減施氮肥和接種根瘤菌對黑大豆光合特性及產量的影響

孫慶圣 原 程 張玉先

（黑龍江八一農墾大學農學院，163319，黑龍江大慶）

大豆是我國重要的糧食和油料作物，因其營養價值豐富被廣泛應用于食品加工及飼料業[1]。近年來，大豆在中國經濟市場的地位日趨提高。但是由于產量低、品質差以及市場競爭力弱，限制了大豆的產業發展。因此，改善大豆品質和提高產量成為我國大豆生產迫切需要解決的問題[2]。

目前糧食產量的增長很大程度上取決于化學肥料的投入[3]，氮素是影響大豆生長發育的重要元素，許多農戶試圖通過增施氮肥的方式達到增產的目的[4]。但是由于豆科作物特有的根瘤固氮作用，使得大豆的氮肥施用難度有所提高[5]。大豆根瘤固定的氮素約占整個生長周期需氮的65%[6]，過高的氮肥施用量會抑制根瘤的固氮作用，影響大豆的正常生長，甚至造成減產[7]。目前，我國大豆生產上普遍存在化學氮肥過量施用的情況[8-9]，導致降低肥料利用效率的同時抑制生物固氮效率，增加了種植成本，降低了實際收益[10]，而且大量的氮肥施用極易造成大豆枝葉繁茂，結莢少，使產量降低[11]。研究[12-14]表明，播種前對大豆種子進行根瘤菌拌種處理，可促進大豆增產效果較穩定，同時降低經濟成本，有較好的經濟效益。

前人對大豆減施氮肥接種根瘤菌已有較多報道，但對于黑大豆的栽培研究卻鮮有報道。黑大豆為豆科植物大豆[Glycine max(L.)Merr.]的黑色種子，具有較高的營養價值，有“豆中之王”的美譽[15]。近年來，國內市場黑大豆售價比普通大豆高30%～50%，經濟效益較好[16]。實際生產中一般以常規大豆種植模式種植黑大豆，但是黑大豆在生長特征方面與普通栽培大豆存在一定差異。所以本研究通過設置不同的氮肥施用量與根瘤菌拌種和不拌種相結合的處理方式，探索減施氮肥和接種根瘤菌對黑大豆植株形態、光合特性、干物質積累量及成熟期產量的影響，為黑大豆的施肥技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試黑大豆為黑龍江省嫩江市主栽農家品種青仁烏1號，供試根瘤菌由東北農業大學提供。

1.2 試驗設計

2020年在黑龍江省北大荒集團九三分公司鶴山農場進行。土壤類型為黑土，耕層土壤養分為pH 6.21、堿解氮145.80mg/kg、P2O545.20mg/kg、K2O 190.00mg/kg、有機質13.90g/kg。施N、P2O5和K2O分別為55.00、67.40和30.00kg/hm2。

采用隨機區組設計，以常規施氮量為基礎（其他肥料施用量保持不變），設置3個氮肥施用量，并用根瘤菌液進行拌種處理，共6個處理，具體為當地氮肥施用量+不接種根瘤菌（CK）；當地氮肥施用量+根瘤菌拌種（T1）；50%當地氮肥施用量+不接種根瘤菌（T2）；50%當地氮肥施用量+根瘤菌拌種（T3）；不施用氮肥+不接種根瘤菌（T4）；不施用氮肥+根瘤菌拌種（T5）。播種前用新培養且活性較好的根瘤菌液，在其OD值達到0.9后將種子浸泡10min，每千克種子約用根瘤菌液10mL，陰干后播種。

試驗小區為8壟，壟長×寬為6m×65cm，每個處理重復3次。于2020年5月8日進行播種，密度為4×105株/hm2，人工開溝、施肥和播種，田間管理同大田生產，10月4日進行理論測產。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 株高及葉面積 用卷尺以子葉痕為界測定株高。使用Li-3100型臺式葉面積儀測定分解后的單株葉面積。

1.3.2 葉綠素含量 取葉片鮮樣于85℃烘干至恒重，用樣品粉碎機粉碎，稱取樣品0.2g裝入盛有80%丙酮溶液20mL中，40℃水浴浸提5.5h后離心，用分光光度計測量上清液在665和649nm波長下的吸光度，80%丙酮溶液為標準液。

