全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2015, 50 (4): 490–494, www.chinbullbotany.com
doi: 10.11983/CBB14129
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收稿日期: 2014-07-16; 接受日期: 2014-12-26
基金项目: 黑龙江省农业科技创新工程(No.2013QN007)
* 通讯作者。E-mail: guotaidadou@yahoo.com.cn
大豆叶面施氮量及氮素利用率的15N标记
李灿东, 郭泰*, 王志新, 郑伟, 张振宇, 郭美玲, 刘忠堂
黑龙江省农业科学院佳木斯分院, 佳木斯 154007
摘要 为研究大豆(Glycine max)叶面适宜施氮量及叶面氮素吸收与利用的规律, 以黑龙江省三江平原大豆主栽品种合农
64为实验材料, 采用15N标记示踪法在大豆需氮关键时期R5期进行叶面施氮, 分析大豆组织器官标记氮素的积累量及回收
率。结果表明: 在4.5 kg·hm–2 (N3)施氮条件下, 大豆组织器官干物质量及氮素积累量显著高于其它处理, 其中籽粒干物质
平均重22.7 g, 总干物质平均重73.2 g, 分别比不施氮处理 (N0)高17.92%和16.38%; 籽粒氮素积累量平均为134.4
mg·plant–1, 比不施氮处理(N0)高13.13%, 说明4.5 kg·hm–2 (N3)施氮条件是合农64在R5期的最适叶面施氮量。在不同施氮
条件下, 各组织器官标记氮积累量随着施氮量的增加呈先增加后降低的趋势, 籽粒标记氮积累量在4.5 kg·hm–2 (N3)施氮条
件下最高, 为9.96 mg·plant–1。这一结果同样说明了4.5 kg·hm–2 (N3)是合农64在R5期的最适叶面施氮量, 同时明确了叶面氮
素是籽粒氮素积累增加的主要原因。在同一施氮水平下, 各组织器官标记15N积累量顺序为籽粒>茎>叶>荚皮>叶柄>根, 且各
器官间差异显著, 说明在R5期叶面施氮籽粒积累的叶面氮素最多。从15N标记在各组织器官的贡献率来看, 在3.5 kg·hm–2
(N1)施氮条件下, 籽粒氮素贡献率与植株氮素回收率最高, 说明在叶面施氮量较小的条件下, 氮素更容易被籽粒吸收利用,
但净积累量却低于最适施氮量处理(N3)。在3.5 kg·hm–2 (N1)施氮条件下, 植株氮素回收率高于最适施氮量处理(N3)。
关键词 大豆, 叶面, 氮素, 最适施用量, 利用率
李灿东, 郭泰, 王志新, 郑伟, 张振宇, 郭美玲, 刘忠堂 (2015). 大豆叶面施氮量及氮素利用率的15N标记. 植物学报 50,
490–494.
氮是所有生物体必需的基本元素, 对作物生长发
育及体内含氮化合物的合成具有重要意义 (张静 ,
2007)。氮素供应的充足与否往往成为限制作物产量
形成的主导因子。大豆(Glycine max)是需氮量较多的
作物之一, 其对氮素的需求可以通过土壤氮、肥料氮
和根瘤共生固氮来满足(谢甫绨, 2011)。董钻(2000)
的研究表明, 氮的供应量与大豆干物质的积累有密切
联系, 在较高氮素水平供应条件下, 能够获得高产。
在农业生产中, 施用氮肥是提高大豆产量的重要手
段。丁洪和郭庆元(1995)的研究表明, 大豆施氮可以
增加氮素积累量, 提高单株有效荚数及粒数, 从而提
高大豆的产量并改善品质。刘志全和马淑时(1997)的
研究显示在喷施尿素叶面肥后大豆单株荚数和单株
粒数均增加。姚文秋等(2004)利用叶面喷施氮磷钾混
合肥对大豆产量和品质进行研究, 结果表明大豆蛋白
质含量随施肥量增加而增加。
叶面施氮是重要的施氮手段之一, 尤其是在大
豆生育后期, 根瘤固氮能力逐渐减弱, 适当追施氮
肥可以弥补氮素的不足, 促进大豆产量形成。赵开兵
和李传军(2001)的研究显示, 在大豆生长后期喷施
尿素叶面肥可不同程度地增加株高, 降低结荚高度,
增加单株荚数和百粒重。张勇等(2009)对大豆丰收24
号进行叶面喷施氮肥的研究结果表明, 大豆产量和
蛋白质含量均有明显增加。曹娟华和楮国忠(2011)
通过不同施肥方式对大豆产量进行研究, 结果表明,
