董守坤,龔振平,祖?zhèn)?/p>

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,黑龍江哈爾濱150030)

氮素是植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素和一些激素等的重要組成部分,是限制作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成的首要因素[1-3]。大豆自身積累高濃度的蛋白質(zhì),根瘤固氮對(duì)結(jié)實(shí)器官營(yíng)養(yǎng)作用非常明顯[4]。但是要維持其正常生長(zhǎng)靠根瘤固氮僅能滿足大豆需氮的50%左右[5-7],所以必須給以足夠的氮肥[8-10]。近幾年的研究結(jié)果表明,施用氮肥可以促進(jìn)植株生長(zhǎng),提高大豆產(chǎn)量[11-12]。大豆的氮素來(lái)源于兩個(gè)方面,一是來(lái)自土壤和肥料中的氮素;二是來(lái)自根瘤菌的共生固氮,二者互相聯(lián)系,又相互制約。所以,施氮肥必須考慮根瘤的固氮特點(diǎn),使其既能夠促進(jìn)根瘤的固氮作用,又能給大豆補(bǔ)充養(yǎng)分,這是大豆合理施用氮肥技術(shù)中的關(guān)鍵問(wèn)題。土壤中氮素來(lái)源和形態(tài)比較復(fù)雜,且受環(huán)境影響很大。因此,為了能夠更準(zhǔn)確地揭示氮素水平對(duì)大豆氮素積累、來(lái)源特性及產(chǎn)量的影響,本試驗(yàn)利用15N示蹤技術(shù),采用砂培方法,在營(yíng)養(yǎng)條件可控的環(huán)境下進(jìn)行研究,以期為生產(chǎn)上合理施用氮肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

砂培試驗(yàn)于2007年在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)進(jìn)行。桶直徑0.30 m、高0.28 m,桶底鉆1cm直徑孔,裝江砂20 kg,裝桶前將江砂洗凈,置于玻璃防雨棚內(nèi),防止雨水淋入。在大豆2片復(fù)葉時(shí)接種根瘤菌,方法是取上年冷凍保存的大豆根瘤,研碎后加入到營(yíng)養(yǎng)液中,每升營(yíng)養(yǎng)液中約含5 g根瘤,連續(xù)淋澆5 d。

供試大豆(Glycine max)品種為東農(nóng)47(亞有限結(jié)莢習(xí)性,脂肪含量23.12%)。

1.2 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)設(shè)全生育期營(yíng)養(yǎng)液氮濃度為N 20、50、100、150 mg/L(分別用N20、N50、N100、N150 表示)4 個(gè)處理;為了模擬種肥作用,設(shè)V3期以前營(yíng)養(yǎng)液中N濃度150mg/L,V3期以后變?yōu)?0 mg/L(N150-V3-20)、R1期以前營(yíng)養(yǎng)液中N濃度150 mg/L,R1期以后變?yōu)?0 mg/L(N150-R1-20)、R2期以前營(yíng)養(yǎng)液中N濃度150mg/L,R2期以后變?yōu)?0 mg/L(N150-R2-20)3個(gè)處理;另根據(jù)報(bào)道,種子形成初期追施氮肥能顯著提高對(duì)氮素的吸收[13],為此還設(shè)R4期以前營(yíng)養(yǎng)液中N濃度20 mg/L,R4期以后變?yōu)?50 mg/L(N20-R4-150)和R5期以前營(yíng)養(yǎng)液中N濃度20 mg/L,R5期以后變?yōu)?50 mg/L(N20-R5-150 mg/L)2個(gè)處理,共計(jì) 9個(gè)處理,每處理種30盆。以15N標(biāo)記(NH4)2SO4(購(gòu)于上?；ぱ芯吭?15N豐度為10.2%)作為氮源。營(yíng)養(yǎng)液中除氮素外其他成分采用Hoagland營(yíng)養(yǎng)液配制(mg/L):KH2PO4136.0,Mg-SO4240.0,CaCl2220.0,Na2MoO4·H2O 0.03,CuSO4·5H2O 0.08,ZnSO4·7H2O 0.22,MnCl2·4H2O 4.90,H3BO32.86,Fe-EDTA(將 5.57 g FeSO4·7H2O 和 7.45 g Na2EDTA分別溶解并定容到1 L蒸餾水中,使用時(shí)每升營(yíng)養(yǎng)液加1 mL)[14]。

