李 潔 張小寧 晉凡生 韓彥龍 李海金

（山西農(nóng)業(yè)大學山西有機旱作農(nóng)業(yè)研究院/有機旱作山西省重點實驗室，030031，山西太原）

蕓豆（PhaseolusvulgarisL.）又名菜豆、蓮豆、四季豆等，是人類食用的主要豆類作物之一，其籽粒營養(yǎng)豐富，是許多貧困地區(qū)植物蛋白的營養(yǎng)來源，也是發(fā)達地區(qū)調(diào)節(jié)膳食結(jié)構(gòu)的良好食材，在國內(nèi)外市場深受歡迎，在我國小雜糧的對外貿(mào)易中，蕓豆出口量占據(jù)第一位[1-2]。蕓豆抗旱、耐瘠且適應性強，具有生物固氮的作用，是很多作物的良好前茬，在農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)中具有不可替代的作用[3-4]。我國對蕓豆的研究起步較晚，田間管理粗放，蕓豆單產(chǎn)水平較低，因此，如何提高產(chǎn)量成為蕓豆生產(chǎn)中亟待解決的問題[5-8]。在高密度條件下，通過增加群體庫來挖掘作物的增產(chǎn)潛力，對提高干旱冷涼區(qū)蕓豆的單產(chǎn)和總產(chǎn)具有重要意義。

于崧等[3]研究表明，合理的種植密度能使蕓豆的生長速率和花后群體干物質(zhì)積累量增加，構(gòu)建優(yōu)良群體結(jié)構(gòu)。楊廣東等[9-10]認為，高寒地區(qū)蕓豆的種植密度與其產(chǎn)量呈拋物線關(guān)系，不同品種在獲得最高產(chǎn)量時的密度有所不同。王福海等[11]提出，在水分正常年份，在較肥沃的土地上保苗22.5萬～30.0萬株/hm2為宜，而在干旱年份，在土地貧瘠的土地上應加大保苗數(shù)，在30.0萬～37.5萬株/hm2為宜。孫學映等[12]研究了種植密度對蕓豆產(chǎn)量的影響，提出蕓豆最適種植密度為16.86萬～22.76萬株/hm2。程益軍等[13]認為，在機械點播情況下，英國紅蕓豆的種植密度在20.0萬～22.0萬株/hm2為宜。雖然對蕓豆在種植密度方面的報道很多，但是因為區(qū)域、地力、品種和氣候等因素的不同導致研究結(jié)果差異很大，說明其他地區(qū)的試驗結(jié)果并不適宜指導山西冷涼區(qū)的蕓豆生產(chǎn)。本試驗在山西北部半干旱冷涼區(qū)通過研究不同種植密度對蕓豆產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響，確定本地區(qū)蕓豆生產(chǎn)適宜的種植密度，為山西省半干旱冷涼區(qū)蕓豆生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年5-9月在山西省旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)示范基地陽曲縣河村進行，該區(qū)位于北緯38°02′、東經(jīng)112°54′，海拔1270m，屬于典型的丘陵半干旱冷涼區(qū)，年平均降雨量約440mm，年均蒸發(fā)量1995mm，無霜期約120d，年平均氣溫6℃～7℃，≥10℃有效積溫2600℃，氣侯涼爽，晝夜溫差大。試驗地土壤屬于褐性土，0～20cm耕層土壤含有機質(zhì)16.57g/kg，全氮1.07g/kg，堿解氮54.21mg/kg，速效磷16.52mg/kg，速效鉀158.05mg/kg。

1.2 試驗設計

供試蕓豆品種為“英國紅”。試驗采用隨機區(qū)組設計，設置6個密度梯度處理：10萬（D1）、15萬（D2）、20萬（D3）、25萬（D4）、30萬（D5）和35萬株/hm2（D6）；每個處理3次重復，共18個小區(qū)，行距50cm，行長6m，種植8行，小區(qū)面積24m2（4m×6m）。播種時各小區(qū)均采用人工精量點播，每穴3粒，出苗后間苗、定苗，每穴留苗2株?；试诜N前一次性施入，純氮、P2O5和K2O用量均為90kg/hm2。前茬作物為玉米。試驗于5月16日人工穴播，6月7日從保護行選擇壯苗進行人工移栽，補齊苗數(shù)，9月10日收獲。試驗在自然降水條件下進行，生育期無補充灌溉。