减少底肥用量、增加叶面肥喷施频率可以实现大豆增
产。
前人关于大豆叶面氮肥仅限于施用方法及施用
效果等方面的研究, 虽然获得增产, 但缺乏理论依
据, 不能直接证明叶面氮肥的实际利用原理及效果。
本研究利用15N标记示踪法, 在大豆生育后期R5期进
行叶面施氮处理, 旨在揭示不同施氮量条件下叶面标
记氮素的吸收与利用规律, 以期为大豆生产中氮肥的
高效利用提供理论依据。
·研究报告·
李灿东等: 大豆叶面施氮量及氮素利用率的 15N标记 491
1 材料与方法
1.1 实验材料
以黑龙江省三江平原大豆(Glycine max (L.) Merr.)主
栽品种合农64为供试材料。以丰度为20.17%的15N尿
素水溶液为叶面肥料。所用培养土取自育种试验田,
土壤理化性质为有机质含量830 mg·kg–1, 全氮32.8
mg·kg–1, 碱解氮2.4 mg·kg–1, 速效磷12.5 mg·kg–1,
速效钾51.6 mg·kg–1, 全磷20.4 mg·kg–1, 全钾179.6
mg·kg–1, pH值为6.5。
1.2 实验设计
于2013年5月20日播种, 实验采用盆栽法, 在黑龙江
省农业科学院佳木斯分院网室进行, 用直径0.3 m、高
0.4 m的圆柱形塑料桶, 每桶用土12 kg。在R5期进行
叶面施氮。设5个施氮量处理, 分别为0、3.5、4.0、
4.5和5.0 kg·hm–2尿素用量。每处理设3次重复(表1)。
1.3 取样与测定
大豆成熟后, 将叶(连同脱落残叶)、叶柄、荚皮、茎、
根和籽粒用牛皮纸袋分装, 烘箱105°C杀青30分钟,
85°C烘至恒重, 称量各器官干物质量。
采用凯氏定氮法测定植株各组织器官全氮含量。
以CuSO4和K2SO4为催化剂 , 用浓H2SO4硝化生成
(NH4)2SO4与碱作用, 蒸馏释放NH3气收集于H3BO3
溶液中, 用HCl滴定测量。15N丰度采用MAT271型质
谱仪检测。
1.4 计算公式
15N原子百分超=样品或15N标记肥料的15N丰度–15N
天然丰度;
Ndff (%)=样品的15N原子百分超/标记肥料的15N
原子百分超×100%;
Ndff% (The percentage of N drived from 15N
fertilizer)为植株内氮素来自标记肥料的百分比。
氮素积累量=干物质量×氮素含量;
肥料氮积累量=氮素积累量×(测定样品15N丰度–
自然界中15N天然丰度)/肥料15N丰度;
植株某一器官15N积累量=该组织或器官的全氮×
该组织或器官的Ndff (%);
植株氮素利用率=植株Ndff%×植株吸氮量/施氮
表1 叶面肥水溶液氮素用量
Table 1 Nitrogen dosage of leaf fertilizer aqueous solution
量×100%。
1.5 数据处理
利用Excel 2003软件对数据进行处理。利用DPS 7.05
数据处理软件进行方差分析。统计学检验方法为邓肯
新复极差法。
2 结果与讨论
2.1 大豆不同器官的干物质积累
从表2可以看出, 各施氮处理组大豆组织器官干物质
积累量均高于不施氮处理(N0), 且随施氮量增加呈先
增加后降低趋势, 在4.5 kg·hm–2 (N3)施氮处理下达
到最高, 其籽粒干物质平均重为22.7 g。相同施氮处
理下, 各组织器官干物质积累量由大到小依次为籽
粒>茎>根>叶>叶柄>荚皮, 其中籽粒干物质重占全株
干物质重的31.0%–34.2%, 为主要部分(表2)。
2.2 大豆不同组织器官的氮素积累
从表3可以看出, 施氮处理组织器官氮素积累量均高
于不施氮处理(N0), 且随施氮量的增加呈先增加后降
低趋势, 在4.5 kg·hm–2 (N3)施氮处理下达到最高,
显著高于对照, 其籽粒氮素积累量平均为134.4 mg·
plant–1。相同施氮处理下, 各组织器官氮素积累量由大
到小依次为籽粒>茎>根>叶>荚皮>叶柄, 其中籽粒氮
素积累量占全株氮素积累量的45.4%–47.9%, 为主要
部分。不同于干物质积累量分配规律的是荚皮大于叶
柄, 其主要原因是荚皮氮素含量高于叶柄所致(表3)。
2.3 标记N的吸收与分配
由表4可知, 随着施氮量的不断增加, 各处理组间组