5月14日播種,播種至出苗(VE期)前每日淋澆1次自來(lái)水,每次500 mL。從出苗開(kāi)始每日淋澆1次配制的營(yíng)養(yǎng)液,每次500 mL;初花期(R1)以后每日淋澆2次,每次500 mL;為防止砂培中鹽分積累,每隔3 d用清水淋洗1次。

文中相關(guān)的生育時(shí)期:VE(出苗),V3(第3片復(fù)葉完全展開(kāi)時(shí)),R1(初花期),R2(盛花期),R4(盛莢期),R5(鼓粒始期),R6(鼓粒滿期),R8(成熟期)。

1.3 取樣和分析

每次取樣均選擇在晴天上午9:00～10:00。地上部分自子葉痕處取下,根系及根瘤用水沖凈,每個(gè)處理R1～R6各時(shí)期取4盆,R8期取6盆,樣品于70℃烘干至恒重,測(cè)量地上與地下各部位的干重,粉碎后待分析用。在大豆葉片出現(xiàn)枯黃時(shí),用1.5 m高的透明紗網(wǎng)將盆圍起來(lái),收集殘葉和葉柄。以每盆為單位計(jì)算全株氮素積累量和產(chǎn)量。

植株氮素含量測(cè)定:采用凱氏定氮法。有機(jī)物中的氮在強(qiáng)熱和CuSO4、K2SO4、濃 H2SO4作用下,消化生成(NH4)2SO4,在凱氏定氮器中與堿作用,經(jīng)蒸餾釋放出的NH3收集于H3BO3溶液中,再用已知濃度的HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定,根據(jù)HCl消耗的量計(jì)算出氮的含量。

15N豐度測(cè)定:采用MAT2251型質(zhì)譜儀測(cè)定。樣品首先經(jīng)凱氏法消化,測(cè)定液在微酸性條件下濃縮至N 1 mg/mL左右,再在高真空條件下與次澳酸擔(dān)反應(yīng)產(chǎn)生N2,用質(zhì)譜儀進(jìn)行測(cè)定。

氮素積累量=干物質(zhì)量×氮素含量;

外源氮積累量=氮素積累量×(樣品15N豐度/硫酸銨15N豐度);

根瘤固氮積累量=氮素積累量-外源氮積累量。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素水平對(duì)大豆植株氮素積累的影響

氮素供應(yīng)水平直接影響大豆的氮素營(yíng)養(yǎng)狀況(表1)。在初花期(R1)以前,隨氮素水平增加,植株氮素積累量顯著增加,N100＞N50＞N20處理,差異達(dá)到顯著水平;當(dāng)?shù)獫舛却笥?00 mg/L時(shí)對(duì)氮素積累沒(méi)有明顯促進(jìn)作用。在R1～R8期,隨氮素水平增加,氮素積累量呈先增加后降低的趨勢(shì),N50處理積累量最大,顯著大于N20、N100、N150;N100在 R6期以前顯著高于N20,到R8期N20和N100處理沒(méi)有顯著差異。說(shuō)明初花期以前提高外源氮水平有利于植株氮素的積累,初花期以后,外源氮水平過(guò)高、過(guò)低均不利于植株對(duì)氮素的利用。

表1 不同生育時(shí)期全株氮素積累量(±SD,g/pot)Table 1 N accumulation in whole plant during the different stages of soybean

表1 不同生育時(shí)期全株氮素積累量(±SD,g/pot)Table 1 N accumulation in whole plant during the different stages of soybean

注(Note):V3-第3片復(fù)葉完全展開(kāi)時(shí)Spreading of the 3rd leaf;R2—盛花期Full bloom;不同大、小寫(xiě)字母表示處理間差異達(dá)1%和5%顯著水平Different capital and small letters mean significant among treatments at the 1%and 5%levels,respectively.

