密度与地膜覆盖对旱塬幼龄果园中大豆综合生产力的影响*

章 伟, 占 爱, 李世清,2**

(1.中国科学院水利部水土保持研究所/黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室 杨凌 712100;2.西北农林科技大学资源环境学院 杨凌 712100; 3.中国科学院大学 北京 100049)

西北黄土高原苹果(Malus pumila)主产区建成已有三十多年, 老龄化果园逐渐增多[1-2]。随着果园树龄的更新, 发展幼龄果园间作大豆(Glycine max)生产模式, 是实现果园生态效益与经济效益共赢的重要路径[3-4]。新植苹果幼树在5～6年内不产生任何经济效益, 果树间作的大豆既是幼龄果园生态效益产生的关键来源, 更是间作模式下产生经济效益的主体。高产大豆的形成需要建立合理的田间群体结构,使个体与群体协调发展, 最大限度地提高对环境资源的利用率和转换率[5-6]。西北黄土高原地区大豆种植受春旱与低温影响, 产量低而不稳[7-8]。“覆膜”作为旱区农业生产最实用技术, 从集雨、保墒、增温等方面促苗作用非常明显, 增产增效显著。苹果果园土壤微环境显著不同于农田, 在苹果幼树果园开展大豆密度群体与覆膜调控大豆生产力的研究对促进实现幼龄果园间作大豆模式可持续集约化生产具有重要现实意义。

诸多研究表明, 单位面积获得最多粒数的群体密度是高产的关键[7,9-11], 合理密植是提高大豆群体生产水平的重要措施[6-7]。群体密度增加的同时, 个体生长发育受到抑制[6,9], 而群体生产性能, 依赖于个体分枝能力的调节补偿效应[9]。大豆合理增密增产的实质是调节群体和个体生产的权衡点倾向于当因密度增加而增加的产量与因密度增加而个体受抑导致减少的产量之间的比值最大时[9]。也就是说, 大豆增密时尽可能地减弱个体生产力的下降程度很关键。许多旱地试验研究表明[7-8,12], 地膜覆盖能促进大豆植株营养体生长发育, 其个体生产能力显著增强, 单株性状中主茎节数、有效分枝、单株荚数、单株粒数及单株籽粒质量等明显优于露地栽培。前人研究关于旱地地膜覆盖下大豆适宜密度群体大小的定性说法不一致[7,12], 主要受区域水热状况、土壤类型、品种等具体环境条件影响。所以地膜覆盖下大豆最佳群体生产力的群体密度能否增密、适宜增密多少等这些信息仍然较缺乏。另外, 关于覆膜与密度群体调控果园土壤下大豆生产力的研究目前鲜有报道。本试验研究设置低、中、高3种差异明显的大豆群体密度, 探讨不同群体密度与个体生产力的关系, 并查明较高密度下大豆覆膜能否平衡以及如何平衡密度群体与个体关系从而达到较佳的群体生产力。此外, 大豆籽粒产量仅是经济生产效益的表现, 在当前集约化农业生产过程中化肥消耗增加、生产效率低下、农田生态环境逐渐恶化的趋势下, 大豆生物固氮作用所带来的生态效益是不容忽视与不可估量的[13-14]。生物固氮既是大豆植株良好生长发育、较高籽粒产量与蛋白品质方面形成的氮素重要来源, 又是实现可持续集约化农业生产过程中降低环境负面影响的可持续、无污染、廉价且更高效的氮源[15-18]。为此, 本研究从籽粒产量兼顾蛋白品质、生物固氮与氮素副产物(秸秆和秸秆氮)方面综合评估密度与地膜覆盖及其配合对大豆在黄土旱塬幼树苹果园中生产力的影响, 旨在确定大豆种植最佳综合生产力下合适的种植密度和地膜覆盖的综合管理措施, 为发展幼龄果园间作大豆模式中大豆高效生产提供适宜方案与理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验地位于中国科学院长武试验站(35.28°N,107.88°E, 海拔1200 m), 地处黄土高原南部, 属半干旱大陆性气候, 典型旱作农业区。该区年均降雨量571 mm, 年降雨50%～60%集中在作物生长期间(6—9月), 潜在年蒸发量1560 mm; 年均气温9.1 ℃,年均日照2230 h, 无霜期171 d; 土壤类型为黑垆土,质地为壤土。供试果园为3年生苹果幼树果园, 试验前0～20 cm土层土壤pH为8.45, 有机质、全氮、全磷含量分别为 11.61 g·kg-1、0.89 g·kg-1和0.71 g·kg-1, 速效氮、速效磷、速效钾含量分别为60.25 mg·kg-1、11.03 mg·kg-1和246.58 mg·kg-1。供试大豆品种为‘陇黄3号’, 由甘肃省农业科学院旱地农业研究所培育。该品种生育期122～137 d, 属中晚熟品种, 株高63.1～100.0 cm, 紫花、棕毛、圆叶、有限结荚习性。

