大豆产量和水分利用效率对水氮处理的响应

卢晓鹏，陈任强，高惠嫣，刘宏权

（河北农业大学 城乡建设学院，河北 保定 071001）

黑龙港流域历来是国家重要的农业种植区，农业灌溉水资源十分匮乏，属于地下水压采区［1-2］。施氮量和灌水量作为限制农业生产的重要因素［3］，对作物产量影响较大。已有研究成果表明当土壤水分适宜和充足时，水氮互作对产量表现为加和作用，当土壤水分含量过高时，水氮互作表现为拮抗作用，土壤水分含量较低时，表现为限制性的协同作用，当土壤水分含量过低时，水氮互作对增产不起作用［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，其中高水低肥处理效果最优，低水无肥效果最差［5］。赵炳梓［6］、栗丽［7］认为小麦水分利用效率随着灌水量的增加而降低，当灌水水平较低时，水分利用效率随着施氮量的增加呈现上升趋势，随着施氮量的增加，水分利用效率先增加后降低。白杨［8］通过盆栽试验得出水分和氮肥在一定范围内具有显著的正效应和耦合效应，其中水是制约大豆产量的主要因素，相关研究表明［9-10］灌水与氮肥协同作用比氮肥单独作用能增加大豆产量，使大豆能更有效地利用水肥资源，在旱地条件下施肥能提高土壤水势，从而提高土壤水分的有效性，使一部分原来对植物生长无效的水变得有效，使植物能吸收利用更多的土壤水分［11］。试验多在东北、西北等地区，得出的适宜水氮处理结果不尽相同［12-13］，本试验针对黑龙港流域水土资源状况，研究不同水氮处理对大豆生长及水分利用效率的影响，为本地区种植大豆寻求高产、高效提供科学水肥方案。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019 年4—9 月在位于黑龙港流域巨鹿县河北农业大学的综合试验站（37°34′51′′N，115°13′24′′ E，海拔28.5 m）进行。该站多年平均气温13.3 ℃，多年平均日照时数2 767.4 h，无霜期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。试验地表层土壤有机质含量8.967 g/kg，全氮0.540 g/kg，全磷 0.892 g/kg，全钾22.690 g/kg，碱解氮33.17 mg/kg， 有效磷1.82 mg/kg，速效钾169.32 mg/kg。大豆生育期内气象数据由天圻智能生态气象站（ET007，东方智感（浙江）科技股份有限公司，杭州）测定，试验期间主要气象要素如图1 所示。土壤基本性质如表1 所示。

图1 大豆生育期内主要气象要素变化图Fig.1 Variations of daily averaged meteorological elements during the whole growing season of soybean

表1 试验地土壤基本性质Table 1 Basic properties of soil

1.2 试验设计

供试品种为‘冀豆12 号’，2019 年4 月26 日进行播种，播种方式为条播，行距40 cm，出苗后留苗6 万株/hm2，同年9 月19 日收获，全生育期146 d。共分4 个生育阶段：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）、花荚期67 d（6 月11 日—7 月16 日）、鼓粒期34 d（7月17 日—9 月19 日）。试验设置5 个灌水水平和3个追氮水平，灌水方式为畦灌，以对照小区W4N2田持（75±2）%时进行灌水，灌到田持（95±2）%，灌水量记为I（W4），5 个灌水水平（W4：1.0 I，W3：0.8 I，W2：0.6 I，W1：0.4 I，W0：0 I），3 个追氮量水平（低氮N1：75 kg/hm2，中氮N2：150 kg/hm2，高氮N3：225 kg/hm2）。苗期、分枝期、花荚期、鼓粒期计划湿润层分别为30 、40 、50 和60 cm。底肥施用复合肥（N∶P∶K=15∶15∶15）50.3 kg/hm2、过磷酸钙687.13 kg/hm2（12% P2O5）和硫酸钾（52% K2O）81.64 kg/hm2。分枝期末追施尿素（46.2% N），施用量为75 kg/hm2（N1）、150 kg/hm2（N2）、225 kg/hm2（N3）；另 设 一 对照组不追肥和不灌水处理（W0N0），共16 个处理，3 组重复并进行随机排列。试验小区为4 m×4 m，小区边界0.5 m 为保护带；其余田间管理与当地一致。

1.3 试验测定项目及方法

1.3.1 土壤含水率 土壤含水率由土壤水分廓线仪(Diviner 2000, Sentek Pty Ltd.，Australia)进行测定，每10 cm 1 个测点，测量深度1 m，每7 ～10 d 进行测量，灌水前后和降雨后加测（表2）。

表2 大豆生育期内灌水时间和灌水量 Table 2 Irrigation time and amount during soybean growth season mm

1.3.2 大豆地上干物质量分配及产量 在各生育期末取3 株具有代表性的植株，分成叶、茎、豆荚3部分然后将样品植株装入信封在烘箱105 ℃下杀青30 min，然后在80 ℃下烘干至恒重，测得其干物质量；测产时每小区随机选取面积为1 m×1 m 进行测产，各处理重复3 次，测定每小区籽粒质量，取平均值后折算成公顷产量。

