减施氮肥和接种根瘤菌对黑大豆光合特性及产量的影响

doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2022.04.018

减施氮肥和接种根瘤菌对黑大豆光合特性及产量的影响

孙庆圣^,, 原程, 张玉先^,

黑龙江八一农垦大学农学院,163319,黑龙江大庆

Effects of Reducing Nitrogen Fertilizer and Inoculating Rhizobium on Photosynthetic Characteristics and Yield of Black Soybean

Sun Qingsheng^,, Yuan Cheng, Zhang Yuxian^,

College of Agriculture, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, Heilongjiang, China

通讯作者: 张玉先,主要从事大豆高产生理生态研究,E-mail： zyx_lxy@126.com

收稿日期: 2021-04-28 修回日期: 2021-05-26 网络出版日期: 2022-06-13

基金资助:

财政部和农业农村部：国家现代农业产业技术体系(CARS-04-01A)
黑龙江省应用技术研究与开发计划项目(GA19B101-02)
黑龙江省农垦总局重点科研计划项目(HKKY190206-01)

Received: 2021-04-28 Revised: 2021-05-26 Online: 2022-06-13

作者简介 About authors

孙庆圣,研究方向为寒地作物高产栽培,E-mail： qshengsun@163.com

摘要

为明确减施氮肥与接种根瘤菌对黑大豆植株形态、光合特性、干物质积累量以及产量的影响,选用黑龙江省嫩江市主栽农家品种青仁乌1号为试验材料,随机区组设计,重复3次,设置3个氮肥施用量,分别为当地氮肥施用量（100%）、当地氮肥施用量一半（50%）和不施用氮肥（0）;每个氮肥施用量分别设置接种与不接种根瘤菌处理,100%施氮量+不接种根瘤菌为对照（CK）。结果表明,减施氮肥显著增加黑大豆的叶绿素含量、光合速率、干物质积累量及产量;接种根瘤菌显著提高叶绿素含量、光合能力、干物质积累量及产量,其中减施50%氮肥并接种根瘤菌增产效果最好,与CK处理相比增产7.77%。

关键词： 黑大豆; 减施氮肥; 根瘤菌拌种; 光合特性; 干物质积累; 产量

Abstract

In order to clarify the effects of nitrogen fertilizer reduction and Rhizobium inoculation on the plant morphology, photosynthetic characteristics, dry matter accumulation and yield of black soybean, the randomized block was designed using the main variety “Qingrenwu No.1” in Nenjiang, Heilongjiang province as material. The settings were as follows: local N fertilizer application rate (100%), half of the local N fertilizer application rate (50%), no N fertilizer application rate (0).There were two treatments of inoculating rhizobia and non inoculating rhizobia in each nitrogen application rate. The 100% N fertilizer application rate+non inoculating rhizobia treatment was the control. The results showed reduced nitrogen treatment considerably raised the chlorophyll content, photosynthetic rate, dry matter accumulation, and yield of black soybean. Rhizobium inoculation greatly increased the chlorophyll content, photosynthetic capacity, dry matter accumulation, and yield of black soybean. The best results were the treatment of half of the local N fertilizer reduction inoculated with Rhizobium, which increased by 7.77% compared to the CK treatment.

Keywords： Black soybean; Reducing nitrogen application; Seed dressing with Rhizobium; Photosynthetic characteristics; Dry matter accumulation; Yield

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本文引用格式

孙庆圣, 原程, 张玉先. 减施氮肥和接种根瘤菌对黑大豆光合特性及产量的影响. 作物杂志, 2022, 38(4): 132-137 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2022.04.018

Sun Qingsheng, Yuan Cheng, Zhang Yuxian. Effects of Reducing Nitrogen Fertilizer and Inoculating Rhizobium on Photosynthetic Characteristics and Yield of Black Soybean. Crops, 2022, 38(4): 132-137 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2022.04.018

大豆是我国重要的粮食和油料作物,因其营养价值丰富被广泛应用于食品加工及饲料业^[1]。近年来,大豆在中国经济市场的地位日趋提高。但是由于产量低、品质差以及市场竞争力弱,限制了大豆的产业发展。因此,改善大豆品质和提高产量成为我国大豆生产迫切需要解决的问题^[2]。

