全 文 ：© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
　核 农 学 报　2010, 24 (1) : 0125～0129
Journal of N uclear Agricu ltura l Sciences
文章编号 : 100028551 (2010) 0120125205
种植大豆对土壤氮素盈亏影响的估算
龚振平 1 　马春梅 2 　金喜军 2 　姚玉波 2
(11国家大豆工程技术研究中心 ,黑龙江 哈尔滨　150030; 21东北农业大学农学院 ,黑龙江 哈尔滨　150030)
摘 　要 :应用 15 N示踪方法 ,研究了种植大豆对土壤氮素盈亏的影响 ,并对土壤氮素盈亏进行了估算。结
果表明 :大豆成熟期 7014% ～8816%的氮素转移到籽粒中 ,大豆氮素收获率很高 ,导致土壤氮素亏损 ;
秸秆还田时土壤氮素亏损量平均为 3912kg/hm2 ,秸秆不还田时土壤氮素亏损量平均为 4912kg/hm2 ;大
豆根瘤固氮率与土壤氮素盈亏量呈直线相关 ,根瘤固氮率越高 ,土壤氮素亏损量越少 ;秸秆还田条件下 ,
根瘤固氮率 7115%是土壤氮素盈亏平衡点 ,秸秆不还田时根瘤固氮率要达到 8019 %才能保障土壤氮
素盈亏平衡。
关键词 :大豆 ; 15N示踪方法 ;氮素 ;盈亏估算
EST IM AT ING EFFECT O F PLANT ING SOYBEAN O N PRO F IT AND LO SS O F SO IL N ITRO GEN
GONG Zhen2p ing1 　MA Chun2mei2 　J IN Xi2jun2 　YAO Yu2bo2
(11The N ational R esearch Center of Soybean Engineering and Technology, Harbin, Heilongjiang 　150030 ;
21College of Agriculture, N ortheast Agricu ltura l U niversity, Harbin, Heilongjiang　150030)
Abstract:15N isotope tracing technique was used to estimate the effect of p lanting soybean on the p rofit and loss of soil
nitrogen. Results showed that the nitrogen harvest rate of soybean was quite high and 7014% ～8816% of total nitrogen
was transported to seeds, which led to the loss of soil nitrogen; and the average loss of soil nitrogen were 3912kg/hm2 for
straw returning and 4912kg/hm2 for no straw returning treatments, respectively. A significant linear correlation was
found between nitrogen fixation rate and the p rofit / loss of soil nitrogen. The loss of soil nitrogen was less with higher
nitrogen fixation rate, which would reach the breakeven point of the p rofit and loss of soil nitrogen when nitrogen fixation
rate was 7115% for straw returning treatment, and 8019% for no straw returning treatment.
Key words: soybean; 15 N isotope tracing technique; nitrogen; estimation of p rofit and loss
收稿日期 : 2009204215　接受日期 : 2009207203
基金项目 :黑龙江省教育厅骨干教师项目和国家科技支撑计划 (2007BAD89B05; 2006BAD15B04)
作者简介 :龚振平 (1966 - ) ,男 ,黑龙江哈尔滨人 ,教授 ,博士生导师 ,研究方向为大豆生理及保护性耕作。E - mail: gzpyx2004@163. com
　　种植大豆能否增加土壤氮素 ,国内外学者由于研
究条件和方法的不同 ,并未形成一致的结论。Russell
E W [ 1 ]认为 ,豆科作物虽然能固氮 ,但未必能使土壤氮
素变得丰富起来 ,对于豌豆、蚕豆、大豆和花生来说 ,一
般的趋势是降低土壤的含氮量。王留芳等 [ 2 ]在陕西
省的盆栽夏大豆试验中也发现 ,大豆收获后土壤含氮
量有亏损。他们认为不管种植何作物 ,也不论施 N、P
水平如何 ,根茬返还氮素率均不足 100% ,种植一年生
豆类 ,后茬地氮亏损是肯定的。Zapata F[ 3 ]利用 15 N研
究田间大豆固氮历程 ,在 Chippwa品种的种子收获后
土壤氮损失 54kg/hm2。迟凤琴 [ 4 ]利用大豆播种与收
获时土壤氮素含量差值的方法 ,研究发现黑土不施肥
