李亞杰，徐文修，張　娜，蘇麗麗，張永強(qiáng)，唐江華，郝維維

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)， 新疆 烏魯木齊 830052)

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水氮耦合對滴灌復(fù)播大豆干物質(zhì)積累氮素吸收及產(chǎn)量的影響

李亞杰，徐文修，張娜，蘇麗麗，張永強(qiáng)，唐江華，郝維維

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)， 新疆 烏魯木齊 830052)

為探明不同水氮組合對復(fù)播大豆干物質(zhì)積累、氮素吸收及產(chǎn)量的影響，于2013年7—10月在新疆伊寧縣進(jìn)行了不同滴灌量與施氮量的裂區(qū)田間試驗(yàn)。滴灌量為主因子，分設(shè)3 000 m3·hm-2(W1)、3 600 m3·hm-2(W2)、4 200 m3·hm-2(W3)、4 800 m3·hm-2(W4)四個灌水梯度；施氮量為副因子，設(shè)0 kg·hm-2(N0)、150 kg·hm-2(N1)、300 kg·hm-2(N2)三個水平。結(jié)果表明：同一施氮量條件下，隨著滴灌量的增加各施氮處理干物質(zhì)積累平均速率、干物質(zhì)積累持續(xù)時間及氮素吸收量基本表現(xiàn)為 “先增后降”的趨勢，且均在W3處理(4 200 m3·hm-2)達(dá)到最大；在低水量(W1)條件下增加氮肥的投入，有利于增加復(fù)播大豆干物質(zhì)積累，提高復(fù)播大豆氮素吸收量，進(jìn)而提高復(fù)播大豆產(chǎn)量，但降低了氮素籽粒生產(chǎn)效率；水分充足時適量增施氮肥能促進(jìn)大豆干物質(zhì)的積累，增加植株氮素的吸收量，增加氮素籽粒生產(chǎn)效率，而過量追施氮肥，阻礙根系吸收氮素進(jìn)入植株體內(nèi)，降低氮素的利用效率，且W3N1組合條件下，干物質(zhì)積累量、植株氮素吸收量、產(chǎn)量均達(dá)到最大，產(chǎn)量達(dá)到3 741.23 kg·hm-2，分別比低水低肥處理(W1N0)、高水高肥處理(W4N2)增加了54.30%、17.02%。

水氮耦合；滴灌；復(fù)播大豆；干物質(zhì)；氮素利用效率；產(chǎn)量

在全球氣候變暖的背景下，新疆大部分地區(qū)均有不同程度的變暖趨勢，尤其北疆溫度增加更為明顯[1-3]，20世紀(jì)90年代初北疆沿天山一帶的部分農(nóng)區(qū)開始利用麥后剩余的熱量資源，復(fù)播一些熱量要求較少的白菜、綠肥和油葵等作物[4-5]。目前，熱量的持續(xù)增加使北疆麥后復(fù)播大豆和玉米的種植模式不斷涌現(xiàn)并有不斷擴(kuò)大的趨勢[6]，這樣不僅增加復(fù)播作物與春播作物之間的爭水矛盾，而且增大地力的消耗，導(dǎo)致農(nóng)民為追求高產(chǎn)，大量施用化肥，不僅肥料利用效率降低，而且造成環(huán)境污染[7-8]。如何有效的利用有限的水資源，并提高水氮利用效率，是新疆乃至我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長期需要研究解決的問題。因此，研究不同水氮耦合對復(fù)播大豆干物質(zhì)積累特征及產(chǎn)量的影響，對于制定復(fù)播大豆高產(chǎn)高效的灌溉施肥制度，以及節(jié)水節(jié)肥的水肥管理有重要的理論與實(shí)際意義。

