晉凡生,韓彥龍,李 潔,李海金,李曉平
(1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 旱地農(nóng)業(yè)研究中心,山西 太原 030031;2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,山西 太谷 030801)
蕓豆(PhaseolusvulgarisL.)是我國一種主要的雜糧作物,生育期短,耐旱耐瘠,抗逆性強(qiáng),籽粒營養(yǎng)豐富,在全國高寒冷涼區(qū)廣泛種植,其中,山西省是我國蕓豆主產(chǎn)地之一。紅蕓豆屬于食用豆中普通菜豆矮生直立型的一個(gè)品種,因其色澤艷麗,營養(yǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高,在國內(nèi)外市場受到歡迎[1],近年來種植面積逐年擴(kuò)大。
我國對蕓豆的研究起步較晚,始于1978年,而且科研力量薄弱,育成品種較少,栽培手段落后,田間管理粗放,造成蕓豆單產(chǎn)水平較低,極大地影響了蕓豆的規(guī)模化生產(chǎn)[1-3]。
近年來對紅蕓豆的研究主要集中在施肥、種植密度、光合和水分方面。已有研究表明,施肥對紅蕓豆產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素具有促進(jìn)作用[4-12],施用氮、磷肥可以提高不同品種蕓豆葉綠素含量、氨基酸含量及組分[13-16],不同的種植密度對紅蕓豆產(chǎn)量和品質(zhì)也形成一定的影響[16-18]。這些研究主要集中在施肥及氮肥對蕓豆產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀的影響上,而關(guān)于施肥對紅蕓豆的養(yǎng)分吸收、干物質(zhì)累積、分配特征及對產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響以及之間關(guān)系的研究未見報(bào)道。但在大豆上有一些關(guān)于施肥對大豆品質(zhì)、干物質(zhì)積累、源庫調(diào)節(jié)效應(yīng)等方面的研究[20-26],雜豆高效生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范課題組在試驗(yàn)設(shè)計(jì)上參考了這些試驗(yàn)的思路。
根據(jù)紅蕓豆產(chǎn)區(qū)生產(chǎn)特點(diǎn),課題試驗(yàn)方案以土壤測定結(jié)果結(jié)合農(nóng)民習(xí)慣施肥確定施肥量,設(shè)置氮、磷、鉀配施及缺素試驗(yàn),系統(tǒng)研究不同氮磷鉀配施對紅蕓豆養(yǎng)分吸收、干物質(zhì)積累及產(chǎn)量相關(guān)因子的影響,以期為紅蕓豆高效生產(chǎn)及適量施肥提供理論依據(jù)。
本試驗(yàn)于2014-2015年在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱農(nóng)農(nóng)業(yè)研究中心的河村試驗(yàn)基地(N38°05′,E112°90′)進(jìn)行。試驗(yàn)地位于山西省中部,海拔1 270 m,無霜期140 d左右,年均降水量450 mm,年均蒸發(fā)量1 995 mm,年均氣溫6~7 ℃,≥10 ℃活動(dòng)積溫2 600 ℃,為典型的半干旱區(qū)。試驗(yàn)地土壤屬于褐土性土,土壤pH值8.02,有機(jī)質(zhì)含量為16.50 g/kg,全N為1.09 g/kg,堿解N為55.12 mg/kg,有效P為14.63 mg/kg,速效K為161.09 mg/kg。前茬作物為玉米。
供試作物為紅蕓豆,屬于普通菜豆(PhaseolusvulgarisLinn)矮生直立型品種,供試品種為英國紅。施用的氮肥為尿素,N含量為46%;磷肥為粒狀過磷酸鈣,P2O5含量為12%;鉀肥為硫酸鉀,K2O含量為45%。
