不同时期高氮施肥对大豆光合生理特性及产量的影响

牟保民，刘雅，郑殿峰2，，冯乃杰2，，项洪涛，靳丹，王诗雅，刘美玲

（1.黑龙江八一农垦大学农学院，大庆 163319；2.广东海洋大学滨海农业学院；3.沈阳农业大学；4.黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所）

氮素是作物生长和产量形成的重要因素[1-3]，也是构成生命物质的基本元素之一，同时也是农业生产上必要的基本肥料[4-5]。大豆（Glycine max（L.）Merr.）是重要的粮食和经济兼用作物，其吸收氮素主要有3个来源：土壤氮、肥料氮和根瘤固氮，由于大豆籽粒蛋白含量高，对氮素需求量高，根瘤固氮只能满足大豆生长所需氮素的50%~60%[6]，因此，只有人为的增施氮肥，才能保证大豆吸收相对较高的氮，使其获得更高的产量[7-8]。

有研究表明，施氮能促进作物干物质的积累[9]，增加作物叶片叶绿素含量和光合能力[10]，提高叶片蔗糖和淀粉含量[11]，为大豆高产提供充足的物质保障[12]。但常规施氮不能满足大豆生育后期对氮素的需求，会影响最终的产量，有许多学者研究不同时期施氮是否能满足此需求。穆淑辉等[13]和刘志远等[14]研究可知，大豆前期如苗期施氮，增产效果较差，后期施氮增产效果最明显，营养生长和生殖生长旺盛期对氮肥的需求较多，R4时期追氮延缓了净同化量最大值的出现，有利于R6期光合产物的积累，后期追氮能在不同程度上提高盛荚期后的同化能力。张文钊等[15]研究表明，不同时期追氮对大豆的增产效果好于一次性施氮，而且不同时期追施氮肥都明显提高了追肥后各生育期大豆叶片淀粉和蔗糖的积累量。前人多是研究大豆生育后期施入定量的氮肥，与基肥施入量相同，但对于非N限制的条件下种植大豆提高产量等方面鲜有报道。因此，选择大豆“垦丰16”和“合丰50”为材料，设计不同时期高氮施肥，以其满足大豆整个生育时期的氮素需求，研究不同时期高氮施肥对大豆碳同化物的积累和光合参数的影响，旨在探究高氮施肥下碳同化物积累和光合特性的变化规律，明确不同时期高氮管理后对大豆产量形成影响的生理基础，以期为大豆高产栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试大豆品种：“垦丰16”和“合丰50”。

供试肥料：尿素（N 46%）。

1.2 试验地土壤情况

供试土壤类型为草甸黑钙土，土壤基本养分状况为：碱解氮119.02 mg·kg-1，有效磷14.3 mg·kg-1，速效钾217.28 mg·kg-1，有机质31.4 g·kg-1，pH为8.05。

1.3 试验设计

试验于2018年在黑龙江省大庆市林甸县吉祥村黑龙江八一农垦大学试验基地进行。采用完全随机区组试验设计，共设两个试验区：常规施氮区（播种前施尿素71.1 kg·hm-2）；追氮区（按大豆生育时期V2、V6、R1、R2和R4期进行分次施氮，每次施尿素125.1 kg·hm-2[16-18]，共施用尿素625.5 kg·hm-2）。两处理分别标为N0（常规施氮处理）；N1（高氮施肥处理）。每小区8行，行长5 m，行距0.65 m，面积为26 m2，每个处理设置4次重复。其他肥料和常规管理相同。

1.4 取样与测定项目

1.4.1 地上部干物质重的测定

分别于大豆R1~R6期进行取样，各小区选取4株长势一致的大豆植株，于子叶痕处剪去根部，对地上部进行取样，置于105℃下杀青30 min，80℃烘干至恒重后，测定干物质重。

1.4.2 SPAD和叶面积指数的测定

于R6期，在晴天上午9：00~11：00，各小区选取4株代表性大豆植株，先用叶绿素仪（SPAD-502）测定植株功能叶片（倒三叶）SPAD值。于子叶痕处剪去根部，将叶与植株分开，每株选取7~8片完全展开的叶用Yaxin-1241叶面积仪测定其叶面积，将已测定叶面积的叶、剩余的叶以及植株茎和柄分别包样，置于105℃下杀青30 min，80℃烘干至恒重后，测定干物质重量，叶面积指数计算公式如下：

叶面积指数=S扫×W总×单位土地面积上株数/W扫×单位土地面积

（S扫代表扫过的叶面积，W总代表总叶重，W扫代表扫过叶面积的叶重）

1.4.3 光合指标的测定

于R6期，在天气晴朗的上午9：00~11：00，各小区选取3株代表性大豆植株，用便携式光合作用测定仪Li-6400测定植株功能叶片（倒三叶）净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）和胞间CO2浓度（Ci）。