1.3.3 作物耗水量 采用水量平衡方程计算各个生育阶段及全生育期作物耗水量：

式中，ET为作物耗水量（mm），P为降水量（mm），I为灌水量（mm），S为地下水补给量（mm），△W为土壤含水率的变化量（mm），R为地表径流（mm），D为深层渗漏（mm）。地下水补给量和深层渗漏忽略不计，但当暴雨或特大暴雨时，考虑地表径流R和深层渗漏D的影响。

1.3.4 水分利用效率 用下列公式计算水分利用效率［14］：

式中，WUE是以大豆经济产量计算的水分利用效率（kg/m3），Y是大豆经济产量（kg/hm2），ET是作物生育期耗水量（mm），WUEd是以地上部分总干物质量计算的水分利用效率(kg/m3)，Yd为地上部分大豆干物质量（kg/m3）。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2010（Microsoft Corp., WA, USA）进行数据分析及图标制作，用IBM SPSS Statistics 22（IBM Corp., NY, USA）进行显著性分析（P＜0.05 为显著，P＜0.01 为极显著）、单双因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同水氮处理生育期土壤水分变化及耗水量的影响

图2、3、4 分别为低氮（N1）、中氮（N2）、高氮（N3）水平下不同灌水处理0 ～60 cm 土壤含水率变化，表3 为大豆不同生育时期耗水量，在播种前分析土壤初始水分含量差异并不显著。苗期并无灌水和降雨，不同水氮处理土壤水分变化呈缓慢下降趋势，分枝期开始各处理差异有显著变化。在低氮（N1）水平下随着灌水量增大，土壤含水率变化越大，W0N1 处理土壤含水率最低，只施低氮不灌水处理降低土壤含水率并减少耗水，最高土壤含水率为W3N1 处理，W4N1 处理灌水量多于W3N1处理，但耗水量较大，降低了含水率。在中氮（N2）水平下W4N2 处理在花荚期土壤含水率显著高于其它处理，是因为此时期与W3N2 处理耗水量差异并不显著，而灌水量增多使土壤水分含量增多，W0N2与W0N0 处理土壤含水率和耗水量无显著差异，只施中氮对大豆耗水量并无显著影响。高氮（N3）水平下W3N3 处理土壤含水率在鼓粒期高于W4N3 处理，是因为在该时期W3N3 处理耗水量大于W4N3处理。在同一施氮水平下各灌水处理土壤水分含量变化趋于一致。

图2 低氮（N1）水平不同灌水处理土壤含水率变化Fig. 2 Changes of soil water content under different irrigation treatments with low nitrogen (N1) levels

图3 中氮（N2）水平不同灌水处理土壤含水率变化Fig.3 Changes of soil water content under different irrigation treatments with medium nitrogen (N2) levels

图4 高氮（N3）水平不同灌水处理土壤含水率变化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随着灌水量的增加而增加，不灌水各处理均以鼓粒期耗水量为最大，其次是花荚期。除苗期外，其他生育时期各处理耗水量最大的处理均是W4N2 处理，总耗水量为 558.7 mm。大豆苗期各处理间耗水量并无显著差异，分枝期和花荚期各处理耗水量均有显著差异，在分枝期W3、W4 灌水处理耗水量各均与空白对照W0N0 有 显 著 差 异，W4N2、W3N2 处 理 耗 水量分别比W0N0 处理多52.66% 和60.05%，花荚期W4N3、W3N1 处理耗水量分别比W0N0 处理多48.99%和41.68%，鼓粒期各处理耗水量差异并不显著。大豆灌水处理在分枝期、花荚期、鼓粒期均对大豆耗水量有着显著差异，而氮肥因素对大豆耗水量差异并不显著，两者交互作用对大豆耗水量有显著差异。

表3 不同水氮处理对大豆各生育阶段耗水量的影响Table 3 Effects of different water and nitrogen treatments on water consumption of soybeans at various growth stages

续表：

2.2 不同水氮处理对大豆干物质量分配及其产量的影响

由表4 可以看出植株各部分干重差异显著，基本表现为荚＞茎＞叶，植株干物质重的变化趋势为随着灌水量的增加干物质量的积累也增加。除了灌水为W0 外其他灌水处理下茎、叶、荚干重最大的为N2，其次是N1，最后为N3。W4N1 和W4N3 处理茎、叶、荚分别比对照处理W4N2 减少47.41%、43.53%、49.88% 和44.08%、46.36%、5.49%。W4N1 和W4N3 处理之间各器官干物质差异并不显著，表明在W4 灌水水平下过多过少施肥都不利于干物质量的积累。经分析得水氮两因素及交互作用皆对茎和荚干物质有极显著影响，灌水对叶干物质呈极显著影响，施氮对叶干物质呈显著影响。

