东北黑土区大豆生长、 结瘤及产量对氮、磷的响应

严 君， 韩晓增， 丁 娇， 王 影

(中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土区农业生态重点实验室，哈尔滨 150081)

氮和磷是影响大豆生长的两大重要元素。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成分，是影响大豆生长发育的主要因素。磷是构成作物体多种重要有机化合物(如脂肪、 蛋白质、 核蛋白)的合成及参与能量传递的高能磷酸化合物的磷酸基团的组成成分，对根瘤的形成、 氮的固定、 氨的转化以及氨基酸的形成具有重要的作用[1]。氮和磷对豆科作物共生固氮功能的促进作用主要是通过刺激寄主作物的生长，而间接影响根瘤的生长和功能[2]；也有研究认为它们是直接影响结瘤。Hellsten和Huss-Danell[3]研究表明，磷对苜蓿根瘤和数量的影响大于对地上和根系的影响，因此磷是直接影响苜蓿的结瘤和固氮。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

图1 2011年大豆生长季内日降水量、 最低和最高温度的变化Fig.1 Changes of daily rainfall, maximum and minimum temperature in soybean growth season in 2011

1.2 试验设置

1.3 测定项目和研究方法

盛花期(7月15日)第一次取样。每个处理随机选择3株大豆，取样时将完整的大豆根系从土壤中取出，并从子叶痕处将大豆分为地上和根系两部分。取大豆根系时，以大豆植株为中心，挖0.5 m × 0.5 m × 0.5 m的坑，以保证大豆根系的完整。取出来的大豆根系用水冲干净后，先进行根瘤数量的调查。大豆的地上、 根系和根瘤先放在烘箱里105℃杀青30 min，然后60℃烘3 d至恒重。根瘤的大小为单个根瘤的重量，而结瘤指数为根瘤干重占大豆地上鲜重的百分比[9-10]。在成熟期时(9月20日)第二次取样，每个处理选取2 m2长势一致的大豆，用于大豆产量和株高、 株荚数、 株粒数、 株荚重、 株粒重、 百粒重等产量构成因子的测定。

1.4 数据统计分析

采用Excel 2003，DPS2000对试验数据进行差异性分析，并计算LSD。

2 结果与分析

2.1 不同处理对大豆生长的影响

N0P0处理的SPAD、 株高、 地上和根系生物量最低(表1)。单施磷处理以N0P2处理的SPAD、 株高、 地上和根系生物量最大，较N0P0处理分别增加了2.9%、 0.8%、 17.6%和19.0%，处理间差异不显著。单施氮处理中以N2P0处理的SPAD、 株高、 地上和根系生物量最大，较N0P0处理分别增加了3.0%、 2.0%、 35.5%和26.6%，其中氮对大豆地上和根系生物量有显著的影响(P<0.05)。氮×磷交互作用下的大豆SPAD、 株高、 地上和根系生物量高于N0P0、 单施氮和单施磷处理，以N2P2处理的SPAD、 株高、 地上生物量最大，而根系生物量以N1P2处理最大，较N0P0处理增加了73.4%，但氮、 磷交互作用对大豆SPAD、 株高、 地上和根系生物量的影响处理间差异不显著。

表1 氮、 磷及氮×磷对大豆R2期SPAD、 株高、 地上和根系生物量的影响Table 1 Effects of N, P and N×P interaction on SPAD, height, shoot biomass and root biomass of soybean at the R2 stage

注(Note): P代表磷肥处理 P stands for phosphorus treatment；N代表氮肥处理 N stands for nitrogen treatment；ns代表没有显著差异 ns stands for no significant difference.

2.2 不同处理对大豆结瘤特征的影响

单施磷处理的大豆根瘤数量、 干重、 大小和结瘤指数随着施磷量的增加呈逐渐增加的变化趋势，较N0P0处理分别增加了37%、 34%、 2%和14%，其中根瘤数量、 大小和结瘤指数处理间差异极显著(P<0.01)。单施氮处理的大豆根瘤数量、 干重、 大小和结瘤指数在N2P0处理时最小，较N0P0处理分别下降了63%、 20%、 53%和43%，处理间差异极显著(P<0.01)。氮、 磷交互作用对大豆根瘤数量、 干重、 大小和结瘤指数无显著的影响(表2)，以N1P2处理的根瘤数量、 干重和结瘤指数最大，但较N0P0处理分别下降了34%、 41%和15%。N2处理下的根瘤数量、 干重和结瘤指数低于N1处理的，但大豆根瘤数量、 干重和结瘤指数均随着施磷量的增加而增加，说明施磷能够抵消氮对大豆结瘤的抑制。

表2 氮、 磷及氮×磷对大豆结瘤特征的影响Table 2 Effects of N, P and N×P interaction on nodular traits of soybean

注(Note): P代表磷肥处理 P stands for phosphorus treatment；N代表氮肥处理 N stands for nitrogen treatment；ns代表没有显著差异 ns stands for no significant difference.

