水氮耦合对滴灌复播大豆干物质积累氮素吸收及产量的影响

李亚杰，徐文修，张　娜，苏丽丽，张永强，唐江华，郝维维

(新疆农业大学， 新疆 乌鲁木齐 830052)



水氮耦合对滴灌复播大豆干物质积累氮素吸收及产量的影响

李亚杰，徐文修，张娜，苏丽丽，张永强，唐江华，郝维维

(新疆农业大学， 新疆 乌鲁木齐 830052)

为探明不同水氮组合对复播大豆干物质积累、氮素吸收及产量的影响，于2013年7—10月在新疆伊宁县进行了不同滴灌量与施氮量的裂区田间试验。滴灌量为主因子，分设3 000 m3·hm-2(W1)、3 600 m3·hm-2(W2)、4 200 m3·hm-2(W3)、4 800 m3·hm-2(W4)四个灌水梯度；施氮量为副因子，设0 kg·hm-2(N0)、150 kg·hm-2(N1)、300 kg·hm-2(N2)三个水平。结果表明：同一施氮量条件下，随着滴灌量的增加各施氮处理干物质积累平均速率、干物质积累持续时间及氮素吸收量基本表现为 “先增后降”的趋势，且均在W3处理(4 200 m3·hm-2)达到最大；在低水量(W1)条件下增加氮肥的投入，有利于增加复播大豆干物质积累，提高复播大豆氮素吸收量，进而提高复播大豆产量，但降低了氮素籽粒生产效率；水分充足时适量增施氮肥能促进大豆干物质的积累，增加植株氮素的吸收量，增加氮素籽粒生产效率，而过量追施氮肥，阻碍根系吸收氮素进入植株体内，降低氮素的利用效率，且W3N1组合条件下，干物质积累量、植株氮素吸收量、产量均达到最大，产量达到3 741.23 kg·hm-2，分别比低水低肥处理(W1N0)、高水高肥处理(W4N2)增加了54.30%、17.02%。

水氮耦合；滴灌；复播大豆；干物质；氮素利用效率；产量

在全球气候变暖的背景下，新疆大部分地区均有不同程度的变暖趋势，尤其北疆温度增加更为明显[1-3]，20世纪90年代初北疆沿天山一带的部分农区开始利用麦后剩余的热量资源，复播一些热量要求较少的白菜、绿肥和油葵等作物[4-5]。目前，热量的持续增加使北疆麦后复播大豆和玉米的种植模式不断涌现并有不断扩大的趋势[6]，这样不仅增加复播作物与春播作物之间的争水矛盾，而且增大地力的消耗，导致农民为追求高产，大量施用化肥，不仅肥料利用效率降低，而且造成环境污染[7-8]。如何有效的利用有限的水资源，并提高水氮利用效率，是新疆乃至我国农业生产长期需要研究解决的问题。因此，研究不同水氮耦合对复播大豆干物质积累特征及产量的影响，对于制定复播大豆高产高效的灌溉施肥制度，以及节水节肥的水肥管理有重要的理论与实际意义。

国内外就水氮耦合对植株干物质积累[9]、产量[10]、生理代谢[11]以及水氮利用率[12-13]的影响做了大量研究，从不同层面系统地揭示水氮耦合机理，以较好协同利用土壤中有效水肥资源，获得稳定的生产效应。邢英英、杜清洁、张燕等对番茄的产量、品质及水氮利用做了一定的研究，表明水肥过高或过低均会使产量和品质下降，灌水和施肥要配合合理[14-16]；裴宇峰、韩晓增等研究认为大豆在适宜土壤水分条件下，提高氮肥施用量可以提高大豆的光合效率，有利于蛋白质的合成[10-11]；龚江、谢志良等研究表明灌水量对棉花干物质的积累影响大于施氮量，水分胁迫条件下，增加氮肥的供应，氮素利用率下降[17-18]。在水氮耦合条件下前人对春大豆的研究多在产量品质和生理特性方面，而对复播大豆干物质积累、氮素吸收的研究鲜有报道。为此，本文研究不同水肥耦合处理对复播大豆干物质积累特征、氮素吸收及产量和产量构成的影响，以期为北疆地区麦后复播大豆确定合理的滴灌施肥制度提供科学依据。