织器官的标记N积累量呈先增加后降低趋势, 在4.5
Treatment N dosage
(kg·hm–2)
(NH2)2CO dosage
(kg·hm–2)
Measure
(mL)
N0 0 0 0
N1 1.63 3.5 100
N2 1.87 4.0 125
N3 2.10 4.5 150
N4 2.33 5.0 175
492 植物学报 50(4) 2015
表2 不同施氮处理下大豆不同器官的干物质量(平均值±标准差, 单位: g·plant–1)
Table 2 Dry matter in different plant parts of soybean under different N levels (means±SD, unit: g·plant–1)
Treatment Grain Stem Leaf Petiole Pod-skin Root Total
N0 21.5±0.08 b 18.3±0.07 b 5.2±0.02 b 3.4±0.05 b 2.7±0.10 c 11.8±0.12 b 62.9±0.21 b
N1 21.8±0.09 b 18.9±0.13 b 5.6±0.10 b 3.8±0.02 b 3.3±0.08 bc 12.1±0.10 b 65.5±0.52 b
N2 21.9±0.10 b 19.5±0.09 b 6.2±0.09 a 4.3±0.17 ab 3.8±0.10 b 13.4±0.12 ab 69.1±0.21 b
N3 22.7±0.10 a 20.4±0.12 a 6.7±0.11 a 4.9±0.24 a 4.3±0.09 a 14.2±0.21 a 73.2±0.24 a
N4 21.2±0.16 b 19.3±0.15 b 5.3±0.13 b 4.6±0.07 ab 3.9±0.01 b 13.6±0.21 ab 67.9±0.19 b
N0–N4处理水平见表1; 同列数据后不同小写字母代表置信区间P<0.05内差异显著。
N0–N4 treatment level to Table1; different small letters in the same column mean significantly different treatments at P<0.05 level.
表3 不同施氮处理下大豆不同器官氮素的积累量(平均值±标准差, 单位: g·plant–1)
Table 3 N accumulation in different parts of soybean under different N levels (means±SD, unit: g·plant–1)
Treatment Grain Stem Leaf Petiole Pod-skin Root Plant
N0 118.8±1.34 b 63.2±2.32 c 16.6±0.35 c 7.5±0.23 c 10.2±0.41 d 29.8±0.62 c 246.1±3.20
N1 122.5±1.54 b 69.5±0.32 bc 18.2±0.34 b 8.5±0.24 b 12.5±0.38 c 31.5±1.27 b 262.7±1.48 b
N2 126.8±0.34 b 75.4±1.31 b 19.8±0.34 b 9.6±0.63 ab 14.5±0.34 b 33.2±1.01 ab 279.3±2.24 b
N3 134.4±0.47 a 80.5±3.14 a 21.5±0.54 a 10.3±0.32 a 15.6±0.52 a 33.6±1.33 ab 295.9±2.13 a
N4 127.5±1.72 b 69.4±0.41 bc 18.6±0.42 b 9.2±0.24 ab 14.5±0.58 b 35.7±1.92 a 274.9±1.57 b
N0–N4处理水平见表1; 同列数据后不同小写字母代表置信区间P<0.05内差异显著。
N0–N4 treatment level to Table1; different small letters in the same column mean significantly different treatments at P<0.05 level.
