施氮量对绿豆光合特性、磷钾素吸收利用及产量的影响

纪祥龙，张吉立，蒋雨洲，王鹏

（黑龙江八一农垦大学农学院，大庆 163319）

绿豆（Vigha radiata L.）属于豆科（Legumihosae）豇豆属（Vigha）一年生栽培种，为我国主要的杂粮作物之一[1-2]。其营养丰富，属药食同源的食用豆类作物，是理想的营养保健食品[3-4]。由于绿豆具有生育期短、播种范围广、耐旱耐瘠薄、适应性强等特性，成为国际市场的高附加值产品[5]。前人研究已筛选了松嫩平原半干旱区绿豆高产的适宜播期、种植密度及品种[4，6]，但不合理施肥仍制约着绿豆的生产。绿豆对氮素需求敏感，叶卫军等[7]研究发现，高氮的处理显著降低绿豆根瘤菌的干鲜重。其中豆科作物每年的共生固氮数量可达75~150 kg·hm-2[8]，而足量氮素会对根瘤原基发育成根瘤产生抑制作用[9-10]，使根毛减少和变形[9]，阻滞根瘤菌的固氮酶活性[11]。适量氮肥可促进大豆植株光合器官的发育，增强固氮酶活性来补偿根瘤量的损失，延长了大豆根瘤菌固氮周期[12]。刘煜祥等[13]研究发现，不同株型绿豆品种均以30 kg·hm-2中氮的处理的产量及生育性状最佳。因此，合理施氮能平衡绿豆同化根瘤氮和土壤（肥料）氮的双重氮源，起到减肥增产的作用[14]。

光合作用是作物产量的原动力[15]，不同施氮处理对豆科植物光合速率产生较大影响，王晓伟等[16]发现，用氮肥营养液淋浇大豆，中氮的处理（45 mg·L-1）光合速率较高且维持时间较长，低氮的处理（90 mg·L-1）生育后期光合速率升高，过量施用氮肥（135 mg·L-1）则起到负面效应，降低中后期CO2吸收速率。雍太文等[17]研究认为，氮肥减施有助土壤硝态氮的积累，为大豆提供足够的氮源，有助于提高豆类光合作用，进而直接影响光合和植株的生长状况。罗亚勇等[18]研究认为，绿豆叶片Pn 在光合日变化中具有较强的调节能力，进而能适应干旱强光照条件。松嫩平原西部的绿豆种植方式机械化程度高，但是施肥量大多还仅凭经验，没有可靠的理论依据。有研究发现高施磷钾肥能起到以磷促氮、以钾促氮的目的[19]，其中较高磷钾肥施入却增加了肥料投入成本。氮素作为叶绿素和光合作用酶的组成元素，直接影响作物的光合作用，适量的磷、钾元素可提高豆科作物光合能力，调节气孔开关[20-21]。豆科作物固氮量高，氮肥施入过高则抑制根瘤菌形成，影响光合能力，不利于磷钾合理分配[22-23]，而适量氮肥用量可促进豆科作物前期生长[24]。结合松嫩平原西部区的气候环境和习惯施肥情况，在研究施氮量对绿豆叶片光合特性值的影响下，进一步探讨对氮素积累和磷钾元素的吸收分配状况。旨在筛选适合松嫩平原西部半干旱区绿豆栽培的氮肥用量，为绿豆合理施氮和高产栽培提供一定的理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试试验所用绿豆品种为小明绿，由黑龙江八一农垦大学农学院提供。所选用氮肥为尿素（N=46%），磷肥为重过磷酸钙（P2O5=46%）；钾肥为硫酸钾（K2O=50%）；大田试验于绥化管理局和平牧场试验田进行，于 2019 年 5 月 28 日播种，8 月 21 日成熟收获；盆栽试验于黑龙江省大庆市黑龙江八一农垦大学校内盆栽试验场进行，盆栽土壤取自绥化管理局和平牧场试验田，于2019 年6 月1 日播种，8 月26 日成熟收获。大田试验和盆栽试验的土壤类型均为风砂土，土壤基本理化性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic chemical properties of tested soil

