王明玥，李軻逸，宋璐炘，陳 平，雍太文

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室/四川省作物帶狀復(fù)合種植工程技術(shù)研究中心，成都 611130）

大豆作為我國重要的糧油作物，進(jìn)口依存率高，我國人均耕地面積少、大豆種植成本高，因此改進(jìn)大豆種植模式，降低進(jìn)口依存率，對保證我國糧油安全有重要意義[1-2]。作為西南糧油主產(chǎn)省四川大豆發(fā)展迅速，但種植面積及作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)難以大幅度增加，需進(jìn)一步提高光能利用率以達(dá)到增產(chǎn)、增效[3]。套作大豆的發(fā)展有利于充分利用光熱資源，提高復(fù)種指數(shù)、增加生態(tài)效益，實現(xiàn)玉米、大豆的雙高產(chǎn)，是符合當(dāng)?shù)鬲?dú)特氣候條件的技術(shù)再創(chuàng)新[4-5]。玉米/大豆套作模式下，玉米對大豆苗期的生長有抑制作用，大豆解除玉米蔭蔽后有恢復(fù)性生長現(xiàn)象，其光合能力迅速恢復(fù)，碳同化物積累及轉(zhuǎn)運(yùn)速率增加，根瘤固氮能力提升，有利于降低與單作的灌漿差異[6-7]。大豆恢復(fù)性生長階段，光合產(chǎn)物存在利用率提高及分配優(yōu)化的調(diào)控現(xiàn)象，有助于延緩大豆的衰老，增強(qiáng)根瘤固氮，實現(xiàn)減肥、增產(chǎn)增效的目的[8]。闡明套作大豆生長及結(jié)瘤的調(diào)控機(jī)理，對弱光地區(qū)的間套作大豆推廣有著不可忽視的推動作用[9]。

葉片是植物進(jìn)行光合作用的主要營養(yǎng)器官，葉片光合能力的高低對植株生長發(fā)育及產(chǎn)量形成起著至關(guān)重要的作用[10]。前人對單作大豆進(jìn)行減源處理發(fā)現(xiàn)，隨葉面積減少的增多，植株有效莢數(shù)、有效粒數(shù)及百粒重的降低等就越明顯，減產(chǎn)效果顯著，但源對大豆的調(diào)控機(jī)制仍需進(jìn)一步研究[11]。M.Kasai[12]在對大豆剪葉中發(fā)現(xiàn)，剪葉使庫源比例增大，葉片碳水化合物顯著增加，但葉片葉綠素含量和Rubisco含量均未受到顯著影響。其他相關(guān)研究亦表明，植株光合產(chǎn)物的減少，會嚴(yán)重抑制其地上部的生長發(fā)育，劉婷等[13]對大豆進(jìn)行蔭蔽處理發(fā)現(xiàn)植株碳源合成減少后，大豆的干物質(zhì)、葉面積及產(chǎn)量顯著降低，植株倒伏嚴(yán)重。光合有機(jī)物分配的改變，也會對根瘤生長及其功能產(chǎn)生影響。大豆侵染細(xì)胞中的有機(jī)物質(zhì)含量是影響根瘤菌固氮能力的主要因素，當(dāng)?shù)矸哿４蠓葴p少時，根瘤菌固氮能力逐漸下降至結(jié)莢期開始衰老[14]。葉片作為提供碳源的主要器官，其分布優(yōu)化、面積增加及光合能力提高均有利于根瘤的生長。張含彬、劉瑩等[15-16]研究表明，合理施氮保證初花前期（R1）葉片生長，有利于減緩葉片脫落時間，增加植株對碳的固定及輸出，提高根瘤固氮能力。根瘤持續(xù)固氮，使氮素向上運(yùn)輸至葉片及其他庫器官，有利于延緩葉片衰老，促進(jìn)地上部生長，達(dá)到互利共生[17-18]。

