水氮耦合對蕓豆生理及產量的影響

李 婷，周 旭，劉春梅，王孟雪

(黑龍江八一農墾大學 農學院，黑龍江 大慶 163000)

水肥是影響作物生長發育的重要因子[1]。水分是作物生長的必要條件，同時也是化肥溶解所必需的，而且營養向根系表面遷移和根系吸收養分的過程都必須有水分的參與[2]。合理的水氮管理有利于作物的生長發育和產量形成[3]，而不合理的灌溉和施肥不僅造成水資源的浪費，而且還會造成農業面源污染，破壞生態環境。合理的水氮運籌光合速率和硝酸還原酶活性較高，促進產量增加[4]。實踐證明，合理的水氮條件可以改善作物的光合性能，影響干物質積累與分配，從而產量增加[5]。也有研究指出，合理的水氮調控可以提高植株葉綠素含量[6]。馬桂香等[7]研究表明，合理的施氮量可以刺激硝酸還原酶活性提高，從而促進植株對養分的吸收。綜上可見，研究水氮耦合效應尤其是水氮耦合效應對作物生長發育的影響，具有重要的理論和實踐意義。

蕓豆(Phaseolus vulgaris)屬一年生豆科草本植物，比較早熟，適應性強，豐產性好[8-9]，具有豐富的營養價值和容易消化的優質蛋白資源[10]。現有關于豆類雜糧蕓豆的研究多集中于栽培模式[11-12]、品質評價[13]和鹽堿脅迫[14]等方向, 在水分和氮素對蕓豆影響方面的研究已有少量報道, 其中華勁松[15]探討了花莢期土壤水分脅迫對蕓豆光合生理及產量性狀的影響, 結果表明干旱脅迫可以顯著降低葉綠素的含量, 抑制植株生長, 從而降低產量；喬秀平[16]研究了不同施氮水平對蕓豆產量的影響, 結果表明蕓豆隨著氮肥施用量的增加, 每莢粒數、單位面積莢數和百粒質量都呈上升趨勢。目前將水分和氮素二者結合起來考慮的研究尚不多見, 關于水氮耦合對蕓豆影響方面的研究更少。

本文以蕓豆品種英國紅為研究對象，研究不同水氮調控對蕓豆生理指標及產量的影響，以揭示不同水氮處理下蕓豆生長規律，旨在為研究調控水氮-生理指標和產量提供參考，為蕓豆不同水氮模式的選擇和節水優質高效生產栽培提供理論參考依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年在大慶市黑龍江八一農墾大學盆栽試驗場進行，該地位于黑龍江省西部、松遼盆地中央坳陷區北部，地理位置北緯45°46′至46°55′，東經124°19′至125°12′。日平均溫度≤5 ℃的天數≥145天，全年無霜期較短，氣候特征屬北寒帶大陸性季風氣候。

供試品種為英國紅。供試土壤取自黑龍江八一農墾大學試驗基地耕層土壤(0～20 cm土層)，土壤理化性質全氮1.29 g/kg,全磷0.48 g/kg,堿解氮90.68 mg/kg,速效磷44.15 mg/kg,速效鉀120 mg/kg。

1.2 試驗設計

本試驗2019年5月25日播種，8月31日收獲，生育期99 d。試驗考慮灌溉方式、施氮水平兩個因素，設常規灌溉(W1)、控制灌溉(W2)兩種灌溉方式。常規灌溉的土壤含水量控制在田間持水量的80%，控制灌溉的土壤含水量控制在田間持水量的60%。4個施氮水平(尿素，以純N計):25 kg/hm2(N1)、30 kg/hm2(N2)、35 kg/hm2(N3)、40 kg/hm2(N4)。磷肥：36 kg/hm2；鉀肥：21 kg/hm2。

試驗共計10個處理，每個處理重復3次，試驗處理設計見表1。每盆裝土15 kg，每天采用稱重法控制土壤含水量。土壤蒸發與植株蒸騰在農田中同時發生，很難將兩者區分開來。在作物完全覆蓋地面后，土壤蒸發相對較小，蒸騰占主導地位。因此，每天稱重缺少的水分視為植物的蒸騰作用，而土壤蒸發作用忽略不計。