1.3 測試項目與方法

1.3.1 降水年型劃分 降水年型劃分為豐水年（Pi＞PN+0.33δ）、枯水年（Pi＜PN?0.33δ）和平水年（PN?0.33δ≤Pi≤PN+0.33δ）。其中，δ為多年同期降水量均方差（mm）；Pi為當年同期降水量（mm）；PN為同期多年平均降水量（mm）[14]。多年5月至9月降水量均方差為50.38mm。

1.3.2 生長發(fā)育指標 每個小區(qū)在苗期時挑選長勢均勻的10株連續(xù)的蕓豆掛牌標記，在每個生育期選擇3株分別測定株高、干物質(zhì)積累量和葉綠素相對含量（SPAD值）。用直尺測量株高（地表到植株莖部生長點的高度）；采用烘干法[15]測定干物質(zhì)積累量；利用便攜式葉綠素儀（SPAD-502）測定當前葉片中葉綠素相對含量，每株蕓豆選擇3片上層三出復葉的中間葉片測定[16]。

1.3.3 產(chǎn)量構(gòu)成因素 在蕓豆成熟期，對各處理小區(qū)內(nèi)掛牌的10株取樣，待風干后進行室內(nèi)考種，分別測定單株有效莢數(shù)、單莢粒數(shù)、百粒重和樣本總粒數(shù)。

1.3.4 產(chǎn)量 蕓豆成熟后，將各處理小區(qū)內(nèi)掛牌的10株收獲，待風干后測定單株產(chǎn)量，并折算成單位面積產(chǎn)量；將所有小區(qū)單打單收，風干后實際測產(chǎn)，并折算成實測單位面積產(chǎn)量。

1.4 氣象資料獲取

2019年及歷年日降雨量和溫度等基本氣象資料從試驗基地自動氣象站記錄獲得。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010對數(shù)據(jù)進行簡單處理，使用DPS 18.10軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗年份蕓豆生育期降水特征分析

如表1所示，對蕓豆生育期內(nèi)降水量進行分析可知，試驗年份2019年的生育期內(nèi)降水量為325.3mm，比2009-2018年同期平均降水量低14.8%。與2009-2018年相應月份平均降水量相比，2019年5月份只有3.6mm的無效降水，6月份的降水量高了62.0%，7月份的降水量少了將近一半，8月份的降水量高了35.1%。由此可以看出，試驗年份的降水呈現(xiàn)出前期（5-7月）干旱、后期多雨（8-9月）的特征，根據(jù)降水年型公式計算后可知，2019年為枯水年。

表1 試驗年份生育期降水量及與2009-2018年平均降水量比較Table 1 Precipitation distribution in growth period of tested year and the comparison of precipitation distribution of multi-years (2009-2018) and tested year mm

2.2 種植密度對蕓豆株高的影響

從表2可以看出，蕓豆各個生育期的株高變化趨勢一致，均隨著密度的提升而逐漸升高，但是增加的幅度不同，在苗期、盛花期和結(jié)莢期最高密度較最低密度分別增加了15.6%、11.4%和14.7%。在苗期，由于6月份降水充足，充足的水分供應能夠保證蕓豆高密度下生長的水分需求，株高增幅大，各個密度處理間有差異，其中D2與D6差異顯著；而在盛花期和結(jié)莢期，7月份降水的不足使得植株在高密度下生長缺乏水分供應，株高增長的趨勢緩慢，變異系數(shù)小，各處理均差異不顯著。

表2 種植密度對不同生育期株高的影響Table 2 Effects of planting density on plant height at different growth stages cm

2.3 種植密度對蕓豆干物質(zhì)積累量的影響

蕓豆各生育期的單株干物質(zhì)積累量總體隨密度的提升而逐漸降低（表3），在苗期、盛花期和結(jié)莢期，D1處理分別比D6處理的單株干物質(zhì)積累量高71.9%、172.6%和171.2%，差異顯著。在苗期，由于植株生長量小，單株干物質(zhì)積累速度緩慢，平均只有8.41g；而到了后期，植株生長加速，單株干物質(zhì)積累速度明顯加快，分別達到了15.56和26.56g。

表3 種植密度對不同生育期單株干物質(zhì)積累量的影響Table 3 Effects of planting density on dry matter accumulation of single plant at different growth stages g