1.4.4 碳代谢相关指标的测定

分别于大豆R1~R6期进行取样，每小区选取4株大豆植株功能叶片（倒三叶），迅速冻于液氮中，再转入-40℃冰箱中保存。待样品全部收集完毕后，参照张志良[19]方法测定可溶性糖和淀粉含量，参照Williard等[20]方法测定蔗糖和果糖含量。

1.4.5 产量及其构成因素的测定

于大豆R8期收获测产，每小区取1 m2，记录有效株数，从中选取10株代表性的植株测定其单株荚数、单株粒数和百粒重，然后称量1 m2内植株的籽粒重记作实际产量。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2016进行数据录入及整理，SPSS 17做方差分析，用Origin 2018软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同时期高氮施肥对大豆地上部干物质重的影响

如图1所示，随着生育时期的推进，两大豆品种地上部干物质重均呈上升趋势，在R6期达到峰值。“垦丰16”，在R2期两处理未达显著差异水平；R3~R6期N1处理与N0相比达显著差异水平，分别较N0增加12.82%、9.53%、9.37%和9.27%。“合丰50”，在R1和R3期两处理表现差异不显著；R2、R4~R6期N1处理与N0相比差异显著，较N0处理分别增加11.21%、12.89%、10.48%和8.64%。

图1 不同生育时期大豆地上部干物质重Fig.1 Aboveground dry matter weight of soybean at different growth stages

2.2 不同时期高氮施肥对大豆叶片碳代谢相关指标的影响

2.2.1 不同时期高氮施肥对大豆叶片蔗糖和果糖含量的影响

如图2所示，随生育时期的递进，两品种叶片蔗糖含量呈先降低后升高再下降的趋势。其中，“垦丰16”叶片蔗糖含量在R4期达到峰值，R1和R2期，N1处理与N0相比差异显著，分别较N0显著增加24.56%和32.51%；R4期，N1处理明显高于N0处理，但未达显著差异水平。“合丰50”叶片蔗糖含量在R5期达到峰值，R1和R3期，与N0处理相比，N1处理显著增加，分别较N0显著增加42.07%和7.69%；R5期，N1处理明显高于N0处理，但差异不显著。

图2 不同生育时期叶片蔗糖和果糖含量Fig.2 Contents of sucrose and fructose in leaves at different growth stages

两大豆品种叶片果糖含量的变化趋势一致。其中，“垦丰16”叶片果糖含量在R4期达到峰值，且在R1、R3、R5和R6期，N1处理较N0处理分别显著增加25.86%、19.19%、18.56%和10.14%。“合丰50”，在R1、R2、R3和R5期，N1处理较N0处理分别增加15.50%、5.89%、2.41%和5.89%；R4和R6期，N1处理虽高于N0处理，但未达显著差异水平。

2.2.2 不同时期高氮施肥对大豆叶片可溶性糖和淀粉含量的影响

如图3所示，两大豆品种叶片可溶性糖含量呈双峰曲线变化趋势。其中，“合丰50”两处理的叶片可溶性糖含量最高峰值均在R5期；而“垦丰16”，两处理达最高峰值时间不尽一致，其中N1处理在R3期，而N0处理在R5期。“垦丰16”，在R3~R6期，N1处理显著高于N0处理，较N0处理分别显著增加19.82%、11.78%、11.33和15.62%；“合丰50”，在R2~R6期，N1处理显著高于N0处理，较N0处理分别显著增加15.27%、28.82%、23.55%、20.72%和13.18%。

图3 不同生育时期叶片可溶性糖和淀粉含量Fig.3 Contents of soluble sugar and starch in leaves at different growth stages

两大豆品种叶片淀粉含量均表现为先降再升又降的趋势，“垦丰16”，N1处理在R4期达最大值，而N0处理在R1期达最大值；在R3和R6期，N1与N0处理差异显著，较N0处理分别显著增加13.56%和21.43%。“合丰50”，在R2、R4和R5期，N1处理较N0处理分别显著增加28.30%、32.52%和23.16%。

2.3 不同时期高氮施肥对大豆叶片光合相关指标的影响

2.3.1 不同时期高氮施肥对大豆叶片SPAD值和叶面积指数的影响

如图4所示，N1处理能够提高大豆的SPAD值。“垦丰16”，两处理叶片SPAD值表现为：N1>N0，N1较N0处理显著提高5.48%；“合丰50”，N1处理较N0处理增加7.36%，但叶片SPAD值在两处理间无显著差异。N1处理可提高两大豆品种的叶面积指数。“垦丰16”和“合丰50”，N1处理较N0处理分别提高13.78%和31.46%。

