水氮耦合對紅小豆光合特性、干物質(zhì)積累以及產(chǎn)量的影響

劉超凡，王曉玲，柴春嶺，梁素韜，劉宏權(quán)

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071001）

紅小豆是1 年生草本豆科植物，具有生育期短、適應(yīng)性廣、固氮養(yǎng)地等優(yōu)良特點［1-2］。在農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)質(zhì)高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用［2-3］。作物在生長發(fā)育過程中受到多種因子的綜合影響，水、肥 2 個因子的影響尤為重要［4-5］。王磊等研究表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，從而增加產(chǎn)量［6］。馬瑾等認(rèn)為適宜的水氮水平能夠顯著改善小麥的光合特性，增加蒸騰量，減少水分損失，提高水分利用效率，增加小麥產(chǎn)量［7］。水分是作物生長的必要條件，也是化肥溶解所必需的要素，合理的水氮管理有利于作物生長發(fā)育和產(chǎn)量的提升，而不合理的灌溉和施肥不僅造成水資源浪費，而且還會造成農(nóng)業(yè)面源污染，破壞生態(tài)環(huán)境［8-9］。前人研究表明，氮肥可以一定程度地改善干旱脅迫對作物造成的危害，對作物生長和營養(yǎng)吸收都有顯著效果［10-11］。目前紅小豆的研究主要集中在種植方式和肥料等方面，關(guān)于水分和氮素兩因素結(jié)合起來的研究尚不多見，關(guān)于水氮耦合對紅小豆全生育期內(nèi)光合特性、干物質(zhì)積累以及產(chǎn)量的影響鮮見報道；我國紅小豆種植面積約 35 萬hm2，主要集中在東北、西北和華北等地區(qū)［12］，河北省小豆歷年種植面積在 3.5 ～5.0 萬hm2，主要集中在保定、滄州、邢臺等地區(qū)，占全省種植面積 80%左右［13］；本試驗區(qū)位于黑龍港流域，該流域紅小豆種植地區(qū)較多。本研究設(shè)置4 種灌水水平和 4 種施氮水平，研究水氮調(diào)控對紅小豆的光合特性、干物質(zhì)積累以及產(chǎn)量的影響，以期為黑龍港流域紅小豆高產(chǎn)栽培及合理施肥灌水提供依據(jù)。本研究對發(fā)展黑龍港流域種植紅小豆產(chǎn)業(yè)具有一定的生產(chǎn)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于 2020 年 6—10 月在位于黑龍港流域巨鹿縣的河北農(nóng)業(yè)大學(xué)綜合試驗站開展，北緯 37°34′51''，東經(jīng) 115°13′24''，海拔 28.5 m；該試驗站多年平均氣溫是13.3 ℃，多年平均日照時數(shù)是 2 767.4 h，無霜期是 202 d，多年平均降雨量是 509 mm，全年降雨主要集中在 6 ～8 月份，地下水埋深為 40 m 左右；供試土壤為棕壤土，測定 0 ～20 cm 供試土壤理化性狀為：有機質(zhì)含量 8.97 g/kg，堿解氮含量 33.17 mg/kg，有效磷含量 1.82 mg/kg，速效鉀含量 169.32 mg/kg，全氮含量 0.54 g/kg，全磷含量 0.89 g/kg，全鉀含量22.690 g/kg。供試品種為‘保紅947’，供試肥料為尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512%）和硫酸鉀（K2O 52%）。試驗區(qū)土壤性質(zhì)見表 1；試驗期間氣象數(shù)據(jù)由天圻智能生態(tài)氣象站提供（圖 1）。

圖1 紅小豆生育期內(nèi)氣象變化圖Fig. 1 Meteorological changes of adzuki bean during its growth period

