施氮量对膜下滴灌春大豆氮素积累量及产量的影响

Effects of nitrogen application rate on the nitrogen accumulation and yield of spring soybean under mulched drip irrigation

摘要

为明确施氮量对新疆膜下滴灌春大豆肥料氮、共生固氮和氮素积累的影响及其与产量形成的关系，2022和2023年采用裂区试验设计，于始荚期（R₃）设置0（N₀）、120（N₁₂₀）、180（N₁₈₀）和240 kg/hm²（N₂₄₀）4个施氮量处理为主区，副区为‘新大豆27号’和‘新农豆2号’2个大豆品种，测定盛花期（R₂）至成熟期（R₈）大豆根瘤数目、根瘤干重、固氮酶活性、根瘤蔗糖和淀粉含量、共生固氮量（BNF）、肥料氮、氮素积累总量及产量等指标，并分析施氮量与大豆氮素积累总量、肥料氮吸收量、共生固氮量及产量的关系。结果表明：在2年的试验中，施氮量对大豆根瘤数目、根瘤干重、共生固氮、氮素积累量和产量均有显著影响（P<0.05）。与N₀相比，N₁₈₀可显著增加‘新大豆27号’和‘新农豆2号’的根瘤数目、根瘤干重、根瘤蔗糖含量、淀粉含量和蔗糖酶活性，而固氮酶活性则显著降低（P<0.05）。与N₀相比，2022年N₁₈₀的‘新大豆27号’和‘新农豆2号’共生固氮量分别增加14.63%和46.51%（P<0.05），2023年N₁₈₀分别增加21.68%和31.43%（P<0.05）。‘新大豆27号’和‘新农豆2号’2年产量最高的处理均为N₁₈₀，2022年分别为4 096.68和4 292.54 kg/hm²，较N₀分别增加19.23%和25.69%（P<0.05）；2023年产量分别为4 404.47和4 641.50 kg/hm²，较N₀分别增加24.91%和21.81%（P<0.05）。当施氮量达到240 kg/hm²（N₂₄₀），根瘤数量和固氮酶活性、共生固氮量均显著下降（P<0.05），肥料氮吸收量和总氮积累量不再继续增加或只略增，产量和氮肥农学利用效率则显著下降（P<0.05）。综上，始荚期（R₃）施氮量为180 kg/hm²时，可促进大豆根瘤数目、干重和根瘤碳水化合物含量的增加，保持大豆较高共生固氮量，提高氮肥农学利用效率，有利于新疆膜下滴灌春大豆氮素积累并获得高产。

