春大豆鼓粒至成熟期水分胁迫对结实和产量的影响

李秀芬 马树庆 于海 徐丽萍 陈凤涛 宫丽娟

(1.黑龙江省气象科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150030； 2.中国气象局东北地区生态气象创新开放实验室，黑龙江 哈尔滨 150030； 3.吉林省气象台，吉林 长春 130062； 4.吉林省气象服务中心，吉林 长春 130062；5.榆树市气象局，吉林 榆树 130400)

引言

大豆作为重要的油料和蛋白质作物，其生长速率、产量状况、品质和适宜栽培地理等都与气象条件密切相关。天气和气候变化对大豆的影响作为全球性的科学问题而备受关注[1-9]。气候条件对大豆生长和产量影响显著[10-11]，气候变暖导致大豆种植界限北移[3,7]，温度升高加速了大豆生长发育，吉林春大豆生长季平均气温每升高1 ℃，大豆生育天数缩短约5.4 d[5]；秋季平均气温升高对大豆增产具有积极的正效应[4]，但作物生长季平均最高气温或温差增加1 ℃时，有可能使内蒙古地区大豆减产87 kg·hm-2[12]；延迟播种能够减缓高温胁迫对印度大豆生产的不利影响[13-14]。大豆产量对水分条件反应敏感，干燥少雨和土壤干旱胁迫明显影响大豆的生长状态和产量[15-17]。播种—出苗期中度以上干旱明显延迟种子发芽的时间，致使出苗延迟或不出苗[18-21]。苗期干旱胁迫导致大豆幼苗矮小，叶面积指数、叶绿素含量降低[16,22-23]，根系活力下降[9]，导致大豆生物量累积受限[24]。开花—鼓粒期的旱涝与大豆产量波动密切相关[25]，盛花期干旱大豆植株生物量减少16%，鼓粒初期干旱生物量减少6%[26]；结荚期干旱胁迫持续时间越长，大豆植株生长受抑制情况越明显[23]；鼓粒期干旱会使大豆蛋白质含量和百粒重下降，脂肪含量升高[9]。

中国东北地区气候温凉，土壤较肥沃，适宜大豆栽培，是优质春大豆主产区，大豆播种面积、总产量均占全国的40%以上[27]。受季风气候的影响，该区域降雨变率大，多数县市春秋季雨水不足，经常发生大豆干旱[28]。大豆开花—鼓粒期耗水最多[29]，此间发生干旱大豆减产最大，鼓粒—成熟期缺水对品质影响最大。相关研究从不同角度揭示了大豆对水分等气象条件的反应特征[30]，但在气候变化和目前大豆品种、栽培措施背景下，鼓粒期后土壤干旱对东北春大豆产量形成的影响规律和干旱定量指标仍然不十分清晰。因此，配合东北地区大豆生产的恢复性发展，为大豆栽培管理和干旱防御提供科学依据，于2017—2018年在吉林省榆树市农业气象试验站开展夏秋季大豆水分控制试验，试图揭示土壤水分对大豆结实及产量的影响规律，提炼大豆夏秋旱土壤水分指标。

1 资料与方法

1.1 试验地概况

试验在吉林省中部的榆树农业气象试验站(44°51′N，126°31′E)进行，常年≥ 10 ℃活动积温为2933 ℃·d，无霜期为161 d，期间雨量472 mm。试验场距气象观测场150 m，试验地平坦，平均海拔为196.5 m，土壤为壤土，肥力水平中等，0—30 cm土层的土壤容重、田间持水量和凋萎系数依次为1.33 g·cm-3、25.6%和11.8%。图1为试验地所在地吉林省榆树市位置及地形图。

