一种在缺钾胁迫条件下大豆高产栽培的方法 【技术领域】
本发明涉及一种在缺钾胁迫条件下栽培大豆的方法。
背景技术
大豆原产于我国，已有5000多年的历史，是世界上最重要的油料和高蛋白作物，也是我国四大粮食作物之一，对保证国家粮食安全、改善人民生活和增加农民收入十分重要。几千年来，中国在世界上一直主宰大豆的生产、加工和出口，但自1996年以来，我国由大豆的净出口国变为净进口国，从首次进口量只有110万吨，到2007年进口量已猛增到3082万吨，11年间大豆进口量增加了27.02倍，进口量占国产大豆产量的比率由1996年的8.31％飙升为2007年的205.46％，成为世界上大豆的第一进口大国和贸易国。同时，国内大豆加工企业中的外商和外资企业的大豆压榨能力约占我国大豆总压榨能力的80％左右，民族大豆产业已岌岌可危。
我国大豆产业陷入困境的原因，除生产规模小、机械化水平低、生产条件差、栽培技术落后和品种更新慢等原因外，最根本的症结在于单产水平低、品质较差、效益较低。2003年，世界大豆平均单产为2.15吨/公顷，我国为1.66吨/公顷，而主产国巴西、阿根廷和美国分别为2.45吨/公顷、2.43吨/公顷和2.28吨/公顷，分别是我国大豆单产的1.48倍、1.46倍和1.37倍；2004年，世界大豆平均单产2.31吨/公顷，我国为1.84吨/公顷，而巴西、阿根廷和美国分别为2.23吨/公顷、2.71吨/公顷和2.86吨/公顷，分别是我国大豆单产的1.21倍、1.47倍和1.55倍。同时，其品质也优于我国大豆，油份平均含量比我国高0.5-1.5％，蛋白质平均含量比我国高1.2-2.0％(韩天富.大豆优质高产栽培技术指南[M].北京：中国农业科技出版社，2005，1-45.陈应志等.世界大豆生产和科研的进展(续一)[J].大豆通报2005，1：26-30.)。
大豆的产量是通过两个生理过程形成的，一是地下根系的吸收作用，另一个是地上的光合作用。地上的根、茎、叶、花、果实等器官所需要的水分、养分是通过根系的吸收作用实现的，而地上植株光合作用的产物要通过维管束系统流向根系，促进根系的生长发育，根瘤的固氮物又通过维管束系统传送给地上部分。因此，地上和地下部分相互促进、相互作用和相互影响，二者相辅相成。倒伏是由外界因素引发的植株茎秆从自然直立状态到永久错位的现象，其主要类型有茎倒和根倒。倒伏抑制了大豆地下根系的吸收作用和地上部分的光合作用，因此，是大豆产量和品质形成的主要限制因子之一，也是目前大豆生产上最棘手的问题之一。
研究表明，倒伏对大豆植株生长发育以及大豆的产量和品质的影响与倒伏时期有关，倒伏发生越早所受影响越大，而且，不同时期、不同级别的倒伏对产量和品质的影响不同：初花期4级倒伏大豆产量损失最大，使大豆减产65％，脂肪和蛋白质含量分别降低2.6％和3.1％；其次为结荚期4级倒伏，大豆减产49％，脂肪和蛋白质含量分别降低2.2％和2.7％；再次是鼓粒期4级倒伏，大豆减产率达41％，脂肪和蛋白质含量分别降低1.9％和2.3％；结荚期3级倒伏，大豆减产率达40％，脂肪和蛋白质含量分别降低1.3％和1.7％。因此，倒伏对大豆产量和品质的影响非常显著。
硅元素被国际土壤界认为是继氮、磷、钾之后第四种植物营养元素，硅是地壳中最丰富的元素之一，其含量仅次于氧，是高等植物无机组成成分，是作物生长发育的“农艺必需元素”。众多研究表明，硅在植物细胞壁的沉积，增加了植物茎壁的厚度，不仅可以增加植物组织的机械强度和抗倒伏能力，而且可以改善植物在胁迫和非胁迫环境下的生长状况，促进氮、磷及微量元素等其它营养元素和水分的吸收，促进根系生长，增加根系活力，同时，提高植物抗氧化能力和保护酶活性以及脯氨酸等渗透保护性物质的含量，进而提高植物的抗病、抗虫、抗盐、抗旱以及抗金属毒害等胁迫能力(邢雪荣等.植物的硅素营养研究综述[J].植物学通报，1998，15(2)：33-40.宫海军等.植物硅营养的研究进展[J].西北植物学报，2004，(12)：2385-2392.田福平等.硅对植物抗逆性作用的研究[J].中国土壤与肥料，2007，(3)：10-14.)。