Abstract

To clarify the effects of nitrogen （N） application rate on fertilizer N， biological nitrogen fixation （BNF）， and nitrogen accumulation in soybean under drip irrigation with plastic film mulching in Xinjiang， and their relationships with yield formation， a split-plot experiment was conducted in 2022 and 2023. Four N application treatment，0 （N₀）， 120 （N₁₂₀）， 180 （N₁₈₀） and 240 kg/hm² （N₂₄₀） were applied at the beginning pod stage （R₃） as main plots， with two soybean cultivars （‘Xindadou 27’ and ‘Xinnongdou 2’） as subplots. Measurements were taken from the full flowering stage （R₂） to maturity （R₈） for parameters including： The nodule number， nodule dry weight， nitrogenase activity， nodule sucrose and starch content， biological nitrogen fixation （BNF）， fertilizer-derived N uptake， total N accumulation， and yield. Relationships between nitrogen application rates and total nitrogen accumulation， fertilizer-derived nitrogen uptake， biological nitrogen fixation， and yield in soybean were analyzed. The results showed that：The nodule number， nodule dry weight， biological nitrogen fixation， nitrogen accumulation， and yield were significantly affected by nitrogen application rates in both experimental years （P<0.05）. Compared with N₀， the N₁₈₀ significantly increased nodule number， nodule dry weight， nodule sucrose content， starch content and sucrose synthase activity， while decreased nitrogenase activity （P<0.05）. Compared with N₀， the biological nitrogen fixation of ‘Xindadou 27’and ‘Xinnongdou 2’ in N₁₈₀ increased by 14.63% and 46.51% in 2022， and by 21.68% and 31.43% in 2023， respectively （P<0.05）. The highest yield of ‘Xindadou 27’ and ‘Xinnongdou 2’ in both years was N₁₈₀， which were 4 096.68 and 4 292.54 kg/hm² in 2022， respectively， increased by 19.23% and 25.69% compared with N₀ （P<0.05）. In 2023， the yield were 4 404.47 and 4 641.50 kg/hm²， respectively， with an increase of 24.91% and 21.81% compared with N₀， respectively （P<0.05）. However， when nitrogen application reached 240 kg/hm² （N₂₄₀）， the nodule number， nitrogenase activity， and biological nitrogen fixation capacity all decreased significantly （P<0.05）. Fertilizer nitrogen uptake and total nitrogen accumulation either plateaued or showed only marginal increases， while both yield and nitrogen agronomic use efficiency exhibited significant declines （P<0.05）. In conclusion， applying 180 kg/hm² of nitrogen at the beginning pod stage （R₃） promoted the nodule number， dry weight， and carbohydrate content of nodule， sustained high biological nitrogen fixation capacity， improved nitrogen use efficiency， and facilitated nitrogen accumulation and high yield for spring soybean under drip irrigation with plastic film mulching in Xinjiang.

Graphical abstract

关键词

春大豆 / 施氮量 / 根瘤固氮 / 氮肥利用效率 / 产量

Key words

spring soybean / N application rate / nodule fixation of nitrogen / nitrogen use efficiency / yield

新疆是我国大豆的高产区，但地处干旱区，水资源短缺极大地限制了新疆大豆产业的发展^［1］。新疆要发展大豆产业必须采用高效节水技术^［2］。膜下滴灌是将覆膜和滴灌节水技术相结合的栽培技术，实现了水肥一体化，不仅节水保墒还提高了水肥利用率^［3］。膜下滴灌技术在新疆大豆生产上大面积应用^［4］，不断创造了全国春大豆高产纪录^［2］。氮素是维持大豆生长和产量形成的最重要的营养元素之一^［5］。大豆的氮源来自土壤氮素、肥料氮和共生固氮3种途径^［6］。仅依靠土壤氮素和共生固氮无法满足大豆高产对氮素的需求，合理施用氮肥是增加大豆产量的最重要措施之一^［7］。提高大豆共生固氮量将减少氮素化肥施用量，节约生产成本^［8］。而大豆共生固氮量又受施氮量的影响非常大^［9］。因此，协调大豆3种氮素来源的关系，对于大豆实现高产高效十分重要。