目前粮食产量的增长很大程度上取决于化学肥料的投入^[3],氮素是影响大豆生长发育的重要元素,许多农户试图通过增施氮肥的方式达到增产的目的^[4]。但是由于豆科作物特有的根瘤固氮作用,使得大豆的氮肥施用难度有所提高^[5]。大豆根瘤固定的氮素约占整个生长周期需氮的65%^[6],过高的氮肥施用量会抑制根瘤的固氮作用,影响大豆的正常生长,甚至造成减产^[7]。目前,我国大豆生产上普遍存在化学氮肥过量施用的情况^[8-9],导致降低肥料利用效率的同时抑制生物固氮效率,增加了种植成本,降低了实际收益^[10],而且大量的氮肥施用极易造成大豆枝叶繁茂,结荚少,使产量降低^[11]。研究^[12⇓-14]表明,播种前对大豆种子进行根瘤菌拌种处理,可促进大豆增产效果较稳定,同时降低经济成本,有较好的经济效益。

前人对大豆减施氮肥接种根瘤菌已有较多报道,但对于黑大豆的栽培研究却鲜有报道。黑大豆为豆科植物大豆[Glycine max (L.) Merr.]的黑色种子,具有较高的营养价值,有“豆中之王”的美誉^[15]。近年来,国内市场黑大豆售价比普通大豆高30%~50%,经济效益较好^[16]。实际生产中一般以常规大豆种植模式种植黑大豆,但是黑大豆在生长特征方面与普通栽培大豆存在一定差异。所以本研究通过设置不同的氮肥施用量与根瘤菌拌种和不拌种相结合的处理方式,探索减施氮肥和接种根瘤菌对黑大豆植株形态、光合特性、干物质积累量及成熟期产量的影响,为黑大豆的施肥技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试黑大豆为黑龙江省嫩江市主栽农家品种青仁乌1号,供试根瘤菌由东北农业大学提供。

1.2 试验设计

2020年在黑龙江省北大荒集团九三分公司鹤山农场进行。土壤类型为黑土,耕层土壤养分为pH 6.21、碱解氮145.80mg/kg、P₂O₅ 45.20mg/kg、K₂O 190.00mg/kg、有机质13.90g/kg。施N、P₂O₅和K₂O分别为55.00、67.40和30.00kg/hm²。

采用随机区组设计,以常规施氮量为基础（其他肥料施用量保持不变）,设置3个氮肥施用量,并用根瘤菌液进行拌种处理,共6个处理,具体为当地氮肥施用量+不接种根瘤菌（CK）;当地氮肥施用量+根瘤菌拌种（T1）;50%当地氮肥施用量+不接种根瘤菌（T2）;50%当地氮肥施用量+根瘤菌拌种（T3）;不施用氮肥+不接种根瘤菌（T4）;不施用氮肥+根瘤菌拌种（T5）。播种前用新培养且活性较好的根瘤菌液,在其OD值达到0.9后将种子浸泡10min,每千克种子约用根瘤菌液10mL,阴干后播种。

试验小区为8垄,垄长×宽为6m×65cm,每个处理重复3次。于2020年5月8日进行播种,密度为4×10⁵株/hm²,人工开沟、施肥和播种,田间管理同大田生产,10月4日进行理论测产。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 株高及叶面积

用卷尺以子叶痕为界测定株高。使用Li-3100型台式叶面积仪测定分解后的单株叶面积。

1.3.2 叶绿素含量

取叶片鲜样于85℃烘干至恒重,用样品粉碎机粉碎,称取样品0.2g装入盛有80%丙酮溶液20mL中,40℃水浴浸提5.5h后离心,用分光光度计测量上清液在665和649nm波长下的吸光度,80%丙酮溶液为标准液。

1.3.3 叶片光合相关指标参数

在苗期、花期、荚期和鼓粒期采用Li-6400型光合测定仪于晴朗天气的上午9:00开始测量每株倒3叶中间完全展开复叶的光合速率（P_n）、胞间CO₂浓度（C_i）、蒸腾速率（T_r）和气孔导度（G_s）等相关指标,每个处理重复5次。

