不同减源处理对套作大豆地下根瘤及地上植株生长的影响

王明玥，李轲逸，宋璐炘，陈 平，雍太文

（四川农业大学农学院/农业农村部西南作物生理生态与耕作重点实验室/四川省作物带状复合种植工程技术研究中心，成都 611130）

大豆作为我国重要的粮油作物，进口依存率高，我国人均耕地面积少、大豆种植成本高，因此改进大豆种植模式，降低进口依存率，对保证我国粮油安全有重要意义[1-2]。作为西南粮油主产省四川大豆发展迅速，但种植面积及作物经济系数难以大幅度增加，需进一步提高光能利用率以达到增产、增效[3]。套作大豆的发展有利于充分利用光热资源，提高复种指数、增加生态效益，实现玉米、大豆的双高产，是符合当地独特气候条件的技术再创新[4-5]。玉米/大豆套作模式下，玉米对大豆苗期的生长有抑制作用，大豆解除玉米荫蔽后有恢复性生长现象，其光合能力迅速恢复，碳同化物积累及转运速率增加，根瘤固氮能力提升，有利于降低与单作的灌浆差异[6-7]。大豆恢复性生长阶段，光合产物存在利用率提高及分配优化的调控现象，有助于延缓大豆的衰老，增强根瘤固氮，实现减肥、增产增效的目的[8]。阐明套作大豆生长及结瘤的调控机理，对弱光地区的间套作大豆推广有着不可忽视的推动作用[9]。

叶片是植物进行光合作用的主要营养器官，叶片光合能力的高低对植株生长发育及产量形成起着至关重要的作用[10]。前人对单作大豆进行减源处理发现，随叶面积减少的增多，植株有效荚数、有效粒数及百粒重的降低等就越明显，减产效果显著，但源对大豆的调控机制仍需进一步研究[11]。M.Kasai[12]在对大豆剪叶中发现，剪叶使库源比例增大，叶片碳水化合物显著增加，但叶片叶绿素含量和Rubisco含量均未受到显著影响。其他相关研究亦表明，植株光合产物的减少，会严重抑制其地上部的生长发育，刘婷等[13]对大豆进行荫蔽处理发现植株碳源合成减少后，大豆的干物质、叶面积及产量显著降低，植株倒伏严重。光合有机物分配的改变，也会对根瘤生长及其功能产生影响。大豆侵染细胞中的有机物质含量是影响根瘤菌固氮能力的主要因素，当淀粉粒大幅度减少时，根瘤菌固氮能力逐渐下降至结荚期开始衰老[14]。叶片作为提供碳源的主要器官，其分布优化、面积增加及光合能力提高均有利于根瘤的生长。张含彬、刘莹等[15-16]研究表明，合理施氮保证初花前期（R1）叶片生长，有利于减缓叶片脱落时间，增加植株对碳的固定及输出，提高根瘤固氮能力。根瘤持续固氮，使氮素向上运输至叶片及其他库器官，有利于延缓叶片衰老，促进地上部生长，达到互利共生[17-18]。

已有研究较多地比较了单套作大豆复光后的植株表型、生理变化[19]以及减源对植株生长发育[20]的调控。在玉米/大豆套作系统中，组成作物[21]、施氮量[22]以及作物生长调节剂[23]等改变，也能提高大豆的结瘤固氮能力。然而，前人对套作大豆光合有机物调控植株的生长研究，多集中在品种与产量上[24]，而地上部恢复光照后的补偿性生长的主要作用机理及地下根瘤对其的响应调控尚不清楚，需进一步研究。本研究以玉米/大豆带状套作模式为研究对象，参考单作大豆的掉叶时期及掉叶量，对套作大豆进行等比例剪叶处理，并设置不剪叶处理为对照，研究套作大豆掉落较晚的中下部叶片在恢复性生长阶段对叶片光合能力、根瘤生长及产量形成的影响。旨在探明套作模式中下部叶片对地上部能源分配及根瘤生长发育方面的作用，为套作大豆高产栽培提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

大豆材料选用荫蔽敏感性弱的晚熟大豆品种“南豆12”，玉米材料选用紧凑型玉米品种“登海605”，分别由四川省南充市农业科学院和山东登海种业股份有限公司提供[25-26]。

