苗期各处理芸豆叶绿素b含量如图2所示。在常规灌溉条件下，叶绿素b随施氮量的增加没有表现出较强的规律性，各处理间差异性也不显著；控制灌溉条件下，随着氮肥施用量的增加，叶绿素b含量逐渐上升，W2N4处理的值表现为最大，与其他处理均达到了显著性差异(P<0.05)。

苗期各处理叶绿素总量见图3。由图3可以看出，在常规灌溉条件下，W1N1、W1N2处理的叶绿素总量与对照没有显著差异，W1N3、W1N4与对照相比差异显著，且W1N4处理的叶绿素总量最低；在控制灌溉下，叶绿素总量最大值出现在W2N4处理，W2N2处理的值最低。

图3 水氮耦合对芸豆苗期叶绿素总量的影响

不同灌溉条件下，叶绿素含量的变化随氮肥施用量的增加没有表现出较强的规律性，综合来看，叶绿素含量最大值出现在W2N4处理，当灌水量减少，大幅度增加氮肥施用，使叶绿素含量上升。

不同水氮条件下，花荚期各处理芸豆叶绿素a含量见图4。由图4可以看出，在常规灌溉条件下，叶绿素a随施氮量的增加呈先上升后下降趋势，最大值出现在W1N3处理；在控制灌溉条件下，叶绿素a最大值出现在W2N4处理，最低值为W2N1处理。

图4 水氮耦合对芸豆花荚期叶绿素a的影响

花荚期各处理芸豆叶绿素b含量如图5所示。在常规灌溉条件下，叶绿素b随施氮量的增加呈先上升后下降趋势，但各处理间没有表现出较大的差异性；控制灌溉条件下，随着氮肥施用量的增加，叶绿素b含量呈现先下降后上升的趋势，W2N4处理的值表现为最大。

图5 水氮耦合对芸豆花荚期叶绿素b的影响

图6为花荚期各处理叶绿素总量。由图6可以看出，叶绿素总量的变化趋势与叶绿素b变化趋势相似，两种水分条件下，适宜增加氮肥施用量，叶绿素总量均表现为增大。

图6 水氮耦合对芸豆花荚期叶绿素总量的影响

综合分析可知，芸豆叶片的叶绿素含量在苗期-花荚期呈现增加的趋势，在花荚期取得最大值，叶绿素含量以处理W1N3和处理W2N4表现最佳。

2.2 不同水氮处理硝酸还原酶活性分析

不同水氮条件下，苗期、花荚期各处理芸豆叶片硝酸还原酶活性见图7。由图7可知，除N2处理外，芸豆花荚期硝酸还原酶活性均高于苗期硝酸还原酶活性。在常规灌溉条件下，芸豆苗期叶片硝酸还原酶活性随施氮量的增加，表现出先增加后降低的趋势，在W1N2处理下达到峰值，与对照相比，增加了165.81%，与对照差异显著(P<0.05)。在控制灌溉条件下，芸豆苗期叶片硝酸还原酶活性随施氮量的增加，表现出先增加后降低的趋势，在W2N2处理下达到峰值，与对照相比，增加了65.13%，与对照差异显著(P<0.05)。

图7 水氮耦合对硝酸还原酶活性的影响

芸豆花荚期叶片硝酸还原酶活性在常规灌溉条件下，在处理W1N3表现最佳，处理W1N3和W1N4均与对照差异显著(P<0.05)，与对照相比，分别增加了557.06%、230.17%。在控制灌溉条件下，处理W2N4硝酸还原酶活性最高，与对照相比增加了39.51%，与对照差异显著(P<0.05)。

2.3 对芸豆产量的影响

芸豆产量由株高、分枝数、每株荚数、每株粒数、主茎节数和茎粗共同决定。由表2可看出，施氮的处理，株高与分枝数均高于对照。各处理的株高，施氮处理与未施氮处理差异显著(P<0.05)，在常规灌溉条件下，分枝数和每株粒数的增加表明增施氮肥有利于其增加，但超过一定量反而起限制作用。

