磷肥對滴灌復播大豆生長發育、產量及經濟效益的影響

杜孝敬 符小文 黃紅梅 陳傳信 陳佳君 張永杰安崇霄 徐文修,?

(1新疆農業大學農學院,新疆維吾爾自治區烏魯木齊 830052;2新疆伊寧縣農業技術推廣中心,新疆維吾爾自治區伊犁 835100; 3新疆農業科學院糧食作物研究所,新疆維吾爾自治區烏魯木齊 830091)

大豆[Glycine max (Linn.) Merr.]既是重要的糧食作物,同時又是油料作物和飼料作物[1]。近年來,我國大豆種植面積逐漸減少,進口量逐年上升,積極發展復播大豆有利于緩解我國大豆產不供需的局面。新疆伊犁河谷部分地區每年冬小麥在6月底-7月初收獲后,仍有較多光、熱資源可以進行復播生產,其中當地主要的復種作物為大豆,復播大豆占北疆復播總面積的60%[2],且呈不斷擴大的趨勢。隨著復播面積的增大,農田全年化肥用量也隨之增加,加之長期以來農民重施氮(N)肥、輕施磷(P)肥的施肥習慣,以及目前氮肥利用率較低的現實[3],造成土壤氮素持續累積、磷素含量降低,尤其對自身具有固氮作用的大豆而言,過量施氮更易發生磷素的木桶效應,從而限制了復播大豆產量的提高和經濟效益的增加。因此,在前期研究[4]得出最佳施氮量的基礎上,進一步研究施磷量對大豆生長發育及產量的影響,探索出復播大豆合理的施磷量已成為亟需解決的問題。

磷是植物生長發育必需的三大元素之一[5],僅次于氮,是限制植物生長的第二大元素,影響作物的生長和發育,且對作物光合作用、碳水化合物的合成與運輸及產量形成、品質改善均有調控作用[6]。劉建中等[7]研究發現全世界有43%耕地面積缺磷,約有13.9 億hm2,我國嚴重缺磷的耕地面積約占總農田面積的三分之二[8]。據統計,我國農田磷肥施用量呈迅速增加趨勢,從1978年磷肥施用量的282.4×104t 增至2016年的1 565.7×104t(復合肥按照1/3 計算)[9],增加了約5.4 倍,我國已成為世界上最大的磷肥生產國和消費國[10]。前人研究表明,在一定范圍內隨著施磷量的增加,大豆葉片中的硝酸還原酶活性也隨之增大,從而促進了大豆對氮素的吸收,提高了氮素利用率[11]。低磷效基因型大豆在低磷處理下的總根長、根表面積及根體積均顯著小于高磷基因型大豆[12]。此外,不同施肥時期對大豆的影響也不同。吳明才等[13]認為,只要大豆生長前期吸收了較多的磷,即使在盛花期停止磷素的供應,大豆的產量也不會受到嚴重影響;蔡柏巖等[14]研究發現在開花期前,隨著磷肥的施入,鉀素吸收顯著增加,而在開花期后效果逐漸減小。目前,施磷對大豆影響的研究多是針對生育期較長的正播春大豆,而對生育期較短的復播夏大豆研究較少[15-16],且主要集中在耕作方式[17]、種植密度[18]和滴灌量[19]等方面,而關于見綠洲灌溉農業的復播大豆研究尚未見報道。為此,本研究針對伊犁河谷的氣候特點與土肥條件,在滴灌條件下研究復播大豆生長及產量對不同施磷量的響應,以期篩選出復播大豆滴灌條件下的最佳施磷量,為伊犁河谷復播大豆高產高效施肥技術提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本試驗于2016年7-10月在新疆伊寧縣農業科技示范園進行,該區域位于伊犁河谷中部(81°33′E、43°56′N),海拔約813 m,氣候溫和,日照時間年平均可達2 800 ～3 000 h,年均降雨量257 mm,年平均氣溫8.5℃。全年無霜期170～175 d。試驗區土壤為壤土,土地平整,0～20 cm 土壤耕作層基本理化性質為有機質1.54%、堿解氮90.9 mg·kg-1、速效磷7.8 mg·kg-1、速效鉀100 mg·kg-1、土壤pH 值8.04。

