黄土塬区施肥策略对大豆生物量分配及转化积累的影响

王小林，张盼盼，纪晓玲，张 静，张 雄，乔文渊

（1榆林学院生命科学学院，陕西榆林 719000；2陕西省榆林市横山区农技推广中心，陕西榆林 719100）

0 引言

黄土旱区作物产量的主要限制因子为降雨分布和土壤养分有效性的动态互促机制[1]。不同生长环境通过调节作物形态发育、生理功能和生物量积累分配，实现对产量和水肥资源利用率的调控和提升[2]。不同性能肥料配施能够满足植株生长发育过程中全面的营养需求，从而改善植株构型，激发产量潜力[3]，同时有利于土壤环境的优化和水分、养分可持续利用[2-3]。

不同气候环境条件下，肥料配比模式对不同作物产量形成过程具有综合效应[4]。作物生长发育受到土壤营养成分的直接制约，合理的肥料配比能够有效提升作物干物质有效积累和水分养分利用效率，保持土壤可持续生产力。通过优化肥料配比调控水稻土养分活性，促进水稻生长发育、提高籽粒产量证实了上述观点的科学性[5]。添加新型控释肥料能够明显促进番茄的生长发育，增加茎、叶面积及番茄果实品质[6]，合理的有机-无机肥料配施能够对作物植株的茎、叶碳水化合物积累起到促进作用[7]，同时，替代并减少化肥投入、降低过度施肥污染土壤环境和土壤养分淋溶损失[7-8]。东北黑土区大豆的单株豆荚数与单株粒数都随土壤中磷肥配施量的增加而上升，同时，豆科植物固氮作用和氮钾肥的协调作用仍不可忽视[8]。在禾本科燕麦的研究中发现：燕麦地上部生物量、总生物量都随施氮量的增加呈先增后减的基本规律，说明生物量的累积与分配都与土壤氮素有效性密切相关[9]。胡静等[10]在羊草生物量分配研究中指出：羊草叶片形态发育与叶生物量、茎生物量都有非常密切的联系，茎、叶的生物量可以通过茎、叶形态特征参数进行直接或间接的表达。王瑶等[11]的研究结果认为：地上部生物量与土壤中有机质含量呈正相关性，可以通过增加土壤有机质含量实现地上部生物量增加，为产量提升奠定物质基础。作物植株器官生物量积累和分配是作物根系、冠层长期适应环境自我调节的生物学结果[12]。黄土塬区化肥长期过量施用造成土壤养分过剩，残留养分径流损失严重，导致土壤生态环境和生产力持续下降[13]。为了逐步实现国家大豆需求自给，降低大豆大量进口的依赖性[16]，优化中国大豆产业体系，结合大豆抗性优良、环境友好的基本特性，黄土旱地是传统大豆优势区之一，是实现土壤环境改良和区域种植结构调整的重要选择[14]。因此，通过优化肥料配施模式，激发大豆自身增产增效潜能，综合配施有机肥、生物菌肥降低化肥投入，实现大豆产量、土壤水肥利用效率同步提升，推动旱地农业可持续发展。

黄土丘陵沟壑区是西北旱区主要的粮食生产区，但因水土流失、粗放型耕作导致土壤养分有效性不足，水资源利用率偏低和作物产量长期低而不稳[2,14]。优化施肥模式是应对区域环境现状、保障作物产量和土壤质量的有效措施[13]。大豆具有较好的抗旱性和改良土壤的生物特性，通过肥料优化配施，最大程度提升土壤养分供应能力，匹配大豆生育期生长发育的需求规律，挖掘大豆增产和稳产的生物学潜力，改善黄土旱地种植结构、提升土壤可持续生产力具有现实需求和实际意义。生物量积累与分配是大豆营养生长向生殖生长过度的物质基础，能够有效反映大豆生育期碳水化合物形成、器官积累和转移分配规律，对于旱地大豆的产量形成具有决定性作用，通过明确不同化肥优化配施模式下大豆形态发育及生物量积累分配的差异性表现，可为旱地肥料优化配施、保证大豆稳产增产及水肥高效利用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018、2019年在陕西黄土高原丘陵沟壑区的榆林市横山区横山镇石窑则村典型旱地农田进行，播种时间为每年5月8—10日，收获时间为10月10—13 日。试验地位于东经 108°56′—110°02′，北纬 37°22′—38°14′，海拔1232 m，平均气温9.6℃。无霜期约146天，年降水量约446.8 mm，70%降雨主要集中在7—9月，年蒸发量1211 mm，年日照时数2644 h。试验田土壤为黄绵土，肥力均匀。有机质含量3.2 g/kg，全氮为0.3 g/kg，碱解氮18.9 mg/kg，速效磷6.2 mg/kg，速效钾66.0 mg/kg，田间管理遵循传统农民管理模式。

