增施牛粪有机肥对黑土农田大豆营养品质的影响

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(1.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,黑龙江 哈尔滨 150081; 2.中国科学院大学,北京 100049)

0 引 言

大豆是原产于我国的重要经济作物，其籽实蛋白质含量为40%左右，脂肪20%左右，同时还富含多种对人体有益的营养成分[1]。大豆籽粒中营养品质的组成与含量除了受遗传因素的控制外，还受到环境因素影响，尤其受土壤养分供应能力影响较大[2]。大豆作为高蛋白、高油作物，品质形成需要吸收大量的营养元素，对土壤肥力要求较高[3]。不同施肥措施影响大豆本身的生理过程进而影响其籽粒中营养物质的积累。目前，关于不同施肥措施影响大豆产量的研究较多[4-5]，关于大豆籽粒营养品质对不同施肥措施响应的研究较少。已有研究表明大豆营养品质与施肥措施密切相关，魏丹等[6]发现，大豆籽粒中蛋白质和脂肪含量在平衡施肥条件下比不施肥或缺素条件下高，在东北暗棕壤、黑土和盐碱土3种土壤上均得到类似的结果，其中蛋白质高1.0%～10.5%，脂肪则高1.7%～11.8%。朱洪德等[7]在东北白浆土上研究发现，施肥水平在90～300 kg·hm-2的范围内，大豆的脂肪含量随施肥水平的增加而增加。

有研究表明，施用有机肥也会对大豆品质产生影响。朱宝国等[8]发现，当增施750 kg·hm-2的有机肥时，大豆籽粒中蛋白质和脂肪总量比不施肥增加0.46%，比常规施肥增加0.28%。李鸣雷[9]指出，施用以麦草、鸡粪为原料的有机肥相比单纯施用化肥能显著提高大豆品质，其中春大豆蛋白质和脂肪含量分别提高6.38%和5.63%，夏大豆分别提高2.30%和3.88%。所以，施用有机肥是改善大豆品质的重要措施。然而，东北黑土区关于化肥配施不同用量有机肥对大豆蛋白质和脂肪含量影响的研究较少，而关于大豆籽粒中游离氨基酸和含糖量对不同施肥措施的响应研究还未见报道。因此，解析不同施肥措施下大豆籽粒中不同营养品质含量变化，对东北黑土区大豆种植的合理施肥，改善大豆的营养品质及商品品质具有重要意义。

本研究比较了基于玉米-大豆轮作的无肥、化肥和增施有机肥处理的大豆籽粒脂肪、蛋白质、游离氨基酸、可溶性糖以及蔗糖等指标，量化解析化肥及增施有机肥对大豆营养品质的影响，为黑土区大豆优质高效的施肥提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验地位于中国科学院黑土水土流失监测研究站(47°23′N，126°51′E)。供试土壤为典型黑土，基础肥力为全氮2.01 g·kg-1、全磷0.74 g·kg-1、全钾18.50 g·kg-1，耕层厚度约为30 cm。供试品种为当地主栽的品种东生1号。本试验为玉米-大豆轮作长期定位试验，试验始于2012年。试验采用随机区组设计，设置4个处理，分别为无肥(NoF)、化肥(CF)、化肥+有机肥15 t·hm-2(CF+15T)和化肥+有机肥30 t·hm-2(CF+30T)，每个处理3次重复，其中有机肥为腐熟牛粪。每小区8垄，垄距70 cm，垄长8 m，面积44.80 m2，双行播种，保苗数27株·m-2。人工播种，人工除草，机械中耕。试验于2015年大豆成熟期收获，大豆籽粒于鼓风干燥箱中105 ℃杀青30 min，然后65 ℃烘至恒重，将干物质样品用球磨仪(Retsch,Oscillating mill MM400,Germany)粉碎保存，用于测定相关指标。

施肥管理：玉米：施用二铵150 kg·hm-2、尿素75 kg·hm-2、硫酸钾50 kg·hm-2，尿素抽穗期225 kg·hm-2追肥；大豆：施用二铵150 kg·hm-2、尿素50 kg·hm-2、硫酸钾50 kg·hm-2，播种前施肥。增施牛粪处理在上一年秋收后，将牛粪施入土壤，按有机肥干重计算，牛粪含有：总碳423 g·kg-1、氮7.40 g·kg-1、磷12.20 g·kg-1和钾10.20 g·kg-1。

1.2 品质指标测定

脂肪含量的测定采用索氏提取法，用乙醚浸提油脂，通过浸提前后干物质质量的差来计算脂肪含量。蛋白质含量的测定使用杜马斯燃烧定氮法，仪器为元素分析仪Elementar-Vario(Elementar Analysensysteme GmbH E-III,Germany)，总氮含量乘以转化系数6.25即为蛋白质含量[10]。游离氨基酸的测定采用茚三酮试剂显色法[11]，应用乙酸提取游离氨基酸，水合茚三酮显色，用紫外分光光度计在570 nm波长处比色，测定OD值。可溶性还原糖、蔗糖的测定，用80%乙醇提取糖分，提取液用于可溶性还原糖与蔗糖测定。可溶性还原糖测定采用蒽酮比色法，蔗糖测定采用间苯二酚法[11]。

