羅 凱,杜 青,陳 平,謝 琛,汪 錦,王 甜,張曉娜,楊文鈺,吳永成,雍太文

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,農(nóng)業(yè)部西南作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川省作物帶狀復(fù)合種植工程技術(shù)研究中心,四川 成都 611130)

合理的間套作模式能有效減少作物間養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng),增加資源有效利用效率,提高復(fù)種指數(shù),增加單位面積作物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。在玉米(ZeamaysL.)-大豆(Glycinemax(Linn.)Merr.)套作模式中,玉米苗期蔭蔽導(dǎo)致大豆?fàn)I養(yǎng)生長(zhǎng)不足、易倒伏、限制大豆生殖器官建成與品質(zhì)的提升,阻礙玉米-大豆套作模式的進(jìn)一步推廣[3-4]。蛋白質(zhì)和脂肪含量是衡量大豆籽粒品質(zhì)的重要指標(biāo)。氮素是作物體內(nèi)合成蛋白質(zhì)、核酸、脂肪及活性肽的重要元素,與大豆籽粒品質(zhì)的形成密切相關(guān)[5]。而植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑又在協(xié)調(diào)氮素在植物體內(nèi)的積累和分配與調(diào)控植物氮代謝相關(guān)指標(biāo)方面有極其重要的作用[6]。

DTA-6又稱2-N,N-二乙氨基乙基己酸酯(Diethyl aminoethyl hexanoate)是一種新型高效的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑,在低濃度(1～40 mg/kg)時(shí)可提高豆科作物的根系活力和根瘤固氮能力,增強(qiáng)抗氧化酶活性[7],改善碳水化合物的代謝和積累,提高產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)[8]。烯效唑(S3307)是典型的生長(zhǎng)延緩劑,能改善大豆株型,延長(zhǎng)葉片功能期[9]；提高大豆固氮能力,促進(jìn)大豆氮代謝,減少大豆落花落莢,提高大豆的產(chǎn)量和品質(zhì)[10]。6-芐基腺嘌呤(6-BA)是人工合成的細(xì)胞分裂素類化合物,能促進(jìn)細(xì)胞分裂、協(xié)調(diào)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸、調(diào)控植物新陳代謝[11-12]。外源噴施6-BA可以維持葉片膜蛋白的正常磷酸化和脫磷酸化狀態(tài),延緩葉片衰老[13]；豇豆葉面噴施6-BA能降低花莢脫落率,提高結(jié)實(shí)率[14]。有關(guān)植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑在單作大豆、玉米和水稻等作物品質(zhì)調(diào)控方面的研究較多[15-16],而關(guān)于植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)套作大豆植株氮素積累、分配及籽粒品質(zhì)形成的影響還鮮有報(bào)道。本研究以貢秋8號(hào)、南豆25、桂夏3號(hào)3種大豆品種為材料,通過在初花期葉面噴施不同類型植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑(6-BA、DTA-6、S3307),分析施用調(diào)節(jié)劑后大豆氮素積累與分配及籽粒品質(zhì)的變化規(guī)律；并從中篩選出最有利于改善套作大豆籽粒品質(zhì)的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑,對(duì)完善套作大豆的營(yíng)養(yǎng)調(diào)控技術(shù)及增產(chǎn)提質(zhì)具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與試驗(yàn)材料

玉米為登海605,由山東登海種業(yè)股份有限公司提供。大豆品種分別為南豆25(四川省南充市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供)、貢秋8號(hào)(四川省自貢市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所提供)、桂夏3號(hào)(廣西壯族自治區(qū)玉米研究所選育)。試驗(yàn)于2018年在四川省現(xiàn)代糧食產(chǎn)業(yè)仁壽示范基地(30°02′N,104°15′E)進(jìn)行。該區(qū)氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候,年平均氣溫18 ℃,年平均降水量1 200 mm。試驗(yàn)場(chǎng)地土壤質(zhì)地為黏性土,土壤酸堿度為6.9,有機(jī)質(zhì)、速效氮、有效磷和速效鉀含量分別為18.26,0.9,0.5，14.28 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用二因素裂區(qū)設(shè)計(jì),設(shè)置貢秋8號(hào)、南豆25、桂夏3號(hào)3種大豆品種為主因素,6-芐基腺嘌呤(6-BA)、2-N,N-二乙氨基乙基己酸酯(DTA-6)、烯效唑(S3307)3種植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑為副因素,使用劑量分別為20,60,50 mg/L,用水量為450 kg/hm2,噴施等量清水作為對(duì)照(CK)。種植方式采用玉米-大豆寬窄行種植,窄行行距40 cm,寬行行距160 cm,寬行內(nèi)種植2行大豆,大豆帶內(nèi)行距40 cm,玉米、大豆間距60 cm,帶長(zhǎng)6 m,帶寬2 m。玉米株距17 cm,穴留單株,密度為58 500 株/hm2,大豆株距8.5 cm,穴留單株,密度為117 000 株/hm2,每個(gè)小區(qū)內(nèi)種植兩帶,小區(qū)面積24 m2。每處理重復(fù)3次。4月10日播種玉米,6月25日播種大豆。大豆底肥施用P2O563 kg/hm2,K2O 52.5 kg/hm2,不施氮。玉米底肥分別施N 120 kg/hm2,P2O5105 kg/hm2,K2O 112.5 kg/hm2。在大喇叭口期追施氮肥120 kg/hm2,施肥方式均為行間開溝施肥。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

