大豆產(chǎn)量和水分利用效率對水氮處理的響應(yīng)

盧曉鵬，陳任強，高惠嫣，劉宏權(quán)

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071001）

黑龍港流域歷來是國家重要的農(nóng)業(yè)種植區(qū)，農(nóng)業(yè)灌溉水資源十分匱乏，屬于地下水壓采區(qū)［1-2］。施氮量和灌水量作為限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素［3］，對作物產(chǎn)量影響較大。已有研究成果表明當(dāng)土壤水分適宜和充足時，水氮互作對產(chǎn)量表現(xiàn)為加和作用，當(dāng)土壤水分含量過高時，水氮互作表現(xiàn)為拮抗作用，土壤水分含量較低時，表現(xiàn)為限制性的協(xié)同作用，當(dāng)土壤水分含量過低時，水氮互作對增產(chǎn)不起作用［4］。 合理施用氮肥和充分灌溉有利于提高植株地上部生物量，其中高水低肥處理效果最優(yōu)，低水無肥效果最差［5］。趙炳梓［6］、栗麗［7］認(rèn)為小麥水分利用效率隨著灌水量的增加而降低，當(dāng)灌水水平較低時，水分利用效率隨著施氮量的增加呈現(xiàn)上升趨勢，隨著施氮量的增加，水分利用效率先增加后降低。白楊［8］通過盆栽試驗得出水分和氮肥在一定范圍內(nèi)具有顯著的正效應(yīng)和耦合效應(yīng)，其中水是制約大豆產(chǎn)量的主要因素，相關(guān)研究表明［9-10］灌水與氮肥協(xié)同作用比氮肥單獨作用能增加大豆產(chǎn)量，使大豆能更有效地利用水肥資源，在旱地條件下施肥能提高土壤水勢，從而提高土壤水分的有效性，使一部分原來對植物生長無效的水變得有效，使植物能吸收利用更多的土壤水分［11］。試驗多在東北、西北等地區(qū)，得出的適宜水氮處理結(jié)果不盡相同［12-13］，本試驗針對黑龍港流域水土資源狀況，研究不同水氮處理對大豆生長及水分利用效率的影響，為本地區(qū)種植大豆尋求高產(chǎn)、高效提供科學(xué)水肥方案。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2019 年4—9 月在位于黑龍港流域巨鹿縣河北農(nóng)業(yè)大學(xué)的綜合試驗站（37°34′51′′N，115°13′24′′ E，海拔28.5 m）進行。該站多年平均氣溫13.3 ℃，多年平均日照時數(shù)2 767.4 h，無霜期202 d，多年平均降雨量509 mm，降雨主要集中在6—8 月，地下水埋深40 m 左右。試驗地表層土壤有機質(zhì)含量8.967 g/kg，全氮0.540 g/kg，全磷 0.892 g/kg，全鉀22.690 g/kg，堿解氮33.17 mg/kg， 有效磷1.82 mg/kg，速效鉀169.32 mg/kg。大豆生育期內(nèi)氣象數(shù)據(jù)由天圻智能生態(tài)氣象站（ET007，東方智感（浙江）科技股份有限公司，杭州）測定，試驗期間主要氣象要素如圖1 所示。土壤基本性質(zhì)如表1 所示。

圖1 大豆生育期內(nèi)主要氣象要素變化圖Fig.1 Variations of daily averaged meteorological elements during the whole growing season of soybean

表1 試驗地土壤基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of soil

1.2 試驗設(shè)計

供試品種為‘冀豆12 號’，2019 年4 月26 日進行播種，播種方式為條播，行距40 cm，出苗后留苗6 萬株/hm2，同年9 月19 日收獲，全生育期146 d。共分4 個生育階段：苗期18 d（4 月26 日—5 月15 日）、分枝期27 d（5 月15 日—6 月10 日）、花莢期67 d（6 月11 日—7 月16 日）、鼓粒期34 d（7月17 日—9 月19 日）。試驗設(shè)置5 個灌水水平和3個追氮水平，灌水方式為畦灌，以對照小區(qū)W4N2田持（75±2）%時進行灌水，灌到田持（95±2）%，灌水量記為I（W4），5 個灌水水平（W4：1.0 I，W3：0.8 I，W2：0.6 I，W1：0.4 I，W0：0 I），3 個追氮量水平（低氮N1：75 kg/hm2，中氮N2：150 kg/hm2，高氮N3：225 kg/hm2）。苗期、分枝期、花莢期、鼓粒期計劃濕潤層分別為30 、40 、50 和60 cm。底肥施用復(fù)合肥（N∶P∶K=15∶15∶15）50.3 kg/hm2、過磷酸鈣687.13 kg/hm2（12% P2O5）和硫酸鉀（52% K2O）81.64 kg/hm2。分枝期末追施尿素（46.2% N），施用量為75 kg/hm2（N1）、150 kg/hm2（N2）、225 kg/hm2（N3）；另 設(shè) 一 對照組不追肥和不灌水處理（W0N0），共16 個處理，3 組重復(fù)并進行隨機排列。試驗小區(qū)為4 m×4 m，小區(qū)邊界0.5 m 為保護帶；其余田間管理與當(dāng)?shù)匾恢隆?/p>