1.2 试验设计

试验于2020年在四川省现代粮食产业仁寿示范基地（30°04'N，104°16'E）进行，该地区属亚热带湿润季风气候区，年平均气温14.7℃。试验采用单因素随机区组设计，共5个处理，重复3次。记CK为单作大豆不剪叶处理，A为玉米/大豆套作模式下大豆剪叶处理，记A0为不剪叶，A1为R1期剪一次叶，A2 为 R1、R3期剪两次叶；A3为 R1、R3和 R5期剪3次叶，A1、A2和A3剪叶总面积分别占全株的10%、30%和50%，剪叶时间参考单作大豆的落叶情况。剪叶方法为，从下往上剪节位叶，保留大豆植株的分枝茎秆与叶柄，只剪除叶片。

试验于2020年6月播种，种植方式采用玉米/大豆带状套作，玉米、大豆每带种2行，带宽40 cm，玉米带与大豆带间距60cm，两带总宽2m，带长6m，小区面积12 m2，大豆株距10 cm，单作密度为20.0万株/hm2，套作密度为10.0万株/hm2。玉米株距20 cm，套作密度为5.0万株/hm2。大豆底肥施用氮肥80 kg/hm2、P2O560 kg/hm2、K2O50 kg/hm2，施肥方式为行间开沟施肥。生育期间，及时除草和防治病虫。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 根瘤的形态指标

于大豆鼓粒期（R6）取样，每个处理各取4株大豆植株，把地上植株从子叶节位剪下，地下部以根为中心掘取长方体土块（长80cm×宽40cm×深20cm），装入尼龙网袋中，用冷水快速淘洗干净，将零散根瘤与根上未摘取的根瘤摘取放入冰水中，并进行二次泥沙清洗，用纸巾吸干表面水分。

将每株大豆根瘤进行分散平铺拍照，用Image-Pro Plus软件进行处理换算分析不同处理下根瘤的直径与数量。

将R6期的大豆根瘤装入牛皮纸袋中，于烘箱105℃杀青30 min，85℃烘干至恒重，万分位电子天平测定其干物质重。

1.3.2 叶面积及SPAD

于R6期取4株长势相同的大豆植株，测定全株叶面积；将整株叶片自叶柄处剪下，分散平铺于白板上，用标尺标记好刻度，垂直于白板拍照，后期用Image-Pro Plus软件对照片进行分析，计算叶面积。

于R6期，采用SPAD-502型叶绿素仪测定叶片SPAD值，选取大豆植株叶片的最底部叶片、中部叶片（分别为 CK、A0、A1、A2、A3的主茎从上往下数第 6、6、5、4、3 节位，图 1）、最顶部叶片进行测量，其中底部与中部叶片分别测定受光面与不受光面，记为底阳、底阴、中阳和中阴。每个处理选取10株进行测定，夹取三出复叶的中间叶片，每片叶重复测6次，结果取平均值。

图1 套作大豆剪叶设计图Figure 1 Design drawing of cropping soybean leaf cutting

1.3.3 干物质及产量

于始粒期（R5）、成熟初期（R7）取样，各处理取4株，将大豆茎秆、叶片与豆荚分别装入牛皮纸袋中，105℃杀青30 min，在85℃烘干至恒重，用天平测定其干物质重。

于完熟期（R8），每个小区选取6株长势一致的大豆，测定相关农艺性状及产量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016进行数据整理及作图，SPSS 27.0进行数据统计分析（LSD，α=0.05）。

2 结果和分析

2.1 不同剪叶处理对大豆根瘤生长的影响

2.1.1 根瘤数量

R6期，与单作相比，套作大豆在光恢复后，根瘤数量显著增加，A0、A1、A2和A3分别较CK增加105.9%、67.0%、74.4%和10.3%（图2）。与套作不剪叶相比，套作剪叶处理会降低根瘤数量，剪叶越多，根瘤数量降低越显著，A3比A0降低46.4%。

图2 R6期不同剪叶处理下的大豆根瘤数量Figure 2 The amount of nodules soybean root nodules under different leaf cutting treatment at R6 stage

