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大豆（Glycine max）原产于中国，中国是世界上最早种植和驯化大豆的国家，栽培大豆的历史已有5000多年[1]。大豆籽粒富含脂肪、蛋白质、维生素、微量元素等营养物质，是我国重要的粮食和油料作物。黑龙江省作为我国重要的大豆生产基地，2019年种植面积达到427.93万hm2，占全国种植面积的45.9%，是我国商品大豆的主要供应省份。
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氮素与大豆的众多生理代谢过程密切相关，直接影响大豆的生长发育、产量和品质。大豆对氮素的吸收量较高，每生产100kg大豆约吸收6.5～8.5kg氮，而且大豆氮素来源比较复杂，包括根系直接吸收土壤中的氮素、施入土壤中的肥料氮[2-4]和根瘤固定的氮素[5-6]，共同构成了大豆生长过程所需的氮素，三者之间相互联系又相互制约[7-10]，影响和调节大豆氮代谢的生理过程。
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15N示踪技术是研究大豆氮代谢的有效手段，也是研究氮素积累特性直接、高效的方法。利用 15N示踪技术，已经取得了一系列大豆氮素代谢方面的研究进展，主要体现在不同肥力水平、施用时期对大豆不同生育时期、不同器官3种来源氮素的积累、分配和构成规律的影响[7，9，11-18]。上述各方面的研究工作通常是选用一个大豆品种或几个生育期相近的大豆品种开展的，而针对不同生育期或不同类型大豆品种间氮素积累特性的研究报道较少。本研究采用框栽方法，利用 15N示踪技术，选用10个品种，根据生育期划分为3类，研究不同生育期大豆品种氮素积累特性，为深入开展大豆氮代谢研究和氮肥调控提供理论和材料基础。
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1 材料与方法
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1.1 供试品种
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选择10个大豆品种，根据在哈尔滨种植表现出的生育期差异，划分为3个熟期，分别为3个早熟品种（在哈尔滨地区生育期85d左右）：黑河28、黑河41和东大1号；3个中熟品种（在哈尔滨地区生育期115d左右）：绥农14、黑农43和合丰55；4个晚熟品种（ 在哈尔滨地区生育期130d左右）：黑农40、黑农42、吉育47和秣食豆（饲料大豆品种）；为了计算根瘤固氮量，以不结瘤大豆为对照（引自中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，代号为： WDD01795，L81-4858）。
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1.2 试验方法
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试验地点在东北农业大学实验实习基地，利用 15N示踪技术，为了更接近田间条件并准确控制肥料用量，采取框栽种植方式，土壤为取自田间的黑土，基础肥力见表1。
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框栽材料选用硬化塑料制成的无底圆框，直径38cm，深30cm，每框装土量约35kg，埋土深度27cm，露出地表3cm。圆框采取两框并排排列，两行间无间距，在两侧各设两框作为保护行。
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肥料用量与哈尔滨地区种植大豆普遍采用的施肥量一致，氮养分N 69kg/hm2，磷养分P2O5 69kg/hm2，钾养分K2O 45kg/hm2。按每框的面积换算施肥量，作为种肥一次性施入。氮肥为 15N标记的（NH4）2SO4（ 其中N含量为21%；15N丰度为10.08%；购自上海化工研究院）1.70g/框，磷肥为重过磷酸钙（P2O5 46%）1.70g/框，钾肥为硫酸钾 （K2O 50%）1.02g/框。
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采用穴播方式，每框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。成熟期收获。
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将植株从子叶痕处取下，地上部分分解为叶片、茎、叶柄、荚皮和籽粒。将带有根系的塑料圆框取出，用自来水冲洗根系，尽量保证根系的完整性，自来水冲洗干净后，用蒸馏水冲洗3～4次，将根系用滤纸吸干。植株分解后的各部分样品105℃杀青30min，65℃烘干至恒重，称重、粉碎，分析氮素含量。为了保证试验结果的准确性，用透明纱网将每框之间隔离，当大豆叶片开始脱落时，收集落叶。
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1.3 测定方法