1.2 试验设计

盆栽试验：根据申建波等的《植物营养研究方法》[25]，盆栽试验的施肥量一般为大田2~3 倍，结合试验土壤条件，认为盆栽试验中2 倍大田施肥量即可满足绿豆对肥料的影响，故采用完全随机设计，设空白：T1（N=0 g.株-1）、低氮：T2（N=0.23 g·株-1）、中氮：T3（N=0.29 g·株-1）、高氮：T4（N=0.35 g·株-1）4 个施氮水平，磷（P2O5）、钾（K2O）肥用量均分别为0.35、0.18 g·株-1。供试土壤过0.01 m 筛后与肥料混匀后装盆，盆长×宽×高为 0.45 m×0.30 m×0.18 m，每个处理4 盆，每盆土壤干重为25 kg，出苗后每盆保留6 株长势一致的绿豆，分2 行种植，每行3 株，株距0.08 m，行距0.15 m。

田间试验：采用完全随机设计，3 次重复，设空白：T1’（N=0 kg·hm-2）、低氮：T2’（N=30 kg·hm-2）、中氮：T3’（N=38 kg·hm-2）、高氮：T4’（N=46 kg·hm-2）4个施氮水平，磷（P2O5）、钾（K2O）肥用量均分别为 45、22.5 kg·hm-2，肥料混匀后作为底肥距离种子5 cm 侧沟施入。小区面积为 16.25 m2，行长 5 m，4 行区，垄间距 0.65 m，株距 0.06 m，共计 25.6 万株.hm-2。

1.3 测定项目及方法

于初花期（7 月 21 日）、初荚期（7 月 31 日）、鼓粒期（8 月 12 日）、成熟期（8 月 26 日）取样测定盆栽试验绿豆植株不同器官的干质量和氮、磷、钾养分含量以及土壤速效磷、速效钾含量。每个处理随机取6 株，以相邻2 株的平均值作为1 次重复值，共计3 次，绿豆各器官70 ℃烘干至恒重后测定干质量，之后采用浓硫酸-过氧化氢进行消煮，开氏法测定绿豆各器官的氮含量，钒钼黄比色法测定绿豆各器官的磷含量，火焰光度法测绿豆各器官钾含量；取2 株中间0.18 m 深的混匀新鲜土样，经自然风干后过1 mm 孔径筛，采用碳酸氢钠法测定土壤有效磷含量[26]，采用NH4OAc 浸提-火焰光度法测定土壤速效钾含量[22]。

于初花期、初荚期、鼓粒期，采用乙醇提取法[27]测定盆栽试验绿豆植株倒三叶的叶绿素含量，采用便携式光合仪（LI-6 400）于晴天 9：30~10：30，测定盆栽试验绿豆植株倒三叶的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间 CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）。每处理随机取6 株测定，求平均值。

大田试验于成熟期在每个小区中间2 行连续取长势均匀的10 株，共计20 株，测定成熟期绿豆产量、干物质积累量及各器官氮、磷、钾养分含量。

1.4 数据分析

采用Excel 2010 进行数据处理及作图，用SPSS 17.0 进行统计分析，处理间差异采用单因素方差法进行分析，用Duncan’s 法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同施氮水平对产量及植株干物质量的影响

大田及盆栽试验结果（表2）表明，3 个施氮处理较空白处理相比均能显著提高绿豆植株干物质量和产量。随施氮量增加，绿豆植株干物质量呈增长趋势；盆栽试验中，不同施氮水平T2、T3、T4 的产量较T1 分别显著提高 33.8%、37.9%、28.2%，其中 T3 产量最高，较T4 增加7.5%。大田试验中产量变化趋势与盆栽试验一致，T2’、T3’、T4’的产量较 T1’分别显著提高 12.4%、26.7%、20.7%，T3’产量最高，较 T4’增加4.9%。表明过高施氮量使绿豆植株旺长却不利于产量增加。

表2 不同施氮水平对产量及植株干物质量的影响Table 2 Effects of different nitrogen application levels on yield and dry weight of plant

2.2 不同施氮水平对绿豆氮素积累的影响

大田及盆栽试验结果（图1）表明，氮肥施入均能显著提高绿豆植株和籽粒中的氮素积累量，并随施氮量增加植株总氮积累量呈增长趋势，而籽粒中氮素含量呈先升高后降低趋势。盆栽试验中，T2、T3、T4的籽粒氮素积累量较T1 分别显著提高34.4%、36.1%、29.0%，其中T3 籽粒氮素积累量最高，且较T4 增加 5.5%。大田试验中，T2’、T3’、T4’的籽粒氮素积累量较T1’分别显著提高14.3%、24.8%、20.5%，T3’籽粒氮素积累量较T4’增加3.5%。表明过高氮肥施入虽增加了植株内的总氮含量却并不利于籽粒氮素积累。

图1 不同施氮水平对绿豆氮素积累的影响Fig.1 Effects of different nitrogen application levels on nitrogen accumulation in mungbean