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表1還看出,大豆是對(duì)氮素非常敏感的作物,不同時(shí)期改變營(yíng)養(yǎng)液中的氮濃度,對(duì)大豆植株氮素積累影響很大。從R8期氮素積累量可以看出,在VE～V3、VE～ R1、VE～ R2期給予150 mg/L 的高氮處理,而V3～R8期 、R1～ R8期 、R2～ R8期給予20mg/L的低氮處理時(shí),N150-V3-20氮素積累量極顯著高于N20 、N150-R1-20 、N150-R2-20;N150-R1-20 、N150-R2-20、N20之間積累量無(wú)顯著差異。說(shuō)明在第3片復(fù)葉完全展開(kāi)(V3)期以前給予高氮處理能夠增加大豆對(duì)氮素的吸收利用,高氮處理的時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)對(duì)大豆氮素的積累沒(méi)有明顯的促進(jìn)作用,甚至降低植株氮的積累。由此可以認(rèn)為,大豆種肥的施氮量不宜過(guò)高,適量施氮使種肥氮的作用能維持到V3期即可;種肥氮量過(guò)大不僅不能達(dá)到促進(jìn)氮素的利用,反而有抑制大豆對(duì)氮的積累的可能。

從成熟期(R8)氮素積累量可以看出,VE～ R4期、VE～ R5期給予 20 mg/L的低氮處理,R4～ R8期、R5～R8期給予 150 mg/L的高氮處理時(shí),與N20相比其氮素積累量極顯著增加,其中N20-R5-150顯著大于N20-R4-150。說(shuō)明適量的追施氮肥,可以增加大豆植株氮的積累,尤以在鼓粒始期(R5)追施氮肥,大豆對(duì)氮的吸收利用效果最好,這與甘銀波等[13]研究結(jié)果相似?？梢?jiàn),進(jìn)入結(jié)莢期以后大豆對(duì)氮的需求旺盛,追施氮肥是必要的,能夠促進(jìn)對(duì)氮的吸收。

2.2 氮素水平對(duì)大豆植株氮素來(lái)源的影響

在砂培條件下,大豆氮素來(lái)源只有兩種,即來(lái)自于營(yíng)養(yǎng)液中的外源氮和根瘤固定的氮。表2看出,隨氮素水平增加,植株中外源氮的比例隨之增大,根瘤固氮所占比例減小。營(yíng)養(yǎng)液中氮素濃度從20 mg/L逐漸增加至150 mg/L時(shí),外源氮所占比例從15.0%～ 20.1%增加到 73.5%～ 75.2%;根瘤固氮所占比例從79.9%～85.0%減小至24.8%～26.5%。說(shuō)明當(dāng)外源氮水平較高時(shí),植株積累的氮主要來(lái)自于外源氮,而外源氮水平較低時(shí),植株以根瘤固定的氮作為其主要的氮素來(lái)源。隨氮濃度增加,植株中外源氮積累量極顯著增加,當(dāng)?shù)獫舛葹?00 mg/L時(shí),外源氮的積累量最大,繼續(xù)提高氮水平不能增加對(duì)外源氮的利用。根瘤固氮積累量在初花期以前隨外源氮水平增加呈降低趨勢(shì);在初花期以后則表現(xiàn)為N50＞N20＞N100＞N150處理,差異達(dá)顯著水平。說(shuō)明根瘤生長(zhǎng)需要氮,但外源氮的水平直接影響根瘤的固氮能力,過(guò)高、過(guò)低均不利于根瘤的生長(zhǎng)。

