杜孝敬 符小文 黃紅梅 陳傳信 陳佳君 張永杰安崇霄 徐文修,?

(1新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊 830052;2新疆伊寧縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,新疆維吾爾自治區(qū)伊犁 835100; 3新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所,新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊 830091)

大豆[Glycine max (Linn.) Merr.]既是重要的糧食作物,同時(shí)又是油料作物和飼料作物[1]。近年來,我國大豆種植面積逐漸減少,進(jìn)口量逐年上升,積極發(fā)展復(fù)播大豆有利于緩解我國大豆產(chǎn)不供需的局面。新疆伊犁河谷部分地區(qū)每年冬小麥在6月底-7月初收獲后,仍有較多光、熱資源可以進(jìn)行復(fù)播生產(chǎn),其中當(dāng)?shù)刂饕膹?fù)種作物為大豆,復(fù)播大豆占北疆復(fù)播總面積的60%[2],且呈不斷擴(kuò)大的趨勢。隨著復(fù)播面積的增大,農(nóng)田全年化肥用量也隨之增加,加之長期以來農(nóng)民重施氮(N)肥、輕施磷(P)肥的施肥習(xí)慣,以及目前氮肥利用率較低的現(xiàn)實(shí)[3],造成土壤氮素持續(xù)累積、磷素含量降低,尤其對自身具有固氮作用的大豆而言,過量施氮更易發(fā)生磷素的木桶效應(yīng),從而限制了復(fù)播大豆產(chǎn)量的提高和經(jīng)濟(jì)效益的增加。因此,在前期研究[4]得出最佳施氮量的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究施磷量對大豆生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響,探索出復(fù)播大豆合理的施磷量已成為亟需解決的問題。

磷是植物生長發(fā)育必需的三大元素之一[5],僅次于氮,是限制植物生長的第二大元素,影響作物的生長和發(fā)育,且對作物光合作用、碳水化合物的合成與運(yùn)輸及產(chǎn)量形成、品質(zhì)改善均有調(diào)控作用[6]。劉建中等[7]研究發(fā)現(xiàn)全世界有43%耕地面積缺磷,約有13.9 億hm2,我國嚴(yán)重缺磷的耕地面積約占總農(nóng)田面積的三分之二[8]。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國農(nóng)田磷肥施用量呈迅速增加趨勢,從1978年磷肥施用量的282.4×104t 增至2016年的1 565.7×104t(復(fù)合肥按照1/3 計(jì)算)[9],增加了約5.4 倍,我國已成為世界上最大的磷肥生產(chǎn)國和消費(fèi)國[10]。前人研究表明,在一定范圍內(nèi)隨著施磷量的增加,大豆葉片中的硝酸還原酶活性也隨之增大,從而促進(jìn)了大豆對氮素的吸收,提高了氮素利用率[11]。低磷效基因型大豆在低磷處理下的總根長、根表面積及根體積均顯著小于高磷基因型大豆[12]。此外,不同施肥時(shí)期對大豆的影響也不同。吳明才等[13]認(rèn)為,只要大豆生長前期吸收了較多的磷,即使在盛花期停止磷素的供應(yīng),大豆的產(chǎn)量也不會受到嚴(yán)重影響;蔡柏巖等[14]研究發(fā)現(xiàn)在開花期前,隨著磷肥的施入,鉀素吸收顯著增加,而在開花期后效果逐漸減小。目前,施磷對大豆影響的研究多是針對生育期較長的正播春大豆,而對生育期較短的復(fù)播夏大豆研究較少[15-16],且主要集中在耕作方式[17]、種植密度[18]和滴灌量[19]等方面,而關(guān)于見綠洲灌溉農(nóng)業(yè)的復(fù)播大豆研究尚未見報(bào)道。為此,本研究針對伊犁河谷的氣候特點(diǎn)與土肥條件,在滴灌條件下研究復(fù)播大豆生長及產(chǎn)量對不同施磷量的響應(yīng),以期篩選出復(fù)播大豆滴灌條件下的最佳施磷量,為伊犁河谷復(fù)播大豆高產(chǎn)高效施肥技術(shù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2016年7-10月在新疆伊寧縣農(nóng)業(yè)科技示范園進(jìn)行,該區(qū)域位于伊犁河谷中部(81°33′E、43°56′N),海拔約813 m,氣候溫和,日照時(shí)間年平均可達(dá)2 800 ～3 000 h,年均降雨量257 mm,年平均氣溫8.5℃。全年無霜期170～175 d。試驗(yàn)區(qū)土壤為壤土,土地平整,0～20 cm 土壤耕作層基本理化性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)1.54%、堿解氮90.9 mg·kg-1、速效磷7.8 mg·kg-1、速效鉀100 mg·kg-1、土壤pH 值8.04。