表2 不同处理的芸豆产量

在常规灌溉条件下，除W1N4处理的每株粒数低于对照外，其余处理均高于对照，总体由小到大依次为W1N4、W1N0、W1N1(W1N2)、W1N3；除W1N3处理的茎粗低于对照外，其余处理显著高于对照，由小到大依次为W1N3、W1N0、W1N4、W1N1、W1N2。

在控制灌溉条件下，除W2N2处理的每株单株荚数低于对照外，其余处理均高于对照，W2N2处理的每株单株粒数低于对照，其余处理均高于对照，从主茎节数来看，除W2N3、W2N4处理低于对照外，其余处理均高于对照，W2N2处理的值最大。各处理的茎粗均低于对照，且达到显著性差异。在常规灌溉条件下，施氮量为35 kg/hm2时产量最高，在控制灌溉条件下，施氮量为40 kg/hm2时产量最高，表明适宜的水氮条件能提高芸豆产量。

3 讨论

合理的水肥条件可以促进作物生长发育。戴明等[17]研究表明合理的水氮运筹可改善植株株高、根长、叶面积指数、茎粗、单株地上和地下生物量，从而促进产量的增加。灌水量相同条件下，适量施用氮肥能够促进芸豆植株株高、分枝数、主茎节数、茎粗的增加，有利于芸豆地上部植株生长，施氮量过多反而会产生抑制作用，这与李鑫等[3]的研究结果一致。在施氮量相同时，随着灌水量的增加，芸豆植株分枝数、每株荚数、每株粒数、主茎节数、茎粗也表现出增加的趋势，说明水分可以从多方面促进养分发挥作用，从而提高肥料利用率。在控制灌溉条件下，施氮处理与对照相比，株高、茎粗和主茎节数增加显著(P<0.05)，说明适量供氮可减轻水分不足对作物生长发育的抑制，这与邹小云等[18]的研究结果一致。可见，适宜的水氮条件将促进芸豆植株生长，为提高产量打下基础。

叶片光合能力是植物光合作用强弱的重要反映，直接决定着植物生产力的高低[19]。水氮通过影响叶片色素等因素对植株光合作用造成影响，进而影响产量。李静等[20]研究表明，施氮量相同时，随着灌溉量的增加，植株叶片的叶绿素含量也随之增加；在灌溉量相同时，适量施氮对提高叶片叶绿素含量有促进作用，不施氮或过量施氮均会抑制叶绿素的合成，这与本试验研究结果不一致，在施氮量相同时，增加灌溉量芸豆叶片叶绿素含量反而减少。樊吴静等[21]研究得出，适宜的水肥条件可以促进作物生长发育、提高叶片光合作用，这与本试验研究结果一致。本试验发现，芸豆苗期叶片叶绿素含量均低于花荚期，在常规灌溉条件下，随着施氮量的增加，叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量呈现先增加后降低的趋势，在处理W1N3表现最优，芸豆苗期及花荚期叶片叶绿素含量均在N3处理下最大；在控制灌溉条件下，随着施氮量的增加，叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量呈现增加的趋势，在处理W2N4表现最优，芸豆苗期及花荚期叶片叶绿素含量均在N4处理下最大。对于硝酸还原酶，它是一种诱导酶，其活性与利用硝态氮能力密切相关，其活性受光照条件影响[22]。另有研究表明，叶绿素含量受氮素水平制约[23]，而叶绿素含量的多少直接或间接影响光合作用的进行。因此硝酸还原酶活性也在一定程度上影响叶绿素含量。梅芳等[24]研究表明，硝酸还原酶活性随施氮量的增加而增加，这与本试验研究结果不一致。本试验表明，芸豆叶片花荚期硝酸还原酶活性在处理W1N3和处理W2N4较高，但苗期均在N2处理下较高。

前人对作物水氮耦合的研究发现得出，在灌水量相同的条件下，适宜增加氮肥可以提高作物产量；在施氮量相同的情况下，适宜的增加灌水量也可以提高作物产量[25-26]。本研究结果表明，适宜的水氮条件可以提高芸豆植株的叶绿素含量以及硝酸还原酶活性，进而增加产量。