表4 不同施氮处理下大豆不同器官15N积累量及贡献率(平均值±标准差, 单位: g·plant–1)
Table 4 The 15N accumulation in different parts of soybean under different N levels (means±SD, unit: g·plant–1)
Treatment Grain Stem Leaf Petiole Pod-skin Root
N1 8.84±0.13 c
(62.39%)
2.17±0.13 b
(15.31%)
1.02±0.07
(7.20%)
0.71±0.01 b
(5.01%)
1.11±0.02 b
(7.83%)
0.32±0.01 bc
(2.26%)
N2 9.25±0.12 b
(61.22%)
2.31±0.12 b
(15.29%)
1.18±0.02 b
(7.81%)
0.83±0.02 ab
(5.49%)
1.15±0.01 ab
(7.61%)
0.39±0.01 b
(2.58%)
N3 9.96±0.27 a
(60.40%)
2.56±0.13 a
(15.52%)
1.32±0.23 a
(8.00%)
0.95±0.03 a
(5.76%)
1.28±0.03 a
(7.76%)
0.42±0.03 a
(2.55%)
N4 9.53±0.12 ab
(61.76%)
2.34±0.05 b
(15.17%)
1.18±0.05 b
(7.65%)
0.85±0.05 ab
(5.51%)
1.18±0.05 ab
(7.65%)
0.35±0.02 b
(2.27%)
N1–N4处理水平见表1; 同列数据后不同小写字母代表置信区间P<0.05内差异显著。
N1–N4 treatment level to Table1; different small letters in the same column mean significantly different treatments at P<0.05 level.
kg·hm–2 (N3)施氮处理下达到最高, 经方差分析表明
显著高于其它处理。其中籽粒标记N积累量为9.96
mg·plant–1, 贡献率为60.04%。相同施氮处理下, 各组
织器官标记N积累量由大到小依次为籽粒>茎>荚皮>
叶>叶柄>根, 其中籽粒标记N积累量为主要部分(表4)。
2.4 大豆15N的回收率
由于是叶面施氮, 氮素没有进入土壤, 因此植株氮素
利用率与氮肥回收率一致。在不同施氮水平下, 随着
施氮量的增加植株氮素利用率逐渐降低, 其中N1与
N3、N3与N4处理间差异显著。说明低施氮量下大豆
植株的氮素利用率高; 高施氮量下大豆植株的氮素利
用率逐渐降低; 过高的施氮量会严重影响大豆植株对
氮素的吸收(表5)。
2.5 讨论
大豆是喜氮作物, 科学合理施用叶面氮肥不仅能够促
进大豆植株的生长, 而且还能有效提高产量(董守坤
等, 2010; 金喜军等, 2010)。在大豆生长发育后期,
根瘤固氮功能逐渐减退, 大豆植株对氮素的需求量逐
李灿东等: 大豆叶面施氮量及氮素利用率的 15N标记 493
表5 不同施氮处理下大豆植株15N的回收率(%)
Table 5 The 15N recycle rate of soybean plant under dif-
ferent N levels (%)
Treat-
ment
Utilization
coefficient
of plant
15N recovery
rate
Total N loss
rate
N1 80.97 a 80.97 a 19.03 bc
N2 75.55 ab 75.55 ab 24.55 b
N3 73.29 b 73.29 ab 26.71 b
N4 61.72 c 61.72 c 38.28 a
氮肥回收率=植株氮素利用率; N1–N4处理水平见表1; 同列数
据后不同小写字母代表置信区间P<0.05内差异显著。
15N recovery rate = 15N use efficient (NUE) by plant; N1–N4
treatment level to Table1; different small letters in the same
column mean significantly different treatments at P<0.05 level.
