房彥飛，符小文，徐文修，張永杰，安崇霄，杜孝敬，張 娜，厙潤(rùn)祥

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

0 引 言

【研究意義】近年來，受熱量資源持續(xù)增加的影響，北疆麥后復(fù)播大豆的面積呈現(xiàn)不斷擴(kuò)大的趨勢(shì)，尤其是伊犁河谷地區(qū)，麥后復(fù)種大豆面積占北疆的半數(shù)以上[1]。就麥后復(fù)播大豆如何施肥，一方面認(rèn)為大豆本身為固氮作物，自身固定的氮素即可滿足自身所需的氮素，表現(xiàn)為少施甚至不施氮肥；另一方面，未考慮上茬作物氮肥的后效作用，仍然按照單季作物施氮，易產(chǎn)生氮肥施用過量的問題。如何在一年兩熟種植區(qū)充分考慮前茬作物的氮肥后效作用并兼顧后茬作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)上科學(xué)的周年施用氮肥,成為該地區(qū)目前亟待解決的問題之一。【前人研究進(jìn)展】氮素作為大豆生長(zhǎng)發(fā)育過程中需求量較大的元素，對(duì)植株生長(zhǎng)及產(chǎn)量的形成起到至關(guān)重要的作用[2-3]。作物產(chǎn)量中90%～95%的物質(zhì)來源于光合作用[4]，而氮素作為構(gòu)建光合器官的關(guān)鍵因子，直接或間接的影響光合作用[5-6]。近幾年，國內(nèi)外針對(duì)施氮對(duì)作物光合和產(chǎn)量的影響已有了大量的研究，研究認(rèn)為，大豆植株光合速率和產(chǎn)量之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系[7]，且氮肥在一定的范圍內(nèi)能夠提高大豆[8-9]、玉米[10]、小麥[11]等當(dāng)季作物葉綠素含量和光合生理指標(biāo)，最終使作物增產(chǎn)。但針對(duì)一年兩熟種植模式下兩季作物施氮的問題，前人通過大量15N示蹤試驗(yàn)研究證明，氮素的當(dāng)季回收率為20%～87%，土壤殘留率為10%～35%，甚至更多[12-14]。當(dāng)季作物通過殘留氮的多少影響到后季作物對(duì)其吸收利用，可能會(huì)間接的影響作物光合特性，最終影響產(chǎn)量的構(gòu)成。肖厚軍等[15]研究認(rèn)為，后茬烤煙季應(yīng)在充分考慮前茬水稻氮肥后效的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化施氮，前茬水稻季施氮越多，煙烤季養(yǎng)分的后效越強(qiáng)，其生物性狀最優(yōu)，但產(chǎn)量以中氮處理下最好。孫政才和李志宏等[16-17]在冬小麥-夏玉米周年輪作體系的研究中認(rèn)為，前后茬間隔時(shí)間較短，前茬小麥的氮肥后效可能對(duì)后茬玉米有較大的影響，夏玉米氮肥殘留的多少是隨冬小麥?zhǔn)┑康脑黾佣岣?，在考慮小麥季氮肥后效的情況下，玉米季施氮量應(yīng)適當(dāng)調(diào)整?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，關(guān)于施氮對(duì)作物光合特性及產(chǎn)量多集中于一年一熟制不同作物上的研究，前茬施氮對(duì)后茬影響的研究多集中于長(zhǎng)江流域的稻-麥、稻-油及煙烤輪作模式，華北平原的冬小麥-夏玉米輪作及新疆地區(qū)麥后復(fù)播青儲(chǔ)玉米等地區(qū)，且均未涉及到前茬施氮對(duì)后茬具有固氮作用大豆的作物光合特性等方面的研究。研究冬小麥?zhǔn)┑綄?duì)后茬大豆光合性及產(chǎn)量的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】以北疆伊犁河谷地區(qū)小麥復(fù)播大豆為研究對(duì)象，設(shè)置冬小麥不同施氮量，研究后茬大豆光合特性及產(chǎn)量對(duì)前茬麥季施氮肥的響應(yīng)，為北疆麥后復(fù)播大豆合理施氮、提高周年氮肥利用率和夏大豆產(chǎn)量提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2016年10月～2017年10月在新疆伊犁哈薩克自治州伊寧縣農(nóng)業(yè)科技示范園進(jìn)行，該試驗(yàn)地位于新疆西部，伊犁河谷中部，E 81°、N 44°之間，屬中溫帶干旱型內(nèi)陸山地氣候，年均溫度9℃，平均日照時(shí)數(shù)2 800～3 000 h，年均降水量257 mm，無霜期169～175 d。土壤0～40 cm耕層基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)17.4 g/kg，堿解氮119.4 mg/kg，速效磷9.9 mg/kg，速效鉀105 mg/kg，pH 8.21。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，以冬小麥季施氮量為單因素，設(shè)置4個(gè)施氮水平(尿素用量)，分別為N0(0 kg/hm2)、N1(225 kg/hm2)、N2(375 kg/hm2)、N3(525 kg/hm2)，另設(shè)全年不施氮處理CK作為對(duì)照，共計(jì)5個(gè)處理。供試氮肥為尿素(含N 46%)，施氮量的40%做基肥，剩余60%在冬小麥拔節(jié)期和抽穗期分兩次隨水滴施。各處理3次重復(fù)，共15個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為5 m×4.5 m。冬小麥播種前結(jié)合翻地施入重過磷酸鈣204 kg/hm2，除CK處理外，各處理于夏大豆季始花期一次性隨水滴施尿素150 kg/hm2，兩季作物灌溉均為滴灌，其他田間管理措施同當(dāng)?shù)卮筇铩?/p>