表1 試驗區(qū)土壤性質(zhì)Table 1 Soil Properties of experimental area

1.2 試驗設(shè)計

于 2020 年 6 月 19 日進行播種，播種方式為條播，種植行距為 40 cm，同年 10 月 5 日收獲，全生育期為 106 d；共分5 個生育期，苗期為 6 月 19 日—7 月 15 日；分枝期為 7 月 15 日—7 月 30 日；花期為 7 月 31 日—8 月 28 日；莢期為 8 月 29—9 月 15日；成熟期為 9 月 16 日—10 月 5 日。試驗設(shè)置 4 個灌水水平和 4 個追氮水平，灌水方式為畦灌，以對照小區(qū) W3N2 田持（75±2）%時進行灌水，灌到田持（95±2）%，灌水量記為 I（W3），4 個灌水水平，分別為 W3：100% I、W2：70% I、W1：40% I、W0：0，4 個施氮水平，常規(guī)施氮量為 I0（N2），處理分別為 N3：130% I0、N2：100% I0、N1：70% I0、N0：0 ；4 個施氮水平為 104、80、56、0 kg/hm2；紅小豆施肥磷肥鉀肥一次性作為底肥施入，氮肥分為底肥和追肥，氮肥為底肥 70%，開花初期追氮肥30%, 其中磷肥（P2O5）100 kg/hm2、鉀肥（K2O）85 kg/hm2，共 16 個處理，3 組重復(fù)并進行隨機排列。試驗小區(qū) 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 試驗測定項目與方法

光合速率：采用雅欣便攜式光合儀每個生育階段測定1 次，選擇無云晴朗天氣于上午 9 : 00—11: 00，在自然光照條件下測定第 3 復(fù)葉中間小葉的光合速率。

干物質(zhì)測定：每生育期每小區(qū)取樣 3 株，分成葉、莖、豆莢3 部分，然后將樣品植株于 105 ℃下殺青30 min，再 80 ℃下烘干,直至恒重再進行晾涼，即為樣品干重。

產(chǎn)量的測定：紅小豆收獲后每小區(qū)選取面積為1 m×1 m 進行測產(chǎn)，各處理重復(fù) 3 次，取平均值后折算成紅小豆公頃產(chǎn)量，標(biāo)記的 3 株作為樣本測定百粒重、單莢粒數(shù)、單株莢數(shù)以及主莖分枝數(shù)。

1.4 計算公式

花期后干物質(zhì)積累量=成熟期地上部干重-莢期地上部干重；

莖葉物質(zhì)轉(zhuǎn)運率=（莢期營養(yǎng)器官干重-成熟期營養(yǎng)物質(zhì)干重）/莢期營養(yǎng)器官干重×100%；

花期后同化干物質(zhì)對籽粒產(chǎn)量的貢獻率（同化貢獻率）=（成熟期地上部干重-莢期地上部干重）/ 成熟期籽粒重×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮處理對紅小豆葉片凈光合速率（Pn）的影響

由圖 2 可以看出，隨著生育期進程紅小豆葉片的光合速率先增大后減小，在花期達(dá)到峰值，在莢期達(dá)到最低值，在花期紅小豆處于生育中期營養(yǎng)旺盛生長期，葉面積增加迅速，光合作用較強，其中最大值為中水、中肥（W3N2）處理 16.48 μmol/(m2·s-1)，比其他處理增加了 4.37%～49.39%；到達(dá)莢期營養(yǎng)器官向生殖器官轉(zhuǎn)移，葉片性狀下降，導(dǎo)致光合速率下降；相同灌水量條件下，紅小豆全生育期光合速率均表現(xiàn)隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在 N2 處理表現(xiàn)最大值；說明適量的氮肥可以滿足紅小豆葉片葉綠素的合成，從而能夠獲得較高的光合速率。

圖2 紅小豆生育期內(nèi)不同水氮處理下Pn的變化情況Fig. 2 Changes ofPnunder different water and nitrogen treatments in growth period of adzuki bean

2.2 不同水氮處理對紅小豆干物質(zhì)積累分配與轉(zhuǎn)運的影響

2.2.1 對紅小豆地上干物質(zhì)積累的影響 由表 2 可以看出，紅小豆干物質(zhì)積累量各個處理隨著生育期的進程呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。在 W0 和 W3 處理中干物質(zhì)積累量全生育期表現(xiàn)隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；在輕度水分虧缺（W1）處理中在花期前干物質(zhì)積累量隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在花期之后隨著施氮量的增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，在成熟期 W1N3 處理表現(xiàn)最大值 104.82 g；在中度水分虧缺（W2）處理中隨著施氮量的增加干物質(zhì)積累量全生育期呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，在 W2N3 表現(xiàn)最大值；干物質(zhì)成熟期最大值為 W3N2 處理 125.88 g，分別比W0N2、W1N3、W2N3 增加了 39.03%、16.73%、8.38%。

