半濕潤偏旱區水肥耦合對大豆產量的影響

張潔 田文仲 黃向榮 郭建秋 丁志強 李俊紅 李林 李芳 常麗丹 亢江飛 姚宇卿 呂軍杰

摘 要 以洛陽市農林科學院長期定位14 a（2004年始）的水肥耦合試驗為平臺，于2017-2020年連續4 a采用二次飽和D—最優試驗設計，對大豆產量及成產因素進行測定分析。探明半濕潤偏旱區不同降水年景下大豆對水肥耦合的響應，為實現大豆增產及水分利用提供理論依據。結果表明：在大豆生育期干旱發生不同的4 a，2017年苗期—花期，2018年莢期，2019年盛花期，2020年鼓粒期，大豆的產量趨勢一致，同一年度產量隨灌水量的增加而增加，在本試驗條件下大于383 mm灌水能打破干旱的約束，可滿足大豆的生長，使產量顯著增加；氮肥對產量的影響較平緩，大體趨勢是升-降-升-降，以N90 達最大值。磷肥對產量影響更平緩，趨勢與氮肥一致，4個年度以P84產量最高。3個因素影響大小為水>氮肥>磷肥。有效莢數對水肥的響應較敏感，百粒質量對水肥的響應較平穩。不同年景不同時期的干旱對大豆產量的影響要素不同，盛花期的干旱對有效莢數影響較大，莢期干旱對百粒質量影響最大，鼓粒期對產量影響較小；生產上應重視大豆花期和莢期的水分供應。

關鍵詞 水肥耦合；大豆;產量；成產因素

大豆是中國重要的糧油飼兼用作物，在農業和工業生產中占據著重要地位[1]。近2 a，在新冠肺炎疫情反復和國際環境不確定的背景下，大豆和油料作物的進口受到沖擊，安全風險進一步加大。想要扭轉大豆、油料作物依賴進口的局面，就必須擴大大豆和油料作物種植生產，提高自給率。

大豆是黃淮海區的主要作物之一，常年種植面積在270萬至750萬hm2，占全國大豆種植面積的30%～60%；產量在20億至50億kg，約占中國大豆總產的35%左右，是僅次于東北的第二大豆主產區[2]。大豆是典型的短日照作物，多數品種對生長季節的光照長度非常敏感，一個品種很難適應不同緯度的種植要求。‘洛豆1號是洛陽市農林科學院選育的高產、多抗大豆新品種，2006年以‘徐豆9號為母本、‘周豆11號為父本選育的新品種。2017年經河南省農作物品種審定委員會審定，審定編號為豫審豆2017001[3]。

