水氮耦合對(duì)蕓豆生理及產(chǎn)量的影響

李 婷，周 旭，劉春梅，王孟雪

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，黑龍江 大慶 163000)

水肥是影響作物生長發(fā)育的重要因子[1]。水分是作物生長的必要條件，同時(shí)也是化肥溶解所必需的，而且營養(yǎng)向根系表面遷移和根系吸收養(yǎng)分的過程都必須有水分的參與[2]。合理的水氮管理有利于作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成[3]，而不合理的灌溉和施肥不僅造成水資源的浪費(fèi)，而且還會(huì)造成農(nóng)業(yè)面源污染，破壞生態(tài)環(huán)境。合理的水氮運(yùn)籌光合速率和硝酸還原酶活性較高，促進(jìn)產(chǎn)量增加[4]。實(shí)踐證明，合理的水氮條件可以改善作物的光合性能，影響干物質(zhì)積累與分配，從而產(chǎn)量增加[5]。也有研究指出，合理的水氮調(diào)控可以提高植株葉綠素含量[6]。馬桂香等[7]研究表明，合理的施氮量可以刺激硝酸還原酶活性提高，從而促進(jìn)植株對(duì)養(yǎng)分的吸收。綜上可見，研究水氮耦合效應(yīng)尤其是水氮耦合效應(yīng)對(duì)作物生長發(fā)育的影響，具有重要的理論和實(shí)踐意義。

蕓豆(Phaseolus vulgaris)屬一年生豆科草本植物，比較早熟，適應(yīng)性強(qiáng)，豐產(chǎn)性好[8-9]，具有豐富的營養(yǎng)價(jià)值和容易消化的優(yōu)質(zhì)蛋白資源[10]。現(xiàn)有關(guān)于豆類雜糧蕓豆的研究多集中于栽培模式[11-12]、品質(zhì)評(píng)價(jià)[13]和鹽堿脅迫[14]等方向, 在水分和氮素對(duì)蕓豆影響方面的研究已有少量報(bào)道, 其中華勁松[15]探討了花莢期土壤水分脅迫對(duì)蕓豆光合生理及產(chǎn)量性狀的影響, 結(jié)果表明干旱脅迫可以顯著降低葉綠素的含量, 抑制植株生長, 從而降低產(chǎn)量；喬秀平[16]研究了不同施氮水平對(duì)蕓豆產(chǎn)量的影響, 結(jié)果表明蕓豆隨著氮肥施用量的增加, 每莢粒數(shù)、單位面積莢數(shù)和百粒質(zhì)量都呈上升趨勢。目前將水分和氮素二者結(jié)合起來考慮的研究尚不多見, 關(guān)于水氮耦合對(duì)蕓豆影響方面的研究更少。

本文以蕓豆品種英國紅為研究對(duì)象，研究不同水氮調(diào)控對(duì)蕓豆生理指標(biāo)及產(chǎn)量的影響，以揭示不同水氮處理下蕓豆生長規(guī)律，旨在為研究調(diào)控水氮-生理指標(biāo)和產(chǎn)量提供參考，為蕓豆不同水氮模式的選擇和節(jié)水優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)栽培提供理論參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2019年在大慶市黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)盆栽試驗(yàn)場進(jìn)行，該地位于黑龍江省西部、松遼盆地中央坳陷區(qū)北部，地理位置北緯45°46′至46°55′，東經(jīng)124°19′至125°12′。日平均溫度≤5 ℃的天數(shù)≥145天，全年無霜期較短，氣候特征屬北寒帶大陸性季風(fēng)氣候。