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)

1.2.2.1 葉綠素值

分別于夏大豆的苗期、花期、莢期、鼓粒期選擇晴天，在11：00～13：00時(shí)段采用日本產(chǎn)手?jǐn)y式SPAD-502型葉綠素儀，各小區(qū)選擇3株大豆，夾取主莖上的倒3葉中間小葉片，測(cè)其SPAD值。測(cè)量時(shí)避開葉脈，取葉片的底部、中部與頂部記錄其平均值。

1.2.2.2 光合特性

同測(cè)定葉綠素值的時(shí)間相同，選擇晴天在11：00～15：00時(shí)段在自然光條件下采用英國PP Systems公司產(chǎn)CARIS-2型便攜式光合儀測(cè)定。各小區(qū)選取3株大豆，測(cè)其主莖倒3葉的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)。

1.2.2.3 產(chǎn)量

于夏大豆成熟期分別在各處理每個(gè)重復(fù)內(nèi)，選取長(zhǎng)勢(shì)均勻一致面積大小為1.0 m×0.6 m的3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)收，計(jì)算出每個(gè)處理的產(chǎn)量；另在每個(gè)小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的大豆植株連續(xù)10株進(jìn)行室內(nèi)考種，測(cè)定夏大豆單株莢數(shù)，單株粒數(shù)和百粒重等指標(biāo)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Execl 2010和Origin 8.5軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和圖表的制作，SPSS19.0軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 麥-豆周年施氮對(duì)夏大豆葉片SPDA值的影響

研究表明，各處理夏大豆葉綠素含量均隨生育進(jìn)程呈現(xiàn)先增后降的拋物線變化趨勢(shì)，至莢期達(dá)到峰值。N2處理的SPAD值在各生育時(shí)期始終表現(xiàn)最高，N2處理較CK、N0處理分別平均高出12.56%、5.88%，且均達(dá)到顯著差異(P<0.05)，其次是N1處理，而施氮量最高的N3處理SPAD值較N2處理反而平均下降了2.47%，但差異不顯著。葉綠素含量的高低與氮肥密切相關(guān)，全年不施氮肥不利于大豆葉片葉綠素含量的增加，而僅大豆季施肥不能滿足于夏大豆植株對(duì)土壤中氮素的吸收，但過高的氮肥也會(huì)造成養(yǎng)分不能被植株吸收，從而致使SPAD值下降。在N2處理下葉片氮素濃度達(dá)到最高，提高夏大豆功能葉片的光合作用。圖1

圖1 不同處理夏大豆葉片SPAD值
Fig.1 SPAD value of summer soybean leaves treated with different treatments

2.2 麥季施氮對(duì)夏大豆葉片光合特性的影響

2.2.1 凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)

研究表明，各處理夏大豆功能葉片凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)在各生育時(shí)期均表現(xiàn)為：花期>莢期>苗期>鼓粒期。比較各處理可知，N2處理的Pn和Tr在各生育時(shí)期始終表現(xiàn)最高；其中，N2處理的Pn較CK、N0處理平均增加了43.8%和21.17%，且與其他處理基本達(dá)到顯著差異(P<0.05)，而Tr較CK、N0處理平均分別增加了70.41%和11.31%，且除花期外N2處理均與其他各生育時(shí)期各處理間基本達(dá)到顯著差異。施氮最高的N3處理其Pn和Tr較N2處理反而平均下降14.72%和16.56%，麥季施氮水平對(duì)夏大豆Pn和Tr具有顯著的后效影響，且麥季適宜的施氮能夠保證夏大豆葉片具有較高的Pn和Tr，促進(jìn)植株體內(nèi)的物質(zhì)循環(huán)與轉(zhuǎn)運(yùn)，提高葉片光合效率，促進(jìn)光合產(chǎn)物的積累，為夏大豆的高產(chǎn)奠定良好的基礎(chǔ)。圖2