2.1.2 根瘤直径

由表1、图3可知，在R6期，单作大豆根瘤的平均直径及大直径根瘤数量占比高于套作的，套作大豆各处理之间，根瘤平均直径及大直径的根瘤占比随剪叶数量的增加而降低。其中A0、A1、A2和A3较CK降低了3.0%、8.1%、8.3%和10.0%。由表1来看，CK各粒径根瘤数量分布较为平均，而套作各处理的各粒径根瘤的数量分布主要集中于根瘤大小为2～4 mm及4～6 mm的范围内，随剪叶数量的增加，分布更集中，数量更多，小直径根瘤占比增加，使根瘤平均直径降低。

表1 R6期不同剪叶处理下大豆根瘤各粒径的数量及平均直径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

根瘤的固氮能力与其生物量大小有一定关系。由图3所示，R6时期下大豆套作的根瘤干重高于单作，套作各处理之间随剪叶数量的增加，根瘤干重降低。A0较CK显著增加106.5%，A1、A2和A3较CK增加39.5%、27.6%和4.7%。

图3 R6期不同剪叶处理下的大豆单株根瘤干重Figure 3 Root nodule weight per plant under different leaf cutting treatment at R6 stage

2.2 不同处理下大豆地上部积累的变化

2.2.1 全株叶面积及SPAD

R6期，套作大豆植株叶面积相对单作降低，且随剪叶数量的增加而降低（图4）。A0较CK减少4.7%，差异不显著，A1、A2、A3较CK则显著减少23.9%、44.0%和46.0%。

图4 R6期不同剪叶处理下的大豆单株叶面积Figure 4 Leaf area per plant of soybean under different leaf cutting treatment at R6 stage

由图5所示，大豆底部叶片SPAD值单套作各处理间无显著性差异；中部叶片单作处理的SPAD值显著高于套作各处理，套作各剪叶处理之间无显著差异；顶部叶片单作的高于套作的，各套作处理之间差异不显著。从单作大豆的SPAD值可以看出，单作大豆的光合能力呈纺锤形，是由相互遮阴的株形因素引起的。套作大豆中下部叶片剪叶后，由纺锤状株形变为半圆形，植株底部的SPAD数值测定节位升高，剪叶越多，测定位点越高其总叶绿素含量越高。

图5 R6期不同剪叶处理下大豆叶片SPADFigure 5 Soybean leaf SPAD under different leaf cutting treatment at R6 stage

2.2.2 干物质质量

地上部生物量的大小一定程度上可以反映大豆植株对荚果及根瘤的供源能力。如图6所示，R5期大豆的荚果干重在各处理之间差异不显著，套作剪叶处理下的叶与茎的干物质重与单作相比显著降低，套作剪叶处理之间差异不显著，其中A0、A1、A2和A3叶片干物质重较CK的降低67%、0、70.7%、67.9%和71.8%。

图6 不同剪叶处理下的大豆干物质重量Figure 6 Dry matter weight of soybean under different leaf cutting treatment

R7期，单作叶片脱落较为严重，套作大豆叶片干物质重升高，但随着剪叶数量的增加而显著降低，CK的叶干重较A0处理降低31.2%；与单作相比，套作大豆的茎、荚干重均呈降低趋势，且随剪叶数量的增加而显著降低，A0、A1、A2和A3的茎干重较CK的降低10.4%、42.4%、48.1%和62.9%，A0、A1、A2和A3的荚干重较CK降低5.1%、40.5%、51.2%和75.0%，表明中下部叶片的增加，对套作大豆解除荫蔽后的茎、叶和荚的生长有着显著促进作用。

2.3 大豆产量及产量构成

由表2所示，在R8期，与单作大豆相比，套作大豆产量呈降低趋势，且随剪叶数量的增加而显著降低，A0、A1、A2和 A3分别较 CK的降低 5.3%、13.0%、16.5%和17.5%。A1、A2和A3分别较A0的降低8.1%、11.8%和12.9%。在分枝数方面，剪叶处理与对照差异不显著，套作不剪叶和适度剪叶有助于粒数增加，A0相对单作增加4.7%。