在大豆R2、R6、R8時(shí)期,每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取3株長(zhǎng)勢(shì)一致的大豆植株,將植株自子葉痕處剪下取地上部,并將其按莖、葉和莢分器官裝袋,105 ℃殺青30 min后,85 ℃下烘干至恒質(zhì)量后稱干物質(zhì)質(zhì)量,用粉樣機(jī)粉碎并過0.150 mm篩后干燥保存。用凱氏定氮法測(cè)定大豆各器官全含量并計(jì)算大豆各器官氮素積累量[17]。

植物各器官氮素積累量(g)=植物各器官生物量(g)×植物各器官氮含量(g/kg)；

籽粒蛋白質(zhì)總量(kg/hm2)=單位面積籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)×籽粒蛋白質(zhì)含量(g/kg)；

籽粒脂肪總量(kg/hm2)=單位面積籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)×籽粒脂肪含量(g/kg)。

大豆籽粒收獲后風(fēng)干,采用FOSS公司的近紅外光分析儀(Infratec TM 1241)進(jìn)行大豆籽粒蛋白質(zhì)、脂肪含量(占籽粒干物質(zhì)的百分比)的測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析方法

本研究所列結(jié)果為3次重復(fù)測(cè)定值的平均值,使用Microsoft Excel 2016和SPSSv.22軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析,采用LSD法進(jìn)行差異顯著性測(cè)驗(yàn),顯著性水平為P=0.05。利用Origin進(jìn)行數(shù)據(jù)作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)大豆植株氮素積累與分配的影響

2.1.1 大豆植株各器官氮含量 莖稈和葉片中的氮含量在R2期開始增加,R6期達(dá)到最大值后又逐漸降低,籽粒中的氮含量在R6期開始增加,直至成熟(表1)。R6時(shí)期,與CK相比,DTA-6和S3307處理顯著提高了南豆25大豆葉片和籽粒中的氮素含量,DTA-6與S3307處理間差異不顯著；貢秋8號(hào)葉片和籽粒氮含量以DTA-6最高并顯著高于S3307處理；S3307處理下的桂夏3號(hào)葉片和籽粒氮含量顯著高于DTA-6處理。R8時(shí)期,與CK相比,DTA-6處理顯著提高了大豆籽粒氮含量；南豆25和桂夏3號(hào)的籽粒氮含量以6-BA最高,與DTA-6差異不顯著；貢秋8號(hào)的籽粒氮含量以S3307最高且顯著高于6-BA處理。

2.1.2 大豆植株氮素積累 與CK相比,各時(shí)期調(diào)節(jié)劑處理大豆的總氮素積累量增加(圖1)。R6時(shí)期,貢秋8號(hào)和桂夏3號(hào)大豆植株總氮素積累量以DTA-6最高,與S3307差異不顯著；南豆25總氮素積累量以6-BA最高,各處理間差異不顯著。與CK相比,DTA-6和S3307處理使大豆植株總氮素積累量增加19.6%～24.9%。R8時(shí)期,各品種大豆總氮素積累量均以DTA-6最高,調(diào)節(jié)劑處理間差異不顯著。與CK相比,DTA-6處理下大豆植株總氮素積累量增加了14.2%～17.1%。

表1 植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)大豆各器官中氮素含量的影響Tab.1 The effect of plant growth regulators on nitrogen content in soybean g/kg