Gutiérrez-boem等^［10］研究发现，氮素通过影响大豆植株生长、根瘤形成及固氮等各种生理过程，进而影响产量形成。始花期施入适量的氮肥对大豆根瘤固氮和高产形成至关重要，不施用氮肥会导致大豆产量降低；氮肥过量施用会影响根瘤共生固氮^［11-13］，导致大豆倒伏、徒长、产量下降等^［14］。适时适量地施用氮肥能够促进根瘤形成^［15］，保持大豆较高的共生固氮量^［16］，提高籽粒产量。已有研究发现，在大豆播种前补充氮肥是不必要的，会影响根瘤菌的侵染过程^［17］，减少或减缓根瘤的形成^［18］，而且会对生育后期生物固氮能力产生负面影响，导致始粒期（R₅）—满粒期（R₆）共生固氮降低12%~57%^［19-20］。在二节期（V₂）施氮使根瘤数目减少52%，地下部生物量降低19%^［21］。大豆生殖器官建成期以吸收根瘤固氮为主^［22］，早期施用氮肥导致肥料氮流失以及根瘤的衰老，生育期间及时补充肥料氮不但可以缓解根瘤衰老，而且还能促进养分向籽粒转运^［23］。在盆栽条件下开花期施用氮肥显著抑制根瘤固氮酶活性和豆血红蛋白，使固氮效率降低^［24］。蔗糖代谢对大豆根瘤发育、共生固氮效率至关重要^［25］。蔗糖从地上部运输到根瘤中，为根瘤提供主要碳源；然后蔗糖在蔗糖合成酶和碱性转化酶催化下，将蔗糖分解为葡萄糖和果糖，供根瘤使用，以支持固氮酶活性^［26］。根瘤蔗糖代谢受氮素影响，当氮水平过高时，会抑制蔗糖合成酶活性，影响碳水化合物向根瘤中的分配^［27］。王田等^［28］研究吉林省大豆（产量水平为3 100~3 600 kg/hm²）发现，大豆根瘤数目、根瘤鲜重与固氮能力存在显著的正相关。在膜下滴灌条件下，地膜的增温保墒效应极大地改善了大豆根区的温度和水分条件，促进根系生长，有利于大豆形成高产^［29］。目前，对于新疆膜下滴灌区施氮量对春大豆根瘤固氮、氮素吸收的影响规律及其与产量形成的关系尚未见报道。本研究选用‘新大豆27号’和‘新农豆2号’2个品种，在始荚期（R₃）设置4个施氮量进行田间试验，综合分析不同施氮量下2个大豆品种的各项指标，旨在探讨施氮量对膜下滴灌大豆共生固氮、氮素积累及产量的影响，以期为新疆膜下滴灌春大豆高效生产提供参考。

1　材料与方法

1.1　试验地概况

试验于2022年4—2023年10月在新疆乌鲁木齐市新疆农业大学三坪农场试验基地进行（43°56' N，87°20' E，海拔664 m）。该地区属于温带大陆性干旱气候，年平均温度为2~12 ℃，无霜期为179 d，降水量为208.4~265.0 mm/年。2022和2023年大豆生长季的日最高气温、最低气温及降水量见图1。试验地土质为沙壤土，在秋季施基肥前取0—20 cm土层土样测定基础肥力参数。2022和2023年试验地土壤肥力参数分别为：有机质含量为13.5和14.6 g/kg，全氮含量为0.91和0.73 g/kg，碱解氮为60.2和53.1 mg/kg，速效磷为16.2和17.4 mg/kg，速效钾为185.2和216.0 mg/kg。翻地前人工撒施重过磷酸钙300 kg/hm²。第二年春季精细整地后覆膜播种。

1.2　试验设计

采用裂区试验设计，主区为施氮量，氮肥为尿素（含氮量46 g/100 g），设置0（N₀）、120（N₁₂₀）、180（N₁₈₀）、240 kg/hm²（N₂₄₀）4个施氮量处理；副区为大豆品种，‘新大豆27号’和‘新农豆2号’，共8个处理。2个供试品种均为新疆北疆地区主栽品种，且产量较高。小区面积34 m² （3.4 m×10.0 m），每个处理3次重复。整地后人工铺设滴灌带（1管2行），随后铺设宽1.4 m的农用黑膜。于2022-04-27和2023-04-28人工点播。1膜4行，行距为40 cm，株距为7.5 cm，理论保苗数为33×10⁴株/hm²。在R₃（2022-06-27和2023-07-07）期随滴灌头滴入尿素。于2022-09-06和2023-09-26收获。在R₁期（2022-06-17和2023-06-27）各处理随滴灌头滴入磷酸二氢钾120 kg/hm²。灌水时期及灌溉量见表1。在大豆生长期间进行人工除草2次。

