不同時期高氮施肥對大豆光合生理特性及產量的影響

牟保民，劉雅，鄭殿峰2，，馮乃杰2，，項洪濤，靳丹，王詩雅，劉美玲

（1.黑龍江八一農墾大學農學院，大慶 163319；2.廣東海洋大學濱海農業學院；3.沈陽農業大學；4.黑龍江省農業科學院耕作栽培研究所）

氮素是作物生長和產量形成的重要因素[1-3]，也是構成生命物質的基本元素之一，同時也是農業生產上必要的基本肥料[4-5]。大豆（Glycine max（L.）Merr.）是重要的糧食和經濟兼用作物，其吸收氮素主要有3個來源：土壤氮、肥料氮和根瘤固氮，由于大豆籽粒蛋白含量高，對氮素需求量高，根瘤固氮只能滿足大豆生長所需氮素的50%~60%[6]，因此，只有人為的增施氮肥，才能保證大豆吸收相對較高的氮，使其獲得更高的產量[7-8]。

有研究表明，施氮能促進作物干物質的積累[9]，增加作物葉片葉綠素含量和光合能力[10]，提高葉片蔗糖和淀粉含量[11]，為大豆高產提供充足的物質保障[12]。但常規施氮不能滿足大豆生育后期對氮素的需求，會影響最終的產量，有許多學者研究不同時期施氮是否能滿足此需求。穆淑輝等[13]和劉志遠等[14]研究可知，大豆前期如苗期施氮，增產效果較差，后期施氮增產效果最明顯，營養生長和生殖生長旺盛期對氮肥的需求較多，R4時期追氮延緩了凈同化量最大值的出現，有利于R6期光合產物的積累，后期追氮能在不同程度上提高盛莢期后的同化能力。張文釗等[15]研究表明，不同時期追氮對大豆的增產效果好于一次性施氮，而且不同時期追施氮肥都明顯提高了追肥后各生育期大豆葉片淀粉和蔗糖的積累量。前人多是研究大豆生育后期施入定量的氮肥，與基肥施入量相同，但對于非N限制的條件下種植大豆提高產量等方面鮮有報道。因此，選擇大豆“墾豐16”和“合豐50”為材料，設計不同時期高氮施肥，以其滿足大豆整個生育時期的氮素需求，研究不同時期高氮施肥對大豆碳同化物的積累和光合參數的影響，旨在探究高氮施肥下碳同化物積累和光合特性的變化規律，明確不同時期高氮管理后對大豆產量形成影響的生理基礎，以期為大豆高產栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

供試大豆品種：“墾豐16”和“合豐50”。

供試肥料：尿素（N 46%）。

1.2 試驗地土壤情況

供試土壤類型為草甸黑鈣土，土壤基本養分狀況為：堿解氮119.02 mg·kg-1，有效磷14.3 mg·kg-1，速效鉀217.28 mg·kg-1，有機質31.4 g·kg-1，pH為8.05。

1.3 試驗設計

試驗于2018年在黑龍江省大慶市林甸縣吉祥村黑龍江八一農墾大學試驗基地進行。采用完全隨機區組試驗設計，共設兩個試驗區：常規施氮區（播種前施尿素71.1 kg·hm-2）；追氮區（按大豆生育時期V2、V6、R1、R2和R4期進行分次施氮，每次施尿素125.1 kg·hm-2[16-18]，共施用尿素625.5 kg·hm-2）。兩處理分別標為N0（常規施氮處理）；N1（高氮施肥處理）。每小區8行，行長5 m，行距0.65 m，面積為26 m2，每個處理設置4次重復。其他肥料和常規管理相同。

1.4 取樣與測定項目

1.4.1 地上部干物質重的測定

分別于大豆R1~R6期進行取樣，各小區選取4株長勢一致的大豆植株，于子葉痕處剪去根部，對地上部進行取樣，置于105℃下殺青30 min，80℃烘干至恒重后，測定干物質重。

1.4.2 SPAD和葉面積指數的測定

于R6期，在晴天上午9：00~11：00，各小區選取4株代表性大豆植株，先用葉綠素儀（SPAD-502）測定植株功能葉片（倒三葉）SPAD值。于子葉痕處剪去根部，將葉與植株分開，每株選取7~8片完全展開的葉用Yaxin-1241葉面積儀測定其葉面積，將已測定葉面積的葉、剩余的葉以及植株莖和柄分別包樣，置于105℃下殺青30 min，80℃烘干至恒重后，測定干物質重量，葉面積指數計算公式如下：

葉面積指數=S掃×W總×單位土地面積上株數/W掃×單位土地面積

（S掃代表掃過的葉面積，W總代表總葉重，W掃代表掃過葉面積的葉重）

1.4.3 光合指標的測定

于R6期，在天氣晴朗的上午9：00~11：00，各小區選取3株代表性大豆植株，用便攜式光合作用測定儀Li-6400測定植株功能葉片（倒三葉）凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci）。

