半湿润偏旱区水肥耦合对大豆产量的影响

张洁 田文仲 黄向荣 郭建秋 丁志强 李俊红 李林 李芳 常丽丹 亢江飞 姚宇卿 吕军杰

摘 要 以洛阳市农林科学院长期定位14 a（2004年始）的水肥耦合试验为平台，于2017-2020年连续4 a采用二次饱和D—最优试验设计，对大豆产量及成产因素进行测定分析。探明半湿润偏旱区不同降水年景下大豆对水肥耦合的响应，为实现大豆增产及水分利用提供理论依据。结果表明：在大豆生育期干旱发生不同的4 a，2017年苗期—花期，2018年荚期，2019年盛花期，2020年鼓粒期，大豆的产量趋势一致，同一年度产量随灌水量的增加而增加，在本试验条件下大于383 mm灌水能打破干旱的约束，可满足大豆的生长，使产量显著增加；氮肥对产量的影响较平缓，大体趋势是升-降-升-降，以N90 达最大值。磷肥对产量影响更平缓，趋势与氮肥一致，4个年度以P84产量最高。3个因素影响大小为水>氮肥>磷肥。有效荚数对水肥的响应较敏感，百粒质量对水肥的响应较平稳。不同年景不同时期的干旱对大豆产量的影响要素不同，盛花期的干旱对有效荚数影响较大，荚期干旱对百粒质量影响最大，鼓粒期对产量影响较小；生产上应重视大豆花期和荚期的水分供应。

关键词 水肥耦合；大豆;产量；成产因素

大豆是中国重要的粮油饲兼用作物，在农业和工业生产中占据着重要地位[1]。近2 a，在新冠肺炎疫情反复和国际环境不确定的背景下，大豆和油料作物的进口受到冲击，安全风险进一步加大。想要扭转大豆、油料作物依赖进口的局面，就必须扩大大豆和油料作物种植生产，提高自给率。

大豆是黄淮海区的主要作物之一，常年种植面积在270万至750万hm2，占全国大豆种植面积的30%～60%；产量在20亿至50亿kg，约占中国大豆总产的35%左右，是僅次于东北的第二大豆主产区[2]。大豆是典型的短日照作物，多数品种对生长季节的光照长度非常敏感，一个品种很难适应不同纬度的种植要求。‘洛豆1号是洛阳市农林科学院选育的高产、多抗大豆新品种，2006年以‘徐豆9号为母本、‘周豆11号为父本选育的新品种。2017年经河南省农作物品种审定委员会审定，审定编号为豫审豆2017001[3]。

豫西位于黄土高原东南缘，属暖温带半湿润偏旱气候区，由于受季风气候的影响，降水量年际间变化波动较大，且降水季节分布不匀，60%～80%的降雨集中在7-9月，大豆生长季节虽雨水偏多，但干旱时有发生，不同年份干旱发生的时期不同，干旱是制约大豆增产的主要因素之一。在大豆生长过程中，不同生育期干旱对产量的影响不同，郝瑞莲等[4]对夏大豆的研究表明，结荚至鼓粒期>开花至结荚期>鼓粒至成熟>分枝至开花期>幼苗至分枝期；谢甫绨等[5]指出，大豆开花期初期受旱其减产幅度比鼓粒期大；邹文秀等[6]研究认为，结荚期干旱是造成大豆减产的原因。大豆生长对氮肥的需求量较高，主要来源为生物固氮、土壤氮素和氮肥，仅靠土壤氮素和生物固氮的供给不能满足大豆对高产的营养需要[7]。磷素是大豆生长发育中的重要元素，适宜施磷能提高大豆的产量和品质[8-9]，施用磷肥能使作物提前开花，促进早熟[10]。大豆产量的形成是大豆的遗传特性和水、肥、气、热、光等外在环境因素综合作用的结果[1]，水肥是最易被人们控制的因素，中国自“八五”计划以来，将“旱地农田水肥交互作用及耦合模式研究”作为重点攻关专题，通过多学科的联合攻关，取得重要的结论和成绩[11-13]，近年来水肥耦合的研究又在有限灌溉、保护地等以及农作物和经济作物展开，为农业生产提供了科学的水肥利用模型和指导。水肥耦合对大豆生长发育影响的研究较少，也仅局限在水氮互作对大豆产量的影响，基本上以1 a或2 a试验为例而得出结论[14-18]，长期定位研究水肥交互作用下的动态变化尚未见报道，本试验以洛阳市农林科学院长期定位（2004年始）的水肥耦合试验为平台， 2017-2020年连续4 a研究不同水肥和不同年景大豆产量和成产因素的表现，为充分发挥新品种的增产潜力和推广提供栽培技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于洛阳市，该区年均辐射量  491.5  kJ/cm2，年均气温14 ℃，日平均温度超过10 ℃的时间约210 d，积温达4 000 ℃，年蒸发量  1 872.1 mm，多年平均降水量637.1 mm。试验在洛阳市农林科学院防雨棚内进行，小区为  1 m×2 m的无底型水泥池，池两侧覆有防水膜，遇雨盖棚。土壤为褐土，耕层体积质量为1.53   g/cm3，土壤耕层有机质15.8 g/kg，pH 8.1，碱解氮（N） 62.7 mg/kg，速效磷（P） 10.4  mg/kg，速效钾（K） 166.0 mg/kg。

