增施牛糞有機肥對黑土農(nóng)田大豆?fàn)I養(yǎng)品質(zhì)的影響

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(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150081; 2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

0 引 言

大豆是原產(chǎn)于我國的重要經(jīng)濟作物，其籽實蛋白質(zhì)含量為40%左右，脂肪20%左右，同時還富含多種對人體有益的營養(yǎng)成分[1]。大豆籽粒中營養(yǎng)品質(zhì)的組成與含量除了受遺傳因素的控制外，還受到環(huán)境因素影響，尤其受土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力影響較大[2]。大豆作為高蛋白、高油作物，品質(zhì)形成需要吸收大量的營養(yǎng)元素，對土壤肥力要求較高[3]。不同施肥措施影響大豆本身的生理過程進(jìn)而影響其籽粒中營養(yǎng)物質(zhì)的積累。目前，關(guān)于不同施肥措施影響大豆產(chǎn)量的研究較多[4-5]，關(guān)于大豆籽粒營養(yǎng)品質(zhì)對不同施肥措施響應(yīng)的研究較少。已有研究表明大豆?fàn)I養(yǎng)品質(zhì)與施肥措施密切相關(guān)，魏丹等[6]發(fā)現(xiàn)，大豆籽粒中蛋白質(zhì)和脂肪含量在平衡施肥條件下比不施肥或缺素條件下高，在東北暗棕壤、黑土和鹽堿土3種土壤上均得到類似的結(jié)果，其中蛋白質(zhì)高1.0%～10.5%，脂肪則高1.7%～11.8%。朱洪德等[7]在東北白漿土上研究發(fā)現(xiàn)，施肥水平在90～300 kg·hm-2的范圍內(nèi)，大豆的脂肪含量隨施肥水平的增加而增加。

有研究表明，施用有機肥也會對大豆品質(zhì)產(chǎn)生影響。朱寶國等[8]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增施750 kg·hm-2的有機肥時，大豆籽粒中蛋白質(zhì)和脂肪總量比不施肥增加0.46%，比常規(guī)施肥增加0.28%。李鳴雷[9]指出，施用以麥草、雞糞為原料的有機肥相比單純施用化肥能顯著提高大豆品質(zhì)，其中春大豆蛋白質(zhì)和脂肪含量分別提高6.38%和5.63%，夏大豆分別提高2.30%和3.88%。所以，施用有機肥是改善大豆品質(zhì)的重要措施。然而，東北黑土區(qū)關(guān)于化肥配施不同用量有機肥對大豆蛋白質(zhì)和脂肪含量影響的研究較少，而關(guān)于大豆籽粒中游離氨基酸和含糖量對不同施肥措施的響應(yīng)研究還未見報道。因此，解析不同施肥措施下大豆籽粒中不同營養(yǎng)品質(zhì)含量變化，對東北黑土區(qū)大豆種植的合理施肥，改善大豆的營養(yǎng)品質(zhì)及商品品質(zhì)具有重要意義。

本研究比較了基于玉米-大豆輪作的無肥、化肥和增施有機肥處理的大豆籽粒脂肪、蛋白質(zhì)、游離氨基酸、可溶性糖以及蔗糖等指標(biāo)，量化解析化肥及增施有機肥對大豆?fàn)I養(yǎng)品質(zhì)的影響，為黑土區(qū)大豆優(yōu)質(zhì)高效的施肥提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗地位于中國科學(xué)院黑土水土流失監(jiān)測研究站(47°23′N，126°51′E)。供試土壤為典型黑土，基礎(chǔ)肥力為全氮2.01 g·kg-1、全磷0.74 g·kg-1、全鉀18.50 g·kg-1，耕層厚度約為30 cm。供試品種為當(dāng)?shù)刂髟缘钠贩N東生1號。本試驗為玉米-大豆輪作長期定位試驗，試驗始于2012年。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置4個處理，分別為無肥(NoF)、化肥(CF)、化肥+有機肥15 t·hm-2(CF+15T)和化肥+有機肥30 t·hm-2(CF+30T)，每個處理3次重復(fù)，其中有機肥為腐熟牛糞。每小區(qū)8壟，壟距70 cm，壟長8 m，面積44.80 m2，雙行播種，保苗數(shù)27株·m-2。人工播種，人工除草，機械中耕。試驗于2015年大豆成熟期收獲，大豆籽粒于鼓風(fēng)干燥箱中105 ℃殺青30 min，然后65 ℃烘至恒重，將干物質(zhì)樣品用球磨儀(Retsch,Oscillating mill MM400,Germany)粉碎保存，用于測定相關(guān)指標(biāo)。