图1 试验地所在位置及地形Fig.1 Location and topographic of a test site

1.2 试验设计及田间管理

试验通过防雨棚和人工喷水控制土壤水分。防雨棚为钢架塑料拱棚，两端开放通风。棚脊高为2.0 m，棚底高为1.0 m，棚长为22 m，宽为9 m。降雨时及时遮盖棚顶防雨，雨后卷起，自然通风透光。棚内设6 个水分胁迫处理(图1)，棚外设1 个雨水+灌水处理(H1)和1 个自然雨养处理(H8)。每个处理小区3.0 m×3.5 m=10.5 m2，小区四周埋深度33 cm左右的塑料膜，防止横向水分渗透。供试大豆品种为当地主推的“吉育47”，中晚熟品种，适宜播种密度每公顷2.0×104株左右，耐旱性中等，播种至成熟所需≥ 10 ℃活动积温为2900 ℃·d，全生育期为138 d左右。试验田管理与当地普通大豆田一致。播种时施足底肥(长效复合肥)，肥量为50 g·m-2。两年均为5月7日播种(当地普遍播种期)，垄作，每小区5 垄，垄距为54 cm，株距为9.0 cm左右，密度为19 粒(株)·m-2，播种深度为5—6 cm。各小区播种至结荚期不盖棚，大豆生长在自然条件下，干旱时适量且等量灌水，使土壤水分基本适宜，不发生明显旱象。结荚后期开始水分控制，根据土壤湿度情况，用喷壶每隔5—10 d浇水1 次，每次最多灌水量换算成雨量20 mm左右，土壤湿润深度不超过30 cm，且无径流。通过灌水次数和灌水量使6 个水分控制小区呈现不旱、轻旱至严重干旱的梯度变化，依次标记为H2、H3、H4、H5、H6和H7区。各小区进入成熟初期时结束水分控制。表1给出了2017年和2018年各处理的灌溉时间及灌溉量。

表1 2017年和2018年各处理灌溉时间及灌溉量Table 1 Date and amount of irrigation for each treatment in 2017 and 2018

1.3 观测项目及资料处理

观测耕层土壤湿度(重量含水率)、大豆结荚数、空秕荚率、百粒重及产量，各项观测方法遵循《农业气象观测规范》[31]，单产由小区总产量换算。采用土钻法每隔5 d左右测土壤湿度，其中浇水前1 d和浇水后1 d必测。测得各小区成熟期大豆根系长度都不超过30 cm，因此采用0—30 cm层平均土壤湿度(0—10 cm、10—20 cm和20—30 cm 3 个土层湿度的平均值)。

1.4 研究方法

采用回归法分析产量结构对土壤湿度变化的反应，推算大豆鼓粒—成熟期干旱等级指标。为消除两年间土壤水分、气温、日照及管理可能存在的系统性偏差，各项分析均采用相对于当年棚内不旱小区(H2)的相对值，即

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2 结果分析

2.1 各处理土壤湿度和产量变化

两年内大豆播种至开花期都出现少雨时段，各小区经过浇水后都没有形成明显干旱，因此前中期土壤水分和气温条件对大豆生长没有明显不利影响。2017年大豆生长期间日均气温≥ 10 ℃积温为2940 ℃·d，降雨量为472 mm；2018年分别为3050 ℃·d和408 mm。大豆鼓粒始期至成熟期间，2017年(8月21日至9月23日前后)雨量仅46 mm，对照区发生干旱；2018年(8月17日至9月27日前后)雨量为134 mm，雨水比较充沛，对照区不旱。各处理土壤湿度和结实状况见图2和图3。土壤湿度梯度变化明显，鼓粒—成熟期间0—30 cm土壤湿度为11.8%—25.7%。各处理小区大豆产量结构要素及产量有明显差异，相对于棚内不旱小区(H2)的结荚数比率在53%—111%之间，差异很大，其中2017年重旱(H6)和特旱(H7)小区大豆空秕荚率达20%以上，是适宜区的2.5倍左右；各区百粒干重在19.4—23.9 g之间，相对百粒重在90%—111%之间，相对产量在69%—106%之间。

图2 各处理小区0—30 cm土层的土壤湿度Fig.2 Soil moisture at 0-30 cm soil depth in each treatment plot

株荚数单位为个；空秕荚率单位为%；百粒重单位为g图3 各处理大豆产量结构要素和产量Fig.3 Yield and its structure elements of soybean in each treatment