表2 紅小豆生育期內(nèi)不同水氮處理下干物質(zhì)積累量的變化情況Table 2 Changes of dry matter accumulation of adzuki bean under different water and nitrogen treatments during growth period

2.2.2 對紅小豆地上干物質(zhì)分配的影響 由圖 3 可知，各個處理下，紅小豆莖稈的干物質(zhì)積累量隨著生育進程呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在花期前呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，花期后逐漸減小，但是趨勢不明顯；葉片干物質(zhì)積累量在花期呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，花期后逐漸減小，豆莢從莢期到成熟期呈現(xiàn)增大趨勢，并且增大趨勢顯著；說明不同水氮處理不能改變紅小豆在花期前營養(yǎng)器官的積累向花期后生殖器官轉(zhuǎn)運的總體趨勢。在同一水分下，苗期和分枝期的葉片和莖干物質(zhì)積累量總體隨著施肥量的增加先增大后減小，N2 處理表現(xiàn)最大值；至花期葉片和莖稈的干物質(zhì)迅速增加，其中莖稈的增加量要大于葉片的增加量；除了 W2 處理下，其它水分處理葉片和莖稈均在 N2 處理中增加顯著，W2 處理下，各器官干物質(zhì)在 N3 處理增加顯著，最大值為 W3N2 處理；與 W3N2 處理相比，其他處理單株莖稈干物質(zhì)積累量降低了 23.95%～67.41%，單株葉片干物質(zhì)積累量降低了 26.70%～66.17%，說明在花期水氮耦合紅小豆莖稈的影響大于葉片；在莢期和成熟期葉片、莖稈和莢果干物質(zhì)均表現(xiàn)為在 W0 和 W3 處理中，N2 處理表現(xiàn)最大值；在 W1 和 W2 處理中，N3 處理表現(xiàn)最大值；在成熟期莢果的干物質(zhì)最大值為 W3N2 處理 74.84 g，分別比 W0N2、W1N3、W2N3 增加44.23%、19.43%、12.49%；其中在莢期和成熟期葉片和莖稈的干物質(zhì)在最大值 W2N3 和W3N2 處理中顯著性差異不明顯。

圖3 紅小豆生育期內(nèi)不同水氮處理下干物質(zhì)分配量的變化情況Fig. 3 Changes of dry matter allocation of adzuki bean under different water and nitrogen treatments during growth period

2.2.3 對紅小豆花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)運的影響 由表 3 可以看出，各處理的同化貢獻率和莖葉物質(zhì)轉(zhuǎn)化率隨著莢后干物質(zhì)積累量的增加而增加；在相同的水分處理下，不同施氮量對同化貢獻率和莖葉物質(zhì)轉(zhuǎn)化率的影響不大；除了 N3 處理，其他相同施氮量處理下，同化貢獻率、莖葉物質(zhì)轉(zhuǎn)化率以及莢后干物質(zhì)積累量均隨著灌水量的增加而增加，其中 W3N2處理表現(xiàn)最大值；在 N3 處理下，W2 處理表現(xiàn)最大值；W3N2 處理的同化貢獻率與其他處理相比增加了 1.6%～12.1%，莖葉物質(zhì)轉(zhuǎn)化率比其他處理增加了 1.7%～50.0%，莢后干物質(zhì)積累量比其他處理增加了 13.8%～66.1%。

表3 紅小豆花后不同水氮處理下干物質(zhì)轉(zhuǎn)運的變化情況Table 3 changes of dry matter transport of adzuki bean after flowering under different water and nitrogen treatments