1.3.3 葉片光合相關指標參數 在苗期、花期、莢期和鼓粒期采用Li-6400型光合測定儀于晴朗天氣的上午9:00開始測量每株倒3葉中間完全展開復葉的光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）和氣孔導度（Gs）等相關指標，每個處理重復5次。

1.3.4 地上部各器官干物質積累量 分別在苗期、花期、莢期和鼓粒期取長勢一致的植株3株，對莖柄、葉、莢皮（莢期、鼓粒期）和籽粒（鼓粒期）進行分解。于105℃條件下殺青30min，于80℃烘干至恒重，用電子天秤稱重，重復3次，取平均值。1.3.5 產量 在完熟期測定產量，每個小區隨機取1m2的植株，測定有效莢數、無效莢數和單株粒數，重復3次，取平均值。于70℃烘干籽粒至恒重，測量百粒重和單株粒重。理論產量（kg/hm2）=[(單株粒重(g)×密度(株/m2)×10000)/1000]×0.8，式中 0.8為收獲系數。

1.4 數據處理

用SPSS 20.0、Excel 2010和Origin 2018軟件進行數據整理分析以及作圖。

2 結果與分析

2.1 減施氮肥和接種根瘤菌對黑大豆植株形態的影響

由圖1可知，葉面積和株高隨氮肥施用量的減少而減少，且影響顯著。相同氮肥施用量的條件下接種根瘤菌會顯著提高葉面積和株高。其中苗期和花期的葉面積和株高均以T1處理最優，與CK處理相比，苗期和花期葉面積分別增加了3.47%和4.94%，株高分別增加了1.87%和18.11%。莢期和鼓粒期的葉面積和株高均以T3處理最優，分別與CK處理相比，莢期和鼓粒期的葉面積增加了15.88%和14.69%，株高增加了11.42%和11.39%。

2.2 減施氮肥和接種根瘤菌對黑大豆光合特性及葉綠素含量的影響

2.2.1 對黑大豆光合特性的影響 由圖2a可知，在黑大豆的各關鍵生育期，減施氮肥對葉片Pn的影響達顯著水平，接種根瘤菌會縮小這種差距，其中苗期、花期和鼓粒期以T1處理表現為最優，與CK處理相比增幅分別為1.44%、0.58%和5.64%，莢期則以T3處理表現最優，與CK處理相比增幅為5.94%。由圖2b可知，隨著黑大豆生育時期的推進，葉片的Gs呈先上升后下降的趨勢，各處理均在莢期達到最高值。其中苗期以CK處理表現最優，花期、莢期和鼓粒期以T3處理最優，與CK處理相比，花期、莢期和鼓粒期增幅分別為32.93%、16.63%和16.87%。由圖2c可知，從苗期至鼓粒期，葉片Ci逐漸增高，其中苗期以T1處理最高，比CK處理增加3.84%；花期、莢期和鼓粒期以T3處理為最優，與CK處理相比增幅分別為9.65%、13.32%和3.51%。由圖2d可知，Tr隨生育期呈先升高后下降的趨勢，花期達到最大值；其中苗期、花期和莢期以T1處理最高，與CK處理相比增幅分別為6.53%、10.60%和8.38%；鼓粒期以T3處理最高，比CK處理提高40.69%。

圖2 減施氮肥和接種根瘤菌對黑大豆光合特性的影響Fig.2 Effects of reducing nitrogen fertilizer and inoculating Rhizobium on photosynthetic characteristics of black soybean

2.2.2 對葉綠素含量的影響 由圖3可知，不同處理的葉綠素含量隨著生育期的推進呈先上升后下降的趨勢，在莢期達到最高值。苗期、花期和莢期以T1處理葉綠素含量最高，與CK處理相比增幅分別為0.95%、14.50%和4.09%。鼓粒期以T3處理葉綠素含量最高，與CK處理相比增幅為8.85%。

2.3 減施氮肥和接種根瘤菌對黑大豆地上各器官干物質積累量的影響

由表1可知，各處理間苗期地上部分干物質積累量差異顯著，隨著氮肥施用量的減少干物質積累量降低，而減施氮肥和接種根瘤菌的處理會抑制植物干物質積累減少。其中莖柄與葉干重在T1處理時最高，分別達到3.11和3.65g，地上部分干物質積累量在花期與苗期的變化基本一致，以正常施用氮肥并接種根瘤菌（T1）處理達到最高，減施50%氮肥接種根瘤菌地上部分干物質積累量高于正常施用氮肥接種。地上部分干物質積累量在莢期以T3處理最高，與CK處理相比葉和莖柄的增幅分別為29.20%和25.45%。鼓粒期與莢期地上部分干物質積累量的變化基本一致，各處理間地上部分各器官干物積累量差異顯著。