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氮素含量测定采用凯氏定氮法，样品经浓硫酸消化后用B-324凯氏定氮仪测定。
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15N丰度测定采用MAT-251型质谱仪，样品经浓硫酸消化，酸化浓缩后上机测定。
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1.4 计算方法
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氮素积累量=干重 × 氮素含量
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肥料氮积累量=氮素积累量 ×（样品 15N丰度/肥料 15N丰度）
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比例系数（土壤氮积累量/肥料氮积累量）=（不结瘤大豆氮素积累量-不结瘤大豆肥料氮积累量）/不结瘤大豆肥料氮积累量
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土壤氮积累量=肥料氮积累量 × 比例系数
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根瘤氮积累量=氮素积累量-肥料氮积累量-土壤氮积累量
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根瘤固氮率（%）=根瘤氮积累量/氮素积累量 ×100
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1.5 统计分析
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统计分析使用SPSS 19.0，作图使用Excel 2003。
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2 结果与分析
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2.1 不同生育期大豆品种全氮积累特性
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不同生育期大豆品种全株和各器官的全氮积累量存在差异（表2）。叶、茎、柄、荚皮、籽粒和全株的氮素积累量变化规律相同，生育期越长，氮素积累量越高，即晚熟品种＞中熟品种＞早熟品种，且差异显著；根部的氮素积累量，表现为中熟品种＞晚熟品种＞早熟品种。秣食豆是饲料大豆品种，地上部分生长茂盛，干重比较大，因此氮素积累量较高。
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2.2 早熟大豆品种氮素积累特性
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早熟大豆品种成熟期积累的氮素，全株和不同器官间主要氮素来源有所差异。叶、茎和柄中积累的氮素以土壤氮为主，分别占全部氮素积累量的56.89%、68.06%和62.69%，其次是根瘤固氮，分别占全部氮素积累量的34.33%、21.25%和26.11%；根和荚皮中的氮素积累量和占全氮的比例比较接近；籽粒中积累的氮素以根瘤固氮为主，占全部氮素积累量的50.90%；肥料氮积累量和占全氮比例均较低，营养器官中比例要高于荚皮和籽粒 （表3）。
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注：表中数值为均值 ± 标准误差。每列不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。下同。
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2.3 中熟大豆品种氮素积累特性
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中熟大豆品种成熟期叶、茎和柄中积累的氮素主要来自土壤氮，占全部氮素积累量的比例均超过50%，其次是根瘤固氮，分别占全部氮素积累量的39.11%、26.83%和29.12%，来自肥料中的比例最低；根中积累的氮素来自土壤氮和根瘤固氮的量比较接近，分别占全部氮素积累量的44.30%和48.81%，肥料氮最少；荚皮和籽粒中积累的氮素均以根瘤固氮为主，占全部氮素积累量的比例达到60%以上，由于氮素营养主要运输到收获器官，因此全株氮素积累规律和特性与荚皮和籽粒一致，均是肥料氮积累量和占全氮比例最低 （表4）。
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2.4 晚熟大豆品种氮素积累特性
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晚熟大豆品种茎中积累的氮素以土壤氮为主，根中积累的氮素来自土壤氮和根瘤固氮比例比较接近，其他器官和全株积累的氮素均主要来自根瘤固氮，其中荚皮和籽粒中积累的氮素占全氮积累量的比例超过70%（表5）。可见，大豆根瘤发挥固氮作用的时间随生育期的延长而增加。
