張明聰，何松榆，侯宇佳，金喜軍，張玉先*，胡國華，滕占林

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學農(nóng)學院，黑龍江 大慶 163319；2.樺南縣農(nóng)業(yè)科學技術(shù)推廣中心，黑龍江 佳木斯 154400）

增加種植密度是紅小豆高產(chǎn)的關鍵措施之一，但增加種植密度會削弱營養(yǎng)器官的光合活性［1］，抑制營養(yǎng)元素特別是氮素的吸收，最終降低了氮素的利用效率［2-3］，限制紅小豆產(chǎn)量潛力的發(fā)揮［4］。大量研究表明，氮素積累對植株籽粒建成有重要促進作用［5-6］，而籽粒中累積的氮素取決于植株吸收的氮素，又與氮向籽粒中的轉(zhuǎn)運量有密切關系［7］?，F(xiàn)階段黑龍江省紅小豆生產(chǎn)中肥料投入一般均是基肥一次性施入，未充分考慮后期紅小豆對養(yǎng)分的需求及根瘤固氮的效果。有研究表明，大豆鼓粒期［3］和花生結(jié)莢期［8］吸收的氮素不能滿足籽粒需求時作物產(chǎn)量下降，而大豆鼓粒期和花生結(jié)莢期單株氮素累積量增加時，作物籽粒產(chǎn)量增加；而將紅小豆全部氮肥作基肥一次性施用時，往往會使作物生育前期氮素供給過剩，營養(yǎng)生長過旺，使后期氮素和光合產(chǎn)物供應不足，造成作物減產(chǎn)［1］。劉元英課題組［9-10］經(jīng)過多年在大豆施肥方面的研究指出，基肥施用一定的氮肥，生育后期追施適宜氮肥的施肥方式能滿足較高密度條件下作物前期的氮素需求，又能提高生育后期對氮的供應能力，進而提高籽粒產(chǎn)量。在水稻研究方面也證明［11-12］，適當?shù)牡睾笠朴兄谔岣咴雒芏葪l件下水稻生育后期氮素的積累量，提高氮素的同化轉(zhuǎn)運效率，提高水稻產(chǎn)量。在玉米研究中［13］認為花后氮素吸收量對于籽粒增產(chǎn)的貢獻大于花前。但紅小豆生育后期氮素吸收效率與作物產(chǎn)量間的關系有待進一步研究。

豆科作物氮素主要來源于土壤、肥料和根瘤固氮，其中根瘤固氮量占豆科作物氮素吸收量的50%以上［14］。目前紅小豆氮素利用率普遍較低［4］，施入的氮素大部分以地表徑流、氨揮發(fā)和氮淋溶等形式流失，造成溫室效應和土壤酸化等一系列生態(tài)環(huán)境問題。因此，為了減緩氮肥對生態(tài)環(huán)境的影響，能否在增密條件下通過根瘤菌拌種的方式降低紅小豆施氮量，使紅小豆的營養(yǎng)生長控制在適宜水平，增加花莢期氮素積累量，提高輪作條件下紅小豆的產(chǎn)量，國內(nèi)外科學家關于豆科作物減量施氮方面的研究多在大豆和花生等作物上，關于紅小豆通過接種根瘤菌減量施氮的相關研究報道較少。本研究以當?shù)刂髟云贩N“珍珠紅”為試驗材料，采用裂區(qū)試驗設計，以2個完整輪作周期紅小豆為研究對象，設置2種種植密度和3種種植方式，重點分析了增加密度減量施氮和接種根瘤菌對紅小豆氮素吸收、氮素轉(zhuǎn)運和產(chǎn)量的影響，以期為黑龍江省種植業(yè)調(diào)整和紅小豆高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)及合理密植、科學施肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試紅小豆品種：珍珠紅。

供試肥料：尿素（N 46%）、重過磷酸鈣（P2O546%）、氯化鉀（K2O 60%）。

供試土壤：栗鈣土，土壤肥力中等，有機質(zhì)含量16.1 g·kg-1，全氮0.30 g·kg-1，堿解氮157.6 mg·kg-1， 有 效 磷 15.5 mg·kg-1， 速 效 鉀114.3 mg·kg-1，pH 值 7.01。