本試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理,分別為NPK、NP、NK、PK、CK,各處理具體施肥量如表1所示。3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列,小區(qū)面積28 m2(7 m×4 m)。0.5 m等行距種植,穴距0.2 m,每穴2株。試驗(yàn)在自然降水條件下進(jìn)行,無補(bǔ)充灌溉。2015年試驗(yàn)設(shè)計(jì)、田間布置與2014年相同。
表1 各處理施肥量Tab.1 The amount of fertilizer used in each treatment kg/hm2
1.4.1 測定日期 在紅蕓豆的生長發(fā)育過程中對其進(jìn)行采樣,生育期的劃分及取樣、測量日期如表2所示。
表2 紅蕓豆的生育期劃分及取樣、測量日期Tab.2 Red kidney bean growth stage and the sampling and measurement date 月-日
注:V2.苗期,第2片未完全展開的3出復(fù)葉出現(xiàn)在第4節(jié)上;R1.初花期,植株上第1朵花開放;R3.盛花期,植株上有1個(gè)莢達(dá)到最大長度;R6.結(jié)莢期,植株上50%的豆莢中豆粒完全發(fā)育;R8.成熟期,植株上80%的豆莢達(dá)到了成熟顏色。表5-12同。
Notes: V2.Seedling stage, the trifoliolate leaf of second not fully expand appears in fourth section; R1.Early flowering stage, the first flower on the plant opens; R3.Full bloom stage, there is 1 pod on the plant to reach the maximum length; R6.Pod bearing stage, 50% of the pods on the plant were fully developed; R8.Maturity stage, 80% of the pod on the plant reached its mature color. The same as Tab.5-12.
1.4.2 紅蕓豆植株的干物質(zhì)積累、分配測定及計(jì)算方法 分別在紅蕓豆V2、R1、R3、R6和R8共5個(gè)時(shí)期選有代表性的植株4~6株,用自來水小心沖洗干凈,然后迅速將采集的紅蕓豆植株按照器官分為莖、葉、莢皮、籽粒等,將分好的各部分器官裝入紙袋,在105 ℃烘箱中殺青30 min,于80 ℃恒溫條件下烘至恒質(zhì)量,稱取各器官的干質(zhì)量,并計(jì)算干物質(zhì)量,進(jìn)一步推算各時(shí)期各部位的干物質(zhì)積累和分配轉(zhuǎn)移狀況。
1.4.3 田間測定方法 挑選長勢均勻連續(xù)的10株紅蕓豆,各處理分別掛牌標(biāo)記。在紅蕓豆成熟后,即將收獲時(shí),對各處理小區(qū)內(nèi)掛牌的10株紅蕓豆進(jìn)行考株,分別考察單株有效莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒質(zhì)量等。各小區(qū)單收單打,經(jīng)去雜和晾曬計(jì)產(chǎn)。
采用Excel 2003、SPSS 14.0等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。
