東北黑土區大豆生長、 結瘤及產量對氮、磷的響應

嚴 君， 韓曉增， 丁 嬌， 王 影

(中國科學院東北地理與農業生態研究所黑土區農業生態重點實驗室，哈爾濱 150081)

氮和磷是影響大豆生長的兩大重要元素。氮素是植物體內蛋白質、 核酸、 葉綠素和一些激素等的重要組成成分，是影響大豆生長發育的主要因素。磷是構成作物體多種重要有機化合物(如脂肪、 蛋白質、 核蛋白)的合成及參與能量傳遞的高能磷酸化合物的磷酸基團的組成成分，對根瘤的形成、 氮的固定、 氨的轉化以及氨基酸的形成具有重要的作用[1]。氮和磷對豆科作物共生固氮功能的促進作用主要是通過刺激寄主作物的生長，而間接影響根瘤的生長和功能[2]；也有研究認為它們是直接影響結瘤。Hellsten和Huss-Danell[3]研究表明，磷對苜蓿根瘤和數量的影響大于對地上和根系的影響，因此磷是直接影響苜蓿的結瘤和固氮。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

圖1 2011年大豆生長季內日降水量、 最低和最高溫度的變化Fig.1 Changes of daily rainfall, maximum and minimum temperature in soybean growth season in 2011

1.2 試驗設置

1.3 測定項目和研究方法

盛花期(7月15日)第一次取樣。每個處理隨機選擇3株大豆，取樣時將完整的大豆根系從土壤中取出，并從子葉痕處將大豆分為地上和根系兩部分。取大豆根系時，以大豆植株為中心，挖0.5 m × 0.5 m × 0.5 m的坑，以保證大豆根系的完整。取出來的大豆根系用水沖干凈后，先進行根瘤數量的調查。大豆的地上、 根系和根瘤先放在烘箱里105℃殺青30 min，然后60℃烘3 d至恒重。根瘤的大小為單個根瘤的重量，而結瘤指數為根瘤干重占大豆地上鮮重的百分比[9-10]。在成熟期時(9月20日)第二次取樣，每個處理選取2 m2長勢一致的大豆，用于大豆產量和株高、 株莢數、 株粒數、 株莢重、 株粒重、 百粒重等產量構成因子的測定。

1.4 數據統計分析

采用Excel 2003，DPS2000對試驗數據進行差異性分析，并計算LSD。

2 結果與分析

2.1 不同處理對大豆生長的影響

N0P0處理的SPAD、 株高、 地上和根系生物量最低(表1)。單施磷處理以N0P2處理的SPAD、 株高、 地上和根系生物量最大，較N0P0處理分別增加了2.9%、 0.8%、 17.6%和19.0%，處理間差異不顯著。單施氮處理中以N2P0處理的SPAD、 株高、 地上和根系生物量最大，較N0P0處理分別增加了3.0%、 2.0%、 35.5%和26.6%，其中氮對大豆地上和根系生物量有顯著的影響(P<0.05)。氮×磷交互作用下的大豆SPAD、 株高、 地上和根系生物量高于N0P0、 單施氮和單施磷處理，以N2P2處理的SPAD、 株高、 地上生物量最大，而根系生物量以N1P2處理最大，較N0P0處理增加了73.4%，但氮、 磷交互作用對大豆SPAD、 株高、 地上和根系生物量的影響處理間差異不顯著。

表1 氮、 磷及氮×磷對大豆R2期SPAD、 株高、 地上和根系生物量的影響Table 1 Effects of N, P and N×P interaction on SPAD, height, shoot biomass and root biomass of soybean at the R2 stage

注(Note): P代表磷肥處理 P stands for phosphorus treatment；N代表氮肥處理 N stands for nitrogen treatment；ns代表沒有顯著差異 ns stands for no significant difference.

2.2 不同處理對大豆結瘤特征的影響

單施磷處理的大豆根瘤數量、 干重、 大小和結瘤指數隨著施磷量的增加呈逐漸增加的變化趨勢，較N0P0處理分別增加了37%、 34%、 2%和14%，其中根瘤數量、 大小和結瘤指數處理間差異極顯著(P<0.01)。單施氮處理的大豆根瘤數量、 干重、 大小和結瘤指數在N2P0處理時最小，較N0P0處理分別下降了63%、 20%、 53%和43%，處理間差異極顯著(P<0.01)。氮、 磷交互作用對大豆根瘤數量、 干重、 大小和結瘤指數無顯著的影響(表2)，以N1P2處理的根瘤數量、 干重和結瘤指數最大，但較N0P0處理分別下降了34%、 41%和15%。N2處理下的根瘤數量、 干重和結瘤指數低于N1處理的，但大豆根瘤數量、 干重和結瘤指數均隨著施磷量的增加而增加，說明施磷能夠抵消氮對大豆結瘤的抑制。

表2 氮、 磷及氮×磷對大豆結瘤特征的影響Table 2 Effects of N, P and N×P interaction on nodular traits of soybean

注(Note): P代表磷肥處理 P stands for phosphorus treatment；N代表氮肥處理 N stands for nitrogen treatment；ns代表沒有顯著差異 ns stands for no significant difference.