1.2 試驗設計

試驗在黑龍江省和平牧場科技園區(qū)玉米-紅小豆長期定位試驗田進行，定位試驗于2015年開始，實施玉米（2015）-紅小豆（2016）-玉米（2017）-紅小豆（2018）長期輪作。紅小豆種植年份采用裂區(qū)設計，密度為主區(qū)，種植方式為副區(qū)，采用隨機區(qū)組排列，每個處理3次重復。設置2個種植密度：M1（21萬株·hm-2）和M2（28萬株·hm-2）；3個種植方式：F1（當?shù)爻Ｒ?guī)模式：基肥一次性施用N 40 kg·hm-2，不接種根瘤菌），F(xiàn)2（基肥施N 10 kg·hm-2+初花期施N 10 kg·hm-2+不接種根瘤菌）和F3（基肥施N 10 kg·hm-2+初花期施N 10 kg·hm-2+根瘤菌拌種），共6個處理。拌種處理采用東北農(nóng)業(yè)大學提供的根瘤菌為Rhizobium leguminosarum biovarviciae USDA6，配置 YMA（Yeast Morphology Agar）［15］固體培養(yǎng)基和液體培養(yǎng)基，放置3 d，無雜菌生長，將保存于-80℃的菌株涂布于YMA固體培養(yǎng)基上，28℃下培養(yǎng)一周，將菌落接種于YMA液體培養(yǎng)基，在搖床上培養(yǎng)至菌液 OD600值達到 0.8～1.0 后（根瘤菌數(shù)量約為109CFU/mL），將紅小豆種子放入根瘤菌菌液中浸泡20 min，浸泡過程中攪拌種子，保證拌種均勻，而后在室內(nèi)條件下晾曬約30 min后播種。各處理基肥施用磷（P2O5）100 kg·hm-2，鉀（K2O）45 kg·hm-2。采用壟上雙行精量點播栽培方式，每小區(qū)8壟，壟寬0.70 cm，8 m行長，小區(qū)面積44.8 m2。玉米茬口為當?shù)爻Ｒ?guī)栽培模式。

1.3 測定項目與方法

2018年分別于紅小豆花莢期、鼓粒期、鼓粒滿期、收獲期取樣，每小區(qū)從1 m2壟上選取有代表性的6 株，將植株按葉、葉柄、莖、莢果分開，清洗干凈，各器官于105℃殺青30 min，70℃烘干至恒重，測定干物重后粉碎，經(jīng)H2SO4-H2O2消煮后用德國生產(chǎn)的AA3 連續(xù)流動分析儀測定N素含量。

花莢期取樣后，每小區(qū)選取有代表性的4株，在葉片和葉柄上進行標記，從鼓粒滿期至收獲期每隔3 d收集一次有標記的脫落的葉片和葉柄，用于計算氮轉(zhuǎn)運貢獻率和氮同化貢獻率。在收獲期每小區(qū)取2 m2考種測產(chǎn)。

1.4 計算公式

氮素積累量（NA）= 器官的干物重×氮素含量

階段積累量（NAS）= 本生育時期的氮積累量-前生育時期氮積累量

氮素轉(zhuǎn)運量（NT）= 花莢期營養(yǎng)器官氮素積累量-成熟期營養(yǎng)器官氮素積累量

氮素轉(zhuǎn)運貢獻率（CNT）= 氮素轉(zhuǎn)運量/成熟期籽粒氮素積累量×100%

氮素同化量（NA）= 成熟期籽粒氮素積累量-氮素轉(zhuǎn)運量

氮素同化貢獻率（CNA）=氮素同化量/成熟期籽粒氮素積累量×100%1.5 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2013進行原始數(shù)據(jù)的處理，用Origin 2018制圖，用SPSS 20.0數(shù)據(jù)處理軟件進行相關分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 增加密度減量施氮和接種根瘤菌對紅小豆各器官含氮量的影響

由葉片氮含量變化圖可知，不同密度對葉片含氮量的影響無明顯規(guī)律。相同密度條件下，花莢期F1處理的葉片含氮量均高于F2處理；鼓粒期之后，F(xiàn)2處理的葉片含氮量與F1處理無顯著差別，而F3處理均高于F1處理，其中鼓粒滿期M1F3和M2F3較M1F1和M2F1分別增加4.44%和5.29%（P＜0.05）。葉柄和莖稈含氮量表現(xiàn)出相同的變化趨勢（圖1）。相同密度條件下，花莢期F1處理的葉柄和莖稈含氮量均高于其他處理（P＜0.05）；鼓粒期之后，F(xiàn)2處理葉柄和莖稈含氮量低于F1處理，但未達顯著水平；而F3處理在鼓粒期后顯著高于F1處理，其中鼓粒滿期M1F3和M2F3較M1F1和M2F1葉柄和莖稈分別增加11.2%和7.94%、5.88%和7.50%（P＜0.05）。表明減1/2氮肥處理并未降低營養(yǎng)器官含氮量，而根瘤菌拌種處理能夠顯著提高鼓粒期后的葉片含氮量，延緩生育后期的葉片衰老程度。