表1 試驗處理設計

1.3 測定內容與方法

1.3.1 蕓豆生理指標測定

1.3.1.1 葉綠素含量測定

于蕓豆苗期和花莢期取新鮮葉片2至3片，洗凈，擦干，將去掉中脈的葉片剪碎，混勻。稱取剪碎的新鮮樣品0.2 g,共3份，將其放入25 mL混有丙酮-乙醇混合提取液(丙酮與無水乙醇放入體積比為1∶1)的棕色容量瓶中，于40 ℃恒溫箱中浸提24 h，冷卻至室溫后，以80%丙酮作為對照，用分光光度計分別在波長645 nm、652 nm和663 nm下測定光密度值。

Ca=(12.7D663-2.69D645)V/W

(1)

Cb=(22.9D645-4.68D663)V/W

(2)

C=1000VD652/34.5W

(3)

式中:Ca、Cb和C分別為葉綠素a含量、葉綠素b含量和葉綠素總量,mg/g;D663、D645和D652分別為葉綠素溶液在波長663 nm、645 nm和652 nm時的吸光度，V為提取液體積,L;W為材料鮮重，g。

1.3.1.2 硝酸還原酶活性測定

將取回的新鮮葉片洗凈，用吸水紙吸干，再用打孔器打成直徑約1 cm的圓片，稱取葉片0.5 g兩份，一份作為對照，一份作為酶活性測定用。向對照管中加入1 mL 30%三氯乙酸，各管中加入9 mL 0.1 mol/L的KNO3溶液，混勻后于干燥器中抽氣1 min再通入空氣，再抽真空，反復幾次，在25 ℃下黑暗中反應0.5 h,再向測定管(對照管除外)加入1 mL 30%三氯乙酸終止酶反應。將各管搖勻靜止2 min后取2 mL反應液，加入1 mL磺胺和1 mL萘基乙烯胺，搖勻顯色15 min后，在540 nm處測定其吸光度。根據標準曲線計算反應液中生成的亞硝態氮總量。通過測定得出，標準曲線的回歸方程為y=0.1056x+0.0095,y為吸光度值，x為亞硝態氮。

單位鮮重樣品中硝酸還原酶活性=

(4)

式中：x為反應液酶催化產生的亞硝態氮總量，μg；v1為提取酶時加入的緩沖液體積，mL；v2為酶反應時加入的粗酶液體積，mL；W為樣品鮮重，g；t為反應時間，h。

1.3.2 蕓豆產量測定

在收獲后，對每個處理的蕓豆進行測產，分別測量蕓豆的株高、分枝數、每株莢數、每株粒數、每株粒重、主莖節數和莖粗，計算每個處理蕓豆產量。

1.4 數據處理與統計分析

采用SPSS13.0單因素方差分析及Duncan多重比較方法進行顯著差異性分析及均值比較。

2 結果與分析

2.1 不同水氮處理葉綠素含量動態變化分析

不同水氮條件下，苗期各處理蕓豆葉綠素a含量見圖1。由圖1可以看出，在常規灌溉條件下，葉綠素a含量最大值出現在W1N3處理；在控制灌溉條件下，葉綠素a最大值出現在W2N4處理，W2N2葉綠素a含量最低。

圖1 水氮耦合對蕓豆苗期葉綠素a的影響

苗期各處理蕓豆葉綠素b含量如圖2所示。在常規灌溉條件下，葉綠素b隨施氮量的增加沒有表現出較強的規律性，各處理間差異性也不顯著；控制灌溉條件下，隨著氮肥施用量的增加，葉綠素b含量逐漸上升，W2N4處理的值表現為最大，與其他處理均達到了顯著性差異(P<0.05)。

苗期各處理葉綠素總量見圖3。由圖3可以看出，在常規灌溉條件下，W1N1、W1N2處理的葉綠素總量與對照沒有顯著差異，W1N3、W1N4與對照相比差異顯著，且W1N4處理的葉綠素總量最低；在控制灌溉下，葉綠素總量最大值出現在W2N4處理，W2N2處理的值最低。