施肥管理：玉米：施用二銨150 kg·hm-2、尿素75 kg·hm-2、硫酸鉀50 kg·hm-2，尿素抽穗期225 kg·hm-2追肥；大豆：施用二銨150 kg·hm-2、尿素50 kg·hm-2、硫酸鉀50 kg·hm-2，播種前施肥。增施牛糞處理在上一年秋收后，將牛糞施入土壤，按有機肥干重計算，牛糞含有：總碳423 g·kg-1、氮7.40 g·kg-1、磷12.20 g·kg-1和鉀10.20 g·kg-1。

1.2 品質(zhì)指標(biāo)測定

脂肪含量的測定采用索氏提取法，用乙醚浸提油脂，通過浸提前后干物質(zhì)質(zhì)量的差來計算脂肪含量。蛋白質(zhì)含量的測定使用杜馬斯燃燒定氮法，儀器為元素分析儀Elementar-Vario(Elementar Analysensysteme GmbH E-III,Germany)，總氮含量乘以轉(zhuǎn)化系數(shù)6.25即為蛋白質(zhì)含量[10]。游離氨基酸的測定采用茚三酮試劑顯色法[11]，應(yīng)用乙酸提取游離氨基酸，水合茚三酮顯色，用紫外分光光度計在570 nm波長處比色，測定OD值?？扇苄赃€原糖、蔗糖的測定，用80%乙醇提取糖分，提取液用于可溶性還原糖與蔗糖測定。可溶性還原糖測定采用蒽酮比色法，蔗糖測定采用間苯二酚法[11]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用Microsoft-Excel 2010軟件計算各個營養(yǎng)品質(zhì)含量的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，各個指標(biāo)的差異性檢驗采用SPSS 16.0 One-Way ANOVA 分析，顯著性P=0.05，用SigmaPlot 12.5軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果分析

2.1 脂肪含量

本研究中，經(jīng)過兩個玉米大豆輪作周期后，大豆籽粒中脂肪含量明顯受到施肥措施的影響。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，與NoF處理相比，CF處理提高了大豆的脂肪含量，而增施有機肥CF+15T處理脂肪含量為205 mg·g-1，比NoF處理顯著高6.51%(P<0.05)。CF處理和CF+30T處理分別比NoF處理高1.33%和1.06%，3處理間無顯著差異。

2.2 蛋白質(zhì)含量與蛋脂總含量

大豆籽粒中蛋白質(zhì)含量對不同施肥措施的響應(yīng)并不明顯(P>0.05)，見圖2。相比于NoF處理，CF處理并沒有顯著提高大豆的蛋白質(zhì)含量，大豆蛋白質(zhì)含量介于386～400 mg·g-1，平均含量為392 mg·g-1。

此外，大豆籽粒中蛋脂總和對施肥措施的響應(yīng)也不明顯，不同施肥措施下大豆籽粒中蛋脂總和并沒有差異，見圖3。由于蛋白質(zhì)含量占蛋脂總和的2/3左右，因此，蛋脂總和處理間差異性與蛋白質(zhì)含量相似，不同處理對大豆的蛋脂總和的影響不顯著，大豆蛋脂總和介于581～606 mg·g-1，平均含量為590 mg·g-1。

注：NoF，無肥；CF，化肥；CF+15T，施化肥加施15 t·hm-2牛糞；CF+30T，施化肥加施30 t·hm-2牛糞。不同字母表示差異在0.05水平上顯著(P<0.05)，下同。

2.3 游離氨基酸含量

大豆籽粒中游離氨基酸含量則表現(xiàn)為隨著施肥量的增加而升高，見圖4。增施30T有機肥時游離氨基酸含量為5.32 mg·g-1，比NoF、CF和CF+15T處理分別顯著高16.6%、14.0%和9.85%(P<0.05)，CF、CF+15T處理對大豆游離氨基酸含量雖然有提高，但與NoF處理相比差異并未達(dá)到顯著水平。

圖3 不同施肥措施對大豆蛋脂總和的影響Fig.3 The effect of different fertilization on oil content of soybean