条件下 ,种植大豆地块相比休闲地块土壤氮素含量高 ,
大豆收获时土壤氮素增加 111%。本试验利用 15 N示
踪方法 ,研究大豆对土壤、肥料氮的吸收状况和根瘤固
氮能力 ,进而估算种植大豆对土壤氮素盈亏的影响。
1　材料与方法
111　材料
试验选用 7个春大豆品种 :小金黄为 20世纪 40
521
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核　农　学　报 24卷
～50年代黑龙江省主栽品种 ,丰收 10为 20世纪 60
年代黑龙江省主栽品种 ,龙选 1号为丰产型品种 ,东农
42为高蛋白型品种 ,东农 47为高油型品种 ,绥农 14
为黑龙江省对照品种 ,秣食豆为饲料型大豆 ;对照为不
结瘤大豆品种 (引自中国农业科学院资源与区划研究
所 ,代号 :WDD01795, L8 - 4858)。
供试土壤为黑土 ,其基础肥力见表 1。15 N - 硫酸
铵 (丰度 1012% )购于上海化工院。
表 1　土壤基础肥力
Table 1　Soil basic fertility
年份
year
碱解氮
available N
(mg/kg)
速效磷
available P
(mg/kg)
速效钾
available K
(mg/kg)
有机质
O. M
( g/ kg)
2006 15517 8214 55510 3210
2007 16313 5912 49310 3111
112　方法
试验于 2006 - 2007年在东北农业大学香坊植物
实验实习基地进行 ,采用框栽 ,应用 15 N示踪方法进行
研究。框栽材料为硬化塑料制成的无底圆框 ,直径
0138m ,深度 0133m,装土量 35kg,框埋土深度 0130m,
框间距 1m;扎浅穴播种 ,每框播 3穴 ,每穴 3粒种子 ,
播后覆土 3～4cm,齐苗后定苗 ,每框保苗 3株。
播种时间为每年 5月 10日。施肥量与当地大豆
生产施肥水平基本相同 ,肥料全部以种肥施入 ,氮肥全
部施用 15 N2硫酸铵 ,每框施 15 N - 硫酸铵 (N: 2112% )、
重过磷酸钙 ( P2O5 : 4610% )、硫酸钾 ( K2 O: 3010% )均
为 1180g(150kg/hm2 )。
113　取样与分析
11311　取样 　在大豆叶片出现枯黄时 ,用 115m高的
透明纱网将框栽围起来 ,收集残叶 ;在大豆成熟期 ,地
上部分自子叶痕处取下 ,根系挖出后用水冲净 ,杀青后
65℃烘干 ,称量地上部和根系的干重 ,用于测定大豆植
株中的 15 N丰度 ,计算大豆对土壤氮、肥料氮和根瘤固
氮的吸收数量。
11312　测定 　植株氮素含量采用 B - 324全自动凯氏
定氮仪测定。有机物中的氮在强热和 CuSO4、浓
H2 SO4 作用下 ,消化生成 (NH4 ) 2 SO4 ,在凯氏定氮器中
与碱作用 ,通过蒸馏释放出的 NH3 收集于 H3 BO3 溶液
中 ,再用已知浓度的 HCl标准溶液滴定 ,根据 HCl消
耗的量计算出氮的含量。15 N丰度采用 MAT - 251型质
谱仪测定。样品首先经凯氏法消化 ,测定液在微酸性
条件下浓缩至 1mgN /m l,再在高真空条件下与次澳酸
担反应产生 N2 ,用质谱仪进行测定。
11313　计算 [ 5～7 ] 　氮素积累量 =干物质量 ×氮素含
量 ( % ) ;肥料氮比例 ( % ) = (样品 15 N 丰度 - 自然丰
度 ) /肥料 15N丰度 ;土壤氮 /肥料氮 (比例系数 ) = (100
-不结瘤大豆肥料氮比例 ) /不结瘤大豆肥料氮比例 ;
土壤氮比例 ( % ) =肥料氮比例 ×比例系数 ;根瘤氮比
例 ( % ) = 100 - (土壤氮比例 +肥料氮比例 ) ;每框土
壤氮素盈亏量 =还田物中根瘤固氮量 +施入的肥料氮
量 - (收获物中土壤氮量 +收获物中肥料氮量 ) ;每公
顷土壤氮素盈亏量 =近三年黑龙江省平均公顷产量 /
每框产量 ×每框土壤氮素盈亏量。
2　结果与分析
211　大豆成熟期氮素的分配
从表 2可以看出 ,大豆植株积累的氮素 ,在成熟期
主要分配到籽粒中 ,占植株积累氮素的 7014% ～
8816% ,平均 8115% ±211% ,变异系数 (216% )明显
表 2　大豆成熟期植株中的氮素分配
Table 2　N itrogen distribution in soybean p lant at mature stage
品种
cultivar
叶部 leaf 茎 stem 根 root 荚皮 pod2wall 籽粒 seed
g/pot % g/pot % g/pot % g/pot % g/pot %
小金黄 Xiaojinhuang 0142 510 0118 211 0109 111 0127 312 7144 8816
丰收 10 Fengshou 10 0175 814 0115 117 0109 110 0136 410 7159 8419
绥农 14 Suinong 14 0166 617 0133 313 0121 211 0157 518 8113 8211
龙选 1号 Longxuan 1 0154 716 0121 219 0124 313 0133 416 5188 8117
东农 42 Dongnong 42 0156 1015 0104 017 0117 312 0129 514 4128 8011
东农 47 Dongnong 47 0159 818 0110 115 0109 113 0137 515 5152 8218
