套作大豆碳氮代谢.doc

摘要通过2004-2006年度的“不同品种和播期对套作大豆的效应研究”、“前作玉米播期与密度对套作大豆的影响”、“前作玉米株型与幅宽对套作大豆的影响”、“不同施氮水平对套作大豆的效应研究”，和“不同种植密度对套作大豆的影响”，研究了不同栽培措施下套作大豆生长发育的形态效应和碳氮代谢规律，明确了茎、叶形态和碳氮代谢与套作大豆产量的关系，并初步形成了套作大豆高产栽培技术体系。结果如下：1.套作大豆形态变化规律套作大豆的株高随播期的推迟、幅宽的增加而减小，随施氮量的增加而增高。不同种植密度下，晚熟品种随密度的增加株高增加，中熟品种随密度的增加株高降低。前作玉米株型越紧凑，播期越早，密度越小，套作大豆的株高就越小。V3-R1期的株高增长速率过快不利于后期产量的形成。套作大豆的茎粗在前期受玉米荫蔽条件下较小，但玉米收获后至成熟期一直呈上升趋势。播期推后、密度和施氮量增加都使茎粗减小。适当的扩大幅宽，前作玉米选择株型紧凑的品种，并适期早播，利于大豆茎粗的增加。套作大豆茎中干物质的积累量呈先增后减的变化，早熟品种在始粒期达到峰值，中、晚熟品种在满粒期达到峰值，积累最迅速的时期均为V3-R2期。随着播期的推后，密度的增加、氮肥的过量施用，茎干重均降低。而适当扩大副宽、前作玉米株型紧凑、播期提前，均有利于大豆茎中物质的积累。大豆套作后，叶面积指数增加，呈先升后降的变化趋势，V3-R1期增长速率最快。早熟品种的叶面积指数在R3期达到峰值，中、晚熟品种在R4期达到峰值，且都随播期的推迟而减小，随密度和幅宽的增加而增加。高氮水平下，大豆叶面积指数峰值的出现提前，且下降速率加快。前作玉米株型紧凑并适期早播，能使套作大豆的叶面积指数维持在较高水平，并减缓后期的下降速率。套作大豆的比叶重呈先升后降的变化趋势，在R4期达到峰值，V3-R3期增长速率最快。晚熟品种的比叶重高于早、中熟品种，且随播期的推迟、幅宽的增加、施氮量和种植密度的减小而增大。前作玉米株型松散、播期推后，则不利于大豆叶片中物质的积累。2.套作大豆碳、氮代谢规律套作大豆茎、叶中可溶性糖含量呈先增后减的变化趋势。叶片中可溶性糖含量在R4期达到峰值，早、中熟品种以R2-R4期的可溶性糖积累量最大，晚熟品种以V3-R2期的积累量最大;在高密度和高氮肥水平下，大豆叶片中可溶性糖的含量均降低;前作玉米株型紧凑、播期提前、大豆幅宽增加都延长了叶片中可溶性糖的积累时间，加快了积累速度。茎中可溶性糖峰值的出现时间品种间存在差异，中、晚熟品种主要出现在R4期，早熟品种主要出现在R6期;随大豆播期的推迟、密度的增加，茎中可溶性糖峰值的出现时间提前;前作玉米株型紧凑、播期提前都有利于大豆生育前期茎中可溶性糖的积累。套作大豆茎、叶中淀粉含量先升后降，均在R4期达到最大值，V3-R2期的积累量最大。适期播种、适宜的种植密度和氮肥供应，能提高大豆茎、叶中淀粉的积累和分解速率前作玉米株型紧凑、播期提前、大豆幅宽增加都有利于大豆茎、叶中的淀粉含量维持在较高水平。氮素含量在套作大豆茎中的变化呈“降一升一降”，的趋势,叶片中的变化品种间存在差异，早熟品种为逐渐减小，中、晚熟品种则为先降后增再降。但茎、叶中的氮含量都随大豆播期的推迟、种植密度的减小、施氮量和幅宽的增加有升高的趋势而前作玉米株型松散、播期推迟，都降低了大豆茎、叶中的氮素含量，且叶片中的变化更加显著。套作大豆叶片中蔗糖磷酸合成酶、淀粉酶和谷氨酞胺合成酶的变化趋势一致，都是先增后降，于盛荚期达到峰值，其中R2-R4期增幅最大。