1.2 試驗材料及設計

供試品種為黑河45 號,由伊寧縣農業技術推廣中心提供。

試驗采用隨機區組設計。設5 個施磷水平(三料磷肥用量),即0(記作P0)、60(記作P1)、120(記作P2)、180(記作P3)、240 kg·hm-2(記作P4)。供試磷肥為三料磷肥(46% P2O5),磷肥作為基肥在播種前施入15 cm 土層。每個處理重復3 次,共15 個小區,每個小區面積為19.5 m2(3.9 m×5.0 m)。株距為6.3 cm,行距30 cm,灌溉采取滴灌方式,滴灌帶采用1 管2 行鋪設方式,即滴灌帶的間距為60 cm。全生育期灌水8次,共灌水4 200 m3。在大豆生長期間追施氮肥150 kg·hm-2,其他管理與當地大田一致。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 SPAD 值的測定 從苗期開始,每10 d 分別選擇晴天,在11：00-13：30 之間,用SPAD-502 型手持便攜式葉綠素儀(Minolta Camem 公司,日本),在每個小區測定5 株夾取主莖上的倒3 葉中間小葉片,測其SPAD 值。

1.3.2 大豆植株干物質的測定 從苗期開始,每10 d分別于各小區隨機選擇連續的4 株大豆進行破壞性取樣,剪去根系,將植株分為莖、葉片、葉柄和莢四部分,分別裝袋,于105℃烘箱中殺青30 min,降至80℃烘干至恒重并測其質量。

1.3.3 葉面積和葉日積 與干物質測定同步,采用打孔稱重法測定葉面積,按照公式分別計算葉面積指數(leaf area index, LAI)、葉日積(leaf area duration,LAD)：

式(2)中,LAI1、LAI2分別為時間t1、t2時測定的葉面積系數,單位為m2·d。

1.3.4 產量及產量構成因素的測定 大豆成熟后,在各小區隨機選擇連續的10 株大豆植株進行考種,分別考察單株莢數、單株粒數、百粒重。各小區進行實收測產,各處理的產量為3 次重復平均值。

1.3.5 磷肥偏生產力及磷肥農學利用效率的計算 按照公式分別計算磷肥偏生產力(partial factor productivity of phosphorous,PEPP,kg·kg-1)、磷肥農學效率( phosphorus agronomic use efficiercy, PAE,kg·kg-1)：

1.3.6 經濟效益的計算 按照公式分別計算純收益、總產值、總投入：

總投入包括農資、機耕和人工材料費等投入費用總和;2016年新疆大豆收購均價4 000 元·t-1。具體農資如表1 所示。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2010 進行數據處理并制圖;SPSS 19.0 進行統計分析。

表1 試驗地基本農資項目Table 1 Basic agricultural projects of the tested soil

2 結果與分析

2.1 施磷量對復播大豆葉綠素含量(SPAD 值)的影響

葉片SPAD 值與葉綠素含量呈正相關,SPAD 值能夠直接反映葉綠素含量,間接反映植株葉片的長勢[20]。由圖1 可知,不同施磷量處理對復播大豆SPAD 值的變化趨勢基本一致,隨著生育進程的推移呈先升高后降低的變化趨勢,且均在結莢盛期(苗后50 d)達到最大值。在出苗后30 d 前,以P2處理最高,且與P0、P1均差異顯著(P＜0.05),但與P3、P4均無顯著差異(P＞0.05)。這可能是由于施用過多磷肥降低了復播大豆生長前期對氮素吸收的速率,導致SPAD 值下降。在出苗后30 d,不同施磷量對大豆SPAD 值的影響變化不大,各處理之間均無顯著差異(P＞0.05)。說明施磷肥對復播大豆SPAD 值的影響較小,效果不明顯。