大豆植株各器官氮素積累量與氮含量規(guī)律一致(表2)。調(diào)節(jié)劑處理對(duì)大豆莖稈、葉片氮素積累量的影響受大豆品種因素影響。R6時(shí)期,南豆25大豆莖稈、葉片的氮素積累量以DTA-6最大并顯著高于S3307和6-BA；貢秋8號(hào)和南豆25的籽粒氮素積累量均以DTA-6處理最大；各大豆品種葉片氮素積累量以DTA-6最大。R6時(shí)期,與CK相比,DTA-6處理后大豆莖稈氮素積累量增加7.0%～60.9%,葉片氮素積累量增加17.7%～63.1%。R8時(shí)期,調(diào)節(jié)劑處理后大豆籽粒氮素積累量相較于CK顯著增加且均在DTA-6最大,調(diào)節(jié)劑處理間差異不顯著；與CK相比,DTA-6處理后的大豆籽粒氮素積累量增加15.4%～24.9%。

圖1 植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)大豆總氮素積累量的影響Fig.1 The effect of plant growth regulators on soybean nitrogen accumulation

表2 植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)大豆各器官中氮積累量的影響 Tab.2 The effect of plant growth regulators on nitrogen accumulation in soybeanmg/株

2.1.3 大豆植株各器官氮素分配 R2和R6時(shí)期氮素主要分配在莖、葉中, R8時(shí)期氮素則主要集中在莢中(圖2)。R2時(shí)期,調(diào)節(jié)劑處理后大豆莖稈氮素占比增加。R6時(shí)期,調(diào)節(jié)劑處理后大豆葉氮素占比增加,南豆25和桂夏3號(hào)莖氮素占比增加而貢秋8號(hào)莖氮素占比減少,莢氮素占比變化規(guī)律則與莖相反。R6-R8期時(shí),莖稈和葉片中的氮素逐漸向籽粒轉(zhuǎn)移,表現(xiàn)為與R6時(shí)期相比,R8時(shí)期大豆莖稈和葉片氮素占比下降而大豆籽粒氮素占比增加。R8時(shí)期,與CK相比,調(diào)節(jié)劑處理后大豆莢氮素占比增加,莖稈和葉片中氮素占比降低,表明調(diào)節(jié)劑處理促進(jìn)了生長(zhǎng)后期氮素向莢的轉(zhuǎn)移。R8時(shí)期,貢秋8號(hào)和桂夏3號(hào)大豆莢氮素占比以S3307最高,南豆25莢氮素占比以6-BA最高,與DTA-6差異不顯著。

圖2 植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)大豆各器官中的氮素分配的影響Fig.2 The effect of plant growth regulators on soybean nitrogen distribution

2.2 植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)大豆籽粒品質(zhì)的影響

2.2.1 植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)大豆籽粒蛋白質(zhì)含量與總量的影響 與CK相比,6-BA和DTA-6處理顯著提高了籽粒蛋白質(zhì)含量,調(diào)節(jié)劑處理下的大豆籽粒蛋白質(zhì)總量均顯著提高(表3)。貢秋8號(hào)和桂夏3號(hào)籽粒蛋白質(zhì)含量在6-BA和DTA-6下顯著高于S3307,S3307與CK間差異不顯著；南豆25籽粒蛋白質(zhì)含量以6-BA最大且顯著高于DTA-6和S3307處理。籽粒蛋白質(zhì)總量均以DTA-6最大并顯著高于6-BA和S3307處理,6-BA與S3307處理間差異不顯著。與CK相比,DTA-6處理下的貢秋8號(hào)、南豆25和桂夏3號(hào)的籽粒蛋白質(zhì)總量分別增加了45.8%,47.1%,29.0%。

表3 植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)大豆籽粒蛋白質(zhì)含量與總量的影響Tab.3 Effects of plant growth regulators on protein content and accumulation of soybean grain

2.2.2 植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)大豆籽粒脂肪含量與總量的影響 與CK相比,調(diào)節(jié)劑處理降低了籽粒脂肪含量,增加了大豆籽粒脂肪總量(表4)。與CK相比,6-BA和DTA-6處理下的大豆籽粒脂肪含量顯著降低；南豆25籽粒脂肪含量在6-BA最低且顯著低于DTA-6和S3307處理。各大豆品種籽粒脂肪總量均在DTA-6達(dá)到最大且顯著高于6-BA,6-BA與CK間差異不顯著。與CK相比,DTA-6處理下的貢秋8號(hào)、南豆25和桂夏3號(hào)的大豆籽粒脂肪總量分別增加了35.6%,39.2%,14.0%。