國內(nèi)外就水氮耦合對植株干物質(zhì)積累[9]、產(chǎn)量[10]、生理代謝[11]以及水氮利用率[12-13]的影響做了大量研究，從不同層面系統(tǒng)地揭示水氮耦合機(jī)理，以較好協(xié)同利用土壤中有效水肥資源，獲得穩(wěn)定的生產(chǎn)效應(yīng)。邢英英、杜清潔、張燕等對番茄的產(chǎn)量、品質(zhì)及水氮利用做了一定的研究，表明水肥過高或過低均會使產(chǎn)量和品質(zhì)下降，灌水和施肥要配合合理[14-16]；裴宇峰、韓曉增等研究認(rèn)為大豆在適宜土壤水分條件下，提高氮肥施用量可以提高大豆的光合效率，有利于蛋白質(zhì)的合成[10-11]；龔江、謝志良等研究表明灌水量對棉花干物質(zhì)的積累影響大于施氮量，水分脅迫條件下，增加氮肥的供應(yīng)，氮素利用率下降[17-18]。在水氮耦合條件下前人對春大豆的研究多在產(chǎn)量品質(zhì)和生理特性方面，而對復(fù)播大豆干物質(zhì)積累、氮素吸收的研究鮮有報(bào)道。為此，本文研究不同水肥耦合處理對復(fù)播大豆干物質(zhì)積累特征、氮素吸收及產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的影響，以期為北疆地區(qū)麥后復(fù)播大豆確定合理的滴灌施肥制度提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料和方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2013年7—10月在伊犁哈薩克自治州伊寧縣農(nóng)業(yè)科技示范園進(jìn)行。該區(qū)位于天山西段，屬溫帶大陸性半干旱氣候，冬春溫暖濕潤，夏秋干燥較熱，晝夜溫差明顯，日照年平均可達(dá)2 800～3 000 h，年均降水量約257 mm，60%～70%的降雨集中在6—9月份，全年無霜期169～175 d。試驗(yàn)地土壤耕層0～20 cm平均養(yǎng)分含量：有機(jī)質(zhì)2.35 g·kg-1，全氮0.83 g·kg-1，堿解氮85.2 mg·kg-1，速效磷21.8 mg·kg-1，速效鉀116 mg·kg-1。土壤pH值8.4。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

前茬作物為冬小麥，試驗(yàn)采用雙因素裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)置滴灌量為主因子，共設(shè)4個灌水梯度：3 000 m3·hm-2(W1)、3 600 m3·hm-2(W2)、4 200 m3·hm-2(W3)、4 800 m3·hm-2(W4)；施肥量(尿素用量)為副因子，均以追肥形式施入，共設(shè)3個施氮水平：0 kg·hm-2(N0)、150 kg·hm-2(N1)、300 kg·hm-2(N2)，自花期開始均隨著滴灌灌水器水肥一體化追施氮肥，每次150 kg·hm-2尿素，N1處理花期追施一次，N2處理花期和結(jié)莢期各追施一次。各處理重復(fù)三次，共計(jì)36個小區(qū)，小區(qū)面積18 m2(3.6 m×5 m)。大豆品種為黑河43，種植密度52.5萬株·hm-2，30 cm等行距播種(株距6.3 cm)，每小區(qū)播種12行，毛管采用1管2的鋪設(shè)方式，即帶間距60 cm。結(jié)合整地各處理均施尿素75 kg·hm-2，每小區(qū)進(jìn)水口均有水表控制進(jìn)水量。各處理每次的灌水定額依次分別為375 m3、450 m3、525 m3、600 m3，全生育期共計(jì)灌水8次，具體灌水方案如表1所示。

1.3測試項(xiàng)目與方法

1.3.1干物質(zhì)的測定自苗期開始，每隔10 d分別從每個小區(qū)選取大豆5株，各株分莖、葉、葉柄、粒、莢等器官，于105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重，稱干重。

表1　不同處理各階段的滴灌量/(m3·hm-2)

并采用Logistic方程對干物質(zhì)積累的變化進(jìn)行擬合：Y=Y0/[1+e(A-Bt)]

