减氮接种根瘤菌剂对黄淮海地区高蛋白夏大豆生长发育 产量和经济效益的影响

田艺心，高凤菊，曹鹏鹏，高祺，华方静，王春雨，朱冠雄

（德州市农业科学研究院，山东 德州 253015）

近年来，全球大豆蛋白需求量急剧增长[1，2]，导致我国大豆严重供不应求，进口依赖度逐年提高，严重威胁我国大豆产业和粮食安全。为此，国家出台一系列政策扶持我国大豆产业的发展。2019年农业农村部制定《大豆振兴计划实施方案》，明确提出要推动国内大豆生产实现“扩面、增产、提质、绿色”，并重点“推广高产、高蛋白优质大豆品种。”2022年中央1号文件再次强调“扩大大豆生产”“推行定额施肥，减少不合理化肥用量，促进化肥减量增效和绿色农业高质量发展。”这就要求我们在确保提高高蛋白大豆产量和质量的同时，做到绿色生产，尽可能减少化肥、农药等的施用量。在国家政策引导下，针对大豆生产中增产与绿色之间的矛盾，众多学者进行了相关研究[3～5]，且内容主要集中在根瘤菌剂的应用上[6，7]。

根瘤菌剂是指以根瘤菌为生产菌种制成的微生物制剂产品，其能够固定空气中的氮素，为豆科作物提供大量氮肥，从而达到增产的目的。据统计，根瘤菌与大豆共生固氮产生的氮素可占大豆植株所需氮素总量的60%～95%，几乎能提供大豆植株所需的全部氮肥，且无污染、无公害，这为大豆生产中氮肥减施与替代提供了可行性条件。目前，美国、巴西、阿根廷等国家应用根瘤菌剂的大豆种植面积已达到70%～95%，且均不施用化学氮肥，高效固氮根瘤菌剂已实现工业化生产和大面积应用[8，9]，不仅提高了大豆产量和质量，还极大地节省了肥料成本，且降低了肥料污染。目前，我国应用根瘤菌剂的大豆种植面积仅占1%～2%，根瘤菌剂的研究与应用理论还存在很大空白，且前人研究对象多集中在东北地区大豆上[10]，而针对黄淮海地区高蛋白夏大豆根瘤菌剂的应用研究鲜有报道。为此，以黄淮海地区优质高蛋白夏大豆品种为试材，开展根瘤菌剂对大豆农艺性状、结瘤特性、干物质积累、产量和经济效益的影响研究，探讨根瘤菌剂在高蛋白夏大豆品种上的适应性和固氮高效性，可为黄淮海地区大豆提质增产以及根瘤菌剂的进一步研发与应用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021年在山东省德州市黄河涯镇科技园试验基地进行。试验地土壤为壤土，地势平坦，肥力均匀，0～20 cm耕层土壤基础养分含量为有机质15.33 g/kg、碱解氮30.31 mg/kg、速效磷46.92 mg/kg、速效钾123.45 mg/kg，pH值6.75。

1.2 试验材料

试验材料为黄淮海地区应用的高蛋白夏大豆品种齐黄34、冀豆12和菏豆37（表1）。

表1 参试高蛋白夏大豆品种的基本情况Table1 The basic situation of high protein summer soybean varieties tested

化学肥料有尿素（N含量46%）、磷酸二铵（P2O5含量46%）和硫酸钾（K2O含量52%），均购于当地农资市场；根瘤菌剂和保活增强包衣剂，均由中国农业科学院农业资源与农业区划研究所提供。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 采用随机区组试验设计，小区面积15 m2，行长5 m，行距50 cm，6行/区，株距10 cm。每个大豆品种均设常规施肥（CK）和减氮接种根瘤菌剂（RH）2个处理，每处理均3次重复。其中，CK施肥量为尿素60 kg/hm2、磷酸二铵120 kg/hm2和硫酸钾90 kg/hm2；RH处理在播种前2周左右用根瘤菌剂225 mL/hm2进行种子包衣（用种子包衣机将根瘤菌剂与种子混合均匀，阴干备用），施肥量为尿素30 kg/hm2、磷酸二铵120 kg/hm2和硫酸钾90 kg/hm2。播种前一天，将所有化肥作为基肥一次性施入。6月15日人工起垄穴播大豆，定苗密度19.5万株/hm2；其他田间管理措施同当地常规。