硝酸还原酶活性的变化在不同熟性大豆品种间差异较大，早熟品种表现为先升后降，中、晚熟品种表现为先降后升再降，但都以R6-R7期的降幅最大。大豆6月上旬播种，密度在16.5万株hm-2左右，施氮量在59.8kghm-2以下，并适当增加大豆幅宽均有利于以上四种酶活性的提高。而前作株玉米型松散，播期推迟则显著降低酶的活性。3.套作大豆产量及其与形态和碳氮代谢的关系套作大豆产量的高低，除受品种特性限制外，主要还受前作玉米的遮荫程度和两者共生期长短的制约。晚熟品种的产量显著高于早、中熟品种，且以6月上中旬播种产量最高，过早或过晚播种都不利于产量的形成。高密度和高氮肥水平下，大豆减产严重。前作玉米株型紧凑、适期早播，大豆幅宽适当扩大都能充分发挥大豆的增产潜力，获得高产。麦玉豆模式中，大豆的花期恰逢玉米收获前后，因此是大豆经历光照转换的重要时期，该时期的茎、叶生长状况和碳氮代谢能力对大豆后期产量的形成起着重要的作用。而玉米收获后，套作大豆都表现出了不同程度的光合补偿效应，此效应一直延续到大豆灌浆鼓粒，且补偿能力的大小对大豆籽粒产量的高低起着决定性作用，因此R2期大豆的形态特征和碳、氮代谢水平也能较准确的反映后期产量。我们对不同生育时期下大豆形态，碳、氮含量和代谢关键酶活性与产量进行通径分析后得出，要想获得套作大豆高产，应保持较大的叶面积指数，茎粗和比叶重维持在适宜的水平，控制株高和后期茎枝中的干物质积累量。并使R2期茎、叶中保持较高的可溶性糖、淀粉、氮含量和NR、AM、SPS、GS活性;R6期时叶片中的糖、氮含量和SPS、NR活性仍需维持在较高水平，但茎中糖和淀粉含量、叶片中和AM,GS的活性却不宜过高.4.套作大豆高产栽培技术大豆应选用全生育期在130d左右的晚熟品种，于6月上旬播种，这样即能充分利用有效光热条件，发挥品种的增产潜力，又能保证下季小麦的适期播种。套作密度以16.5万株hm-2最优，可适当稀植，但密度过高减产严重。在土壤肥力状况较好，有机质含量53.106gkg-1，全氮含量2.15gkg-1，速效氮158.542gkg-1以上水平时，为节约成本，可不施或少施氮肥，当氮肥用量达到78.2kghm-2时，减产严重。为创造良好的群体结构，前作玉米应选择株型紧凑的中、矮秆品种，于3月下旬适期早播，密度控制在52500株hm-2左右，并选择大豆、玉米的套作幅宽分别为1.17m和0.83m，以确保全年高产。关键词:套作大豆，形态，碳、氮代谢，产量大豆碳、氮代谢的研究进展碳元素和氮元素是植物体内两大重要元素，碳、氮化合物在植物的生命活动中起着举足轻重的作用，碳、氮代谢是植物体内最主要的两大代谢过程。植物体中的氮几乎都以有机氮形式存在，有机氮的转化需要有机酸，而有机酸则是由光合产物蔗糖和淀粉等糖类转化而来49。从空间上看，光合碳代谢与NO2-同化都发生在叶绿体内，碳、氮代谢都需消耗来自CO2同化和光合以及其它电子传递链的有机碳和能量。Huppe等的研究表明，光合作用产生的能量及其中间产物大部分用于碳、氮代谢，在某些组织中氮代谢甚至可消耗掉光合作用能量的55%50。可见，植物体内的碳氮代谢是紧密相连的。一方面氮代谢需要依赖碳代谢提供碳源和能量，另一方面碳代谢又需要氮代谢提供酶和光合色素，二者需要共同的还原力、ATP和碳骨架51。大豆一生中碳、氮代谢的协调在很大程度上决定着产量结果。2.4.1大豆的氮代谢及调节大豆是含氮极丰富的作物。氮在大豆体内是以氨(NH3)的形态进入氨基酸、酰胺、含氮碱基、蛋白质和核蛋白等化合物的。当氮源以NO3一N形态供给大豆时，在被用于构成有机氮化合物之前，须经历还原为氨的过程。