圖3 水氮耦合對蕓豆苗期葉綠素總量的影響

不同灌溉條件下，葉綠素含量的變化隨氮肥施用量的增加沒有表現出較強的規律性，綜合來看，葉綠素含量最大值出現在W2N4處理，當灌水量減少，大幅度增加氮肥施用，使葉綠素含量上升。

不同水氮條件下，花莢期各處理蕓豆葉綠素a含量見圖4。由圖4可以看出，在常規灌溉條件下，葉綠素a隨施氮量的增加呈先上升后下降趨勢，最大值出現在W1N3處理；在控制灌溉條件下，葉綠素a最大值出現在W2N4處理，最低值為W2N1處理。

圖4 水氮耦合對蕓豆花莢期葉綠素a的影響

花莢期各處理蕓豆葉綠素b含量如圖5所示。在常規灌溉條件下，葉綠素b隨施氮量的增加呈先上升后下降趨勢，但各處理間沒有表現出較大的差異性；控制灌溉條件下，隨著氮肥施用量的增加，葉綠素b含量呈現先下降后上升的趨勢，W2N4處理的值表現為最大。

圖5 水氮耦合對蕓豆花莢期葉綠素b的影響

圖6為花莢期各處理葉綠素總量。由圖6可以看出，葉綠素總量的變化趨勢與葉綠素b變化趨勢相似，兩種水分條件下，適宜增加氮肥施用量，葉綠素總量均表現為增大。

圖6 水氮耦合對蕓豆花莢期葉綠素總量的影響

綜合分析可知，蕓豆葉片的葉綠素含量在苗期-花莢期呈現增加的趨勢，在花莢期取得最大值，葉綠素含量以處理W1N3和處理W2N4表現最佳。

2.2 不同水氮處理硝酸還原酶活性分析

不同水氮條件下，苗期、花莢期各處理蕓豆葉片硝酸還原酶活性見圖7。由圖7可知，除N2處理外，蕓豆花莢期硝酸還原酶活性均高于苗期硝酸還原酶活性。在常規灌溉條件下，蕓豆苗期葉片硝酸還原酶活性隨施氮量的增加，表現出先增加后降低的趨勢，在W1N2處理下達到峰值，與對照相比，增加了165.81%，與對照差異顯著(P<0.05)。在控制灌溉條件下，蕓豆苗期葉片硝酸還原酶活性隨施氮量的增加，表現出先增加后降低的趨勢，在W2N2處理下達到峰值，與對照相比，增加了65.13%，與對照差異顯著(P<0.05)。

圖7 水氮耦合對硝酸還原酶活性的影響

蕓豆花莢期葉片硝酸還原酶活性在常規灌溉條件下，在處理W1N3表現最佳，處理W1N3和W1N4均與對照差異顯著(P<0.05)，與對照相比，分別增加了557.06%、230.17%。在控制灌溉條件下，處理W2N4硝酸還原酶活性最高，與對照相比增加了39.51%，與對照差異顯著(P<0.05)。

2.3 對蕓豆產量的影響

蕓豆產量由株高、分枝數、每株莢數、每株粒數、主莖節數和莖粗共同決定。由表2可看出，施氮的處理，株高與分枝數均高于對照。各處理的株高，施氮處理與未施氮處理差異顯著(P<0.05)，在常規灌溉條件下，分枝數和每株粒數的增加表明增施氮肥有利于其增加，但超過一定量反而起限制作用。

表2 不同處理的蕓豆產量

在常規灌溉條件下，除W1N4處理的每株粒數低于對照外，其余處理均高于對照，總體由小到大依次為W1N4、W1N0、W1N1(W1N2)、W1N3；除W1N3處理的莖粗低于對照外，其余處理顯著高于對照，由小到大依次為W1N3、W1N0、W1N4、W1N1、W1N2。

在控制灌溉條件下，除W2N2處理的每株單株莢數低于對照外，其余處理均高于對照，W2N2處理的每株單株粒數低于對照，其余處理均高于對照，從主莖節數來看，除W2N3、W2N4處理低于對照外，其余處理均高于對照，W2N2處理的值最大。各處理的莖粗均低于對照，且達到顯著性差異。在常規灌溉條件下，施氮量為35 kg/hm2時產量最高，在控制灌溉條件下，施氮量為40 kg/hm2時產量最高，表明適宜的水氮條件能提高蕓豆產量。