1.3.2 测定项目与方法

1.3.2.1 单株农艺性状及干物质积累量。大豆收获前1～2 d，每小区选择长势一致的连续植株5株，挖取带有完整根系的植株，测量株高和底荚高度，统计主茎节数和有效分枝数；将根用清水洗净后晾干，按根、茎、豆荚等器官分别装袋（成熟期叶片和叶柄逐渐变黄脱落，忽略不计），先105℃杀青30 min，后80℃烘干至恒重，称量各器官的干重，计算植株总干重。

1.3.2.2 结瘤性状。大豆盛花期，每小区选择长势一致的连续植株5株，挖取完整根系，用清水洗净，摘下根瘤，统计根瘤数量，并称量鲜重；然后将根瘤置于烘箱内80℃烘干至恒重，称量干重。

1.3.2.3 产量及其构成因子。大豆收获前1～2 d，每小区选择长势一致的连续植株5株，统计单株荚数和单株粒数，计算百粒重；每小区选取中间4行（10 m2）植株，收获后将子粒晾干，称重计产。

1.3.2.4 经济效益。大豆生产投入成本包括种子、农药、人工机械和肥料4项费用，均按照市场价格计算（表2）。按照2021年大豆平均价格5.5元/kg，计算大豆产值（产量×价格）和经济效益（产值-投入成本）。

表2 大豆生产成本 （元/hm2）Table 2 Production cost of soybean

1.3.3 数据处理与分析 利用Excel 2010软件对试验数据进行统计分析；利用SPSS 17.0软件进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 减氮接种根瘤菌剂对高蛋白夏大豆植株性状的影响

RH处理的参试大豆品种株高、主茎节数和有效分枝数均＞CK，指标值增幅分别为5.98%～6.31%、9.72%～15.08%和3.53%～6.22%，其中株高和主茎节数增加显著，有效分枝数与CK差异不大；底荚高度均略＜CK，降幅为3.80%～5.29%，与CK差异均不显著（表3）。表明减氮接种根瘤菌剂可显著增加高蛋白夏大豆的株高和主茎节数，其中对主茎节数影响最大，对底荚高度和有效分枝数影响均较小。

表3 减氮接种根瘤菌剂对高蛋白夏大豆植株性状的影响Table 3 Effect of rhizobium inoculum on plant traits of high protein summer soybean

RH处理对不同大豆品种植株性状的影响程度不同，各性状变化幅度均以齐黄34最大，冀豆12最小。表明参试根瘤菌剂对大豆品种具有一定的选择性，其与齐黄344的匹配性更高。

2.2 减氮接种根瘤菌剂对高蛋白夏大豆结瘤性状的影响

RH处理的参试大豆品种根瘤鲜重、根瘤干重和根瘤数量均显著＞CK，指标值增幅分别为54.09%～62.62%、57.06%～66.81%和38.90%～45.03%（表4）。表明减氮接种根瘤菌剂可显著提高高蛋白夏大豆的结瘤性状，其中对根瘤干重影响最大，对根瘤数量影响相对最小。

表4 减氮接种根瘤菌剂对高蛋白夏大豆结瘤性状的影响Table 4 Effects of rhizobium inoculum on nodulation traits of high protein summer soybean

RH处理对不同大豆品种各结瘤性状的影响程度不同，各性状变化幅度均以齐黄34最大，冀豆12最小。表明参试根瘤菌剂对大豆品种具有选择性，其与齐黄34适应性更好，匹配性更高，更易提高根部结瘤性状。这可能与品种本身的遗传特性有关。