本试验分别于2018年和2019年的4月底至9月底进行, 大豆播种前, 4月份降水量仅为30.1 mm(2018年)和45.5 mm (2019年), 晚上低温, 白天温度回升过快, 大气蒸发旺盛, 农作时春旱与低温并存;苗期至花期(5月、6月)降水量为126.1 mm (2018年)和216.2 mm (2019年), 花期至成熟期(7—9月)降水量为409.2 mm (2018年)和286.7 mm (2019年), 大豆生长期间平均温度为18.94 ℃(2018年)和18.28 ℃(2019年), 月降雨量与月均温变化如图1所示, 数据来源于国家生态科学数据中心资源共享服务平台,由中国科学院长武试验站气象站观测(http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch)。

1.2 试验设计与布置

试验设计采用3种种植密度(高密度: 24×104株·hm-2; 中密度: 16×104株·hm-2; 低密度: 10×104株·hm-2)与两种覆盖方式(覆膜与不覆膜)的完全组合处理方案, 分别为: 覆膜高密度(H-FM)、覆膜中密度(M-FM)、覆膜低密度(L-FM)、不覆膜高密度(H-NM)、不覆膜中密度(M-NM)、不覆膜低密度(L-NM)。其中, 低密度为当地常规种植密度, 基于常规种植密度与前人研究[6-7,9-10,12]综合考虑, 设定中密度和高密度的增密程度。每处理3个重复, 在果园随机区组排列, 每小区占地80 m2。果园幼树株行距为3 m×4 m, 大豆在幼树(高2.0～2.2 m, 冠直径0.8～1.2 m)行中条带种植8行, 边行距离幼树数干中心的距离为 95 cm, 高密度下大豆株行距为14 cm×30 cm, 中密度下株行距为21 cm×30 cm, 低密度下株行距为33 cm×30 cm。按照以上密度采用点播机穴播2～3粒, 出苗后每穴留苗1株。在大豆种植区, 播种前按照 P2O5120 kg·hm-2、 K2O 75 kg·hm-2施肥, 磷肥为过磷酸钙(含P2O518%), 钾肥为硫酸钾(含K2O 51%), 不施氮肥。覆膜处理采用宽度60 cm农用白色塑料薄膜进行半膜覆盖, 每两列大豆用一副膜, 相邻两副膜膜间留有间缝。2018年、2019年播种日期分别为4月28日和4月30日,收获日期分别为9月20日和9月22日。

应用15N自然丰度法测算大豆生物固氮率, 需知大豆和非固氮参照植物的δ15N值, 以及以空气氮为唯一氮源的大豆δ15N值(简称B值)[19-20]。固氮贡献研究中, 参比植物的选取极其关键, 一般最优为非结瘤突变材料, 其次为氮素吸收和利用率相似的非豆科C3作物。在本研究中, 以禾本科C3植物一年生黑麦草(Lolium multiflorum)为非固氮参照植物[20-21]。在我国, 一年生黑麦草广泛分布于陕西(黄土高原南部)、东北、河北、湖南、贵州、云南、四川、江西等暖湿地区。在本试验果园内未种植大豆的空闲区域有该牧草(非人工播种)生长, 并与大豆生长于同一季节。B值采用大豆砂培盆栽的方法获取: 于2018年5月1日在试验站网室进行大豆砂培盆栽种植,大豆种子经表面灭菌后, 播种在装有石英砂的花盆中, 每盆种植4颗, 每颗接种菌数为109cfu·mL-1的根瘤菌菌液1 mL, 在大豆生长期间, 不时添加无氮营养液以保证大豆正常生长。

1.3 样品采集与处理

1)大豆花期, 每小区随机取10株根系样品, 自来水冲洗干净, 将根系中的根瘤取下并统计单株根瘤数量, 根瘤鲜样在105 ℃下杀青10 min, 85 ℃烘干至恒重, 称重。

