芸豆（Phaseolus vulgaris L.）又名菜豆、莲豆、四季豆等,是人类食用的主要豆类作物之一,其籽粒营养丰富,是许多贫困地区植物蛋白的营养来源,也是发达地区调节膳食结构的良好食材,在国内外市场深受欢迎,在我国小杂粮的对外贸易中,芸豆出口量占据第一位^[1,2]。芸豆抗旱、耐瘠且适应性强,具有生物固氮的作用,是很多作物的良好前茬,在农业种植结构中具有不可替代的作用^[3,4]。我国对芸豆的研究起步较晚,田间管理粗放,芸豆单产水平较低,因此,如何提高产量成为芸豆生产中亟待解决的问题^[5,6,7,8]。在高密度条件下,通过增加群体库来挖掘作物的增产潜力,对提高干旱冷凉区芸豆的单产和总产具有重要意义。

于崧等^[3]研究表明,合理的种植密度能使芸豆的生长速率和花后群体干物质积累量增加,构建优良群体结构。杨广东等^[9,10]认为,高寒地区芸豆的种植密度与其产量呈抛物线关系,不同品种在获得最高产量时的密度有所不同。王福海等^[11]提出,在水分正常年份,在较肥沃的土地上保苗22.5万~30.0万株/hm²为宜,而在干旱年份,在土地贫瘠的土地上应加大保苗数,在30.0万~37.5万株/hm²为宜。孙学映等^[12]研究了种植密度对芸豆产量的影响,提出芸豆最适种植密度为16.86万~22.76万株/hm²。程益军等^[13]认为,在机械点播情况下,英国红芸豆的种植密度在20.0万~22.0万株/hm²为宜。虽然对芸豆在种植密度方面的报道很多,但是因为区域、地力、品种和气候等因素的不同导致研究结果差异很大,说明其他地区的试验结果并不适宜指导山西冷凉区的芸豆生产。本试验在山西北部半干旱冷凉区通过研究不同种植密度对芸豆产量和产量构成因素的影响,确定本地区芸豆生产适宜的种植密度,为山西省半干旱冷凉区芸豆生产提供理论依据和技术支持。

试验于2019年5-9月在山西省旱作节水农业示范基地阳曲县河村进行,该区位于北纬38°02′、东经112°54′,海拔1270m,属于典型的丘陵半干旱冷凉区,年平均降雨量约440mm,年均蒸发量1995mm,无霜期约120d,年平均气温6℃~7℃,≥10℃有效积温2600℃,气侯凉爽,昼夜温差大。试验地土壤属于褐性土,0~20cm耕层土壤含有机质16.57g/kg,全氮1.07g/kg,碱解氮54.21mg/kg,速效磷16.52mg/kg,速效钾158.05mg/kg。

供试芸豆品种为“英国红”。试验采用随机区组设计,设置6个密度梯度处理：10万（D1）、15万（D2）、20万（D3）、25万（D4）、30万（D5）和35万株/hm²（D6）;每个处理3次重复,共18个小区,行距50cm,行长6m,种植8行,小区面积24m²（4m×6m）。播种时各小区均采用人工精量点播,每穴3粒,出苗后间苗、定苗,每穴留苗2株。基肥在种前一次性施入,纯氮、P₂O₅和K₂O用量均为90kg/hm²。前茬作物为玉米。试验于5月16日人工穴播,6月7日从保护行选择壮苗进行人工移栽,补齐苗数,9月10日收获。试验在自然降水条件下进行,生育期无补充灌溉。

1.3.1 降水年型划分 降水年型划分为丰水年（P_i>P_N+0.33δ）、枯水年（P_i<P_N-0.33δ）和平水年（P_N-0.33δ≤P_i≤P_N+0.33δ）。其中,δ为多年同期降水量均方差（mm）;P_i为当年同期降水量（mm）;P_N为同期多年平均降水量（mm）^[14]。多年5月至9月降水量均方差为50.38mm。