式中：Y為大豆出苗后t天干物質(zhì)積累量(g·株-1)；t為出苗后的天數(shù)(d)；Y0為單株干物質(zhì)理論最大值(g·株-1)；A、B為待定系數(shù)。由方程的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)推導(dǎo)出一系列干物質(zhì)積累特征參數(shù)，分別為干物質(zhì)積累平均速率Va、干物質(zhì)積累持續(xù)時間T、干物質(zhì)最大積累速率Vm及達(dá)到Vm的時間Tm，上述參數(shù)為干物質(zhì)積累初級參數(shù)。干物質(zhì)積累次級參數(shù)Y1、T1、V1；Y2、T2、V2；Y3、T3、V3分別表示干物質(zhì)積累的漸增期、快增期和緩增期3個階段的干物質(zhì)積累量、持續(xù)時間和平均速率。

1.3.2植株氮素吸收量的測定大豆成熟期，分別在每處理每重復(fù)隨機(jī)選取大豆5株，將其莖、葉、葉柄、豆、豆莢分開，稱鮮重后放入烘箱，在105℃殺青30 min，然后于80℃烘至恒重，冷卻后用電子天平稱重。將各器官干樣粉碎后，過0.5 mm篩，用H2SO4-H2O2消煮，消煮液用于養(yǎng)分測定，全氮含量用凱氏定氮儀(FOSS 2300 型)測定。

各器官氮吸收量(kg·hm-2)=各器官全氮含量×干物質(zhì)量

1.3.3氮素籽粒生產(chǎn)效率

氮素籽粒生產(chǎn)效率(kg·kg-1)=大豆單株籽粒產(chǎn)量/單株植株氮吸收量

1.3.4產(chǎn)量的測定大豆成熟后實(shí)收各小區(qū)產(chǎn)量，同時每處理每重復(fù)各選取有代表性的點(diǎn)連續(xù)取植株10株進(jìn)行考種，調(diào)查單株有效莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重和百粒重。

1.4數(shù)據(jù)分析及處理方法

采用Microsoft Excel作圖，用SPSS軟件統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2　結(jié)果與分析

2.1水氮耦合對復(fù)播大豆干物質(zhì)積累特征參數(shù)的影響

2.1.1干物質(zhì)積累的初級參數(shù)對不同處理大豆地上部分干物質(zhì)的積累進(jìn)行Logistic方程模擬，其Logistic模型及其初級參數(shù)特征值如表2所示。同一施氮量條件下，隨著滴灌量的增加各施氮處理干物質(zhì)積累平均速率(Va)、干物質(zhì)積累持續(xù)時間(T)基本表現(xiàn)為“先增后降”的趨勢，且均在W3處理(4 200 m3·hm-2)達(dá)到最大，其中W3處理的Va分別比W1、W2、W4各處理的增加12.28%、8.47%、1.59%；W3處理的T分別比W1、W2、W4各處理的平均值增加5.3、2.6、2.2 d；同一滴灌量條件下，花期追施氮肥處理(N1)的Va、Vm、Tm表現(xiàn)為最大，其中N1處理的Va分別比N0、N2處理的增加14.67%、4.88%。在低水量W1、W2條件下，T隨著施氮量的增加逐漸增大，但在中高水量W3、W4條件下，T則隨著施氮量的增加表現(xiàn)為先升后降的趨勢。由此可見，不追施氮肥(N0)時，增加滴灌量可以提高干物質(zhì)積累平均速率(Va)、干物質(zhì)積累持續(xù)時間(T)，進(jìn)而增加干物質(zhì)的積累，花期追施氮肥(N1)均能增加Va、T、Vm、Tm，進(jìn)而促進(jìn)大豆干物質(zhì)的積累，而結(jié)莢期再追施氮肥(N2)雖能夠滿足大豆生育后期對氮肥的需求，但可能又影響了大豆后期根瘤的發(fā)育與功能，不利于植物對氮素的吸收，反而影響干物質(zhì)的形成。

表2　不同水肥處理復(fù)播大豆地上部分干物質(zhì)積累的Logistic模擬及其特征值

注：不同字母表示差異達(dá)5%顯著水平，下同。

Note: different letters indicate significant difference (P<0.05), and hereinafter.

