根瘤菌劑和種衣劑拌種對(duì)不同品種大豆結(jié)瘤能力和產(chǎn)量的影響

邵瑋瑋，于淑婷，王 麗，堯水紅，王天舒*

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京 100081）

大豆是當(dāng)今世界最重要的經(jīng)濟(jì)油料作物之一，近年來由于國(guó)內(nèi)飼料蛋白需求的猛漲，大豆供不應(yīng)求。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2018年中國(guó)的大豆供需缺口已然超過9000萬t。因此，選用高產(chǎn)大豆品種并配以適宜的栽培管理措施，是提高大豆產(chǎn)量、減少進(jìn)口需求的關(guān)鍵［1-2］。種子是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的根本，有效地處理種子、提高播種出苗率并保障成苗生長(zhǎng)，是提高作物產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的重要措施。根瘤菌劑拌種能改變大豆結(jié)瘤能力，提高生物固氮量［3-4］；生物種衣劑能有效地減少根腐和孢囊線蟲等病害［5-6］，保障大豆萌發(fā)出苗率［7-8］。因此，播種前用根瘤菌劑或種衣劑拌種是目前公認(rèn)能穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的2種種子處理方式［8-10］。

根瘤菌劑拌種可通過共生根瘤將大氣中的惰性氮素轉(zhuǎn)化為大豆可利用的離子態(tài)氮，為大豆生長(zhǎng)提供其所需氮素營(yíng)養(yǎng)的50%～60%［11-12］；但因土壤類型和大豆品種的不同，根瘤菌劑拌種后結(jié)瘤匹配性和固氮能力存在著較大的差異，顯著影響大豆的生產(chǎn)［13-14］。種衣劑作為我國(guó)重點(diǎn)推廣的農(nóng)業(yè)技術(shù)，在保苗防病、促產(chǎn)增收方面起到重要的作用［10，15］；但同樣的種衣劑因大豆品種的不同，對(duì)防控逆境危害［15-16］以及提高大豆產(chǎn)量方面有顯著的差異［17-18］。目前就根瘤菌劑［3-4，19］和種衣劑［8，17，20］拌種后的效益已有大量的研究，相同生物制劑在不同地域和不同大豆品種上效益差別顯著，但在同一區(qū)域進(jìn)行2種生物制劑（根瘤菌劑與懸浮種衣劑）的對(duì)比研究還比較少見。胥雅馨等［4］在南疆比較了3種根瘤菌對(duì)不同大豆品種結(jié)瘤能力和生長(zhǎng)的影響；王金生等［19］在黑龍江研究了不同根瘤菌株的解磷能力，篩選出適用于不同地域土壤環(huán)境條件的根瘤菌劑；訾勇等［8］在河南比較了不同種衣劑對(duì)周豆18產(chǎn)量的影響；劉燕等［17］在東北對(duì)黑農(nóng)系列的多個(gè)大豆品種進(jìn)行生物種衣劑拌種試驗(yàn)并分析大豆產(chǎn)量及品質(zhì)的變化；這些研究為大面積推廣生物制劑的種子處理技術(shù)提供依據(jù)。

黃淮海地區(qū)是我國(guó)夏大豆主要產(chǎn)區(qū)之一，該區(qū)常年大豆種植面積為270萬hm2左右，占全國(guó)大豆種植面積的1/3，在我國(guó)大豆生產(chǎn)中占據(jù)重要地位［2］。鄭1307和齊黃34是黃淮海地區(qū)新育成的2個(gè)大豆品種，具有高產(chǎn)、抗病性好、適合機(jī)械化生產(chǎn)等特點(diǎn)［1，21］。諸多研究表明，生物制劑拌種后通過刺激根系生長(zhǎng)，調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)化來影響生物活性，促使作物生長(zhǎng)［22］；也有研究表明，生物制劑拌種通過改變根際環(huán)境來提高作物的出芽率和生產(chǎn)力［23-24］；但究竟是何種根際環(huán)境因素的變化與大豆的產(chǎn)量密切相關(guān)還不得而知。本文于河南省新鄉(xiāng)市設(shè)置田間試驗(yàn)，分析根瘤菌劑和種衣劑拌種后2個(gè)品種大豆（鄭1307和齊黃34）根際土壤環(huán)境、結(jié)瘤能力和產(chǎn)量性狀的變化，探明區(qū)域不同生物制劑拌種后大豆結(jié)瘤及生產(chǎn)力的差異，并進(jìn)一步揭示生物制劑拌種后根際環(huán)境因素變化對(duì)大豆產(chǎn)量的貢獻(xiàn)。研究結(jié)果為黃淮海地區(qū)大豆種子處理方式的優(yōu)化和合理配置田間栽培管理技術(shù)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于河南省新鄉(xiāng)市中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地（38°19′N，113°53′E）進(jìn)行。該試驗(yàn)區(qū)域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫14℃，年均降水量578 mm。供試土壤為典型潮土，試驗(yàn)開始前該區(qū)域0～20 cm土層土壤的理化性質(zhì)為：pH 7.82、有機(jī)碳17.99 g·kg-1、全氮1.36 g·kg-1、有效磷42.5 mg·kg-1、速效鉀150 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年6～10月開展，以大豆品種鄭1307和齊黃34為試驗(yàn)材料，設(shè)置對(duì)照（不拌種）、根瘤菌劑拌種（奧龍奇康牌大豆根瘤菌劑，含大豆慢生根瘤菌1010CFU·mL-1）和懸浮種衣劑拌種（精歌牌6.25%精甲霜靈·咯菌腈懸浮種衣劑）3個(gè)處理，每個(gè)處理4次重復(fù)，采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)品種，副區(qū)是拌種處理。試驗(yàn)區(qū)占地1.15 hm2，各品種的處理小區(qū)面積為48 m2（長(zhǎng)6 m、寬8 m）。