1　材料和方法

1.1试验区概况

试验于2013年7—10月在伊犁哈萨克自治州伊宁县农业科技示范园进行。该区位于天山西段，属温带大陆性半干旱气候，冬春温暖湿润，夏秋干燥较热，昼夜温差明显，日照年平均可达2 800～3 000 h，年均降水量约257 mm，60%～70%的降雨集中在6—9月份，全年无霜期169～175 d。试验地土壤耕层0～20 cm平均养分含量：有机质2.35 g·kg-1，全氮0.83 g·kg-1，碱解氮85.2 mg·kg-1，速效磷21.8 mg·kg-1，速效钾116 mg·kg-1。土壤pH值8.4。

1.2试验设计

前茬作物为冬小麦，试验采用双因素裂区试验设计，设置滴灌量为主因子，共设4个灌水梯度：3 000 m3·hm-2(W1)、3 600 m3·hm-2(W2)、4 200 m3·hm-2(W3)、4 800 m3·hm-2(W4)；施肥量(尿素用量)为副因子，均以追肥形式施入，共设3个施氮水平：0 kg·hm-2(N0)、150 kg·hm-2(N1)、300 kg·hm-2(N2)，自花期开始均随着滴灌灌水器水肥一体化追施氮肥，每次150 kg·hm-2尿素，N1处理花期追施一次，N2处理花期和结荚期各追施一次。各处理重复三次，共计36个小区，小区面积18 m2(3.6 m×5 m)。大豆品种为黑河43，种植密度52.5万株·hm-2，30 cm等行距播种(株距6.3 cm)，每小区播种12行，毛管采用1管2的铺设方式，即带间距60 cm。结合整地各处理均施尿素75 kg·hm-2，每小区进水口均有水表控制进水量。各处理每次的灌水定额依次分别为375 m3、450 m3、525 m3、600 m3，全生育期共计灌水8次，具体灌水方案如表1所示。

1.3测试项目与方法

1.3.1干物质的测定自苗期开始，每隔10 d分别从每个小区选取大豆5株，各株分茎、叶、叶柄、粒、荚等器官，于105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重，称干重。

表1　不同处理各阶段的滴灌量/(m3·hm-2)

并采用Logistic方程对干物质积累的变化进行拟合：Y=Y0/[1+e(A-Bt)]

式中：Y为大豆出苗后t天干物质积累量(g·株-1)；t为出苗后的天数(d)；Y0为单株干物质理论最大值(g·株-1)；A、B为待定系数。由方程的一阶导数和二阶导数推导出一系列干物质积累特征参数，分别为干物质积累平均速率Va、干物质积累持续时间T、干物质最大积累速率Vm及达到Vm的时间Tm，上述参数为干物质积累初级参数。干物质积累次级参数Y1、T1、V1；Y2、T2、V2；Y3、T3、V3分别表示干物质积累的渐增期、快增期和缓增期3个阶段的干物质积累量、持续时间和平均速率。

1.3.2植株氮素吸收量的测定大豆成熟期，分别在每处理每重复随机选取大豆5株，将其茎、叶、叶柄、豆、豆荚分开，称鲜重后放入烘箱，在105℃杀青30 min，然后于80℃烘至恒重，冷却后用电子天平称重。将各器官干样粉碎后，过0.5 mm筛，用H2SO4-H2O2消煮，消煮液用于养分测定，全氮含量用凯氏定氮仪(FOSS 2300 型)测定。