单施磷处理下，N0P1处理的瘤重、 瘤数和地上生物量相对于总生物量的值最大，较N0P0处理分别增加了19%、 22%和0.3%，处理间差异显著(P<0.01，表3)。磷对根瘤数量、 干重相对于总生物量的影响大于磷对地上和根系生物量相对于总生物量的影响，表明磷是直接影响大豆结瘤，而不是通过影响大豆生物量，而间接促进大豆结瘤。单施氮处理下，N0P0处理的瘤重、 瘤数、 根系生物量相对于总生物量的值最大，而N2P0处理的值最小，较N0P0处理分别下降了40%、 4%和15.3%，处理间差异显著(P<0.01)。氮对根瘤数量、 干重相对于总生物量的影响大于氮对地上和根系生物量相对于总生物量的影响，氮亦是直接影响大豆结瘤。氮×磷交互作用下，N1P2处理的根瘤干重、 数量和根系生物量相对于总生物量的值最大，而地上生物量相对于总生物量的值最小；N1和N2处理下的根瘤干重、 数量、 地上和根系生物量相对于总生物量的值变化不大，差异不显著，但随着施磷量的增加，呈逐渐增加的变化趋势，即施磷能够缓解氮对大豆根瘤数量和干重的影响，两者是相辅相成的。

表3 不同处理对根瘤数量、 根瘤重量、 地上和根系生物量相对于总生物量的影响(干重)Table 3 Nodule number, nodul weight, shoot and root biomass of soybean under different treatments (dry weight)

注(Note): P代表磷肥处理 P stands for phosphorus treatment；N代表氮肥处理 N stands for nitrogen treatment；ns代表没有显著差异 ns stands for no significant difference. 表中数据为各处理小区测定项目的总量除以该小区总生物量 The average data of listed items are the total amount of tested items divided by the total biomass of the plots.

2.3 不同处理对大豆产量和产量构成因子的影响

氮、 磷及其交互作用对大豆株高、 株荚数、 株粒数、 株粒重、 株荚重和产量均有影响(表4)。单施磷处理中的N0P2处理大豆株高、 株荚数、 株粒数、 株粒重、 株荚重和产量最大，较N0P0处理分别增加了10%、 51%、 6%、 6%、 13%和40%，其中株荚数和百粒重处理间差异极显著(P<0.01)。单施氮处理促进大豆产量、 株高、 株荚数、 株粒数、 株粒重和株荚重的增加，其中N1P0和N2P0处理的大豆株高、 株荚数、 株粒数、 株粒重、 株荚重和产量均高于N0P0处理，与N0P0处理间差异极显著(P<0.01)，而N1P0和N2P0处理间差异不显著。氮、 磷交互作用下以N1P2处理的株荚数、 株荚重、 株粒数、 株粒重和产量最大，较N0P0处理分别增加了101%、 65%、 53%、 56%和74%，而大豆株高以N2P2处理最高，较N0P0处理增加了15%。N1处理下的大豆株荚数、 株荚重、 株粒数、 株粒重和产量高于N0和N2处理下的值；同一施氮处理下，大豆株荚数、 株粒数、 株粒重、 株荚重和产量均有随着施磷量的增加，呈逐渐增加的变化趋势。施用磷肥能够促进大豆株荚数、 株粒数、 株粒重、 株荚重和产量的增加，但其增产效果低于氮肥对大豆产量的促进作用。

3 讨论与结论

3.1 氮、 磷对大豆生长和产量的影响

表4 氮、 磷及氮×磷交互作用对大豆产量和产量构成因子的影响Table 4 Effects of N, P and N×P interaction on the yield and yield components

注(Note): P代表磷肥处理 P stands for phosphorus treatment；N代表氮肥处理 N stands for nitrogen treatment；ns代表没有显著差异 ns stands for no significant difference.