1.3 数据分析

应用Microsoft-Excel 2010软件计算各个营养品质含量的平均值与标准差，各个指标的差异性检验采用SPSS 16.0 One-Way ANOVA 分析，显著性P=0.05，用SigmaPlot 12.5软件进行绘图。

2 结果分析

2.1 脂肪含量

本研究中，经过两个玉米大豆轮作周期后，大豆籽粒中脂肪含量明显受到施肥措施的影响。从图1中可以发现，与NoF处理相比，CF处理提高了大豆的脂肪含量，而增施有机肥CF+15T处理脂肪含量为205 mg·g-1，比NoF处理显著高6.51%(P<0.05)。CF处理和CF+30T处理分别比NoF处理高1.33%和1.06%，3处理间无显著差异。

2.2 蛋白质含量与蛋脂总含量

大豆籽粒中蛋白质含量对不同施肥措施的响应并不明显(P>0.05)，见图2。相比于NoF处理，CF处理并没有显著提高大豆的蛋白质含量，大豆蛋白质含量介于386～400 mg·g-1，平均含量为392 mg·g-1。

此外，大豆籽粒中蛋脂总和对施肥措施的响应也不明显，不同施肥措施下大豆籽粒中蛋脂总和并没有差异，见图3。由于蛋白质含量占蛋脂总和的2/3左右，因此，蛋脂总和处理间差异性与蛋白质含量相似，不同处理对大豆的蛋脂总和的影响不显著，大豆蛋脂总和介于581～606 mg·g-1，平均含量为590 mg·g-1。

注：NoF，无肥；CF，化肥；CF+15T，施化肥加施15 t·hm-2牛粪；CF+30T，施化肥加施30 t·hm-2牛粪。不同字母表示差异在0.05水平上显著(P<0.05)，下同。

2.3 游离氨基酸含量

大豆籽粒中游离氨基酸含量则表现为随着施肥量的增加而升高，见图4。增施30T有机肥时游离氨基酸含量为5.32 mg·g-1，比NoF、CF和CF+15T处理分别显著高16.6%、14.0%和9.85%(P<0.05)，CF、CF+15T处理对大豆游离氨基酸含量虽然有提高，但与NoF处理相比差异并未达到显著水平。

图3 不同施肥措施对大豆蛋脂总和的影响Fig.3 The effect of different fertilization on oil content of soybean

图4 不同施肥措施对大豆游离氨基酸含量的影响Fig.4 The effect of different fertilization on animo acids content of soybean

2.4 糖分含量

大豆籽粒中可溶性糖含量明显受到肥料添加的影响，肥料的施用显著提高了大豆可溶性糖的含量，见图5。CF、CF+15T和CF+30T处理可溶性糖含量分别比NoF处理显著高6.26%、7.55%和6.90%(P<0.05)。但是，CF、CF+15T和CF+30T处理之间差异并未达到显著水平。

蔗糖含量对施肥措施的响应并不明显，见图6。不同施肥措施下大豆蔗糖含量介于10.6～10.9 mg·g-1，平均含量为10.7 mg·g-1。

图5 不同施肥措施对大豆可溶性糖含量的影响Fig.5 The effect of different fertilization on soluble sugar content of soybean

图6 不同施肥措施对大豆蔗糖含量的影响Fig.6 The effect of different fertilization on sucrose content of soybean

2.5 营养品质与氮增施量间的相关性

施肥处理大豆营养品质变化量与氮增施量的相关分析，见表1。施肥处理游离氨基酸增加量与氮增施量呈极显著相关关系(P<0.01)，而其余营养品质的变化量与氮增施量的相关性并未达到显著水平。对不同营养品质变化量之间进行相关性分析(表2)。结果表明，粗脂肪的变化量与蔗糖和蛋白质变化量之间呈显著相关关系(P<0.05)，其余营养品质的变化量之间相关性不显著。

表1 大豆籽粒营养品质变化量与氮增施量的相关分析Table 1 Correlation analysis of soybean quality change and N input

注：**表示在0.01水平上显著。

Note:**indicates significant differences at 0.01 level.

表2 不同营养品质变化量间相关关系显著性Table 2 Significant correlation between different nutritional quality changes

注：*表示在0.05水平上显著。

Note:*indicates significant differences at 0.05 level.