圖1 增加密度減量施氮和接種根瘤菌對紅小豆各器官含氮量的影響

從莢果的含氮量可以看出，相同施肥條件下，鼓粒期前F1處理的莢果含氮量為各處理最高，鼓粒滿期和收獲期F3處理高于其他處理，F(xiàn)2處理莢果含氮量最低，但鼓粒期和鼓粒滿期與F1相比差別不顯著。收獲期21萬株·hm-2處理莢果含氮量高于其他密度。

2.2 增加密度減量施氮和接種根瘤菌對紅小豆植株氮素積累量的影響

單株氮積累量表明植株個體的發(fā)育程度。如圖2可知，相同施肥條件下，各處理均表現(xiàn)出隨密度的增加單株氮積累量呈下降趨勢，差異達到5%的顯著水平。相同密度條件下，花莢期均表現(xiàn)F1處理高于分次施肥處理（F2和F3）；花莢期后F3處理顯著增加，鼓粒期高于F1處理，但未達到5%顯著水平，鼓粒滿期和收獲期M1F3較M1F1分別增加9.28%和6.59%（P＜0.05），收獲期M2F3較M2F1增加5.61%（P＜0.05）；而收獲期F2處理較F1處理略低，但差異不顯著。說明減施氮1/2處理既能保證紅小豆前期生長的氮素供應，又能滿足籽粒充實期對氮素較高的需求。單位面積氮積累量表征植株群體的吸氮能力。相同施肥條件下，氮積累量表現(xiàn)為21萬株·hm-2（M1）密度高于28萬株·hm-2（M2），其中，鼓粒滿期和收獲期M1F1與M2F1、M1F2與M2F2、M1F3和M2F3相 比 分別降低5.98%和12.33%、5.59%和9.54%、11.69%和 13.37%（P＜0.05）。

2.3 增加密度減量施氮和接種根瘤菌對紅小豆植株階段積累量的影響

由圖3可知，相同密度條件下，花莢期前氮積累量均表現(xiàn)為F1處理大于其它處理；而F2和F3初花期追氮后表現(xiàn)為花莢期-鼓粒期氮素積累量顯著增加，其中M1F3和M2F3氮積累量較M1F2和M2F2處理分別增加21.3%和19.2%（P＜0.05），鼓粒期-鼓粒滿期和鼓粒滿期-收獲期表現(xiàn)為F3處理階段積累量最高，較M1F1和M2F1相比，M1F3和M2F3分 別 增 加24.5%和4.31%、16.8%和8.34%（P＜0.05），而F2處理在鼓粒滿期-收獲期與F1處理相比未達到顯著水平，表明減氮施用處理可以顯著增加鼓粒期后各階段氮素積累量。相同施肥條件下，各時期氮素階段積累量均表現(xiàn)為21萬株·hm-2（M1）氮素積累量高于28萬株·hm-2（M2），其中M2F3處理與M1F1相比，降低3.67%，未達5%顯著水平，說明適宜的氮素調(diào)控有助于提高增密下的氮素積累總量，利于產(chǎn)量的提高。

