東北黑土區(qū)長期不同磷肥施用量對大豆生長及產(chǎn)量的影響

趙家煦，張一鶴，韓曉增，鄒文秀，陸欣春，嚴(yán) 君，丁 嬌

(1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150030；2. 中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)研究所,黑龍江 哈爾濱 150081；3. 黑龍江省伊春環(huán)境保護(hù)局,黑龍江 伊春 153000)

在大豆生長發(fā)育過程中磷素是至關(guān)重要的[1-2]，其以多種方式參與大豆體內(nèi)各種生物化學(xué)過程，對促進(jìn)植物的生長發(fā)育和新陳代謝起著非常重要的作用[3]。磷素脅迫條件下能夠影響植株中核蛋白和核酸的合成，抑制細(xì)胞分裂和增殖，使生長發(fā)育停滯，植株發(fā)育不良[4]；恢復(fù)磷素供應(yīng)后，隨著供磷水平的提高，大豆利用葉片的光作合用，合成大量的ATP，為其生長提供能量，加速細(xì)胞分裂增殖，促進(jìn)植株生長[2]。研究表明，在磷素缺乏的土壤，施用磷肥能增加根干重和根長等，進(jìn)而促進(jìn)大豆根系快速地生長，為其對礦質(zhì)營養(yǎng)元素的吸收和利用提供良好的基礎(chǔ)[5]。磷不僅能夠促進(jìn)大豆生長發(fā)育過程根瘤的形成[6]，同時也能促進(jìn)根瘤固氮能力[7]。

已有研究表明施用磷肥能夠改善大豆的產(chǎn)量構(gòu)成，顯著提高其產(chǎn)量[8]，但是施用磷肥對大豆的增產(chǎn)效果與土壤磷素含量密切相關(guān)。在磷素缺乏的條件下，磷素?zé)o法滿足大豆植株的生長發(fā)育的需求，降低葉面積指數(shù)、葉片數(shù)量和節(jié)數(shù)等，限制大豆植株對其它養(yǎng)分的吸收，導(dǎo)致產(chǎn)量下降[9-11]；而過高的磷素供應(yīng)則可能導(dǎo)致植株徒長，呼吸作用加強，養(yǎng)分大量消耗，反而更不利于大豆植株的正常生長發(fā)育，進(jìn)而導(dǎo)致干物質(zhì)和產(chǎn)量的下降[12]，因此適當(dāng)?shù)牧追适┯昧繉Υ蠖股L發(fā)育是至關(guān)重要的。眾所周知，黑土自身全磷素含量較高，同時磷的有效性也比較高[13,14]，但是由于黑土區(qū)春季氣溫較低，降低了土壤中磷的有效性，不能滿足作物對大豆生長發(fā)育的需求[15]，因此磷肥的施用是非常必要的。嚴(yán)君等通過盆栽研究發(fā)現(xiàn)黑土適宜的磷肥施用量40 kg·hm-2[16]，但是東北黑土區(qū)農(nóng)戶磷肥施用量普遍高于40 kg·hm-2，由此可見，盆栽試驗的試驗數(shù)據(jù)不能代表作物在田間的實際情況，生產(chǎn)上需繼續(xù)進(jìn)行關(guān)于磷肥適宜施用量的研究。因此，本研究擬利用中國科學(xué)院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)實驗站內(nèi)的長期定位試驗，分析不同磷肥施用量對大豆生長、結(jié)瘤及產(chǎn)量的影響，旨在提出研究區(qū)域內(nèi)適宜的磷肥施用量，指導(dǎo)區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在中國科學(xué)院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)實驗站內(nèi)的養(yǎng)分試驗場進(jìn)行。海倫站地處黑土區(qū)中部，地勢平坦，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，雨熱同季，年平均氣溫1.5℃，極端最高溫度為37℃，極端最低溫度為-39.5℃，年降水量為500～600 mm，主要集中在7、8、9月份，年均有效積溫2 450℃，年均日照時數(shù)為2 600～ 2 800 h，無霜期為125 d。土壤類型為中厚層黑土，是在第四紀(jì)形成的黃土狀母質(zhì)上發(fā)育起來的地帶性土壤，質(zhì)地以粘性土為主，土壤物理性粘粒大于60%，土壤固相比大于50%，土壤膨脹性大于25%，土體結(jié)構(gòu)致密，滲透能力弱，毛管水運移速率較慢，土壤持水能力和保水能力較強，儲水庫容較大。地下水埋深20～30 m。

1.2 試驗設(shè)計與測定項目

試驗開始于1990年，包括三個磷素水平，分別是高磷處理(N1P1K)，中磷處理(N1P2K)和低磷處理(N1P3K)，無肥處理(CK)為對照。不同處理的肥料施用量見表1。施肥處理的化肥均作為底肥在大豆播種時施入。小區(qū)面積為50.4 m2，完全隨機排列，4次重復(fù)。