2.3 不同施氮水平对绿豆叶片叶绿素含量的影响

叶绿素是绿豆进行光合作用的主要色素，在光吸收中起核心作用。由表3 可知，随生育进程的推进，绿豆叶片叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量呈先增加后减少的趋势。初花期，随着施氮水平的提高叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量呈增长趋势，其中T4较T3 分别显著提高12.9%、18.6%、14.3%。与T1 比较，3 个施氮处理总叶绿素含量提高12.4%~34.8%，且均达到显著水平。初荚期，T4 总叶绿素含量相对低于T2 和T3。鼓粒期，T4 叶绿素含量表现最高，植株有贪青徒长趋势，T3 叶绿素含量较初荚期的降幅最高，更有利于籽粒的形成。其中3 个生育时期叶绿素a/b 均以T1 最高，表明不施氮肥可以相对提高植株对红光的吸收率，能适应干旱强光环境。

表3 不同施氮水平对绿豆生育期内叶绿素含量的影响Table 3 Effects of different nitrogen levels on chlorophyll content of mungbean during growth period

2.4 不同施氮水平对绿豆叶片光合特性的影响

由图2 看出，各处理绿豆叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间 CO2浓度（Ci）均表现为初花期最高，蒸腾速率（Tr）受气温影响，初荚期表现最高。初花期和鼓粒期，绿豆叶片Pn 随施氮量增加表现为递增趋势，与T1 相比，施氮处理分别在2 个时期分别显著提高9.7%~16.2%和8.8%~43.9%；初荚期T4 与T1、T2 无显著差异，但均显著低于T3。初花期绿豆叶片Gs 随施氮量增加呈递增趋势，施氮处理较T1 处理显著提高20.5%~60.5%，初荚期T3 处理比T1 处理显著提高27.5%，鼓粒期T2、T4 分别较T1显著提高17.8%、48.3%。初花期各处理绿豆叶片Ci无显著差异，初荚期T3、T4 分别较T1 显著降低21.6%、20.6%，鼓粒期T3 显著低于其它处理。与Pn、Gs 趋势相近，初花期施氮处理绿豆叶片Tr 较T1 显著提高14.9%~38.9%，初荚期T3 较T1 显著提高24.4%，鼓粒期T4 较T1 处理显著提高33.0%。

图2 不同施氮水平对绿豆生育期内光合特性的影响Fig.2 Effects of different nitrogen levels on photosynthetic characteristics of mungbean during growth period

2.5 不同施氮水平对绿豆植株磷积累分配及籽粒磷积累量的影响

由表4 可见，盆栽试验中随着生育时期推进，植株磷积累量和荚粒磷含量呈递增趋势，绿豆植株茎叶磷含量从初荚期到成熟期呈下降趋势，T1、T2、T3分别下降38.6%、38.3%、33.1%，且于初荚期到鼓粒期的降幅最大，其中T4 于鼓粒期到成熟期下降13.4%，表明从初荚期到成熟期，绿豆茎叶磷元素一部分向生殖器官运输。成熟期，随施氮量提高，绿豆植株磷积累量呈增长趋势，与 T1 相比，T2、T3、T4 分别显著提高25.0%、19.8%、28.3%，施氮处理间T4 磷积累量最高，但较T2 与T3 处理无显著差异。大田试验中绿豆植株磷积累量与盆栽试验变化趋势一致，与 T1’相比，T2’、T3’、T4’分别显著提高 25.4%、28.0%、52.5%，且呈递增趋势。表明氮肥用量增加促进绿豆对磷的吸收。

表4 不同施氮水平对绿豆植株磷积累及分配的变化Table 4 Changes of phosphorus accumulation and distribution in mungbean plants during growth period under different nitrogen levels

续表4 不同施氮水平对绿豆植株磷积累及分配的变化Continued table 4 Changes of phosphorus accumulation and distribution in mungbean plants during growth period under different nitrogen levels

由图3 可知，大田试验与盆栽试验看出中量氮施入的籽粒磷积累量均表现最高，盆栽试验中T3 较T4 提高 8.6%。T2、T3、T4 籽粒磷积累量较 T1 分别提高26.3%、32.7%和22.2%，且达到差异显著水平。大田试验中T3’籽粒磷积累量最高，较T4’提高2.8%。T2’、T3’、T4’籽粒磷积累量较 T1’分别显著提高6.2%、9.6%和6.6%，其中盆栽试验施氮影响磷积累量的增长幅度高于大田试验。