1.3　测定指标

1.3.1　根瘤数目和干重

在盛花期（R₂）、盛荚期（R₄）、始粒期（R₅）和满粒期（R₆），每个处理随机选取6株大豆植株，采用传统挖掘法^［30］将大豆根系完整挖出，用自来水清洗根系后，用手术刀从大豆根部切除d>1 mm的根瘤并计数。将3株大豆根瘤在60 ℃烘箱中干燥至恒定重量，3株大豆根瘤保存于-80 ℃冰箱中，用于测定根瘤固氮酶活性和根瘤蔗糖合成酶。

1.3.2　根瘤蔗糖和淀粉含量测定

将大豆根瘤粉碎后过100目筛，称取0.1 g干样加入8 mL 80%乙醇水浴30 min后离心20 min，合并上清液备用，用蒽酮比色法测定蔗糖和淀粉含量^［31］。

1.3.3　蔗糖合成酶活性

取1 g新鲜大豆根瘤，在研钵中加3 mL提取缓冲液（100 mmol/L pH 7.2 Tris-HCL，10 mol/L MgCl₂，1 mmol/L EDTA-Na₂，10 mmol/L β-巯基乙醇，2%（w/V）乙二醇，1%（w/V）PVPP），研磨呈匀浆。将混合物移至离心管中，在4 ℃离心机中12 000 r/min离心10 min。取上清液，利用比色法测定蔗糖合成酶的活性^［32］。

1.3.4　固氮酶活性

采用乙炔还原法^［33］测定根瘤固氮酶活性。将1 g新鲜根瘤置于8 mL密封反应瓶中，用无菌注射器抽出1 mL空气，然后注入等体积的乙炔。2 h后，加入0.5 mol/L NaOH终止反应。计算公式为：

固氮酶活性=（C×V）/（t×W）

式中：固氮酶活性，μmol/（g·h）；C，乙烯浓度，μmol/L；V，反应瓶中减少的乙炔体积，L；t为反应时间，h；W，根瘤鲜重，g。

1.3.5　植株氮素吸收量的测定

在成熟期（R₈）进行取样，每个处理取3株具有代表性的大豆。将植物分为根、茎秆和豆荚。器官样品在60 ℃烘箱内干燥至恒重，研磨通过1 mm筛后备用。采用浓H₂SO₄-H₂O₂对植株各器官进行消煮，采用奈氏比色法^［34］测定植株氮素含量。

1.3.6　共生固氮量（BNF）的估算

1.3.6.1　酰脲相对丰度（RAU）的测定

利用R₈期烘干研磨后的茎秆样本测定酰脲含量和硝酸盐浓度。酰脲含量采用比色分析法^［35］测定，NO₃^-采用水杨酸法^［36］测定。

利用大豆主茎样品中的酰脲和硝酸盐的浓度来估算酰脲的相对丰度（RAU）^［37］。根据式（1）计算酰脲的相对丰度（RAU），可作为表征共生固氮的参数：

RAU = \frac{\mathrm{4}a}{\mathrm{4}a+b}×100%（1）

式中：RAU为酰脲的相对丰度，%；a和b分别为酰脲和硝酸盐的浓度，μmol/g；酰脲中有4个N原子，NO₃^-中有1个N原子。

1.3.6.2　预测相对共生固氮量（Ndfa）

通过校准方程^［37］，利用大豆主茎的相对酰脲含量来评估大豆生长周期中来自大气氮素的比例（Ndfa）。Ndfa校准方程的建立基于¹⁵N同位素稀释技术，利用不同作物的¹⁵N同位素稀释法^［38］和酰脲估算Ndfa法^［39］进行了交叉验证，2种方法显示出高度的相关性。利用校准方程（2）估算Ndfa。

