王小林,張盼盼,紀(jì)曉玲,張 靜,張 雄,喬文淵
(1榆林學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,陜西榆林 719000;2陜西省榆林市橫山區(qū)農(nóng)技推廣中心,陜西榆林 719100)
黃土旱區(qū)作物產(chǎn)量的主要限制因子為降雨分布和土壤養(yǎng)分有效性的動(dòng)態(tài)互促機(jī)制[1]。不同生長(zhǎng)環(huán)境通過(guò)調(diào)節(jié)作物形態(tài)發(fā)育、生理功能和生物量積累分配,實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)量和水肥資源利用率的調(diào)控和提升[2]。不同性能肥料配施能夠滿足植株生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中全面的營(yíng)養(yǎng)需求,從而改善植株構(gòu)型,激發(fā)產(chǎn)量潛力[3],同時(shí)有利于土壤環(huán)境的優(yōu)化和水分、養(yǎng)分可持續(xù)利用[2-3]。
不同氣候環(huán)境條件下,肥料配比模式對(duì)不同作物產(chǎn)量形成過(guò)程具有綜合效應(yīng)[4]。作物生長(zhǎng)發(fā)育受到土壤營(yíng)養(yǎng)成分的直接制約,合理的肥料配比能夠有效提升作物干物質(zhì)有效積累和水分養(yǎng)分利用效率,保持土壤可持續(xù)生產(chǎn)力。通過(guò)優(yōu)化肥料配比調(diào)控水稻土養(yǎng)分活性,促進(jìn)水稻生長(zhǎng)發(fā)育、提高籽粒產(chǎn)量證實(shí)了上述觀點(diǎn)的科學(xué)性[5]。添加新型控釋肥料能夠明顯促進(jìn)番茄的生長(zhǎng)發(fā)育,增加莖、葉面積及番茄果實(shí)品質(zhì)[6],合理的有機(jī)-無(wú)機(jī)肥料配施能夠?qū)ψ魑镏仓甑那o、葉碳水化合物積累起到促進(jìn)作用[7],同時(shí),替代并減少化肥投入、降低過(guò)度施肥污染土壤環(huán)境和土壤養(yǎng)分淋溶損失[7-8]。東北黑土區(qū)大豆的單株豆莢數(shù)與單株粒數(shù)都隨土壤中磷肥配施量的增加而上升,同時(shí),豆科植物固氮作用和氮鉀肥的協(xié)調(diào)作用仍不可忽視[8]。在禾本科燕麥的研究中發(fā)現(xiàn):燕麥地上部生物量、總生物量都隨施氮量的增加呈先增后減的基本規(guī)律,說(shuō)明生物量的累積與分配都與土壤氮素有效性密切相關(guān)[9]。胡靜等[10]在羊草生物量分配研究中指出:羊草葉片形態(tài)發(fā)育與葉生物量、莖生物量都有非常密切的聯(lián)系,莖、葉的生物量可以通過(guò)莖、葉形態(tài)特征參數(shù)進(jìn)行直接或間接的表達(dá)。王瑤等[11]的研究結(jié)果認(rèn)為:地上部生物量與土壤中有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)性,可以通過(guò)增加土壤有機(jī)質(zhì)含量實(shí)現(xiàn)地上部生物量增加,為產(chǎn)量提升奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。作物植株器官生物量積累和分配是作物根系、冠層長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境自我調(diào)節(jié)的生物學(xué)結(jié)果[12]。黃土塬區(qū)化肥長(zhǎng)期過(guò)量施用造成土壤養(yǎng)分過(guò)剩,殘留養(yǎng)分徑流損失嚴(yán)重,導(dǎo)致土壤生態(tài)環(huán)境和生產(chǎn)力持續(xù)下降[13]。