这个过程是在硝酸还原酶和亚硝酸还原酶的催化下分步完成的。硝酸还原可以在根内进行，也可以在叶内进行，且以在叶内进行为主。氮直接或间接的参与和影响植物体的代谢活动和生长发育，它对细胞分裂、扩展和生长是必需的。与禾本科作物不同，大豆的氮源，除了土壤氮和肥料氮以外，还可以通过根瘤固定空气中的氮。大豆种子发芽时，其氮素来自于子叶。子叶供氮大约持续到出苗后3周左右。大豆出苗后3一7天内长出次生根，开始时吸收能力很弱。初生根瘤大约在出苗后一周左右即可出现，但为幼苗提供氮素却开始于出苗后3一4周。此时正值根瘤自身形成发育阶段，它所固定的氮也只有一部分约占总固氮量的50一70%输送给大豆幼苗52。由此可见，这一阶段补充氮素十分必要的。早期施氮，即以氮肥作基肥或种肥可以促进大豆植株根、茎、叶的生长，进而促进根系对土壤氮和肥料氮的吸收，起到“启动效应”。陈禹章等以小金黄1号品种为试材，详细测定了从出苗到成熟各个生育阶段大豆氮素的积累。结果表明，大豆一生中氮的积累和干物质的积累大体上是同步的;氮的供应量与干物质的积累有着密切的关系，只有植株组织保持较高的氮水平，才能保证高的干物质积累，为最终大豆籽粒高产打下基础53。Iwata等进行了不同时期施用氮肥的砂培试验，结果表明，在开花前2一3周不供氮素，大豆减产最多。Heyhhjiob(1968)报道，大豆开花前施氮肥，植株生长良好，叶面积大，开花多，产量高。这种效应是后期施氮所补偿不了的。hawata在大豆开花前、花期和开花后个时期施氮，结果表明，开花前施氮效果最好，产量最高。上述几项试验结果证实，大豆氮素营养是有临界期的，时间在开花前。关于氮素的分配，吴魁斌研究得出，大豆植株中氮素主要分布在子粒和叶片中，二者之和占总氮量的92.19%，被利用的氮素占总氮量的95.93%。程素贞等的研究结果认为，大豆氮、磷、铝有相同的吸收分配趋势为繁殖器官高于营养器官，种子含量最高56。国外学者得出，大豆茎、叶、柄中氮的浓度随着株龄的增加而降低，荚中的氮浓度则随着株龄而增加茎、叶、柄中氮的积累及全株氮的积累随着植株发育呈“S”形分布，荚的氮积累速度按钟形增加。影响氮代谢的酶多而复杂，主要有硝酸还原酶、蛋白酶、谷氨酸合成酶、谷酰胺合成酶、谷氨酸脱氢酶等，但近年来,研究比较多的是硝酸还原酶。自20世纪50年代，Eves和Nasum发现硝酸还原酶以来，国内外学者认为硝酸还原酶活性与硝酸盐含量和籽粒产量密切相关。硝酸还原酶是NO3-化过程中的第一个关键酶。它不仅是同化硝酸盐的限速酶，在作物对氮肥的吸收利用中起关键作用，而且对作物的光合、呼吸及碳素代谢都有着重要的影响。硝酸还原酶活性与籽粒产量和品质的关系研究较多，但所得结论不尽相同。Hagemen、DIBB、Dechard的研究结果均表明，硝酸还原酶活性与产量和蛋白质含量呈正相关56，Eilrich提出施肥时期推迟和施氮量增加，会使植株上部NO3一N随之增加，NR增强，蛋白质含量增加57。谷氨酰胺合成酶（GS）是氨GS/GOGAT同化循环中处于氮代谢中心的多功能酶，以NH4+作为底物，利用ATP为能量，将谷氨酸转化为谷氨酰胺。参与多种氮代谢的调节，对于植株体内氮素同化和代谢效率具有重要的影响。王月福等报道纯氮对提高冬小麦叶片的活性以及子粒蛋白质含量有促进作用62。谢桂先等认为，灌浆期玉米功能叶和籽粒的谷氨酰胺合成酶与转化酶活性维持在较高水平，有利于增加玉米产量。目前有关大豆氮代谢过程中相关酶活性的系统研究还未见报道。2.4.2大豆的碳代谢及调节光合作用是碳代谢的一个重要部分，对于大豆产量形成来说，叶片的光合产物积累量占到了总干物重的92.4%。