1.3.2 生长发育指标 每个小区在苗期时挑选长势均匀的10株连续的芸豆挂牌标记,在每个生育期选择3株分别测定株高、干物质积累量和叶绿素相对含量（SPAD值）。用直尺测量株高（地表到植株茎部生长点的高度）;采用烘干法^[15]测定干物质积累量;利用便携式叶绿素仪（SPAD-502）测定当前叶片中叶绿素相对含量,每株芸豆选择3片上层三出复叶的中间叶片测定^[16]。

1.3.3 产量构成因素 在芸豆成熟期,对各处理小区内挂牌的10株取样,待风干后进行室内考种,分别测定单株有效荚数、单荚粒数、百粒重和样本总粒数。

1.3.4 产量 芸豆成熟后,将各处理小区内挂牌的10株收获,待风干后测定单株产量,并折算成单位面积产量;将所有小区单打单收,风干后实际测产,并折算成实测单位面积产量。

2019年及历年日降雨量和温度等基本气象资料从试验基地自动气象站记录获得。

采用Excel 2010对数据进行简单处理,使用DPS 18.10软件对数据进行统计分析。

如表1所示,对芸豆生育期内降水量进行分析可知,试验年份2019年的生育期内降水量为325.3mm,比2009-2018年同期平均降水量低14.8%。与2009-2018年相应月份平均降水量相比,2019年5月份只有3.6mm的无效降水,6月份的降水量高了62.0%,7月份的降水量少了将近一半,8月份的降水量高了35.1%。由此可以看出,试验年份的降水呈现出前期（5-7月）干旱、后期多雨（8-9月）的特征,根据降水年型公式计算后可知,2019年为枯水年。

从表2可以看出,芸豆各个生育期的株高变化趋势一致,均随着密度的提升而逐渐升高,但是增加的幅度不同,在苗期、盛花期和结荚期最高密度较最低密度分别增加了15.6%、11.4%和14.7%。在苗期,由于6月份降水充足,充足的水分供应能够保证芸豆高密度下生长的水分需求,株高增幅大,各个密度处理间有差异,其中D2与D6差异显著;而在盛花期和结荚期,7月份降水的不足使得植株在高密度下生长缺乏水分供应,株高增长的趋势缓慢,变异系数小,各处理均差异不显著。

芸豆各生育期的单株干物质积累量总体随密度的提升而逐渐降低（表3）,在苗期、盛花期和结荚期,D1处理分别比D6处理的单株干物质积累量高71.9%、172.6%和171.2%,差异显著。在苗期,由于植株生长量小,单株干物质积累速度缓慢,平均只有8.41g;而到了后期,植株生长加速,单株干物质积累速度明显加快,分别达到了15.56和26.56g。

芸豆的群体干物质积累量随着生育期的推进逐渐增加,在结荚期达到峰值（表4）。芸豆各生育期的群体干物质积累量随着密度的变化并不相同,在苗期,芸豆的群体干物质积累量总体随着密度的提升而增加,在最高密度D6处理时达到最大,D6处理的群体干物质积累量分别较D1、D2、D3、D4和D5处理的群体干物质积累量高103.8%、42.9%、52.5%、33.3%和12.7%。到了中后期,即盛花期和结荚期,芸豆的群体干物质积累量都是随着密度的增加表现出先增加后降低的趋势,都是在D5处理（30万株/hm²）时最大,在D1处理（10万株/hm²）时最小,D5处理的群体干物质积累量在盛花期分别较D1、D2、D3、D4和D6处理高61.5%、32.2%、14.4%、4.8%和25.7%,在结荚期分别高106.3%、61.2%、39.3%、23.4%和59.8%。说明在不同的密度处理中,随着生育进程的推进,群体干物质积累量差距逐渐增大,后期仍保持较高的干物质积累速率。

从不同种植密度下芸豆各个生育期群体干物质积累量占总干重的比例（表4）可以看出,随着生育期的推进,不同密度处理下,群体干物质积累量占总干重的比例逐渐升高,与苗期相比,盛花期和结荚期在不同密度下,群体干物质积累量占总干重的比例平均提高幅度分别为78.4%和206.5%,由此可见,芸豆花后干物质积累速率远大于花前。在后期即结荚期,群体干物质积累量占总干重的比例先升高后降低,处理D5（30万株/hm²）最大,与产量的趋势相同,可以看出,后期干物质的积累是作物获得高产的重要途径。