已有研究較多地比較了單套作大豆復(fù)光后的植株表型、生理變化[19]以及減源對植株生長發(fā)育[20]的調(diào)控。在玉米/大豆套作系統(tǒng)中，組成作物[21]、施氮量[22]以及作物生長調(diào)節(jié)劑[23]等改變，也能提高大豆的結(jié)瘤固氮能力。然而，前人對套作大豆光合有機(jī)物調(diào)控植株的生長研究，多集中在品種與產(chǎn)量上[24]，而地上部恢復(fù)光照后的補(bǔ)償性生長的主要作用機(jī)理及地下根瘤對其的響應(yīng)調(diào)控尚不清楚，需進(jìn)一步研究。本研究以玉米/大豆帶狀套作模式為研究對象，參考單作大豆的掉葉時期及掉葉量，對套作大豆進(jìn)行等比例剪葉處理，并設(shè)置不剪葉處理為對照，研究套作大豆掉落較晚的中下部葉片在恢復(fù)性生長階段對葉片光合能力、根瘤生長及產(chǎn)量形成的影響。旨在探明套作模式中下部葉片對地上部能源分配及根瘤生長發(fā)育方面的作用，為套作大豆高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

大豆材料選用蔭蔽敏感性弱的晚熟大豆品種“南豆12”，玉米材料選用緊湊型玉米品種“登海605”，分別由四川省南充市農(nóng)業(yè)科學(xué)院和山東登海種業(yè)股份有限公司提供[25-26]。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2020年在四川省現(xiàn)代糧食產(chǎn)業(yè)仁壽示范基地（30°04'N，104°16'E）進(jìn)行，該地區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫14.7℃。試驗采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，共5個處理，重復(fù)3次。記CK為單作大豆不剪葉處理，A為玉米/大豆套作模式下大豆剪葉處理，記A0為不剪葉，A1為R1期剪一次葉，A2 為 R1、R3期剪兩次葉；A3為 R1、R3和 R5期剪3次葉，A1、A2和A3剪葉總面積分別占全株的10%、30%和50%，剪葉時間參考單作大豆的落葉情況。剪葉方法為，從下往上剪節(jié)位葉，保留大豆植株的分枝莖稈與葉柄，只剪除葉片。

試驗于2020年6月播種，種植方式采用玉米/大豆帶狀套作，玉米、大豆每帶種2行，帶寬40 cm，玉米帶與大豆帶間距60cm，兩帶總寬2m，帶長6m，小區(qū)面積12 m2，大豆株距10 cm，單作密度為20.0萬株/hm2，套作密度為10.0萬株/hm2。玉米株距20 cm，套作密度為5.0萬株/hm2。大豆底肥施用氮肥80 kg/hm2、P2O560 kg/hm2、K2O50 kg/hm2，施肥方式為行間開溝施肥。生育期間，及時除草和防治病蟲。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 根瘤的形態(tài)指標(biāo)

于大豆鼓粒期（R6）取樣，每個處理各取4株大豆植株，把地上植株從子葉節(jié)位剪下，地下部以根為中心掘取長方體土塊（長80cm×寬40cm×深20cm），裝入尼龍網(wǎng)袋中，用冷水快速淘洗干凈，將零散根瘤與根上未摘取的根瘤摘取放入冰水中，并進(jìn)行二次泥沙清洗，用紙巾吸干表面水分。

將每株大豆根瘤進(jìn)行分散平鋪拍照，用Image-Pro Plus軟件進(jìn)行處理換算分析不同處理下根瘤的直徑與數(shù)量。

將R6期的大豆根瘤裝入牛皮紙袋中，于烘箱105℃殺青30 min，85℃烘干至恒重，萬分位電子天平測定其干物質(zhì)重。

1.3.2 葉面積及SPAD

于R6期取4株長勢相同的大豆植株，測定全株葉面積；將整株葉片自葉柄處剪下，分散平鋪于白板上，用標(biāo)尺標(biāo)記好刻度，垂直于白板拍照，后期用Image-Pro Plus軟件對照片進(jìn)行分析，計算葉面積。

于R6期，采用SPAD-502型葉綠素儀測定葉片SPAD值，選取大豆植株葉片的最底部葉片、中部葉片（分別為 CK、A0、A1、A2、A3的主莖從上往下數(shù)第 6、6、5、4、3 節(jié)位，圖 1）、最頂部葉片進(jìn)行測量，其中底部與中部葉片分別測定受光面與不受光面，記為底陽、底陰、中陽和中陰。每個處理選取10株進(jìn)行測定，夾取三出復(fù)葉的中間葉片，每片葉重復(fù)測6次，結(jié)果取平均值。