2.1.2干物質(zhì)積累的二級參數(shù)不同水肥處理下，復(fù)播大豆干物質(zhì)積累的初級參數(shù)變化不同，進(jìn)而影響其二級參數(shù)。由表3可得，在復(fù)播大豆生長過程中，各處理其干物質(zhì)積累量最大的時期均是速增期，漸增期次之，緩增期最低，三個時期干物質(zhì)積累的持續(xù)時間均表現(xiàn)為T3>T1>T2，平均速率表現(xiàn)為V2>V1>V3，說明速增期是復(fù)播大豆干物質(zhì)積累的關(guān)鍵時期，增大速增期干物質(zhì)的積累速率(V2)和延長速增期持續(xù)的時間(T2)有利于增大干物質(zhì)的積累量。在漸增期、速增期、緩增期均以W3N1處理干物質(zhì)積累量達(dá)到最大。同一施氮水平下，隨著滴灌量的增加干物質(zhì)積累量(Y)基本表現(xiàn)為 “先升后降”的變化趨勢，均在W3處理達(dá)到最大，分別比W1、W2、W4各處理的平均值增加15.25%、9.21%、2.79%。少量灌水條件下(W1、W2)，增施氮肥能促進(jìn)大豆干物質(zhì)積累量，而適量和大量灌水下(W3、W4)，大量追施氮肥不利于干物質(zhì)的積累。說明水分不足時，可以通過增加氮肥的投入，達(dá)到以肥促水，進(jìn)而提高復(fù)播大豆干物質(zhì)積累量的目的，但較多灌水量時，過量施肥并不利于復(fù)播大豆干物質(zhì)積累。

表3　不同水肥處理復(fù)播大豆地上部分干物質(zhì)積累的二級參數(shù)

2.2復(fù)播大豆干物質(zhì)積累特征參數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)性

由表4可知，各處理復(fù)播大豆干物質(zhì)積累參數(shù)Vm、Va、V1、V2、V3與產(chǎn)量均呈極顯著正相關(guān)(P<0.05)，且Va與產(chǎn)量的相關(guān)性最大，Tm、T、T1、T2、T3與產(chǎn)量相關(guān)不顯著，各個階段復(fù)播大豆干物質(zhì)積累速率之間呈極顯著正相關(guān)，各個階段復(fù)播大豆干物質(zhì)積累速率均與持續(xù)時間呈負(fù)相關(guān)。說明復(fù)播大豆干物質(zhì)積累速率的提高是增加大豆產(chǎn)量的關(guān)鍵，復(fù)播大豆干物質(zhì)積累持續(xù)時間長短也對大豆產(chǎn)量起主導(dǎo)作用，增加復(fù)播大豆干物質(zhì)積累速率和減少干物質(zhì)積累持續(xù)時間有利于復(fù)播大豆產(chǎn)量的提高。

2.3水氮耦合對復(fù)播大豆氮素吸收和氮素籽粒生產(chǎn)效率的影響

水氮耦合不僅影響復(fù)播大豆干物質(zhì)的積累，而且對復(fù)播大豆氮素吸收和氮素籽粒生產(chǎn)效率也有重要的影響。由圖1可知，同一施氮水平下，隨著滴灌量的增加，植株氮素吸收量均呈先升后降的趨勢，且均在W3處理達(dá)到最高，分別比W1、W2、W4處理平均值增加11.01%、4.70%、1.63%；在低水量下(W1)，隨著施氮量的增加，植株氮素吸收量逐漸增加；在適量和大量灌水水平下(W2、W3、W4)，隨著施氮量的增加，植株氮素吸收量均表現(xiàn)為N1>N2>N0， N1處理分別比N0、N2處理平均值增加2.40%、1.02%。由圖2可知，氮素籽粒生產(chǎn)效率變化趨勢與大豆氮素吸收量的基本相同，且均在W3N1處理達(dá)到最高。說明隨著大豆生育期的推進(jìn)增施氮肥能夠增加植株氮素的吸收量，增加氮素籽粒生產(chǎn)效率，而過量追施氮肥，可能導(dǎo)致根系活力的減弱，降低根瘤菌的固氮作用，進(jìn)而阻礙根系吸收氮素進(jìn)入植株體內(nèi)，降低氮素的利用效率；在低水量條件下，大量增施氮肥可以增加大豆氮素的吸收，但降低了氮素籽粒生產(chǎn)效率，在適宜的灌水條件下，能增加大豆氮素的吸收，增加氮素籽粒生產(chǎn)效率，當(dāng)超過4 200 m3·hm-2時，會增加土壤氮素的淋失，不利于大豆氮素的吸收，進(jìn)而降低氮素籽粒生產(chǎn)效率。