2)大豆成熟期(叶片变黄未脱落时), 在每小区中随机选某一位置, 采用间作大豆整幅带取样的方法, 共8列, 每列连续取13株。首先, 每列取连续的2株, 共连续16株, 将地上植株体从大豆子叶痕处剪下, 装入尼龙网袋, 带回试验站, 自然风干后用于测量株高、有效荚数、有效分枝数、荚粒数、粒重、荚皮和茎叶质量(风干基)等单株性状; 然后,每列取1株大豆完整植株体(包括根系和植株地上部), 横向连续共8株, 将根系土轻轻抖落, 完整植株体装入尼龙网袋, 带回试验站自来水清洗干净,在105 ℃下杀青10 min, 85 ℃烘干至恒重粉碎备用,用于植株体自然丰度δ15N测定。最后, 剩下每列连续10株, 共80株, 用于收获地上部和地下根系, 具体处理过程为: 将地上植株体从大豆子叶痕处剪下装入尼龙网袋, 然后铁铲掘取土壤至30～40 cm, 捡出大豆根系, 根系样品装入尼龙网袋, 带回试验站冲洗干净, 根系鲜样先晾晒至风干状态称重, 然后随机取小样烘干测定风干含水率, 根系干小样粉碎备用; 将地上植株样品的茎、叶、荚、荚皮和籽粒分离, 4部分分装(茎、叶、荚皮、籽粒), 每部分先晾晒至风干状态称重, 然后随机取小样烘干测定每部分风干含水率, 干小样粉碎备用; 籽粒产量用13%的标准水进行校准。非固氮参照植物成熟植株体和砂培盆栽大豆植株体也统一收获。

1.4 测定项目与方法

将粉碎好的不同部位干样, 称取合适的量, 用H2SO4-H2O2消煮至澄清, 用凯氏定氮法测定全氮。从初步粉碎的预测δ15N的样品中各取2 g, 陶瓷研钵充分研碎, 用稳定同位素质谱仪(Thermo-Finnigan MAT 253)测定δ15N值。所有样品测定完成后, 计算以下指标:

1.5 数据处理与统计分析

运用Excel 2013和SPSS 22.0软件对数据进行处理和分析, Sigma Plot 12.0软件作图。2018年和2019年试验结果相关指标在一般线性模型中进行二因素方差分析(Two-Way ANOVA), 最小显著性差异法(LSD)进行因素水平间或处理间多重比较, 显著性水平在P＜0.05, 数据表示为平均值±标准误差。

2 结果与分析

2.1 种植密度与覆膜对大豆群体籽粒产量与产量构成要素的影响

由表1可知, 种植密度对大豆籽粒产量及产量构成要素(单株粒数、有效荚数、粒重、单株分枝数、荚/茎叶质量比)产生显著(P＜0.05)或极显著(P＜0.01,P＜0.001)影响。密度因子比较结果两年均显示, 随种植密度的增加, 籽粒产量表现出先升后降的趋势,高密度籽粒产量最低, 中密度籽粒产量最高但与低密度之间无显著性差异。高密度与中密度和低密度的年平均产量相比, 分别减产20.14%、18.50%。从表中两年产量构成要素表现来看, 相对于中密度和低密度, 高密度尽管株数上占优势, 但密度过高使得其单株生产能力受限, 如高密度下单株有效荚数、籽粒数、单株粒重、分枝数以及荚/茎叶质量比在所有密度中均最低。相对于低密度和高密度处理,中密度处理通过合理增加单位面积大豆基本苗数并维持较高的植株个体生殖生长能力(荚/茎叶质量比)而获得最高群体籽粒产量; 然而, 低密度以突出优势的单株生产能力支撑较高群体籽粒产量, 如单株粒数、有效荚数、粒重以及分枝数均居3种密度处理中最高。

表1 种植密度与地膜覆盖对大豆群体籽粒产量及单株生产力性状的影响Table 1 Effects of planting density and film mulching on grain yield and traits of productivity of soybeans

地膜覆盖对群体籽粒产量无显著影响, 而对产量构成要素如: 单株粒数、荚数、粒重、分枝数以及荚/茎叶质量比等有显著(P＜0.05)或极显著(P＜0.01,P＜0.001)影响。两年中, 高密度和中密度下, 与各自不覆膜处理相比, 覆膜处理籽粒产量均有一定程度下降但并不显著, 年均分别降低5.7%和4.5%。从表中产量构成要素发现, 同不覆膜相比, 高密度下覆膜主要减少单株籽粒数而并未显著降低单株粒重;中密度下覆膜则减少了单株籽粒数、有效荚数且显著降低荚/茎叶比值, 但同样也未显著降低单株粒重。说明果园环境下, 大豆覆膜会影响单株籽粒数量形成, 但同时会增加单粒重或百粒重(单粒重=单株粒重/单株粒数)进而削弱籽粒和结荚等数量上的劣势, 最终使得覆膜不会导致显著减产。此外, 中密度和低密度下覆膜相对于不覆膜, 均显著增加了单株分枝数, 降低了荚/茎叶质量比值, 说明合理密度群体的覆膜会促进大豆植株个体营养生长。