圖1 套作大豆剪葉設(shè)計圖Figure 1 Design drawing of cropping soybean leaf cutting

1.3.3 干物質(zhì)及產(chǎn)量

于始粒期（R5）、成熟初期（R7）取樣，各處理取4株，將大豆莖稈、葉片與豆莢分別裝入牛皮紙袋中，105℃殺青30 min，在85℃烘干至恒重，用天平測定其干物質(zhì)重。

于完熟期（R8），每個小區(qū)選取6株長勢一致的大豆，測定相關(guān)農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及作圖，SPSS 27.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析（LSD，α=0.05）。

2 結(jié)果和分析

2.1 不同剪葉處理對大豆根瘤生長的影響

2.1.1 根瘤數(shù)量

R6期，與單作相比，套作大豆在光恢復(fù)后，根瘤數(shù)量顯著增加，A0、A1、A2和A3分別較CK增加105.9%、67.0%、74.4%和10.3%（圖2）。與套作不剪葉相比，套作剪葉處理會降低根瘤數(shù)量，剪葉越多，根瘤數(shù)量降低越顯著，A3比A0降低46.4%。

圖2 R6期不同剪葉處理下的大豆根瘤數(shù)量Figure 2 The amount of nodules soybean root nodules under different leaf cutting treatment at R6 stage

2.1.2 根瘤直徑

由表1、圖3可知，在R6期，單作大豆根瘤的平均直徑及大直徑根瘤數(shù)量占比高于套作的，套作大豆各處理之間，根瘤平均直徑及大直徑的根瘤占比隨剪葉數(shù)量的增加而降低。其中A0、A1、A2和A3較CK降低了3.0%、8.1%、8.3%和10.0%。由表1來看，CK各粒徑根瘤數(shù)量分布較為平均，而套作各處理的各粒徑根瘤的數(shù)量分布主要集中于根瘤大小為2～4 mm及4～6 mm的范圍內(nèi)，隨剪葉數(shù)量的增加，分布更集中，數(shù)量更多，小直徑根瘤占比增加，使根瘤平均直徑降低。

表1 R6期不同剪葉處理下大豆根瘤各粒徑的數(shù)量及平均直徑Table 1 The number and average diameter of soybean root nodules under different leaf cutting treatment at R6 stage

2.1.3 根瘤干重

根瘤的固氮能力與其生物量大小有一定關(guān)系。由圖3所示，R6時期下大豆套作的根瘤干重高于單作，套作各處理之間隨剪葉數(shù)量的增加，根瘤干重降低。A0較CK顯著增加106.5%，A1、A2和A3較CK增加39.5%、27.6%和4.7%。

圖3 R6期不同剪葉處理下的大豆單株根瘤干重Figure 3 Root nodule weight per plant under different leaf cutting treatment at R6 stage

2.2 不同處理下大豆地上部積累的變化

2.2.1 全株葉面積及SPAD

R6期，套作大豆植株葉面積相對單作降低，且隨剪葉數(shù)量的增加而降低（圖4）。A0較CK減少4.7%，差異不顯著，A1、A2、A3較CK則顯著減少23.9%、44.0%和46.0%。

圖4 R6期不同剪葉處理下的大豆單株葉面積Figure 4 Leaf area per plant of soybean under different leaf cutting treatment at R6 stage

由圖5所示，大豆底部葉片SPAD值單套作各處理間無顯著性差異；中部葉片單作處理的SPAD值顯著高于套作各處理，套作各剪葉處理之間無顯著差異；頂部葉片單作的高于套作的，各套作處理之間差異不顯著。從單作大豆的SPAD值可以看出，單作大豆的光合能力呈紡錘形，是由相互遮陰的株形因素引起的。套作大豆中下部葉片剪葉后，由紡錘狀株形變?yōu)榘雸A形，植株底部的SPAD數(shù)值測定節(jié)位升高，剪葉越多，測定位點越高其總?cè)~綠素含量越高。