供試品種為英國紅。供試土壤取自黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)試驗(yàn)基地耕層土壤(0～20 cm土層)，土壤理化性質(zhì)全氮1.29 g/kg,全磷0.48 g/kg,堿解氮90.68 mg/kg,速效磷44.15 mg/kg,速效鉀120 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)2019年5月25日播種，8月31日收獲，生育期99 d。試驗(yàn)考慮灌溉方式、施氮水平兩個(gè)因素，設(shè)常規(guī)灌溉(W1)、控制灌溉(W2)兩種灌溉方式。常規(guī)灌溉的土壤含水量控制在田間持水量的80%，控制灌溉的土壤含水量控制在田間持水量的60%。4個(gè)施氮水平(尿素，以純N計(jì)):25 kg/hm2(N1)、30 kg/hm2(N2)、35 kg/hm2(N3)、40 kg/hm2(N4)。磷肥：36 kg/hm2；鉀肥：21 kg/hm2。

試驗(yàn)共計(jì)10個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)見表1。每盆裝土15 kg，每天采用稱重法控制土壤含水量。土壤蒸發(fā)與植株蒸騰在農(nóng)田中同時(shí)發(fā)生，很難將兩者區(qū)分開來。在作物完全覆蓋地面后，土壤蒸發(fā)相對(duì)較小，蒸騰占主導(dǎo)地位。因此，每天稱重缺少的水分視為植物的蒸騰作用，而土壤蒸發(fā)作用忽略不計(jì)。

表1 試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)

1.3 測定內(nèi)容與方法

1.3.1 蕓豆生理指標(biāo)測定

1.3.1.1 葉綠素含量測定

于蕓豆苗期和花莢期取新鮮葉片2至3片，洗凈，擦干，將去掉中脈的葉片剪碎，混勻。稱取剪碎的新鮮樣品0.2 g,共3份，將其放入25 mL混有丙酮-乙醇混合提取液(丙酮與無水乙醇放入體積比為1∶1)的棕色容量瓶中，于40 ℃恒溫箱中浸提24 h，冷卻至室溫后，以80%丙酮作為對(duì)照，用分光光度計(jì)分別在波長645 nm、652 nm和663 nm下測定光密度值。

Ca=(12.7D663-2.69D645)V/W

(1)

Cb=(22.9D645-4.68D663)V/W

(2)

C=1000VD652/34.5W

(3)

式中:Ca、Cb和C分別為葉綠素a含量、葉綠素b含量和葉綠素總量,mg/g;D663、D645和D652分別為葉綠素溶液在波長663 nm、645 nm和652 nm時(shí)的吸光度，V為提取液體積,L;W為材料鮮重，g。

1.3.1.2 硝酸還原酶活性測定

將取回的新鮮葉片洗凈，用吸水紙吸干，再用打孔器打成直徑約1 cm的圓片，稱取葉片0.5 g兩份，一份作為對(duì)照，一份作為酶活性測定用。向?qū)φ展苤屑尤? mL 30%三氯乙酸，各管中加入9 mL 0.1 mol/L的KNO3溶液，混勻后于干燥器中抽氣1 min再通入空氣，再抽真空，反復(fù)幾次，在25 ℃下黑暗中反應(yīng)0.5 h,再向測定管(對(duì)照管除外)加入1 mL 30%三氯乙酸終止酶反應(yīng)。將各管搖勻靜止2 min后取2 mL反應(yīng)液，加入1 mL磺胺和1 mL萘基乙烯胺，搖勻顯色15 min后，在540 nm處測定其吸光度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算反應(yīng)液中生成的亞硝態(tài)氮總量。通過測定得出，標(biāo)準(zhǔn)曲線的回歸方程為y=0.1056x+0.0095,y為吸光度值，x為亞硝態(tài)氮。

單位鮮重樣品中硝酸還原酶活性=

(4)

式中：x為反應(yīng)液酶催化產(chǎn)生的亞硝態(tài)氮總量，μg；v1為提取酶時(shí)加入的緩沖液體積，mL；v2為酶反應(yīng)時(shí)加入的粗酶液體積，mL；W為樣品鮮重，g；t為反應(yīng)時(shí)間，h。