种植密度与地膜覆盖交互作用仅对产量构成要素中的单株粒数、单株荚数、单株分枝数以及荚/茎叶质量比值产生显著(P＜0.05)或极显著(P＜0.01,P＜0.001)的影响, 而对群体籽粒产量无显著影响;地膜覆盖对群体籽粒产量也无显著影响。说明本试验果园环境下, 群体密度是主控大豆籽粒产量的因子, 地膜覆盖可单独或配合群体密度调控大豆单株性状。两年中, 中密度覆膜与不覆膜、低密度覆膜与不覆膜4个处理的平均籽粒产量达到或近年均3.50 t·hm-2, 高于高密度覆膜与不覆膜条件处理。受密度和地膜覆盖影响, 支撑群体籽粒产量的构成要素表现形式不一, 例如, 低密度不覆膜处理有最多的单株粒数、单株荚数和最高的单株粒重、荚/茎叶质量, 中密度不覆膜处理有最高的籽粒产量, 中密度覆膜处理有较多的分枝数且能维持较高的百粒重或单粒重。

2.2 种植密度与地膜覆盖对大豆籽粒蛋白与秸秆氮的影响

豆类蛋白是人们日常生活蛋白质补充的重要来源之一, 大豆籽粒蛋白(含量和数量)是大豆生产力的重要表现。相比于非豆科作物, 大豆成熟时, 秸秆氮含量仍然会非常高, 普遍在16.3 g·kg-1及以上[22],钾次之, 同时秸秆数量较多, 秸秆为大豆生物量产出的主要部分。在可持续集约化农业生产进程中,大豆秸秆若采用合适的还田方式[23-24], 可作为补充农田氮素及其他重要养分的一种来源[22]。因此, 大豆秸秆产出中尤其秸秆氮数量是大豆生产力的一种重要表现。大豆籽粒蛋白及秸秆氮数量受植株氮素含量和器官干物质量分配的直接影响。表2分析了2018年和2019年种植密度与地膜覆盖对成熟大豆群体干物质量与吸氮量及器官分配的影响。

2.2.1 对成熟大豆群体干物质量与吸氮量的影响

表2中两年的干物质量结果显示, 成熟大豆的秸秆(茎叶+荚皮)、籽粒、根系干物质量分别占干物质总量52%～64%、25%～36%、8%～18%。可见, 秸秆干物质量所占比重最大, 其值为4.58～6.86 t·hm-2。密度、地膜覆盖及其交互作用对成熟大豆植株干物质总量和秸秆干物质量有显著(P＜0.05)或极显著(P＜0.01,P＜0.001)影响, 仅密度对大豆籽粒干物质量产生极显著(P＜0.001)影响。对于干物质总量, 中密度下略高于低密度但不显著, 且中、低密度均高于高密度。这一方面由中密度、低密度覆膜条件下的秸秆干物质量的显著增长所贡献, 另一方面均由中密度、低密度下籽粒干物质量的显著增加所贡献。覆膜显著增加了中密度和低密度下植株群体干物质总量, 分别年均增加19.1%和19.8%, 均由秸秆干物质贡献, 其秸秆干物质量相对各自不覆膜分别年均增加35.2%和37.3%, 对干物质总量的增加年均贡献分别为98%和102%。相比高密度, 中密度和低密度下均有较高的籽粒干物质量, 分别年均增加25.1%和22.5%。在密度和地膜覆盖综合作用下, 中密度覆膜和低密度覆膜处理均具有最高的植株干物质总量,年均各达到11.26 t·hm-2和10.78 t·hm-2, 其中秸秆干物质量的增加所作贡献最大。