1.2 试验材料与设计

试验选用大豆品种‘汾豆78号’，每个小区的面积20 m2，4×5 m，株距25 cm，行距50 cm，大豆膜际起垄，垄底宽40 cm，垄高8～10 cm，地膜两侧5 cm处精确播种，每处理重复3次，共计18个小区（表1）。

表1 大豆施肥策略试验设计方案

1.3 试验测定项目及方法

叶绿素含量及光合性能的测定：试验年份，在大豆盛花期，使用SPAD502 plus（日本柯尼卡美能达）对顶端成熟叶进行叶绿素含量测定，每处理选择15株大豆，每株大豆选择5片成熟叶片，每叶片测定3次取得平均值，5片叶的叶绿素含量平均值为单株叶绿素含量。分别在大豆盛花期、结荚期Li-6400光合仪（美国Li-COR公司）进行叶片光合指标测定，每小区选择代表植株5棵，顶端成熟叶片测定光合速率、蒸腾速率，计算叶片瞬时水分利用效率。

根系干重测定：在大豆结荚期采用根钻法获得0～30 cm耕层全部根系，取样范围长宽深10 cm×10 cm×30 cm，整根取出，筛土，清水轻柔冲洗，封装塑封袋4℃冰箱保存；实验室内，将根系分别放入加厚牛皮纸袋，放入烘箱，75℃下烘至恒重，称量获得根系干重。

地上部器官生物量测定：两年试验期间，分别在大豆开花期、结荚期每小区采集代表性植株5株，每株不同器官（茎、叶、荚）分别手工分离，分批放入烘箱，105℃下杀青1 h，75℃烘至恒重，使用电子天平称量获得茎、叶、荚、粒生物量。

产量及产量构成因子测定：每个小区取5 m2大豆全部植株进行考种，数出每株荚数，用数粒机获取每株粒数，用电子天平分别称单株粒重、百粒重，求其平均值，计算小区产量。

1.4 数据统计与分析

数据采用Microsoft Excel 2010软件，SPSS 17.0软件进行单因素方差分析和相关分析，同时用Sigma plot 12.5进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 试验年份降雨及气温变化

2018、2019年度降雨量及月份分布较10年均值有显著变化（图1）。2018年总降雨量520.2 mm，较10年均值显著增加18.9%，2019年总降雨量421.2 mm，较10年均值降低3.7%，丰水年和缺水年差异明显；80%以上降雨发生在6—9月份，且2018年度7、8、9月份降雨量较10年均值增加40.1%，2019年度降雨量增加6.1%，对于大豆关键生育期需水具有较好的补充作用，试验年度温度变化较10年均值无显著差异。

图1 试验年份气温及降雨量变化

2.2 施肥策略对大豆开花期叶绿素含量、光合性能及生物量分配的影响

优化施肥策略可有效改善大豆开花期叶片叶绿素含量，从而提升叶片光合生理功能和叶片水分利用效率（图2）。NPK配施叶片叶绿素含量增幅1.70%，配施有机肥显著实现叶绿素含量增幅提升40%左右，连续性有机肥和生物菌肥投入叶绿素含量增加6.0%～10%；叶片光合能力与叶绿素含量紧密联系，NPK优化施用、配施有机肥叶片光合速率增加1.56%，叶片蒸腾速率提升4.0%～6.6%，叶片水分利用效率(WUEL)显著增加8.8%～19.3%，连年化肥配施有机肥、生物菌肥显著增加WUEL。

图2 施肥策略对开花期大豆叶片光合性能的影响

化肥优化策略及化肥配施有机肥、生物菌肥可显著降低大豆根冠比，随施肥年份的增加，NPK优化策略和有机肥、生物菌肥配施调控大豆根系、地上部干物质积累分配的效用差异更加显著（图3）。2018年度，雨水充足，NPK优化模式、NPK-O和NPK-B根系干重较对照显著增加29.3%、44.3%和31.6%，而地上部干物质增幅在NPK配施模式为35.6%，NPK-O增加24.7%，NPK-B只有4.9%，根系干重增幅总体较高，配施有机肥和生物菌肥根冠比较高；2019年度，降雨量偏少，施肥策略差异性得到激发，NPK优化模式根冠比降低，NPK-B降幅尤为显著；NPK-O根冠比较高，根系干重增加10.6%，地上部干重增加7.2%，根冠比偏高，施肥策略通过调控根系、茎叶生物量积累响应季节性气候干旱。