渐增加, 补充外源氮素能够满足大豆生育后期的器官
形成(杨延兵等, 2008; 董守坤等, 2011)。大豆不同器
官对氮素吸收利用的效率不同, 在生育期前期进行叶
面施氮有利于大豆植株营养体的生长发育, 氮素主要
积累在茎、叶及叶柄等营养器官。虽然营养生长的发
育为生殖生长奠定了基础, 在一定程度上也有利于籽
粒的形成, 但是其效果不明显, 加之通过叶面吸收的
氮素较少, 对籽粒形成的作用更是微乎其微。而在大
豆生育后期茎秆干物质的积累量逐渐增加, 叶片干
物质的积累开始下降, 茎秆中的干物质逐渐向籽粒
运转积累, 此时通过茎叶吸收的氮素更容易贮存到
籽粒中 , 有利于产量形成(晏娟等 , 2008; 邸伟等 ,
2010)。因此, 本研究在大豆生育的关键需氮时期R5
期进行叶面施氮处理 , 能够有效被籽粒吸收利用 ,
促进产量形成。从大豆植株各器官15N元素的积累量
可以看出, 在R5期进行叶面施氮, 氮素主要积累在
籽粒中, 并且籽粒干物质重与不施肥处理组的差异
达到显著水平。在不同的施氮量处理下, 氮素在各器
官的分配比例有所不同。施氮量较少处理下, 氮素主
要分配在籽粒中; 随着施氮量的增加, 氮素向其它
器官的分配比例逐渐增加, 同时在籽粒中的积累量
也在增加。这一方面是由于器官建成是籽粒形成的基
础; 另一方面充足的氮素有利于籽粒充分吸收利用。
这种增加趋势不是持续的 , 在达到最适施氮量时 ,
即籽粒干物质重最高的施氮量, 继续增加施氮量反
而会阻碍大豆植株器官对氮素的吸收, 最终影响籽
粒产量。因此, 在大豆生产上施用叶面肥, 应确定最
适施氮量才能达到增产效果。
前人关于大豆氮肥的研究主要针对土壤氮肥施
用方法、施用效果、氮素利用率及回收率等方面, 而
关于大豆叶面氮素吸收、分配及利用等方面的研究较
少, 且仅限于常规的叶面氮肥施用方法及施用效果,
缺少具有较强理论依据的深入细致研究。本研究使用
15N标记示踪法, 在不同叶面施氮量的条件下, 阐明
不同施氮浓度及施氮条件对大豆植株组织器官高效
利用了氮素及产量形成的影响, 由于研究中利用标记
N进行叶面肥料氮素跟踪, 因此理论依据较强。
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Research into Nitrogen Application and Utilization Rate in
Soybean Leaves With 15N Tracing Technique
Candong Li, Tai Guo*, Zhixin Wang, Wei Zheng, Zhenyu Zhang, Meiling Guo, Zhongtang Liu
Jiamusi Branch Academy of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Jiamusi 154007, China
Abstract To study nitrogen application and utilization rates in soybean leaves, we used the major soybean cultivar in the
Sanjiang Plain of Heilongjiang province HeNong64 to analyze nitrogen accumulation and recovery rate in soybean leaves
of the R5 stage with the 15N tracing technique. Dry weight and nitrogen accumulation of soybean organs were significantly
higher with 4.5 kg·hm–2 than other treatments. The dry weight of seeds was 22.7 g and the total plant dry weight was 73.2
g, which were significantly higher than without nitrogen application, by 17.92% and 16.38%, respectively. The nitrogen
accumulation in seeds was 134.4 mg per plant and higher than without nitrogen application by 13.13%, so 4.5 kg·hm–2
was the most suitable leaf nitrogen application amount for HeNong64 in the R5 stage. Under the tested nitrogen levels,
15N accumulation in different organs first increased then decreased with increasing nitrogen levels, and the 15N accumu-
lation in seeds was the highest (9.96 mg per plant) with 4.5 kg·hm–2 treatment. Therefore, 4.5 kg·hm–2 was the most
suitable leaf nitrogen application amount for HeNong64 and leaf nitrogen was the main source of nitrogen for seeds.
Under the same nitrogen application level, 15N accumulation in different organs was in the order of seed>stem>leaf>pod>
petiole>root and the nitrogen accumulation was significantly higher in seeds than in other organs in the R5 stage. The 15N
contribution rate and plant nitrogen recovery rate in seeds with 3.5 kg·hm–2 was highest, so nitrogen was easier to be
absorbed with lower leaf nitrogen application, but its net accumulation was lower than 4.5 kg·hm–2 and the plant nitrogen
recovery rate was higher than 4.5 kg·hm–2.
Key words soybean, leaf, nitrogen, suitable application, utilization rate
Li CD, Guo T, Wang ZX, Zheng W, Zhang ZY, Guo ML, Liu ZT (2015). Research into nitrogen application and utilization
rate in soybean leaves with 15N tracing technique. Chin Bull Bot 50, 490–494.
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* Author for correspondence. E-mail: guotaidadou@yahoo.com.cn
(责任编辑: 白羽红)