表4 植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)大豆籽粒脂肪含量與總量的影響Tab.4 Effects of plant growth regulators on fat content and accumulation of soybean grain

2.2.3 植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)大豆籽粒中蛋脂含量與總量的影響 與CK相比,調(diào)節(jié)劑處理后南豆25和桂夏3號(hào)大豆籽粒的蛋脂含量顯著增加,貢秋8號(hào)蛋脂含量變化不顯著(表5)。貢秋8號(hào)和南豆25大豆籽粒蛋脂含量以DTA-6最大,桂夏3號(hào)蛋脂含量以6-BA最大,調(diào)節(jié)劑處理間差異不顯著。與CK相比,調(diào)節(jié)劑處理后大豆籽粒蛋脂總量顯著增加且均在DTA-6處理達(dá)到最大。DTA-6處理下的貢秋8號(hào)和南豆25大豆籽粒蛋脂總量顯著高于S3307和6-BA； DTA-6處理下的桂夏3號(hào)籽粒蛋脂總量顯著高于6-BA,與S3307差異不顯著。DTA-6處理后的貢秋8號(hào)、南豆25和桂夏3號(hào)的籽粒蛋脂總量分別較CK增加了42.2%,45.2%,24.0%。

表5 植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)大豆籽粒蛋脂含量與總量的影響Tab.5 Effects of plant growth regulators on protein and fat content and accumulation of soybean grain

2.3 大豆籽粒中氮含量、氮積累量與大豆籽粒品質(zhì)的相關(guān)性分析

通過相關(guān)分析結(jié)果(表6)可知,大豆籽粒氮含量與蛋白質(zhì)含量、蛋白質(zhì)總量、蛋脂含量、蛋脂總量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與脂肪含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與脂肪總量相關(guān)性未達(dá)顯著水平。籽粒氮積累量與蛋白質(zhì)總量、蛋脂總量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與蛋白質(zhì)含量、脂肪總量、蛋脂含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與脂肪含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表6 大豆籽粒氮含量與積累量與大豆籽粒品質(zhì)的相關(guān)性分析Tab.6 Correlation coefficients of nitrogen content and accumulation and soybean grain quality

3 討論與結(jié)論

作物品質(zhì)性狀的形成受自身遺傳因素與外界生態(tài)環(huán)境共同影響[18]。大豆作為高蛋白作物,其籽粒品質(zhì)主要由蛋白質(zhì)含量和脂肪含量決定,大豆各器官內(nèi)氮代謝水平的變化調(diào)控蛋白質(zhì)的合成,大豆氮代謝水平升高會(huì)增加葉片、籽粒中的蛋白質(zhì)含量[19-20]。植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑能促進(jìn)籽粒中蛋白質(zhì)的合成,增加蛋白質(zhì)產(chǎn)量。Yan等[9]發(fā)現(xiàn),葉面噴施S3307能增加套作大豆籽粒蛋白質(zhì)含量,但對(duì)粗脂肪含量無顯著影響。張明才等[15]研究發(fā)現(xiàn),DTA-6處理后的花生脂肪和蛋白質(zhì)的產(chǎn)量相較于對(duì)照組顯著增加。本研究結(jié)果表明：DTA-6處理后大豆籽粒蛋白質(zhì)含量、蛋白質(zhì)總量、脂肪總量、蛋脂總量增加,而脂肪含量降低,其中調(diào)節(jié)劑處理能增加籽粒蛋白質(zhì)含量、蛋白質(zhì)總量的結(jié)果與前人結(jié)論一致；與6-BA相比,DTA-6和S3307更有利于提高套作大豆籽粒蛋白質(zhì)含量與總量。在大豆籽粒品質(zhì)形成的過程中,蛋白質(zhì)和脂肪含量一般表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系[21-22],與本試驗(yàn)中蛋白質(zhì)含量增加而脂肪含量下降的結(jié)果一致。