1.2 試驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)

供試品種為黑河45 號,由伊寧縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心提供。

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。設(shè)5 個(gè)施磷水平(三料磷肥用量),即0(記作P0)、60(記作P1)、120(記作P2)、180(記作P3)、240 kg·hm-2(記作P4)。供試磷肥為三料磷肥(46% P2O5),磷肥作為基肥在播種前施入15 cm 土層。每個(gè)處理重復(fù)3 次,共15 個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)面積為19.5 m2(3.9 m×5.0 m)。株距為6.3 cm,行距30 cm,灌溉采取滴灌方式,滴灌帶采用1 管2 行鋪設(shè)方式,即滴灌帶的間距為60 cm。全生育期灌水8次,共灌水4 200 m3。在大豆生長期間追施氮肥150 kg·hm-2,其他管理與當(dāng)?shù)卮筇镆恢隆?/p>

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 SPAD 值的測定 從苗期開始,每10 d 分別選擇晴天,在11：00-13：30 之間,用SPAD-502 型手持便攜式葉綠素儀(Minolta Camem 公司,日本),在每個(gè)小區(qū)測定5 株夾取主莖上的倒3 葉中間小葉片,測其SPAD 值。

1.3.2 大豆植株干物質(zhì)的測定 從苗期開始,每10 d分別于各小區(qū)隨機(jī)選擇連續(xù)的4 株大豆進(jìn)行破壞性取樣,剪去根系,將植株分為莖、葉片、葉柄和莢四部分,分別裝袋,于105℃烘箱中殺青30 min,降至80℃烘干至恒重并測其質(zhì)量。

1.3.3 葉面積和葉日積 與干物質(zhì)測定同步,采用打孔稱重法測定葉面積,按照公式分別計(jì)算葉面積指數(shù)(leaf area index, LAI)、葉日積(leaf area duration,LAD)：

式(2)中,LAI1、LAI2分別為時(shí)間t1、t2時(shí)測定的葉面積系數(shù),單位為m2·d。

1.3.4 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的測定 大豆成熟后,在各小區(qū)隨機(jī)選擇連續(xù)的10 株大豆植株進(jìn)行考種,分別考察單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒重。各小區(qū)進(jìn)行實(shí)收測產(chǎn),各處理的產(chǎn)量為3 次重復(fù)平均值。

1.3.5 磷肥偏生產(chǎn)力及磷肥農(nóng)學(xué)利用效率的計(jì)算 按照公式分別計(jì)算磷肥偏生產(chǎn)力(partial factor productivity of phosphorous,PEPP,kg·kg-1)、磷肥農(nóng)學(xué)效率( phosphorus agronomic use efficiercy, PAE,kg·kg-1)：

1.3.6 經(jīng)濟(jì)效益的計(jì)算 按照公式分別計(jì)算純收益、總產(chǎn)值、總投入：

總投入包括農(nóng)資、機(jī)耕和人工材料費(fèi)等投入費(fèi)用總和;2016年新疆大豆收購均價(jià)4 000 元·t-1。具體農(nóng)資如表1 所示。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并制圖;SPSS 19.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

表1 試驗(yàn)地基本農(nóng)資項(xiàng)目Table 1 Basic agricultural projects of the tested soil