圖5 R6期不同剪葉處理下大豆葉片SPADFigure 5 Soybean leaf SPAD under different leaf cutting treatment at R6 stage

2.2.2 干物質(zhì)質(zhì)量

地上部生物量的大小一定程度上可以反映大豆植株對莢果及根瘤的供源能力。如圖6所示，R5期大豆的莢果干重在各處理之間差異不顯著，套作剪葉處理下的葉與莖的干物質(zhì)重與單作相比顯著降低，套作剪葉處理之間差異不顯著，其中A0、A1、A2和A3葉片干物質(zhì)重較CK的降低67%、0、70.7%、67.9%和71.8%。

圖6 不同剪葉處理下的大豆干物質(zhì)重量Figure 6 Dry matter weight of soybean under different leaf cutting treatment

R7期，單作葉片脫落較為嚴(yán)重，套作大豆葉片干物質(zhì)重升高，但隨著剪葉數(shù)量的增加而顯著降低，CK的葉干重較A0處理降低31.2%；與單作相比，套作大豆的莖、莢干重均呈降低趨勢，且隨剪葉數(shù)量的增加而顯著降低，A0、A1、A2和A3的莖干重較CK的降低10.4%、42.4%、48.1%和62.9%，A0、A1、A2和A3的莢干重較CK降低5.1%、40.5%、51.2%和75.0%，表明中下部葉片的增加，對套作大豆解除蔭蔽后的莖、葉和莢的生長有著顯著促進(jìn)作用。

2.3 大豆產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成

由表2所示，在R8期，與單作大豆相比，套作大豆產(chǎn)量呈降低趨勢，且隨剪葉數(shù)量的增加而顯著降低，A0、A1、A2和 A3分別較 CK的降低 5.3%、13.0%、16.5%和17.5%。A1、A2和A3分別較A0的降低8.1%、11.8%和12.9%。在分枝數(shù)方面，剪葉處理與對照差異不顯著，套作不剪葉和適度剪葉有助于粒數(shù)增加，A0相對單作增加4.7%。

表2 不同剪葉處理下的大豆產(chǎn)量構(gòu)成Table 2 Soybean yield composition under different treatment

3 討論

根瘤固氮、土壤及肥料中的氮是大豆生長發(fā)育的主要氮素來源，其中根瘤固氮能力最強(qiáng)，直接影響植株后期的生長及產(chǎn)量的增加[27]。玉米與大豆對氮源競爭的根系互作效應(yīng)會抑制套作大豆前期的根瘤的生長及固氮能力[28]，同時大豆根瘤本身生長到一段階段也會有抑制現(xiàn)象產(chǎn)生。H.Fujikake等[29]研究發(fā)現(xiàn)葉片光合產(chǎn)物的增加有利于減弱根瘤的生長抑制作用，本研究對套作大豆剪葉反向證明這一觀點，隨著剪葉的增加，大豆根瘤數(shù)量、根瘤直徑與根瘤干重均有降低。韓善華[30]的研究表明供源能力越弱的豌豆植株，根瘤侵染細(xì)胞的固氮能力越差，根瘤的生長抑制作用越嚴(yán)重。推測根瘤數(shù)量及平均直徑的降低可能是由于碳源的減少，不利于光合產(chǎn)物向地下部的分配。本試驗中CK的根瘤數(shù)量在R6期顯著低于A0，但干物質(zhì)與其他剪葉處理之間差異不顯著，可能是由于CK前期供源充足，有利于大直徑根瘤的生長，這與王桂花[31]的實驗結(jié)論相似。同時，龐婷[32]研究發(fā)現(xiàn)大豆套作條件下中下部葉片較單作條件下衰老脫落較慢，表明玉米/大豆套作種植下，大豆可以通過比單作中下部掉落慢的葉片進(jìn)行光合作用增源，滿足地下部根瘤對源的需求，增加大豆根瘤的數(shù)量與平均直徑，從而達(dá)到地上部和地下部之間營養(yǎng)物質(zhì)的調(diào)節(jié)。