圖1 不同處理下復播大豆SPAD 值的動態變化Fig.1 Dynamic changes in SPAD value of summer soybean under different treatments

2.2 施磷量對復播大豆葉面積指數(LAI)的影響

由圖2 可知,不同施磷量條件下,大豆葉面積指數均隨著生育進程呈先升高后降低的變化趨勢,且均在鼓粒初期(出苗后60 d)達到最大。其中以P3處理的LAI 最高(5.36),較P0、P1、P2、P4分別高出28.45%、9.70%、6.28%、14.93%,且顯著差異(P＜0.05)。從全生育期來看,施磷各處理的LAI 均高于不施磷處理(P0),說明施磷肥能夠促進大豆葉面積指數的增加。在出苗后30 d 前,各處理之間葉面積指數無顯著差異(P＞0.05)。在出苗后30 d,施磷處理均與不施磷處理(P0)間顯著差異(P＜0.05),各處理的葉面積指數依次表現為P3＞P2＞P1＞P4＞P0。結果表明,適當增加施磷量有利于葉片的發育,獲得較大的葉片,進而增大群體葉面積指數,而不施磷或施入過多的磷肥則會起到相反作用。

圖2 不同處理下復播大豆葉面積指數的動態變化Fig.2 Dynamic changes in LAI of summer soybean under different treatments

2.3 施磷量對復播大豆生育階段葉日積的影響

由表2 可知,各處理的葉日積均隨著生育時期的推進呈先增加后降低的變化趨勢,且均在鼓粒期達到最高值,其中以P3處理最高,為95.98 m2·d,分別較P0、P1、P2和 P4高 30.37%、16.68%、3.27% 和18.01%。除開花期、結莢期外,P2與P3處理間無顯著差異,P1與P4處理無顯著差異,但P2與P3處理的葉日積均顯著高于P1和P4。各施磷處理在不同生育階段的葉日積及總和均顯著高于不施磷處理(P0),說明施磷可以顯著提高復播大豆光能利用率。除苗期外,各處理在各生育時期的葉日積及總和均依次表現為P3＞P2＞P1＞P4＞P0。結果表明,適宜的施磷量可以有效提高葉片的光能利用率,為復播大豆產量形成奠定基礎,而過高的施磷量會使葉片光合作用降低。

表2 不同磷肥施用水平下各生育階段葉日積的變化Table 2 Dynamic changes in LAD of summer soybean under different treatment/(m2·d)

2.4 施磷量對復播大豆干物質積累與分配的影響

由表3 可知,各施磷處理的單株干物質積累總量和各器官干物質積累量均表現為隨著施磷量的增加呈先增加后降低的變化趨勢,且均以P3處理最大,說明適量施磷能有效促進大豆各器官干物質積累量的增加,為大豆高產穩產提供充足的物質條件,但過多施用磷肥會抑制植株干物質量的積累。進一步分析各器官干物質積累量所占總干物質積累量的比例可知,隨著生育進程的推進,各處理的莖和葉柄所占干物質分配比例呈先增加后降低的變化趨勢,且除P4處理下莖的干物質分配比例外,均在結莢初期(苗后40 d)達到最大,分別在32.07%～37.17%和15.46%～17.59%之間;葉片干物質分配比例則隨著生育進程的推進呈逐漸降低的趨勢,出苗后30 d 前,各處理均在50.28%以上,出苗后30 d 后,植株葉片干物質分配比例減少,而莢果干物質分配比例大幅增加,自該時期后的物質分配中心逐漸向莢轉移,表明復播大豆開花期以前光合產物主要分配給莖、葉片等營養器官,用于大豆植株形態構建;開花期以后重心轉移到生殖器官上,為獲得高產奠定基礎。分析出苗后50 ～60 d 可知,各施磷處理隨著生育進程的推移,單株莢的干物質分配比例大幅上升,其莢生長速率以P3處理的最大,為0.88 g·d-1,分別較P0、P1、P2、P4處理增加0.10、0.10、0.01、0.09 g·d-1,說明適量的磷肥能夠促進莢粒生殖器官的快速生長,但不施磷或過多施用磷肥會起到抑制作用。

