根瘤菌剂和种衣剂拌种对不同品种大豆结瘤能力和产量的影响

邵玮玮，于淑婷，王 丽，尧水红，王天舒*

（1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2.中国农业科学院研究生院，北京 100081）

大豆是当今世界最重要的经济油料作物之一，近年来由于国内饲料蛋白需求的猛涨，大豆供不应求。据不完全统计，2018年中国的大豆供需缺口已然超过9000万t。因此，选用高产大豆品种并配以适宜的栽培管理措施，是提高大豆产量、减少进口需求的关键［1-2］。种子是农业生产的根本，有效地处理种子、提高播种出苗率并保障成苗生长，是提高作物产量和农业生产效率的重要措施。根瘤菌剂拌种能改变大豆结瘤能力，提高生物固氮量［3-4］；生物种衣剂能有效地减少根腐和孢囊线虫等病害［5-6］，保障大豆萌发出苗率［7-8］。因此，播种前用根瘤菌剂或种衣剂拌种是目前公认能稳产、增产的2种种子处理方式［8-10］。

根瘤菌剂拌种可通过共生根瘤将大气中的惰性氮素转化为大豆可利用的离子态氮，为大豆生长提供其所需氮素营养的50%～60%［11-12］；但因土壤类型和大豆品种的不同，根瘤菌剂拌种后结瘤匹配性和固氮能力存在着较大的差异，显著影响大豆的生产［13-14］。种衣剂作为我国重点推广的农业技术，在保苗防病、促产增收方面起到重要的作用［10，15］；但同样的种衣剂因大豆品种的不同，对防控逆境危害［15-16］以及提高大豆产量方面有显著的差异［17-18］。目前就根瘤菌剂［3-4，19］和种衣剂［8，17，20］拌种后的效益已有大量的研究，相同生物制剂在不同地域和不同大豆品种上效益差别显著，但在同一区域进行2种生物制剂（根瘤菌剂与悬浮种衣剂）的对比研究还比较少见。胥雅馨等［4］在南疆比较了3种根瘤菌对不同大豆品种结瘤能力和生长的影响；王金生等［19］在黑龙江研究了不同根瘤菌株的解磷能力，筛选出适用于不同地域土壤环境条件的根瘤菌剂；訾勇等［8］在河南比较了不同种衣剂对周豆18产量的影响；刘燕等［17］在东北对黑农系列的多个大豆品种进行生物种衣剂拌种试验并分析大豆产量及品质的变化；这些研究为大面积推广生物制剂的种子处理技术提供依据。

黄淮海地区是我国夏大豆主要产区之一，该区常年大豆种植面积为270万hm2左右，占全国大豆种植面积的1/3，在我国大豆生产中占据重要地位［2］。郑1307和齐黄34是黄淮海地区新育成的2个大豆品种，具有高产、抗病性好、适合机械化生产等特点［1，21］。诸多研究表明，生物制剂拌种后通过刺激根系生长，调节营养转化来影响生物活性，促使作物生长［22］；也有研究表明，生物制剂拌种通过改变根际环境来提高作物的出芽率和生产力［23-24］；但究竟是何种根际环境因素的变化与大豆的产量密切相关还不得而知。本文于河南省新乡市设置田间试验，分析根瘤菌剂和种衣剂拌种后2个品种大豆（郑1307和齐黄34）根际土壤环境、结瘤能力和产量性状的变化，探明区域不同生物制剂拌种后大豆结瘤及生产力的差异，并进一步揭示生物制剂拌种后根际环境因素变化对大豆产量的贡献。研究结果为黄淮海地区大豆种子处理方式的优化和合理配置田间栽培管理技术提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于河南省新乡市中国农业科学院实验基地（38°19′N，113°53′E）进行。该试验区域属暖温带大陆性季风气候，年平均气温14℃，年均降水量578 mm。供试土壤为典型潮土，试验开始前该区域0～20 cm土层土壤的理化性质为：pH 7.82、有机碳17.99 g·kg-1、全氮1.36 g·kg-1、有效磷42.5 mg·kg-1、速效钾150 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验于2020年6～10月开展，以大豆品种郑1307和齐黄34为试验材料，设置对照（不拌种）、根瘤菌剂拌种（奥龙奇康牌大豆根瘤菌剂，含大豆慢生根瘤菌1010CFU·mL-1）和悬浮种衣剂拌种（精歌牌6.25%精甲霜灵·咯菌腈悬浮种衣剂）3个处理，每个处理4次重复，采用裂区设计，主区品种，副区是拌种处理。试验区占地1.15 hm2，各品种的处理小区面积为48 m2（长6 m、宽8 m）。