1.3.2 蕓豆產(chǎn)量測定

在收獲后，對(duì)每個(gè)處理的蕓豆進(jìn)行測產(chǎn)，分別測量蕓豆的株高、分枝數(shù)、每株莢數(shù)、每株粒數(shù)、每株粒重、主莖節(jié)數(shù)和莖粗，計(jì)算每個(gè)處理蕓豆產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS13.0單因素方差分析及Duncan多重比較方法進(jìn)行顯著差異性分析及均值比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮處理葉綠素含量動(dòng)態(tài)變化分析

不同水氮條件下，苗期各處理蕓豆葉綠素a含量見圖1。由圖1可以看出，在常規(guī)灌溉條件下，葉綠素a含量最大值出現(xiàn)在W1N3處理；在控制灌溉條件下，葉綠素a最大值出現(xiàn)在W2N4處理，W2N2葉綠素a含量最低。

圖1 水氮耦合對(duì)蕓豆苗期葉綠素a的影響

苗期各處理蕓豆葉綠素b含量如圖2所示。在常規(guī)灌溉條件下，葉綠素b隨施氮量的增加沒有表現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性，各處理間差異性也不顯著；控制灌溉條件下，隨著氮肥施用量的增加，葉綠素b含量逐漸上升，W2N4處理的值表現(xiàn)為最大，與其他處理均達(dá)到了顯著性差異(P<0.05)。

苗期各處理葉綠素總量見圖3。由圖3可以看出，在常規(guī)灌溉條件下，W1N1、W1N2處理的葉綠素總量與對(duì)照沒有顯著差異，W1N3、W1N4與對(duì)照相比差異顯著，且W1N4處理的葉綠素總量最低；在控制灌溉下，葉綠素總量最大值出現(xiàn)在W2N4處理，W2N2處理的值最低。

圖3 水氮耦合對(duì)蕓豆苗期葉綠素總量的影響

不同灌溉條件下，葉綠素含量的變化隨氮肥施用量的增加沒有表現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性，綜合來看，葉綠素含量最大值出現(xiàn)在W2N4處理，當(dāng)灌水量減少，大幅度增加氮肥施用，使葉綠素含量上升。

不同水氮條件下，花莢期各處理蕓豆葉綠素a含量見圖4。由圖4可以看出，在常規(guī)灌溉條件下，葉綠素a隨施氮量的增加呈先上升后下降趨勢，最大值出現(xiàn)在W1N3處理；在控制灌溉條件下，葉綠素a最大值出現(xiàn)在W2N4處理，最低值為W2N1處理。

圖4 水氮耦合對(duì)蕓豆花莢期葉綠素a的影響

花莢期各處理蕓豆葉綠素b含量如圖5所示。在常規(guī)灌溉條件下，葉綠素b隨施氮量的增加呈先上升后下降趨勢，但各處理間沒有表現(xiàn)出較大的差異性；控制灌溉條件下，隨著氮肥施用量的增加，葉綠素b含量呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，W2N4處理的值表現(xiàn)為最大。

圖5 水氮耦合對(duì)蕓豆花莢期葉綠素b的影響

圖6為花莢期各處理葉綠素總量。由圖6可以看出，葉綠素總量的變化趨勢與葉綠素b變化趨勢相似，兩種水分條件下，適宜增加氮肥施用量，葉綠素總量均表現(xiàn)為增大。

圖6 水氮耦合對(duì)蕓豆花莢期葉綠素總量的影響

綜合分析可知，蕓豆葉片的葉綠素含量在苗期-花莢期呈現(xiàn)增加的趨勢，在花莢期取得最大值，葉綠素含量以處理W1N3和處理W2N4表現(xiàn)最佳。

2.2 不同水氮處理硝酸還原酶活性分析

不同水氮條件下，苗期、花莢期各處理蕓豆葉片硝酸還原酶活性見圖7。由圖7可知，除N2處理外，蕓豆花莢期硝酸還原酶活性均高于苗期硝酸還原酶活性。在常規(guī)灌溉條件下，蕓豆苗期葉片硝酸還原酶活性隨施氮量的增加，表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，在W1N2處理下達(dá)到峰值，與對(duì)照相比，增加了165.81%，與對(duì)照差異顯著(P<0.05)。在控制灌溉條件下，蕓豆苗期葉片硝酸還原酶活性隨施氮量的增加，表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，在W2N2處理下達(dá)到峰值，與對(duì)照相比，增加了65.13%，與對(duì)照差異顯著(P<0.05)。