Ndfa=-0.007 4 RAU²+1.68 RAU+4.36（2）

1.3.6.3　共生固氮量（BNF）共生固氮量=氮素积累总量×Ndfa

式中：共生固氮量，kg/hm²。假设各处理土壤氮吸收量不受施氮量的影响，则土壤氮吸收量和肥料氮吸收量计算公式如下：

土壤氮吸收量=氮积累总量（N₀）-

共生固氮量（N₀）

肥料氮吸收量=氮积累总量-共生固氮量-

土壤氮吸收量。

1.3.7　产量及产量构成因素

于R₈期收获测产，在每个小区剔除边行的大豆，选取10 株长势均匀、具有代表性和无病虫害的大豆植株，从子叶节剪取收获整个植株，记录单株荚数、单株粒数和百粒重。各小区取中间4行实收6.4 m²（1.6 m×4.0 m）测产，重复3次，将籽粒晾晒后称重，同时，用种子水分测定仪测定种子含水量，将小区产量折合成标准含水率为13%的产量。

1.3.8　氮肥利用效率相关指标计算

氮肥农学利用效率（NUE）=（施氮处理产量-不施氮处理产量）/施氮量

氮肥偏生产力（PFP）=施氮处理产量/施氮量

1.3.9　统计分析

所有数据采用SPSS 26.0进行分析，采用Tukey’s多重比较检验，P<0.05为显著性阈值。使用Origin 9.0绘图。

2　结果与分析

2.1　施氮量对大豆根瘤数及根瘤干重的影响

由表2可知，2022和2023年，2个品种大豆根瘤数和根瘤干重均随生育进程的推进，表现为R₂期开始增加至R₅期达峰值后下降的变化趋势，均以R₅期最高。2022年各施氮处理R₄—R₆期根瘤数和根瘤干重差异均达显著水平，R₅期，‘新大豆27’号和‘新农豆2号’N₁₈₀根瘤数和根瘤干重最高，较N₀分别增加85.53%、60.53%和71.20%、87.73%（P<0.05）。2年结果一致。施氮量增加至N₁₈₀，2个品种的根瘤数和根瘤干重均达峰值，施氮量增加至N₂₄₀，根瘤数和根瘤干重则大幅度下降。可见，N₁₈₀促进根瘤形成的作用最大。

2. 2　施氮量对根瘤蔗糖及淀粉含量的影响

由图2和图3可知，2022和2023年2个品种大豆的根瘤蔗糖含量均随着生育时期的推进表现出先上升后下降的变化趋势，在R₅期达到峰值。R₄―R₆期，2个品种大豆各施氮处理的根瘤蔗糖含量差异均达显著水平；2年R₄期根瘤蔗糖含量均以N₁₈₀最高，‘新大豆27号’和‘新农豆2号’在2022年分别较N₀、N₁₂₀、N₂₄₀增加36.30%、31.99%、15.26%和28.51%、17.05%、46.82%（P<0.05）；2023年N₁₈₀分别较N₀、N₁₂₀、N₂₄₀增加31.62%、23.17%、66.92%和34.18%、18.59%、66.97%（P<0.05）。

由图4和图5可知，2年两品种大豆的根瘤淀粉含量均以R₄期较高。2个品种大豆R₄—R₆期的根瘤淀粉含量在各施氮处理间均存在显著差异，且均以N₁₈₀最高；‘新大豆27号’和‘新农豆2号’在2022年N₁₈₀较N₀分别增加46.54%和32.37%（P<0.05）；2023年N₁₈₀较N₀分别增加6.62%和6.29%。

2.3　施氮量对根瘤蔗糖合成酶活性的影响

由图6和图7可知，2年2个品种大豆R₄—R₆期根瘤蔗糖合成酶活性在各施氮处理间差异均达显著水平，且均以R₄期最高。‘新大豆27号’和‘新农豆2号’的N₁₈₀蔗糖合成酶活性在2022年较N₀分别增加48.52%和82.99%（P<0.05）；2023年N₁₈₀分别较N₀增加24.59%和48.34%（P<0.05）。