根瘤菌剂和悬浮种衣剂分别按10和5 mL·kg-1的剂量对供试材料进行拌种，拌种后摊开晾干，3 d内播种完毕。大豆种植行距40 cm，株距11 cm，区域留苗密度为23万株·hm-2。于2020年6月22日人工点播，9月27日收获。田间肥料管理为国家大豆产业技术体系推荐施肥量（N∶P2O5∶k2O为15∶15∶15，150 kg·hm-2），种肥同施；水分管理根据作物生长需求合理灌溉；病虫草害以物理和生物防治为主，适当补充低毒农药。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 根际土壤环境因子

于9月27日大豆收获时，每小区选取6株大豆，用铁锹在离茎部约15 cm处垂直下锹约20 cm，带土挖出大豆，轻轻压碎并抖落松散的土壤，收集附着于根系上的土壤，测定其理化性质，测定方法如下：采用pH计测定土壤pH；土壤含水量采用烘干法；土壤有效磷和速效钾分别采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法和NH4OAc浸提-火焰光度法测定；土壤总氮、有机碳含量采用元素分析仪Vario MACRO cube（Elementar）测定；无机氮（铵态氮和硝态氮）含量用1 mol/L KCl浸提，流动分析仪测定。

1.3.2 根瘤数目和鲜、干物质量

于8月8日大豆盛花期（R2）采集根瘤样品，每小区随机选取6株大豆植株，连根挖起，将根瘤全部取下，计根瘤数、鲜重和干重。

1.3.3 大豆农艺性状及产量构成

在大豆成熟期（R8）每小区选取连续的10株大豆考种，记录单株干物质重、株高、底荚高度、有效分枝、主茎节数、单株有效荚数、有效粒数、百粒重、秸秆重；取5整行测产，晒干扬净后称重，折算成秸秆量与产量。

1.4 数据分析

用Excel 2019对试验数据进行整理，用SPSS 19.0对不同拌种处理下大豆的根际土壤环境因子、结瘤能力、农艺性状和产量进行单因素方差分析（P＜0.05），LSD法进行均值比较，用OriginPro 9.1对土壤养分进行作图；用SPSS 19.0进行产量性状与根瘤的相关性分析；用R对大豆土壤养分、结瘤能力及产量等农艺性状进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 大豆根际土壤环境

大豆根际土壤环境因田间拌种剂的使用而发生变化，且在2个供试大豆品种间产生差异（图1）。与不拌种的对照处理相比，郑1307拌根瘤菌剂后，根际土壤仅含水量下降11.04%；但拌悬浮种衣剂后，郑1307根际土壤pH与对照处理相比增加1.14%，无机氮含量显著降低12.67%；在2种种子处理方式下（根瘤菌剂拌种和悬浮种衣剂拌种），郑1307根际土壤的速效钾、有效磷与全氮含量与对照处理相比差异均不显著。然而，与对照处理相比，齐黄34拌根瘤菌剂后，根际土壤含水量、速效钾和无机氮含量均显著降低，分别下降7.28%、12.87%和12.74%；拌悬浮种衣剂后齐黄34根际土壤与对照处理相比，pH增加1.37%，有效磷、无机氮和全氮则分别降低16.28%、19.60%和10.86%。

图1 不同大豆品种根际土壤环境因子变化

2.2 大豆结瘤能力

根瘤数、根瘤鲜重和根瘤干重是表征大豆结瘤能力的3个常见指标。在拌种处理后，郑1307和齐黄34的结瘤能力在田间表现为：根瘤菌剂＞对照＞悬浮种衣剂（表1）。根瘤菌剂处理的郑1307根瘤数、根瘤鲜重与对照相比分别增加6.67%、2.27%；而齐黄34根瘤菌剂拌种后根瘤数、根瘤干重和鲜重较对照分别增加22.73%、23.47%和8.33%；根瘤菌剂拌种可增加大豆根系根瘤数和根瘤鲜、干重，且这一增加效应在齐黄34上的表现优于郑1307。悬浮种衣剂拌种在一定程度上降低了大豆的结瘤能力。经悬浮种衣剂处理后的郑1307根瘤数、鲜重、干重比对照分别降低25.00%、21.59%、14.29%；而齐黄34在悬浮种衣剂拌种后，根瘤数、鲜重、干重比对照也分别降低22.73%、25.51%、25.00%；但齐黄34的大豆结瘤鲜重高于郑1307。