圖7 水氮耦合對(duì)硝酸還原酶活性的影響

蕓豆花莢期葉片硝酸還原酶活性在常規(guī)灌溉條件下，在處理W1N3表現(xiàn)最佳，處理W1N3和W1N4均與對(duì)照差異顯著(P<0.05)，與對(duì)照相比，分別增加了557.06%、230.17%。在控制灌溉條件下，處理W2N4硝酸還原酶活性最高，與對(duì)照相比增加了39.51%，與對(duì)照差異顯著(P<0.05)。

2.3 對(duì)蕓豆產(chǎn)量的影響

蕓豆產(chǎn)量由株高、分枝數(shù)、每株莢數(shù)、每株粒數(shù)、主莖節(jié)數(shù)和莖粗共同決定。由表2可看出，施氮的處理，株高與分枝數(shù)均高于對(duì)照。各處理的株高，施氮處理與未施氮處理差異顯著(P<0.05)，在常規(guī)灌溉條件下，分枝數(shù)和每株粒數(shù)的增加表明增施氮肥有利于其增加，但超過一定量反而起限制作用。

表2 不同處理的蕓豆產(chǎn)量

在常規(guī)灌溉條件下，除W1N4處理的每株粒數(shù)低于對(duì)照外，其余處理均高于對(duì)照，總體由小到大依次為W1N4、W1N0、W1N1(W1N2)、W1N3；除W1N3處理的莖粗低于對(duì)照外，其余處理顯著高于對(duì)照，由小到大依次為W1N3、W1N0、W1N4、W1N1、W1N2。

在控制灌溉條件下，除W2N2處理的每株單株莢數(shù)低于對(duì)照外，其余處理均高于對(duì)照，W2N2處理的每株單株粒數(shù)低于對(duì)照，其余處理均高于對(duì)照，從主莖節(jié)數(shù)來看，除W2N3、W2N4處理低于對(duì)照外，其余處理均高于對(duì)照，W2N2處理的值最大。各處理的莖粗均低于對(duì)照，且達(dá)到顯著性差異。在常規(guī)灌溉條件下，施氮量為35 kg/hm2時(shí)產(chǎn)量最高，在控制灌溉條件下，施氮量為40 kg/hm2時(shí)產(chǎn)量最高，表明適宜的水氮條件能提高蕓豆產(chǎn)量。

3 討 論

合理的水肥條件可以促進(jìn)作物生長發(fā)育。戴明等[17]研究表明合理的水氮運(yùn)籌可改善植株株高、根長、葉面積指數(shù)、莖粗、單株地上和地下生物量，從而促進(jìn)產(chǎn)量的增加。灌水量相同條件下，適量施用氮肥能夠促進(jìn)蕓豆植株株高、分枝數(shù)、主莖節(jié)數(shù)、莖粗的增加，有利于蕓豆地上部植株生長，施氮量過多反而會(huì)產(chǎn)生抑制作用，這與李鑫等[3]的研究結(jié)果一致。在施氮量相同時(shí)，隨著灌水量的增加，蕓豆植株分枝數(shù)、每株莢數(shù)、每株粒數(shù)、主莖節(jié)數(shù)、莖粗也表現(xiàn)出增加的趨勢，說明水分可以從多方面促進(jìn)養(yǎng)分發(fā)揮作用，從而提高肥料利用率。在控制灌溉條件下，施氮處理與對(duì)照相比，株高、莖粗和主莖節(jié)數(shù)增加顯著(P<0.05)，說明適量供氮可減輕水分不足對(duì)作物生長發(fā)育的抑制，這與鄒小云等[18]的研究結(jié)果一致。可見，適宜的水氮條件將促進(jìn)蕓豆植株生長，為提高產(chǎn)量打下基礎(chǔ)。