表2中两年的吸氮量结果显示, 在成熟大豆植株中, 籽粒氮和秸秆氮共占94%～98%的大豆吸氮总量, 其中籽粒氮占54%～66%, 秸秆氮占30%～41%。种植密度与地膜覆盖及其交互作用极显著(P＜0.01,P＜0.001)影响大豆吸氮总量。覆膜与二因素交互作用显著(P＜0.05)或极显著(P＜0.01,P＜0.001)影响秸秆氮; 种植密度极显著(P＜0.001)、覆膜显著(P＜0.05)影响籽粒氮。对于大豆吸氮总量, 中密度下略高于低密度但不显著, 便二者均高于高密度。主要是由中密度、低密度下覆膜处理中秸秆吸氮量的显著增加和中密度、低密度下覆膜和不覆膜处理籽粒吸氮量的显著增加所致。覆膜显著增加了中密度和低密度下大豆吸氮总量, 年均分别增加16.5%和20.1%,均主要由秸秆吸氮量的增加所贡献, 相对各自不覆膜处理的秸秆吸氮量, 中密度和低密度下覆膜处理分别年均增加42.0%和36.1%, 对大豆吸氮总量增加的贡献率分别为79%和58%。与高密度比较, 中密度和低密度下有相对较高的大豆籽粒吸氮量, 年均分别增加28.5%和23.4%。在密度和地膜覆盖综合作用下, 中密度覆膜和低密度覆膜处理均具有较高的大豆吸氮总量, 年均分别达 353.25 kg·hm-2和346.30 kg·hm-2, 其中, 秸秆、籽粒和根系吸氮量在中密度下年均分别占38.2%、57.7%和4.1%, 在低密度下年均分别占36.6%、60.7%和2.7%。由以上结果分析可见, 种植密度与地膜覆盖对大豆群体干物质量、吸氮量及器官分配的影响规律趋于一致: 在中密度和低密度下大豆群体有同样且较高水平的干物质量和吸氮量, 覆膜显著促进中密度和低密度下秸秆干物质量和秸秆吸氮量提高, 这2指标的提高是同步的并对大豆干物质量和吸氮总量增加发挥主要贡献作用。

表2 种植密度与地膜覆盖对成熟期大豆干物质量和吸氮量及其器官分配的影响Table 2 Effects of planting density and film mulching on dry matter and N uptake and its allocation in soybean

2.2.2 对大豆籽粒蛋白质含量和产量的影响

两年结果均表明, 地膜覆盖及其与密度交互作用对大豆籽粒蛋白质含量产生极显著(P＜0.001)影响(图2a, b)。相比不覆膜处理, 覆膜下3种密度的平均蛋白质含量年均增加9.6%, 对中密度和低密度的增加达显著性水平(P＜0.05); 在不同种植密度之间, 大豆籽粒蛋白质含量无显著差异。种植密度对籽粒蛋白质产量产生极显著(P＜0.001)影响(图2c, d), 两年结果均表明, 中密度和低密度下的籽粒蛋白产量无显著差异, 二者平均达1.24 t·hm-2, 均显著高于高密度处理, 平均增加24.5%。

2.3 种植密度与地膜覆盖作用下大豆生物固氮及其对大豆产出的贡献

2.3.1 种植密度与地膜覆盖对大豆生物固氮率与固氮量的影响

种植密度及其与地膜覆盖的交互作用分别对大豆生物固氮率产生显著(P＜0.005)或极显著(P＜0.01,P＜0.001)影响(图3a, b)。大豆生物固氮率的变化范围在52%～76%。密度主导性地影响生物固氮效率, 中

密度和低密度下处于同一水平且均优于高密下(中、低密度下分别达年均71%、70%, 较高密度增幅平均为21.8%)。密度、地膜覆盖及其二者的交互作用分别对大豆生物固氮量产生显著(P＜0.005)或极显著(P＜0.01,P＜0.001)的影响(图3c, d)。大豆生物固氮量变化范围在139～258 kg·hm-2。两年生物固氮量均表现为中密度下略高于低密度但无显著差异, 两者均显著高于高密度, 且覆膜显著增加了中密度与低密度的生物固氮量, 分别增加23.6%和21.2%。中密度覆膜和低密度覆膜处理的固氮量处于同一水平且优于其他处理, 2018年和2019年中密度覆膜处理分别达268.07 kg·hm-2和245.52 kg·hm-2, 低密度覆膜处理分别达259.31 kg·hm-2和226.92 kg·hm-2。

2.3.2 种植密度与地膜覆盖组合处理下花期大豆的根瘤数量和根瘤干重

图4结果显示, 在大豆开花期, 与高密度处理相比, 中密度和低密度处理的单株根瘤数量和根瘤干重均显著提高(P＜0.05); 且2018年均以中密度和低密度覆膜高于其他处理, 2019年以中密度覆盖处理最高。与大豆生物固氮率(图3)趋势基本一致。说明高密度处理单株大豆固氮率下降可能与其根系结瘤数量等减少密切相关。综合表2、图3与图4的结果, 适宜密度大豆群体(中密度)进行覆膜, 显著促进地上部生长发育的同时, 其地下部根瘤固氮性能也最佳, 而高密度下地下单株结瘤固氮性能和固氮率较低时, 单株地上部生长发育也较差, 说明地上部生长和地下根瘤固氮可能存在一定的协同互作关系。