蕓豆的群體干物質(zhì)積累量隨著生育期的推進逐漸增加，在結(jié)莢期達到峰值（表4）。蕓豆各生育期的群體干物質(zhì)積累量隨著密度的變化并不相同，在苗期，蕓豆的群體干物質(zhì)積累量總體隨著密度的提升而增加，在最高密度D6處理時達到最大，D6處理的群體干物質(zhì)積累量分別較D1、D2、D3、D4和D5處理的群體干物質(zhì)積累量高103.8%、42.9%、52.5%、33.3%和12.7%。到了中后期，即盛花期和結(jié)莢期，蕓豆的群體干物質(zhì)積累量都是隨著密度的增加表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，都是在D5處理（30萬株/hm2）時最大，在D1處理（10萬株/hm2）時最小，D5處理的群體干物質(zhì)積累量在盛花期分別較D1、D2、D3、D4和D6處理高61.5%、32.2%、14.4%、4.8%和25.7%，在結(jié)莢期分別高106.3%、61.2%、39.3%、23.4%和59.8%。說明在不同的密度處理中，隨著生育進程的推進，群體干物質(zhì)積累量差距逐漸增大，后期仍保持較高的干物質(zhì)積累速率。

從不同種植密度下蕓豆各個生育期群體干物質(zhì)積累量占總干重的比例（表4）可以看出，隨著生育期的推進，不同密度處理下，群體干物質(zhì)積累量占總干重的比例逐漸升高，與苗期相比，盛花期和結(jié)莢期在不同密度下，群體干物質(zhì)積累量占總干重的比例平均提高幅度分別為78.4%和206.5%，由此可見，蕓豆花后干物質(zhì)積累速率遠大于花前。在后期即結(jié)莢期，群體干物質(zhì)積累量占總干重的比例先升高后降低，處理D5（30萬株/hm2）最大，與產(chǎn)量的趨勢相同，可以看出，后期干物質(zhì)的積累是作物獲得高產(chǎn)的重要途徑。

2.4 種植密度對蕓豆葉片SPAD值的影響

由圖1可以看出，不同密度處理下，葉片的SPAD值隨著生育期的推進變化趨勢是一致的，都是先升高后降低，在盛花期時最大。在各個生育期內(nèi)，隨著密度的增加，SPAD值總體上呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，各生育期的D1（10萬株/hm2）處理分別比D6（35萬株/hm2）處理的SPAD值高3.8%、5.7%、10.1%，可見，SPAD值在前期變化不大，在后期差距變大，說明生育后期光合作用在低密度時比在高密度時的差距更大，這與單株干物質(zhì)積累的趨勢一致。

圖1 種植密度對不同生育期SPAD值的影響Fig.1 Effects of planting density on SPAD value at different growth stages

2.5 種植密度對蕓豆產(chǎn)量的影響

不同密度處理對單株產(chǎn)量、蕓豆折算單位面積產(chǎn)量和實測單位面積產(chǎn)量均有顯著影響（表5）。隨著密度的增加，單株產(chǎn)量呈下降趨勢，在最低密度D1處理（10萬株/hm2）時，單株產(chǎn)量最大，達到26.11g，比最高密度D6處理（35萬株/hm2）時的單株產(chǎn)量高132.9%；單株產(chǎn)量折算后得到的群體單位面積產(chǎn)量和實測小區(qū)產(chǎn)量折算后得到的實測群體單位面積產(chǎn)量隨著密度的增加表現(xiàn)相同，均表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，只是各自在得到最高產(chǎn)量時的密度不同，單株產(chǎn)量折算后得到的群體單位面積產(chǎn)量在D3處理（20萬株/hm2）時最大，較最低產(chǎn)量D1處理（10萬株/hm2）高65.2%；實測單位面積產(chǎn)量在D5處理（30萬株/hm2）時最大，較最低產(chǎn)量D1處理（10萬株/hm2）高33.1%。由此可見，蕓豆單株產(chǎn)量的高低并不能決定群體產(chǎn)量的高低，在一定密度范圍內(nèi)，群體產(chǎn)量可以通過群體數(shù)量來對個體產(chǎn)量進行彌補，但當達到一定的密度峰值后，增加密度反而會導致群體產(chǎn)量的下降。

表5 不同種植密度對蕓豆產(chǎn)量的影響Table 5 Effects of different planting densities on yield of kidney bean