大豆倒伏防治除选用抗倒品种外，其主要栽培措施有调整播期、合理密植、肥水运筹和生长调节剂应用等，尽管大豆是含硅量较少的植物，其含量一般小于0.5％，也有生产上施用硅肥使其增产显著的报道(李清芳等.硅对大豆生长发育和生理功能的影响[J].应用生态学报，2004，15(1)：73-76.林蔚刚等.硅钙肥对大豆生长发育和产量的作用[J].作物杂志，2007，(2)：37-39)。但这些技术在单项甚至多项综合运用的条件下，其防治效果也不太显著，特别在缺钾胁迫的条件下，尚未见通过施用硅肥促进根系生长、调控大豆生长发育、防治倒伏、提高大豆产量和品质的报道。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种在缺钾胁迫条件下栽培大豆的方法。
本发明所提供的在缺钾胁迫条件下栽培大豆的方法，是将硅肥在大豆播种前作为底肥和/或在大豆生长期内作为追肥施用，使大豆在缺钾胁迫条件下正常生长。
上述方法中，所述硅肥为硅钙肥和/或可溶性硅酸盐。
所述硅钙肥为含硅酸钙为主的矿物肥料，其来源如下：一是利用炼钢铁的副产品熔渣作为原料的熔渣硅肥；二是以泡花碱(水玻璃)为主的水溶性硅肥；三是由氮磷钾复合肥添加硅肥经造粒而成地硅复合肥。
所述硅肥的施用时期既可以是大豆播种前作为底肥，也可以在大豆出苗至鼓粒期各个时期作为追肥，一般在大豆开花初期至鼓粒初期施用较为适宜。
上述方法中，所述硅肥为硅钙肥和可溶性硅酸盐，所述硅钙肥的施用时期为大豆播种前和/或大豆出苗至鼓粒期，具体可为大豆开花初期至鼓粒初期开沟追施；
所述可溶性硅酸盐的施用时期为大豆出苗至鼓粒期，具体可为大豆开花初期至鼓粒初期叶面喷施。
实际应用时，所述硅钙肥的施用量为10.0-30.0kg/亩，具体可为15.0kg/亩；所述可溶性硅酸盐可为Na2SiO3或K2SiO3，所述可溶性硅酸盐的施用量为15.0-50.0mol SiO32-/亩，具体可为24.6mol SiO32-/亩。
所述缺钾胁迫条件是钾离子浓度低于5.0mmol/L或土壤中速效钾含量低于70.0mg/kg。
本发明通过在钾胁迫条件下，在大豆开花初期追施以硅钙肥，在大豆的彭粒期喷施以Na2SiO3，结果表明，施以硅钙肥和Na2SiO3的实验组大豆，其倒伏级数为0.87级，明显优于对照组的3.61级；实验组大豆平均染病毒病为0.65级，优于对照组的0.91级，实验组比对照组大豆百粒重平均提高0.22克，实验组大豆平均单产量达到212.71kg/亩，比对照组大豆单产量提高12.62％。本发明的在钾胁迫条件下栽培大豆的方法，不仅具有重要的应用价值和可操作性，而且具有先进的科学性。
【具体实施方式】
实施例1、盆栽实验
实验选用的大豆品种为铁丰35号和铁丰31号，均来自辽宁省铁岭市农业科学院。将籽粒饱满一致，用蒸馏水浸种3小时的大豆种子铁丰35号和铁丰31号分别播种在直径15.0cm、深20.0cm、装有4/5容积蛭石的塑料盆内，蛭石已被蒸馏水浸透，每盆播种10-20粒。待出苗3天后，每盆均匀留苗3株，每盆苗每隔3天浇100ml营养液，直至初花期。
营养液采用1/2浓度的Hoagland完全营养液，营养液中钾以KNO3的形式供给，正常供钾条件下钾离子浓度为5.0mmol/L，缺钾胁迫条件下钾离子浓度为1.0mmol/L，缺钾胁迫时添加不同量的Na2SiO3进行补充恢复。
