冬小麦施氮水平对后茬大豆光合特性及产量的影响

房彦飞，符小文，徐文修，张永杰，安崇霄，杜孝敬，张 娜，厍润祥

(新疆农业大学农学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】近年来，受热量资源持续增加的影响，北疆麦后复播大豆的面积呈现不断扩大的趋势，尤其是伊犁河谷地区，麦后复种大豆面积占北疆的半数以上[1]。就麦后复播大豆如何施肥，一方面认为大豆本身为固氮作物，自身固定的氮素即可满足自身所需的氮素，表现为少施甚至不施氮肥；另一方面，未考虑上茬作物氮肥的后效作用，仍然按照单季作物施氮，易产生氮肥施用过量的问题。如何在一年两熟种植区充分考虑前茬作物的氮肥后效作用并兼顾后茬作物产量的基础上科学的周年施用氮肥,成为该地区目前亟待解决的问题之一。【前人研究进展】氮素作为大豆生长发育过程中需求量较大的元素，对植株生长及产量的形成起到至关重要的作用[2-3]。作物产量中90%～95%的物质来源于光合作用[4]，而氮素作为构建光合器官的关键因子，直接或间接的影响光合作用[5-6]。近几年，国内外针对施氮对作物光合和产量的影响已有了大量的研究，研究认为，大豆植株光合速率和产量之间存在显著的相关关系[7]，且氮肥在一定的范围内能够提高大豆[8-9]、玉米[10]、小麦[11]等当季作物叶绿素含量和光合生理指标，最终使作物增产。但针对一年两熟种植模式下两季作物施氮的问题，前人通过大量15N示踪试验研究证明，氮素的当季回收率为20%～87%，土壤残留率为10%～35%，甚至更多[12-14]。当季作物通过残留氮的多少影响到后季作物对其吸收利用，可能会间接的影响作物光合特性，最终影响产量的构成。肖厚军等[15]研究认为，后茬烤烟季应在充分考虑前茬水稻氮肥后效的基础上进行优化施氮，前茬水稻季施氮越多，烟烤季养分的后效越强，其生物性状最优，但产量以中氮处理下最好。孙政才和李志宏等[16-17]在冬小麦-夏玉米周年轮作体系的研究中认为，前后茬间隔时间较短，前茬小麦的氮肥后效可能对后茬玉米有较大的影响，夏玉米氮肥残留的多少是随冬小麦施氮量的增加而提高，在考虑小麦季氮肥后效的情况下，玉米季施氮量应适当调整。【本研究切入点】目前，关于施氮对作物光合特性及产量多集中于一年一熟制不同作物上的研究，前茬施氮对后茬影响的研究多集中于长江流域的稻-麦、稻-油及烟烤轮作模式，华北平原的冬小麦-夏玉米轮作及新疆地区麦后复播青储玉米等地区，且均未涉及到前茬施氮对后茬具有固氮作用大豆的作物光合特性等方面的研究。研究冬小麦施氮水平对后茬大豆光合性及产量的影响。【拟解决的关键问题】以北疆伊犁河谷地区小麦复播大豆为研究对象，设置冬小麦不同施氮量，研究后茬大豆光合特性及产量对前茬麦季施氮肥的响应，为北疆麦后复播大豆合理施氮、提高周年氮肥利用率和夏大豆产量提供理论依据和科学指导。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2016年10月～2017年10月在新疆伊犁哈萨克自治州伊宁县农业科技示范园进行，该试验地位于新疆西部，伊犁河谷中部，E 81°、N 44°之间，属中温带干旱型内陆山地气候，年均温度9℃，平均日照时数2 800～3 000 h，年均降水量257 mm，无霜期169～175 d。土壤0～40 cm耕层基本理化性质为：有机质17.4 g/kg，碱解氮119.4 mg/kg，速效磷9.9 mg/kg，速效钾105 mg/kg，pH 8.21。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，以冬小麦季施氮量为单因素，设置4个施氮水平(尿素用量)，分别为N0(0 kg/hm2)、N1(225 kg/hm2)、N2(375 kg/hm2)、N3(525 kg/hm2)，另设全年不施氮处理CK作为对照，共计5个处理。供试氮肥为尿素(含N 46%)，施氮量的40%做基肥，剩余60%在冬小麦拔节期和抽穗期分两次随水滴施。各处理3次重复，共15个小区，每个小区面积为5 m×4.5 m。冬小麦播种前结合翻地施入重过磷酸钙204 kg/hm2，除CK处理外，各处理于夏大豆季始花期一次性随水滴施尿素150 kg/hm2，两季作物灌溉均为滴灌，其他田间管理措施同当地大田。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 叶绿素值

分别于夏大豆的苗期、花期、荚期、鼓粒期选择晴天，在11：00～13：00时段采用日本产手携式SPAD-502型叶绿素仪，各小区选择3株大豆，夹取主茎上的倒3叶中间小叶片，测其SPAD值。测量时避开叶脉，取叶片的底部、中部与顶部记录其平均值。