各器官氮吸收量(kg·hm-2)=各器官全氮含量×干物质量

1.3.3氮素籽粒生产效率

氮素籽粒生产效率(kg·kg-1)=大豆单株籽粒产量/单株植株氮吸收量

1.3.4产量的测定大豆成熟后实收各小区产量，同时每处理每重复各选取有代表性的点连续取植株10株进行考种，调查单株有效荚数、单株粒数、单株粒重和百粒重。

1.4数据分析及处理方法

采用Microsoft Excel作图，用SPSS软件统计分析试验数据。

2　结果与分析

2.1水氮耦合对复播大豆干物质积累特征参数的影响

2.1.1干物质积累的初级参数对不同处理大豆地上部分干物质的积累进行Logistic方程模拟，其Logistic模型及其初级参数特征值如表2所示。同一施氮量条件下，随着滴灌量的增加各施氮处理干物质积累平均速率(Va)、干物质积累持续时间(T)基本表现为“先增后降”的趋势，且均在W3处理(4 200 m3·hm-2)达到最大，其中W3处理的Va分别比W1、W2、W4各处理的增加12.28%、8.47%、1.59%；W3处理的T分别比W1、W2、W4各处理的平均值增加5.3、2.6、2.2 d；同一滴灌量条件下，花期追施氮肥处理(N1)的Va、Vm、Tm表现为最大，其中N1处理的Va分别比N0、N2处理的增加14.67%、4.88%。在低水量W1、W2条件下，T随着施氮量的增加逐渐增大，但在中高水量W3、W4条件下，T则随着施氮量的增加表现为先升后降的趋势。由此可见，不追施氮肥(N0)时，增加滴灌量可以提高干物质积累平均速率(Va)、干物质积累持续时间(T)，进而增加干物质的积累，花期追施氮肥(N1)均能增加Va、T、Vm、Tm，进而促进大豆干物质的积累，而结荚期再追施氮肥(N2)虽能够满足大豆生育后期对氮肥的需求，但可能又影响了大豆后期根瘤的发育与功能，不利于植物对氮素的吸收，反而影响干物质的形成。

表2　不同水肥处理复播大豆地上部分干物质积累的Logistic模拟及其特征值

注：不同字母表示差异达5%显著水平，下同。

Note: different letters indicate significant difference (P<0.05), and hereinafter.

2.1.2干物质积累的二级参数不同水肥处理下，复播大豆干物质积累的初级参数变化不同，进而影响其二级参数。由表3可得，在复播大豆生长过程中，各处理其干物质积累量最大的时期均是速增期，渐增期次之，缓增期最低，三个时期干物质积累的持续时间均表现为T3>T1>T2，平均速率表现为V2>V1>V3，说明速增期是复播大豆干物质积累的关键时期，增大速增期干物质的积累速率(V2)和延长速增期持续的时间(T2)有利于增大干物质的积累量。在渐增期、速增期、缓增期均以W3N1处理干物质积累量达到最大。同一施氮水平下，随着滴灌量的增加干物质积累量(Y)基本表现为 “先升后降”的变化趋势，均在W3处理达到最大，分别比W1、W2、W4各处理的平均值增加15.25%、9.21%、2.79%。少量灌水条件下(W1、W2)，增施氮肥能促进大豆干物质积累量，而适量和大量灌水下(W3、W4)，大量追施氮肥不利于干物质的积累。说明水分不足时，可以通过增加氮肥的投入，达到以肥促水，进而提高复播大豆干物质积累量的目的，但较多灌水量时，过量施肥并不利于复播大豆干物质积累。

表3　不同水肥处理复播大豆地上部分干物质积累的二级参数

2.2复播大豆干物质积累特征参数与产量的相关性

由表4可知，各处理复播大豆干物质积累参数Vm、Va、V1、V2、V3与产量均呈极显著正相关(P<0.05)，且Va与产量的相关性最大，Tm、T、T1、T2、T3与产量相关不显著，各个阶段复播大豆干物质积累速率之间呈极显著正相关，各个阶段复播大豆干物质积累速率均与持续时间呈负相关。说明复播大豆干物质积累速率的提高是增加大豆产量的关键，复播大豆干物质积累持续时间长短也对大豆产量起主导作用，增加复播大豆干物质积累速率和减少干物质积累持续时间有利于复播大豆产量的提高。