2.3 减氮接种根瘤菌剂对高蛋白夏大豆干物质积累量的影响

RH处理的参试大豆根、茎、豆荚干重以及植株总干重均＞CK，指标值增幅分别为8.90%～10.29%、11.91%～13.86%、12.22%～20.78%和11.93%～18.02%，其中豆荚干重和植株总干重增加显著，而根和茎干重与CK差异不大；各器官干重的增幅顺序均为豆荚＞植株＞茎＞根（表5）。表明减氮接种根瘤菌剂可显著提高高蛋白夏大豆各器官以及整个植株的干物质积累量，其中对豆荚干物质积累量影响最大，对根干物质积累量影响相对最小。减氮接种根瘤菌剂后能不同程度地明显提高大豆各器官的干物质积累量，尤其在大豆生长发育中后期对豆荚干物质积累量的增加起到积极的促进作用，这对于提高子粒产量非常重要。

表5 减氮接种根瘤菌剂对高蛋白夏大豆干物质积累量的影响Table 5 Effects of rhizobium inoculum on dry matter accumulation of high protein summer soybean

RH处理对不同大豆品种各器官以及整个植株干物质积累量的影响程度不同，各性状变化幅度均以齐黄34最大，冀豆12最小。表明不同大豆品种对同一根瘤菌剂的匹配性和适应性不同，参试根瘤菌剂与齐黄34的共生性更好。

2.4 减氮接种根瘤菌剂对高蛋白夏大豆产量及其构成因子的影响

RH处理的参试大豆品种产量均显著＞CK，增幅为9.81%～13.02%，其中齐黄34产量增幅最大，冀豆12产量增幅最小（表6）。表明减氮接种根瘤菌剂可显著提高高蛋白夏大豆的子粒产量，但对大豆品种的选择性和作用程度有所不同，其中对齐黄34效果最好。

表6 减氮接种根瘤菌剂对高蛋白夏大豆产量及其构成因子的影响Table 6 Effects of rhizobium inoculum on yield and its component factors of high protein summer soybean

进一步对RH处理的参试大豆品种产量构成因子进行分析发现，RH处理后参试大豆品种的单株荚数、单株粒数和百粒重均较CK出现不同程度的提高，指标值增幅分别为20.76%～28.08%、23.29%～29.04%和0.53%～1.98%，其中百粒重与CK差异不大，单株荚数和单株粒数增加显著。表明减氮接种根瘤菌剂可显著提高大豆产量的主要原因是显著提高了大豆单株荚数和单株粒数，百粒重对产量影响较小。

RH处理对不同大豆品种产量及各产量性状的提高程度不同，各性状变化幅度均以齐黄34最大，冀豆12最小。表明参试根瘤菌剂与齐黄34的共生性优于其他2个品种，尤其在大豆生育后期养分供应及生殖器官养分积累方面促进作用更为明显。

2.5 减氮接种根瘤菌剂对高蛋白夏大豆经济效益的影响

RH处理的参试大豆品种投入成本均较CK减少46.5元/hm2，产值、产投比和经济效益均＞CK，其中产值增加1 683.33～2 436.83元/hm2，经济效益增加1 730.33～2 483.33元/hm2，效益增幅为14.27%～18.17%（表7）。表明减氮接种根瘤菌剂可提高产投比，明显增加大豆产值和经济效益。

表7 减氮接种根瘤菌剂对高蛋白夏大豆经济效益的影响Table 7 Effects of rhizobium inoculum on economic benefits of high protein summer soybean

RH处理对不同大豆品种各经济效益性状的影响程度不同，其中齐黄34产值和经济效益最高，产投比和效益增幅最大。进一步表明参试根瘤菌剂对大豆品种具有选择性，其与齐黄34的共生性优于其他2个品种。

3 结论与讨论

根瘤菌剂可促进大豆根部形成更多根瘤，增强根瘤与大豆的共生固氮体系，进而从空气中固定更多氮素，满足植株的氮素需求[11]。前人研究表明，大豆施用根瘤菌肥后植株鲜重、根瘤数、根瘤鲜重等增加，子粒增产幅度达13%以上[12]；氮肥适量减施后采用根瘤菌拌种，大豆子粒干重较对照（当地施肥水平）增加24.6%，产量提高9.75%[13]；施氮配合接种根瘤菌较仅施氮肥增产11.5%～46.3%，并能显著提高大豆根瘤数量、根瘤干重以及各器官和单株的干物质积累量[14]。本研究结果显示，减氮接种根瘤菌剂处理的参试大豆品种植株性状、结瘤性状、植株各器官干物质积累量均优于其CK，尤其是主茎节数、株高、根瘤数量、根瘤鲜干重、豆荚干重以及植株总干物质积累量增加显著；单株荚数和单株粒数较CK明显增多，产量增加9.81%～13.02%，经济效益提高14.27%～18.17%。可以看出，根瘤菌剂接种对黄淮海地区高蛋白夏大豆同样适用，既能改善大豆植株生长性状，增强根部结瘤能力，提高子粒产量和经济效益，又能减少氮肥施用，降低环境污染，有利于农业绿色可持续发展。