2.2.2 氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)

研究表明，各處理夏大豆氣孔導(dǎo)度(Gs)均隨生育進(jìn)程呈現(xiàn)先增后降的拋物線變化趨勢(shì)，至花期達(dá)到峰值。比較各處理可知，N2處理的Gs在各生育時(shí)期始終表現(xiàn)最高，N2處理較CK、N0處理分別平均高出64.86%和28.53%，且基本達(dá)到顯著差異(P<0.05)，其次是N1處理，施氮量最高的N3處理Gs較N2處理反而平均下降了12.68%，除花期外均達(dá)到顯著差異。前茬小麥?zhǔn)┑獙?duì)后茬植株葉片氣孔導(dǎo)度影響顯著，不施氮或高施氮均會(huì)使得Gs較低，不利于氣孔進(jìn)行新陳代謝。

夏大豆胞間CO2濃度(Ci)與Pn、Tr及Gs呈現(xiàn)恰恰相反的變化趨勢(shì)，即各處理夏大豆Ci均隨生育進(jìn)程呈現(xiàn)先降后增的變化趨勢(shì)，至鼓粒期達(dá)到最高，而夏大豆鼓粒期Ci升高可能與生育后期北疆地區(qū)溫度降低，功能葉片光合特性變差有關(guān)[18]。比較各處理可知，N2處理的Gs在各生育時(shí)期始終表現(xiàn)為最低，CK處理較N2、N3處理分別平均高出9.1%和6.17%，且均達(dá)到顯著差異(P<0.05)，其次是N1處理，且在苗期各施肥處理間無顯著影響。全年不施氮對(duì)夏大豆Ci影響較大，通過合理的增施氮肥可有效調(diào)節(jié)夏大豆葉片同化CO2的能力，增加植株可積累的生物量，進(jìn)而提高產(chǎn)量。圖3

注：同列小寫字母為差異顯著(P<0.05)，下同

Note: The lowercase letters mean significant difference at 0.05 level,the same as below

圖2 不同處理夏大豆葉片凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)
Fig.2 Net photosynthetic rate (Pn) and transpiration rate (Tr) of different treated summer soybean leaves

2.3 麥季施氮對(duì)夏大豆產(chǎn)量的影響

研究表明，前茬小麥?zhǔn)┑饕绊懙胶蟛绱蠖箚沃昵v數(shù)和單株粒數(shù)，進(jìn)而影響到最終的產(chǎn)量。夏大豆產(chǎn)量、單株莢數(shù)和單株粒數(shù)隨麥季施氮量的增加呈現(xiàn)先升后降的一致變化趨勢(shì)，均在N2處理達(dá)到最高。各項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)最好的N2處理的夏大豆產(chǎn)量、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)較全年不施肥CK處理的分別增加26.17%、22.11%、18.60%，較麥季不施肥的N0處理分別增加了19.31%、7.71%、6.95%，且均與N2處理達(dá)到顯著差異(P<0.05)，全年不施氮肥不利于夏大豆產(chǎn)量的提高，若麥季不施氮肥，僅大豆季施了氮肥也會(huì)顯著影響夏大豆產(chǎn)量的提高。大豆雖然具有固氮作用，但其固定的氮素不能滿足自身生長(zhǎng)發(fā)育，不足以提高產(chǎn)量，而缺少麥季后移的肥效使得N0處理并未達(dá)到較高的產(chǎn)量。而施肥量最高的N3處理反而較N2處理夏大豆產(chǎn)量、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)分別下降了13.67%、2.33%、3.70%，麥季過量施氮反而使得夏大豆單株莢數(shù)和單株粒數(shù)下降，最終導(dǎo)致產(chǎn)量也隨之下降。前茬小麥?zhǔn)┑c否以及施氮量的多少對(duì)后季大豆產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素產(chǎn)生重要的影響，只有在N2處理下產(chǎn)量達(dá)到最高，滿足夏大豆的氮素需求，不施、低施或高施均不利于其產(chǎn)量的提高。表1

圖3 不同處理夏大豆葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)
Fig.3 Stomatal conductance (Gs) and intercellular CO2concentration (Ci) of different treated summer soybean leaves

表1 麥季施氮下夏大豆產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素變化Table 1 Effects of nitrogen Application in Wheat season on yield and yield components of Summer Soybean

注：同列小寫字母為差異顯著(P<0.05)