2 結(jié)果與分析

2.1 施磷量對復(fù)播大豆葉綠素含量(SPAD 值)的影響

葉片SPAD 值與葉綠素含量呈正相關(guān),SPAD 值能夠直接反映葉綠素含量,間接反映植株葉片的長勢[20]。由圖1 可知,不同施磷量處理對復(fù)播大豆SPAD 值的變化趨勢基本一致,隨著生育進(jìn)程的推移呈先升高后降低的變化趨勢,且均在結(jié)莢盛期(苗后50 d)達(dá)到最大值。在出苗后30 d 前,以P2處理最高,且與P0、P1均差異顯著(P＜0.05),但與P3、P4均無顯著差異(P＞0.05)。這可能是由于施用過多磷肥降低了復(fù)播大豆生長前期對氮素吸收的速率,導(dǎo)致SPAD 值下降。在出苗后30 d,不同施磷量對大豆SPAD 值的影響變化不大,各處理之間均無顯著差異(P＞0.05)。說明施磷肥對復(fù)播大豆SPAD 值的影響較小,效果不明顯。

圖1 不同處理下復(fù)播大豆SPAD 值的動態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes in SPAD value of summer soybean under different treatments

2.2 施磷量對復(fù)播大豆葉面積指數(shù)(LAI)的影響

由圖2 可知,不同施磷量條件下,大豆葉面積指數(shù)均隨著生育進(jìn)程呈先升高后降低的變化趨勢,且均在鼓粒初期(出苗后60 d)達(dá)到最大。其中以P3處理的LAI 最高(5.36),較P0、P1、P2、P4分別高出28.45%、9.70%、6.28%、14.93%,且顯著差異(P＜0.05)。從全生育期來看,施磷各處理的LAI 均高于不施磷處理(P0),說明施磷肥能夠促進(jìn)大豆葉面積指數(shù)的增加。在出苗后30 d 前,各處理之間葉面積指數(shù)無顯著差異(P＞0.05)。在出苗后30 d,施磷處理均與不施磷處理(P0)間顯著差異(P＜0.05),各處理的葉面積指數(shù)依次表現(xiàn)為P3＞P2＞P1＞P4＞P0。結(jié)果表明,適當(dāng)增加施磷量有利于葉片的發(fā)育,獲得較大的葉片,進(jìn)而增大群體葉面積指數(shù),而不施磷或施入過多的磷肥則會起到相反作用。

圖2 不同處理下復(fù)播大豆葉面積指數(shù)的動態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes in LAI of summer soybean under different treatments

2.3 施磷量對復(fù)播大豆生育階段葉日積的影響

由表2 可知,各處理的葉日積均隨著生育時(shí)期的推進(jìn)呈先增加后降低的變化趨勢,且均在鼓粒期達(dá)到最高值,其中以P3處理最高,為95.98 m2·d,分別較P0、P1、P2和 P4高 30.37%、16.68%、3.27% 和18.01%。除開花期、結(jié)莢期外,P2與P3處理間無顯著差異,P1與P4處理無顯著差異,但P2與P3處理的葉日積均顯著高于P1和P4。各施磷處理在不同生育階段的葉日積及總和均顯著高于不施磷處理(P0),說明施磷可以顯著提高復(fù)播大豆光能利用率。除苗期外,各處理在各生育時(shí)期的葉日積及總和均依次表現(xiàn)為P3＞P2＞P1＞P4＞P0。結(jié)果表明,適宜的施磷量可以有效提高葉片的光能利用率,為復(fù)播大豆產(chǎn)量形成奠定基礎(chǔ),而過高的施磷量會使葉片光合作用降低。

表2 不同磷肥施用水平下各生育階段葉日積的變化Table 2 Dynamic changes in LAD of summer soybean under different treatment/(m2·d)