1.4.4 碳代謝相關指標的測定

分別于大豆R1~R6期進行取樣，每小區選取4株大豆植株功能葉片（倒三葉），迅速凍于液氮中，再轉入-40℃冰箱中保存。待樣品全部收集完畢后，參照張志良[19]方法測定可溶性糖和淀粉含量，參照Williard等[20]方法測定蔗糖和果糖含量。

1.4.5 產量及其構成因素的測定

于大豆R8期收獲測產，每小區取1 m2，記錄有效株數，從中選取10株代表性的植株測定其單株莢數、單株粒數和百粒重，然后稱量1 m2內植株的籽粒重記作實際產量。

1.5 數據分析

采用Microsoft Excel 2016進行數據錄入及整理，SPSS 17做方差分析，用Origin 2018軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同時期高氮施肥對大豆地上部干物質重的影響

如圖1所示，隨著生育時期的推進，兩大豆品種地上部干物質重均呈上升趨勢，在R6期達到峰值?！皦ㄘS16”，在R2期兩處理未達顯著差異水平；R3~R6期N1處理與N0相比達顯著差異水平，分別較N0增加12.82%、9.53%、9.37%和9.27%?！昂县S50”，在R1和R3期兩處理表現差異不顯著；R2、R4~R6期N1處理與N0相比差異顯著，較N0處理分別增加11.21%、12.89%、10.48%和8.64%。

圖1 不同生育時期大豆地上部干物質重Fig.1 Aboveground dry matter weight of soybean at different growth stages

2.2 不同時期高氮施肥對大豆葉片碳代謝相關指標的影響

2.2.1 不同時期高氮施肥對大豆葉片蔗糖和果糖含量的影響

如圖2所示，隨生育時期的遞進，兩品種葉片蔗糖含量呈先降低后升高再下降的趨勢。其中，“墾豐16”葉片蔗糖含量在R4期達到峰值，R1和R2期，N1處理與N0相比差異顯著，分別較N0顯著增加24.56%和32.51%；R4期，N1處理明顯高于N0處理，但未達顯著差異水平?！昂县S50”葉片蔗糖含量在R5期達到峰值，R1和R3期，與N0處理相比，N1處理顯著增加，分別較N0顯著增加42.07%和7.69%；R5期，N1處理明顯高于N0處理，但差異不顯著。

圖2 不同生育時期葉片蔗糖和果糖含量Fig.2 Contents of sucrose and fructose in leaves at different growth stages

兩大豆品種葉片果糖含量的變化趨勢一致。其中，“墾豐16”葉片果糖含量在R4期達到峰值，且在R1、R3、R5和R6期，N1處理較N0處理分別顯著增加25.86%、19.19%、18.56%和10.14%?！昂县S50”，在R1、R2、R3和R5期，N1處理較N0處理分別增加15.50%、5.89%、2.41%和5.89%；R4和R6期，N1處理雖高于N0處理，但未達顯著差異水平。

2.2.2 不同時期高氮施肥對大豆葉片可溶性糖和淀粉含量的影響

如圖3所示，兩大豆品種葉片可溶性糖含量呈雙峰曲線變化趨勢。其中，“合豐50”兩處理的葉片可溶性糖含量最高峰值均在R5期；而“墾豐16”，兩處理達最高峰值時間不盡一致，其中N1處理在R3期，而N0處理在R5期?！皦ㄘS16”，在R3~R6期，N1處理顯著高于N0處理，較N0處理分別顯著增加19.82%、11.78%、11.33和15.62%；“合豐50”，在R2~R6期，N1處理顯著高于N0處理，較N0處理分別顯著增加15.27%、28.82%、23.55%、20.72%和13.18%。

圖3 不同生育時期葉片可溶性糖和淀粉含量Fig.3 Contents of soluble sugar and starch in leaves at different growth stages

兩大豆品種葉片淀粉含量均表現為先降再升又降的趨勢，“墾豐16”，N1處理在R4期達最大值，而N0處理在R1期達最大值；在R3和R6期，N1與N0處理差異顯著，較N0處理分別顯著增加13.56%和21.43%?！昂县S50”，在R2、R4和R5期，N1處理較N0處理分別顯著增加28.30%、32.52%和23.16%。

2.3 不同時期高氮施肥對大豆葉片光合相關指標的影響

2.3.1 不同時期高氮施肥對大豆葉片SPAD值和葉面積指數的影響

如圖4所示，N1處理能夠提高大豆的SPAD值?！皦ㄘS16”，兩處理葉片SPAD值表現為：N1>N0，N1較N0處理顯著提高5.48%；“合豐50”，N1處理較N0處理增加7.36%，但葉片SPAD值在兩處理間無顯著差異。N1處理可提高兩大豆品種的葉面積指數?！皦ㄘS16”和“合豐50”，N1處理較N0處理分別提高13.78%和31.46%。