表1 根瘤菌剂和悬浮种衣剂拌种后大豆结瘤能力变化

2.3 大豆农艺性状和产量

郑1307和齐黄34的农艺性状在田间表现出一定差异，齐黄34株高显著低于郑1307，但根系和秸秆生物量则高于郑1307（表2）。此外，如表2所示，在使用2种生物拌种剂后大豆农艺性状发生了一定程度的变化。与对照相比，郑1307在拌根瘤菌剂或悬浮种衣剂后，株高和根系生物量增加，秸秆生物量降低；而齐黄34对根瘤菌拌种处理较为敏感，与对照相比根瘤菌剂拌种后，其株高、底荚高度、有效分枝和根系生物量均有所增加，增加量分别为12.47%、18.16%、100%和18.54%；但悬浮种衣剂处理后，齐黄34仅底荚高度和根系生物量较对照增加38.78%和2.98%。

表2 根瘤菌剂和悬浮种衣剂拌种后大豆农艺性状的变化

表3为不同处理条件下2个供试品种的产量及其构成的差异。郑1307有效荚数在3个处理中依次表现为根瘤菌剂≥悬浮种衣剂＞对照，有效粒数依次表现为根瘤菌剂＞悬浮种衣剂＞对照。与对照相比，根瘤菌剂拌种后，郑1307有效荚数和有效粒数分别增加69.23%和59.02%；而悬浮种衣剂拌种后，郑1307的有效荚数和有效粒数分别增加61.54%和45.90%；但郑1307百粒重在根瘤菌剂和悬浮种衣剂拌种后，分别降低3.12%和3.00%；因此，本研究中的2种生物拌种剂对郑1307增产效益并不显著（表3）。

表3 根瘤菌剂和悬浮种衣剂拌种后产量构成的变化

齐黄34 的有效荚数和有效粒数在3个处理中均表现为根瘤菌剂＞悬浮种衣剂≥对照。根瘤菌剂拌种后，齐黄34百粒重与对照相当；但有效荚数和有效粒数则分别增加81.82%和79.66%。因此，齐黄34在根瘤菌剂拌种后，产量与对照相比增加15.22%。悬浮种衣剂拌种处理中齐黄34的有效荚数、有效粒数和百粒重均与对照相当。因此，悬浮种衣剂拌种后，齐黄34产量相对稳定。

2.4 大豆产量影响因素分析

大豆结瘤能力与农艺性状指标和产量的相关性分析见表4。由表4可知，表征大豆结瘤能力的3项指标（根瘤数、根瘤鲜、干重）均与底荚高度呈显著负相关，但与有效分枝数呈极显著正相关；根瘤数及根瘤鲜、干重与根系生物量、秸秆生物量和产量也在一定程度上正相关。大豆结瘤能力与其生物性状和产量指标的相关性结果说明：根系结瘤能力增强，根系生物量增加，从土壤中吸收更多养分供给植株和地上部生长，从而作物有效分枝数、秸秆生物量增加，产量也得到提高。

根瘤菌和种悬浮衣剂拌种后2个供试品种的根际土壤环境、大豆农艺性状和产量构成的主成分分析结果显示，2个供试品种（郑1307和齐黄34）在PC1方向显著分开（图2a）。造成郑1307和齐黄34区分的主要因素有：结瘤能力指标（根瘤数、根瘤鲜、干重）、大豆根系生物量、秸秆生物量、百粒重、根际土壤全氮、有效磷和pH（图2b），PC1的贡献率为26.80%。主成分分析结果既验证了表4相关性分析的准确性，又进一步说明了2种生物制剂在提高结瘤能力、促进增产上的效果，在齐黄34上优于郑1307。由图2还可知，齐黄34的田间处理在PC2方向能显著区分开，PC2贡献率为18.84%。造成PC2差异的主要因子有：株高、主茎节数等农艺性状指标，有效粒数、有效荚数和百粒重等产量构成指标和土壤pH。因此，根瘤菌和悬浮种衣剂拌种对齐黄34影响的最大区别在农艺性状和产量上。