秣食豆 Moshidou 1117 1412 0130 316 0115 118 0181 919 5179 7014
平均 mean 0167 ±0109 817 ±111 0119 ±0104 213 ±014 0115 ±0102 210 ±014 0143 ±0105 515 ±018 6138 ±0152 8115 ±211
变异系数 CV ( % ) 1314 1216 2111 1714 1313 2010 1116 1415 812 216
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　1期 种植大豆对土壤氮素盈亏影响的估算
小于其他部位 (表 2)。由此可见 ,大豆植株积累的氮
素 ,即使在秸秆还田条件下 ,也将有 80%左右的氮素
脱离农田 ;如果秸秆不还田 ,荚皮和茎秆中的氮素也将
被收获走 ,氮素收获率接近 90%。
212　大豆植株的氮素来源与构成
本试验的 7个春大豆品种 ,积累的总氮中根瘤固
氮为 1718% ～6712% ,平均 4511% ±1819% ,变异系
数 4119% ;土壤氮为 3118% ～8012% ,平均 5314% ±
710% ,变异系数 1311% ;肥料氮为 111% ～211% ,平 均 116% ±012% ,变异系数 1215% ;籽粒中根瘤固氮为 1912% ～7311% ,平均 4817% ±511% ,变异系数1015% ;土壤氮为 2613% ～7910% ,平均 5011% ±510% ,变异系数 1010% ;肥料氮为 016% ～118% ,平均 112% ±011% ,变异系数 813% (表 3)。充分说明土壤氮、根瘤固氮是大豆的主要氮源 ,而肥料氮是一种补充氮源 ;也说明收获大豆籽粒带走的氮素有 4817%来自根瘤固氮 ,有 5113%来自土壤和肥料氮。
表 3　大豆植株氮素来源与构成
Table 3　Source and composition of nitrogen in soybean p lant ( % )
氮素来源
N source
品种
cultivar
叶部
leaf
茎
stem
根
root
荚皮
pod - wall
籽粒
seed
全株
whole p lant
肥料氮 小金黄 Xiaojinhuang 410 317 512 113 113 118
fertilizer2N 丰收 10 Fengshou 10 419 415 519 118 118 210
绥农 14 Suinong 14 311 214 410 111 111 112
龙选 1号 Longxuan 1 416 515 510 114 115 211
东农 42 Dongnong 42 314 416 219 018 019 113
东农 47 Dongnong 47 317 313 310 114 113 116
秣食豆 Moshidou 212 117 316 018 016 111
平均 mean 317 ±013 317 ±015 412 ±014 112 ±011 112 ±011 116 ±012
变异系数 CV ( % ) 811 1315 915 813 813 1215
土壤氮 小金黄 Xiaojinhuang 9313 9613 9411 4710 6016 6219
soil2N 丰收 10 Fengshou 10 9511 9515 9411 6713 7910 8012
绥农 14 Suinong 14 7114 6913 9118 4012 4819 5115
龙选 1号 Longxuan 1 9415 9415 9510 5211 6713 7014
东农 42 Dongnong 42 5911 9514 5513 3112 2815 3311
东农 47 Dongnong 47 6718 9617 9317 3712 3918 4318
秣食豆 Moshidou 4916 4813 8313 3011 2613 3118
平均 mean 7518 ±710 8511 ±712 8618 ±515 4316 ±715 5011 ±510 5314 ±710
变异系数 CV ( % ) 912 815 613 1712 1010 1311
根瘤固氮 小金黄 Xiaojinhuang 218 — 018 5117 3810 3514
nodule2N 丰收 10 Fengshou 10 — 010 — 3019 1912 1718
绥农 14 Suinong 14 2516 2813 412 5817 5010 4713
龙选 1号 Longxuan 1 019 — — 4615 3112 2715
东农 42 Dongnong 42 3011 — 4117 6810 7016 6516
东农 47 Dongnong 47 2719 — 313 6114 5817 5416
秣食豆 Moshidou 4813 5010 1311 6911 7311 6712
平均 mean 1914 ±710 1112 ±716 910 ±517 5512 ±717 4817 ±511 4511 ±1819
变异系数 CV ( % ) 3611 6719 6310 1319 1015 4119
注 :“—”没有测出。下表同。
Note: “—”not detectable. The same as following tables.