实验共设5个处理，分别为：-K组、CK组、Si1组、Si2组和Si3组。-K组供给含有K+终浓度为1.0mmol/L KNO3的1/2浓度的Hoagland完全营养液；CK组供给含有K+终浓度为5.0mmol/L KNO3的1/2浓度的Hoagland完全营养液；Si1组在供给含有K+终浓度为1.0mmol/L KNO3的1/2浓度的Hoagland完全营养液里添加终浓度为0.1mmol/L Na2SiO3溶液；Si2组在供给含有K+终浓度为1.0mmol/L KNO3的1/2浓度的Hoagland完全营养液里添加终浓度为2.0mmol/L Na2SiO3溶液；Si3组在供给含有K+终浓度为1.0mmol/L KNO3的1/2浓度的Hoagland完全营养液里添加终浓度为5.0mmol/L Na2SiO3溶液。每个处理种植3盆，实验设3次重复。
待大豆初花期，进行以下各项指标的测试：
1、根系生理特性指标的测定
测定主根长度、侧根长度、侧根密度、根系活跃吸收面积、根系活力、根干重和根冠比。结果表明，缺钾胁迫(-K组)条件下，大豆根系的生长发育受到抑制，其主根长度、侧根长度、侧根密度、根系活跃吸收面积、根系活力、根干重和根冠比等根系生理指标比对照(CK组)分别降低13.11％、29.18％、50.82％、30.47％、39.28％、18.18％和25.00％；而增施不同浓度的Na2SiO3后，根系的各项生理特性指标都有不同幅度的增加，其中，以增施2.0mmol/L Na2SiO3(Si2组)的效果最好，其主根长度、侧根长度、侧根密度、根系活跃吸收面积、根系活力、根干重和根冠比等根系生理指标比对照(CK组)分别提高9.28％、18.59％、21.31％、25.55％、22.94％、34.09％和10.71％，差异均达到极显著水平。以上结果说明，硅对大豆根系生理特性在缺钾胁迫条件下的恢复有很重要的作用。
同时，-K组的根倒现象伏较重，平均为3.8级；而CK组为1.21级，增施Na2SiO3后，根的抗倒伏能力明显增强，平均仅为0.67级。可见，硅能提高大豆的抗倒伏能力。
2、光合生理特性指标的测定
测定比叶重、叶面积指数、叶绿素含量、叶绿素a、b比值、气孔导度、蒸腾速率、净光合速率和水分利用率。结果表明，缺钾胁迫(-K组)，对大豆光合生理特性的影响非常明显，其比叶重、叶面积指数、叶绿素含量、叶绿素a、b比值、气孔导度、蒸腾速率、净光合速率和水分利用率各项指标分别比对照(CK组)降低6.57％、6.45％、7.29％、5.69％、4.32％、3.96％、7.41％和3.99％；而增施不同浓度的Na2SiO3后，根系的各项生理特性指标都有不同幅度的增长，其中，以增施2.0mmol/LNa2SiO3(Si2组)的效果最好，其比叶重、叶面积指数、叶绿素含量、叶绿素a、b比值、气孔导度、蒸腾速率、净光合速率和水分利用率等光合生理特性指标比对照(CK组)分别提高10.68％、15.32％、17.31％、4.86％、5.69％、7.23％、10.71％和4.11％，除叶绿素a、b比值外，其它各项指标的差异均达到极显著水平。说明硅对大豆光合生理特性在缺钾胁迫条件下的恢复具有重要的作用。
3、叶片碳、氮代谢主要指标的测定