葉片光合能力是植物光合作用強(qiáng)弱的重要反映，直接決定著植物生產(chǎn)力的高低[19]。水氮通過影響葉片色素等因素對(duì)植株光合作用造成影響，進(jìn)而影響產(chǎn)量。李靜等[20]研究表明，施氮量相同時(shí)，隨著灌溉量的增加，植株葉片的葉綠素含量也隨之增加；在灌溉量相同時(shí)，適量施氮對(duì)提高葉片葉綠素含量有促進(jìn)作用，不施氮或過量施氮均會(huì)抑制葉綠素的合成，這與本試驗(yàn)研究結(jié)果不一致，在施氮量相同時(shí)，增加灌溉量蕓豆葉片葉綠素含量反而減少。樊吳靜等[21]研究得出，適宜的水肥條件可以促進(jìn)作物生長發(fā)育、提高葉片光合作用，這與本試驗(yàn)研究結(jié)果一致。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蕓豆苗期葉片葉綠素含量均低于花莢期，在常規(guī)灌溉條件下，隨著施氮量的增加，葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在處理W1N3表現(xiàn)最優(yōu)，蕓豆苗期及花莢期葉片葉綠素含量均在N3處理下最大；在控制灌溉條件下，隨著施氮量的增加，葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量呈現(xiàn)增加的趨勢，在處理W2N4表現(xiàn)最優(yōu)，蕓豆苗期及花莢期葉片葉綠素含量均在N4處理下最大。對(duì)于硝酸還原酶，它是一種誘導(dǎo)酶，其活性與利用硝態(tài)氮能力密切相關(guān)，其活性受光照條件影響[22]。另有研究表明，葉綠素含量受氮素水平制約[23]，而葉綠素含量的多少直接或間接影響光合作用的進(jìn)行。因此硝酸還原酶活性也在一定程度上影響葉綠素含量。梅芳等[24]研究表明，硝酸還原酶活性隨施氮量的增加而增加，這與本試驗(yàn)研究結(jié)果不一致。本試驗(yàn)表明，蕓豆葉片花莢期硝酸還原酶活性在處理W1N3和處理W2N4較高，但苗期均在N2處理下較高。

前人對(duì)作物水氮耦合的研究發(fā)現(xiàn)得出，在灌水量相同的條件下，適宜增加氮肥可以提高作物產(chǎn)量；在施氮量相同的情況下，適宜的增加灌水量也可以提高作物產(chǎn)量[25-26]。本研究結(jié)果表明，適宜的水氮條件可以提高蕓豆植株的葉綠素含量以及硝酸還原酶活性，進(jìn)而增加產(chǎn)量。

4 結(jié) 論

(1)蕓豆苗期葉片葉綠素含量及硝酸還原酶活性低于花莢期，苗期及花莢期葉綠素含量在處理W1N3和處理W2N4較高，花莢期硝酸還原酶活性也在處理W1N3和處理W2N4較高，但苗期均在N2處理下較高。

(2)在常規(guī)灌溉條件下，施氮量為35 kg/hm2時(shí)產(chǎn)量最高，在控制灌溉條件下，施氮量為40 kg/hm2時(shí)產(chǎn)量最高，適當(dāng)減少水分供應(yīng)同時(shí)增加施氮量能提高蕓豆產(chǎn)量。

適量水肥條件不僅能滿足作物生長發(fā)育的需要，更能減少農(nóng)業(yè)成本，達(dá)到了水肥的高效利用。