1.3 試驗測定項目及方法

1.3.1 土壤含水率 土壤含水率由土壤水分廓線儀(Diviner 2000, Sentek Pty Ltd.，Australia)進行測定，每10 cm 1 個測點，測量深度1 m，每7 ～10 d 進行測量，灌水前后和降雨后加測（表2）。

表2 大豆生育期內(nèi)灌水時間和灌水量 Table 2 Irrigation time and amount during soybean growth season mm

1.3.2 大豆地上干物質(zhì)量分配及產(chǎn)量 在各生育期末取3 株具有代表性的植株，分成葉、莖、豆莢3部分然后將樣品植株裝入信封在烘箱105 ℃下殺青30 min，然后在80 ℃下烘干至恒重，測得其干物質(zhì)量；測產(chǎn)時每小區(qū)隨機選取面積為1 m×1 m 進行測產(chǎn)，各處理重復(fù)3 次，測定每小區(qū)籽粒質(zhì)量，取平均值后折算成公頃產(chǎn)量。

1.3.3 作物耗水量 采用水量平衡方程計算各個生育階段及全生育期作物耗水量：

式中，ET為作物耗水量（mm），P為降水量（mm），I為灌水量（mm），S為地下水補給量（mm），△W為土壤含水率的變化量（mm），R為地表徑流（mm），D為深層滲漏（mm）。地下水補給量和深層滲漏忽略不計，但當(dāng)暴雨或特大暴雨時，考慮地表徑流R和深層滲漏D的影響。

1.3.4 水分利用效率 用下列公式計算水分利用效率［14］：

式中，WUE是以大豆經(jīng)濟產(chǎn)量計算的水分利用效率（kg/m3），Y是大豆經(jīng)濟產(chǎn)量（kg/hm2），ET是作物生育期耗水量（mm），WUEd是以地上部分總干物質(zhì)量計算的水分利用效率(kg/m3)，Yd為地上部分大豆干物質(zhì)量（kg/m3）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2010（Microsoft Corp., WA, USA）進行數(shù)據(jù)分析及圖標(biāo)制作，用IBM SPSS Statistics 22（IBM Corp., NY, USA）進行顯著性分析（P＜0.05 為顯著，P＜0.01 為極顯著）、單雙因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮處理生育期土壤水分變化及耗水量的影響

圖2、3、4 分別為低氮（N1）、中氮（N2）、高氮（N3）水平下不同灌水處理0 ～60 cm 土壤含水率變化，表3 為大豆不同生育時期耗水量，在播種前分析土壤初始水分含量差異并不顯著。苗期并無灌水和降雨，不同水氮處理土壤水分變化呈緩慢下降趨勢，分枝期開始各處理差異有顯著變化。在低氮（N1）水平下隨著灌水量增大，土壤含水率變化越大，W0N1 處理土壤含水率最低，只施低氮不灌水處理降低土壤含水率并減少耗水，最高土壤含水率為W3N1 處理，W4N1 處理灌水量多于W3N1處理，但耗水量較大，降低了含水率。在中氮（N2）水平下W4N2 處理在花莢期土壤含水率顯著高于其它處理，是因為此時期與W3N2 處理耗水量差異并不顯著，而灌水量增多使土壤水分含量增多，W0N2與W0N0 處理土壤含水率和耗水量無顯著差異，只施中氮對大豆耗水量并無顯著影響。高氮（N3）水平下W3N3 處理土壤含水率在鼓粒期高于W4N3 處理，是因為在該時期W3N3 處理耗水量大于W4N3處理。在同一施氮水平下各灌水處理土壤水分含量變化趨于一致。