單施磷處理下，N0P1處理的瘤重、 瘤數和地上生物量相對于總生物量的值最大，較N0P0處理分別增加了19%、 22%和0.3%，處理間差異顯著(P<0.01，表3)。磷對根瘤數量、 干重相對于總生物量的影響大于磷對地上和根系生物量相對于總生物量的影響，表明磷是直接影響大豆結瘤，而不是通過影響大豆生物量，而間接促進大豆結瘤。單施氮處理下，N0P0處理的瘤重、 瘤數、 根系生物量相對于總生物量的值最大，而N2P0處理的值最小，較N0P0處理分別下降了40%、 4%和15.3%，處理間差異顯著(P<0.01)。氮對根瘤數量、 干重相對于總生物量的影響大于氮對地上和根系生物量相對于總生物量的影響，氮亦是直接影響大豆結瘤。氮×磷交互作用下，N1P2處理的根瘤干重、 數量和根系生物量相對于總生物量的值最大，而地上生物量相對于總生物量的值最小；N1和N2處理下的根瘤干重、 數量、 地上和根系生物量相對于總生物量的值變化不大，差異不顯著，但隨著施磷量的增加，呈逐漸增加的變化趨勢，即施磷能夠緩解氮對大豆根瘤數量和干重的影響，兩者是相輔相成的。

表3 不同處理對根瘤數量、 根瘤重量、 地上和根系生物量相對于總生物量的影響(干重)Table 3 Nodule number, nodul weight, shoot and root biomass of soybean under different treatments (dry weight)

注(Note): P代表磷肥處理 P stands for phosphorus treatment；N代表氮肥處理 N stands for nitrogen treatment；ns代表沒有顯著差異 ns stands for no significant difference. 表中數據為各處理小區測定項目的總量除以該小區總生物量 The average data of listed items are the total amount of tested items divided by the total biomass of the plots.

2.3 不同處理對大豆產量和產量構成因子的影響

氮、 磷及其交互作用對大豆株高、 株莢數、 株粒數、 株粒重、 株莢重和產量均有影響(表4)。單施磷處理中的N0P2處理大豆株高、 株莢數、 株粒數、 株粒重、 株莢重和產量最大，較N0P0處理分別增加了10%、 51%、 6%、 6%、 13%和40%，其中株莢數和百粒重處理間差異極顯著(P<0.01)。單施氮處理促進大豆產量、 株高、 株莢數、 株粒數、 株粒重和株莢重的增加，其中N1P0和N2P0處理的大豆株高、 株莢數、 株粒數、 株粒重、 株莢重和產量均高于N0P0處理，與N0P0處理間差異極顯著(P<0.01)，而N1P0和N2P0處理間差異不顯著。氮、 磷交互作用下以N1P2處理的株莢數、 株莢重、 株粒數、 株粒重和產量最大，較N0P0處理分別增加了101%、 65%、 53%、 56%和74%，而大豆株高以N2P2處理最高，較N0P0處理增加了15%。N1處理下的大豆株莢數、 株莢重、 株粒數、 株粒重和產量高于N0和N2處理下的值；同一施氮處理下，大豆株莢數、 株粒數、 株粒重、 株莢重和產量均有隨著施磷量的增加，呈逐漸增加的變化趨勢。施用磷肥能夠促進大豆株莢數、 株粒數、 株粒重、 株莢重和產量的增加，但其增產效果低于氮肥對大豆產量的促進作用。

3 討論與結論

3.1 氮、 磷對大豆生長和產量的影響

表4 氮、 磷及氮×磷交互作用對大豆產量和產量構成因子的影響Table 4 Effects of N, P and N×P interaction on the yield and yield components

注(Note): P代表磷肥處理 P stands for phosphorus treatment；N代表氮肥處理 N stands for nitrogen treatment；ns代表沒有顯著差異 ns stands for no significant difference.