2.6 種植密度與產(chǎn)量的回歸模型

以種植密度（X，萬株/hm2）為自變量，以折算單位面積產(chǎn)量（Y1，kg/hm2）和實測單位面積產(chǎn)量（Y2，kg/hm2）為因變量，分別進行回歸模擬，得到回歸模型Y1=–5.40X2+288.17X+331.16和Y2=–2.12X2+103.13X+1306.53。兩個回歸模型都是開口向下的拋物線（圖2），產(chǎn)量都是隨著種植密度的增大而先升高后降低。種植密度為26.6萬株/hm2時，折算單位面積產(chǎn)量達到最大；種植密度為24.4萬株/hm2時，實測單位面積產(chǎn)量達到最大。

圖2 折算單位面積產(chǎn)量和實測單位面積產(chǎn)量與種植密度的關(guān)系Fig.2 Relationships between yield per unit area, measured yield per unit area and planting density

2.7 種植密度對蕓豆產(chǎn)量相關(guān)性狀的影響

從表6可知，不同密度處理對單株莢數(shù)、百粒重和樣本總粒數(shù)都有顯著影響，而對單莢粒數(shù)無顯著影響。單株莢數(shù)與樣本總粒數(shù)隨著密度的增加而逐漸降低，D1處理分別比D6處理的單株莢數(shù)與樣本總粒數(shù)高117.2%、136.2%，與單株產(chǎn)量的趨勢相同；百粒重隨種植密度的升高而先增加后降低，在D4處理和D5處理時表現(xiàn)為百粒重較高，與群體產(chǎn)量的趨勢相同；單莢粒數(shù)在各處理間變化不大。結(jié)果說明影響單株產(chǎn)量的主要因素是單株莢數(shù)與樣本總粒數(shù)；影響群體產(chǎn)量的主要是群體數(shù)量和百粒重；單莢粒數(shù)比較穩(wěn)定，主要是受品種的遺傳特性決定的。

表6 種植密度對產(chǎn)量相關(guān)性狀的影響Table 6 Effects of planting density on yield-related traits

2.8 蕓豆產(chǎn)量相關(guān)性狀與產(chǎn)量的相關(guān)性分析

采用逐步回歸分析法，對產(chǎn)量構(gòu)成因子單莢粒數(shù)（x1）、百粒重（x2）和10株樣本總粒數(shù)（x3）與實測單位面積產(chǎn)量（y）進行逐步回歸分析，建立回歸方程y=–10883.65+467.34x1+228.15x2?1.81x3（F=21.70，P=0.044）。經(jīng)方差分析及顯著性檢驗，回歸方程和這3個因子均達0.05顯著水平（P=0.041、Px1=0.047、Px2=0.018、Px3=0.049），回歸方程的決定系數(shù)R2=0.9702，復相關(guān)系數(shù)R=0.9850，說明這3個因子是影響蕓豆產(chǎn)量的主要因子，對蕓豆產(chǎn)量的影響達97.02%。進一步分析產(chǎn)量構(gòu)成因子對產(chǎn)量的直接作用與間接作用，進行通徑分析。從表7中可知，百粒重（x2）對實測單位面積產(chǎn)量的直接作用大于間接作用總和，而其余2個因子單莢粒數(shù)（x1）和10株樣本總粒數(shù)（x3）的直接作用小于間接作用總和。說明百粒重對實測單位面積產(chǎn)量起主要作用，而其余2個因子對實測單位面積產(chǎn)量的貢獻主要是通過百粒重間接實現(xiàn)的。

表7 產(chǎn)量構(gòu)成因子與產(chǎn)量的通徑分析Table 7 Path analysis of yield components and yield