试验期间2017－2020年大豆生育期降水量与常年降水量（364.3 mm）相比（图1），2017年 （315 mm） 和2020年（228.1 mm）年较低，2018年（410.8 mm）和2019（437.2 mm）年较高；降水量极不均匀，且受降水量的时效性和多少的影响，不同年份大豆生育期干旱的时期和程度不同。2017年苗期—花期，2018年荚期，2019年盛花期，2020年鼓粒期。试验期间气温与光照均比常年略高，无极端天气出现。

1.2 试验设计与方法

试验始于2004年，已持续进行18 a。试验包含3个因素，即灌水量（代码为A）、施氮量（代码为B）与施磷（P2O5）量（代码为C），因素A以洛阳20 a（1971—1999年）的降雨量为依据，以每月占年平均降雨量的加权值进行分配，每月均有灌水，具体试验方案见表1。供试大豆品种为‘洛豆1号，播种日期为6月10日-14日，收获日期为10月6日-10日，种植密度18.75万株/hm2。供试肥料：氮肥为尿素（含N 46%），磷肥为过磷酸钙（含P2O513%），肥料作基肥一次性施入。前茬作物为冬小麦‘洛旱7号。

1.3 测定指标

产量及主要成产因素：大豆籽粒完全成熟后，按小区单收单计产，并测定百粒质量，随机取10株调查有效荚数。

2 结果与分析

2.1 不同处理对大豆产量的影响

4 a各处理大豆产量表现趋势基本一致（表2），即随灌水量的增加而增加。以灌水383 mm平水为界可分为3个水平，小于383 mm为欠水，大于383 mm为丰水，均为丰水>平水>欠水，且产量差异显著，而同一灌水水平之间产量差异不显著。说明在本试验条件下，大豆对水分的敏感性大于肥料，这与希克斯等[19]和韩晓增等[20]的研究一致；4个年度丰水处理的产量一致；平水处理2017年和2020年处理间产量大小顺序相同，而2018年和2019年不同，欠水3个处理4 a间除2019年外，其他年度均表现相同。说明大豆的生长不仅受各处理的试验小环境影响，大环境影响也很大[21]，水和肥的交互是复杂的，年际间因气候不同水肥的响应亦不同。

从4 a大豆产量平均值看，产量分6个梯度，产量差异显著，以水分为主导因素。在水分和磷肥相同的情况下，丰水（处理4和6）和欠水（处理3和5）N肥高的产量高，平水（处理9和处理10）则相反，平水两个处理是氮肥施用量的两个极端，产量波动较大，但同一灌水水平间产量无差异；在水分和N水平相同情况下（处理1、2、11），不同施磷量间呈现P112>P0>P56，产量无差异。不施磷处理产量高的原因是大豆生长发育进程较晚，避开了不利因素，成熟晚。

2.1.1 大豆产量对灌水的响应 大豆生长需水量较多，生产1 kg大豆籽粒，耗水量达2 kg[19]。在一定的水分范围内（300 mm～700 mm）随着耗水量增加产量明显增加，二者极显著相关，干旱或水分過多均导致产量降低[18，20]。灌水量对大豆产量的影响见图2，大豆产量随灌水量的增加而升高， 2017年产量差异达显著水平，其他年度产量差异达极显著水平。灌水量5水平4 a平均产量由小到大为570.5 kg/hm2、1 034.2   kg/hm2、  1 463.6 kg/hm2、2 599.2 kg/hm2和  2 950.4 kg/hm2，产量变化总体一致，灌水量从223 mm到383 mm直线上升，383 mm到496 mm产量陡然上升 ，增产幅度较大，而后增加缓慢，说明在本试验条件下大于383 mm灌水能打破干旱的约束，可满足大豆的生长，增产显著。

2.1.2 大豆产量对氮肥的响应 大豆生长对氮肥的需求量较高，在一定施氮范围内随着施氮量的增加产量随之增加，施氮量高于某值时产量增加不明显[14-15]。4个年度不同施氮大豆产量差异均达显著水平，2020年产量差异达极显著。从图3看，氮肥对产量的影响较平缓，大体趋势是升-降-升-降，以N90产量最高。

2.1.3 大豆产量对磷肥的响应 磷素是大豆生长发育中的重要元素，适宜施磷能提高大豆的产量和品质。从图4可见，磷肥对产量影响更平缓，4个年度大豆产量差异仅2019年未达显著，其他年份均差异显著，均以P84产量最高。3个因素对产量影响表现为水>氮肥>磷肥，与郭亚芬等[16]和王景伟等[17]研究结论一致。