表2 不同剪叶处理下的大豆产量构成Table 2 Soybean yield composition under different treatment

3 讨论

根瘤固氮、土壤及肥料中的氮是大豆生长发育的主要氮素来源，其中根瘤固氮能力最强，直接影响植株后期的生长及产量的增加[27]。玉米与大豆对氮源竞争的根系互作效应会抑制套作大豆前期的根瘤的生长及固氮能力[28]，同时大豆根瘤本身生长到一段阶段也会有抑制现象产生。H.Fujikake等[29]研究发现叶片光合产物的增加有利于减弱根瘤的生长抑制作用，本研究对套作大豆剪叶反向证明这一观点，随着剪叶的增加，大豆根瘤数量、根瘤直径与根瘤干重均有降低。韩善华[30]的研究表明供源能力越弱的豌豆植株，根瘤侵染细胞的固氮能力越差，根瘤的生长抑制作用越严重。推测根瘤数量及平均直径的降低可能是由于碳源的减少，不利于光合产物向地下部的分配。本试验中CK的根瘤数量在R6期显著低于A0，但干物质与其他剪叶处理之间差异不显著，可能是由于CK前期供源充足，有利于大直径根瘤的生长，这与王桂花[31]的实验结论相似。同时，庞婷[32]研究发现大豆套作条件下中下部叶片较单作条件下衰老脱落较慢，表明玉米/大豆套作种植下，大豆可以通过比单作中下部掉落慢的叶片进行光合作用增源，满足地下部根瘤对源的需求，增加大豆根瘤的数量与平均直径，从而达到地上部和地下部之间营养物质的调节。

叶片是植物进行光合作用，产生有机物质的重要器官，其生长及分布影响着植株地上部的生长。前人研究表明，少量剪叶可以促进叶片增长速率增加，使有机物向地上部分配增大[33]。不同剪叶部位及时期对大豆产量所造成的影响不同[34]，这与本试验剪叶处理后，叶面积及根瘤数量降低不呈等比例下降的试验结果有一定相似之处。试验表明，剪叶后全株叶面积有小幅度增加现象，可能是大豆在剪叶的刺激下，产生相关自我保护补偿机制，使得茎叶生长形态产生改变，以满足供应更多有机物质的需求。植株虽然有一定的自我补偿能力，但不足以弥补剪叶造成的影响，依旧有产量下降等现象出现，这与V.Srinivasa、傅金民等[35-36]研究结果相似。地上部干物质的积累与分配一定程度上能反应地上部生长情况，本试验研究中，地上部源的减少也使植株地上部的生长发育发生变化，具体表现在干物质重减少、叶面积降低等问题，这与吕书财等[37]在大豆植株有机物质合成减少后，植株进行光合的主要影响因素变化相似。推测随着剪叶的增加，不同地上部器官的干物质重下降比例不同，可能是由于弱光环境下的大豆其光合产物会优先分配给植株的地上部，促进茎、叶生长，以获得更多的光照，来满足同化作用的需求[38]。

大豆籽粒产量受单位面积株数、百粒重、单株粒数和分枝数等因素影响，大豆植株源流库三者之间的合理分配有利于大豆的生长发育[39]。套作大豆剪叶处理使得供源能力减弱，导致百粒重、单株粒数等影响减少，降低大豆产量。赵红梅等[40]研究发现对一个特定品种而言，在合适的栽培条件下，荚粒数的改变较小，影响较大的是籽粒大小、籽粒灌浆速率和有效灌浆时间。本试验中各处理间的分枝数差异不显著，粒数随着剪叶强度增加呈显著降低趋势，最终导致单、套作产量在不剪叶（A0）时差异不显著，而套作剪叶后产量显著降低。综上所述，套作大豆剪叶处理后将会同时抑制中下部叶片对地上部茎叶生长及地下部根瘤发育的补偿调控，降低植株固碳固氮的能力，进一步影响结荚鼓粒和产量形成，但其具体调控机理，还需进一步实验证明。

4 结论

与单作相比，套作大豆解除荫蔽后的补偿性生长主要是由根瘤的生长起主要作用。R6期，A0较CK的根瘤数量、干物质重增加，SPAD、叶面积及根瘤平均直径差异不显著，产量下降5.3%。随套作剪叶数量的增加，地上地下生长均受到抑制，地下部根瘤的数量、干物质重、平均直径及地上部的叶面积、植株干物质重较A0显著降低，导致植株供源能力不足，产量降低8.1%～12.9%。在玉米/大豆套作模式下，可以选用叶片衰老较晚的大豆品种或采用增源扩库技术，来促进套作大豆恢复性生长，达到增产、增效的目的。