2.4　施氮量对大豆根瘤固氮酶活性的影响

由表3可知，2个品种大豆2年的根瘤固氮酶活性均随着施氮量的增加逐渐降低，且在R₅期达到最高；2022年，‘新大豆27号’R₅期的N₁₂₀、N₁₈₀、N₂₄₀根瘤固氮酶活性分别较N₀降低15.27%、30.65%、79.96%（P<0.05），‘新农豆2号’的N₁₂₀、N₁₈₀、N₂₄₀分别较N₀降低24.9%、55.07%、82.36%（P<0.05）。2023年与2022年表现相似。

2. 5　施氮量对大豆不同氮素吸收的影响

由表4可知，2022和2023年，2个品种大豆总氮积累量在各施氮处理间差异均达显著水平，均以N₁₈₀最高。2022年‘新大豆27号’和‘新农豆2号’的N₁₈₀较N₀分别增加63.16%和57.76%（P<0.05），2023年分别增加59.00%和75.59%（P<0.05）。2个品种大豆土壤氮和共生固氮量占比也均随着施氮量的增加呈逐渐下降的趋势。2个品种大豆共生固氮量在各处理间均存在显著差异，且最高均为N₁₈₀；2022年‘新大豆27号’和‘新农豆2号’N₁₈₀的总共生固氮量较N₀分别增加24.43%和46.47%（P<0.05），2023年分别增加21.86%、31.43%（P<0.05）。2022年‘新大豆27号’和‘新农豆2号’N₁₈₀肥料氮吸收量及其占比均显著高于N₁₂₀，2年表现相似。在R₈期，2个品种大豆2年植株积累的氮素有22.94%~42.28%来自于共生固氮，20.00%~39.97%来自于肥料氮，62.25%~33.77%来自于土壤氮，土壤氮占比随施氮量的增加而减小，肥料氮占比随着施氮量的增加而增加。随着施氮量的增加，2个品种的肥料氮吸收量和共生固氮量均呈增加趋势，最终使总氮积累量增加；施氮量增加至N₂₄₀，植株对肥料氮吸收量不再继续增加，同时共生固氮量却大幅度下降，植株总氮积累量不再增加。

2. 6　施氮对大豆产量及氮肥利用效率的影响

由表5可知，2个品种大豆2年的收获株数在各施氮处理间均无显著差异；各施氮处理的单株荚数和单株粒数均存在显著差异。2022年‘新大豆27号’和‘新农豆2号’的N₁₈₀单株荚数、单株粒数较N₀分别增加48.62%、23.01%和28.14%、25.94%（P<0.05）；2023年分别较N₀增加29.93%、23.96%和26.86%、28.64%（P<0.05）。2022年，‘新大豆27号’和‘新农豆2号’的百粒重均以N₂₄₀最高，分别较N₀增加13.80%和20.56%（P<0.05）；2023年分别以N₂₄₀和N₁₈₀最高，分别较N₀增加10.03%和8.56%（P<0.05）。2年‘新大豆27号’，‘新农豆2号’的产量均以N₁₈₀最高，分别较N₀增加19.32%、25.57%（2022年）和24.92%、21.81%（2023年）（P<0.05）。2个品种大豆氮肥农学利用效率（NUE）在各处理间均差异显著，‘新大豆27号’和‘新农豆2号’的氮素农学利用效率在2022年均以N₁₈₀最高，分别为3.69和4.86 kg/kg；2023年分别以N₁₈₀和N₁₂₀最高，均为4.88 kg/kg。2个品种大豆2年的氮肥偏生产力（PFP）均随着施氮量的增加呈逐渐下降趋势，处理间差异均达显著水平。可见，随着施肥氮量的增加，大豆籽粒产量和氮素利用效率均呈现增加趋势，达峰值后，再继续增加施氮肥量，大豆产量呈现下降趋势，导致氮肥农学利用效率大幅度下降。