表4　不同水肥處理復(fù)播大豆干物質(zhì)積累參數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)

注：*和**表示0.05和0.01的顯著水平。P<0.01。

Note: * and ** mean significant difference at 0.05 and 0.01 level, respectively.

圖1　不同水肥處理對復(fù)播大豆氮素吸收的影響

圖2不同水肥處理對復(fù)播大豆氮素籽粒生產(chǎn)效率的影響

Fig.2Effects of different irrigations and fertilizer treatments on nitrogen use efficiency of summer soybean

2.4水氮耦合對復(fù)播大豆產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表5可知，同一施氮水平下，隨著滴灌量的增加，復(fù)播大豆的單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重、百粒重、產(chǎn)量均表現(xiàn)為“先升后降”的變化趨勢，且均在W3處理達(dá)到最高，其產(chǎn)量分別比W1、W2、W4處理平均值增加29.16%、14.36%、7.81%；在少量灌水(W1)下，能夠增加復(fù)播大豆的單株粒重、百粒重，進(jìn)而提高復(fù)播大豆產(chǎn)量；在適量和大量灌水量(W2、W3、W4)水平，N1與N2相比，單株莢數(shù)差異不顯著，單株粒數(shù)、單株粒重、百粒重均達(dá)到顯著差異，且產(chǎn)量達(dá)到極顯著差異；N1與N0相比，單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重、百粒重、產(chǎn)量均達(dá)到顯著和極顯著差異，其產(chǎn)量分別比N0、N2處理平均值增加20.53%、6.06%，。說明水分過少時，以肥促水，能夠提高復(fù)播大豆產(chǎn)量，而水分過多時，可能會造成氮肥流失，進(jìn)而導(dǎo)致大豆減產(chǎn)。由此可見，W3N1組合條件能提高復(fù)播大豆的產(chǎn)量，一旦超出這個范圍,水肥之間不但不會產(chǎn)生預(yù)期的協(xié)同效應(yīng)，反而會產(chǎn)生拮抗效應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)量下降。

3　結(jié)論與討論

3.1水氮耦合對復(fù)播大豆干物質(zhì)積累量的影響

大量研究表明，不同的施氮量和滴灌量對作物干物質(zhì)積累量的影響較大，增施氮肥能夠顯著提高作物干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量，然而隨施氮量增加氮肥增產(chǎn)效果下降，氮肥利用效率降低，過量施氮甚至還會加重土地污染，帶來環(huán)境污染問題[19-20]。龔江、謝志良等研究一致認(rèn)為灌水量對棉花干物質(zhì)的積累影響很大，而施氮量影響不大，在棉花生長過程中灌水的作用要明顯大于施氮作用[17-18]，而馮淑梅和陳碧華等研究結(jié)果與其相反，他們研究認(rèn)為其影響施氮量大于灌水量[13,21]。本文研究結(jié)果表明在水分不足的條件下，增加氮肥的投入能夠增加復(fù)播大豆干物質(zhì)積累；水分充足時，花期增施氮肥能促進(jìn)復(fù)播大豆干物質(zhì)的積累，但莢期繼續(xù)增施氮肥不利于復(fù)播大豆干物質(zhì)的積累，且在W3N1這個處理組合下干物質(zhì)積累量達(dá)到最大，這可能是因?yàn)椴煌魑飳λ实男枨蟛煌?，試?yàn)設(shè)計(jì)的灌水梯度和施肥梯度不同所導(dǎo)致的結(jié)果。

表5　不同水肥處理對復(fù)播大豆產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

注：同列不同小些字母表示0.05水平的顯著差異。

Note: Means with different letters in the same column indicate significant difference (P<0.05).