從表3可以看出,與CK相比,各施肥處理的產(chǎn)量均有提高,并與對照間差異顯著;其中,2014年缺氮、缺磷處理的產(chǎn)量與全施肥處理差異顯著,缺鉀處理的產(chǎn)量與全施肥處理差異不顯著,從產(chǎn)量構(gòu)成因子看,差異主要體現(xiàn)在百粒質(zhì)量上,但缺磷處理與全施肥處理之間的百粒質(zhì)量差異不顯著,而單株有效莢數(shù)和每莢粒數(shù)差異不顯著;2015年3個(gè)缺素處理均與全施肥處理的產(chǎn)量差異顯著,從產(chǎn)量構(gòu)成因子看,其差異表現(xiàn)與2014年基本吻合;2014年各處理產(chǎn)量比CK增產(chǎn)11.48%~25.15%,其中氮、磷、鉀配施比缺施氮、磷、鉀肥處理分別增產(chǎn)12.27%,4.20%,3.34%;2015年各處理產(chǎn)量比CK增產(chǎn)21.14%~37.67%。其中氮、磷、鉀配施比缺施氮、磷、鉀肥處理分別增產(chǎn)13.65%,10.55%,5.39%,由此可見,說明養(yǎng)分是紅蕓豆產(chǎn)量提高的主要限制因子。從產(chǎn)量構(gòu)成因子來看,各施肥處理對產(chǎn)量的影響主要表現(xiàn)在對百粒質(zhì)量的影響上,除2014年缺氮處理與對照差異不顯著外,其他施肥處理的百粒質(zhì)量與CK均差異顯著;而對單株有效莢數(shù)和每莢粒數(shù)則影響較小,除2014年缺鉀處理與對照差異顯著外,其他施肥處理均與對照差異不顯著(表3)。
經(jīng)過對2年產(chǎn)量及構(gòu)成因子進(jìn)行相關(guān)性分析可知,2年的趨勢高度一致,對產(chǎn)量影響的重要性依次為百粒質(zhì)量>每莢粒數(shù)>單株有效莢數(shù),但只有百粒質(zhì)量與產(chǎn)量的相關(guān)性達(dá)到顯著水平(P<0.05),2014,2015年的相關(guān)系數(shù)分別為0.88和0.90(表4)。
表3 紅蕓豆各處理的產(chǎn)量及構(gòu)成因子Tab.3 Red kidney bean yield and constituent factor
表4 產(chǎn)量及構(gòu)成因子相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis of yield and constituent factors
注:*.P<0.05;**.P<0.01。表11-12同。
Note:*.P<0.05;**.P<0.01. The same as Tab.11-12。
2.2.1 紅蕓豆各處理的養(yǎng)分含量 從紅蕓豆植株樣本的分析測試結(jié)果來看,各處理氮含量變化各不相同,在V2-R1階段,與CK相比,除NP處理的含量略有降低外,其他4個(gè)處理均升高;在R3-R8階段,除NPK處理是一直降低外,其他4個(gè)處理均為先降低后升高;氮含量總的趨勢呈高-低-高的變化。各處理磷含量隨著生育期的推進(jìn),除NK在R6和CK在R8略有升高外,其他4個(gè)處理均呈現(xiàn)降低趨勢。鉀含量在V2-R1階段,除NPK處理略有升高外,其他處理均在降低,在R3-R8階段的含量與前期相比則降低,但2個(gè)階段內(nèi)差異不顯著(表5)。
2.2.2 紅蕓豆各器官的養(yǎng)分含量 從表6可以看出,根系含氮量在不同生育階段差異顯著,呈U型趨勢,從V2到R6逐漸降低,R8又有回升;莖含氮量呈倒S型趨勢,從V2到R1先升高,然后逐漸降低,R8又有回升,但V2和R1這2個(gè)時(shí)期差異不顯著;葉片含氮量的趨勢與根系一樣,呈U型趨勢,從V2到R6逐漸降低,R8又有回升。這3個(gè)器官氮含量在R8的回升可能與氮在成熟期的回流有關(guān)。豆莢和莢皮含氮量呈降低趨勢,籽粒含氮量呈升高趨勢,這是干物質(zhì)轉(zhuǎn)移的表現(xiàn)。
從植株各器官含磷量數(shù)據(jù)來看,根系含磷量除在V2與R1和R6有顯著差異外,R1-R8階段差異并不顯著,整個(gè)生育期變化比較?。磺o含磷量在V2-R6階段逐漸降低,R8略有回升,但與前期差異不顯著;葉片含磷量在V2和R1階段比較高,R3-R8則較低,且這2個(gè)生育區(qū)間差異顯著,但區(qū)間內(nèi)則差異不顯著;豆莢、莢皮和籽粒的含磷量均呈降低趨勢。
從植株各器官含鉀量數(shù)據(jù)來看,根系含鉀量呈明顯S型變化;莖含鉀量呈拋物線變化,但R3-R8含量明顯降低;葉片含鉀量呈顯著下降趨勢,R8雖略有回升,但與R6間差異不顯著;豆莢含鉀量呈降低趨勢;莢皮含鉀量無顯著差異,籽粒則降低,差異顯著。