图3 施肥策略对大豆结荚期和成熟期根、冠生物量积累的影响

肥料配施具有良好的茎叶生物量调控作用，调控效应与年度降雨分布有关，并随生育期延伸差异性逐渐增大（图4）。结荚期肥料配施茎叶比较对照明显增加，随着生育期延伸，处理间茎叶比差异加大。NPK配施大豆结荚期茎、叶生物量显著增加41.7%和32.3%，NPK-O茎、叶生物量分别增加28.9%和22.9%，茎、叶生物量积累同比增加，茎叶比相对平稳，处理间差异较小；成熟期茎叶比显著降低，NPK处理茎、叶生物量增量分别为21.4%和80.4%，2NPK处理茎、叶生物量分别增加33.1%和121.2%，2NPK茎叶比最小，生物量转化效率较高；NPK-O和NPK-B茎叶生物量降幅平缓。

图4 施肥策略对大豆结荚期、成熟期茎叶干物质分配的影响

粒荚比是反映籽粒膨大过程中干物质转移的重要参数，大豆收获期粒荚干重比例随施肥策略不同出现明显增长（图5）。2018和2019年度，粒荚比变化规律相似，NPK低量配施有利于增加粒荚比，并随使用年份增加而增加；NPK-B粒荚比两个试验年度具有显著差异，干旱年份显著增加12.1%；其他处理粒荚比在丰水年和欠水年间无显著变化，但较CK分别增加11.6%和10.1%；NPK、2NPK增幅最高，分别为15.5%和11.4%；NPK-O增幅最小为7.7%，优化肥料配施可有效调控荚干物质向籽粒转移，激发产量潜力。

图5 施肥策略对大豆收获期籽粒、豆荚干物质分配的影响

收获指数(HI)受到年份降雨量的显著影响，丰水年(2018)HI较欠水年(2019)显著增加22.5%；施肥策略具有明显提升HI的生物学潜力（图6）。干旱年份，2NPK、NPK-O处理HI增加不显著；N、NPK和NPK-B处理HI显著增加17.1%、22.2%和19.6%；丰水年HI增加不明显，但NPK-O依然增加幅度较高，达到6.9%，具有较好提升产量的潜力。

图6 不同施肥处理对大豆成熟期收获指数的影响

2.3 肥料配施模式下产量构成因素的差异性比较分析

产量构成和籽粒产量可以有效说明肥料配施增产的最终效应，两年数据分析显示（表2）：化肥配施模式优化具有促进产量提升的效能，每株荚数在NPK-O显著增加41.6%，且百粒重较化肥优化配施处理显著增加16.3%左右，最终实现较对照显著增产53.3%，较化肥优化模式（N，NPK和2NPK）增产25.5%左右，较NPK-B显著增产38.0%，化肥配施有机肥具备更好的增产能力和潜力。

表2 施肥策略对大豆产量形成的影响

3 讨论

土壤水分、养分环境是影响作物形态构建和产量形成的重要因素[15]。生物量积累与分配是反映作物适应土壤、气候环境的自我调节能力的重要体现[13]。植株光合产物向各器官分配率是制约旱作大豆产量的关键因素[16]，土壤养分有效性是影响植株各器官干物质量的积累和分配的调控因子[17]。氮、磷、钾肥合理配施可有效调控植物生长发育[18]，协调不同生育期器官发育的生理性能，保证良好的碳水化合物生成、转移与积累作用[19]，保障作物更好地应对微环境的变化。2018和2019年度，降雨量差异较大，是造成大豆形态发育、生理功能差异性的根本原因（图1）。雨水充足，施肥优化模式效应被缓和，叶绿素含量和光合能力增幅较小，气候干旱激发施肥策略的协调能力，尤其是增施有机肥和生物菌肥，显著增加叶绿素含量(8.0%)和蒸腾速率(5.3%)，同时促进叶片水分利用能力（14.1%，图2），为器官干物质积累奠定良好的生理学基础。