表1 不同處理肥料施用量

2014年大豆生長季節(jié)分別在大豆的苗期，盛花期和鼓粒期取樣并測定其株高、生物量(105℃殺青，80℃烘干至恒重)、根瘤數(shù)量和根瘤重量(105℃殺青，80℃烘干至恒重)。固氮酶活性采用乙炔還原法活體測定，儀器為日本島津GC-2010氣象色譜[16]。大豆成熟以后每個小區(qū)取2 m2，進(jìn)行測產(chǎn)和考種。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 17.0統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(LSD法，α=0.05)，利用Excel 2011和sigmplot 10.0畫圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施用磷肥對大豆株高的影響

大豆苗期對磷肥施用量不敏感(圖1)，少量的磷肥施用即可滿足大豆對磷肥的需求。與CK處理相比，磷肥的施用顯著增加了大豆的株高，但是不同施用磷肥處理之間沒有顯著差異；隨著生育時期的推進(jìn)，進(jìn)入盛花期，大豆株高表現(xiàn)為N1P3K>N1P2K>N1P1K>CK，與CK相比，分別增加了59.1%、43.9%、37.6%，說明增加施磷量能夠促進(jìn)大豆生長，N1P3K與N1P2K，N1P1K和CK之間差異顯著(P<0.05)；與N1P2K相比，N1P3K、N1P1K和CK處理大豆株高降低了5.7%～65.1%，說明適量的磷肥施用能夠促進(jìn)大豆植株的生長，增加株高，但是過量磷肥施用在大豆生長的后期表現(xiàn)出輕微抑制作用。本研究得到了與Win等[17]研究結(jié)果相一致的結(jié)論，過高的磷肥施用會增強植株的呼吸強度，不利于植株的生長發(fā)育，適當(dāng)?shù)牧追适┯媚軌虼龠M(jìn)大豆株高的增加[18,19]。

圖1 東北黑土區(qū)大豆株高對磷肥施用量的響應(yīng)Fig.1 The effect of P fertilizer on soybean plant heightin Mollisol in the Northeast China

2.2 長期施用磷肥對大豆生物量的影響

在大豆的生長發(fā)育過程中，影響生物量形成與積累的因素有很多，其中適當(dāng)?shù)氖┯昧追士梢燥@著地促進(jìn)碳水化合物在大豆植株體內(nèi)的運移，有利于大豆植株的生長發(fā)育，增加干物質(zhì)積累[1]。不同施磷量對大豆地上部生物量的影響在大豆不同生育時期存在差異(圖2)。大豆苗期，磷肥的施用能夠顯著增加大豆地上部分生物量(P<0.05)，但N1P1K，N1P2K和N1P3K處理間無顯著差異(P>0.05)；進(jìn)入盛花期，不同處理表現(xiàn)為N1P3K>N1P2K>N1P1K>CK，與CK處理相比，N1P1K，N1P2K和N1P3K處理分別增加了61.2%、132.1%和180.2%；鼓粒期表現(xiàn)出了與盛花期一致的變化趨勢，與CK相比，N1P1K，N1P2K和N1P3K處理分別增加了11.2%、133.4%和160.2%，說明增加施磷量能夠明顯增加地上干物質(zhì)的積累[20]。

不同處理對大豆地下部生物量的影響，表現(xiàn)出了與地上部生物量相似的變化趨勢(圖3)。在大豆苗期，與CK相比，磷肥的施用能夠顯著增加大豆地下部生物量，但是施磷處理之間沒有顯著性差異(P>0.05)，說明苗期大豆生長對磷的需求較小，少量的磷肥既能夠滿足大豆根系生長的需求；在盛花期不同處理地下部生物量的表現(xiàn)為N1P3K>N1P2K>N1P1K>CK，與CK相比N1P1K，N1P2K和N1P3K的地下生物量分別增加了54.93%，154.93%和191.55%；其中N1P2K和N1P3K與CK和N1P1K達(dá)到了P<0.05的顯著水平；鼓粒期不同處理地下部生物量也表現(xiàn)出了N1P3K>N1P2K>N1P1K>CK，與CK相比，N1P1K，N1P2K和N1P3K的地下生物量分別增加了15.13%，121.38%和128.97%，其中N1P2K和N1P3K處理顯著增加大豆的地下部生物量(P<0.05)，N1P2K和N1P3K處理之間沒有顯著差異，說明適量施磷量能夠顯著增加地下部生物量的積累，但過多的施用磷肥對大豆地下生物量的形成與積累作用不明顯。

圖2 東北黑土區(qū)大豆地上部生物量對磷肥施用量的響應(yīng)Fig.2 The effect of P fertilizer on soybean shoot dry weightin Mollisol in the Northeast China