2.4 施磷量對復(fù)播大豆干物質(zhì)積累與分配的影響

由表3 可知,各施磷處理的單株干物質(zhì)積累總量和各器官干物質(zhì)積累量均表現(xiàn)為隨著施磷量的增加呈先增加后降低的變化趨勢,且均以P3處理最大,說明適量施磷能有效促進(jìn)大豆各器官干物質(zhì)積累量的增加,為大豆高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供充足的物質(zhì)條件,但過多施用磷肥會抑制植株干物質(zhì)量的積累。進(jìn)一步分析各器官干物質(zhì)積累量所占總干物質(zhì)積累量的比例可知,隨著生育進(jìn)程的推進(jìn),各處理的莖和葉柄所占干物質(zhì)分配比例呈先增加后降低的變化趨勢,且除P4處理下莖的干物質(zhì)分配比例外,均在結(jié)莢初期(苗后40 d)達(dá)到最大,分別在32.07%～37.17%和15.46%～17.59%之間;葉片干物質(zhì)分配比例則隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)呈逐漸降低的趨勢,出苗后30 d 前,各處理均在50.28%以上,出苗后30 d 后,植株葉片干物質(zhì)分配比例減少,而莢果干物質(zhì)分配比例大幅增加,自該時(shí)期后的物質(zhì)分配中心逐漸向莢轉(zhuǎn)移,表明復(fù)播大豆開花期以前光合產(chǎn)物主要分配給莖、葉片等營養(yǎng)器官,用于大豆植株形態(tài)構(gòu)建;開花期以后重心轉(zhuǎn)移到生殖器官上,為獲得高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。分析出苗后50 ～60 d 可知,各施磷處理隨著生育進(jìn)程的推移,單株莢的干物質(zhì)分配比例大幅上升,其莢生長速率以P3處理的最大,為0.88 g·d-1,分別較P0、P1、P2、P4處理增加0.10、0.10、0.01、0.09 g·d-1,說明適量的磷肥能夠促進(jìn)莢粒生殖器官的快速生長,但不施磷或過多施用磷肥會起到抑制作用。

2.5 施磷量對復(fù)播大豆產(chǎn)量及磷肥利用效率的影響

由表4 可知,各施磷處理的實(shí)收產(chǎn)量均顯著高于不施磷(P0)處理,各施磷處理的平均實(shí)收產(chǎn)量為2 526.34 kg·hm-2,較不施磷增產(chǎn)22.70%,說明施磷肥均能夠有效增加復(fù)播大豆產(chǎn)量。對比各施磷處理的實(shí)收產(chǎn)量可知,實(shí)收產(chǎn)量隨著施磷量的增加呈先上升后降低的變化趨勢,且P2與P3處理無顯著差異,其中P3處理的實(shí)收產(chǎn)量最高,分別較P1和P4高14.60%和16.09%。進(jìn)一步分析產(chǎn)量構(gòu)成因素可知,各施磷處理之間的單株莢數(shù)和單株粒數(shù)均無顯著差異,但均顯著高于P0處理,說明施磷肥能夠增加單株莢數(shù)和單株粒數(shù),但與施磷量關(guān)系不密切。P2與P3處理間的百粒重?zé)o顯著差異,但與其他處理均差異顯著(P ＜0.05),說明適當(dāng)增施磷肥能夠促進(jìn)大豆百粒重的增加,從而為大豆增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供有力條件。從總體趨勢看,隨著施磷量的增加,大豆磷肥農(nóng)學(xué)利用效率及磷肥偏生產(chǎn)力均呈逐漸下降的趨勢,且各施磷處理間差異顯著。表明適當(dāng)增加施磷量可以有效提高復(fù)播大豆的產(chǎn)量,而施磷量過多會導(dǎo)致減產(chǎn),還會使肥料利用效率顯著降低,造成不必要的浪費(fèi)。