Note: The lowercase letters mean significant difference at 0.05 level

3 討 論

氮在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中是重要的限制因素，而大豆作為需氮較多的作物之一，對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育和后期產(chǎn)量的形成起到重要的影響[19-20]。主要通過施氮影響大豆葉片葉綠素含量而影響光合作用和干物質(zhì)積累量，最終影響到大豆產(chǎn)量的形成。研究表明[21-22]，葉片SPAD值與葉綠素含量一致，SPAD值即可反映植株葉片葉綠素含量。大量研究表明[23-24]，葉片SPAD值隨施氮量的增加而增加,但當(dāng)施氮量達(dá)到較高水平后,對(duì)SPAD值的影響不顯著，這與研究在不同作物上的的結(jié)果類似，即前茬麥季施氮促進(jìn)了后茬大豆葉綠素含量，高氮處理則使葉綠素含量降低，但與中氮處理無顯著差異。周凌云等[25]研究認(rèn)為，施氮量保持在90 kg/hm2左右最為適宜，低氮處理可促進(jìn)小麥光合，過多施用氮肥可使葉片細(xì)胞間CO2濃度下降，顯著抑制葉片蒸騰和光合速率。宋飛等[26]研究指出，小麥葉片光合速率隨施氮水平的提高呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，施氮量為135 kg/hm2時(shí)光合速率最高。研究結(jié)果表明，夏大豆SPAD值和光合生理各指標(biāo)在全年不施氮情況下最低，在夏大豆施肥情況下麥季各施氮水平表現(xiàn)為低氮促進(jìn)和高氮抑制的作用，而中氮水平則表現(xiàn)最好，這與張娜[18]的研究結(jié)果一致。前茬麥季施氮量的多少可間接的影響后茬大豆凈光合速率，進(jìn)而增加光合產(chǎn)物的積累和籽粒的形成。

目前，有關(guān)施氮對(duì)不同種植體系下及不同作物產(chǎn)量研究的結(jié)果不盡一致。在一年一熟的種植制度下，研究表明，過多的氮肥投入不能對(duì)產(chǎn)量有顯著的提高，反而可能會(huì)限制大豆自身的固氮能力，降低氮肥農(nóng)學(xué)利用效率，適量氮肥的施用是保證大豆高產(chǎn)的前提[27-28]，但也有認(rèn)為，大豆葉片氮素含量與光合能力呈正相關(guān)性，大豆產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加[29-31]。而對(duì)于一年兩熟作物的研究認(rèn)為，前茬施氮具有顯著的后效，后茬作物產(chǎn)量隨前茬氮肥水平的加大而提高，且增產(chǎn)顯著[32-34]。徐陽等[35]針對(duì)稻麥周年高產(chǎn)合理施氮量的研究中認(rèn)為，前茬稻季施氮量對(duì)小麥產(chǎn)量產(chǎn)生一定影響，在小麥季施氮量較低時(shí)，小麥產(chǎn)量隨著前茬水稻季施氮量的增加而增加，而小麥季施氮量較高時(shí)，稻季施氮量的增高反而使后茬小麥減產(chǎn)。研究表明，全年不施氮肥不利于夏大豆產(chǎn)量的提高，但在后茬大豆同一施氮的條件下，其產(chǎn)量則隨前茬小麥?zhǔn)┑康脑黾映尸F(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，這與前人在一年一熟作物上的研究結(jié)果一致，也與一年兩熟作物上的研究結(jié)論大致相同，有些出入，可能與大豆本身的固氮特性、地域氣候、種植方式及施氮量的不同有關(guān)。

4 結(jié) 論

前茬小麥?zhǔn)┑獙?duì)后茬大豆具有后效作用，且當(dāng)麥季施氮量為375 kg/hm2(N2)處理下夏大豆葉綠素含量，光合生理各指標(biāo)表現(xiàn)最優(yōu)，產(chǎn)量達(dá)到最高為3 164.64 kg/hm2，較全年不施肥處理(CK)和僅麥季不施肥處理(N0)分別增加26.17%和19.31%，而施肥最高處理的(N3)反而下降了13.67%。前茬小麥?zhǔn)┑嗌賹?duì)后茬大豆光合及產(chǎn)量具有顯著的影響，當(dāng)兩季均不施氮、或麥季過低或過高施氮均不利于夏大豆光合性能及產(chǎn)量的提高。為了提高復(fù)播大豆產(chǎn)量，不僅需要考慮大豆當(dāng)季的施肥量，同時(shí)需要參考前茬麥季作物的施肥量，統(tǒng)籌周年施肥量才能實(shí)現(xiàn)即有利于周年氮肥利用率的提高，也有利用促進(jìn)大豆高產(chǎn)目的。