2.7　施氮量与氮素积累总量、肥料氮、共生固氮量及产量的关系

由图8可知，2个品种大豆2年的R₈期氮素积累总量随着施氮量的增加均呈现逐渐增加的趋势，在N₁₈₀达到峰值，N₂₄₀趋于稳定。‘新大豆27号’和‘新农豆2号’的施氮量与氮素积累总量的拟合曲线方程分别为y₁=-8.08x²+0.62x+154.58（R²=0.966）和y₂=-5.95x²+0.59x+149.7（R²=0.937）。2个大豆品种2年的植株肥料氮含量随着施氮量的增加均呈逐渐上升趋势，N₂₄₀的肥料氮含量最高。2个品种大豆的产量和共生固氮量随施氮量的增加均呈现单峰曲线变化，当施氮量达130.57和156.83 kg/hm²，最大共生固氮量分别为75.86和68.16 kg/hm²。‘新大豆27号’和‘新农豆2号’的施氮量与产量的拟合曲线方程分别为y₁=-0.022x²+7.97x+3 320.09（R²=0.817）和y₂=-0.024x²+8.2x+3 593.62（R²=0.872）；当施氮量达181.14、170.83 kg/hm²，产量最高分别为4 041.92、4 294.04 kg/hm²。‘新大豆27号’和‘新农豆2号’依靠肥料氮增加的产量分别占总产量的7.75%~20.37%、9.16%~17.91%，较N₀分别增产8.40%~25.57%、10.08%~24.92%。

3　讨 论

3.1　施氮量对大豆根瘤形成及共生固氮量的影响

矿物质氮素通过减少单位面积根瘤数量和质量、抑制固氮酶活性，以及加速根瘤的衰老或崩解来减少共生固氮量^{［26，40］}。当土壤氮素较低时，增施肥料氮会促进大豆根瘤形成和共生固氮作用。而当土壤氮素浓度较高时，再施入氮肥，导致土壤微生物群落发生改变，固氮菌落和根瘤菌的生长受到抑制，从而影响根瘤形成^［41］；但是，能促进根系生长、根系对氮素的吸收和向地上部分的转运^［42］。施氮抑制了根瘤的形成或固氮酶的活性，从而导致大豆共生固氮降低^［43］。在缺乏氮素或在低浓度氮素的情况下，大豆植株能产生更多的根瘤和更高的固氮作用^［13］。本试验结果表明，在R₃期施氮量为120（N₁₂₀）~180 kg/hm²（N₁₈₀）的条件下，能显著增加根瘤数目和根瘤质量（表2），促进了根系和地上部健壮生长^［44］，使根瘤中可溶性糖和淀粉含量同步升高^［45］；但施用氮肥降低了根瘤固氮酶活性（表3），这是由于NO₃^-导致根瘤中氧扩散屏障的渗透性降低，根瘤氧气供应受阻的缘故^［46］；说明根瘤的固氮酶活性对氮肥响应比根瘤形成更敏感。当施氮量增至240 kg/hm²（N₂₄₀），根瘤数和根瘤干重显著降低，固氮酶活性、根瘤固氮量和氮肥农学利用效率剧降，从而导致产量下降。这可能是过量氮肥导致大豆茎叶徒长或发生倒伏，根系生长受阻的缘故^［47］。因此，R₃期适量施用氮肥可显著促进大豆的根瘤形成和碳水化合物的合成。