2.3.3 生物固氮对大豆籽粒和秸秆相关产出的贡献量

表3结果表明, 中密度覆膜(M-FM)处理的生物固氮在所有处理中不仅贡献了最高的籽粒氮(年均贡献 148.20 kg·hm-2)、籽粒产量(年均贡献2.57 t·hm-2)、籽粒蛋白含量(年均贡献301.64 g·kg-1)和产量(年均贡献0.93 t·hm-2), 并且贡献了最高的秸秆干物质量(年均贡献4.97 t·hm-2, 占秸秆干物质量的73%)和秸秆氮(年均贡献98.07 kg·hm-2)。与低密度覆膜处理(L-FM)相比, 中密度覆膜处理生物固氮对秸秆和秸秆氮的贡献分别年均增加3.6%和9.0%。与不覆膜处理相比, 覆膜处理来源于秸秆的生物固氮量, 在中密度下年均增加49.4%, 在低密度下年均增加39.4%, 对大豆生物固氮量提高的贡献率分别为67%、59%。

表3 不同种植密度与地膜覆盖处理生物固氮对大豆籽粒和秸秆产出的贡献量Table 3 Contributions of biological nitrogen fixation (BNF) to N production of grain and straw of soybean under different treatments of planting density and film mulching

综合表1至表3、图2至图4的结果与分析, 本研究认为M-FM(中密度覆膜)为大豆最优综合生产力处理, 同时兼有较优的籽粒产量、蛋白质含量及产量、生物固氮量、秸秆量和秸秆氮累积量, 且其生物固氮对籽粒产量、蛋白含量及产量、秸秆和秸秆氮的产出贡献量最高。

3 讨论

3.1 种植密度与地膜覆盖对大豆产量及产量构成要素的影响

本研究籽粒产量结果表明, 无论覆膜与否, 与高密度处理相比, 中密度与低密度处理均可获得相对较高的单位面积籽粒产量。其中, 中密度16万株·hm-2下可获得最高的籽粒产量(表1), 这与王立明等[26]在甘肃东部旱作区关于‘陇黄3号’密度筛选试验得出的籽粒产量最佳密度结果基本接近。大豆籽粒产量的高低取决于密度、单株有效荚数、荚粒数和百粒重[6]。大豆植株体可通过单株分枝数、籽粒数、结荚数、粒重的明显增加对因单位面积株数减少而导致籽粒产量降低的影响部分进行补偿[9]。这种补偿效应的存在是由于随着单位面积株数的减少, 个体的生态场扩大[27], 对环境资源的摄取量增加, 个体生长潜力得到充分表达。本研究发现, 低密度下大豆植株明显通过增加单株籽粒数和荚数来补偿群体密度上的劣势而获得较高籽粒产量, 中密度下大豆植株则依赖于单位面积基本苗数增加并能维持较高单株生殖生产能力而获得较高籽粒产量, 高密度则严重限制了单株地上部生长, 单株营养生长降低,进而限制生殖生长, 降低群体籽粒产量(表1)。当因密度降低而减少的籽粒产量与因密度降低而个体生产力增加的籽粒产量相抵时, 群体籽粒产量最高[6]。也就是说, 理论上若个体生产能力增加, 相适应的密度可得到增加, 此时可能获得更高籽粒产量。本试验研究中大豆覆膜的主要目的是, 利用地膜覆盖增温、增湿的促生作用而使大豆植株个体生产能力得到提高, 当匹配更高密度群体时进而获得更高籽粒产量。陈光荣等[7]与郭志利等[12]试验结果认为, 地膜穴播由于能促进大豆营养体的生长, 个体生产能力显著增强, 其单株性状明显优于露地沟播与露地条播, 水分利用效率显著增加, 进而提升大豆籽粒产量水平。然而, 本试验结果表明, 高、中、低密度下, 相对于各自不覆膜, 覆膜的大豆籽粒产量并没有显著增加(表1), 反而有所下降, 但不显著, 说明覆膜对大豆籽粒产量的促进作用会因地、因时而异。本研究中造成这种现象的根本原因可能由以下3个方面综合作用: 1)果园中原有较高的土壤速效氮(试验前果园表土速效氮含量为60.25 mg·kg-1, 来源于果园往年施氮累积与残留[28-29]), 已完全能够满足大豆植株体早期建成, 覆膜会加速大豆生育期间土壤有机氮矿化[30], 在大豆生育中后期, 覆膜土壤中有效氮累积过多, 在促进地上部营养生长的同时易形成花后大豆植株体营养器官与生殖器官的不均衡生长关系, 表1中覆膜下单株荚/茎叶的风干重比值、单株粒数与荚数的显著下降, 表2中中密度、低密度覆膜处理秸秆量显著高于不覆膜处理均说明了存在这一关系。2)受当前全球气候变化影响, 西北黄土高原地区气候趋于暖湿化, 2018年和2019年两个连续的生长季, 大豆出苗后降水丰富(图1), 覆膜增水促生的正效应被相对弱化, 随着大豆生育进程推进,气温逐渐上升, 覆膜下易形成高温高湿土壤环境,土壤有机氮更易加速矿化, 加剧大豆植株营养器官与生殖器官的不均衡生长。3)但是, 覆膜有利于大豆植株营养生长, 能够增加单粒重或百粒重(单粒重=单株粒重/单株粒数, 表1), 弥补了单株籽粒和结荚数量上的劣势, 能够削弱或者抵消减产的倾向。可见, 本研究中密度是大豆籽粒产量的主控因子。