為了逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)家大豆需求自給,降低大豆大量進(jìn)口的依賴(lài)性[16],優(yōu)化中國(guó)大豆產(chǎn)業(yè)體系,結(jié)合大豆抗性?xún)?yōu)良、環(huán)境友好的基本特性,黃土旱地是傳統(tǒng)大豆優(yōu)勢(shì)區(qū)之一,是實(shí)現(xiàn)土壤環(huán)境改良和區(qū)域種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要選擇[14]。因此,通過(guò)優(yōu)化肥料配施模式,激發(fā)大豆自身增產(chǎn)增效潛能,綜合配施有機(jī)肥、生物菌肥降低化肥投入,實(shí)現(xiàn)大豆產(chǎn)量、土壤水肥利用效率同步提升,推動(dòng)旱地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
黃土丘陵溝壑區(qū)是西北旱區(qū)主要的糧食生產(chǎn)區(qū),但因水土流失、粗放型耕作導(dǎo)致土壤養(yǎng)分有效性不足,水資源利用率偏低和作物產(chǎn)量長(zhǎng)期低而不穩(wěn)[2,14]。優(yōu)化施肥模式是應(yīng)對(duì)區(qū)域環(huán)境現(xiàn)狀、保障作物產(chǎn)量和土壤質(zhì)量的有效措施[13]。大豆具有較好的抗旱性和改良土壤的生物特性,通過(guò)肥料優(yōu)化配施,最大程度提升土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力,匹配大豆生育期生長(zhǎng)發(fā)育的需求規(guī)律,挖掘大豆增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的生物學(xué)潛力,改善黃土旱地種植結(jié)構(gòu)、提升土壤可持續(xù)生產(chǎn)力具有現(xiàn)實(shí)需求和實(shí)際意義。生物量積累與分配是大豆?fàn)I養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)過(guò)度的物質(zhì)基礎(chǔ),能夠有效反映大豆生育期碳水化合物形成、器官積累和轉(zhuǎn)移分配規(guī)律,對(duì)于旱地大豆的產(chǎn)量形成具有決定性作用,通過(guò)明確不同化肥優(yōu)化配施模式下大豆形態(tài)發(fā)育及生物量積累分配的差異性表現(xiàn),可為旱地肥料優(yōu)化配施、保證大豆穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)及水肥高效利用提供理論支撐。
試驗(yàn)于2018、2019年在陜西黃土高原丘陵溝壑區(qū)的榆林市橫山區(qū)橫山鎮(zhèn)石窯則村典型旱地農(nóng)田進(jìn)行,播種時(shí)間為每年5月8—10日,收獲時(shí)間為10月10—13 日。試驗(yàn)地位于東經(jīng) 108°56′—110°02′,北緯 37°22′—38°14′,海拔1232 m,平均氣溫9.6℃。無(wú)霜期約146天,年降水量約446.8 mm,70%降雨主要集中在7—9月,年蒸發(fā)量1211 mm,年日照時(shí)數(shù)2644 h。試驗(yàn)田土壤為黃綿土,肥力均勻。有機(jī)質(zhì)含量3.2 g/kg,全氮為0.3 g/kg,堿解氮18.9 mg/kg,速效磷6.2 mg/kg,速效鉀66.0 mg/kg,田間管理遵循傳統(tǒng)農(nóng)民管理模式。
試驗(yàn)選用大豆品種‘汾豆78號(hào)’,每個(gè)小區(qū)的面積20 m2,4×5 m,株距25 cm,行距50 cm,大豆膜際起壟,壟底寬40 cm,壟高8~10 cm,地膜兩側(cè)5 cm處精確播種,每處理重復(fù)3次,共計(jì)18個(gè)小區(qū)(表1)。