3 討 論

合理的水肥條件可以促進作物生長發育。戴明等[17]研究表明合理的水氮運籌可改善植株株高、根長、葉面積指數、莖粗、單株地上和地下生物量，從而促進產量的增加。灌水量相同條件下，適量施用氮肥能夠促進蕓豆植株株高、分枝數、主莖節數、莖粗的增加，有利于蕓豆地上部植株生長，施氮量過多反而會產生抑制作用，這與李鑫等[3]的研究結果一致。在施氮量相同時，隨著灌水量的增加，蕓豆植株分枝數、每株莢數、每株粒數、主莖節數、莖粗也表現出增加的趨勢，說明水分可以從多方面促進養分發揮作用，從而提高肥料利用率。在控制灌溉條件下，施氮處理與對照相比，株高、莖粗和主莖節數增加顯著(P<0.05)，說明適量供氮可減輕水分不足對作物生長發育的抑制，這與鄒小云等[18]的研究結果一致。可見，適宜的水氮條件將促進蕓豆植株生長，為提高產量打下基礎。

葉片光合能力是植物光合作用強弱的重要反映，直接決定著植物生產力的高低[19]。水氮通過影響葉片色素等因素對植株光合作用造成影響，進而影響產量。李靜等[20]研究表明，施氮量相同時，隨著灌溉量的增加，植株葉片的葉綠素含量也隨之增加；在灌溉量相同時，適量施氮對提高葉片葉綠素含量有促進作用，不施氮或過量施氮均會抑制葉綠素的合成，這與本試驗研究結果不一致，在施氮量相同時，增加灌溉量蕓豆葉片葉綠素含量反而減少。樊吳靜等[21]研究得出，適宜的水肥條件可以促進作物生長發育、提高葉片光合作用，這與本試驗研究結果一致。本試驗發現，蕓豆苗期葉片葉綠素含量均低于花莢期，在常規灌溉條件下，隨著施氮量的增加，葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量呈現先增加后降低的趨勢，在處理W1N3表現最優，蕓豆苗期及花莢期葉片葉綠素含量均在N3處理下最大；在控制灌溉條件下，隨著施氮量的增加，葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量呈現增加的趨勢，在處理W2N4表現最優，蕓豆苗期及花莢期葉片葉綠素含量均在N4處理下最大。對于硝酸還原酶，它是一種誘導酶，其活性與利用硝態氮能力密切相關，其活性受光照條件影響[22]。另有研究表明，葉綠素含量受氮素水平制約[23]，而葉綠素含量的多少直接或間接影響光合作用的進行。因此硝酸還原酶活性也在一定程度上影響葉綠素含量。梅芳等[24]研究表明，硝酸還原酶活性隨施氮量的增加而增加，這與本試驗研究結果不一致。本試驗表明，蕓豆葉片花莢期硝酸還原酶活性在處理W1N3和處理W2N4較高，但苗期均在N2處理下較高。

前人對作物水氮耦合的研究發現得出，在灌水量相同的條件下，適宜增加氮肥可以提高作物產量；在施氮量相同的情況下，適宜的增加灌水量也可以提高作物產量[25-26]。本研究結果表明，適宜的水氮條件可以提高蕓豆植株的葉綠素含量以及硝酸還原酶活性，進而增加產量。

4 結 論

(1)蕓豆苗期葉片葉綠素含量及硝酸還原酶活性低于花莢期，苗期及花莢期葉綠素含量在處理W1N3和處理W2N4較高，花莢期硝酸還原酶活性也在處理W1N3和處理W2N4較高，但苗期均在N2處理下較高。

(2)在常規灌溉條件下，施氮量為35 kg/hm2時產量最高，在控制灌溉條件下，施氮量為40 kg/hm2時產量最高，適當減少水分供應同時增加施氮量能提高蕓豆產量。

適量水肥條件不僅能滿足作物生長發育的需要，更能減少農業成本，達到了水肥的高效利用。