圖4 不同施肥措施對大豆游離氨基酸含量的影響Fig.4 The effect of different fertilization on animo acids content of soybean

2.4 糖分含量

大豆籽粒中可溶性糖含量明顯受到肥料添加的影響，肥料的施用顯著提高了大豆可溶性糖的含量，見圖5。CF、CF+15T和CF+30T處理可溶性糖含量分別比NoF處理顯著高6.26%、7.55%和6.90%(P<0.05)。但是，CF、CF+15T和CF+30T處理之間差異并未達(dá)到顯著水平。

蔗糖含量對施肥措施的響應(yīng)并不明顯，見圖6。不同施肥措施下大豆蔗糖含量介于10.6～10.9 mg·g-1，平均含量為10.7 mg·g-1。

圖5 不同施肥措施對大豆可溶性糖含量的影響Fig.5 The effect of different fertilization on soluble sugar content of soybean

圖6 不同施肥措施對大豆蔗糖含量的影響Fig.6 The effect of different fertilization on sucrose content of soybean

2.5 營養(yǎng)品質(zhì)與氮增施量間的相關(guān)性

施肥處理大豆?fàn)I養(yǎng)品質(zhì)變化量與氮增施量的相關(guān)分析，見表1。施肥處理游離氨基酸增加量與氮增施量呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，而其余營養(yǎng)品質(zhì)的變化量與氮增施量的相關(guān)性并未達(dá)到顯著水平。對不同營養(yǎng)品質(zhì)變化量之間進(jìn)行相關(guān)性分析(表2)。結(jié)果表明，粗脂肪的變化量與蔗糖和蛋白質(zhì)變化量之間呈顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，其余營養(yǎng)品質(zhì)的變化量之間相關(guān)性不顯著。

表1 大豆籽粒營養(yǎng)品質(zhì)變化量與氮增施量的相關(guān)分析Table 1 Correlation analysis of soybean quality change and N input

注：**表示在0.01水平上顯著。

Note:**indicates significant differences at 0.01 level.

表2 不同營養(yǎng)品質(zhì)變化量間相關(guān)關(guān)系顯著性Table 2 Significant correlation between different nutritional quality changes

注：*表示在0.05水平上顯著。

Note:*indicates significant differences at 0.05 level.

3 討 論

本研究表明，施用肥料可以提高大豆的脂肪含量，尤其是增施有機肥后差異達(dá)到顯著水平。在較早的研究中也發(fā)現(xiàn)肥料對大豆籽粒中脂肪的積累具有明顯的影響，王志新等[12]指出，大豆籽粒中的脂肪含量隨氮肥施用量的增加而增加，在施入氮肥60 kg·hm-2時達(dá)到最高，增施鉀肥和磷肥時也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。而張玉鳳[13]則發(fā)現(xiàn)減少化肥施用的同時增施沼肥比僅施用化肥更有利于大豆籽粒中脂肪含量的積累，如僅施用70%和80%化肥，增施沼肥比全量單施化肥條件下的大豆籽粒脂肪含量分別高2.70%和5.07%。由于有機肥可以顯著增強土壤中β-葡萄苷酶、磷酸單脂酶、蔗糖酶和脲酶等酶的活性[14-15]，影響土壤中參與碳、氮代謝過程微生物的活性，所以有研究者認(rèn)為增施有機肥能夠提高土壤養(yǎng)分含量及有效性，協(xié)調(diào)作物的碳氮代謝，從而促進(jìn)大豆籽粒中脂肪的積累[16-17]。