3.2 适宜密度与地膜覆盖配合促成较优大豆综合生产力

大豆籽粒蛋白品质方面、生物固氮和秸秆及秸秆氮是本研究评估大豆综合生产力的重要组成部分。覆膜在农田环境下对大豆促产的正效应在本研究果园土壤环境中被置换为对籽粒蛋白品质、生物固氮量、秸秆及秸秆氮量的显著提升优势。适宜种植密度与覆膜配合后在达到大豆籽粒产量较高(表1)、较优地产出的同时(图2), 可实现较多秸秆和秸秆氮的产出(表2)。优越的大豆根瘤固氮性能和贡献率是得到这一结果的最重要来源和前提。本研究采用15N自然丰度法, 测算了密度与覆膜影响下的大豆固氮率(单株)和群体固氮量。固氮率结果表明, 中密度和低密度之间无显著差异, 高密度下显著低于前二者, 覆膜与种植密度之间有显著的交互效应,而覆膜单独作用下无显著影响(图3), 说明果园土壤大豆群体密度过高会降低固氮率, 覆膜依赖于群体密度的大小而影响固氮率。在大豆花期, 密度过高显著减少单株结瘤数量和干重(图4), 这可能是高密度大豆固氮率下降的主要原因但并非根本原因。经过对生物固氮主要影响因素筛选与分析, 本研究认为高密度下大豆固氮率下降的根本原因极可能是大豆生育期间, 尤其是中后期, 土壤可利用氮累积增加而降低大豆固氮酶活。大量研究表明, 作物生长期间, 土壤速效氮含量的持续增加将可能对根瘤菌分化与生长、根瘤菌侵染产生显著抑制作用[31-35],影响固氮酶活、根瘤结构及其形成, 固氮作用降低。与中密度和低密度相比, 高密度大豆群体根系生物量显著增加(表2), 这意味着, 在大豆生育期间, 高密度下可增加大豆根系分泌物输入土壤中, 也可扩大根系分泌物与土壤体积接触范围, 这可为土壤微生物提供更多可利用碳和产生更高的碳利用效率,从而使得土壤微生物加速对土壤有机氮的矿化[36],所以高密度群体大豆根圈土壤中可利用氮含量可能会持续增加, 进而抑制根系固氮酶活。固氮量结果表明, 中密度覆膜和低密度覆膜处理的固氮量处于同一水平且优于其他处理, 二者平均达249.96 kg·hm-2, 这一结果在正常范围内[13], 相对农田中可能偏低。此外, 本研究发现, 覆膜显著增加籽粒蛋白含量, 其中, 低密度、中密度处理增加显著(图2), 这与赖振光等[37]在甘蔗(Saccharum officinarum)/大豆间作体系中大豆地膜覆盖的结果相似。覆膜可能会增加大豆植株体吸氮量并促进氮素向籽粒转运。在本研究中, 低密度和中密度处理覆膜大豆蛋白质含量的显著增加, 可能更倾向于由覆膜后大豆植株体吸氮能力的提高和籽粒产量下降后的浓缩效应这二者综合作用所致(表1、表2)。

尽管覆膜配合较高密度下(中密度 16×104株·hm-2)未能达到本研究提出的籽粒产量目标, 即在果园土壤下大豆覆膜匹配较高密度时, 进一步提升该密度下籽粒产量水平; 但是, 在黄土旱塬地区幼龄果园中, 大豆适宜密度下大豆采用覆膜种植,仍然是有益处的: 首先, 能够降低4月份受春旱与低温影响, 保证高出苗率, 降低劳动强度和减产风险; 其次, 在黄土旱塬地区季节性干旱频繁且年际多变的降雨模式下(图1), 从长远看, 覆膜可确保大豆籽粒在关键生育期间(开花和灌浆期)的稳定形成;最重要的是, 果园环境中, 覆膜显著促进大豆植株营养生长, 虽未转化为有效生殖生产能力, 但在适宜密度下有利于大豆植株营养生长与根瘤固氮协同互作,有较高生物固氮率和固氮量, 进而提高对籽粒和秸秆产出的贡献量, 在形成更多秸秆和秸秆氮时也不影响较多的籽粒和籽粒蛋白质产出。在中密度覆膜处理下具有这些方面最佳的综合生产力, 符合当前发展可持续集约化农业生产体系的目标需要[38]。