表1 大豆施肥策略試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案
葉綠素含量及光合性能的測(cè)定:試驗(yàn)?zāi)攴?,在大豆盛花期,使用SPAD502 plus(日本柯尼卡美能達(dá))對(duì)頂端成熟葉進(jìn)行葉綠素含量測(cè)定,每處理選擇15株大豆,每株大豆選擇5片成熟葉片,每葉片測(cè)定3次取得平均值,5片葉的葉綠素含量平均值為單株葉綠素含量。分別在大豆盛花期、結(jié)莢期Li-6400光合儀(美國(guó)Li-COR公司)進(jìn)行葉片光合指標(biāo)測(cè)定,每小區(qū)選擇代表植株5棵,頂端成熟葉片測(cè)定光合速率、蒸騰速率,計(jì)算葉片瞬時(shí)水分利用效率。
根系干重測(cè)定:在大豆結(jié)莢期采用根鉆法獲得0~30 cm耕層全部根系,取樣范圍長(zhǎng)寬深10 cm×10 cm×30 cm,整根取出,篩土,清水輕柔沖洗,封裝塑封袋4℃冰箱保存;實(shí)驗(yàn)室內(nèi),將根系分別放入加厚牛皮紙袋,放入烘箱,75℃下烘至恒重,稱(chēng)量獲得根系干重。
地上部器官生物量測(cè)定:兩年試驗(yàn)期間,分別在大豆開(kāi)花期、結(jié)莢期每小區(qū)采集代表性植株5株,每株不同器官(莖、葉、莢)分別手工分離,分批放入烘箱,105℃下殺青1 h,75℃烘至恒重,使用電子天平稱(chēng)量獲得莖、葉、莢、粒生物量。
產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子測(cè)定:每個(gè)小區(qū)取5 m2大豆全部植株進(jìn)行考種,數(shù)出每株莢數(shù),用數(shù)粒機(jī)獲取每株粒數(shù),用電子天平分別稱(chēng)單株粒重、百粒重,求其平均值,計(jì)算小區(qū)產(chǎn)量。
數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010軟件,SPSS 17.0軟件進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)分析,同時(shí)用Sigma plot 12.5進(jìn)行圖表繪制。
2018、2019年度降雨量及月份分布較10年均值有顯著變化(圖1)。2018年總降雨量520.2 mm,較10年均值顯著增加18.9%,2019年總降雨量421.2 mm,較10年均值降低3.7%,豐水年和缺水年差異明顯;80%以上降雨發(fā)生在6—9月份,且2018年度7、8、9月份降雨量較10年均值增加40.1%,2019年度降雨量增加6.1%,對(duì)于大豆關(guān)鍵生育期需水具有較好的補(bǔ)充作用,試驗(yàn)?zāi)甓葴囟茸兓^10年均值無(wú)顯著差異。
圖1 試驗(yàn)?zāi)攴輾鉁丶敖涤炅孔兓?/p>
優(yōu)化施肥策略可有效改善大豆開(kāi)花期葉片葉綠素含量,從而提升葉片光合生理功能和葉片水分利用效率(圖2)。NPK配施葉片葉綠素含量增幅1.70%,配施有機(jī)肥顯著實(shí)現(xiàn)葉綠素含量增幅提升40%左右,連續(xù)性有機(jī)肥和生物菌肥投入葉綠素含量增加6.0%~10%;葉片光合能力與葉綠素含量緊密聯(lián)系,NPK優(yōu)化施用、配施有機(jī)肥葉片光合速率增加1.56%,葉片蒸騰速率提升4.0%~6.6%,葉片水分利用效率(WUEL)顯著增加8.8%~19.3%,連年化肥配施有機(jī)肥、生物菌肥顯著增加WUEL。
圖2 施肥策略對(duì)開(kāi)花期大豆葉片光合性能的影響