大豆是C3作物，其绿色组织固定同化CO2的基本途径是Calvin循环。不过，Marschner曾指出，不能把作物严格的分为C3和C4两类63。C3作物中，有相当一部分是通过羧化酶途径被固定的，尤其在繁殖器官内，如成长着的豆荚。郝乃斌等测定了大豆不同器官中RuBP羧化酶和PEP羧化酶的活性，结果表明，大豆虽然属于C3作物，它同时也具有一定的将呼吸作用所释放的CO2再重新固定的功能64。叶片是光合作用的主要场所，叶面积的大小和持续期直接影响作物的光合作用，进而影响作物产量。叶面积的大小是群体结构的主要因子，种植者常通过调节叶片发育动态来营造高产群体。Duncan指出，一定范围内叶面积指数的自动调节能力为25%，它还能在一定程度上调节植株干物质的分配比例，从而影响产量65。关于大豆产量与叶面积指数关系的研究，在我国开始于20世纪60年代初(梁振富，1963;张瑞忠，1964;郭午，1964)。适当的增大叶面积指数是现阶段提高大豆产量的主要途径之一。从出苗到成熟，大豆群体叶面积指数的消长动态大致成一抛物线。它的峰值过小，即光合面积小，不能截获足够的光能;峰值过大，则中、下部叶片被荫蔽，光合效率低或变黄脱落。在正常情况下，大豆群体的叶面积指数在达到高峰之前，上升是渐进的，而在高峰期维持一段时间后，下降则是陡然的。许多研究表明，大豆群体的叶面积指数过大过小或猛升陡降均难获得高产，只有在始花期前稳健增长，结荚期前后达到最大值，鼓粒至成熟期缓慢下降才能保证高产66-69。大豆是品种间光合速率差异很明显的作物，且随着生育推进，光合作用的主要功能叶有逐步向上转移的趋势73。大豆一生中叶片光合速率也不是平稳一致的，但不同研究者所得的结果有所不同。有的结果是，在始花期和结荚一鼓粒期出现两个高峰74,75，有的结果则是在盛花期和鼓粒期先后出现两个高峰76。大豆育种专家和生理学家长期以来一直致力于通过提高光合速率的途径来提高产量。早期的研究主要集中在单叶光合作用上，发现光合速率与干物质生产和籽粒产量间无密切关系77。后来更多的注意力便集中在了研究冠层光合作用，观察到基因型间存在差异并与产量间存在正相关78,79。作物高产不仅要求功能叶片有较强的光合生产能力，而且要求光合器官中形成的光合产物能够合理地分配运输。作物体内碳水化合物大约占干物质总量的90一95%，而碳水化合物中含量较高、且能够相互转化和再利用的主要是蔗糖和淀粉还原糖。大豆叶片同化的光合产物主要以积累淀粉为主，可溶性糖合成较少80，较高的淀粉贮备量是形成高产的物质基础，因为鼓粒期开始淀粉会逐渐降解为糖运至籽粒中。可溶性糖是碳水化合物中能直接运转和利用的主要形式，其含量的高低可代表碳水化合物的合成与运输情况81。苍金等人的研究结果表明，大豆的豆荚和叶片一样具有光合能力，且有更高的淀粉积累量，推测大豆是将光合产物暂时以淀粉的形式贮存在豆荚中，然后在特定的时间降解为可溶性糖，转移到籽粒中82。马丽苹等以20个大豆品种为试材研究了其主要生化物质的积累特性，结果表明，淀粉的迅速积累时期出现在鼓粒中前期，此时，随着籽粒的不断成熟，淀粉迅速积累，并达到峰值。淀粉积累的同时，可溶性糖也开始迅速积累，并很快达到峰值。而鼓粒中后期是脂肪和蛋白快速积累的时期，所以淀粉和可溶性糖的含量逐渐降低83。蔗糖磷酸合成酶(SPS)是蔗糖合成调节中的关键酶，一般认为，SPS/Suc-6-Pase系统催化的蔗糖合成途径是叶片蔗糖合成的主要途径。