1.3.4 地上部各器官干物质积累量

分别在苗期、花期、荚期和鼓粒期取长势一致的植株3株,对茎柄、叶、荚皮（荚期、鼓粒期）和籽粒（鼓粒期）进行分解。于105℃条件下杀青30min,于80℃烘干至恒重,用电子天秤称重,重复3次,取平均值。

1.3.5 产量

在完熟期测定产量,每个小区随机取1m²的植株,测定有效荚数、无效荚数和单株粒数,重复3次,取平均值。于70℃烘干籽粒至恒重,测量百粒重和单株粒重。理论产量（kg/hm²）=[(单株粒重(g)×密度(株/m²)×10000)/1000]×0.8,式中0.8为收获系数。

1.4 数据处理

用SPSS 20.0、Excel 2010和Origin 2018软件进行数据整理分析以及作图。

2 结果与分析

2.1 减施氮肥和接种根瘤菌对黑大豆植株形态的影响

由图1可知,叶面积和株高随氮肥施用量的减少而减少,且影响显著。相同氮肥施用量的条件下接种根瘤菌会显著提高叶面积和株高。其中苗期和花期的叶面积和株高均以T1处理最优,与CK处理相比,苗期和花期叶面积分别增加了3.47%和4.94%,株高分别增加了1.87%和18.11%。荚期和鼓粒期的叶面积和株高均以T3处理最优,分别与CK处理相比,荚期和鼓粒期的叶面积增加了15.88%和14.69%,株高增加了11.42%和11.39%。

图1

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图1 减施氮肥和接种根瘤菌对黑大豆单株叶面积和株高的影响

不同小写字母表示同时期处理间在P < 0.05水平差异显著,下同

Fig.1 Effects of reducing nitrogen fertilizer and inoculating Rhizobium on leaf area and plant height of black soybean

Different lowercase letters indicate different treatment at the corresponding period significant difference at P < 0.05 level, the same below

2.2 减施氮肥和接种根瘤菌对黑大豆光合特性及叶绿素含量的影响

2.2.1 对黑大豆光合特性的影响

由图2a可知,在黑大豆的各关键生育期,减施氮肥对叶片P_n的影响达显著水平,接种根瘤菌会缩小这种差距,其中苗期、花期和鼓粒期以T1处理表现为最优,与CK处理相比增幅分别为1.44%、0.58%和5.64%,荚期则以T3处理表现最优,与CK处理相比增幅为5.94%。由图2b可知,随着黑大豆生育时期的推进,叶片的G_s呈先上升后下降的趋势,各处理均在荚期达到最高值。其中苗期以CK处理表现最优,花期、荚期和鼓粒期以T3处理最优,与CK处理相比,花期、荚期和鼓粒期增幅分别为32.93%、16.63%和16.87%。由图2c可知,从苗期至鼓粒期,叶片C_i逐渐增高,其中苗期以T1处理最高,比CK处理增加3.84%;花期、荚期和鼓粒期以T3处理为最优,与CK处理相比增幅分别为9.65%、13.32%和3.51%。由图2d可知,T_r随生育期呈先升高后下降的趋势,花期达到最大值;其中苗期、花期和荚期以T1处理最高,与CK处理相比增幅分别为6.53%、10.60%和8.38%;鼓粒期以T3处理最高,比CK处理提高40.69%。

图2

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图2 减施氮肥和接种根瘤菌对黑大豆光合特性的影响

Fig.2 Effects of reducing nitrogen fertilizer and inoculating Rhizobium on photosynthetic characteristics of black soybean

2.2.2 对叶绿素含量的影响

由图3可知,不同处理的叶绿素含量随着生育期的推进呈先上升后下降的趋势,在荚期达到最高值。苗期、花期和荚期以T1处理叶绿素含量最高,与CK处理相比增幅分别为0.95%、14.50%和4.09%。鼓粒期以T3处理叶绿素含量最高,与CK处理相比增幅为8.85%。

图3

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图3 减施氮肥和接种根瘤菌对黑大豆叶绿素含量的影响

Fig.3 Effects of reducing nitrogen fertilizer and inoculating Rhizobium on chlorophyll content of black soybean