化肥優(yōu)化策略及化肥配施有機(jī)肥、生物菌肥可顯著降低大豆根冠比,隨施肥年份的增加,NPK優(yōu)化策略和有機(jī)肥、生物菌肥配施調(diào)控大豆根系、地上部干物質(zhì)積累分配的效用差異更加顯著(圖3)。2018年度,雨水充足,NPK優(yōu)化模式、NPK-O和NPK-B根系干重較對(duì)照顯著增加29.3%、44.3%和31.6%,而地上部干物質(zhì)增幅在NPK配施模式為35.6%,NPK-O增加24.7%,NPK-B只有4.9%,根系干重增幅總體較高,配施有機(jī)肥和生物菌肥根冠比較高;2019年度,降雨量偏少,施肥策略差異性得到激發(fā),NPK優(yōu)化模式根冠比降低,NPK-B降幅尤為顯著;NPK-O根冠比較高,根系干重增加10.6%,地上部干重增加7.2%,根冠比偏高,施肥策略通過(guò)調(diào)控根系、莖葉生物量積累響應(yīng)季節(jié)性氣候干旱。
圖3 施肥策略對(duì)大豆結(jié)莢期和成熟期根、冠生物量積累的影響
肥料配施具有良好的莖葉生物量調(diào)控作用,調(diào)控效應(yīng)與年度降雨分布有關(guān),并隨生育期延伸差異性逐漸增大(圖4)。結(jié)莢期肥料配施莖葉比較對(duì)照明顯增加,隨著生育期延伸,處理間莖葉比差異加大。NPK配施大豆結(jié)莢期莖、葉生物量顯著增加41.7%和32.3%,NPK-O莖、葉生物量分別增加28.9%和22.9%,莖、葉生物量積累同比增加,莖葉比相對(duì)平穩(wěn),處理間差異較??;成熟期莖葉比顯著降低,NPK處理莖、葉生物量增量分別為21.4%和80.4%,2NPK處理莖、葉生物量分別增加33.1%和121.2%,2NPK莖葉比最小,生物量轉(zhuǎn)化效率較高;NPK-O和NPK-B莖葉生物量降幅平緩。
圖4 施肥策略對(duì)大豆結(jié)莢期、成熟期莖葉干物質(zhì)分配的影響
粒莢比是反映籽粒膨大過(guò)程中干物質(zhì)轉(zhuǎn)移的重要參數(shù),大豆收獲期粒莢干重比例隨施肥策略不同出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)(圖5)。2018和2019年度,粒莢比變化規(guī)律相似,NPK低量配施有利于增加粒莢比,并隨使用年份增加而增加;NPK-B粒莢比兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓染哂酗@著差異,干旱年份顯著增加12.1%;其他處理粒莢比在豐水年和欠水年間無(wú)顯著變化,但較CK分別增加11.6%和10.1%;NPK、2NPK增幅最高,分別為15.5%和11.4%;NPK-O增幅最小為7.7%,優(yōu)化肥料配施可有效調(diào)控莢干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移,激發(fā)產(chǎn)量潛力。
圖5 施肥策略對(duì)大豆收獲期籽粒、豆莢干物質(zhì)分配的影響
收獲指數(shù)(HI)受到年份降雨量的顯著影響,豐水年(2018)HI較欠水年(2019)顯著增加22.5%;施肥策略具有明顯提升HI的生物學(xué)潛力(圖6)。干旱年份,2NPK、NPK-O處理HI增加不顯著;N、NPK和NPK-B處理HI顯著增加17.1%、22.2%和19.6%;豐水年HI增加不明顯,但NPK-O依然增加幅度較高,達(dá)到6.9%,具有較好提升產(chǎn)量的潛力。
圖6 不同施肥處理對(duì)大豆成熟期收獲指數(shù)的影響
產(chǎn)量構(gòu)成和籽粒產(chǎn)量可以有效說(shuō)明肥料配施增產(chǎn)的最終效應(yīng),兩年數(shù)據(jù)分析顯示(表2):化肥配施模式優(yōu)化具有促進(jìn)產(chǎn)量提升的效能,每株莢數(shù)在NPK-O顯著增加41.6%,且百粒重較化肥優(yōu)化配施處理顯著增加16.3%左右,最終實(shí)現(xiàn)較對(duì)照顯著增產(chǎn)53.3%,較化肥優(yōu)化模式(N,NPK和2NPK)增產(chǎn)25.5%左右,較NPK-B顯著增產(chǎn)38.0%,化肥配施有機(jī)肥具備更好的增產(chǎn)能力和潛力。
表2 施肥策略對(duì)大豆產(chǎn)量形成的影響