2.2 土壤水分胁迫对结荚和产量的影响

2.2.1 土壤水分对结荚率的影响

大豆生长期其他条件及其影响基本一致，因此认为各处理小区大豆结荚情况主要由鼓粒后水分胁迫决定。相对于棚内不旱小区(H2)而言，各处理的大豆荚数和有效荚数差异较大，与鼓粒—成熟期0—30 cm土壤湿度关系显著，呈近于线性的抛物线函数关系(图4)。在试验数据范围内(11.8%—25.7%)，土壤湿度每下降1个百分点，大豆单株荚数和有效荚数分别下降3.1和3.7个百分点。试验没有设渍涝灾害处理，没能甄别导致结荚下降的土壤水分上限。相对空秕荚率与土壤湿度的关系为反抛物线函数(图5)，在24%以下范围内，土壤湿度每下降1个百分点，相对空秕荚率上升9—10个百分点；土壤湿度20%—24%空秕荚率最低，高于25%空秕荚率有上升趋势。本试验没有细致观测结荚动态和幼荚变化，但在重旱、特旱区发现鼓粒—成熟期干旱影响结荚状况的两个现象，一是鼓粒期(8月20日前后)干旱抑制部分幼荚的幼粒膨胀，导致秕荚；二是干旱导致少部分豆荚脱落，单株荚数减少。

图4 单株相对有效荚数(a)和单株相对荚数(b)与土壤湿度的关系Fig.4 Relationships of relative effective pods per plant (a) and relative pods per plant (b) with soil moisture

图5 相对空秕荚率与土壤湿度的关系Fig.5 Relationship between relative empty pod rate and soil moisture

2.2.2 土壤水分对籽粒重的影响

土壤湿度在11.8%—25.7%范围内，大豆百粒重与鼓粒—成熟期土壤湿度呈线性相关(图6)，影响系数也不大，土壤湿度每下降1 个百分点，百粒干重下降0.21 g，相对百粒重下降0.8%。土壤湿度21%以上粒重较大，小于16%粒重明显偏低。干旱导致大豆光合作用和养分向籽粒运输速率下降或停滞是粒重降低的主要原因。

图6 大豆百粒重(a)和相对百粒重(b)与土壤湿度的关系Fig.6 Relationships of soybean 100-kernel weight (a) and relative 100-kernel weight (b) with soil moisture

2.2.3 土壤水分对单产的影响

在试验数据范围内(11.8%—25.7%)，大豆实际产量与土壤湿度呈正相关(图7)，但影响系数并不大。土壤湿度每下降1个百分点，大豆产量减产1.5个百分点。土壤湿度在22%左右产量偏高，可见雨量和土壤水分充沛有利于高产。试验显示，土壤湿度14%左右仍有80%左右的收成，可见尽管大豆比较喜水，但对后期干旱还是有一定耐受性的。

图7 大豆单产与土壤湿度的关系Fig.7 Relationship between soybean yield per unit area and soil moisture

2.3 大豆鼓粒—成熟期干旱等级指标及影响评估

根据作物干旱标准[32]把大豆鼓粒—成熟期干旱分为轻旱、中旱、重旱和特旱4个等级，本研究对应的减产率依次为5%—10%、11%—15%、16%—20%和20%以上。在试验控制土壤湿度范围内，考虑减产率梯度和土壤湿度样本尽可能均匀分配，得到不同干旱等级的土壤湿度范围(表2)。将大豆干旱等级标准[32]中的水分亏缺量指标换算成土壤湿度指标来比较，显示本试验获得的大豆干旱等级指标值略大(绝对湿度大2—3个百分点，相对湿度大3—5个百分点)。其主要原因，一是干旱持续时间有差异。本试验把鼓粒—成熟视为一个干旱阶段(惯称为夏秋旱)，一般为8月18日前后至9月末，较传统的秋旱时间长了一周左右。干旱损失程度取决于干旱强度和持续时间，持续时间长了，同一减产等级的土壤湿度偏高一点是合理的;二是本试验采用0—30 cm层土壤湿度，略偏浅一些;三是品种问题，以往干旱指标不针对某一具体品种。