1.2.2.2 光合特性

同测定叶绿素值的时间相同，选择晴天在11：00～15：00时段在自然光条件下采用英国PP Systems公司产CARIS-2型便携式光合仪测定。各小区选取3株大豆，测其主茎倒3叶的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)。

1.2.2.3 产量

于夏大豆成熟期分别在各处理每个重复内，选取长势均匀一致面积大小为1.0 m×0.6 m的3个点进行实收，计算出每个处理的产量；另在每个小区选取长势均匀一致的大豆植株连续10株进行室内考种，测定夏大豆单株荚数，单株粒数和百粒重等指标。

1.3 数据处理

采用Microsoft Execl 2010和Origin 8.5软件对试验数据进行处理和图表的制作，SPSS19.0软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 麦-豆周年施氮对夏大豆叶片SPDA值的影响

研究表明，各处理夏大豆叶绿素含量均随生育进程呈现先增后降的抛物线变化趋势，至荚期达到峰值。N2处理的SPAD值在各生育时期始终表现最高，N2处理较CK、N0处理分别平均高出12.56%、5.88%，且均达到显著差异(P<0.05)，其次是N1处理，而施氮量最高的N3处理SPAD值较N2处理反而平均下降了2.47%，但差异不显著。叶绿素含量的高低与氮肥密切相关，全年不施氮肥不利于大豆叶片叶绿素含量的增加，而仅大豆季施肥不能满足于夏大豆植株对土壤中氮素的吸收，但过高的氮肥也会造成养分不能被植株吸收，从而致使SPAD值下降。在N2处理下叶片氮素浓度达到最高，提高夏大豆功能叶片的光合作用。图1

图1 不同处理夏大豆叶片SPAD值
Fig.1 SPAD value of summer soybean leaves treated with different treatments

2.2 麦季施氮对夏大豆叶片光合特性的影响

2.2.1 净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)

研究表明，各处理夏大豆功能叶片净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)在各生育时期均表现为：花期>荚期>苗期>鼓粒期。比较各处理可知，N2处理的Pn和Tr在各生育时期始终表现最高；其中，N2处理的Pn较CK、N0处理平均增加了43.8%和21.17%，且与其他处理基本达到显著差异(P<0.05)，而Tr较CK、N0处理平均分别增加了70.41%和11.31%，且除花期外N2处理均与其他各生育时期各处理间基本达到显著差异。施氮最高的N3处理其Pn和Tr较N2处理反而平均下降14.72%和16.56%，麦季施氮水平对夏大豆Pn和Tr具有显著的后效影响，且麦季适宜的施氮能够保证夏大豆叶片具有较高的Pn和Tr，促进植株体内的物质循环与转运，提高叶片光合效率，促进光合产物的积累，为夏大豆的高产奠定良好的基础。图2

2.2.2 气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)

研究表明，各处理夏大豆气孔导度(Gs)均随生育进程呈现先增后降的抛物线变化趋势，至花期达到峰值。比较各处理可知，N2处理的Gs在各生育时期始终表现最高，N2处理较CK、N0处理分别平均高出64.86%和28.53%，且基本达到显著差异(P<0.05)，其次是N1处理，施氮量最高的N3处理Gs较N2处理反而平均下降了12.68%，除花期外均达到显著差异。前茬小麦施氮对后茬植株叶片气孔导度影响显著，不施氮或高施氮均会使得Gs较低，不利于气孔进行新陈代谢。

夏大豆胞间CO2浓度(Ci)与Pn、Tr及Gs呈现恰恰相反的变化趋势，即各处理夏大豆Ci均随生育进程呈现先降后增的变化趋势，至鼓粒期达到最高，而夏大豆鼓粒期Ci升高可能与生育后期北疆地区温度降低，功能叶片光合特性变差有关[18]。比较各处理可知，N2处理的Gs在各生育时期始终表现为最低，CK处理较N2、N3处理分别平均高出9.1%和6.17%，且均达到显著差异(P<0.05)，其次是N1处理，且在苗期各施肥处理间无显著影响。全年不施氮对夏大豆Ci影响较大，通过合理的增施氮肥可有效调节夏大豆叶片同化CO2的能力，增加植株可积累的生物量，进而提高产量。图3

注：同列小写字母为差异显著(P<0.05)，下同

Note: The lowercase letters mean significant difference at 0.05 level,the same as below

图2 不同处理夏大豆叶片净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)
Fig.2 Net photosynthetic rate (Pn) and transpiration rate (Tr) of different treated summer soybean leaves