土壤水分、養(yǎng)分環(huán)境是影響作物形態(tài)構(gòu)建和產(chǎn)量形成的重要因素[15]。生物量積累與分配是反映作物適應(yīng)土壤、氣候環(huán)境的自我調(diào)節(jié)能力的重要體現(xiàn)[13]。植株光合產(chǎn)物向各器官分配率是制約旱作大豆產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[16],土壤養(yǎng)分有效性是影響植株各器官干物質(zhì)量的積累和分配的調(diào)控因子[17]。氮、磷、鉀肥合理配施可有效調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育[18],協(xié)調(diào)不同生育期器官發(fā)育的生理性能,保證良好的碳水化合物生成、轉(zhuǎn)移與積累作用[19],保障作物更好地應(yīng)對(duì)微環(huán)境的變化。2018和2019年度,降雨量差異較大,是造成大豆形態(tài)發(fā)育、生理功能差異性的根本原因(圖1)。雨水充足,施肥優(yōu)化模式效應(yīng)被緩和,葉綠素含量和光合能力增幅較小,氣候干旱激發(fā)施肥策略的協(xié)調(diào)能力,尤其是增施有機(jī)肥和生物菌肥,顯著增加葉綠素含量(8.0%)和蒸騰速率(5.3%),同時(shí)促進(jìn)葉片水分利用能力(14.1%,圖2),為器官干物質(zhì)積累奠定良好的生理學(xué)基礎(chǔ)。
生物量分配與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)性主要體現(xiàn)在大豆?fàn)I養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)過(guò)度時(shí),碳水化合物的轉(zhuǎn)移方向和速率[20]。根、莖、葉是農(nóng)作物主要的功能器官,其干物質(zhì)自身積累和轉(zhuǎn)移分配,除了體現(xiàn)作物生理生態(tài)適應(yīng)性外,尤其受到外界環(huán)境的刺激和調(diào)控,決定營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向繁殖器官(花、莢和籽粒)的積累效率[21]。本研究認(rèn)為:優(yōu)化化肥配施模式可有效協(xié)調(diào)根、莖、葉的形態(tài)發(fā)育和生物量積累(圖3)。豐水年份,增加NPK配施量促進(jìn)根系生物量的積累,欠水年份,化肥壯根效應(yīng)受到土壤水分的限制。配施有機(jī)肥具有良好的壯根、促根作用,根系干重平均增加27.5%,根冠比顯著提升,可以推斷配施有機(jī)肥具有緩解干旱脅迫的生物學(xué)效應(yīng)。莖、葉生物量分配隨著生育期的延伸差異性明顯增加,化肥優(yōu)化配施莖葉比顯著降低,配施有機(jī)肥和生物菌肥莖葉比相對(duì)穩(wěn)定(圖4)?;手饕憩F(xiàn)為對(duì)葉片生物量積累的促進(jìn),而有機(jī)肥和生物菌肥偏向增加莖桿生物量的積累。根、莖、葉生物量分配的差異性、多樣性是旱地大豆應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的有效策略,根系形態(tài)發(fā)育容易造成冗余生長(zhǎng),莖葉生物量大量積累有利于后期生物量有效轉(zhuǎn)化,肥料配施可以較好的協(xié)調(diào)根莖葉生物量合理分配,為產(chǎn)量提升儲(chǔ)備充足碳水化合物。