2.2 不同处理对大豆主要成产因素的影响

2.2.1 对有效荚数的影响 4个试验年度有效荚数的变化见表3。每个年度有效荚数差异均达极显著水平，年度间表现稍有不同，但总体仍以水分为主导因素。2017年因前期干旱严重，其他生育期均有轻微干旱发生，有效荚数分为3级，即丰水>平水>欠水；其他年份因干旱时期不同为多级表现。4 a平均值有效荚数与灌水量水平一致，分为5级，随灌水量的增加而增加，且差异显著。有效荚数不同年度平均，表现为2020年（33.4）>2018年（26.8）>2019年（25.1）>2017年  （24.8），说明盛花期的干旱对有效荚数影响较大。这与孙海锋等[22]研究一致，生产上应重视大豆花期前的水分供应。

灌水量对大豆有效荚数的影响见图5，各年度有效荚数随灌水量的增加而升高且差异显著。氮肥对大豆有效荚数的影响见图6，随施氮量增加呈升-降-升-降的变化趋势，各年度最高有效荚数略有不同，2017年和2019年以N15最高，而2018年和2020年以N90 最高，说明有效荚数的多少不仅受水肥影响，受当年的气候影响也很大；2020年有效荚数差异显著而其他年度无差异。磷肥对大豆有效荚数的影响较平缓（见图7），有效荚数2020年以P112最高且水平间差异显著，其他年份均以P84最高且无差异。前期干旱对有效荚数影响较大，水分为主要限制因素，肥料效应不明显。

2.2.2 对百粒质量的影响 4个年度百粒质量的表现见表4，每个年度的百粒质量与灌水量不一致，方差分析显示百粒质量差异均达极显著水平；多重比较表明每个年度表现不同。从4 a平均值结果看，丰水处理的百粒质量较高，灌水最小水平的百粒质量最小，而其他处理则无规律，说明百粒质量受水肥共同的影响，百粒质量对水、氮肥和磷肥的响应不敏感。不同年度百粒质量平均2017年（23.0 g）>2019年（21.0 g）>2020年（18.9 g）>2018年（16.7 g），2018年荚期干旱对百粒质量影响最大，2020年鼓粒期干旱对百粒质量影响次之，2017年因前期干旱有效荚数少，百粒质量最高，说明荚期干旱对百粒质量影响大，大豆生育期应注意荚期水分的补充。[FL）]

3 讨  论

水肥是影响大豆生长发育的主要因素，二者相互作用共同对作物产量产生影响[23]。大多数旱棚试验和盆栽试验的结果都表明，水分是作物增产的第一限制因子[11-13]。4 a试验结果表明，  3因素影响表现为水>氮肥>磷肥，大豆产量随灌水量的增加而升高，383 mm到496 mm产量增产幅度较大，而后增加缓慢，说明在本试验条件下大于383 mm灌水能打破干旱的约束，可满足大豆的生长，使产量显著增加。氮肥对产量的影响较平缓，大体趋势是先升后降，以N90 达最大值。磷肥对产量影响更平缓，4个年度以P84产量最高。水分与磷肥、氮肥的耦合效应有待进一步研究。

有效荚数对水肥的响应与产量一致，表现为水>氮肥>磷肥，其中水肥对百粒质量影响较小。长期定位水肥试验的实施，以及试验条件的限制，试验小区对大气候的响应更敏感。不同年景不同时期的干旱对大豆产量的影响因素不同，盛花期的干旱对有效荚数影响较大，荚期干旱对百粒质量影响最大。‘洛豆1号在此试验条件下仍有较高的产量，说明该品种抗逆性较强，生产上除常规的病虫害预防外，应重视大豆花期和荚期的水分供应。

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Effect of  Water-Fertilizer Coupling on Soybean Yield in Semi- Humid to Semi-Arid Region

Abstract Based on the long-term water-fertilizer coupling experiment conducted by the Luoyang   Academy of  Agricultural and Forestry Sciences for 14 years（from 2004），the quadratic saturation D-optimal experimental design was used for four consecutive years from 2017 to 2020 to analyze the soybean yield and its yield components.This study aimed to provide a theoretical foundation for increasing soybean yields and efficiently managing water resources in semi-humid to semi-arid regions.The results showed that consistent trends in soybean yield over the four years，with higher irrigation levels leading to increased yields during different growth stages.Under the experimental conditions，irrigation exceeding 383  mm alleviated droughtconstraints，promoting soybean growth and significantly increasing yields.Nitrogen fertilizer exhibited a relatively gentle effect on yield，generally following an increase-decrease-increase-decrease patterns，with the maximum yield achieved at N90 .Phosphate fertilizer also had a mild effect on yield，typically following an increase-decrease-increase-decrease pattern，with the highest production observed at P84  The influence of the three factors ranked as water>nitrogen fertilizer>phosphorus fertilizer.The influence of three factors was water>nitrogen fertilizer>phosphorus fertilizer.The effective pod number proved to be sensitive to the effect of water and fertilizer，while the effect of water and fertilizer on 100-seed mass remained stable.Different years and growth stages of drought had varying effects on soybean yield.Drought during full flowering stage had a greater effect on the number of effective pods，while drought druing the pod stage had the greatest effect on 100-grain mass.Drought during bulging stage had a little effect on yield;in practical production，special attention should be paid to providing the adequate water during flowering and pod stages of soybean growth.

Key words Water-fertilizer combination;  Soybeen;  Yield; Yield component factor