3.2水氮耦合對復(fù)播大豆氮素吸收利用和產(chǎn)量的影響

增施氮肥能夠顯著提高作物產(chǎn)量，然而隨施氮量增加氮肥增產(chǎn)效果下降，氮肥利用效率降低，雍太文[22]和劉學(xué)軍[23]一致認(rèn)為減半施氮既未引起小麥產(chǎn)量和吸氮量的變化，又有利于提高作物的氮肥利用率，本文研究認(rèn)為花期追施氮肥可以增加復(fù)播大豆氮素吸收，提高氮素籽粒生產(chǎn)率，進(jìn)而增加大豆產(chǎn)量。張永麗和劉新永等研究認(rèn)為水與氮存在明顯的互作效應(yīng)，增加滴灌量，氮素利用效率增加，但過量的灌水，氮素利用效率下降，產(chǎn)量降低[24-25]。本研究認(rèn)為在低水量條件下，大量增施氮肥可以增加復(fù)播大豆氮素的吸收量，但降低了氮素籽粒生產(chǎn)效率，在適宜的灌水條件下，能增加大豆氮素的吸收，增加氮素籽粒生產(chǎn)效率，當(dāng)超過4 200 m3·hm-2時，會增加土壤氮素的淋失，不利于大豆氮素的吸收，進(jìn)而降低氮素籽粒生產(chǎn)效率，導(dǎo)致產(chǎn)量下降。

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Effects of different water nitrogen couplings on dry matter accumulation,nitrogen uptake and yield of summer soybean

LI Ya-jie, XU Wen-xiu, ZHANG Na, SU Li-li, ZHANG Yong-qiang, TANG Jiang-hua, HAO Wei-wei

(College of Agronomy, Xinjiang Agricultural University, Urumqi, Xinjiang 830052, China)

In order to study the effects of different water-nitrogen couplings on dry matter accumulation, nitrogen uptake and yield of summer soybean, a field experiment was conducted based on a two factors split plot experiment in Yining County from the July to October. For the split plot design, the irrigation factor was assigned to the main plot with 4 irrigation levels as 3 000 m3·hm-2(W1), 3 600 m3·hm-2(W2), 4 200 m3·hm-2(W3) and 4 800 m3·hm-2(W4), and the nitrogen factor to the subplot with 3 nitrogen levels as 0 kg·hm-2(N0), 150 kg·hm-2(N1) and 300 kg·hm-2(N2). The results showed that with the increase of irrigation quantity, the average increase rate of dry matter (Va), the continued days of dry matter accumulation (T) and nitrogen uptake were all presented a trend of being increased first then becoming decreased, reaching the maximum by W3. Under the condition of the nitrogen input increased at low water (W1), the dry matter accumulation, nitrogen uptake and yield were also increased while the nitrogen use efficiency became reduced. Under sufficient soil water condition, increasing the application of nitrogen elevated dry matter accumulation, nitrogen uptake and nitrogen use efficiency, and excessive nitrogen was not favorable to root absorption of nitrogen, which adversely decreased the nitrogen use efficiency. In a word, the treatment of W3N1 had the highest dry matter accumulation, nitrogen uptake and yield (3 741.23 kg·hm-2), 54.30% and 17.02% in yield higher than those of W1N0 and W4N2, respectively.

water nitrogen coupling; drip irrigation; summer soybean; dry matter; nitrogen use efficiency; yield

1000-7601(2016)05-0079-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.05.12

2015-07-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31560372，31260312)

李亞杰(1989—)，男，河南商丘人，碩士研究生，研究方向?yàn)榫G洲高效農(nóng)作制度。E-mail：li317592684@qq.com。

徐文修，E-mail：xjxwx@sina.com。

S158.5

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