2.3 减施氮肥和接种根瘤菌对黑大豆地上各器官干物质积累量的影响

由表1可知,各处理间苗期地上部分干物质积累量差异显著,随着氮肥施用量的减少干物质积累量降低,而减施氮肥和接种根瘤菌的处理会抑制植物干物质积累减少。其中茎柄与叶干重在T1处理时最高,分别达到3.11和3.65g,地上部分干物质积累量在花期与苗期的变化基本一致,以正常施用氮肥并接种根瘤菌（T1）处理达到最高,减施50%氮肥接种根瘤菌地上部分干物质积累量高于正常施用氮肥接种。地上部分干物质积累量在荚期以T3处理最高,与CK处理相比叶和茎柄的增幅分别为29.20%和25.45%。鼓粒期与荚期地上部分干物质积累量的变化基本一致,各处理间地上部分各器官干物积累量差异显著。

表1 减施氮肥和接种根瘤菌对黑大豆地上部分干物质积累量的影响

Table 1 Effects of reducing nitrogen fertilizer and inoculating Rhizobium on dry matter accumulation of black soybean g

生育期Growth period	处理Treatment	叶Leaf	茎柄Stem and petiole	荚皮Pod	籽粒Seed
苗期Seedling	CK	2.59±0.03b	3.50±0.02b	–	–
	T1	3.11±0.05a	3.65±0.07a	–	–
	T2	2.13±0.05c	2.33±0.04d	–	–
	T3	2.51±0.07b	3.35±0.04c	–	–
	T4	1.82±0.16d	2.10±0.02f	–	–
	T5	2.11±0.03c	2.24±0.03e	–	–
花期Flowering	CK	6.73±0.16c	5.49±0.04b	–	–
	T1	8.14±0.14a	6.12±0.09a	–	–
	T2	6.55±0.12c	5.14±0.08c	–	–
	T3	7.74±0.08b	6.00± 0.08a	–	–
	T4	5.48±0.11e	4.66±0.08e	–	–
	T5	6.20±0.08d	4.99±0.07d	–	–
荚期Podding	CK	7.67±0.13c	8.25±0.06c	4.80±0.09a	–
	T1	9.37±0.17b	9.31±0.16b	5.18±0.10b	–
	T2	6.72±0.09d	7.78±0.58d	4.56±0.11c	–
	T3	9.91±0.24a	10.35±0.13a	5.38±0.11a	–
	T4	5.75±0.13f	7.12±0.09f	4.15±0.06f	–
	T5	6.53±0.08e	7.62±0.08e	4.22±0.08e	–
鼓粒期Seed-filling	CK	10.17±0.67c	10.22±0.14c	6.68±0.15c	4.48±0.41c
	T1	10.82±1.27b	10.70±0.17b	7.02±0.13b	5.37±0.20b
	T2	10.16±0.11c	9.89±0.04d	6.46±0.17d	3.85±0.37d
	T3	11.70±0.27a	12.49±0.15a	7.61±0.23a	6.18±0.39a
	T4	9.24±0.17d	9.25±0.06f	5.47±0.08f	3.20±0.16f
	T5	9.86±0.10c	9.62±0.10e	6.12±0.16e	3.60±0.24e

不同小写字母表示同时期处理间在P < 0.05水平差异显著,下同

Different lowercase letters indicate different treatment at the corresponding period significant difference at P < 0.05 level, the same below

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2.4 减施氮肥和接种根瘤菌对黑大豆产量及其构成因素的影响

由表2可知,从产量构成因素来看,同等氮肥施用量的情况下接种根瘤菌会显著提高有效荚数和单株粒重,对百粒重的影响较小。从测产结果来看,减施氮肥会引起减产,接种根瘤菌会降低此减产的效果。同等氮肥施用量的情况下接种根瘤菌会显著提高产量,T3处理的效果最好,比CK处理增产7.77%。

表2 减施氮肥和接种根瘤菌对黑大豆产量的影响

Table 2 Effects of reducing nitrogen fertilizer and inoculating Rhizobium on yield and its compositions of black soybean