2.5 施磷量對復播大豆產量及磷肥利用效率的影響

由表4 可知,各施磷處理的實收產量均顯著高于不施磷(P0)處理,各施磷處理的平均實收產量為2 526.34 kg·hm-2,較不施磷增產22.70%,說明施磷肥均能夠有效增加復播大豆產量。對比各施磷處理的實收產量可知,實收產量隨著施磷量的增加呈先上升后降低的變化趨勢,且P2與P3處理無顯著差異,其中P3處理的實收產量最高,分別較P1和P4高14.60%和16.09%。進一步分析產量構成因素可知,各施磷處理之間的單株莢數和單株粒數均無顯著差異,但均顯著高于P0處理,說明施磷肥能夠增加單株莢數和單株粒數,但與施磷量關系不密切。P2與P3處理間的百粒重無顯著差異,但與其他處理均差異顯著(P ＜0.05),說明適當增施磷肥能夠促進大豆百粒重的增加,從而為大豆增產穩產提供有力條件。從總體趨勢看,隨著施磷量的增加,大豆磷肥農學利用效率及磷肥偏生產力均呈逐漸下降的趨勢,且各施磷處理間差異顯著。表明適當增加施磷量可以有效提高復播大豆的產量,而施磷量過多會導致減產,還會使肥料利用效率顯著降低,造成不必要的浪費。

2.6 施磷量對復播大豆的經濟效益的影響

由表5 可知,各施磷處理純收益均顯著高于不施磷(P0)處理,各施磷處理的平均純收益為3 910.33元·hm-2,較P0處理增加56.98%,說明施磷肥均能夠顯著的增加經濟效益。復播大豆總投入隨著施磷量的增加而增加,以P4處理的總投入最高,為6 765.0元·hm-2,各施磷處理的總產值、純收益及投入產出比均呈先升高后降低的變化趨勢,且均以P3處理最高,分別為11 222.9 元·hm-2、4 637.9 元·hm-2和1.71。對比各處理的總產值、純收益及投入產出比可知,P2和P3處理間無顯著差異,但均與P0、P1、P4間差異顯著。P0、P1、P2、P3和P4處理的純收益分別為2 490.9、3 606.7、4 452.4、4 637.9 和 2 944.3元·hm-2,其中P3處理的純收益較P0、P1、P2和P4分別提高86.19%、28.59%、4.17%和57.52%,說明適量施磷肥不僅可以提高大豆產量,還能節約成本,增加經濟效益。

表3 不同磷肥施用水平下復播大豆各生育期干物質積累與分配比例的變化Table 3 Change of dry matter accumulation and distribution proportion at different growth stages of summer soybean under different treatment/(g·plant-1)

表4 不同磷肥施用水平下復播大豆產量、產量構成因素及磷肥效率Table 4 Yield, yield components factor and phosphate efficiency of summer soybean under different treatment

表5 不同磷肥施用水平下的復播大豆經濟效益Table 5 Economic benefit of summer soybean under different treatment

3 討論

磷對作物的生長發育與新陳代謝起著十分重要的作用,其主要通過大豆的葉綠素含量和葉面積指數來影響葉片的光合作用及光合產物的積累,進而影響大豆產量的形成[21]。受大豆品種、地域氣候、當地土壤養分等條件的影響,學者們關于磷素對大豆葉綠素含量影響的研究結論并不一致。研究表明,隨著磷素供應的增加,大豆葉片葉綠素含量顯著升高,中磷和高磷處理均顯著大于低磷,但中磷與高磷之間差異不大[22]。但也有學者認為磷肥對大豆葉綠素含量的影響差異并不明顯[23],這與本研究結果基本相同。LAI是反映作物群體大小的動態指標,合理的群體葉面積是大豆高產形成的物質保證。大豆缺磷導致細胞分裂、光合作用和呼吸作用等代謝降低,減緩植株生長,導致葉片小,光合速率低,進而減緩植株的生長發育[24]。本研究中,各處理復播大豆LAI 在生長前期差異不明顯,苗后30 d 后各施磷處理復播大豆LAI 依次表現為P3＞P2＞P1＞P4＞P0,說明適宜的施磷量能夠對復播大豆生長發育起到促進作用,而不施磷或施過高磷肥則會抑制其生長。這與陳國興等[25]的研究結果相同,說明無論是盆栽條件還是大田條件,大豆LAI 均受磷肥的影響較明顯,適宜的施磷量能夠增強葉片的光合能力,促進大豆營養器官的生長。