由图1可以看出,不同密度处理下,叶片的SPAD值随着生育期的推进变化趋势是一致的,都是先升高后降低,在盛花期时最大。在各个生育期内,随着密度的增加,SPAD值总体上呈现逐渐降低的趋势,各生育期的D1（10万株/hm²）处理分别比D6（35万株/hm²）处理的SPAD值高3.8%、5.7%、10.1%,可见,SPAD值在前期变化不大,在后期差距变大,说明生育后期光合作用在低密度时比在高密度时的差距更大,这与单株干物质积累的趋势一致。

不同密度处理对单株产量、芸豆折算单位面积产量和实测单位面积产量均有显著影响（表5）。随着密度的增加,单株产量呈下降趋势,在最低密度D1处理（10万株/hm²）时,单株产量最大,达到26.11g,比最高密度D6处理（35万株/hm²）时的单株产量高132.9%;单株产量折算后得到的群体单位面积产量和实测小区产量折算后得到的实测群体单位面积产量随着密度的增加表现相同,均表现出先增加后降低的趋势,只是各自在得到最高产量时的密度不同,单株产量折算后得到的群体单位面积产量在D3处理（20万株/hm²）时最大,较最低产量D1处理（10万株/hm²）高65.2%;实测单位面积产量在D5处理（30万株/hm²）时最大,较最低产量D1处理（10万株/hm²）高33.1%。由此可见,芸豆单株产量的高低并不能决定群体产量的高低,在一定密度范围内,群体产量可以通过群体数量来对个体产量进行弥补,但当达到一定的密度峰值后,增加密度反而会导致群体产量的下降。

以种植密度（X,万株/hm²）为自变量,以折算单位面积产量（Y₁,kg/hm²）和实测单位面积产量（Y₂,kg/hm²）为因变量,分别进行回归模拟,得到回归模型Y₁=-5.40X²+288.17X+331.16和Y₂=-2.12X²+103.13X+1306.53。两个回归模型都是开口向下的抛物线（图2）,产量都是随着种植密度的增大而先升高后降低。种植密度为26.6万株/hm²时,折算单位面积产量达到最大;种植密度为24.4万株/hm²时,实测单位面积产量达到最大。

从表6可知,不同密度处理对单株荚数、百粒重和样本总粒数都有显著影响,而对单荚粒数无显著影响。单株荚数与样本总粒数随着密度的增加而逐渐降低,D1处理分别比D6处理的单株荚数与样本总粒数高117.2%、136.2%,与单株产量的趋势相同;百粒重随种植密度的升高而先增加后降低,在D4处理和D5处理时表现为百粒重较高,与群体产量的趋势相同;单荚粒数在各处理间变化不大。结果说明影响单株产量的主要因素是单株荚数与样本总粒数;影响群体产量的主要是群体数量和百粒重;单荚粒数比较稳定,主要是受品种的遗传特性决定的。

采用逐步回归分析法, 对产量构成因子单荚粒数（x₁）、百粒重（x₂）和10株样本总粒数（x₃）与实测单位面积产量（y）进行逐步回归分析, 建立回归方程y = - 10883.65 + 467.34x₁ + 228.15x₂ - 1.81x₃（F = 21.70, P = 0.044）。经方差分析及显著性检验, 回归方程和这3个因子均达0.05显著水平（P = 0.041、Px₁ = 0.047、Px₂ = 0.018、Px₃ = 0.049）, 回归方程的决定系数R² = 0.9702, 复相关系数R = 0.9850, 说明这3个因子是影响芸豆产量的主要因子, 对芸豆产量的影响达97.02%。进一步分析产量构成因子对产量的直接作用与间接作用, 进行通径分析。从表7中可知, 百粒重（x₂）对实测单位面积产量的直接作用大于间接作用总和, 而其余2个因子单荚粒数（x₁）和10株样本总粒数（x₃）的直接作用小于间接作用总和。说明百粒重对实测单位面积产量起主要作用, 而其余2个因子对实测单位面积产量的贡献主要是通过百粒重间接实现的。