根瘤菌劑和懸浮種衣劑分別按10和5 mL·kg-1的劑量對(duì)供試材料進(jìn)行拌種，拌種后攤開晾干，3 d內(nèi)播種完畢。大豆種植行距40 cm，株距11 cm，區(qū)域留苗密度為23萬株·hm-2。于2020年6月22日人工點(diǎn)播，9月27日收獲。田間肥料管理為國(guó)家大豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系推薦施肥量（N∶P2O5∶k2O為15∶15∶15，150 kg·hm-2），種肥同施；水分管理根據(jù)作物生長(zhǎng)需求合理灌溉；病蟲草害以物理和生物防治為主，適當(dāng)補(bǔ)充低毒農(nóng)藥。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 根際土壤環(huán)境因子

于9月27日大豆收獲時(shí)，每小區(qū)選取6株大豆，用鐵鍬在離莖部約15 cm處垂直下鍬約20 cm，帶土挖出大豆，輕輕壓碎并抖落松散的土壤，收集附著于根系上的土壤，測(cè)定其理化性質(zhì)，測(cè)定方法如下：采用pH計(jì)測(cè)定土壤pH；土壤含水量采用烘干法；土壤有效磷和速效鉀分別采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法和NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定；土壤總氮、有機(jī)碳含量采用元素分析儀Vario MACRO cube（Elementar）測(cè)定；無機(jī)氮（銨態(tài)氮和硝態(tài)氮）含量用1 mol/L KCl浸提，流動(dòng)分析儀測(cè)定。

1.3.2 根瘤數(shù)目和鮮、干物質(zhì)量

于8月8日大豆盛花期（R2）采集根瘤樣品，每小區(qū)隨機(jī)選取6株大豆植株，連根挖起，將根瘤全部取下，計(jì)根瘤數(shù)、鮮重和干重。

1.3.3 大豆農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量構(gòu)成

在大豆成熟期（R8）每小區(qū)選取連續(xù)的10株大豆考種，記錄單株干物質(zhì)重、株高、底莢高度、有效分枝、主莖節(jié)數(shù)、單株有效莢數(shù)、有效粒數(shù)、百粒重、秸稈重；取5整行測(cè)產(chǎn)，曬干揚(yáng)凈后稱重，折算成秸稈量與產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2019對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，用SPSS 19.0對(duì)不同拌種處理下大豆的根際土壤環(huán)境因子、結(jié)瘤能力、農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量進(jìn)行單因素方差分析（P＜0.05），LSD法進(jìn)行均值比較，用OriginPro 9.1對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行作圖；用SPSS 19.0進(jìn)行產(chǎn)量性狀與根瘤的相關(guān)性分析；用R對(duì)大豆土壤養(yǎng)分、結(jié)瘤能力及產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆根際土壤環(huán)境