圖2 增加密度減量施氮和接種根瘤菌對紅小豆植株氮素積累量的影響

圖3 增加密度減量施氮和接種根瘤菌對紅小豆植株階段積累量的影響

表1 增加密度減量施氮和接種根瘤菌對紅小豆植株氮素運轉(zhuǎn)的影響

2.4 增加密度減量施氮和接種根瘤菌對紅小豆植株氮素運轉(zhuǎn)的影響

氮轉(zhuǎn)運貢獻率是籽粒中來源于營養(yǎng)器官中氮轉(zhuǎn)運的比例，同化貢獻率是生育后期增加的氮占籽粒氮的比例。由表1可知，相同施肥條件下，花莢期后氮積累量和同化貢獻率均表現(xiàn)為21萬株·hm-2最高，其中，M1F1、M1F2、M1F3同化貢獻率較M2F1、M2F2、M2F3分別增加7.29%、9.60%、11.7%（P＜0.05），而當密度增加到28萬株·hm-2（M2），M2F3同化貢獻率與M1F1相比無顯著差別，說明適宜的氮肥管理方式可以緩解密度增加對植株生育后期氮素的影響，促進養(yǎng)分的同化轉(zhuǎn)移，滿足鼓粒期間籽粒對氮素的需求，減緩因營養(yǎng)器官氮向籽粒過度轉(zhuǎn)運導致的衰老，提高氮同化能力，利于籽粒產(chǎn)量的提高。由表1還可看出，轉(zhuǎn)運貢獻率并不隨著花莢期前氮積累量的增加而增加，但同化貢獻率卻隨著花莢期后氮積累量的增加而增加。相同密度條件下，F(xiàn)3處理的同化貢獻率顯著大于F1和F2處理。

2.5 增加密度減量施氮和接種根瘤菌對紅小豆產(chǎn)量的影響

由表2可知，相同施肥條件下，密度從21萬株·hm-2增加至28萬株·hm-2時，單位面積粒數(shù)和產(chǎn)量隨著密度的增加而降低，21萬株·hm-2比28萬 株·hm-2增 產(chǎn)4.24% ～ 8.72%（P＜0.05）。在相同密度條件下，F(xiàn)3處理的產(chǎn)量為各處理最高，密度為21萬株·hm-2條件下，與F2相比增加4.43%（P＜0.05），但與F1相比未達顯著水平；密度增至28萬株·hm-2時，F(xiàn)3處理產(chǎn)量較F1和F2相比分別增加4.63%和8.92%（P＜0.05），而F1和F2處理之間未達顯著水平。

表2 增加密度減量施氮和接種根瘤菌對紅小豆產(chǎn)量的影響

3 討論

豆科作物與根瘤形成固氮體系，通過固氮作用提供植株氮素［16］。據(jù)報道，大豆［17］和花生［18］等作物進行根瘤菌接種后，產(chǎn)量明顯提高。本研究表明相同施氮水平下接種根瘤菌處理（F3）與未接種根瘤菌處理（F2）相比紅小豆單株粒數(shù)和產(chǎn)量顯著提高。表明接種根瘤菌處理提高紅小豆植株固氮水平，從而促進植株群體形態(tài)建成，利于產(chǎn)量提高。

根瘤固氮對豆科作物的氮素營養(yǎng)至關重要，據(jù)報道豆科作物生長發(fā)育所需氮素50%以上來自于根瘤固氮［14］。紅小豆是豆科作物，幼苗期需氮量少，結(jié)莢鼓粒期需氮量多，而開花后根瘤固氮作用逐漸增強，在結(jié)莢初期紅小豆根瘤固氮能力達到高峰。在大豆和花生［19-21］等油料作物上已證實作物氮肥全部基施增產(chǎn)效果較差，而花莢期追氮增產(chǎn)效果較好。本研究中F2處理施用50%常規(guī)施氮量，于基肥和初花期各施用總氮肥的50%，在花莢期，營養(yǎng)器官含氮量和氮素積累量均表現(xiàn)為顯著低于F1處理，而鼓粒期后F2營養(yǎng)器官含氮量、氮素積累量和產(chǎn)量略低于F1處理，但均未達到顯著水平，而F3處理（施用50%常規(guī)施氮量，于基肥和初花期各施用總氮肥的50%+接種根瘤菌）在鼓粒滿期后營養(yǎng)器官氮素含量、植株氮素積累量和產(chǎn)量顯著高于F1處理，這與其他作物提出的分次施肥有利于作物增產(chǎn)和氮素高效利用的研究結(jié)果相一致［22-23］，其主要原因是，分次施肥減少淋洗和反硝化途徑造成的氮素損失，提高氮素利用效率，降低基肥施用量，防止植株營養(yǎng)生長過旺，初花期追氮可為植株生殖生長提供足夠的氮素，延緩植株衰老。