处理 Treatment	有效荚数 Number of effective pods	无效荚数 Number of invalid pods	单株粒重 Grain weight per plant (g)	百粒重 100-grain weight (g)	产量 Yield (kg/hm²)
CK	18.5±8.71bc	2.4±2.17a	6.56±1.88abc	12.60±0.19bc	1732.71±196.88abc
T1	21.3±5.46ab	3.5±2.72a	6.92±1.45ab	12.90±0.40ab	1825.59±144.50ab
T2	17.2±3.68bc	2.4±2.51a	5.72±1.05abc	12.33±0.10bc	1480.46±142.32bc
T3	24.9±10.33a	2.4±1.26a	7.07±3.03a	13.27±0.59a	1867.41±209.69a
T4	13.0±3.80c	3.2±1.40a	4.92±1.81bc	12.12±0.10c	1320.66±321.90c
T5	15.1±2.60bc	1.7±1.70a	5.26±0.59c	12.26±0.13c	1389.33±181.63c

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3 讨论

氮素是植物体内蛋白质、核酸、叶绿素和一些激素等的重要组成部分,是限制作物生长和产量形成的首要因素^[17-18]。减施氮肥会大幅度降低黑大豆叶片叶绿素的含量,叶绿素作为光能吸收和转换的原初物质,其含量及构成不仅能反映生理活性,也与光合性能的发挥密切相关^[19]。本试验接种根瘤菌后黑大豆叶片叶绿素a、b和叶绿素总量均显著增加,表明接种根瘤菌能够改善植株氮素营养水平,增加叶绿素含量,这一试验结果与前人^[20]的研究一致。Bambara等^[21]对普通菜豆的研究也表明,在温室试验和大田试验中,接种根瘤菌后,温室试验叶片叶绿素含量显著增加。与未接种对照相比,接种根瘤菌后,温室试验叶片叶绿素含量显著增加,光合作用也有所提高。这与本试验的研究结果,接种根瘤菌可以提高黑大豆的叶绿素含量以及P_n一致。

豆科作物拥有天然的固氮方式―结瘤固氮作用,根瘤的固氮作用对大豆增产以及氮素供应具有重要作用,根瘤发育程度直接影响大豆对氮素的吸收^[22]。有研究^[23]表明,氮肥与根瘤菌的混合施用对大豆的产量提高有促进作用。随着黑大豆的生长,地上各器官干物质逐渐积累,减施氮肥会导致大豆干物质的积累量的减少^[24],这与本研究的结果基本一致。本研究还发现,减施50%氮肥与不施用氮肥处理（T2和T4）,黑大豆4个生育时期地上部分干物质积累量均低于正常施肥（CK）,说明减施氮肥会影响植物有机物的合成,从而降低黑大豆地上部分干物质的积累量。在接种根瘤菌后,减施氮肥处理（T3和T5）的干物质积累量明显增加,其中T3处理效果显著。说明接种根瘤菌有利于干物质的积累,过少的施氮量会影响其干物质的积累,这与姬月梅等^[25]研究结果相似。此外,减施50%氮肥并接种根瘤菌处理（T3）还能提高大豆的有效荚数、单株粒重及产量,不施氮处理（T4）与不施氮肥接种根瘤菌处理的产量均降低,与郑浩宇等^[26]和万玉萍等^[27]的研究结果相似。所以适当减施氮肥有利于根瘤菌生长,最终通过促进根瘤固氮作用为黑大豆植株提供足够的氮素,因此,合理减施氮肥并接种根瘤菌是保证黑大豆生长发育和提高产量的一个可行措施。

4 结论

综上,在合理减施氮肥的基础上接种根瘤菌可以提高黑大豆的光合作用,并增加地上部分各器官的干物质积累量,其中减施50%氮肥+接种根瘤菌处理（T3）的效果明显,在花期之后各项指标与CK处理相比均有所提高。结荚期,T3与CK处理相比,P_n和单株叶面积均有大幅度的提升。由于结荚期的P_n等指标高于CK处理,使得T3处理的地上部分干重与CK处理相比差异显著,最终表现为黑大豆产量的提高,减施50%氮肥+接种根瘤菌处理（T3）的产量与CK处理相比提高了7.77%,说明适当减施氮肥并接种根瘤菌对黑大豆的产量有促进作用,在农业生产实践中可以通过此方法来达到减肥增效的作用。

参考文献

原文顺序

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

陈慧.

钾素营养对大豆钾素吸收与产量的影响

哈尔滨:东北农业大学, 2013.