图3 不同施氮水平对绿豆籽粒磷积累量的影响Fig.3 Effects of different nitrogen levels on phosphorus accumulation in mungbean plant and grain

2.6 不同施氮水平对绿豆植株钾积累分配及籽粒钾积累量的影响

由表5 可见，盆栽试验中随生育时期的推进，绿豆植株钾积累量和荚粒钾积累量逐渐增加，茎叶钾含量呈先升高后降低趋势。成熟期，随着施氮量提高绿豆植株钾积累量呈升高趋势，T3 与T4 植株钾积累量无显著差异，T2、T3、T4 植株钾积累量较 T1 分别显著提高 10.6%、20.7%、22.5%，T3 和 T4 较 T2 分别显著提高 9.1%和 10.8%。大田试验中，T2’、T3’、T4’植株钾积累量较T1’分别显著提高13.7%、37.6%、44.3%，T3’和T4’较T2’分别显著提高21.1%和26.9%。

表5 不同施氮水平对绿豆植株钾积累及分配的变化Table 5 Changes of potassium accumulation and distribution in mungbean during growth period under different nitrogen levels

续表5 不同施氮水平对绿豆植株钾积累及分配的变化Continued table 5 Changes of potassium accumulation and distribution in mungbean during growth period under different nitrogen levels

由图 4 可知，盆栽试验中，T2、T3 和 T4 较 T1 籽粒钾积累量分别显著提高19.5%、38.5%和30.8%。随施氮量增加，绿豆单株籽粒磷积累量呈先升高后降低的趋势，以T3 表现最高，较T4 提高了5.9%。大田试验中 T2’、T3’和 T4’较 T1’籽粒钾积累量分别显著提高15.5%、22.0%和19.7%。随施氮量增加，绿豆单株籽粒磷积累量以T3’表现最高，较T4’提高了1.9%。其中盆栽试验氮用量对绿豆籽粒钾积累增长幅度的影响更加明显。

图4 不同施氮水平对绿豆植株及籽粒钾积累量的影响Fig.4 Effects of different nitrogen levels on potassium accumulation in mungbean plant and grain

2.7 不同施氮水平对土壤速效磷及速效钾含量的影响

由图5 可知，随生育时期的推进，土壤速效磷含量呈下降趋势，鼓粒期，随着施氮量增加，土壤速效磷含量总体呈下降趋势，成熟期，T1 土壤速效磷含量分别较 T2、T3 和 T4 显著高出 41.1%、19.8%和39.5%，表明土壤速效磷含量随植株磷积累量增加而降低。各处理土壤速效钾含量均于鼓粒期表现最低，初花期各处理土壤钾含量无显著差异，成熟期T3 土壤速效钾含量分别较T1、T2 和T4 显著提高22.1%、11.2%和15.8%。对成熟期相较于播种前的供试土壤比较中，T1 的土壤速效磷含量提高7.0%，而T2、T3、T4 分别降低了 24.0%、10.9%、23.3%；T1 土壤速效钾降低了 1.9%，而 T2、T3、T4 分别提高了 7.7%、19.7%、3.4%；表明氮肥施入降低土壤速效磷含量，提高了土壤速效钾含量。

图5 不同施氮水平对土壤速效磷及速效钾的影响Fig.5 Effects of different nitrogen levels on soil available phosphorus and available potassium

2.8 绿豆植株磷、钾累积量与土壤速效磷、速效钾含量的相关性分析

结合表6 分析，土壤速效磷含量与植株磷积累量呈极显著负相关性，土壤速效钾含量与植株钾积累量无显著相关性。植株磷积累量与植株钾积累量呈显著正相关，植株钾与土壤速效磷含量呈极显著正相关。表明当磷、钾肥施入水平一定时，成熟期随着绿豆植株磷的积累，土壤速效磷含量呈下降趋势，且植株磷和钾积累量互相提高。

表6 绿豆植株磷、钾累积量与土壤速效磷、速效钾含量的相关性分析Table 6 Correlation analysis between accumulation of phosphorus and potassium and content of available phosphorus and available potassium in soil