2.3水氮耦合对复播大豆氮素吸收和氮素籽粒生产效率的影响

水氮耦合不仅影响复播大豆干物质的积累，而且对复播大豆氮素吸收和氮素籽粒生产效率也有重要的影响。由图1可知，同一施氮水平下，随着滴灌量的增加，植株氮素吸收量均呈先升后降的趋势，且均在W3处理达到最高，分别比W1、W2、W4处理平均值增加11.01%、4.70%、1.63%；在低水量下(W1)，随着施氮量的增加，植株氮素吸收量逐渐增加；在适量和大量灌水水平下(W2、W3、W4)，随着施氮量的增加，植株氮素吸收量均表现为N1>N2>N0， N1处理分别比N0、N2处理平均值增加2.40%、1.02%。由图2可知，氮素籽粒生产效率变化趋势与大豆氮素吸收量的基本相同，且均在W3N1处理达到最高。说明随着大豆生育期的推进增施氮肥能够增加植株氮素的吸收量，增加氮素籽粒生产效率，而过量追施氮肥，可能导致根系活力的减弱，降低根瘤菌的固氮作用，进而阻碍根系吸收氮素进入植株体内，降低氮素的利用效率；在低水量条件下，大量增施氮肥可以增加大豆氮素的吸收，但降低了氮素籽粒生产效率，在适宜的灌水条件下，能增加大豆氮素的吸收，增加氮素籽粒生产效率，当超过4 200 m3·hm-2时，会增加土壤氮素的淋失，不利于大豆氮素的吸收，进而降低氮素籽粒生产效率。

表4　不同水肥处理复播大豆干物质积累参数与产量的相关系数

注：*和**表示0.05和0.01的显著水平。P<0.01。

Note: * and ** mean significant difference at 0.05 and 0.01 level, respectively.

图1　不同水肥处理对复播大豆氮素吸收的影响

图2不同水肥处理对复播大豆氮素籽粒生产效率的影响

Fig.2Effects of different irrigations and fertilizer treatments on nitrogen use efficiency of summer soybean

2.4水氮耦合对复播大豆产量及其构成因素的影响

由表5可知，同一施氮水平下，随着滴灌量的增加，复播大豆的单株荚数、单株粒数、单株粒重、百粒重、产量均表现为“先升后降”的变化趋势，且均在W3处理达到最高，其产量分别比W1、W2、W4处理平均值增加29.16%、14.36%、7.81%；在少量灌水(W1)下，能够增加复播大豆的单株粒重、百粒重，进而提高复播大豆产量；在适量和大量灌水量(W2、W3、W4)水平，N1与N2相比，单株荚数差异不显著，单株粒数、单株粒重、百粒重均达到显著差异，且产量达到极显著差异；N1与N0相比，单株荚数、单株粒数、单株粒重、百粒重、产量均达到显著和极显著差异，其产量分别比N0、N2处理平均值增加20.53%、6.06%，。说明水分过少时，以肥促水，能够提高复播大豆产量，而水分过多时，可能会造成氮肥流失，进而导致大豆减产。由此可见，W3N1组合条件能提高复播大豆的产量，一旦超出这个范围,水肥之间不但不会产生预期的协同效应，反而会产生拮抗效应，导致产量下降。

3　结论与讨论

3.1水氮耦合对复播大豆干物质积累量的影响

大量研究表明，不同的施氮量和滴灌量对作物干物质积累量的影响较大，增施氮肥能够显著提高作物干物质积累量和产量，然而随施氮量增加氮肥增产效果下降，氮肥利用效率降低，过量施氮甚至还会加重土地污染，带来环境污染问题[19-20]。龚江、谢志良等研究一致认为灌水量对棉花干物质的积累影响很大，而施氮量影响不大，在棉花生长过程中灌水的作用要明显大于施氮作用[17-18]，而冯淑梅和陈碧华等研究结果与其相反，他们研究认为其影响施氮量大于灌水量[13,21]。本文研究结果表明在水分不足的条件下，增加氮肥的投入能够增加复播大豆干物质积累；水分充足时，花期增施氮肥能促进复播大豆干物质的积累，但荚期继续增施氮肥不利于复播大豆干物质的积累，且在W3N1这个处理组合下干物质积累量达到最大，这可能是因为不同作物对水肥的需求不同，试验设计的灌水梯度和施肥梯度不同所导致的结果。

表5　不同水肥处理对复播大豆产量及产量构成因素的影响

注：同列不同小些字母表示0.05水平的显著差异。

Note: Means with different letters in the same column indicate significant difference (P<0.05).