葉片是植物進(jìn)行光合作用，產(chǎn)生有機(jī)物質(zhì)的重要器官，其生長及分布影響著植株地上部的生長。前人研究表明，少量剪葉可以促進(jìn)葉片增長速率增加，使有機(jī)物向地上部分配增大[33]。不同剪葉部位及時期對大豆產(chǎn)量所造成的影響不同[34]，這與本試驗剪葉處理后，葉面積及根瘤數(shù)量降低不呈等比例下降的試驗結(jié)果有一定相似之處。試驗表明，剪葉后全株葉面積有小幅度增加現(xiàn)象，可能是大豆在剪葉的刺激下，產(chǎn)生相關(guān)自我保護(hù)補(bǔ)償機(jī)制，使得莖葉生長形態(tài)產(chǎn)生改變，以滿足供應(yīng)更多有機(jī)物質(zhì)的需求。植株雖然有一定的自我補(bǔ)償能力，但不足以彌補(bǔ)剪葉造成的影響，依舊有產(chǎn)量下降等現(xiàn)象出現(xiàn)，這與V.Srinivasa、傅金民等[35-36]研究結(jié)果相似。地上部干物質(zhì)的積累與分配一定程度上能反應(yīng)地上部生長情況，本試驗研究中，地上部源的減少也使植株地上部的生長發(fā)育發(fā)生變化，具體表現(xiàn)在干物質(zhì)重減少、葉面積降低等問題，這與呂書財?shù)萚37]在大豆植株有機(jī)物質(zhì)合成減少后，植株進(jìn)行光合的主要影響因素變化相似。推測隨著剪葉的增加，不同地上部器官的干物質(zhì)重下降比例不同，可能是由于弱光環(huán)境下的大豆其光合產(chǎn)物會優(yōu)先分配給植株的地上部，促進(jìn)莖、葉生長，以獲得更多的光照，來滿足同化作用的需求[38]。

大豆籽粒產(chǎn)量受單位面積株數(shù)、百粒重、單株粒數(shù)和分枝數(shù)等因素影響，大豆植株源流庫三者之間的合理分配有利于大豆的生長發(fā)育[39]。套作大豆剪葉處理使得供源能力減弱，導(dǎo)致百粒重、單株粒數(shù)等影響減少，降低大豆產(chǎn)量。趙紅梅等[40]研究發(fā)現(xiàn)對一個特定品種而言，在合適的栽培條件下，莢粒數(shù)的改變較小，影響較大的是籽粒大小、籽粒灌漿速率和有效灌漿時間。本試驗中各處理間的分枝數(shù)差異不顯著，粒數(shù)隨著剪葉強(qiáng)度增加呈顯著降低趨勢，最終導(dǎo)致單、套作產(chǎn)量在不剪葉（A0）時差異不顯著，而套作剪葉后產(chǎn)量顯著降低。綜上所述，套作大豆剪葉處理后將會同時抑制中下部葉片對地上部莖葉生長及地下部根瘤發(fā)育的補(bǔ)償調(diào)控，降低植株固碳固氮的能力，進(jìn)一步影響結(jié)莢鼓粒和產(chǎn)量形成，但其具體調(diào)控機(jī)理，還需進(jìn)一步實驗證明。

4 結(jié)論

與單作相比，套作大豆解除蔭蔽后的補(bǔ)償性生長主要是由根瘤的生長起主要作用。R6期，A0較CK的根瘤數(shù)量、干物質(zhì)重增加，SPAD、葉面積及根瘤平均直徑差異不顯著，產(chǎn)量下降5.3%。隨套作剪葉數(shù)量的增加，地上地下生長均受到抑制，地下部根瘤的數(shù)量、干物質(zhì)重、平均直徑及地上部的葉面積、植株干物質(zhì)重較A0顯著降低，導(dǎo)致植株供源能力不足，產(chǎn)量降低8.1%～12.9%。在玉米/大豆套作模式下，可以選用葉片衰老較晚的大豆品種或采用增源擴(kuò)庫技術(shù)，來促進(jìn)套作大豆恢復(fù)性生長，達(dá)到增產(chǎn)、增效的目的。