在大豆生育期間,植株干物質積累量及其向各器官的分配比例是制約大豆產量的關鍵因素[17,26],而磷素營養對大豆干物質積累與分配起著非常重要的作用。研究表明,低磷會明顯抑制根瘤原基發育形成根瘤,減少大豆根瘤數量,顯著降低大豆的固氮能力,進而影響大豆干物質積累[27-28]。也有研究認為,施磷過多的條件下,大豆植株的結瘤數量減少[29],致使大豆植株吸收其他營養成分較慢,造成植株生長速度下降,進而降低大豆植株鮮重和干物質積累量。本研究與宋秀麗等[23]、蔡柏巖等[30]的研究結果基本一致。本研究中,大豆各生育時期適宜施磷處理的干物質積累及分配均優于不施磷處理,總體表現為P3＞P2＞P4＞P1＞P0。本研究還發現大豆苗后50 ～60 d,其莢生長速率以P3處理最大,為0.88 g·d-1,分別較P0、P1、P2、P4處理高0.10、0.10、0.01、0.09 g·d-1,說明過低的磷素無法滿足大豆植株的快速生長發育的需求,而過高的磷素供應會導致植株徒長,呼吸作用增強[1],養分大量消耗,反而使莢粒生殖器官的生長延緩,導致干物質積累及分配下降。因此,適當的施肥量才能促進大豆生殖器官的生長,為大豆的高產穩產奠定基礎。

施磷處理對大豆開花、成莢及營養物質向籽粒的轉運量、對籽粒的貢獻率具有一定效應[31],且在一定范圍內增施磷肥可增加大豆產量[32],但缺磷大豆植株體內的磷素調整能夠葉片中淀粉/蔗糖的值和光合產物的分配情況,因此缺磷會減少花數、減低成莢數量[24],進而影響大豆產量。而過量的施磷不僅會使作物貪青晚熟,產量減低[33-34],還會導致土壤富磷狀態,隨著徑流、淋洗等多種方式將磷素帶入水體,帶來水體富營養化的潛在威脅,造成農田土壤中磷的損失與磷肥資源浪費[35-36],這與本研究結果相同。本研究中,未施磷處理顯著降低了復播大豆有效莢數、有效粒數及百粒重,而過量施磷對大豆有效莢數和有效粒數影響較小,但會影響大豆百粒重,因此未施磷或過量施磷均不利于產量的形成。本研究還發現P3處理的純收益最高,為4 637.9 元·hm-2,較P0、P1、P2和P4分別提高86.19%、28.59%、4.17%和57.52%,說明適量施磷肥能明顯增加大豆產量及經濟效益,但超出范圍增施磷肥不僅會導致產量降低、成本增加,經濟收益也會減少。

4 結論

不同施磷量對滴灌復播大豆葉面積指數、干物質積累與分配、產量及經濟效益均存在一定影響,施磷量180 kg·hm-2(P3)為復播大豆生長發育、產量及經濟效益的轉折點,低于或超過這一節點對大豆產量形成及經濟效益均不利。然而,因各地的地力水平本身存在差異,故施磷量可根據當地實際情況進行測土配方稍作調整。綜合考慮,建議北疆麥后復播大豆施磷量控制在120～180 kg·hm-2之間。本研究結果距離精準施肥仍有一定的距離,還需要進一步縮小施磷量的梯度和探索不同大豆生育時期的施磷效果,以確定當地復播大豆的最佳的施磷量和施磷時期。