從整個(gè)植株數(shù)據(jù)來看,各器官中根、葉片、豆莢及籽粒中氮>鉀>磷,莖和莢皮中鉀>氮>磷;植株各器官在不同生育期的氮、磷、鉀含量變化較大,從整個(gè)生育期各器官的氮、磷、鉀含量來看,各器官中含氮量依次為豆莢>葉>籽粒>莖>根>莢皮,含磷量依次為豆莢>籽粒>葉>莖>根>莢皮,含鉀量依次為豆莢>莢皮>莖>籽粒>葉>根(表6)。
表5 各處理不同生育期的氮磷鉀含量Tab.5 NPK content in different growth stages of each treatment g/kg
表6 各器官不同生育期的氮磷鉀含量Tab.6 NPK content in different growth stages of each organs g/kg
2.3.1 紅蕓豆各器官氮、磷、鉀養(yǎng)分積累和分配特征 從整個(gè)生育期看,紅蕓豆植株總的氮、磷、鉀積累量均呈增加趨勢,從V2-R3是營養(yǎng)器官的快速積累期,此階段葉片和莖稈是養(yǎng)分的分配中心;到R3后,生殖器官逐漸成為養(yǎng)分的分配中心,到R8時(shí),籽粒的氮、磷、鉀積累量所占比例分別達(dá)到植株總積累量的71.73%,64.94%,46.07%;養(yǎng)分積累量為氮>鉀>磷。
從氮的積累量來看,根、莖、葉中氮積累量在生育前期呈快速升高趨勢,生育后期開始下降,但根和莖在成熟期均有升高;而生殖器官中氮積累量在生育后期主要轉(zhuǎn)向籽粒;成熟期各器官氮累積量依次為籽粒>莖>葉>莢皮>根,其所占總量的比例分別為71.73%,10.55%,10.09%,6.23%,1.40%。
從磷的積累量來看,所有器官中磷積累量的趨勢和氮積累量的趨勢完全相同,只是葉片和莢皮的磷積累量前后排序顛倒;成熟期各器官磷積累量依次為籽粒>莖>莢皮>葉>根,其所占總量的比例分別為64.94%,14.83%,9.92%,8.07%,2.24%。
從鉀的積累量來看,根在V2-R6呈拋物線趨勢,到V8有所上升,莖和葉中鉀積累量均呈拋物線趨勢,只是根系的峰值在R1,莖稈和葉片的峰值在R3;而生殖器官中莢皮的鉀積累量和氮、磷趨勢不同,呈現(xiàn)增加的趨勢;成熟期各器官鉀累積量依次為籽粒>莢皮>莖>葉>根,其所占總量的比例分別為46.07%,36.89%,10.89%,4.96%,1.19%(表7)。
表7 各器官不同生育期氮磷鉀積累量及占比Tab.7 NPK accumulation and percentage of total in different growth stages of each organs
2.3.2 紅蕓豆植株各生育階段氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收、積累和分配特征 隨著生育期的推進(jìn),紅蕓豆植株氮、磷、鉀的積累量在逐漸累積增加,到收獲時(shí)達(dá)到最大,此時(shí)氮、磷、鉀的積累量分別達(dá)到161.15,38.27,126.7 kg/hm2,其積累量之間的比例為4.21∶1.00∶3.31;從紅蕓豆整個(gè)生育期各階段的氮、磷、鉀積累量來看,其積累量呈為拋物線形式,這是由于生育前期植株較小,其對養(yǎng)分的吸收量也相對較小,隨著植株生長,對養(yǎng)分的需求也在增加,中期進(jìn)入養(yǎng)分需要旺盛期,后期進(jìn)入生殖生長階段后,養(yǎng)分主要向籽粒轉(zhuǎn)移;但氮、磷、鉀三者的積累量的頂點(diǎn)不同,氮出現(xiàn)在R1-R3,而磷、鉀出現(xiàn)在R3-R6(表8)。
表8 各生育階段氮磷鉀積累量、占比及吸收速率Tab.8 NPK accumulation and percentage of total and absorption rate in different growth stages