图4 R6期SPAD值和叶面积指数Fig.4 SPAD value and leaf area index in R6 stage

2.3.2 不同时期高氮施肥对大豆叶片光合特性的影响

由表1可知，R6期，“垦丰16”和“合丰50”叶片Pn均在N1处理达到最大，较N0处理分别增加4.61%和21.17%，但差异不显著。Gs和Tr的变化趋势与Pn一致，其中，“垦丰16”，N1处理下Gs和Tr较N0处理分别提高39.62%和28.84%，但处理间无显著差异。而“合丰50”，N1处理下Gs和Tr较N0处理显著增加35.14%和32.95%。两处理的Ci表现为N1>N0，且各处理间未达显著差异水平。

表1 不同时期高氮施肥对大豆R6期光合特性的影响Table1 Effects of High nitrogen fertilization at different stages on photosynthetic characteristics of Soybean in R6 stage

2.4 不同氮肥处理对大豆产量及产量构成因素的影响

如表2所示，“垦丰16”N1处理可有效提高“垦丰16”的单株荚数、单株粒数、百粒重和产量，分别较N0显著增加9.90%、6.86%、11.01%和16.67%，但均未达显著差异水平。“合丰50”N1处理的百粒重显著高于N0处理，较N0处理显著提高了11.87%；N1处理的单株荚数、单株粒数和产量较N0处理分别提高了4.92%、6.04%和16.52%，但差异不显著。说明，大豆高氮施肥处理与常规施氮处理相比，可有效提高大豆产量及产量构成因素。

表2 不同时期高氮施肥对大豆R8期产量及产量构成因素Table2 Effects of high nitrogen fertilization at different stages on yield and yield components of soybean in R8 stage

3 讨论

前人研究表明，在一定施氮范围内，随着施氮量的增加，干物质积累呈现上升的趋势[21]，这与试验研究结果一致，随着生育时期的推进，大豆的干物质积累量不断增加，与N0处理相比，N1处理可提高两大豆品种地上部的干物质积累。倪丽[22]曾指出，随着施氮量的增加，大豆干物质积累呈现出先增后降的变化趋势，与试验研究结果相反，高氮施肥能够有效促进两品种干物质的积累。

作物源端制造光合产物的数量，即叶片中蔗糖的含量，是光合产物运输的一个重要因素[23]。姜东等[24]研究表明，在一定范围内随施氮量的增加可促进光合产物向蔗糖的转化，促进蔗糖的合成。试验结果表明，“垦丰16”N1处理较N0处理显著提高了R1期和R2期叶片蔗糖含量；“合丰50”N1处理较N0处理显著提高了R1期和R3期叶片蔗糖含量。Banziger等[25]研究表明，小麦抽穗期增加氮肥后，小麦氮素同化所消耗的能量和碳骨架不会影响碳水化合物向籽粒供应，因为氮素能够提高光合效率，延缓叶片衰老，补偿了氮素同化所消耗的碳水化合物。试验通过不同时期高氮施肥，明显提高了大豆叶片的蔗糖、果糖、可溶性糖含量及淀粉含量，加强光合作用，延长叶片的功能期，提高了大豆叶片可用性碳水化合物的输出量，用于籽粒的充实，利于产量的提高。

黄正来等[26]研究表明，施氮量在112.5 kg·ha-1和150.0 kg·ha-1水平下能有效增加菜用大豆品种AC10植株花后的叶面积指数和叶绿素含量。试验得出相似结论，在R6期，不同时期高氮施肥处理可提高“垦丰16”和“合丰50”叶片的叶面积指数和SPAD值。光合作用决定大豆90%~95%的产量，光合生产力的大小直接影响产量的高低[27]。孙继颖等[28]研究发现，施纯氮量在72 kg·ha-1下可以增加大豆叶片的Pn、Ci、Gs和Tr。试验结果表明，在R6期，与N0处理相比，N1处理均提高两大豆品种叶片的Pn、Ci、Gs和Tr，但N1处理显著提高“合丰50”的叶片Gs和Tr。

大豆产量对施氮量的响应结果不一致。有研究表明，随施氮量的增加大豆单株荚数、单株粒重、百粒重呈增加趋势，使其产量增加[29-30]。施氮会影响大豆根瘤的固氮作用，使其不增产或增产不显著[31-32]。但更多的研究结果表明，施氮有利于改善大豆的产量性状，进而促使大豆产量增加，且随施氮量的增加呈先增后降的趋势[33-35]。试验得出与上述相反的结论，随施氮量的增加大豆单株荚数、单株粒数和百粒重均增加，且N1处理产量最大。

4 结论

N1处理可提高两大豆品种的干物质积累，促进叶片碳代谢的有序进行，提高大豆叶片蔗糖、果糖、可溶性糖和淀粉含量，改善了大豆的光合特性，增加两大豆品种的单株荚数、单株粒数和百粒重，从而提高产量。综合考虑，试验采用不同时期高氮施肥，以促进大豆达到高产，但未达到理想目标。说明大豆高产不仅受氮素供应的影响，还受当地天气和土壤环境影响，需进一步研究。