表4 大豆结瘤能力指标与农艺性状和产量构成指标的相关性分析

图2 大豆土壤养分与生物性状主成分分析

3 讨论

种子经生物制剂处理后其稳产、增产性能受大豆品种、根系结瘤能力和根际环境等诸多因素的影响。姚延轩等［24］在文献综述中指出，微生物菌剂的使用可改变根际土壤环境；郝剑霞等［25］研究发现，单一的根瘤菌剂或大豆生长促进剂拌种后不仅显著地增加根际土壤全磷含量，且这一增加效应在2种生物制剂间也存在显著差异。本文的研究同样也发现，不同的生物制剂对根际土壤环境的改变效果不一样，郑1307拌根瘤菌剂后根际土壤仅含水量下降，但拌悬浮种衣剂后其根际土壤pH增加，碱解氮含量显著降低；此外，不同大豆品种对2种生物制剂的反应也有显著的差别，齐黄34拌根瘤菌剂后根际土壤含水量、速效钾与碱解氮含量均显著降低，但拌悬浮种衣剂后其根际土壤pH增加，有效磷、碱解氮和全氮含量则降低。

豆科植物根系与外源或土壤中的根瘤菌相互作用，形成具有固氮能力的根瘤。本研究中，齐黄34接种根瘤菌后根瘤数、根瘤鲜重均高于不拌种的对照处理，这与前人的研究结果一致［26］；然而郑1307在根瘤菌拌种后根际碱解氮和全氮含量以及根瘤数和根瘤鲜、干重与不拌种的对照相当，这说明该品种在接种根瘤菌后大豆结瘤能力并没有显著变化。因此，尽管根瘤菌拌种能促进大豆根系发育，增加根部有效的根瘤，提高单株根瘤数和根瘤鲜、干重［27-28］，但根瘤菌拌种对大豆结瘤能力的增加效应，也因大豆品种和根际土壤氮素的供应能力而产生差异。在包括豆科作物在内的所有作物中，大豆需氮量最大［29］，为满足大豆的高氮量需求，其既能利用根瘤固氮，又需吸收土壤氮。本研究结果发现，2个供试品种大豆结瘤能力在拌悬浮种衣剂的条件下与不拌种对照相比并没有显著增加，这与薛英会［30］研究的种衣剂可增加大豆根瘤数的结果有所差别，这可能是因为种衣剂提高了土壤pH，在一定程度上抑制了根系结瘤的能力。此外，悬浮种衣剂拌种能促进大豆根系生长（根系生物量增加），增强植株对土壤氮的吸收能力。本试验悬浮种衣剂拌种条件下，齐黄34和郑1307根际土壤无机氮的显著下降也间接证明了这一结论，但这一种子处理方式调控大豆吸氮能力的途径和机制还需进一步深入研究。

干物质作为光合作用最终积累形成的产物，地上和地下部干物质的积累与分配直接影响作物的产量［31］。本研究发现，2种生物制剂拌种后2个品种大豆根系干物质生物量显著增加，且根瘤菌剂对根系生长和产量的促进效益要优于悬浮种衣剂。根瘤菌剂拌种后，郑1307和齐黄34的株高、主茎节数和根系生物量的农艺指标和有效粒数、有效荚数等产量性状显著增加，这与前人的研究结果［27，32］一致。不同拌种剂在同一大豆品种上会产生不同的效应［8］，在本试验条件下悬浮种衣剂拌种没有增产效果。本研究结果发现郑1307和齐黄34在悬浮种衣剂拌种后农艺性状和产量等变化不明显，而生物制剂拌种后根际土壤环境、大豆农艺性状和产量构成的主成分分析结果也进一步说明，根瘤菌剂拌种可以显著地改变株高、主茎节数等农艺性状指标，发挥增产效益；而悬浮种衣剂则通过影响土壤pH等根际环境指标，调控根系对养分的吸收利用，起到稳产的效果。

4 结论

2种生物制剂拌种均显著改变根际土壤环境，且其对根际土壤环境的改变，因生物制剂类型和大豆品种不同而存在显著差异。郑1307拌根瘤菌剂后根际土壤仅含水量下降，但拌悬浮种衣剂后其根际土壤pH增加、无机氮含量显著降低。齐黄34拌根瘤菌剂后根际土壤含水量、速效钾与无机氮含量均显著降低，但拌悬浮种衣剂后其根际土壤pH增加，有效磷、无机氮和全氮则降低。

根瘤菌剂拌种增加根系结瘤、促进根系干物质积累的能力在大豆品种上表现不同，齐黄34接种根瘤菌后促进根瘤和根系生长的能力优于郑1307。种衣剂拌种不改变根系结瘤能力，但促进大豆根系生长，增强植株对土壤氮的吸收，从而保障大豆的产量。综上所述，2种生物拌种剂均通过改变根际土壤环境、调控根瘤和根系的生长，影响地上部的农艺性状，但根瘤菌剂对产量的提高效果优于悬浮种衣剂，其具体调控途径和机制还需进一步深入研究。