大豆是典型的豆科作物,通過根瘤固氮為大豆整個(gè)生育期生長(zhǎng)提供足夠的氮素,大豆根系的固氮效率和吸收效率會(huì)影響大豆地上部的生長(zhǎng)發(fā)育,從而調(diào)控大豆產(chǎn)量和品質(zhì)的形成[23]。本研究結(jié)果表明：R8時(shí)期,DTA-6處理后貢秋8號(hào)和南豆25大豆總氮素積累量與對(duì)照相比顯著增加,與前人關(guān)于調(diào)節(jié)劑處理能通過促進(jìn)大豆根系生長(zhǎng)發(fā)育,提高大豆對(duì)氮素的固定吸收的結(jié)論一致。植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑能促進(jìn)大豆根系的生長(zhǎng)發(fā)育,增強(qiáng)大豆根瘤的固氮能力,促進(jìn)根系對(duì)氮素的吸收,提高大豆植株的總氮素積累。趙黎明等[24]研究發(fā)現(xiàn),施用DTA-6能促進(jìn)大豆根系的結(jié)瘤性,提高根瘤數(shù)目和根瘤鮮質(zhì)量,增強(qiáng)大豆根瘤固氮活性,增加根系內(nèi)游離氨基酸積累量和輸出量,植株氮素吸收增強(qiáng)；張明才等[25-26]發(fā)現(xiàn)施用SHK-6能改變大豆體內(nèi)激素平衡,提高大豆根瘤數(shù)、根瘤鮮質(zhì)量和根瘤固氮活性,同時(shí)提高根系中硝態(tài)氮、氨態(tài)氮、氨基酸和可溶性糖含量,促進(jìn)大豆根系的生長(zhǎng)發(fā)育,大豆整體氮代謝水平提高。同時(shí),試驗(yàn)中不同大豆品種在噴施調(diào)節(jié)劑后變化規(guī)律不同,表明大豆根系生長(zhǎng)發(fā)育也受大豆遺傳因素調(diào)控。

大豆生育后期,植株器官中70%左右的氮素隨生育期的推進(jìn)而逐漸往籽粒轉(zhuǎn)移,且以葉片向籽粒中轉(zhuǎn)移的氮素量為最多,籽粒成為重要的氮素貯存的場(chǎng)所[27-29]。植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑能通過增強(qiáng)葉片的氮代謝水平，提高氮素在葉片中的積累，促進(jìn)氮素由葉片向籽粒的轉(zhuǎn)移；宋莉萍等[10]研究發(fā)現(xiàn),與對(duì)照組相比,經(jīng)SHK-6處理后的大豆葉片中的硝酸還原酶活性,葉片中全氮、硝態(tài)氮及游離氨基酸含量增加。鄭殿峰等[22]研究發(fā)現(xiàn),葉面噴施DTA-6能增加大豆氮代謝的關(guān)鍵酶活性,調(diào)控大豆氮代謝的合成速度,促進(jìn)大籽粒中蛋白質(zhì)的合成。而提高葉片氮代謝水平有利于促進(jìn)生育后期氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移,促進(jìn)籽粒中蛋白質(zhì)的合成。于方明等[30]研究發(fā)現(xiàn),提高玉米葉片氮素代謝水平,有利于莖稈和葉片中氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移、增強(qiáng)籽粒中氮素的積累,為籽粒中氨基酸、蛋白質(zhì)的合成提供原料。陳靜彬等[31]研究表明,經(jīng)PGR4處理后的水稻葉片氮代謝功能增強(qiáng),氮素的再利用能力提高,促進(jìn)了水稻籽粒中氮素的累積,改善了水稻籽粒的品質(zhì),提高了水稻蛋白質(zhì)含量。本研究結(jié)果表明，R8時(shí)期,調(diào)節(jié)劑處理后的莖葉氮素占比與對(duì)照組相比降低,而莢氮素占比增加,表明調(diào)節(jié)劑處理提高了大豆莖稈和葉片中氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移率,故調(diào)節(jié)劑處理下的大豆籽粒氮素積累量相較于對(duì)照組顯著增加；同時(shí)相關(guān)性分析的結(jié)果表明,籽粒氮積累量與籽粒中蛋白質(zhì)含量、蛋白質(zhì)總量、蛋脂含量、蛋脂總量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,表明籽粒中氮素增加能促進(jìn)蛋白質(zhì)合成。說明噴施植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑可改善大豆花莢期葉片氮代謝,促進(jìn)氮素積累與向莢果分配,改善套作大豆籽粒品質(zhì),為后續(xù)進(jìn)一步完善套作大豆的營(yíng)養(yǎng)調(diào)控技術(shù)提供了理論依據(jù)。

初花期葉面噴施植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑6-BA、DTA-6、S3307能增加大豆地上部器官中的氮素含量與氮素積累量,促進(jìn)莖稈和葉片中氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn),提高籽粒中氮素的積累量,提高套作大豆籽粒中蛋白質(zhì)含量、蛋脂含量和蛋脂總量,以DTA-6的噴施效果最好。