潘庆民等研究表明，小麦拔节期追施氮肥有利于旗叶开花后维持较高的活性和光合速率，叶片中的蔗糖迅速将籽粒运输，对产量形成极为有利85。朱建华等在甜菜上的研究结果则是，缺磷和缺钾时，SPS活性受到抑制86。张明材等得出，在大豆整个生育期内呈单峰变化的趋势，峰值出现在R3期87。张秋英等人于R5期对大豆进行遮荫处理，发现SPS活性有所提高，这是大豆忍耐不良环境的积极生理反应，有助于产量和品质的维持。淀粉酶(AM)催化淀粉降解产生还原性糖，张建东等人的研究表明，激光能提高大豆种子中淀粉酶的活性，促进淀粉水解为葡萄糖，有利于胚细胞的分裂与生长。郭金华等人的研究结果为，大豆体内淀粉酶活性高可使细胞中积累更多的单糖，使原生质浓厚，增强抗低温冷害的能力。以上有关大豆碳、氮代谢的研究全为大田单作条件下，而目前有关套作模式下大豆碳氮代谢规律的研究还是空白。试验设计试验采用两因素裂区设计，品种为主处理，设3个水平，A1，浙春3号、A2,乐豆1号、A3,贡选1号;播期为副处理，设5个水平，B1:早播(麦收后5d直播，5月25日)、B2:中早播(麦收后26d直播，6月15日)、B3中晚播(麦收33d后直播，7月6日)、B4晚播(麦收后40d直播，6月29日)、B5超晚播(麦收后47d直播，7月6日)，重复三次，采用2m带宽，玉米、小麦的幅宽各为1m，小区面积5m2m，各处理包括2个种植带。大豆密度为24.75万株hm-2，行窝距为33cm18.5cm，种3行，采用麦秆覆盖免耕直播，试验地施肥量尿素60kghm-2，过磷酸钙450kghm-2，氯化钾60kghm-2，全用作底肥;其他栽培措施同一般大田生产，整个生育期管理水平均匀一致。调查测定项目与方法1.3.1生育时期与共生期调查按照费尔(Water R. Fehr)的划分方法，记载大豆生育时期，并计算与玉米的共生天数(从大豆出苗到玉米收获)。1.3.2茎、叶形态的测定分别于大豆的V3(两片复叶全展)R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7八个时期，各小区随机调查8株的株高和茎粗，并从中采取5株，用打孔称重法测量叶面积，然后将这5株的茎、叶分别装袋，于105下杀青30分钟后，继续在80下烘至恒重后称量;并计算比叶重(比叶重=叶干重/叶面积)。1.3.3茎、叶碳氮含量的测定将1.3.2中处理后的V3、R2、R4、R6、R7五个时期的茎叶干样，用小型高速粉碎机粉碎，过60目筛后存放于干燥器中，用蒽酮比色法91测定可溶性糖和淀粉，用凯氏定氮仪测定全氮含量。1.3.5大豆产量性状调查收获前调查小区有效株数，成熟时每小区随机取5窝共15株考种，测定单株荚数、每荚粒数及百粒重。各小区实打实收，统计产量。2.2.4对叶面积指数的影响随着生育期的推进叶面积指数呈先增后减的趋势，在盛荚期达最大值。三个品种间存在较大差异，整个生育时期平均叶面积指数以A3最高，其次为A2，最小A1。达到峰值时，A3品种的叶面积指数分别是A1、A2的2.617倍和1.723倍。叶面积指数升高阶段，晚熟品种A3增长幅度最大，其次是中熟品种A2，A1的增幅最小。不同播期下，大豆叶面积指数随着播期的推迟而减小，各处理均于盛荚期达最大值。V3一R5期，以B2最高，R6一R7期以B1最高。达到峰值时，B2的叶面积指数分别比B1、B3、B4和B5高出1.01%、38.31%、84.57%和81.43%。叶面积上升阶段增幅最大的为B1，下降阶段降幅最大的为B2，而B4则是增幅和降幅都最小。方差分析结果表明，播期与品种的互作效应对大豆叶面积指数的影响