圖3 東北黑土區(qū)大豆地下部生物量對磷肥施用量的響應(yīng)Fig.3 The effect of P fertilizer on soybean root dry weightin Mollisol in the Northeast China

2.3 大豆根瘤數(shù)和干重對長期施用磷肥的響應(yīng)

磷是促進(jìn)大豆根瘤形成的重要元素之一，適當(dāng)?shù)厥┯昧追誓艽龠M(jìn)大豆結(jié)瘤，增加大豆根瘤數(shù)量[21]。在大豆苗期，與CK相比，N1P1K和N1P2K處理雖然也能夠增加大豆根瘤的數(shù)量，但差異不顯著(P>0.05)，但是當(dāng)磷肥施用量繼續(xù)增加后(N1P3K)，根瘤數(shù)量顯著增加了(P<0.05)，與其它三個處理相比增加了56.7%-152.8%。進(jìn)入盛花期，不同處理之間均達(dá)到了P<0.05的差異顯著水平，與CK處理相比，N1P1K、N1P2K、N1P3K處理根瘤數(shù)分別增加了483.1%，561.4%和681.2%；鼓粒期，不同處理對大豆根瘤數(shù)的影響表現(xiàn)為N1P3K>N1P2K>N1P1K>CK，與CK相比，N1P1K、N1P2K、N1P3K分別增加了80.1%，99.2%和106.7%，磷肥的施用顯著增加了大豆根瘤數(shù)量，說明磷肥的施用對大豆根瘤的形成是至關(guān)重要的，但是N1P2K與N1P3K之間差異不顯著(P>0.05)，說明過多磷肥的施入并不會繼續(xù)增加大豆根瘤數(shù)量，而是有一個適宜的磷肥施用量。有研究已經(jīng)表明在磷素供應(yīng)不足的情況下，大豆植株向根瘤提供碳水化合物的量減少，限制根瘤的形成[22]，磷肥施用以后通過促進(jìn)根瘤原基的增加，促進(jìn)根瘤的形成，進(jìn)而有利于根瘤的生長發(fā)育[23,24]。

大豆苗期，與N1P3K相比，CK，N1P1K和N1P2K顯著增加了大豆根瘤數(shù)量(P<0.05)，分別增加了463.1%，87.4%和93.0%(圖5)；進(jìn)入盛花期，不同處理對大豆根瘤干重的影響表現(xiàn)為N1P3K>N1P2K>N1P1K>CK，不同處理間均差異顯著(P<0.05)，與CK相比，施用磷肥處理根瘤干重增加了4.0倍-18.3倍。

圖4 東北黑土區(qū)大豆根瘤數(shù)量對磷肥施用量的響應(yīng)Fig.4 The effect of P fertilizer on soybean nodule numberin Mollisol in the Northeast China

鼓粒期，與CK相比，N1P1K、N1P2K、N1P3K處理根瘤干重分別增加了98.1%，89.8%和122.7%，說明了充足磷肥的施用能夠促進(jìn)根瘤形成和干物質(zhì)積累，當(dāng)磷素供應(yīng)不足時，大豆新陳代謝受到抑制、間接影響根瘤的生長[25]。研究已經(jīng)證實，氮肥的施用會限制大豆根系的結(jié)瘤[26]，而磷肥的施用則可以促進(jìn)結(jié)瘤，并緩解氮肥對大豆根系結(jié)瘤的抑制作用[27]。

2.4 長期施用磷肥對大豆固氮酶活性的影響

不同處理對大豆根瘤固氮酶活性具有顯著的影響(圖6)。磷肥的施用能夠提高大豆根瘤固氮酶活性(N1P1K除外)，不同處理表現(xiàn)為N1P2K>N1P3K>CK>N1P1K，與CK相比，N1P3K和N1P2K處理的固氮酶活性分別增加了74.0%和94.0%，N1P1K處理下降了40.0%。N1P2K和N1P3K處理之間根瘤固氮酶活性差異不顯著(P>0.05)。與CK相比N1P1K大豆根瘤固氮酶的活性表現(xiàn)為降低，主要是由于氮肥的施用對固氮酶活性具有抑制作用，當(dāng)磷肥施用量為P1時，不能抵消氮肥施用對固氮酶活性的影響[16]；而當(dāng)磷肥施用量繼續(xù)增加時，氮對固氮酶活性的抑制作用逐漸減弱[23]，表現(xiàn)為N1P2K處理固氮酶活性顯著高于CK和N1P1K處理。N1P3K處理的固氮酶活性稍有降低，說明施磷促進(jìn)了根瘤固氮酶活性的提高，但過多施磷對根瘤固氮酶活性有抑制作用。

圖6 東北黑土區(qū)大豆固氮酶活性對磷肥施用量的響應(yīng)Fig.6 The effect of P fertilizer on soybean nitrogenase activityin Mollisol in the Northeast China