3.2　施氮量对大豆氮素吸收及产量形成的关系

大豆产量的高低取决于植株氮素的总积累量^［48］。大豆植株氮素吸收来源于土壤氮、肥料氮和共生固氮^［9］。土壤氮是基础氮，是苗期氮素的最主要来源，在很大程度上影响大豆追施氮肥前的植株健壮程度和根瘤形成数量和质量^［49］。肥料氮是在大豆进入快速生长期（花荚期）前施入，可满足高产植株健壮生长的需要^［50］。共生固氮是在土壤氮和肥料氮的共同作用下，形成的根瘤主要在大豆结荚、鼓粒期固定空气中的氮素^［51］。土壤氮和肥料氮主要分配在营养器官中，共生固氮主要向籽粒分配^［52］。可见，在大豆不同生育阶段，因主要氮素来源各不相同，对大豆产量形成的作用也各不相同。在本研究中，适宜的施氮量可显著影响大豆对氮素的吸收和分配，不施氮处理（N₀）大豆植株吸收的氮57.72%~63.13%来自土壤氮，随着施氮量的增加大豆吸收肥料氮的占比逐渐增加，共生固氮量所占比例不断降低（表4）。在我国东北地区（产量水平为2 510.10~3 192.45 kg/hm²）接种根瘤菌且不施氮条件下，共生固氮量为108.0~150.2 kg/hm²，共生固氮占氮素积累总量的百分比为47.8%~70.0%^［53］。在阿根廷对86个试验点大豆（均接种根瘤菌且未施氮，产量水平为2 200~3 600 kg/hm²）进行共生固氮的评估，共生固氮量为65~165 kg/hm²，共生固氮所占比例为43%~60%，氮素吸收量为175~256 kg/hm^2［54］。在本研究条件下，N₀的产量为3 433.36~3 810.39 kg/hm²，共生固氮量为53.20~64.99 kg/hm²，共生固氮占总氮比例为31.80%~42.28%（表4）。本研究产量均高于东北地区和阿根廷，但是共生固氮和共生固氮率相对较低。可能是由于东北地区和阿根廷在播种前大豆均接种根瘤菌的结果，而本试验未接种根瘤菌。本试验区大豆根瘤固氮潜力有待挖掘。龚振平等^［55］利用¹⁵N-硫酸铵（150 kg/hm²）同位素稀释法测定东北盆栽春大豆吸收共生固氮率为59.0%，土壤氮所占比例为39.8%，肥料氮所占比例为1.2%。本试验在新疆北疆膜下滴灌条件下，利用相对酰脲法估算施氮量为180 kg/hm²（N₁₈₀），大豆吸收共生固氮所占比例为28.25%~32.30%，土壤氮所占比例为35.44%~40.04%，肥料氮所占比例为30.43%~36.30%（表4）。N₁₈₀的产量较高（4 096.68~4 641.50 kg/hm²），依靠施氮增加的产量占总产量的16.19%~20.37%（较N₀增产19.32%~25.57%）（表5），与高阳等^［29］的研究结果一致。依靠增施氮肥不能进一步提高大豆产量是因为过量施氮导致大豆植株地上部徒长，根系和根瘤生长受严重抑制，减少了共生固氮量的缘故^［56］。因此，3种氮源缺一不可，且关系协调是大豆植株健壮生长、实现高产高效的基础。

在本试验条件下，虽然未考虑追施肥料氮后对土壤氮吸收的影响，但并不影响对各处理根瘤固氮量估算结果。大豆氮素的3个来源比率受到土壤肥力条件、氮肥施用方法及根瘤固氮活性等影响，最终导致氮素积累总量和产量差异。在一定土壤条件下，如何通过肥料氮协调大豆3个氮源的关系，在充分发挥大豆固氮潜力的同时，增加大豆产量和氮肥利用效率，是需要进一步深入研究的问题。

4　结 论

在膜下滴灌条件下，R₃期施适量氮肥（180 kg/hm²）可显著增加大豆根瘤数目、根瘤干重（分别可达1 965.56个/m²和19.16 g/m²），显著增加根瘤中碳水化合物含量、共生固氮量、肥料氮吸收量和氮素积累总量，并显著提高大豆产量以及氮肥农学利用效率，产量高达4 096.68~4 641.50 kg/hm²。因此，在新疆北疆膜下滴灌条件下，施氮量为180 kg/hm²可促进大豆植株对肥料氮和共生固氮的吸收利用，最终实现高产。

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基金资助

国家自然科学基金(32160520)

新疆维吾尔自治区重大科技专项(2022A02008)