2.6 施磷量對復(fù)播大豆的經(jīng)濟(jì)效益的影響

由表5 可知,各施磷處理純收益均顯著高于不施磷(P0)處理,各施磷處理的平均純收益為3 910.33元·hm-2,較P0處理增加56.98%,說明施磷肥均能夠顯著的增加經(jīng)濟(jì)效益。復(fù)播大豆總投入隨著施磷量的增加而增加,以P4處理的總投入最高,為6 765.0元·hm-2,各施磷處理的總產(chǎn)值、純收益及投入產(chǎn)出比均呈先升高后降低的變化趨勢,且均以P3處理最高,分別為11 222.9 元·hm-2、4 637.9 元·hm-2和1.71。對比各處理的總產(chǎn)值、純收益及投入產(chǎn)出比可知,P2和P3處理間無顯著差異,但均與P0、P1、P4間差異顯著。P0、P1、P2、P3和P4處理的純收益分別為2 490.9、3 606.7、4 452.4、4 637.9 和 2 944.3元·hm-2,其中P3處理的純收益較P0、P1、P2和P4分別提高86.19%、28.59%、4.17%和57.52%,說明適量施磷肥不僅可以提高大豆產(chǎn)量,還能節(jié)約成本,增加經(jīng)濟(jì)效益。

表3 不同磷肥施用水平下復(fù)播大豆各生育期干物質(zhì)積累與分配比例的變化Table 3 Change of dry matter accumulation and distribution proportion at different growth stages of summer soybean under different treatment/(g·plant-1)

表4 不同磷肥施用水平下復(fù)播大豆產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素及磷肥效率Table 4 Yield, yield components factor and phosphate efficiency of summer soybean under different treatment

表5 不同磷肥施用水平下的復(fù)播大豆經(jīng)濟(jì)效益Table 5 Economic benefit of summer soybean under different treatment

3 討論

磷對作物的生長發(fā)育與新陳代謝起著十分重要的作用,其主要通過大豆的葉綠素含量和葉面積指數(shù)來影響葉片的光合作用及光合產(chǎn)物的積累,進(jìn)而影響大豆產(chǎn)量的形成[21]。受大豆品種、地域氣候、當(dāng)?shù)赝寥鲤B(yǎng)分等條件的影響,學(xué)者們關(guān)于磷素對大豆葉綠素含量影響的研究結(jié)論并不一致。研究表明,隨著磷素供應(yīng)的增加,大豆葉片葉綠素含量顯著升高,中磷和高磷處理均顯著大于低磷,但中磷與高磷之間差異不大[22]。但也有學(xué)者認(rèn)為磷肥對大豆葉綠素含量的影響差異并不明顯[23],這與本研究結(jié)果基本相同。LAI是反映作物群體大小的動態(tài)指標(biāo),合理的群體葉面積是大豆高產(chǎn)形成的物質(zhì)保證。大豆缺磷導(dǎo)致細(xì)胞分裂、光合作用和呼吸作用等代謝降低,減緩植株生長,導(dǎo)致葉片小,光合速率低,進(jìn)而減緩植株的生長發(fā)育[24]。本研究中,各處理復(fù)播大豆LAI 在生長前期差異不明顯,苗后30 d 后各施磷處理復(fù)播大豆LAI 依次表現(xiàn)為P3＞P2＞P1＞P4＞P0,說明適宜的施磷量能夠?qū)?fù)播大豆生長發(fā)育起到促進(jìn)作用,而不施磷或施過高磷肥則會抑制其生長。這與陳國興等[25]的研究結(jié)果相同,說明無論是盆栽條件還是大田條件,大豆LAI 均受磷肥的影響較明顯,適宜的施磷量能夠增強(qiáng)葉片的光合能力,促進(jìn)大豆?fàn)I養(yǎng)器官的生長。