3.2水氮耦合对复播大豆氮素吸收利用和产量的影响

增施氮肥能够显著提高作物产量，然而随施氮量增加氮肥增产效果下降，氮肥利用效率降低，雍太文[22]和刘学军[23]一致认为减半施氮既未引起小麦产量和吸氮量的变化，又有利于提高作物的氮肥利用率，本文研究认为花期追施氮肥可以增加复播大豆氮素吸收，提高氮素籽粒生产率，进而增加大豆产量。张永丽和刘新永等研究认为水与氮存在明显的互作效应，增加滴灌量，氮素利用效率增加，但过量的灌水，氮素利用效率下降，产量降低[24-25]。本研究认为在低水量条件下，大量增施氮肥可以增加复播大豆氮素的吸收量，但降低了氮素籽粒生产效率，在适宜的灌水条件下，能增加大豆氮素的吸收，增加氮素籽粒生产效率，当超过4 200 m3·hm-2时，会增加土壤氮素的淋失，不利于大豆氮素的吸收，进而降低氮素籽粒生产效率，导致产量下降。

[1]徐娇媚,徐文修,李大平.近51a伊犁河谷热量资源时空变化[J].干旱区研究,2014,31(3):472-480.

[2]牛海生,徐文修,徐娇媚,等.气候突变后伊犁河谷两熟制作物种植区的变化及风险分析[J].中国农业气象,2014,35(5):516-521.

[3]徐娇媚.伊犁河谷气候变化及其对农业影响初探[D].乌鲁木齐:新疆农业大学,2013.

[4]朱树秀,孙保成,赵奇,等.北疆冬小麦复种玉米研究再报[J].新疆农业科学,1998,(3):99-102.

[5]苗福红,烟彬,方波,等.北疆冬小麦复种油葵研究[J].新疆农业科学,2000,(3):135-137.

[6]张占琴,魏建军,杨相昆,等.北疆“一年两作”冬小麦-复播青贮玉米模式物质生产及资源利用率研究[J].干旱地区农业研究,2013,31(6):28-33.

[7]Suprayogo D M, van Noordwijk K H, Cadisch C. The inherent safty net of Ultisols: Measuring and modeling retarded leaching mineral nitrogen[J]. European Journal of Soil Science, 2002,53(2):185-194.

[8]朱兆良.中国土壤氮素研究[J].土壤学报,2008,45(5):778-783.

[9]王李芳,刘国顺,张永辉,等.水氮耦合对烤烟干物质积累及产质量的影响[J].作物研究,2011,25(1):51-55.

[10]裴宇峰,韩晓增,祖伟,等.水氮耦合对大豆生长发育的影响 Ⅰ.水氮耦合对大豆产量和品质的影响[J].大豆科学,2005,24(2):106-111.[11]韩晓增,裴宇峰,王守宇,等.水氮耦合对大豆生长发育的影响 Ⅱ.水氮耦合对大豆生理特征的影响[J].大豆科学,2006,25(2):103-108.

[12]栗丽,洪坚平,王宏庭,等.水氮处理对冬小麦生长、产量和水氮利用效率的影响[J].应用生态学报,2013,24(5):1367-1373.

[13]冯淑梅,张忠学.滴灌条件下水肥耦合对大豆生长及水分利用效率的影响[J].灌溉排水学报,2011,30(4):65-67.

[14]邢英英,张富仓,张燕,等.滴灌施肥水肥耦合对温室番茄产量、品质和水氮利用的影响[J].中国农业科学,2015,48(4):713-726.[15]杜清洁,李建明,潘铜华,等.滴灌条件下水肥耦合对番茄产量及综合品质的影响[J].干旱地区农业研究,2015,33(3):10-17.[16]张燕,张富仓,袁宇霞,等.灌水和施肥对温室滴灌施肥番茄生长和品质的影响[J].干旱地区农业研究,2014,32(2):206-212.