豫西位于黃土高原東南緣，屬暖溫帶半濕潤偏旱氣候區，由于受季風氣候的影響，降水量年際間變化波動較大，且降水季節分布不勻，60%～80%的降雨集中在7-9月，大豆生長季節雖雨水偏多，但干旱時有發生，不同年份干旱發生的時期不同，干旱是制約大豆增產的主要因素之一。在大豆生長過程中，不同生育期干旱對產量的影響不同，郝瑞蓮等[4]對夏大豆的研究表明，結莢至鼓粒期>開花至結莢期>鼓粒至成熟>分枝至開花期>幼苗至分枝期；謝甫綈等[5]指出，大豆開花期初期受旱其減產幅度比鼓粒期大；鄒文秀等[6]研究認為，結莢期干旱是造成大豆減產的原因。大豆生長對氮肥的需求量較高，主要來源為生物固氮、土壤氮素和氮肥，僅靠土壤氮素和生物固氮的供給不能滿足大豆對高產的營養需要[7]。磷素是大豆生長發育中的重要元素，適宜施磷能提高大豆的產量和品質[8-9]，施用磷肥能使作物提前開花，促進早熟[10]。大豆產量的形成是大豆的遺傳特性和水、肥、氣、熱、光等外在環境因素綜合作用的結果[1]，水肥是最易被人們控制的因素，中國自“八五”計劃以來，將“旱地農田水肥交互作用及耦合模式研究”作為重點攻關專題，通過多學科的聯合攻關，取得重要的結論和成績[11-13]，近年來水肥耦合的研究又在有限灌溉、保護地等以及農作物和經濟作物展開，為農業生產提供了科學的水肥利用模型和指導。水肥耦合對大豆生長發育影響的研究較少，也僅局限在水氮互作對大豆產量的影響，基本上以1 a或2 a試驗為例而得出結論[14-18]，長期定位研究水肥交互作用下的動態變化尚未見報道，本試驗以洛陽市農林科學院長期定位（2004年始）的水肥耦合試驗為平臺， 2017-2020年連續4 a研究不同水肥和不同年景大豆產量和成產因素的表現，為充分發揮新品種的增產潛力和推廣提供栽培技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于洛陽市，該區年均輻射量? 491.5? kJ/cm2，年均氣溫14 ℃，日平均溫度超過10 ℃的時間約210 d，積溫達4 000 ℃，年蒸發量? 1 872.1 mm，多年平均降水量637.1 mm。試驗在洛陽市農林科學院防雨棚內進行，小區為? 1 m×2 m的無底型水泥池，池兩側覆有防水膜，遇雨蓋棚。土壤為褐土，耕層體積質量為1.53?? g/cm3，土壤耕層有機質15.8 g/kg，pH 8.1，堿解氮（N） 62.7 mg/kg，速效磷（P） 10.4? mg/kg，速效鉀（K） 166.0 mg/kg。

試驗期間2017－2020年大豆生育期降水量與常年降水量（364.3 mm）相比（圖1），2017年 （315 mm） 和2020年（228.1 mm）年較低，2018年（410.8 mm）和2019（437.2 mm）年較高；降水量極不均勻，且受降水量的時效性和多少的影響，不同年份大豆生育期干旱的時期和程度不同。2017年苗期—花期，2018年莢期，2019年盛花期，2020年鼓粒期。試驗期間氣溫與光照均比常年略高，無極端天氣出現。

1.2 試驗設計與方法

試驗始于2004年，已持續進行18 a。試驗包含3個因素，即灌水量（代碼為A）、施氮量（代碼為B）與施磷（P2O5）量（代碼為C），因素A以洛陽20 a（1971—1999年）的降雨量為依據，以每月占年平均降雨量的加權值進行分配，每月均有灌水，具體試驗方案見表1。供試大豆品種為‘洛豆1號，播種日期為6月10日-14日，收獲日期為10月6日-10日，種植密度18.75萬株/hm2。供試肥料：氮肥為尿素（含N 46%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O513%），肥料作基肥一次性施入。前茬作物為冬小麥‘洛旱7號。

1.3 測定指標

產量及主要成產因素：大豆籽粒完全成熟后，按小區單收單計產，并測定百粒質量，隨機取10株調查有效莢數。

2 結果與分析

2.1 不同處理對大豆產量的影響

4 a各處理大豆產量表現趨勢基本一致（表2），即隨灌水量的增加而增加。以灌水383 mm平水為界可分為3個水平，小于383 mm為欠水，大于383 mm為豐水，均為豐水>平水>欠水，且產量差異顯著，而同一灌水水平之間產量差異不顯著。說明在本試驗條件下，大豆對水分的敏感性大于肥料，這與希克斯等[19]和韓曉增等[20]的研究一致；4個年度豐水處理的產量一致；平水處理2017年和2020年處理間產量大小順序相同，而2018年和2019年不同，欠水3個處理4 a間除2019年外，其他年度均表現相同。說明大豆的生長不僅受各處理的試驗小環境影響，大環境影響也很大[21]，水和肥的交互是復雜的，年際間因氣候不同水肥的響應亦不同。