不同肥料配施可以有效提高大豆籽粒產(chǎn)量,并受到自然降水的影響,豐水年份肥料優(yōu)化配施大豆平均增產(chǎn)27.9%,干旱年份肥料優(yōu)化配施平均增產(chǎn)40.2%(表2);其中,配施生物菌肥在偏旱年份實(shí)現(xiàn)最大產(chǎn)量提升(61.4%),NPK優(yōu)化施肥也可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量41.4%,化肥配施和增施生物菌肥可以緩解干旱脅迫的減產(chǎn)效應(yīng)。配施有機(jī)肥在豐水年份具有更好的產(chǎn)量促進(jìn)作用(48.8%),化肥優(yōu)化模式產(chǎn)量提升優(yōu)于生物菌肥處理,較多降雨可能會(huì)削弱化學(xué)肥料、生物菌肥的增產(chǎn)效力。營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期生物量高效積累,進(jìn)入生殖生長(zhǎng)期后,生物量的有效轉(zhuǎn)移有利于產(chǎn)量迅速提升[22]。收獲指數(shù)有效反映營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)化的最終結(jié)果[23-24],豆莢生物量是大豆籽粒膨大過(guò)程中非常關(guān)鍵的干物質(zhì)來(lái)源,但隨著生育期后期氣候環(huán)境的變化,豆莢生物量轉(zhuǎn)移受到一定程度制約[25]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示:化肥優(yōu)化配施平均提升粒莢比12.0%,配施生物菌肥顯著提升粒莢比15.7%,對(duì)應(yīng)收獲指數(shù)增加9.0%和13.3%,充分肯定了化肥優(yōu)化配施和增施生物菌肥具有更大的增產(chǎn)潛力。綜合分析,大豆生物量分配對(duì)于產(chǎn)量形成具有至關(guān)重要的生物學(xué)意義[26],NPK化肥優(yōu)化配施具有更直接的增產(chǎn)能力,但考慮到土壤環(huán)境和肥力有效性的可持續(xù)利用,配施有機(jī)肥或者生物菌肥具有更好的增產(chǎn)、增效和優(yōu)化土壤環(huán)境的作用。
本研究基于黃土旱塬自然降雨低而不穩(wěn)和土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低的現(xiàn)實(shí),通過(guò)化肥、有機(jī)肥和生物菌肥優(yōu)化配施,有效調(diào)控旱地大豆干物質(zhì)積累、分配,促進(jìn)產(chǎn)量穩(wěn)步增加,主要結(jié)論如下:
(1)生育期降雨量直接影響大豆產(chǎn)量形成;優(yōu)化化肥配比產(chǎn)量顯著提升30.7%,并顯著緩解干旱對(duì)產(chǎn)量的限制;配施有機(jī)肥和生物菌肥可在化肥增產(chǎn)水平之上再提升34.5%和19.9%,優(yōu)化肥料配施模式具有提升大豆產(chǎn)量和改善土壤環(huán)境的雙重作用。(2)化肥優(yōu)化配施策略、配施生物菌肥顯著增加大豆莖葉比、粒莢比和收獲指數(shù),有效促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)器官生物量向生殖器官轉(zhuǎn)化,激發(fā)大豆增產(chǎn)潛力;成熟期總生物量受到降雨量和施肥策略的影響,配施生物菌肥通過(guò)增加莖稈生物量而提升作物總生物量;配施有機(jī)肥顯著增加根系干重,有效調(diào)控植株根冠比,配施微生物菌肥根冠比具有更靈活的環(huán)境適應(yīng)性。(3)增施微生物菌肥增強(qiáng)葉片光合速率,降低無(wú)效蒸騰,有效提升葉片水分利用能力。綜上所述,配施有機(jī)肥和生物菌肥以?xún)?yōu)化根系生長(zhǎng)環(huán)境為切入點(diǎn),全面協(xié)調(diào)根系形態(tài)發(fā)育,靈活應(yīng)對(duì)變化的土壤、氣候環(huán)境,增強(qiáng)根系、葉片功能,有效協(xié)調(diào)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)之間的物質(zhì)轉(zhuǎn)移積累,優(yōu)化大豆籽粒膨大期生物量轉(zhuǎn)化效率,為大豆增產(chǎn)提供了良好的促進(jìn)作用。