表2 春大豆鼓粒—成熟期土壤湿度指标及其对应的结实状况Table 2 Soil moisture indexes of different droughts during pod filling to maturity of spring soybean and their corresponding fruiting conditions %

与以往指标比较，本试验重旱、特旱指标明显大于凋萎湿度，更符合大豆水分生理规律。用上述土壤湿度影响方程推测不同干旱级别的相对结荚率、相对百粒重和相对产量(表2)。由于土壤质地差异，业务上可以用土壤相对湿度大致估测大豆干旱等级，利用对应的结实状况描述其预期损失情况，开展大豆鼓粒—成熟期干旱影响定量评估。表2进一步明确显示，降低大豆结荚数，特别降低有效结荚率是鼓粒—成熟期干旱导致大豆减产的主要原因，而干旱对粒重的影响相对较小。

3 结论与讨论

(1)两年试验结果表明，大豆产量与鼓粒—成熟期间土壤湿度关系密切，0—30 cm层土壤湿度在11.8%—25.7%之间，相应的大豆单株荚数在54—108 个之间、单株空秕荚率在8.5%—28%之间、平均百粒干重在19.4—23.9 g之间、相对单产68.7%—106.0%之间变化。在田间持水量以下，大豆结荚数量、空秕荚率与鼓粒—成熟期间土壤湿度呈二次函数关系，百粒重、产量与土壤水分呈线性相关。鼓粒—成熟期间土壤湿度每下降1个百分点，大豆结荚数和有效荚数分别下降3.1和3.7个百分点，百粒重和单产分别下降0.8和1.5个百分点，空秕荚率上升9.3个百分点。土壤湿度22%—24%对增加荚数、降低空秕荚率、提升粒重和增产有利，土壤湿度25%以上易导致空秕荚率上升。鼓粒—成熟阶段0—30 cm土壤湿度在17%—19%、15%—16%、13%—14%和13%以下分别为轻旱、中旱、重旱和特旱，依次减产5%—10%、11%—15%、16%—20%和20%以上。大豆鼓粒—成熟期虽比较喜水耐湿，但试验结果显示“吉育47”品种后期耐旱能力较强。

(2)干旱胁迫试验结果表明，大豆结荚数、空秕荚率、粒重和单产对鼓粒—成熟期土壤水分反应比较敏感，在试验土壤湿度范围内(11.8%—25.7%)，产量与土壤水分正相关，水分充足利于结实，单产较高，干旱胁迫导致减产，原因是干旱导致结荚少、空秕荚增多和粒重下降。这些试验结果符合大豆生理生态特点，也符合作物气象原理[5,32]。试验还显示,鼓粒—成熟期干旱导致减产的幅度并不大，单位土壤湿度变化减产1.5%左右，土壤湿度接近凋萎湿度的条件下也有70%左右的收成，说明该品种大豆后期有喜水和耐旱的双重特性，对土壤水分的适应性较宽，这与相关研究结果有一致性[26,28]。但相关研究也有认为大豆后期抗旱能力偏弱，干旱会导致严重减产[33-34]，这可能与品种及所在地区的水分条件有关[35]。

本试验结果可视为对大豆干旱研究的补充、验证和发展，但也有其局限性，一是在试验设计上还可以更加细化；二是两年试验样本尚显不足，以致试验随机偏差影响比重较大，水分影响参数和干旱指标不够稳定。今后如果能沿着以下方向改进试验设计，会获得更全面、完善和创新性的试验成果。一是增加涝害处理，揭示影响大豆产量的土壤湿度上限及其致灾指标，建立完整的水分影响函数模式；二是在鼓粒—成熟期间再设短期旱涝处理，甄别半个月或10 d左右短期旱涝影响;三是增加不同旱涝条件下大豆光合产物形成、转运及鼓粒—成熟的时间动态变化，以进一步揭示旱涝减产机理。