3 讨论

豆科作物生育前期根瘤菌少，需要从土壤中吸取较高的氮养分，在结荚初期根瘤固氮能力逐渐达到高峰[28]。由于豆科作物具有同时同化根瘤氮和肥料氮双重氮源的生理特性[12，29]，过高的施氮量会抑制根瘤菌的形成，导致植株光合能力下降，影响正常的碳氮代谢，最终导致产量降低[30]。试验结果表明，高氮的处理能促进植株干物质量积累和植株总氮素积累，但不利于绿豆产量和籽粒中氮积累量的提高，在对大田和盆栽试验分析中，高氮的处理较中氮的处理相比，产量分别降低4.9%和7.5%，籽粒氮积累量分别降低3.5%和5.5%。前人研究发现氮肥施入可通过调节养分的源库关系使绿豆获得高产，而继续增施氮肥将减少绿豆产量及籽粒氮含量[7，13]。同时马东辉等[31]和崔亮等[32]也分别对小麦和马铃薯研究发现，高氮肥施入会造成植株徒长，而适宜的氮肥用量更有利于籽粒及块根干物质形成。

盆栽试验的叶绿素含量及光合特性发现，初花期绿豆叶片的叶绿素含量、净光合速率、气孔导度及蒸腾速率均随施氮量增加而提高。究其原因，根瘤菌形成初期，根瘤固氮量少，高氮的处理有利于提高绿豆植株叶绿素含量和光合作用[28]。初荚期，当根瘤固氮增强时，高氮的处理叶绿素含量与光合特性指标显著低于中氮处理，表明高氮的处理可能通过影响根瘤固氮进而降低初荚期的光合能力，合理施氮量可以通过平衡绿豆根瘤氮和土壤氮，使绿豆生长最佳。鼓粒期，随根瘤菌固氮活性降低，高氮的处理的叶绿素含量及光合特征值均有提升，使绿豆在生育后期徒长，不利于生殖器官干物质和养分的转运积累，造成产质量降低。这与薛盈文等[33]的研究结果相似。

对磷、钾含量数据分析发现，初荚期后，茎叶中的磷、钾会向生育器官中转移，绿豆整株磷、钾的积累随施氮量提高有递增趋势，而籽粒中磷、钾吸收量均以中氮的处理表现最高。大田和盆栽试验表现出不同施氮水平对籽粒磷、钾积累量的趋势相一致。中氮的处理的籽粒磷和钾积累量较高氮的处理分别提高2.8%、8.6%和1.9%、5.9%。表明适量的氮素施入通过增强初荚期绿豆的光合作用，降低鼓粒期的光合能力，有效促进了籽粒中磷钾元素转移积累，当氮素施入过高，虽然使植株生长旺盛，光合能力增强，促进了绿豆植株对磷钾总含量的积累，却不利于磷钾元素向籽粒中转移。刘煜祥等[13]研究也发现高氮的处理有利于绿豆植株氮、磷、钾吸收积累，却降低了绿豆单株荚数、单株粒数、单株粒重及产量。相对应处理中，大田试验绿豆干物质及磷、钾养分积累量高于相应处理的盆栽试验，原因是由于盆栽土壤营养体相对偏小，相对于大田试验比较，减少了植株根系伸长空间，影响了养分的吸收，刘元生等[34]也有相似的研究结果。试验中土壤速效磷含量在整个生育期呈递减趋势，成熟期，在对绿豆植株磷、钾累积量与土壤速效磷、速效钾含量的相关性分析表明，植株磷和植株钾的吸收量呈显著正相关，土壤速效磷含量随植株磷积累增加而逐渐减少，这与施入土壤中的磷肥被土壤固定有关[35]，土壤不能及时补充被植株吸收利用的速效磷。但是植株钾积累并不影响土壤速效钾的剩余量。

4 结论

（1）随施氮量增加，绿豆植株干物质积累量、植株氮磷钾总积累量均呈增长趋势；大田试验中，中氮的处理（N=38 kg·hm-2）的产量和籽粒氮磷钾积累量表现最高，较高氮处理（N=46 kg·hm-2）分别提高4.9%、3.5%、2.8%和1.9%。

（2）盆栽试验中，中氮处理（N=0.29 g·株-1）可通过增加初荚期的叶绿素含量来提高绿豆的光合能力，能及时降低鼓粒后期的叶绿素含量，避免生育后期绿豆植株旺长，有效促进氮磷钾养分朝生殖器官中转移，使籽粒氮、磷和钾含量较高氮处理（N=0.35 g·株-1）提高5.5%、8.6%和5.9%，使产量增加7.5%，起到增产提质效果。

（3）随氮肥施入增加，在使绿豆植株磷积累量的增加同时，降低了土壤速效磷的含量，分析发现土壤速效磷含量与植株磷积累量呈极显著负相关。土壤速效钾含量与植株钾积累量无明显相关，而植株磷钾积累量呈相互促进关系。