2.4 減施氮肥和接種根瘤菌對黑大豆產量及其構成因素的影響

由表2可知，從產量構成因素來看，同等氮肥施用量的情況下接種根瘤菌會顯著提高有效莢數和單株粒重，對百粒重的影響較小。從測產結果來看，減施氮肥會引起減產，接種根瘤菌會降低此減產的效果。同等氮肥施用量的情況下接種根瘤菌會顯著提高產量，T3處理的效果最好，比CK處理增產7.77%。

表2 減施氮肥和接種根瘤菌對黑大豆產量的影響Table 2 Effects of reducing nitrogen fertilizer and inoculating Rhizobium on yield and its compositions of black soybean

3 討論

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部分，是限制作物生長和產量形成的首要因素[17-18]。減施氮肥會大幅度降低黑大豆葉片葉綠素的含量，葉綠素作為光能吸收和轉換的原初物質，其含量及構成不僅能反映生理活性，也與光合性能的發揮密切相關[19]。本試驗接種根瘤菌后黑大豆葉片葉綠素a、b和葉綠素總量均顯著增加，表明接種根瘤菌能夠改善植株氮素營養水平，增加葉綠素含量，這一試驗結果與前人[20]的研究一致。Bambara等[21]對普通菜豆的研究也表明，在溫室試驗和大田試驗中，接種根瘤菌后，溫室試驗葉片葉綠素含量顯著增加。與未接種對照相比，接種根瘤菌后，溫室試驗葉片葉綠素含量顯著增加，光合作用也有所提高。這與本試驗的研究結果，接種根瘤菌可以提高黑大豆的葉綠素含量以及Pn一致。

豆科作物擁有天然的固氮方式-結瘤固氮作用，根瘤的固氮作用對大豆增產以及氮素供應具有重要作用，根瘤發育程度直接影響大豆對氮素的吸收[22]。有研究[23]表明，氮肥與根瘤菌的混合施用對大豆的產量提高有促進作用。隨著黑大豆的生長，地上各器官干物質逐漸積累，減施氮肥會導致大豆干物質的積累量的減少[24]，這與本研究的結果基本一致。本研究還發現，減施50%氮肥與不施用氮肥處理（T2和T4），黑大豆4個生育時期地上部分干物質積累量均低于正常施肥（CK），說明減施氮肥會影響植物有機物的合成，從而降低黑大豆地上部分干物質的積累量。在接種根瘤菌后，減施氮肥處理（T3和T5）的干物質積累量明顯增加，其中T3處理效果顯著。說明接種根瘤菌有利于干物質的積累，過少的施氮量會影響其干物質的積累，這與姬月梅等[25]研究結果相似。此外，減施50%氮肥并接種根瘤菌處理（T3）還能提高大豆的有效莢數、單株粒重及產量，不施氮處理（T4）與不施氮肥接種根瘤菌處理的產量均降低，與鄭浩宇等[26]和萬玉萍等[27]的研究結果相似。所以適當減施氮肥有利于根瘤菌生長，最終通過促進根瘤固氮作用為黑大豆植株提供足夠的氮素，因此，合理減施氮肥并接種根瘤菌是保證黑大豆生長發育和提高產量的一個可行措施。

4 結論

綜上，在合理減施氮肥的基礎上接種根瘤菌可以提高黑大豆的光合作用，并增加地上部分各器官的干物質積累量，其中減施50%氮肥+接種根瘤菌處理（T3）的效果明顯，在花期之后各項指標與CK處理相比均有所提高。結莢期，T3與CK處理相比，Pn和單株葉面積均有大幅度的提升。由于結莢期的Pn等指標高于CK處理，使得T3處理的地上部分干重與CK處理相比差異顯著，最終表現為黑大豆產量的提高，減施50%氮肥+接種根瘤菌處理（T3）的產量與CK處理相比提高了7.77%，說明適當減施氮肥并接種根瘤菌對黑大豆的產量有促進作用，在農業生產實踐中可以通過此方法來達到減肥增效的作用。