不同時(shí)期改變營(yíng)養(yǎng)液中氮濃度對(duì)大豆氮素構(gòu)成影響也很大(表2,表3)。從成熟期(R8)氮素積累量可以看出 ,在 VE～ V3期 、VE～ R1、VE～ R2期給予150mg/L的高氮處理,而 V3～ R8期、R1～ R8期 、R2～R8期給予20 mg/L的低氮處理時(shí),與N20處理相比,隨高氮處理時(shí)間的延長(zhǎng),植株中外源氮所占比例增加,根瘤固氮所占比例降低。在鼓粒始期(R5)以前隨高氮處理時(shí)間的延長(zhǎng),外源氮積累量為N150-R2-20＞N150-R1-20＞N150-V3-20,差異達(dá)極顯著水平,至成熟期,3個(gè)處理間沒(méi)有明顯差異;而在成熟期,根瘤固氮積累量為N150-V3-20＞N20＞N150-R1-20＞N150-R2-20,差異達(dá)到顯著水平;N150-V3-20根瘤固氮積累量與N50基本相同。說(shuō)明“啟動(dòng)氮”的作用維持到第3片復(fù)葉完全展開(kāi)時(shí)(V3),對(duì)大豆根瘤固氮的積累效果最好;作用時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)不僅對(duì)外源氮的吸收起不到促進(jìn)作用,而且明顯抑制大豆根瘤固氮的積累。

當(dāng)VE～R4期、VE～R5期給予20 mg/L的低氮處理,R4～R8期、R5～R8期給予150 mg/L的高氮處理時(shí),植株中外源氮比例明顯比N20處理增加,根瘤固氮所占比例明顯減少;在鼓粒滿期(R6),植株外源氮積累量為N20-R4-150＞N20-R5-150＞N20,差異達(dá)極顯著水平;至成熟期,N20-R5-150極顯著大于N20-R4-150處理。說(shuō)明在R4～R5期追施氮肥能夠明顯增加植株對(duì)氮的利用,尤其在鼓粒始期追施氮肥對(duì)外源氮的利用效果更佳。在鼓粒滿期,根瘤固氮積累量為N20＞N20-R5-150＞N20-R4-150,差異達(dá)極顯著水平,到成熟期兩個(gè)處理間根瘤固氮積累量沒(méi)有明顯差異。說(shuō)明在R4～R5期追施氮肥,對(duì)根瘤的影響效果相同,即均能夠抑制根瘤的固氮作用,但抑制效果沒(méi)有明顯差異。

2.3 氮素水平對(duì)大豆產(chǎn)量的影響

表4看出,外源氮水平增加,對(duì)植株高度有一定的促進(jìn)作用。N20處理的株高最小;N20-R4-150、N20-R5-150處理的株高大于N20處理,但低于N50 、N100、N150、N150-V3-20 、N150-R1-20 和 N150-R2-20處理。說(shuō)明當(dāng)營(yíng)養(yǎng)液中氮素濃度為20 mg/L時(shí),氮素不足而影響植株的生長(zhǎng),在結(jié)莢期以后提高外源氮水平對(duì)植株高度影響不大。不同氮素水平對(duì)大豆節(jié)數(shù)沒(méi)有明顯影響,對(duì)莢數(shù)、粒數(shù)、產(chǎn)量影響較大 。N50、N20-R4-150、N20-R5-150 產(chǎn)量最高 ,N20、N150-V3-20產(chǎn)量次之,N100、N150-R1-20和N150-R2-20較低,N150處理產(chǎn)量最低。在生育前期保持較高氮素水平,分別在第3片復(fù)葉完全展開(kāi)時(shí)(V3)、初花期(R1)、盛花期(R2)以后降到較低的氮素水平時(shí),隨高氮處理的時(shí)間延長(zhǎng),產(chǎn)量降低。本試驗(yàn)研究表明,在盛莢期(R4)或鼓粒始期(R5)提高外源氮水平,大豆產(chǎn)量顯著提高,這與李永孝[15]認(rèn)為在結(jié)莢末期追施氮肥能顯著提高大豆產(chǎn)量的結(jié)果相似。很多學(xué)者研究認(rèn)為,高氮條件下抑制了根瘤的生長(zhǎng),降低了生物固氮能力[16-17],本試驗(yàn)表明,過(guò)低的氮素水平不能滿足大豆植株對(duì)氮的需求,而在過(guò)高的氮水平條件下根瘤固氮量較低,對(duì)大豆產(chǎn)量形成不利。