值得注意的是, 本研究结果基于果园环境下,与前人农田研究结果的最大差异之处在于覆膜对大豆植株体营养器官和生殖器官生长发育规律的影响,即前人研究在旱地农田条件下, 覆膜显著促进大豆植株营养生长并转化为有效生殖生产能力[7,12], 然而本研究在幼树果园旱地条件下, 覆膜显著促进大豆植株营养生长并未转化为有效生殖生产能力(表1)。造成这样差异的原因是多方面综合作用的。在查阅许多文献资料后[28], 我们认为差异的根源在于果园土壤速效氮含量过高, 主要来源于以往果园施氮肥。旱地果园土壤和旱地农田土壤速效氮含量的差异, 可能会引发一系列生态因子响应差异并影响大豆根瘤固氮和植株生长发育。如, 土壤速效氮含量,尤其是硝态氮, 在大豆结瘤期过高硝态氮含量会极大地抑制根瘤固氮潜力, 根瘤固氮又是影响大豆植株生长发育的重要因子; 土壤碳氮磷化学计量比直接影响土壤微生物活性和多样性, 土壤可利用氮的变化, 势必影响微生物对土壤碳磷的利用, 土壤碳氮磷化学计量变化会对固氮微生物固氮产生一定影响等。然而, 本研究主要关注了旱地幼龄果园间作大豆的植株体部分, 而未真正涉及果园土壤环境对大豆根瘤固氮的问题, 在今后的研究中可结合土壤因素, 以农田土壤为对照, 多点多区域深入探讨果园土壤下, 覆膜对大豆根瘤固氮和大豆生长发育规律过程的影响, 以揭示土壤生态系统因子和农艺措施对大豆根瘤固氮和生长发育的耦合过程, 进而为果园土壤下大豆覆膜种植提供更为完善的理论基础。

4 结论

幼龄苹果园环境下, 密度是大豆籽粒产量的主控因子, 在低密度(10×104株·hm-2)与中密度(16×104株·hm-2)下均可获得较高的大豆籽粒产量(年均可达3.58 t·hm-2), 但二者贡献的个体补偿方式有明显差异, 低密度由单株籽粒数和荚数的增加而贡献, 中密度由单位面积基本苗数和单粒重(或百粒重)的增加而贡献。密度同时也是籽粒蛋白产量的主控因子, 中密度和低密度处理无显著差异, 平均达1.24 t·hm-2, 并显著高于高密度处理, 平均增加24.5%。覆膜有利于提高大豆籽粒蛋白质含量, 3种密度处理平均提高9.6%, 中密度和低密度处理增加达显著性水平。覆膜显著促进了地上营养生长, 但并未转化为有效生殖生产能力而使籽粒产量增加, 在与适宜密度(中密度、低密度)配合下, 有利于大豆根瘤固氮与地上协同互作, 极大地增加了群体秸秆干物质量和秸秆吸氮量且不显著降低籽粒产量, 进而贡献其覆膜下大豆干物质量、吸氮量和生物固氮量提高。与不覆膜处理相比, 中密度、低密度下覆膜处理的秸秆干物质量分别增加1.76 t·hm-2、1.81 t·hm-2, 对大豆干物质量提高的贡献率为98%、102%; 中密度、低密度下覆膜处理的秸秆吸氮量增加39.50 kg·hm-2、33.70 kg·hm-2, 对大豆吸氮量提高的贡献率为79%、58%; 中密度、低密度下覆膜处理秸秆中生物固氮量增加32.42 kg·hm-2、25.41 kg·hm-2, 对大豆生物固氮量提高的贡献率为67%、59%。

中密度覆膜处理可实现籽粒产量(3.55 t·hm-2)、籽粒蛋白质含量(415.09 g·kg-1)及蛋白产量(1.27 t·hm-2)、生物固氮率(73%)及固氮量(256.80 kg·hm-2)、秸秆氮量(134.87 kg·hm-2)和秸秆干产量(6.84 t·hm-2)均较优的最佳综合生产力。这意味着, 较高密度(中密度)与覆膜配合下能够在获得较多、较优的大豆籽粒产出时, 还可获得更多的秸秆氮和秸秆, 这可为以节肥减排、稳产增产为目的的可持续集约化农田生产补充丰富的缓效氮和富含其他养分的高质量秸秆。本研究结果可为黄土旱塬苹果幼龄果园间作大豆模式中提升大豆综合生产力提供可行方案与理论依据。