在大豆生育期間,植株干物質(zhì)積累量及其向各器官的分配比例是制約大豆產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[17,26],而磷素營養(yǎng)對大豆干物質(zhì)積累與分配起著非常重要的作用。研究表明,低磷會明顯抑制根瘤原基發(fā)育形成根瘤,減少大豆根瘤數(shù)量,顯著降低大豆的固氮能力,進(jìn)而影響大豆干物質(zhì)積累[27-28]。也有研究認(rèn)為,施磷過多的條件下,大豆植株的結(jié)瘤數(shù)量減少[29],致使大豆植株吸收其他營養(yǎng)成分較慢,造成植株生長速度下降,進(jìn)而降低大豆植株鮮重和干物質(zhì)積累量。本研究與宋秀麗等[23]、蔡柏巖等[30]的研究結(jié)果基本一致。本研究中,大豆各生育時(shí)期適宜施磷處理的干物質(zhì)積累及分配均優(yōu)于不施磷處理,總體表現(xiàn)為P3＞P2＞P4＞P1＞P0。本研究還發(fā)現(xiàn)大豆苗后50 ～60 d,其莢生長速率以P3處理最大,為0.88 g·d-1,分別較P0、P1、P2、P4處理高0.10、0.10、0.01、0.09 g·d-1,說明過低的磷素?zé)o法滿足大豆植株的快速生長發(fā)育的需求,而過高的磷素供應(yīng)會導(dǎo)致植株徒長,呼吸作用增強(qiáng)[1],養(yǎng)分大量消耗,反而使莢粒生殖器官的生長延緩,導(dǎo)致干物質(zhì)積累及分配下降。因此,適當(dāng)?shù)氖┓柿坎拍艽龠M(jìn)大豆生殖器官的生長,為大豆的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

施磷處理對大豆開花、成莢及營養(yǎng)物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)量、對籽粒的貢獻(xiàn)率具有一定效應(yīng)[31],且在一定范圍內(nèi)增施磷肥可增加大豆產(chǎn)量[32],但缺磷大豆植株體內(nèi)的磷素調(diào)整能夠葉片中淀粉/蔗糖的值和光合產(chǎn)物的分配情況,因此缺磷會減少花數(shù)、減低成莢數(shù)量[24],進(jìn)而影響大豆產(chǎn)量。而過量的施磷不僅會使作物貪青晚熟,產(chǎn)量減低[33-34],還會導(dǎo)致土壤富磷狀態(tài),隨著徑流、淋洗等多種方式將磷素帶入水體,帶來水體富營養(yǎng)化的潛在威脅,造成農(nóng)田土壤中磷的損失與磷肥資源浪費(fèi)[35-36],這與本研究結(jié)果相同。本研究中,未施磷處理顯著降低了復(fù)播大豆有效莢數(shù)、有效粒數(shù)及百粒重,而過量施磷對大豆有效莢數(shù)和有效粒數(shù)影響較小,但會影響大豆百粒重,因此未施磷或過量施磷均不利于產(chǎn)量的形成。本研究還發(fā)現(xiàn)P3處理的純收益最高,為4 637.9 元·hm-2,較P0、P1、P2和P4分別提高86.19%、28.59%、4.17%和57.52%,說明適量施磷肥能明顯增加大豆產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益,但超出范圍增施磷肥不僅會導(dǎo)致產(chǎn)量降低、成本增加,經(jīng)濟(jì)收益也會減少。

4 結(jié)論

不同施磷量對滴灌復(fù)播大豆葉面積指數(shù)、干物質(zhì)積累與分配、產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益均存在一定影響,施磷量180 kg·hm-2(P3)為復(fù)播大豆生長發(fā)育、產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益的轉(zhuǎn)折點(diǎn),低于或超過這一節(jié)點(diǎn)對大豆產(chǎn)量形成及經(jīng)濟(jì)效益均不利。然而,因各地的地力水平本身存在差異,故施磷量可根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行測土配方稍作調(diào)整。綜合考慮,建議北疆麥后復(fù)播大豆施磷量控制在120～180 kg·hm-2之間。本研究結(jié)果距離精準(zhǔn)施肥仍有一定的距離,還需要進(jìn)一步縮小施磷量的梯度和探索不同大豆生育時(shí)期的施磷效果,以確定當(dāng)?shù)貜?fù)播大豆的最佳的施磷量和施磷時(shí)期。