豆科植物与根瘤菌形成根瘤的过程是一个需要双方有关基因共同参与、相互识别、协同作用的复杂过程[15]，根瘤菌剂只有与宿主合理搭配才能使豆科植物获得最佳的固氮效果。本研究结果显示，同种根瘤菌对不同大豆品种的植株性状、结瘤性状、干物质积累量、子粒产量和经济效益影响程度不同，参试根瘤菌剂与齐黄34的适应性和匹配性较其他2个品种表现更优，也证实了根瘤菌与不同大豆品种的共生表型匹配性存在较大差异，这既与大豆品种本身的遗传特性有关，又与根瘤菌剂的品种选择性有关。前人研究[16，17]表明，相同根瘤菌菌种在大豆品种间表现出了极大的结瘤和固氮差异，同一大豆品种与不同地理来源的根瘤菌共生特性差别也很大，且随着大豆品种的不断更新，原有的根瘤菌更难以匹配和发挥作用。因此，我国根瘤菌剂的发展与大豆品种的更新应同步进行，只有筛选出与豆科作物品种匹配、固氮能力好、竞争结瘤能力强的优良菌株，才能真正发挥根瘤菌剂的应用效果。

本研究发现，根瘤菌剂接种对大豆根和茎的干物质积累量影响不显著，但明显提高了豆荚干重，植株总干重也因豆荚干重提高而显著提高，表明根瘤菌剂接种对生殖器官干物质积累的促进作用更为突出。究其原因，可能是大豆生长发育后期营养物质多向生殖器官转移积累，此时经过根瘤菌剂接种后的大豆植株根瘤数量多数达到峰值，固氮酶最多，固氮能力最强，从空气中固定的铵态氮素积累较多，从而促使养分向豆荚等生殖器官分配积累。这与张爱媛等[18]和徐玥等[19]的研究结果类似，表明与常规氮肥相比，根瘤菌与大豆通过共生固氮产生的氮素更易被植株吸收利用，根瘤菌剂接种提高了大豆的固氮能力和效率。

大量研究表明，根瘤菌剂接种可以减少肥料用量，提高大豆产量和效益[20～22]。本研究中，根瘤菌接种后，3个高蛋白夏大豆品种的产量及其构成因子均增加，尤其是单株荚数和单株粒数增加明显，增幅分别为20.76%～28.08%和23.29%～29.04%，产量提高9.81%～13.02%。氮肥减施50%+根瘤菌剂接种处理虽然生产成本与常规施肥处理相差不大，但大豆产值和经济效益明显增加，分别增加了1 683.33～2 436.83元/hm2和1 730.33～2 483.33元/hm2。表明参试根瘤菌剂在3个高蛋白大豆品种上应用均具有可行性，这对促进高蛋白夏大豆产量和效益提升，根瘤菌剂的推广应用，实现大豆绿色可持续发展具有积极意义；同时也表明根瘤菌与豆科作物的共生固氮作用具有巨大的发展潜力。值得注意的是，目前巴西、阿根廷、美国等国家根瘤菌剂生产已实现工业化和大面积推广应用，根瘤菌剂接种的大豆种植面积比例已高达70%～95%，不仅实现了化学氮肥零施入，且每年的经济效益均超过了25亿美元；而我国根瘤菌剂接种的大豆种植面积仅占1%～2%，与国外相比差距太大。因此，我们应积极借鉴国外成功经验，充分重视根瘤菌剂的固氮功能，加大相关研究力度，争取缩短与国外水平的差距，为我国大豆产业绿色可持续发展创造新途径。