圖2 低氮（N1）水平不同灌水處理土壤含水率變化Fig. 2 Changes of soil water content under different irrigation treatments with low nitrogen (N1) levels

圖3 中氮（N2）水平不同灌水處理土壤含水率變化Fig.3 Changes of soil water content under different irrigation treatments with medium nitrogen (N2) levels

圖4 高氮（N3）水平不同灌水處理土壤含水率變化Fig.4 Changes of soil water content under different irrigation treatments with high nitrogen (N3) levels

表3 可以看出作物耗水量隨著灌水量的增加而增加，不灌水各處理均以鼓粒期耗水量為最大，其次是花莢期。除苗期外，其他生育時期各處理耗水量最大的處理均是W4N2 處理，總耗水量為 558.7 mm。大豆苗期各處理間耗水量并無顯著差異，分枝期和花莢期各處理耗水量均有顯著差異，在分枝期W3、W4 灌水處理耗水量各均與空白對照W0N0 有 顯 著 差 異，W4N2、W3N2 處 理 耗 水量分別比W0N0 處理多52.66% 和60.05%，花莢期W4N3、W3N1 處理耗水量分別比W0N0 處理多48.99%和41.68%，鼓粒期各處理耗水量差異并不顯著。大豆灌水處理在分枝期、花莢期、鼓粒期均對大豆耗水量有著顯著差異，而氮肥因素對大豆耗水量差異并不顯著，兩者交互作用對大豆耗水量有顯著差異。

表3 不同水氮處理對大豆各生育階段耗水量的影響Table 3 Effects of different water and nitrogen treatments on water consumption of soybeans at various growth stages

續(xù)表：

2.2 不同水氮處理對大豆干物質(zhì)量分配及其產(chǎn)量的影響

由表4 可以看出植株各部分干重差異顯著，基本表現(xiàn)為莢＞莖＞葉，植株干物質(zhì)重的變化趨勢為隨著灌水量的增加干物質(zhì)量的積累也增加。除了灌水為W0 外其他灌水處理下莖、葉、莢干重最大的為N2，其次是N1，最后為N3。W4N1 和W4N3 處理莖、葉、莢分別比對照處理W4N2 減少47.41%、43.53%、49.88% 和44.08%、46.36%、5.49%。W4N1 和W4N3 處理之間各器官干物質(zhì)差異并不顯著，表明在W4 灌水水平下過多過少施肥都不利于干物質(zhì)量的積累。經(jīng)分析得水氮兩因素及交互作用皆對莖和莢干物質(zhì)有極顯著影響，灌水對葉干物質(zhì)呈極顯著影響，施氮對葉干物質(zhì)呈顯著影響。

大豆產(chǎn)量最大的為W4N2 處理，最高產(chǎn)量為1 968.05 kg/hm2，比處理W4N1 和W4N3 分別增長42.43%和45.31%，說明過多施肥不能增加大豆產(chǎn)量，與W3N2 處理相比增加18.04%。在W0 處理下N1 ＞N2 ＞N3，都小于對照（W0N0）處理，說明不灌水時施氮肥使大豆產(chǎn)量減少，W1 處理下產(chǎn)量最高的為N3 處理，與N1、N2 處理產(chǎn)量差異不顯著，W2 處理下W2N3 處理產(chǎn)量高于W2N1 和W2N2 處理， W3 處理下W3N2 產(chǎn)量大于W3N1 和W3N3，說明在低灌水處理下適量增加氮肥可以促進大豆產(chǎn)量，但并不顯著。灌水對大豆產(chǎn)量呈極顯著影響，而施氮和兩者交互作用對大豆產(chǎn)量并無顯著影響。

表4 大豆干物質(zhì)量分配及產(chǎn)量Table 4 Dry matter quality and yield of soybean

續(xù)表：

大豆花莢期和鼓粒期干物質(zhì)量積累速率快，各處理之間差異顯著（圖5）；分枝期干物質(zhì)量積累最高的為處理W4N1，花莢期和鼓粒期干物質(zhì)量積累最高的為處理W4N2；在花莢期N2 處理下干物質(zhì)量比N1 和N3 高，但鼓粒期N1 處理下干物質(zhì)量大于N2、N3，說明到大豆鼓粒期灌水對大豆干物質(zhì)量影響大于施氮肥的影響；W0 處理下干物質(zhì)量均沒有顯著增加。同一施肥處理下不同灌水處理干物質(zhì)量變化趨勢相似，隨著灌水量增加而增加。