從紅蕓豆整個(gè)生育期單株干物質(zhì)積累量可以看出,V2-R6干物質(zhì)累積量差異顯著,R6-R8則無顯著差異,呈生育前期快速積累,生育后期逐漸平緩的變化趨勢;干物質(zhì)積累速率呈拋物線形狀,R3-R6的20 d達(dá)到0.952 g/d,是全生育期的干物質(zhì)積累高峰。
從紅蕓豆各器官干物質(zhì)積累量來看,根系和葉片在生育前期快速增長,積累速率到R1達(dá)到高峰,在V2-R1的17 d中分別為0.027,0.218 g/d,后期趨向緩慢;莖稈的趨勢和根系、葉片相同,只是積累速率到R3達(dá)到高峰,在R1-R3的18 d中達(dá)到為0.263 g/d;從R3以后,生殖器官的干物質(zhì)積累成為主導(dǎo),豆莢在R1-R3的18 d中達(dá)到0.336 g/d,莢皮、籽粒的最高積累速率在R3-R6的20 d中達(dá)到0.520,0.728 g/d;由此可見,生育前期營養(yǎng)器官是積累分配中心,在R8干物質(zhì)占總量比例達(dá)到72.22%,生育后期生殖器官是積累分配中心,在R8干物質(zhì)占總量比例達(dá)到70.26%,這與紅蕓豆養(yǎng)分吸收是一致的(表9-10)。
表9 各器官在不同生育期單株的干物質(zhì)積累量及占比Tab.9 Dry matter accumulation amount and percentage of total in different growth stages of each organs
表10 紅蕓豆單株干物質(zhì)積累量及積累速率Tab.10 Dry matter accumulation amount and accumulation rate in plants
2.5.1 各生育期養(yǎng)分積累量與干物質(zhì)積累量的關(guān)系 通過對紅蕓豆各生育期的養(yǎng)分積累量與干物質(zhì)積累量之間關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析可以看出,隨著生育期的推進(jìn),氮積累量與干物質(zhì)積累量之間的相關(guān)性呈逐漸增加趨勢,到R6和R8時(shí)其相關(guān)性極顯著;磷積累量與干物質(zhì)積累量之間的相關(guān)性呈倒S型,到R6時(shí)其相關(guān)性極顯著;鉀積累量與干物質(zhì)積累量之間的相關(guān)性與磷含量相似,到R6時(shí)其相關(guān)性達(dá)到最大,但沒有達(dá)到顯著水平。由此可見,施肥對紅蕓豆植株的干物質(zhì)積累量起到至關(guān)重要的作用(表11)。
表11 各生育期養(yǎng)分積累量與干物質(zhì)積累量的相關(guān)性分析Tab.11 Correlation analysis of nutrient accumulation amount and dry matter accumulation amount at different growth stages
2.5.2 各生育期干物質(zhì)積累量與產(chǎn)量及構(gòu)成因子的關(guān)系 通過對紅蕓豆各生育期干物質(zhì)積累量與產(chǎn)量及構(gòu)成因子之間關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析可以看出,單株有效莢數(shù)和生育前期的相關(guān)性較小,和生育后期的相關(guān)性較大,但均沒有達(dá)到顯著水平;每莢粒數(shù)與初花期的干物質(zhì)積累量有極顯著的相關(guān)性,說明此時(shí)的干物質(zhì)積累量會(huì)極大地影響到紅蕓豆每莢粒數(shù)的多少;百粒質(zhì)量的多少與結(jié)莢期的干物質(zhì)積累量呈極顯著的相關(guān)性,此生育階段的干物質(zhì)積累量決定了百粒質(zhì)量的多少;產(chǎn)量和干物質(zhì)積累量在盛花期達(dá)到顯著水平,到結(jié)莢期達(dá)到極顯著水平??梢钥闯?,生殖生長階段的干物質(zhì)積累量是影響產(chǎn)量結(jié)果的關(guān)鍵因素(表12)。