2.5 長期不同磷肥施用量對大豆產(chǎn)量性狀的影響

不同的磷肥施用量能夠影響大豆的產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子(表2)。不同處理大豆的單株莢數(shù)和粒數(shù)表現(xiàn)為N1P3K>N1P2K>N1P1K>CK，說明磷肥的施用能夠促進(jìn)大豆結(jié)莢，增加單株粒數(shù)。不同處理對大豆百粒重的影響表現(xiàn)為N1P3K>N1P2K>N1P1K>CK，N1P2K、N1P3K處理的百粒重顯著高于CK和N1P1K處理(P<0.05),與CK相比，N1P1K、N1P2K、N1P3K處理百粒重分別增加了3.9%，5.4%和5.9%，說明增加磷肥的施用能夠促進(jìn)大豆籽粒的形成。不同處理對大豆產(chǎn)量的影響與百粒重呈現(xiàn)相同的趨勢即N1P3K>N1P2K>N1P1K>CK，與CK、N1P1K和N1P2K處理，N1P3K處理大豆產(chǎn)量相比分別增產(chǎn)27.3%，11.0%和1.4%；但是N1P2K處理和N1P3K處理沒有顯著性差異，說明磷肥的施用能夠增加大豆的產(chǎn)量，但是過多磷肥施用大豆增產(chǎn)效果不顯著。大豆產(chǎn)量對磷肥的反應(yīng)與土壤速效磷含量密切相關(guān)[28]，在棕黃土的研究表明土壤速效磷含量低于20 mg·kg-1時，施用磷肥能夠促進(jìn)大豆產(chǎn)量的增加，而在草甸土的研究則表明土壤速效磷含量為60 mg·kg-1時，施用磷肥對大豆產(chǎn)量沒有顯著的增加作用[29]。本研究試驗開始前土壤速效磷的含量為41.2 mg·kg-1，說明該速效磷的含量仍然不能滿足作物對磷素的需求，隨著磷肥施用量的增加，大豆產(chǎn)量呈增加的趨勢，但是當(dāng)磷肥施用量達(dá)到51.25 P2O5kg·hm-2(N1P2K)時，再增加磷肥的施用量對產(chǎn)量沒有顯著地增加作用。因此，推薦東北黑土區(qū)大豆的磷肥施用應(yīng)該是51.25 P2O5kg·hm-2。

表2東北黑土區(qū)大豆產(chǎn)量性狀對磷肥施用量的響應(yīng)

Table 2 The effect of P fertilizer on soybean yield components
in Mollisol in the Northeast

處理TreatmentCKN1P1KN1P2KN1P3K單株莢數(shù)Pods/(Number·plant-1)27.8±0.9b29.2±1.1b25.6±0.7b40.2±2.3a單株粒數(shù)Seeds/(Number·plant-1)75.6±3.4b77.6±4.7b71.8±2.5b113.5±6.6a百粒重100seeds/(g·100seeds-1)14.6±0.4c15.1±0.7b15.3±1.1a15.4±1.0a產(chǎn)量Yield/(kg·hm-2)1956.9±3.8c2245.0±5.6b2454.8±4.9a2491.0±5.3a

陸欣春等通過分析“3414”試驗中磷肥對大豆產(chǎn)量的影響，得出黑龍江黑土區(qū)磷肥的推薦施用量為60 P2O5kg·hm-2左右[15]，與本研究結(jié)果相近。

3 結(jié) 論

利用長期定位試驗分析了東北黑土區(qū)不同磷肥施用量對大豆生長、結(jié)瘤及產(chǎn)量的影響。在生長前期，大豆株高和生物量隨著磷肥施用量的增加而增加，但是鼓粒期大豆株高在中等磷肥施用量時達(dá)到了最大值，說明適當(dāng)磷肥施用量能夠顯著地促進(jìn)大豆的生長，而過量磷肥的施用則沒有顯著的作用。磷肥的施用能夠增加大豆根瘤數(shù)量和干重，不同處理表現(xiàn)為N1P3K>N1P2K>N1P1K>CK，說明磷肥的施用能夠促進(jìn)大豆根瘤的形成；固氮酶活性在N1P2K處理達(dá)到了最大值，說明適當(dāng)磷肥施用能夠促進(jìn)大豆根瘤固氮。大豆的單株莢數(shù)和單株粒數(shù)均表現(xiàn)為隨著磷肥施用量的增加而增加，百粒重和產(chǎn)量雖然表現(xiàn)出了相同趨勢，但是N1P2K和N1P3K兩個處理間沒有顯著差異，說明過度磷肥投入對產(chǎn)量的增加沒有意義。因此，從大豆植株生長、固氮效率、產(chǎn)量和生產(chǎn)成本的角度出發(fā)，N1P2K中51.25 P2O5kg·hm-2是最佳的值得推薦的磷肥施用量。