大量報道已證實，基肥施用適量“啟動氮”可促進根瘤菌固氮能力增強，后期追氮可促進植株營養(yǎng)器官氮素積累［24-25］。本研究將施氮量降至傳統(tǒng)氮肥施用量的50%，并于基肥和初花期各施50%，通過2個輪作周期后對紅小豆產(chǎn)量進行分析表明，降低氮素用量對紅小豆氮素轉(zhuǎn)運和產(chǎn)量有所降低，但接種根瘤菌后可顯著提高紅小豆產(chǎn)量。本文中減量分次施氮+接種根瘤菌（F3）處理在鼓粒期-鼓粒滿期和鼓粒滿期-收獲期階段氮素積累量為各處理最高，同樣證實Peng等［12］合理分次施氮延緩植株衰老和閆艷紅等［27］根瘤固氮可顯著提高植株氮素積累量的結(jié)論。因此，本試驗條件下，合理的氮素管理和種植方式在保證紅小豆營養(yǎng)生長氮素需求下，適當增加初花期的氮素供應，進而達到紅小豆高產(chǎn)和氮高效的目的。

前人研究表明，籽粒中的氮素一部分來源于生殖器官發(fā)育前吸收并貯存在營養(yǎng)器官中，生殖器官發(fā)育后轉(zhuǎn)移到籽粒中，另一部分來源于生殖器官發(fā)育后植株的吸收［27］。大量研究已在大豆、玉米和小麥等作物上證實，生殖器官發(fā)育后氮素的同化貢獻率是決定作物產(chǎn)量高低的關鍵時期［24，28-29］。而關于紅小豆生育后期氮素積累量與產(chǎn)量間是否也有相類似的關系，目前還未見報道。由于紅小豆營養(yǎng)生長和生殖生長并進時間較長，筆者對花莢期前和花莢期后植株轉(zhuǎn)運與同化貢獻率進行了分析，結(jié)果表明，相同密度條件下，F(xiàn)3處理與F1相比，籽粒產(chǎn)量顯著增加，說明籽粒中來源于營養(yǎng)器官中氮轉(zhuǎn)運的比例低，而來源于后期同化量的比例較高，證實后期施氮對籽粒中養(yǎng)分積累影響顯著。

提高種植密度是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中提高作物單產(chǎn)的重要措施之一［30］。然而增加密度在提高群體產(chǎn)量的同時往往導致株間對光、肥、水的競爭，使植株各器官養(yǎng)分吸收和分配均受到限制，單株產(chǎn)量降低［31］。前人研究認為作物本身的自我調(diào)節(jié)功能在一定程度上彌補密度改變對群體造成的不良影響［32-33］，但施肥對紅小豆群體結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)及氮素吸收規(guī)律方面的研究鮮有報道。本試驗結(jié)果表明，28萬株·hm-2的F3處理花莢期氮素積累量、同化貢獻率、鼓粒滿期和收獲期植株總積累量均較低密度21萬株·hm-2的F1處理高（P＜0.05）。說明在較高密度下，減氮分次施肥與根瘤菌接種處理優(yōu)化了紅小豆生育后期氮素營養(yǎng)狀況，彌補了由于密度增加產(chǎn)生的個體生長弱化現(xiàn)象，加強群體功能，促進了紅小豆植株群體生育后期對氮素吸收和累積。這與朱元剛等［5］對小麥研究花前氮素轉(zhuǎn)移量是成熟期籽粒氮素的主要來源之一，但營養(yǎng)器官氮素花后有效再分配對調(diào)控氮養(yǎng)分有顯著效應結(jié)果相一致。表明F3處理顯著提高了紅小豆花莢期后同化貢獻率和再分配能力，減少營養(yǎng)器官氮素殘留，利于氮素利用率的提高。

4 結(jié)論

2個玉米-紅小豆輪作周期試驗結(jié)果表明，相同密度條件下，基肥施N 10 kg·hm-2+初花期施N 10 kg·hm-2+根瘤菌拌種（F3）處理滿足了紅小豆花莢期后對養(yǎng)分的需求，形成健壯群體，保障花莢期前適宜氮素轉(zhuǎn)運吸收量的同時，提高了紅小豆花莢期氮素同化積累量和貢獻率，提高紅小豆產(chǎn)量。相同種植模式下，密度從21萬株·hm-2增加到28萬株·hm-2時，花莢期后氮素積累量、氮素同化貢獻率、鼓粒期-鼓粒滿期氮素階段積累量和產(chǎn)量均隨著密度的增加而降低，產(chǎn)量表現(xiàn)為21萬株·hm-2F3處理最高。