表12 各生育期干物質(zhì)積累量與產(chǎn)量及構(gòu)成因子的相關(guān)性分析Tab.12 Correlation analysis of dry matter accumulation amount and yield and constituent factor at different growth stages
氮、磷、鉀配施對紅蕓豆具有顯著的增產(chǎn)作用,產(chǎn)量構(gòu)成因子中百粒質(zhì)量對產(chǎn)量的形成影響最大;氮、磷、鉀配施比缺施氮、磷、鉀肥處理2014年增產(chǎn)分別為12.27%,4.20%,3.34%,2015年增產(chǎn)分別為13.65%,10.55%,5.39%,影響產(chǎn)量的養(yǎng)分限制因子氮>磷>鉀,與暢建武等[9]的試驗(yàn)結(jié)果相同,而韓彥龍等[5]的試驗(yàn)結(jié)果是氮>鉀>磷。
各器官中含氮量依次為豆莢>葉>籽粒>莖>根>莢皮,含磷量依次為豆莢>籽粒>葉>莖>根>莢皮,含鉀量依次為豆莢>莢皮>莖>籽粒>葉>根;根、莖、葉這3個(gè)器官氮含量在R8的回升可能與氮在成熟期的回流有關(guān)。
紅蕓豆植株在整個(gè)生育期氮、磷、鉀積累量均呈增加趨勢,積累量分別達(dá)到161.15,38.27,126.7 kg/hm2,比例為4.21∶1.00∶3.31;氮積累量的頂點(diǎn)出現(xiàn)在初花到盛花期,而磷、鉀出現(xiàn)在盛花到結(jié)莢期;生育前期葉片和莖稈是養(yǎng)分的分配中心;生育后期籽粒是養(yǎng)分的分配中心,氮、磷、鉀積累量占總量的比例分別為71.73%,64.94%,46.07%;養(yǎng)分積累量為氮>鉀>磷。
紅蕓豆干物質(zhì)積累趨勢與養(yǎng)分吸收趨勢基本一致,生育前期營養(yǎng)器官是干物質(zhì)積累分配中心,其干物質(zhì)占總量比例達(dá)到72.22%,生育后期生殖器官是干物質(zhì)積累分配中心,其干物質(zhì)占總量比例達(dá)到70.26%;整個(gè)生育期干物質(zhì)積累速率呈拋物線形狀,盛花到結(jié)莢期達(dá)到積累高峰,單株積累量為0.952 g/d;各器官積累速率的高峰不同,根系和葉片在初花期,莖稈和豆莢在盛花期,莢皮和籽粒在結(jié)莢期。韓彥龍等[5]的也有相似結(jié)論,只是在各器官的積累速率上有所不同。
紅蕓豆干物質(zhì)積累量與養(yǎng)分積累量具有相關(guān)性,氮積累量與干物質(zhì)積累量之間的相關(guān)系數(shù)在結(jié)莢期到成熟期分別為0.95和0.96,且呈極顯著水平(P<0.01);磷積累量與干物質(zhì)積累量之間的相關(guān)系數(shù)在結(jié)莢期為0.93(P<0.01),且呈極顯著水平;鉀積累量與干物質(zhì)積累量之間的相關(guān)性沒有達(dá)到顯著水平;紅蕓豆干物質(zhì)積累量與產(chǎn)量構(gòu)成因子具有相關(guān)性,每莢粒數(shù)與干物質(zhì)積累量的相關(guān)系數(shù)在初花期為0.95,且達(dá)到極顯著水平(P<0.01),百粒質(zhì)量與干物質(zhì)積累量在結(jié)莢期的相關(guān)系數(shù)為0.94,且呈極顯著水平(P<0.01),產(chǎn)量與干物質(zhì)積累量的相關(guān)系數(shù)在盛花期為0.86,達(dá)到顯著水平(P<0.05),在結(jié)莢期為0.98,達(dá)到極顯著水平(P<0.01),生殖生長階段的干物質(zhì)積累量是影響產(chǎn)量結(jié)果的關(guān)鍵因素。
氮磷鉀配施是一個(gè)大田肥料試驗(yàn),由于降水、溫度和農(nóng)田小氣候的不可控性,受到諸多環(huán)境因素影響,使得試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行縱向和橫向?qū)Ρ葧r(shí)重現(xiàn)性差。因此,仍需要進(jìn)行多年定點(diǎn)的連續(xù)試驗(yàn)才有可能得出比較客觀的結(jié)論。