圖4 R6期SPAD值和葉面積指數Fig.4 SPAD value and leaf area index in R6 stage

2.3.2 不同時期高氮施肥對大豆葉片光合特性的影響

由表1可知，R6期，“墾豐16”和“合豐50”葉片Pn均在N1處理達到最大，較N0處理分別增加4.61%和21.17%，但差異不顯著。Gs和Tr的變化趨勢與Pn一致，其中，“墾豐16”，N1處理下Gs和Tr較N0處理分別提高39.62%和28.84%，但處理間無顯著差異。而“合豐50”，N1處理下Gs和Tr較N0處理顯著增加35.14%和32.95%。兩處理的Ci表現為N1>N0，且各處理間未達顯著差異水平。

表1 不同時期高氮施肥對大豆R6期光合特性的影響Table1 Effects of High nitrogen fertilization at different stages on photosynthetic characteristics of Soybean in R6 stage

2.4 不同氮肥處理對大豆產量及產量構成因素的影響

如表2所示，“墾豐16”N1處理可有效提高“墾豐16”的單株莢數、單株粒數、百粒重和產量，分別較N0顯著增加9.90%、6.86%、11.01%和16.67%，但均未達顯著差異水平?！昂县S50”N1處理的百粒重顯著高于N0處理，較N0處理顯著提高了11.87%；N1處理的單株莢數、單株粒數和產量較N0處理分別提高了4.92%、6.04%和16.52%，但差異不顯著。說明，大豆高氮施肥處理與常規施氮處理相比，可有效提高大豆產量及產量構成因素。

表2 不同時期高氮施肥對大豆R8期產量及產量構成因素Table2 Effects of high nitrogen fertilization at different stages on yield and yield components of soybean in R8 stage

3 討論

前人研究表明，在一定施氮范圍內，隨著施氮量的增加，干物質積累呈現上升的趨勢[21]，這與試驗研究結果一致，隨著生育時期的推進，大豆的干物質積累量不斷增加，與N0處理相比，N1處理可提高兩大豆品種地上部的干物質積累。倪麗[22]曾指出，隨著施氮量的增加，大豆干物質積累呈現出先增后降的變化趨勢，與試驗研究結果相反，高氮施肥能夠有效促進兩品種干物質的積累。

作物源端制造光合產物的數量，即葉片中蔗糖的含量，是光合產物運輸的一個重要因素[23]。姜東等[24]研究表明，在一定范圍內隨施氮量的增加可促進光合產物向蔗糖的轉化，促進蔗糖的合成。試驗結果表明，“墾豐16”N1處理較N0處理顯著提高了R1期和R2期葉片蔗糖含量；“合豐50”N1處理較N0處理顯著提高了R1期和R3期葉片蔗糖含量。Banziger等[25]研究表明，小麥抽穗期增加氮肥后，小麥氮素同化所消耗的能量和碳骨架不會影響碳水化合物向籽粒供應，因為氮素能夠提高光合效率，延緩葉片衰老，補償了氮素同化所消耗的碳水化合物。試驗通過不同時期高氮施肥，明顯提高了大豆葉片的蔗糖、果糖、可溶性糖含量及淀粉含量，加強光合作用，延長葉片的功能期，提高了大豆葉片可用性碳水化合物的輸出量，用于籽粒的充實，利于產量的提高。

黃正來等[26]研究表明，施氮量在112.5 kg·ha-1和150.0 kg·ha-1水平下能有效增加菜用大豆品種AC10植株花后的葉面積指數和葉綠素含量。試驗得出相似結論，在R6期，不同時期高氮施肥處理可提高“墾豐16”和“合豐50”葉片的葉面積指數和SPAD值。光合作用決定大豆90%~95%的產量，光合生產力的大小直接影響產量的高低[27]。孫繼穎等[28]研究發現，施純氮量在72 kg·ha-1下可以增加大豆葉片的Pn、Ci、Gs和Tr。試驗結果表明，在R6期，與N0處理相比，N1處理均提高兩大豆品種葉片的Pn、Ci、Gs和Tr，但N1處理顯著提高“合豐50”的葉片Gs和Tr。

大豆產量對施氮量的響應結果不一致。有研究表明，隨施氮量的增加大豆單株莢數、單株粒重、百粒重呈增加趨勢，使其產量增加[29-30]。施氮會影響大豆根瘤的固氮作用，使其不增產或增產不顯著[31-32]。但更多的研究結果表明，施氮有利于改善大豆的產量性狀，進而促使大豆產量增加，且隨施氮量的增加呈先增后降的趨勢[33-35]。試驗得出與上述相反的結論，隨施氮量的增加大豆單株莢數、單株粒數和百粒重均增加，且N1處理產量最大。

4 結論

N1處理可提高兩大豆品種的干物質積累，促進葉片碳代謝的有序進行，提高大豆葉片蔗糖、果糖、可溶性糖和淀粉含量，改善了大豆的光合特性，增加兩大豆品種的單株莢數、單株粒數和百粒重，從而提高產量。綜合考慮，試驗采用不同時期高氮施肥，以促進大豆達到高產，但未達到理想目標。說明大豆高產不僅受氮素供應的影響，還受當地天氣和土壤環境影響，需進一步研究。