大豆产量最大的为W4N2 处理，最高产量为1 968.05 kg/hm²，比处理W4N1 和W4N3 分别增长42.43%和45.31%，说明过多施肥不能增加大豆产量，与W3N2 处理相比增加18.04%。在W0 处理下N1 ＞N2 ＞N3，都小于对照（W0N0）处理，说明不灌水时施氮肥使大豆产量减少，W1 处理下产量最高的为N3 处理，与N1、N2 处理产量差异不显著，W2 处理下W2N3 处理产量高于W2N1 和W2N2 处理， W3 处理下W3N2 产量大于W3N1 和W3N3，说明在低灌水处理下适量增加氮肥可以促进大豆产量，但并不显著。灌水对大豆产量呈极显著影响，而施氮和两者交互作用对大豆产量并无显著影响。

表4 大豆干物质量分配及产量Table 4 Dry matter quality and yield of soybean

续表：

大豆花荚期和鼓粒期干物质量积累速率快，各处理之间差异显著（图5）；分枝期干物质量积累最高的为处理W4N1，花荚期和鼓粒期干物质量积累最高的为处理W4N2；在花荚期N2 处理下干物质量比N1 和N3 高，但鼓粒期N1 处理下干物质量大于N2、N3，说明到大豆鼓粒期灌水对大豆干物质量影响大于施氮肥的影响；W0 处理下干物质量均没有显著增加。同一施肥处理下不同灌水处理干物质量变化趋势相似，随着灌水量增加而增加。

图5 在不同阶段各处理下大豆干物质积累量的变化Fig.5 Changes of soybean dry matter accumulation under different treatments in different stages

2.3 不同水氮处理对大豆水分利用效率的影响

图6 为各处理的水分利用效率。最大WUE为W3N3 处 理，为0.39 kg/m3, 比 对 照 处 理W4N2 多5.13%。最大WUEd为W4N2 处理，为1.50 kg/m3， 分别比W4N1 和W4N3 处理多50.00%和35.33%。在同一施氮水平下，WUE和WUEd在N1、N2 水平下随着灌水量增加而增加，在N3 水平下随着灌水量的增加先增加后减少，可以看出施氮量在一定范围内增加灌水量可以促进水分利用效率，超过一定范围会使水分利用效率减少。W0 灌水处理下施氮量越大WUE越小，W1、W2 灌水处理下施氮量在N1、N2 水平下与空白对照无显著差异，并没有增加大豆水分利用效率，而过量施氮（N3）情况下W1N3 水分利用效率更是低于W1N2 和W1N1 处理。W3 灌水处理下施氮量越大，WUE越大，W4灌水处理下随着施氮量的增加WUE先增加后减少，W3N3 处理虽然灌水量少于W4N3 处理，但提高了大豆水分利用效率，高水高肥却没有提高水分利用效率。

W0 灌水处理下施氮同样不能提高干物质水分利用效率，W1 和W2 灌水处理下施氮在一定程度上提高了WUEd，但差异并不显著。W3 和W4 灌水处理WUEd皆随着施氮量增多呈现出先上升后下降的情况，但W4 灌水处理下差异更加显著，W4N2处理与W4N3 处理WUEd的差异显著大于W3N2 与W3N3 处理之间的差异，随着灌水量越大，干物质水分利用效率差异也越明显。经分析得灌水处理对大豆WUE有极显著作用，而施肥和两者交互作用对WUE并不显著，施肥因素对大豆水分利用效率WUEd有极显著影响，灌水和两者交互作用影响不显著。

图6 不同水氮处理对大豆水分利用效率的影响Fig.6 Effects of different water and nitrogen treatments on soybean water use efficiency

3 结论与讨论

灌水处理对大豆耗水量有着显著影响，而施肥因素对大豆耗水并无显著影响，两者交互作用在花荚期对大豆耗水呈显著影响。大豆处理耗水量最大的处理是对照W4N2 处理，即为充分灌溉中氮处理［15］，总耗水量达到558.7 mm。最大产量处理为W4N2，最大产量为1 968.05 kg/hm2，产量较低是由于种植密度较为稀疏［16］。合理施氮可以提高大豆干物质积累速率，并协调大豆植株各部分干物质的分配［17］。同一施肥处理下不同灌水处理干物质量变化趋势相似，随着灌水量增加而增加［18］。处理W4N2 下干物质量积累量和水分利用效率最大，灌水量越大干物质积累速率越快，进而提高水分利用效率，不灌水处理施氮肥不能提高大豆干物质量和水分利用效率，与孙云岭［19］研究结果不同，造成的原因可能为其研究地区为内蒙，与本研究气候和地质条件不同。W3N3 处理WUE最大，高水低肥WUE较低，与冯淑梅［20］研究基本一致。

水氮处理对大豆的产量并不是孤立的，二者相互作用、相互影响［21］，提高水肥利用效率可以提高大豆产量［22］，不同生育期水氮处理对大豆产量影响程度不同，高水高肥并没有提高产量，这与韩晓增的研究结果一致［23］，可能是因为大豆的营养体过高，反而影响结荚，致使籽粒产量不高［24］。本研究中W3N3 处理与对照处理（W4N2）产量差异不显著，W3N3 处理比对照组W4N2 产量下降5.72%，可节约150.15 m3/hm2灌水量。