大豆對磷更有特殊的需求，脂肪和蛋白質、 核蛋白的合成都需要磷的參與[1]。缺磷顯著影響磷代謝產物的生成，降低大豆葉面積、 葉片數量、 節數和分枝數，減少相對出葉速率，阻止大豆植株對其它養分的吸收，從而導致大豆產量和品質下降[18-19]。然而過高的供磷水平會增強植株的呼吸強度，養分消耗更多，不利于植株的生長發育和產量形成[20-21]。適量施磷促進大豆葉面積指數，株高，生物量和產量的增加[22-23]。大豆產量對磷肥的反應與土壤速效磷含量有關，在黃沙土、 棕黃土的研究結果表明，土壤速效磷含量低于20 mg/kg時，施磷促進大豆產量的增加；在淋溶黑土和草甸黑土上，土壤速效磷含量在60 mg/kg時，施磷對產量無顯著的促進作用；土壤速效磷含量高于12 mg/kg時，施磷不能促進大豆產量的增加[24]。本研究中播前土壤中的速效磷含量為25.9 mg/kg，施用磷肥能顯著促進大豆生物量和產量的增加，但處理間差異不顯著。對大豆株莢數和百粒重的影響顯著。Gan等[25]通過田間試驗，得出氮、 磷交互作用能夠改善植株的氮素營養狀況，能在一定程度上延緩葉片和根系的衰老，促進葉片的生長，使整個生育期保持較高的葉面積指數、 比葉面積和冠根比，從而促進了干物質積累量及其向莢粒中的分配，單株莢數、 粒數、 百粒重和籽粒產量均有所增加，但氮、 磷交互作用對大豆生物量和產量的促進作用較單施氮和磷處理差異不顯著。本研究的結果與之一致，氮、 磷交互作用對盛花期大豆的SPAD、 株高，地上和根系生物量以及成熟期時大豆的株莢重、 株粒數、 株粒重和產量均無顯著的促進作用。

3.2 氮、 磷對大豆結瘤特征的影響

氮肥對根瘤形成和發育的影響，是通過對土壤無機氮濃度的影響來實現的，也就是說氮肥施入土壤后成為土壤無機氮的一部分，從而對大豆根系共生固氮系統直接產生影響[26]。適量施氮后根系中碳水化合物含量增加，促進了大豆的光合作用，從而有利于碳水化合物向根瘤和根系中的分配，有利于根瘤的產生和形成[27-28]。本研究中施氮抑制了大豆根瘤的產生和形成，并隨著施氮量(單施氮處理)的增加大豆根瘤數量、 干重、 大小和結瘤指數呈逐漸下降的趨勢，N2P0處理較N0P0處理分別下降了63%、 20%、 53%和43%。這可能是由于施氮后植株C/N比減小，供給根瘤的碳水化合物減少，從而影響根瘤的產生、 形成和發育。

磷是植物生長和所有細胞代謝過程中所必需的，而生物固氮過程是一個需要較高能量的過程，因此缺磷對豆科作物根瘤中的能量狀態有著負面影響[29]。大豆缺磷植株中向根瘤提供的碳水化合物減少，限制根瘤的產生和根瘤固氮酶活性[30]。而施磷通過促進根瘤原基的增加，促進根瘤的形成，從而有利于大豆根瘤的發育[18, 23, 31-32]。本研究中施磷后，大豆根瘤數量、 干重、 大小和結瘤指數顯著高于N0P0處理，且處理間差異極顯著(P<0.01)。此外施磷后，大豆根瘤數量和干重都有顯著的增加，表明該地區還是相對缺磷的，因此在實際生產中還是需要適時適量地施用一定量的磷肥。本研究中氮、 磷交互作用下大豆根瘤數量和干重無顯著的差異，與Gan等[25]在田間的研究結果一致，而在砂培條件下，氮、 磷交互作用對不同生育時期的大豆根瘤數量和干重均具有顯著的影響，這是由于砂培條件下氮、 磷交互作用顯著，而在田間條件下土壤的基礎肥力相對于砂培條件下高，因此氮、 磷交互作用體現不出來。

3.3 限制東北地區大豆結瘤和產量的關鍵性因素

磷對豆科作物結瘤、 固氮和生長均有影響，然而磷對共生固氮的特殊作用與其對作物生長的影響區別開來，也很難將磷對豆科作物生長和結瘤固氮的作用分開。有研究表明，磷主要是刺激寄主作物的生長，而間接影響根瘤菌的存活或根瘤的生長和固氮功能的發揮等[33-35]，也有研究認為磷是直接影響大豆結瘤和固氮的[36]。在我國東北冷涼地區，土壤肥力較高，但速效氮和磷養分有效性差，氮肥和磷肥對大豆根瘤數量、 干重、 大小和結瘤指數相對于總生物量的值顯著高于對地上和根系生物量相對于總生物量的值，也就說氮和磷是直接影響大豆結瘤特征的，而非通過促進大豆生長間接促進大豆結瘤的。其中氮比磷對大豆生長、 結瘤和產量的影響要顯著，因此氮是限制東北地區大豆生長、 結瘤和產量的主要因素。

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