大豆根際土壤環(huán)境因田間拌種劑的使用而發(fā)生變化，且在2個(gè)供試大豆品種間產(chǎn)生差異（圖1）。與不拌種的對(duì)照處理相比，鄭1307拌根瘤菌劑后，根際土壤僅含水量下降11.04%；但拌懸浮種衣劑后，鄭1307根際土壤pH與對(duì)照處理相比增加1.14%，無機(jī)氮含量顯著降低12.67%；在2種種子處理方式下（根瘤菌劑拌種和懸浮種衣劑拌種），鄭1307根際土壤的速效鉀、有效磷與全氮含量與對(duì)照處理相比差異均不顯著。然而，與對(duì)照處理相比，齊黃34拌根瘤菌劑后，根際土壤含水量、速效鉀和無機(jī)氮含量均顯著降低，分別下降7.28%、12.87%和12.74%；拌懸浮種衣劑后齊黃34根際土壤與對(duì)照處理相比，pH增加1.37%，有效磷、無機(jī)氮和全氮?jiǎng)t分別降低16.28%、19.60%和10.86%。

圖1 不同大豆品種根際土壤環(huán)境因子變化

2.2 大豆結(jié)瘤能力

根瘤數(shù)、根瘤鮮重和根瘤干重是表征大豆結(jié)瘤能力的3個(gè)常見指標(biāo)。在拌種處理后，鄭1307和齊黃34的結(jié)瘤能力在田間表現(xiàn)為：根瘤菌劑＞對(duì)照＞懸浮種衣劑（表1）。根瘤菌劑處理的鄭1307根瘤數(shù)、根瘤鮮重與對(duì)照相比分別增加6.67%、2.27%；而齊黃34根瘤菌劑拌種后根瘤數(shù)、根瘤干重和鮮重較對(duì)照分別增加22.73%、23.47%和8.33%；根瘤菌劑拌種可增加大豆根系根瘤數(shù)和根瘤鮮、干重，且這一增加效應(yīng)在齊黃34上的表現(xiàn)優(yōu)于鄭1307。懸浮種衣劑拌種在一定程度上降低了大豆的結(jié)瘤能力。經(jīng)懸浮種衣劑處理后的鄭1307根瘤數(shù)、鮮重、干重比對(duì)照分別降低25.00%、21.59%、14.29%；而齊黃34在懸浮種衣劑拌種后，根瘤數(shù)、鮮重、干重比對(duì)照也分別降低22.73%、25.51%、25.00%；但齊黃34的大豆結(jié)瘤鮮重高于鄭1307。

表1 根瘤菌劑和懸浮種衣劑拌種后大豆結(jié)瘤能力變化

2.3 大豆農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量

鄭1307和齊黃34的農(nóng)藝性狀在田間表現(xiàn)出一定差異，齊黃34株高顯著低于鄭1307，但根系和秸稈生物量則高于鄭1307（表2）。此外，如表2所示，在使用2種生物拌種劑后大豆農(nóng)藝性狀發(fā)生了一定程度的變化。與對(duì)照相比，鄭1307在拌根瘤菌劑或懸浮種衣劑后，株高和根系生物量增加，秸稈生物量降低；而齊黃34對(duì)根瘤菌拌種處理較為敏感，與對(duì)照相比根瘤菌劑拌種后，其株高、底莢高度、有效分枝和根系生物量均有所增加，增加量分別為12.47%、18.16%、100%和18.54%；但懸浮種衣劑處理后，齊黃34僅底莢高度和根系生物量較對(duì)照增加38.78%和2.98%。

表2 根瘤菌劑和懸浮種衣劑拌種后大豆農(nóng)藝性狀的變化

表3為不同處理?xiàng)l件下2個(gè)供試品種的產(chǎn)量及其構(gòu)成的差異。鄭1307有效莢數(shù)在3個(gè)處理中依次表現(xiàn)為根瘤菌劑≥懸浮種衣劑＞對(duì)照，有效粒數(shù)依次表現(xiàn)為根瘤菌劑＞懸浮種衣劑＞對(duì)照。與對(duì)照相比，根瘤菌劑拌種后，鄭1307有效莢數(shù)和有效粒數(shù)分別增加69.23%和59.02%；而懸浮種衣劑拌種后，鄭1307的有效莢數(shù)和有效粒數(shù)分別增加61.54%和45.90%；但鄭1307百粒重在根瘤菌劑和懸浮種衣劑拌種后，分別降低3.12%和3.00%；因此，本研究中的2種生物拌種劑對(duì)鄭1307增產(chǎn)效益并不顯著（表3）。

表3 根瘤菌劑和懸浮種衣劑拌種后產(chǎn)量構(gòu)成的變化

齊黃34 的有效莢數(shù)和有效粒數(shù)在3個(gè)處理中均表現(xiàn)為根瘤菌劑＞懸浮種衣劑≥對(duì)照。根瘤菌劑拌種后，齊黃34百粒重與對(duì)照相當(dāng)；但有效莢數(shù)和有效粒數(shù)則分別增加81.82%和79.66%。因此，齊黃34在根瘤菌劑拌種后，產(chǎn)量與對(duì)照相比增加15.22%。懸浮種衣劑拌種處理中齊黃34的有效莢數(shù)、有效粒數(shù)和百粒重均與對(duì)照相當(dāng)。因此，懸浮種衣劑拌種后，齊黃34產(chǎn)量相對(duì)穩(wěn)定。