2.3 麦季施氮对夏大豆产量的影响

研究表明，前茬小麦施氮主要影响到后茬大豆单株荚数和单株粒数，进而影响到最终的产量。夏大豆产量、单株荚数和单株粒数随麦季施氮量的增加呈现先升后降的一致变化趋势，均在N2处理达到最高。各项指标表现最好的N2处理的夏大豆产量、单株荚数、单株粒数较全年不施肥CK处理的分别增加26.17%、22.11%、18.60%，较麦季不施肥的N0处理分别增加了19.31%、7.71%、6.95%，且均与N2处理达到显著差异(P<0.05)，全年不施氮肥不利于夏大豆产量的提高，若麦季不施氮肥，仅大豆季施了氮肥也会显著影响夏大豆产量的提高。大豆虽然具有固氮作用，但其固定的氮素不能满足自身生长发育，不足以提高产量，而缺少麦季后移的肥效使得N0处理并未达到较高的产量。而施肥量最高的N3处理反而较N2处理夏大豆产量、单株荚数、单株粒数分别下降了13.67%、2.33%、3.70%，麦季过量施氮反而使得夏大豆单株荚数和单株粒数下降，最终导致产量也随之下降。前茬小麦施氮与否以及施氮量的多少对后季大豆产量及产量构成因素产生重要的影响，只有在N2处理下产量达到最高，满足夏大豆的氮素需求，不施、低施或高施均不利于其产量的提高。表1

图3 不同处理夏大豆叶片气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)
Fig.3 Stomatal conductance (Gs) and intercellular CO2concentration (Ci) of different treated summer soybean leaves

表1 麦季施氮下夏大豆产量及产量构成因素变化Table 1 Effects of nitrogen Application in Wheat season on yield and yield components of Summer Soybean

注：同列小写字母为差异显著(P<0.05)

Note: The lowercase letters mean significant difference at 0.05 level

3 讨 论

氮在农业生产中是重要的限制因素，而大豆作为需氮较多的作物之一，对其生长发育和后期产量的形成起到重要的影响[19-20]。主要通过施氮影响大豆叶片叶绿素含量而影响光合作用和干物质积累量，最终影响到大豆产量的形成。研究表明[21-22]，叶片SPAD值与叶绿素含量一致，SPAD值即可反映植株叶片叶绿素含量。大量研究表明[23-24]，叶片SPAD值随施氮量的增加而增加,但当施氮量达到较高水平后,对SPAD值的影响不显著，这与研究在不同作物上的的结果类似，即前茬麦季施氮促进了后茬大豆叶绿素含量，高氮处理则使叶绿素含量降低，但与中氮处理无显著差异。周凌云等[25]研究认为，施氮量保持在90 kg/hm2左右最为适宜，低氮处理可促进小麦光合，过多施用氮肥可使叶片细胞间CO2浓度下降，显著抑制叶片蒸腾和光合速率。宋飞等[26]研究指出，小麦叶片光合速率随施氮水平的提高呈现先增加后下降的趋势，施氮量为135 kg/hm2时光合速率最高。研究结果表明，夏大豆SPAD值和光合生理各指标在全年不施氮情况下最低，在夏大豆施肥情况下麦季各施氮水平表现为低氮促进和高氮抑制的作用，而中氮水平则表现最好，这与张娜[18]的研究结果一致。前茬麦季施氮量的多少可间接的影响后茬大豆净光合速率，进而增加光合产物的积累和籽粒的形成。

目前，有关施氮对不同种植体系下及不同作物产量研究的结果不尽一致。在一年一熟的种植制度下，研究表明，过多的氮肥投入不能对产量有显著的提高，反而可能会限制大豆自身的固氮能力，降低氮肥农学利用效率，适量氮肥的施用是保证大豆高产的前提[27-28]，但也有认为，大豆叶片氮素含量与光合能力呈正相关性，大豆产量随施氮量的增加而增加[29-31]。而对于一年两熟作物的研究认为，前茬施氮具有显著的后效，后茬作物产量随前茬氮肥水平的加大而提高，且增产显著[32-34]。徐阳等[35]针对稻麦周年高产合理施氮量的研究中认为，前茬稻季施氮量对小麦产量产生一定影响，在小麦季施氮量较低时，小麦产量随着前茬水稻季施氮量的增加而增加，而小麦季施氮量较高时，稻季施氮量的增高反而使后茬小麦减产。研究表明，全年不施氮肥不利于夏大豆产量的提高，但在后茬大豆同一施氮的条件下，其产量则随前茬小麦施氮量的增加呈现先增后降的趋势，这与前人在一年一熟作物上的研究结果一致，也与一年两熟作物上的研究结论大致相同，有些出入，可能与大豆本身的固氮特性、地域气候、种植方式及施氮量的不同有关。

4 结 论

前茬小麦施氮对后茬大豆具有后效作用，且当麦季施氮量为375 kg/hm2(N2)处理下夏大豆叶绿素含量，光合生理各指标表现最优，产量达到最高为3 164.64 kg/hm2，较全年不施肥处理(CK)和仅麦季不施肥处理(N0)分别增加26.17%和19.31%，而施肥最高处理的(N3)反而下降了13.67%。前茬小麦施氮多少对后茬大豆光合及产量具有显著的影响，当两季均不施氮、或麦季过低或过高施氮均不利于夏大豆光合性能及产量的提高。为了提高复播大豆产量，不仅需要考虑大豆当季的施肥量，同时需要参考前茬麦季作物的施肥量，统筹周年施肥量才能实现即有利于周年氮肥利用率的提高，也有利用促进大豆高产目的。