大豆对磷更有特殊的需求，脂肪和蛋白质、 核蛋白的合成都需要磷的参与[1]。缺磷显著影响磷代谢产物的生成，降低大豆叶面积、 叶片数量、 节数和分枝数，减少相对出叶速率，阻止大豆植株对其它养分的吸收，从而导致大豆产量和品质下降[18-19]。然而过高的供磷水平会增强植株的呼吸强度，养分消耗更多，不利于植株的生长发育和产量形成[20-21]。适量施磷促进大豆叶面积指数，株高，生物量和产量的增加[22-23]。大豆产量对磷肥的反应与土壤速效磷含量有关，在黄沙土、 棕黄土的研究结果表明，土壤速效磷含量低于20 mg/kg时，施磷促进大豆产量的增加；在淋溶黑土和草甸黑土上，土壤速效磷含量在60 mg/kg时，施磷对产量无显著的促进作用；土壤速效磷含量高于12 mg/kg时，施磷不能促进大豆产量的增加[24]。本研究中播前土壤中的速效磷含量为25.9 mg/kg，施用磷肥能显著促进大豆生物量和产量的增加，但处理间差异不显著。对大豆株荚数和百粒重的影响显著。Gan等[25]通过田间试验，得出氮、 磷交互作用能够改善植株的氮素营养状况，能在一定程度上延缓叶片和根系的衰老，促进叶片的生长，使整个生育期保持较高的叶面积指数、 比叶面积和冠根比，从而促进了干物质积累量及其向荚粒中的分配，单株荚数、 粒数、 百粒重和籽粒产量均有所增加，但氮、 磷交互作用对大豆生物量和产量的促进作用较单施氮和磷处理差异不显著。本研究的结果与之一致，氮、 磷交互作用对盛花期大豆的SPAD、 株高，地上和根系生物量以及成熟期时大豆的株荚重、 株粒数、 株粒重和产量均无显著的促进作用。

3.2 氮、 磷对大豆结瘤特征的影响

氮肥对根瘤形成和发育的影响，是通过对土壤无机氮浓度的影响来实现的，也就是说氮肥施入土壤后成为土壤无机氮的一部分，从而对大豆根系共生固氮系统直接产生影响[26]。适量施氮后根系中碳水化合物含量增加，促进了大豆的光合作用，从而有利于碳水化合物向根瘤和根系中的分配，有利于根瘤的产生和形成[27-28]。本研究中施氮抑制了大豆根瘤的产生和形成，并随着施氮量(单施氮处理)的增加大豆根瘤数量、 干重、 大小和结瘤指数呈逐渐下降的趋势，N2P0处理较N0P0处理分别下降了63%、 20%、 53%和43%。这可能是由于施氮后植株C/N比减小，供给根瘤的碳水化合物减少，从而影响根瘤的产生、 形成和发育。

磷是植物生长和所有细胞代谢过程中所必需的，而生物固氮过程是一个需要较高能量的过程，因此缺磷对豆科作物根瘤中的能量状态有着负面影响[29]。大豆缺磷植株中向根瘤提供的碳水化合物减少，限制根瘤的产生和根瘤固氮酶活性[30]。而施磷通过促进根瘤原基的增加，促进根瘤的形成，从而有利于大豆根瘤的发育[18, 23, 31-32]。本研究中施磷后，大豆根瘤数量、 干重、 大小和结瘤指数显著高于N0P0处理，且处理间差异极显著(P<0.01)。此外施磷后，大豆根瘤数量和干重都有显著的增加，表明该地区还是相对缺磷的，因此在实际生产中还是需要适时适量地施用一定量的磷肥。本研究中氮、 磷交互作用下大豆根瘤数量和干重无显著的差异，与Gan等[25]在田间的研究结果一致，而在砂培条件下，氮、 磷交互作用对不同生育时期的大豆根瘤数量和干重均具有显著的影响，这是由于砂培条件下氮、 磷交互作用显著，而在田间条件下土壤的基础肥力相对于砂培条件下高，因此氮、 磷交互作用体现不出来。

3.3 限制东北地区大豆结瘤和产量的关键性因素

磷对豆科作物结瘤、 固氮和生长均有影响，然而磷对共生固氮的特殊作用与其对作物生长的影响区别开来，也很难将磷对豆科作物生长和结瘤固氮的作用分开。有研究表明，磷主要是刺激寄主作物的生长，而间接影响根瘤菌的存活或根瘤的生长和固氮功能的发挥等[33-35]，也有研究认为磷是直接影响大豆结瘤和固氮的[36]。在我国东北冷凉地区，土壤肥力较高，但速效氮和磷养分有效性差，氮肥和磷肥对大豆根瘤数量、 干重、 大小和结瘤指数相对于总生物量的值显著高于对地上和根系生物量相对于总生物量的值，也就说氮和磷是直接影响大豆结瘤特征的，而非通过促进大豆生长间接促进大豆结瘤的。其中氮比磷对大豆生长、 结瘤和产量的影响要显著，因此氮是限制东北地区大豆生长、 结瘤和产量的主要因素。

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