2.4 大豆產(chǎn)量影響因素分析

大豆結(jié)瘤能力與農(nóng)藝性狀指標(biāo)和產(chǎn)量的相關(guān)性分析見表4。由表4可知，表征大豆結(jié)瘤能力的3項(xiàng)指標(biāo)（根瘤數(shù)、根瘤鮮、干重）均與底莢高度呈顯著負(fù)相關(guān)，但與有效分枝數(shù)呈極顯著正相關(guān)；根瘤數(shù)及根瘤鮮、干重與根系生物量、秸稈生物量和產(chǎn)量也在一定程度上正相關(guān)。大豆結(jié)瘤能力與其生物性狀和產(chǎn)量指標(biāo)的相關(guān)性結(jié)果說明：根系結(jié)瘤能力增強(qiáng)，根系生物量增加，從土壤中吸收更多養(yǎng)分供給植株和地上部生長(zhǎng)，從而作物有效分枝數(shù)、秸稈生物量增加，產(chǎn)量也得到提高。

根瘤菌和種懸浮衣劑拌種后2個(gè)供試品種的根際土壤環(huán)境、大豆農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量構(gòu)成的主成分分析結(jié)果顯示，2個(gè)供試品種（鄭1307和齊黃34）在PC1方向顯著分開（圖2a）。造成鄭1307和齊黃34區(qū)分的主要因素有：結(jié)瘤能力指標(biāo)（根瘤數(shù)、根瘤鮮、干重）、大豆根系生物量、秸稈生物量、百粒重、根際土壤全氮、有效磷和pH（圖2b），PC1的貢獻(xiàn)率為26.80%。主成分分析結(jié)果既驗(yàn)證了表4相關(guān)性分析的準(zhǔn)確性，又進(jìn)一步說明了2種生物制劑在提高結(jié)瘤能力、促進(jìn)增產(chǎn)上的效果，在齊黃34上優(yōu)于鄭1307。由圖2還可知，齊黃34的田間處理在PC2方向能顯著區(qū)分開，PC2貢獻(xiàn)率為18.84%。造成PC2差異的主要因子有：株高、主莖節(jié)數(shù)等農(nóng)藝性狀指標(biāo)，有效粒數(shù)、有效莢數(shù)和百粒重等產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)和土壤pH。因此，根瘤菌和懸浮種衣劑拌種對(duì)齊黃34影響的最大區(qū)別在農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量上。

表4 大豆結(jié)瘤能力指標(biāo)與農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)的相關(guān)性分析

圖2 大豆土壤養(yǎng)分與生物性狀主成分分析

3 討論

種子經(jīng)生物制劑處理后其穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)性能受大豆品種、根系結(jié)瘤能力和根際環(huán)境等諸多因素的影響。姚延軒等［24］在文獻(xiàn)綜述中指出，微生物菌劑的使用可改變根際土壤環(huán)境；郝劍霞等［25］研究發(fā)現(xiàn)，單一的根瘤菌劑或大豆生長(zhǎng)促進(jìn)劑拌種后不僅顯著地增加根際土壤全磷含量，且這一增加效應(yīng)在2種生物制劑間也存在顯著差異。本文的研究同樣也發(fā)現(xiàn)，不同的生物制劑對(duì)根際土壤環(huán)境的改變效果不一樣，鄭1307拌根瘤菌劑后根際土壤僅含水量下降，但拌懸浮種衣劑后其根際土壤pH增加，堿解氮含量顯著降低；此外，不同大豆品種對(duì)2種生物制劑的反應(yīng)也有顯著的差別，齊黃34拌根瘤菌劑后根際土壤含水量、速效鉀與堿解氮含量均顯著降低，但拌懸浮種衣劑后其根際土壤pH增加，有效磷、堿解氮和全氮含量則降低。