[17]谢志良,田长彦.膜下滴灌水氮耦合对棉花干物质积累和氮素吸收及水氮利用效率的影响[J].植物营养与肥料学报,2011,17(1):160-165.

[18]龚江,王海江,谢海霞,等.膜下滴灌水氮耦合对棉花生长和产量的影响[J].灌溉排水学报,2008,27(6):51-54.

[19]朱兆良,孙波.中国农业面源污染控制对策研究[J].环境保护,2008,(8):4-6.

[20]朱兆良,金继运.保障我国粮食安全的肥料问题[J].植物营养与肥料学报,2013,19(2):259-273.

[21]陈碧华,郜庆炉,杨和连,等.日光温室膜下滴灌水肥耦合技术对番茄生长发育的影响[J].广东农业科学,2008,(8):63-65，78.

[22]雍太文,刘小明,刘文钰,等.减量施氮对玉米-大豆套作体系中作物产量及养分吸收利用的影响[J].应用生态学报,2014,25(2):474-482.

[23]刘学军,巨晓棠,张福锁.减量施氮对冬小麦-夏玉米种植体系中氮利用与平衡的影响[J].应用生态学报,2004,15(3):458-462.

[24]张永丽,于振文.灌水量对小麦氮素吸收、分配、利用及产量与品质的影响[J].作物学报,2008,34(5):870-878.

[25]刘新永,田长彦.棉花膜下滴灌水氮耦合效应研究[J].植物营养与肥料学报,2007,13(2):286-291.

Effects of different water nitrogen couplings on dry matter accumulation,nitrogen uptake and yield of summer soybean

LI Ya-jie, XU Wen-xiu, ZHANG Na, SU Li-li, ZHANG Yong-qiang, TANG Jiang-hua, HAO Wei-wei

(College of Agronomy, Xinjiang Agricultural University, Urumqi, Xinjiang 830052, China)

In order to study the effects of different water-nitrogen couplings on dry matter accumulation, nitrogen uptake and yield of summer soybean, a field experiment was conducted based on a two factors split plot experiment in Yining County from the July to October. For the split plot design, the irrigation factor was assigned to the main plot with 4 irrigation levels as 3 000 m3·hm-2(W1), 3 600 m3·hm-2(W2), 4 200 m3·hm-2(W3) and 4 800 m3·hm-2(W4), and the nitrogen factor to the subplot with 3 nitrogen levels as 0 kg·hm-2(N0), 150 kg·hm-2(N1) and 300 kg·hm-2(N2). The results showed that with the increase of irrigation quantity, the average increase rate of dry matter (Va), the continued days of dry matter accumulation (T) and nitrogen uptake were all presented a trend of being increased first then becoming decreased, reaching the maximum by W3. Under the condition of the nitrogen input increased at low water (W1), the dry matter accumulation, nitrogen uptake and yield were also increased while the nitrogen use efficiency became reduced. Under sufficient soil water condition, increasing the application of nitrogen elevated dry matter accumulation, nitrogen uptake and nitrogen use efficiency, and excessive nitrogen was not favorable to root absorption of nitrogen, which adversely decreased the nitrogen use efficiency. In a word, the treatment of W3N1 had the highest dry matter accumulation, nitrogen uptake and yield (3 741.23 kg·hm-2), 54.30% and 17.02% in yield higher than those of W1N0 and W4N2, respectively.

water nitrogen coupling; drip irrigation; summer soybean; dry matter; nitrogen use efficiency; yield

1000-7601(2016)05-0079-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.05.12

2015-07-08

国家自然科学基金资助项目(31560372，31260312)

李亚杰(1989—)，男，河南商丘人，硕士研究生，研究方向为绿洲高效农作制度。E-mail：li317592684@qq.com。

徐文修，E-mail：xjxwx@sina.com。

S158.5

A