在底墒不好的偏旱年,土壤水分不足是芸豆生长的限制因子,密度对芸豆生长及产量的影响尤为重要。本试验研究结果表明,随着密度的增加,株高呈现出逐渐升高的趋势、群体干物质积累量和产量均呈现先升高后降低的趋势。这与于崧等^[3]和魏建军等^[17]在正常年份的试验研究结果趋势相同。说明虽然在底墒差的前期会因为水分不足导致芸豆出苗不齐,在灌浆期降水不足使得芸豆结荚率降低,进而影响产量降低,但是对于在不同种植密度梯度下芸豆的生长和产量的趋势影响不大。对产量性状而言,在本试验中,随着密度的增加,单株荚数逐渐降低,百粒重随着密度的升高先增加后降低,对单荚粒数无显著影响。而杨锦忠等^[18]研究认为,单位面积荚数随着密度的增加而增加,但单荚粒数和百粒重呈下降趋势。研究结果的不同可能与本试验年份较为特殊的降水分布有关,灌浆期降水不足使得芸豆在高密度下结荚率降低,而在鼓粒-成熟期,充足的降水量能够保证芸豆在高密度下籽粒的饱满度。

作物生产是一个群体过程,合理密植能够协调个体与群体之间的关系,使得个体能够充分利用空间、水分和养分,个体发育强壮,群体数量合理,冠层结构通风透光条件良好,群体生长协调,进而获得最佳产量^[19]。本研究发现,随着密度的升高,在各个生育期单株干物质积累量逐渐降低,而群体干物质积累在苗期时逐渐升高,在花期后则呈现出先升高后降低的趋势。说明在前期即苗期时,植株生物量小,群体数量占优势,密度越大,群体干物质积累量就越大;到了后期,即盛花期和结荚期,植株生长速度加快,低密度和高密度的单株干物质积累量差距拉大,群体数量对群体干物质积累量的弥补在一定密度范围内可行,但当密度增加到一定程度时,群体干物质积累量反而降低。并且试验研究发现,随着生育期的推进,群体干物质积累量逐渐增大并且差距加大,到后期即结荚期时,群体干物质积累量占总干重的比例最大,说明花后干物质积累量的大小对作物产量起着重要的作用。干物质积累量（群体干物质积累）是作物产量形成的表现形式,与产量的关系非常紧密^[20]。本试验结果表明,随着密度的增加,单株产量呈下降趋势,单株产量折算后得到的群体单位面积产量和实测小区产量折算后得到的实测群体单位面积产量均出现了先增加后降低的趋势,与干物质积累的趋势基本一致。说明低密度虽然有利于个体生长,增加单株产量,但群体产量需要考虑的是单株产量和群体数量的关系。因此要确定适宜的种植密度,以构建合理的群体结构,使个体发育良好,群体能充分利用光能、水分和养分等自然资源,个体与群体能够协调发展,进而提高作物群体产量。

芸豆的最佳种植密度在不同品种和不同地区的研究中,结果也各不相同^[9,18]。在本试验年份中,单株产量折算后单位面积产量和实测单位面积产量分别在20万和30万株/hm²时最大。对折算单位面积产量和实测群体单位面积产量进行回归模拟后,得到了最佳种植密度在24万~26万株/hm²之间。对芸豆在获得最高产量时的种植密度的研究结果各有不同,这可能与品种、地理分布和气候等因素有关,所以在选定适宜种植密度时,要考虑不同品种、不同地区和不同气候的影响。

种植密度对芸豆的生长发育及产量影响很大,随着密度的增加,株高逐渐增加,相对叶绿素含量逐渐降低,单株干物质积累量逐渐降低,而群体干物质积累量呈现出先升高后降低的趋势,与实测单位面积产量的趋势一致。在山西北部干旱冷凉区,底墒差的偏旱年,芸豆品种“英国红”的适宜种植密度为24万~26万株/hm²。