豆科植物根系與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，齊黃34接種根瘤菌后根瘤數(shù)、根瘤鮮重均高于不拌種的對(duì)照處理，這與前人的研究結(jié)果一致［26］；然而鄭1307在根瘤菌拌種后根際堿解氮和全氮含量以及根瘤數(shù)和根瘤鮮、干重與不拌種的對(duì)照相當(dāng)，這說明該品種在接種根瘤菌后大豆結(jié)瘤能力并沒有顯著變化。因此，盡管根瘤菌拌種能促進(jìn)大豆根系發(fā)育，增加根部有效的根瘤，提高單株根瘤數(shù)和根瘤鮮、干重［27-28］，但根瘤菌拌種對(duì)大豆結(jié)瘤能力的增加效應(yīng)，也因大豆品種和根際土壤氮素的供應(yīng)能力而產(chǎn)生差異。在包括豆科作物在內(nèi)的所有作物中，大豆需氮量最大［29］，為滿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。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2個(gè)供試品種大豆結(jié)瘤能力在拌懸浮種衣劑的條件下與不拌種對(duì)照相比并沒有顯著增加，這與薛英會(huì)［30］研究的種衣劑可增加大豆根瘤數(shù)的結(jié)果有所差別，這可能是因?yàn)榉N衣劑提高了土壤pH，在一定程度上抑制了根系結(jié)瘤的能力。此外，懸浮種衣劑拌種能促進(jìn)大豆根系生長(zhǎng)（根系生物量增加），增強(qiáng)植株對(duì)土壤氮的吸收能力。本試驗(yàn)懸浮種衣劑拌種條件下，齊黃34和鄭1307根際土壤無機(jī)氮的顯著下降也間接證明了這一結(jié)論，但這一種子處理方式調(diào)控大豆吸氮能力的途徑和機(jī)制還需進(jìn)一步深入研究。

干物質(zhì)作為光合作用最終積累形成的產(chǎn)物，地上和地下部干物質(zhì)的積累與分配直接影響作物的產(chǎn)量［31］。本研究發(fā)現(xiàn)，2種生物制劑拌種后2個(gè)品種大豆根系干物質(zhì)生物量顯著增加，且根瘤菌劑對(duì)根系生長(zhǎng)和產(chǎn)量的促進(jìn)效益要優(yōu)于懸浮種衣劑。根瘤菌劑拌種后，鄭1307和齊黃34的株高、主莖節(jié)數(shù)和根系生物量的農(nóng)藝指標(biāo)和有效粒數(shù)、有效莢數(shù)等產(chǎn)量性狀顯著增加，這與前人的研究結(jié)果［27，32］一致。不同拌種劑在同一大豆品種上會(huì)產(chǎn)生不同的效應(yīng)［8］，在本試驗(yàn)條件下懸浮種衣劑拌種沒有增產(chǎn)效果。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)鄭1307和齊黃34在懸浮種衣劑拌種后農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量等變化不明顯，而生物制劑拌種后根際土壤環(huán)境、大豆農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量構(gòu)成的主成分分析結(jié)果也進(jìn)一步說明，根瘤菌劑拌種可以顯著地改變株高、主莖節(jié)數(shù)等農(nóng)藝性狀指標(biāo)，發(fā)揮增產(chǎn)效益；而懸浮種衣劑則通過影響土壤pH等根際環(huán)境指標(biāo)，調(diào)控根系對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，起到穩(wěn)產(chǎn)的效果。

4 結(jié)論

2種生物制劑拌種均顯著改變根際土壤環(huán)境，且其對(duì)根際土壤環(huán)境的改變，因生物制劑類型和大豆品種不同而存在顯著差異。鄭1307拌根瘤菌劑后根際土壤僅含水量下降，但拌懸浮種衣劑后其根際土壤pH增加、無機(jī)氮含量顯著降低。齊黃34拌根瘤菌劑后根際土壤含水量、速效鉀與無機(jī)氮含量均顯著降低，但拌懸浮種衣劑后其根際土壤pH增加，有效磷、無機(jī)氮和全氮?jiǎng)t降低。

根瘤菌劑拌種增加根系結(jié)瘤、促進(jìn)根系干物質(zhì)積累的能力在大豆品種上表現(xiàn)不同，齊黃34接種根瘤菌后促進(jìn)根瘤和根系生長(zhǎng)的能力優(yōu)于鄭1307。種衣劑拌種不改變根系結(jié)瘤能力，但促進(jìn)大豆根系生長(zhǎng)，增強(qiáng)植株對(duì)土壤氮的吸收，從而保障大豆的產(chǎn)量。綜上所述，2種生物拌種劑均通過改變根際土壤環(huán)境、調(diào)控根瘤和根系的生長(zhǎng)，影響地上部的農(nóng)藝性狀，但根瘤菌劑對(duì)產(chǎn)量的提高效果優(yōu)于懸浮種衣劑，其具體調(diào)控途徑和機(jī)制還需進(jìn)一步深入研究。