3 討論

在底墑不好的偏旱年，土壤水分不足是蕓豆生長的限制因子，密度對蕓豆生長及產(chǎn)量的影響尤為重要。本試驗研究結(jié)果表明，隨著密度的增加，株高呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢、群體干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。這與于崧等[3]和魏建軍等[17]在正常年份的試驗研究結(jié)果趨勢相同。說明雖然在底墑差的前期會因為水分不足導致蕓豆出苗不齊，在灌漿期降水不足使得蕓豆結(jié)莢率降低，進而影響產(chǎn)量降低，但是對于在不同種植密度梯度下蕓豆的生長和產(chǎn)量的趨勢影響不大。對產(chǎn)量性狀而言，在本試驗中，隨著密度的增加，單株莢數(shù)逐漸降低，百粒重隨著密度的升高先增加后降低，對單莢粒數(shù)無顯著影響。而楊錦忠等[18]研究認為，單位面積莢數(shù)隨著密度的增加而增加，但單莢粒數(shù)和百粒重呈下降趨勢。研究結(jié)果的不同可能與本試驗年份較為特殊的降水分布有關(guān)，灌漿期降水不足使得蕓豆在高密度下結(jié)莢率降低，而在鼓粒-成熟期，充足的降水量能夠保證蕓豆在高密度下籽粒的飽滿度。

作物生產(chǎn)是一個群體過程，合理密植能夠協(xié)調(diào)個體與群體之間的關(guān)系，使得個體能夠充分利用空間、水分和養(yǎng)分，個體發(fā)育強壯，群體數(shù)量合理，冠層結(jié)構(gòu)通風透光條件良好，群體生長協(xié)調(diào)，進而獲得最佳產(chǎn)量[19]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著密度的升高，在各個生育期單株干物質(zhì)積累量逐漸降低，而群體干物質(zhì)積累在苗期時逐漸升高，在花期后則呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。說明在前期即苗期時，植株生物量小，群體數(shù)量占優(yōu)勢，密度越大，群體干物質(zhì)積累量就越大；到了后期，即盛花期和結(jié)莢期，植株生長速度加快，低密度和高密度的單株干物質(zhì)積累量差距拉大，群體數(shù)量對群體干物質(zhì)積累量的彌補在一定密度范圍內(nèi)可行，但當密度增加到一定程度時，群體干物質(zhì)積累量反而降低。并且試驗研究發(fā)現(xiàn)，隨著生育期的推進，群體干物質(zhì)積累量逐漸增大并且差距加大，到后期即結(jié)莢期時，群體干物質(zhì)積累量占總干重的比例最大，說明花后干物質(zhì)積累量的大小對作物產(chǎn)量起著重要的作用。干物質(zhì)積累量（群體干物質(zhì)積累）是作物產(chǎn)量形成的表現(xiàn)形式，與產(chǎn)量的關(guān)系非常緊密[20]。本試驗結(jié)果表明，隨著密度的增加，單株產(chǎn)量呈下降趨勢，單株產(chǎn)量折算后得到的群體單位面積產(chǎn)量和實測小區(qū)產(chǎn)量折算后得到的實測群體單位面積產(chǎn)量均出現(xiàn)了先增加后降低的趨勢，與干物質(zhì)積累的趨勢基本一致。說明低密度雖然有利于個體生長，增加單株產(chǎn)量，但群體產(chǎn)量需要考慮的是單株產(chǎn)量和群體數(shù)量的關(guān)系。因此要確定適宜的種植密度，以構(gòu)建合理的群體結(jié)構(gòu)，使個體發(fā)育良好，群體能充分利用光能、水分和養(yǎng)分等自然資源，個體與群體能夠協(xié)調(diào)發(fā)展，進而提高作物群體產(chǎn)量。

蕓豆的最佳種植密度在不同品種和不同地區(qū)的研究中，結(jié)果也各不相同[9，18]。在本試驗年份中，單株產(chǎn)量折算后單位面積產(chǎn)量和實測單位面積產(chǎn)量分別在20萬和30萬株/hm2時最大。對折算單位面積產(chǎn)量和實測群體單位面積產(chǎn)量進行回歸模擬后，得到了最佳種植密度在24萬～26萬株/hm2之間。對蕓豆在獲得最高產(chǎn)量時的種植密度的研究結(jié)果各有不同，這可能與品種、地理分布和氣候等因素有關(guān)，所以在選定適宜種植密度時，要考慮不同品種、不同地區(qū)和不同氣候的影響。

4 結(jié)論

種植密度對蕓豆的生長發(fā)育及產(chǎn)量影響很大，隨著密度的增加，株高逐漸增加，相對葉綠素含量逐漸降低，單株干物質(zhì)積累量逐漸降低，而群體干物質(zhì)積累量呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，與實測單位面積產(chǎn)量的趨勢一致。在山西北部干旱冷涼區(qū)，底墑差的偏旱年，蕓豆品種“英國紅”的適宜種植密度為24萬～26萬株/hm2。