從4 a大豆產量平均值看，產量分6個梯度，產量差異顯著，以水分為主導因素。在水分和磷肥相同的情況下，豐水（處理4和6）和欠水（處理3和5）N肥高的產量高，平水（處理9和處理10）則相反，平水兩個處理是氮肥施用量的兩個極端，產量波動較大，但同一灌水水平間產量無差異；在水分和N水平相同情況下（處理1、2、11），不同施磷量間呈現P112>P0>P56，產量無差異。不施磷處理產量高的原因是大豆生長發育進程較晚，避開了不利因素，成熟晚。

2.1.1 大豆產量對灌水的響應 大豆生長需水量較多，生產1 kg大豆籽粒，耗水量達2 kg[19]。在一定的水分范圍內（300 mm～700 mm）隨著耗水量增加產量明顯增加，二者極顯著相關，干旱或水分過多均導致產量降低[18，20]。灌水量對大豆產量的影響見圖2，大豆產量隨灌水量的增加而升高， 2017年產量差異達顯著水平，其他年度產量差異達極顯著水平。灌水量5水平4 a平均產量由小到大為570.5 kg/hm2、1 034.2?? kg/hm2、? 1 463.6 kg/hm2、2 599.2 kg/hm2和? 2 950.4 kg/hm2，產量變化總體一致，灌水量從223 mm到383 mm直線上升，383 mm到496 mm產量陡然上升 ，增產幅度較大，而后增加緩慢，說明在本試驗條件下大于383 mm灌水能打破干旱的約束，可滿足大豆的生長，增產顯著。

2.1.2 大豆產量對氮肥的響應 大豆生長對氮肥的需求量較高，在一定施氮范圍內隨著施氮量的增加產量隨之增加，施氮量高于某值時產量增加不明顯[14-15]。4個年度不同施氮大豆產量差異均達顯著水平，2020年產量差異達極顯著。從圖3看，氮肥對產量的影響較平緩，大體趨勢是升-降-升-降，以N90產量最高。

2.1.3 大豆產量對磷肥的響應 磷素是大豆生長發育中的重要元素，適宜施磷能提高大豆的產量和品質。從圖4可見，磷肥對產量影響更平緩，4個年度大豆產量差異僅2019年未達顯著，其他年份均差異顯著，均以P84產量最高。3個因素對產量影響表現為水>氮肥>磷肥，與郭亞芬等[16]和王景偉等[17]研究結論一致。

2.2 不同處理對大豆主要成產因素的影響

2.2.1 對有效莢數的影響 4個試驗年度有效莢數的變化見表3。每個年度有效莢數差異均達極顯著水平，年度間表現稍有不同，但總體仍以水分為主導因素。2017年因前期干旱嚴重，其他生育期均有輕微干旱發生，有效莢數分為3級，即豐水>平水>欠水；其他年份因干旱時期不同為多級表現。4 a平均值有效莢數與灌水量水平一致，分為5級，隨灌水量的增加而增加，且差異顯著。有效莢數不同年度平均，表現為2020年（33.4）>2018年（26.8）>2019年（25.1）>2017年? （24.8），說明盛花期的干旱對有效莢數影響較大。這與孫海鋒等[22]研究一致，生產上應重視大豆花期前的水分供應。

灌水量對大豆有效莢數的影響見圖5，各年度有效莢數隨灌水量的增加而升高且差異顯著。氮肥對大豆有效莢數的影響見圖6，隨施氮量增加呈升-降-升-降的變化趨勢，各年度最高有效莢數略有不同，2017年和2019年以N15最高，而2018年和2020年以N90 最高，說明有效莢數的多少不僅受水肥影響，受當年的氣候影響也很大；2020年有效莢數差異顯著而其他年度無差異。磷肥對大豆有效莢數的影響較平緩（見圖7），有效莢數2020年以P112最高且水平間差異顯著，其他年份均以P84最高且無差異。前期干旱對有效莢數影響較大，水分為主要限制因素，肥料效應不明顯。