测定可溶性糖含量、可溶性蛋白质含量和硝酸还原酶活性。结果表明，缺钾胁迫(-K组)对大豆碳、氮代谢特性影响显著，叶片中可溶性糖含量、可溶性蛋白质含量和硝酸还原酶活性等指标均低于对照(CK组)，分别降低7.77％、11.10％和9.65％；而增施不同浓度的Na2SiO3后，碳、氮代谢特性指标都有不同幅度的提高，其中，以施2.0mmol/L Na2SiO3(Si2组)的效果最好，其可溶性糖含量、可溶性蛋白质含量和硝酸还原酶活性等特性指标比对照(CK组)分别提高11.63％、12.32％和10.31％，其差异均达到极显著水平。说明硅对大豆叶片碳、氮代谢特性在缺钾胁迫条件下的恢复具有重要的作用。
4、膜质过氧化和活性氧代谢主要指标的测定
测定SOD、POD、CAT、MDA、渗透势、电导率和脯氨酸。结果表明，缺钾胁迫(-K组)对大豆膜质过氧化和活性氧代谢主要指标的影响显著，叶片的SOD、POD、CAT、MDA和脯氨酸等指标均低于对照(CK组)，分别降低8.17％、11.33％、7.26％、5.21％和9.65％；而渗透势和电导率却分别高于对照(CK组)5.21％和8.35％；增施不同浓度的Na2SiO3后，其膜质过氧化和活性氧代谢主要指标都有不同幅度的好转，其中，以施2.0mmol/L Na2SiO3(Si2组)的效果最好，SOD、POD、CAT、MDA和脯氨酸等指标比对照(CK组)分别提高8.43％、10.92％、7.39％、6.22％和9.33％，而渗透势和电导率分别低于对照(CK组)6.54％和8.94％，其差异均达到极显著水平。说明硅对大豆叶片膜质过氧化和活性氧代谢特性在缺钾胁迫条件下的恢复具有重要的作用。
5、干物质积累和钾分配利用率的测定
测定干物质总量，干物质在根、茎和叶分配，钾吸收差异和钾利用率差异。结果表明，缺钾胁迫(-K组)对干物质总量、干物质积累和分配、钾吸收差异和钾利用率差异等特性均有显著影响，均低于对照(CK组)，其中植株干物质总量比对照(CK组)降低12.6％，根中干物质重量降低34.96％、茎中干物质重量降低10.22％、叶中干物质重量降低12.36％；根、叶含钾量分别比对照(CK组)降低9.24％和3.06％，而茎则增加12.26％，钾效率比和钾利用率分别比对照(CK组)提高97.37％和53.96％；增施不同浓度的Na2SiO3后，植株干物质总量比对照(CK组)提高13.66％，根中干物质重量比对照(CK组)提高4.16％、茎中干物质重量比对照(CK组)提高6.22％、叶中干物质重量比对照(CK组)提高9.31％；根、叶含钾量分别比对照(CK组)提高2.24％、3.06％，而茎则降低5.30％；钾效率比和钾利用率分别比对照(CK组)降低5.23％和2.98％。表明硅对大豆干物质积累和钾分配利用率在缺钾胁迫条件下的恢复有重要的作用。
实施例2、大田实验
2008年，在山东省菏泽市农业科学院试验田，该试验田的土壤为严重缺钾类型，其速效钾含量为47.9mg/kg，缓效钾含量为1.67g/kg，以L69-6095和L73-67两个大豆品种(来自山东省菏泽市农业科学院)为试验材料，6月10日播种，在开花初期，将硅钙肥(购自黑龙江省硅源肥业有限公司，其活性硅含量≥20％)以15.0kg/亩的施用量进行追施；在鼓粒期，将分析纯Na2SiO3以3.0kg/亩的施用量进行喷施。同时以不追施硅钙肥并且不喷施Na2SiO3的大豆作为对照，以栽培地的传统栽培管理为基准，实验组和对照组的水分及其它管理措施保持一致。实验设三个重复。
在大豆生长期间，对大豆的抗倒伏性、抗病性以及农艺性状等各项指标进行调查，收获大豆后考种计算产量。结果表明，追施和喷施硅肥的实验组大豆，其倒伏级数为0.87级，明显优于对照组的3.61级；实验组大豆平均染病毒病为0.65级、对照组大豆平均染病毒病为0.91级，实验组比对照组大豆百粒重平均提高0.22克，实验组大豆平均单产量高达212.71kg/亩，比对照组平均单产量提高12.62％。