圖5 在不同階段各處理下大豆干物質(zhì)積累量的變化Fig.5 Changes of soybean dry matter accumulation under different treatments in different stages

2.3 不同水氮處理對大豆水分利用效率的影響

圖6 為各處理的水分利用效率。最大WUE為W3N3 處 理，為0.39 kg/m3, 比 對 照 處 理W4N2 多5.13%。最大WUEd為W4N2 處理，為1.50 kg/m3， 分別比W4N1 和W4N3 處理多50.00%和35.33%。在同一施氮水平下，WUE和WUEd在N1、N2 水平下隨著灌水量增加而增加，在N3 水平下隨著灌水量的增加先增加后減少，可以看出施氮量在一定范圍內(nèi)增加灌水量可以促進水分利用效率，超過一定范圍會使水分利用效率減少。W0 灌水處理下施氮量越大WUE越小，W1、W2 灌水處理下施氮量在N1、N2 水平下與空白對照無顯著差異，并沒有增加大豆水分利用效率，而過量施氮（N3）情況下W1N3 水分利用效率更是低于W1N2 和W1N1 處理。W3 灌水處理下施氮量越大，WUE越大，W4灌水處理下隨著施氮量的增加WUE先增加后減少，W3N3 處理雖然灌水量少于W4N3 處理，但提高了大豆水分利用效率，高水高肥卻沒有提高水分利用效率。

W0 灌水處理下施氮同樣不能提高干物質(zhì)水分利用效率，W1 和W2 灌水處理下施氮在一定程度上提高了WUEd，但差異并不顯著。W3 和W4 灌水處理WUEd皆隨著施氮量增多呈現(xiàn)出先上升后下降的情況，但W4 灌水處理下差異更加顯著，W4N2處理與W4N3 處理WUEd的差異顯著大于W3N2 與W3N3 處理之間的差異，隨著灌水量越大，干物質(zhì)水分利用效率差異也越明顯。經(jīng)分析得灌水處理對大豆WUE有極顯著作用，而施肥和兩者交互作用對WUE并不顯著，施肥因素對大豆水分利用效率WUEd有極顯著影響，灌水和兩者交互作用影響不顯著。

圖6 不同水氮處理對大豆水分利用效率的影響Fig.6 Effects of different water and nitrogen treatments on soybean water use efficiency

3 結(jié)論與討論

灌水處理對大豆耗水量有著顯著影響，而施肥因素對大豆耗水并無顯著影響，兩者交互作用在花莢期對大豆耗水呈顯著影響。大豆處理耗水量最大的處理是對照W4N2 處理，即為充分灌溉中氮處理［15］，總耗水量達到558.7 mm。最大產(chǎn)量處理為W4N2，最大產(chǎn)量為1 968.05 kg/hm2，產(chǎn)量較低是由于種植密度較為稀疏［16］。合理施氮可以提高大豆干物質(zhì)積累速率，并協(xié)調(diào)大豆植株各部分干物質(zhì)的分配［17］。同一施肥處理下不同灌水處理干物質(zhì)量變化趨勢相似，隨著灌水量增加而增加［18］。處理W4N2 下干物質(zhì)量積累量和水分利用效率最大，灌水量越大干物質(zhì)積累速率越快，進而提高水分利用效率，不灌水處理施氮肥不能提高大豆干物質(zhì)量和水分利用效率，與孫云嶺［19］研究結(jié)果不同，造成的原因可能為其研究地區(qū)為內(nèi)蒙，與本研究氣候和地質(zhì)條件不同。W3N3 處理WUE最大，高水低肥WUE較低，與馮淑梅［20］研究基本一致。

水氮處理對大豆的產(chǎn)量并不是孤立的，二者相互作用、相互影響［21］，提高水肥利用效率可以提高大豆產(chǎn)量［22］，不同生育期水氮處理對大豆產(chǎn)量影響程度不同，高水高肥并沒有提高產(chǎn)量，這與韓曉增的研究結(jié)果一致［23］，可能是因為大豆的營養(yǎng)體過高，反而影響結(jié)莢，致使籽粒產(chǎn)量不高［24］。本研究中W3N3 處理與對照處理（W4N2）產(chǎn)量差異不顯著，W3N3 處理比對照組W4N2 產(chǎn)量下降5.72%，可節(jié)約150.15 m3/hm2灌水量。