2.2.2 對百粒質量的影響 4個年度百粒質量的表現見表4，每個年度的百粒質量與灌水量不一致，方差分析顯示百粒質量差異均達極顯著水平；多重比較表明每個年度表現不同。從4 a平均值結果看，豐水處理的百粒質量較高，灌水最小水平的百粒質量最小，而其他處理則無規律，說明百粒質量受水肥共同的影響，百粒質量對水、氮肥和磷肥的響應不敏感。不同年度百粒質量平均2017年（23.0 g）>2019年（21.0 g）>2020年（18.9 g）>2018年（16.7 g），2018年莢期干旱對百粒質量影響最大，2020年鼓粒期干旱對百粒質量影響次之，2017年因前期干旱有效莢數少，百粒質量最高，說明莢期干旱對百粒質量影響大，大豆生育期應注意莢期水分的補充。[FL）]

3 討? 論

水肥是影響大豆生長發育的主要因素，二者相互作用共同對作物產量產生影響[23]。大多數旱棚試驗和盆栽試驗的結果都表明，水分是作物增產的第一限制因子[11-13]。4 a試驗結果表明，? 3因素影響表現為水>氮肥>磷肥，大豆產量隨灌水量的增加而升高，383 mm到496 mm產量增產幅度較大，而后增加緩慢，說明在本試驗條件下大于383 mm灌水能打破干旱的約束，可滿足大豆的生長，使產量顯著增加。氮肥對產量的影響較平緩，大體趨勢是先升后降，以N90 達最大值。磷肥對產量影響更平緩，4個年度以P84產量最高。水分與磷肥、氮肥的耦合效應有待進一步研究。

有效莢數對水肥的響應與產量一致，表現為水>氮肥>磷肥，其中水肥對百粒質量影響較小。長期定位水肥試驗的實施，以及試驗條件的限制，試驗小區對大氣候的響應更敏感。不同年景不同時期的干旱對大豆產量的影響因素不同，盛花期的干旱對有效莢數影響較大，莢期干旱對百粒質量影響最大。‘洛豆1號在此試驗條件下仍有較高的產量，說明該品種抗逆性較強，生產上除常規的病蟲害預防外，應重視大豆花期和莢期的水分供應。

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Effect of? Water-Fertilizer Coupling on Soybean Yield in Semi- Humid to Semi-Arid Region

Abstract Based on the long-term water-fertilizer coupling experiment conducted by the Luoyang?? Academy of? Agricultural and Forestry Sciences for 14 years（from 2004），the quadratic saturation D-optimal experimental design was used for four consecutive years from 2017 to 2020 to analyze the soybean yield and its yield components.This study aimed to provide a theoretical foundation for increasing soybean yields and efficiently managing water resources in semi-humid to semi-arid regions.The results showed that consistent trends in soybean yield over the four years，with higher irrigation levels leading to increased yields during different growth stages.Under the experimental conditions，irrigation exceeding 383? mm alleviated droughtconstraints，promoting soybean growth and significantly increasing yields.Nitrogen fertilizer exhibited a relatively gentle effect on yield，generally following an increase-decrease-increase-decrease patterns，with the maximum yield achieved at N90 .Phosphate fertilizer also had a mild effect on yield，typically following an increase-decrease-increase-decrease pattern，with the highest production observed at P84? The influence of the three factors ranked as water>nitrogen fertilizer>phosphorus fertilizer.The influence of three factors was water>nitrogen fertilizer>phosphorus fertilizer.The effective pod number proved to be sensitive to the effect of water and fertilizer，while the effect of water and fertilizer on 100-seed mass remained stable.Different years and growth stages of drought had varying effects on soybean yield.Drought during full flowering stage had a greater effect on the number of effective pods，while drought druing the pod stage had the greatest effect on 100-grain mass.Drought during bulging stage had a little effect on yield;in practical production，special attention should be paid to providing the adequate water during flowering and pod stages of soybean growth.

Key words Water-fertilizer combination;? Soybeen;? Yield; Yield component factor