213　种植大豆的土壤氮素盈亏估算
21311　对土壤氮素盈亏的影响 　种植大豆对土壤氮
素盈亏的影响 ,在不考虑其他因素时 ,决定于大豆植株
还田部分所含的根瘤固氮量与收获物中土壤肥料氮的
差值和施氮量 ,即土壤氮素盈亏量。
大豆秸秆还田时 ,除收获的籽粒外 ,叶片、叶柄、
茎、根、荚皮等全部还田。从表 4可以看出 ,秸秆还田
时 ,还田物中根瘤固氮量 11112～129415mg/框 ,平均
45712 ±15613mg/框 ,变异系数 3412%。不同大豆品
种间还田物中根瘤固氮量差异很大 ,秣食豆最高 ,达到
129415mg/框 ,是丰收 10 (11112mg/框 )的 1116倍。而
在收获的籽粒中 ,土壤肥料氮 125813～612917mg/框 ,
平均 341913 ±67311mg/框 ,变异系数 1917 % ;品种间
差异也很大 ,其中丰收 10最高 ,为 612917mg/框 ,是东
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农 42的 419倍 (表 4)。而当大豆秸秆不还田时 ,茎秆
和荚皮也随籽粒被收获走 ,较秸秆还田多收获土壤肥
料氮 33418mg/框 (表 5)。
秸秆还田条件下 ,除秣食豆氮素略有盈余外 ,其他
品种氮素均是亏损 ,净损失量 914～8014kg/hm2 ,平均
3912 ±1114kg/hm2 (表 4) ;秸秆不还田时 ,氮素净损失
量 1614 ～8717kg /hm2 ,平均 4912 ±1011kg/hm2 (表
5) ,氮素损失是秸秆还田时的 113倍。
表 4　大豆秸秆还田时土壤氮素盈亏
Table 4　Profit and loss of soil nitrogen with straw returning
品种
cultivar
还给土壤的根瘤固氮量
nodule2N returning to soil (mg/pot)
叶部
leaves
茎
stem s
根
roots
荚皮
pod - walls
合计
total
肥料氮
fertilizer2N
(mg/pot)
收获的土壤
肥料氮
harvested soil2N
and fertilizer2N
(mg/pot)
土壌氮素盈亏
p rofit and loss
of soil nitrogen
( kg/hm2 )
小金黄 Xiaojinhuang 1116 — 017 13917 15210 38118 460918 - 6018
丰收 10 Fengshou 10 — — — 11112 11112 38118 612917 - 8014
绥农 14 Suinong 14 16819 9313 819 33415 60516 38118 406412 - 4115
龙选 1号 Longxuan 1 — — — 15315 15811 38118 404514 - 6019
东农 42 Dongnong 42 16615 — 7019 19712 43416 38118 125813 - 914
东农 47 Dongnong 47 21411 — 310 22712 44413 38118 226817 - 2313
秣食豆 Moshidou 56512 15010 1916 55917 129415 38118 155817 211
平均 mean 16110 ±6515 3418 ±2011 1417 ±814 24611 ±5112 45712 ±15613 38118 341913 ±67311 - 3912 ±1114
变异系数 CV ( % ) 4017 5716 5711 2018 3412 1917 2911
表 5　大豆秸秆不还田时土壤氮素盈亏
Table 5　Profit and loss of soil nitrogen without straw returning
品种
cultivar
还给土壤的根瘤固氮量
nodule2N returning to soil
(mg/pot)
叶部
leaf
根
root
合计
total
肥料氮
fertilizer2N
(mg/pot)
收获的土壤氮与肥料氮
harvested soil2N and
fertilizer2N (mg/pot)
茎
stem
荚皮
pod - wall
籽粒
seed
合计
total
土壌氮素盈亏
p rofit and
loss of soil
nitrogen
( kg/hm2 )
小金黄 Xiaojinhuang 1116 017 1213 38118 18010 13014 460918 492012 - 6715
丰收 10 Fengshou 10 — — — 38118 15010 24818 612917 652815 - 8717
绥农 14 Suinong 14 16819 819 17718 38118 23616 23514 406412 453612 - 5316