3 不同水氮處理對紅小豆產(chǎn)量以及構(gòu)成因素的影響

紅小豆的產(chǎn)量是由百粒重、單莢粒數(shù)、單株莢數(shù)、主莖分枝數(shù)共同決定的。從表4 看出，在重度水分虧缺（W0）處理中產(chǎn)量表現(xiàn)為 N2>N1>N3>N0；在輕中度水分虧缺（W1、W2）處理中產(chǎn)量表現(xiàn)為 N3>N2>N1>N0；在正常水分（W3）處理中產(chǎn)量表現(xiàn)為 N2>N1>N3>N0；產(chǎn)量最高的為 W3N2 處理2 642.96 kg/hm2；比 W0N2、W1N3、W2N3 分別增加32.39%、22.01%、9.14%。紅小豆的百粒重、單株莢數(shù)、主莖分枝數(shù)對于水氮耦合的響應(yīng)關(guān)系呈現(xiàn)相似的規(guī)律；單莢粒數(shù)在不同水氮處理下沒有明顯差異，但在正常水分（W3）處理下單莢粒數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,其中 W3N2 處理和 W2N3 處理的產(chǎn)量相差不大。

表4 紅小豆不同水氮處理下產(chǎn)量以及構(gòu)成因素的變化情況Table 4 Changes of yield traits adzuki bean under different water and nitrogen treatments

根據(jù)雙因素方差分析結(jié)果表明，除單莢粒數(shù)外，水氮耦合對于其他產(chǎn)量因素效應(yīng)按因素由大到小表現(xiàn)為肥料因素、水分因素、交互因素；單莢粒數(shù)影響效應(yīng)表現(xiàn)為肥料因素、交互因素、水分因素；其中交互因素對于紅小豆產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響沒有統(tǒng)計學(xué)意義。

4 討論與結(jié)論

養(yǎng)分和水分是植物生長過程中最為重要的2 個因素，關(guān)于水氮耦合對作物生長發(fā)育及產(chǎn)量影響方面的研究已有很多, 但主要集中在小麥、玉米、大豆等主作物上［14］。陳天鑫等［15］與趙凱男等［16］研究表明適宜的施氮量可以增加冬小麥的光合生理指標(biāo)，增加產(chǎn)量。本研究表明凈光合速率在開花期達(dá)到峰值且適宜的水氮處理（W3N2）顯著高于其他處理,邵冉冉研究表明正常水分下凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度等光合指標(biāo)高于干旱處理［17］，這與本研究一致。水分與氮素與紅小豆干物質(zhì)積累、分配與轉(zhuǎn)運關(guān)系密切，本研究中，紅小豆的干物質(zhì)的積累與分配隨著施氮灌水量的增加而增加，但是超過一定的施氮灌水量時就會明顯下降。同時中水、中肥（W3N2）的同化轉(zhuǎn)化率、莖葉物質(zhì)轉(zhuǎn)化率以及花后干物質(zhì)積累量顯著提高，說明適宜的灌水量和施氮量有利于干物質(zhì)的積累、分配與轉(zhuǎn)運，這與楊旸等［18］以及 Cui Zheng-Jun 等［19］研究結(jié)果一致。鄒欣等研究表明玉米生育時期植株地上部干物質(zhì)積累量均呈“S”形生長曲線，前期增長緩慢,中期增長迅速，后期增長又逐漸減緩［20］，這與本研究結(jié)果一致。尚文彬等研究表明適宜的灌水量，施用氮肥可以增加產(chǎn)量［21］，這與本研究結(jié)果一致；在水分不足的情況下，適當(dāng)增加施氮量，可以提高紅小豆產(chǎn)量，起到“以肥調(diào)水”的作用，減輕水分不足對作物生長發(fā)育的抑制，這與李鑫等［14］研究結(jié)果一致;在不灌水和正常灌水的條件下，適當(dāng)?shù)氖┯玫视兄诩t小豆的生長發(fā)育，增加產(chǎn)量。

綜上所述，水氮處理對紅小豆的生長發(fā)育影響并不是孤立的，二者相互作用、相互影響［22］。在常規(guī)灌溉（田持 95%）條件下，施氮量為 80 kg/hm2時產(chǎn)量最高；在控制灌溉（70%田持95%）下，施氮量為 104 kg/hm2組合下產(chǎn)量較高，適當(dāng)減少水分同時適當(dāng)增加施氮量有利于提高紅小豆產(chǎn)量。綜合不同的水分和施氮處理，在中水、中肥（W3N2）處理下光合特性、干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運以及產(chǎn)量最高，在黑龍港流域內(nèi)該水肥條件能夠滿足紅小豆的生長發(fā)育，并達(dá)到高產(chǎn)栽培的效果。