表4 大豆產(chǎn)量構(gòu)成因素分析Table 4 Analysis of yield components at the different N levels

3 討論

1)本試驗(yàn)看出,隨著外源氮水平的增加,大豆植株氮素積累呈先增加后降低變化趨勢(shì),當(dāng)外源氮水平較低時(shí),因氮供應(yīng)不足,氮素積累量較少,而過(guò)高的氮水平又不利于氮素的積累;在砂培條件下,營(yíng)養(yǎng)液氮濃度為50 mg/L時(shí),植株氮素積累量最大,有利于大豆對(duì)氮的吸收利用。甘銀波等[13]研究表明,大豆生長(zhǎng)需要一定量的“啟動(dòng)氮”;董鉆[8]認(rèn)為,以氮肥做基肥或種肥可以促進(jìn)對(duì)土壤氮和肥料氮的吸收,起到“啟動(dòng)效應(yīng)”。本試驗(yàn)結(jié)果也表明,“啟動(dòng)氮”的這種作用維持到第3片復(fù)葉完全展開(kāi)時(shí),對(duì)大豆氮的積累效果最好,作用時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)會(huì)抑制大豆植株對(duì)氮的利用;在種子形成初期補(bǔ)充氮肥的供給能明顯增加植株對(duì)氮的積累,促進(jìn)大豆對(duì)氮素的吸收利用。

2)大豆生長(zhǎng)發(fā)育所需要的氮由根瘤菌供給和從介質(zhì)中吸收。本試驗(yàn)結(jié)果顯示,外源氮積累量和根瘤固氮積累量隨外源氮水平增加呈先增加后降低的變化趨勢(shì)。當(dāng)?shù)獫舛葹?00 mg/L時(shí),有利于植株對(duì)外源氮的吸收;當(dāng)?shù)獫舛葹?0 mg/L時(shí),有利于根瘤固氮的積累。但是,僅靠根瘤固氮難以滿足大豆對(duì)氮的需求,高氮水平嚴(yán)重抑制了根瘤固氮的積累,致使大豆氮素積累總量減少。為使根瘤能更多地固定氮,也必須施一定量的“啟動(dòng)氮”?！皢?dòng)氮”的作用維持到第3片復(fù)葉完全展開(kāi),植株根瘤固氮的積累量最大。在生育后期,隨著根瘤逐漸衰老死亡,根瘤固氮能力降低,因此在結(jié)莢期和鼓粒期補(bǔ)充氮的供給,可以明顯增加植株氮的積累量。

3)從試驗(yàn)看出,隨氮素水平的增加,大豆產(chǎn)量呈先增加后降低的變化趨勢(shì),氮素營(yíng)養(yǎng)水平可能與產(chǎn)量呈拋物線的關(guān)系。過(guò)低的氮素水平因氮素不足,不能滿足大豆生長(zhǎng)發(fā)育的需要,產(chǎn)量較低;而過(guò)高的氮素水平又嚴(yán)重抑制了根瘤的固氮作用,也不能獲得較高的產(chǎn)量。生育前期氮水平過(guò)高,會(huì)抑制根瘤的固氮作用,不利于大豆產(chǎn)量的形成;而在前期保持適量的氮素供應(yīng),可使根瘤得到充分的生長(zhǎng)發(fā)育,在結(jié)莢期或鼓粒初期再補(bǔ)充氮的供給,可以明顯增加大豆的產(chǎn)量。湯樹(shù)德[18]認(rèn)為,必須同時(shí)滿足大豆一生中對(duì)根瘤固氮和土壤(肥料)氮的需求才能獲得較高的子實(shí)產(chǎn)量,本試驗(yàn)通過(guò)砂培方法也得出類(lèi)似結(jié)論。因此,與其說(shuō)氮素的供應(yīng)是高產(chǎn)大豆的限制因素,不如說(shuō)協(xié)調(diào)大豆對(duì)共生固氮和外源供氮的最大需求,是提高大豆子粒產(chǎn)量的關(guān)鍵所在。

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