大豆籽粒中蛋白質(zhì)含量占40%左右，所以在大豆生產(chǎn)過程中滿足大豆對氮的需求是非常重要的。管宇[18]發(fā)現(xiàn)，增施氮素50 kg·hm-2時大豆黑農(nóng)44籽粒蛋白質(zhì)含量顯著提高了1.88%。而本研究中，大豆籽粒中蛋白質(zhì)含量并未受到不同施肥處理的影響，這可能是品種間對氮素需求和共生固氮能力差異所致，也可能與大豆種植的土壤環(huán)境有關(guān)。已有研究表明，大豆共生生物固氮所固定的氮占大豆生育期內(nèi)所需氮素比例在50%左右[19]，所以，氮肥的用量往往對大豆籽粒中蛋白質(zhì)含量的影響并不明顯。Wesley等[20]報道，不同施肥處理條件下大豆籽粒蛋白質(zhì)含量并沒有顯著增加，一般來說，44.4 kg·hm-2的純氮施用量就能夠滿足蛋白質(zhì)對氮素的需求，這與本研究結(jié)果一致。同時，本研究中土壤為典型黑土，土壤肥力本底值較高，總氮含量為2.01 g·kg-1，高于棕壤土(1.11 g·kg-1)[21]和潮土(1.19 g·kg-1)[22]。這也可能是不同施肥處理對大豆籽粒中蛋白含量影響不大的主要原因。另一方面，大豆籽粒中游離氨基酸含量受到肥料的影響較大，表現(xiàn)出隨有機肥用量的增加而增加的趨勢。金平[23]研究表明，施用有機肥促進(jìn)大豆籽粒中游離氨基酸的積累，同單施化肥相比，增施有機肥條件下大豆籽粒中游離氨基酸含量顯著提高了3.37%。氮、磷是氨基酸結(jié)構(gòu)的重要組分，有機肥含有大量氮、磷元素，因此施用有機肥會影響大豆的氨基酸含量。氨基酸是蛋白質(zhì)合成底物，游離氨基酸是氮素在大豆植株體內(nèi)運輸?shù)闹饕问街?，施用有機肥能夠提高土壤肥力，增強根系對氮素的吸收與氨基酸的合成，保證籽粒氨基酸供應(yīng)充足。

可溶性糖是光合作用的基礎(chǔ)物質(zhì)，植物的碳氮代謝通過可溶性糖、游離氨基酸等來調(diào)節(jié)，決定著器官的建成與同化產(chǎn)物的運輸。本研究發(fā)現(xiàn)大豆籽粒中蔗糖含量在不同施肥處理間均未存在差異，施肥可以顯著提高大豆可溶性糖的含量，但增施有機肥與單施化肥處理之間并未存在顯著差異。吳奇峰等[24]研究發(fā)現(xiàn)，不同品種在不同施氮水平下，大豆籽粒中可溶性糖表現(xiàn)為高氮(360 kg·hm-2)>中氮(180 kg·hm-2)>低氮(不施氮)。張圣平等[25]研究發(fā)現(xiàn)，對可溶性糖的施肥效果表現(xiàn)為有機肥(53～89 t·hm-2)>復(fù)合肥(532～894 kg·hm-2)>尿素(266～447 kg·hm-2)。而章建新等[26]研究發(fā)現(xiàn)，可溶性糖含量隨施氮量的增加先增后減，氮施氮量為90 kg·hm-2時可溶性糖含量達(dá)到峰值。有機肥是通過改變植物光合性能及土壤理化環(huán)境而改善大豆?fàn)I養(yǎng)品質(zhì)的，而過高的施肥量對籽粒中可溶性糖與蔗糖卻沒有提升作用，這可能是由于調(diào)控蔗糖合成酶受到過高氮水平的抑制。李彥生等[27]研究發(fā)現(xiàn)，過多的氮素會抑制蔗糖磷酸合成酶的活力，不利于蔗糖合成，而單糖在籽粒中的累積量顯著增加，抑制蔗糖合成酶、酸性轉(zhuǎn)化酶和中性轉(zhuǎn)化酶的活性，導(dǎo)致蔗糖代謝速度下降，不利于光合產(chǎn)物向籽粒中運輸。這也符合本文研究中處理間蔗糖含量差異不顯著而可溶性糖含量差異顯著的現(xiàn)象。由此，在玉米-大豆輪作基礎(chǔ)上，施肥，尤其是有機肥的長期施用，盡管不能提高蛋白質(zhì)含量、蛋脂總和及蔗糖含量，但可以明顯增加脂肪、游離氨基酸和可溶性糖含量，改善黑土農(nóng)田大豆?fàn)I養(yǎng)品質(zhì)。

4 結(jié) 論

在玉米-大豆輪作基礎(chǔ)上，化肥與有機肥的施用會影響大豆的營養(yǎng)品質(zhì)，具體表現(xiàn)為：(1)增施牛糞有機肥對大豆的蛋白質(zhì)含量、蛋脂總和及蔗糖含量的影響不顯著；(2)有機肥的長期增施可以明顯增加大豆的脂肪、游離氨基酸和可溶性糖含量，改善黑土農(nóng)田大豆?fàn)I養(yǎng)品質(zhì)。