龙选 1号 Longxuan 1 — — 416 38118 21010 17616 404514 443210 - 7013
东农 42 Dongnong 42 16615 7019 23714 38118 4010 9218 125813 139111 - 1614
东农 47 Dongnong 47 21411 310 21711 38118 10010 14218 226817 251115 - 3019
秣食豆 Moshidou 56512 1916 58418 38118 15010 25013 155817 195910 - 1718
平均 mean 16019 ±7517 1417 ±917 17613 ±7816 38118 15214 ±2511 18214 ±2410 341913 ±67311 375411 ±69813 - 4912 ±1011
变异系数 CV ( % ) 4710 6610 4416 1615 1312 1917 1816 2015
21312　大豆根瘤固氮率与土壤氮素盈亏关系 　种植
大豆后能否增加土壤氮素 ,结论并不统一 [ 1～4 ]。从本
试验的结果看 ,在秸秆不还田条件下 , 7个供试品种都
使土壤氮素亏损 ;在秸秆还田条件下 , 7个供试品种只
有秣食豆可以使土壤氮素增加 ( 211kg/hm2 ) ,主要是
秣食豆是饲料大豆 ,氮素转移到籽粒的比例较低
(7014% ) ,同时根瘤固氮率 ( 6712% )又较高的结果。
将大豆根瘤固氮率与土壤氮素盈亏量进行相关分析 ,
两者呈明显的直线相关 (图 1)。其中 ,秸秆还田时 :
y = 114828x - 105198 (R2 = 018627)
秸秆不还田时 :
y = 113702x - 110191 (R2 = 018640)
　　式中 , y为土壤氮素盈亏量 ( kg/hm2 ) , x为大豆根
瘤固氮率 ( % )。
通过回归方程计算得知 :秸秆还田时 ,根瘤固氮率
达到 7115%才能保障土壤氮素不亏损 ;秸秆不还田
时 ,根瘤固氮率达到 8019%才能保障土壤氮素不亏
损。
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2010, 24 (1) : 0125～0129
图 1　大豆根瘤固氮率与土壤氮素盈亏的相关性
Fig. 1　L inear correlation between the rate of nodule N fixation and p rofit and loss of soil N
3　小结
大豆对土壤氮素盈亏的影响 ,主要取决于大豆收
获和还田物质的多少 ,以及根瘤固氮率的高低。大豆
成熟期 7014% ～8816%的氮素转移到籽粒中 ,大豆氮
素收获率很高 ,导致土壤氮素亏损 ;秸秆还田时平均亏
损量为 3912kg/hm2 , 秸秆不还田时平均亏损量为
4912kg/hm2 ,与 Zapata F[ 3 ] 研究的土壤氮素净损失
54kg /hm2 的结果基本一致。
大豆根瘤固氮率与土壤氮素盈亏量呈直线相关 ,
根瘤固氮率越高 ,土壤氮素亏损量越少。秸秆还田条
件下 ,根瘤固氮率 7115%以上 ,可以保障土壤氮素不
亏损 ,秸秆不还田时根瘤固氮率在 8019%以上才能保
障土壤氮素不亏损。本试验供试的 7个大豆品种 ,根
瘤固氮率为 1718% ～6712%。其中生产上应用的绥
农 14、东农 42、东农 47等品种的根瘤固氮率分别为
4713%、6516%、5416% ,目前生产条件下 ,这些品种大
豆的种植都使土壤氮素有一定的亏损。徐豹等 [ 6 ]研
究认为大豆根瘤固氮率为 60～80kg/hm2 ,占大豆需氮
量的 1 /4～1 /3;张宏等 [ 8 ]研究表明 ,高肥黑土上大豆
根瘤的固氮率为 4810% ～6710% ,低肥黑土上固氮率
7110 % ～8510 % ;郭海龙等 [ 9 ]利用框栽研究 ,在黑土
上大豆根瘤固氮率为 7016% ;袁增玉等 [ 10 ]在盆栽条件
下的试验表明 ,绥农 4 号根瘤固氮率为 3916% ～
9419% ;李奇真等 [ 11 ]以大豆品种 Clark结瘤和不结瘤
等位基因系为试验材料进行盆栽试验 ,发现不同施肥
处理的根瘤固氮率为 6019% ～8411% ;董钻 [ 12 ]认为 ,
施氮会抑制大豆根瘤固氮 ;迟凤琴 [ 4 ]在不施肥条件下
的研究认为 ,大豆收获后土壤氮素增加 ,可能是根瘤固
氮率较高的结果。由此可见 ,选用高固氮率大豆品种 ,
协同氮肥施用与根瘤固氮的关系 ,提高大豆根瘤固氮
率 ,保障种植大豆后土壤氮素基本平衡或少损失是有
可能的 ,其关键是提高大豆根瘤固氮率。
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(责任编辑 　邱爱枝 )
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