3 讨 论

本研究表明，施用肥料可以提高大豆的脂肪含量，尤其是增施有机肥后差异达到显著水平。在较早的研究中也发现肥料对大豆籽粒中脂肪的积累具有明显的影响，王志新等[12]指出，大豆籽粒中的脂肪含量随氮肥施用量的增加而增加，在施入氮肥60 kg·hm-2时达到最高，增施钾肥和磷肥时也发现类似现象。而张玉凤[13]则发现减少化肥施用的同时增施沼肥比仅施用化肥更有利于大豆籽粒中脂肪含量的积累，如仅施用70%和80%化肥，增施沼肥比全量单施化肥条件下的大豆籽粒脂肪含量分别高2.70%和5.07%。由于有机肥可以显著增强土壤中β-葡萄苷酶、磷酸单脂酶、蔗糖酶和脲酶等酶的活性[14-15]，影响土壤中参与碳、氮代谢过程微生物的活性，所以有研究者认为增施有机肥能够提高土壤养分含量及有效性，协调作物的碳氮代谢，从而促进大豆籽粒中脂肪的积累[16-17]。

大豆籽粒中蛋白质含量占40%左右，所以在大豆生产过程中满足大豆对氮的需求是非常重要的。管宇[18]发现，增施氮素50 kg·hm-2时大豆黑农44籽粒蛋白质含量显著提高了1.88%。而本研究中，大豆籽粒中蛋白质含量并未受到不同施肥处理的影响，这可能是品种间对氮素需求和共生固氮能力差异所致，也可能与大豆种植的土壤环境有关。已有研究表明，大豆共生生物固氮所固定的氮占大豆生育期内所需氮素比例在50%左右[19]，所以，氮肥的用量往往对大豆籽粒中蛋白质含量的影响并不明显。Wesley等[20]报道，不同施肥处理条件下大豆籽粒蛋白质含量并没有显著增加，一般来说，44.4 kg·hm-2的纯氮施用量就能够满足蛋白质对氮素的需求，这与本研究结果一致。同时，本研究中土壤为典型黑土，土壤肥力本底值较高，总氮含量为2.01 g·kg-1，高于棕壤土(1.11 g·kg-1)[21]和潮土(1.19 g·kg-1)[22]。这也可能是不同施肥处理对大豆籽粒中蛋白含量影响不大的主要原因。另一方面，大豆籽粒中游离氨基酸含量受到肥料的影响较大，表现出随有机肥用量的增加而增加的趋势。金平[23]研究表明，施用有机肥促进大豆籽粒中游离氨基酸的积累，同单施化肥相比，增施有机肥条件下大豆籽粒中游离氨基酸含量显著提高了3.37%。氮、磷是氨基酸结构的重要组分，有机肥含有大量氮、磷元素，因此施用有机肥会影响大豆的氨基酸含量。氨基酸是蛋白质合成底物，游离氨基酸是氮素在大豆植株体内运输的主要形式之一，施用有机肥能够提高土壤肥力，增强根系对氮素的吸收与氨基酸的合成，保证籽粒氨基酸供应充足。

可溶性糖是光合作用的基础物质，植物的碳氮代谢通过可溶性糖、游离氨基酸等来调节，决定着器官的建成与同化产物的运输。本研究发现大豆籽粒中蔗糖含量在不同施肥处理间均未存在差异，施肥可以显著提高大豆可溶性糖的含量，但增施有机肥与单施化肥处理之间并未存在显著差异。吴奇峰等[24]研究发现，不同品种在不同施氮水平下，大豆籽粒中可溶性糖表现为高氮(360 kg·hm-2)>中氮(180 kg·hm-2)>低氮(不施氮)。张圣平等[25]研究发现，对可溶性糖的施肥效果表现为有机肥(53～89 t·hm-2)>复合肥(532～894 kg·hm-2)>尿素(266～447 kg·hm-2)。而章建新等[26]研究发现，可溶性糖含量随施氮量的增加先增后减，氮施氮量为90 kg·hm-2时可溶性糖含量达到峰值。有机肥是通过改变植物光合性能及土壤理化环境而改善大豆营养品质的，而过高的施肥量对籽粒中可溶性糖与蔗糖却没有提升作用，这可能是由于调控蔗糖合成酶受到过高氮水平的抑制。李彦生等[27]研究发现，过多的氮素会抑制蔗糖磷酸合成酶的活力，不利于蔗糖合成，而单糖在籽粒中的累积量显著增加，抑制蔗糖合成酶、酸性转化酶和中性转化酶的活性，导致蔗糖代谢速度下降，不利于光合产物向籽粒中运输。这也符合本文研究中处理间蔗糖含量差异不显著而可溶性糖含量差异显著的现象。由此，在玉米-大豆轮作基础上，施肥，尤其是有机肥的长期施用，尽管不能提高蛋白质含量、蛋脂总和及蔗糖含量，但可以明显增加脂肪、游离氨基酸和可溶性糖含量，改善黑土农田大豆营养品质。

4 结 论

在玉米-大豆轮作基础上，化肥与有机肥的施用会影响大豆的营养品质，具体表现为：(1)增施牛粪有机肥对大豆的蛋白质含量、蛋脂总和及蔗糖含量的影响不显著；(2)有机肥的长期增施可以明显增加大豆的脂肪、游离氨基酸和可溶性糖含量，改善黑土农田大豆营养品质。