生物量分配与产量的关联性主要体现在大豆营养生长向生殖生长过度时，碳水化合物的转移方向和速率[20]。根、茎、叶是农作物主要的功能器官，其干物质自身积累和转移分配，除了体现作物生理生态适应性外，尤其受到外界环境的刺激和调控，决定营养物质向繁殖器官（花、荚和籽粒）的积累效率[21]。本研究认为：优化化肥配施模式可有效协调根、茎、叶的形态发育和生物量积累（图3）。丰水年份，增加NPK配施量促进根系生物量的积累，欠水年份，化肥壮根效应受到土壤水分的限制。配施有机肥具有良好的壮根、促根作用，根系干重平均增加27.5%，根冠比显著提升，可以推断配施有机肥具有缓解干旱胁迫的生物学效应。茎、叶生物量分配随着生育期的延伸差异性明显增加，化肥优化配施茎叶比显著降低，配施有机肥和生物菌肥茎叶比相对稳定（图4）。化肥主要表现为对叶片生物量积累的促进，而有机肥和生物菌肥偏向增加茎杆生物量的积累。根、茎、叶生物量分配的差异性、多样性是旱地大豆应对环境变化的有效策略，根系形态发育容易造成冗余生长，茎叶生物量大量积累有利于后期生物量有效转化，肥料配施可以较好的协调根茎叶生物量合理分配，为产量提升储备充足碳水化合物。

不同肥料配施可以有效提高大豆籽粒产量，并受到自然降水的影响，丰水年份肥料优化配施大豆平均增产27.9%，干旱年份肥料优化配施平均增产40.2%（表2）；其中，配施生物菌肥在偏旱年份实现最大产量提升(61.4%)，NPK优化施肥也可实现产量41.4%，化肥配施和增施生物菌肥可以缓解干旱胁迫的减产效应。配施有机肥在丰水年份具有更好的产量促进作用(48.8%)，化肥优化模式产量提升优于生物菌肥处理，较多降雨可能会削弱化学肥料、生物菌肥的增产效力。营养生长期生物量高效积累，进入生殖生长期后，生物量的有效转移有利于产量迅速提升[22]。收获指数有效反映营养生长向生殖生长转化的最终结果[23-24]，豆荚生物量是大豆籽粒膨大过程中非常关键的干物质来源，但随着生育期后期气候环境的变化，豆荚生物量转移受到一定程度制约[25]。本试验结果显示：化肥优化配施平均提升粒荚比12.0%，配施生物菌肥显著提升粒荚比15.7%，对应收获指数增加9.0%和13.3%，充分肯定了化肥优化配施和增施生物菌肥具有更大的增产潜力。综合分析，大豆生物量分配对于产量形成具有至关重要的生物学意义[26]，NPK化肥优化配施具有更直接的增产能力，但考虑到土壤环境和肥力有效性的可持续利用，配施有机肥或者生物菌肥具有更好的增产、增效和优化土壤环境的作用。

4 结论

本研究基于黄土旱塬自然降雨低而不稳和土壤有机质含量偏低的现实，通过化肥、有机肥和生物菌肥优化配施，有效调控旱地大豆干物质积累、分配，促进产量稳步增加，主要结论如下：

（1）生育期降雨量直接影响大豆产量形成；优化化肥配比产量显著提升30.7%，并显著缓解干旱对产量的限制；配施有机肥和生物菌肥可在化肥增产水平之上再提升34.5%和19.9%，优化肥料配施模式具有提升大豆产量和改善土壤环境的双重作用。（2）化肥优化配施策略、配施生物菌肥显著增加大豆茎叶比、粒荚比和收获指数，有效促进营养器官生物量向生殖器官转化，激发大豆增产潜力；成熟期总生物量受到降雨量和施肥策略的影响，配施生物菌肥通过增加茎秆生物量而提升作物总生物量；配施有机肥显著增加根系干重，有效调控植株根冠比，配施微生物菌肥根冠比具有更灵活的环境适应性。（3）增施微生物菌肥增强叶片光合速率，降低无效蒸腾，有效提升叶片水分利用能力。综上所述，配施有机肥和生物菌肥以优化根系生长环境为切入点，全面协调根系形态发育，灵活应对变化的土壤、气候环境，增强根系、叶片功能，有效协调营养生长与生殖生长之间的物质转移积累，优化大豆籽粒膨大期生物量转化效率，为大豆增产提供了良好的促进作用。