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对根瘤氮在植株不同器官的分配比例分析表明，不同生育期大豆品种积累的根瘤氮分配到籽粒中的比例为76.38%～92.25%，可见，籽粒是大豆根瘤氮积累最主要的器官，并且随着生育期的延长呈下降趋势；分配到荚皮中的根瘤氮所占比例，不同生育期的品种间差异不大；营养体中根瘤氮的分配比例，随生育期的延长呈上升趋势（图1）。
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图1 不同生育期大豆品种根瘤固氮量在各器官的分配比例
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3 讨论
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大豆生育期是大豆重要适应性生态性状和生物学特性，生育期对大豆品种布局、指导大豆生产都起着非常重要的作用[19]。大豆所需氮素的3个来源，土壤氮、肥料氮和根瘤固氮对不同生育期大豆品种氮素积累和分配具有重要的调控作用。
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大豆植株氮素积累过程呈S型曲线变化。毕远林[20]研究表明，大豆在不同生育时期的氮素积累速率存在差异，在结荚鼓粒期氮素积累速度较快，此时期积累氮素占全生育期内氮素积累量的50%左右。王立刚等[21]研究认为，氮素在大豆不同器官的分配情况，随着生长发育由营养生长阶段向生殖生长阶段过渡而发生变化，结荚以前氮素主要分配给营养器官—叶片，随着生长发育中心的转移，氮素逐渐转移到荚皮和籽粒中。笔者[22]前期以不同基因型大豆品种为试验材料，研究了植株氮素积累规律，结果表明，大豆植株的氮素积累量在生育期内均呈现上升趋势，收获期达到最大值，其中秣食豆氮素积累量最高，栽培品种在生育中后期，氮素积累量与生育期长短相关，表现为黑农40 ＞ 绥农14 ＞黑河41。本研究以10个大豆品种为材料，按生育期分为3大类，取得了与上述相同的研究结果，说明大豆生育期越长，植株氮素积累量越高。
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大豆生育进程中，生育前期大豆叶片、茎和根所需氮素主要来自土壤和肥料[16，23]，土壤中氮素是大豆生长发育、产量和品质形成的重要氮素来源，不同品种大豆对土壤和肥料的反应和需求量存在差异[24]，而土壤中氮素的变化，也必然会引起大豆氮代谢和其他生理进程的改变[25]。李永孝等[26]研究表明，施用氮肥对大豆发育中心器官的氮素积累有促进作用，苗期施肥主要是促进叶片对氮素的吸收；始花期大豆叶片、柄和茎中的氮素积累量最高，因此始花期追肥主要以促进新生叶和荚果对氮素的吸收为主；鼓粒期大豆叶片、柄、茎和荚中含氮量最高。有研究认为，大豆植株积累的肥料氮占大豆全部氮素积累量的5%左右，积累的土壤氮占37%～48%[7]。本试验研究发现，不同大豆品种收获期来自于土壤和肥料中积累的氮素，积累量及其占全部氮素积累量的比例均随着生育期的延长呈下降趋势，并且分配到营养器官的量和比例要高于荚皮和籽粒，可见，大豆植株吸收利用土壤和肥料中的氮素，主要用于营养器官的生长和发育，生育期短的品种土壤氮和肥料氮占全氮的比例高于生育期长的品种。
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与根瘤共生的根瘤菌将空气中的氮气转化为大豆生长发育所需的氮素，豆科植物－根瘤菌共生固氮占生物固氮量的60%以上[27-28]。研究发现高产大豆往往具有较高的根瘤固氮量[29]。大豆根瘤形成初期，固氮能力较弱，自开花期开始根瘤固氮能力增强[30]。有研究发现，在大豆的重要发育阶段，根瘤固氮积累量占全部氮素积累量的60%以上[31-32]，而且生育期越长，根瘤固氮积累量越大[22]。本研究获得了与前人基本一致的结果，通过根瘤固氮作用积累的氮素是成熟期大豆植株氮素的主要来源，由于根瘤发挥固氮作用的时间随生育期延长而增加，因此晚熟品种积累的根瘤氮和占全氮比例最高，其次是中熟品种，早熟品种最低。进一步研究如何提高大豆根瘤固氮时间和单位时间内的根瘤固氮量，将有利于探讨和分析不同来源氮素对大豆氮代谢的调控作用。
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4 结论
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不同生育期大豆品种全株和各器官的全氮积累量，除了根部，均表现为晚熟品种＞中熟品种＞早熟品种，不同生育期品种间差异显著。
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不同生育期大豆品种土壤氮和肥料氮占全氮比例与生育期负相关，即早熟品种＞中熟品种＞晚熟品种，不同生育期品种营养器官中土壤氮和肥料氮比例高于荚皮和籽粒。
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不同生育期大豆品种根瘤固氮量和占全氮比例与生育期正相关，即晚熟品种＞中熟品种＞早熟品种，根瘤氮主要积累在大豆荚皮和籽粒中，分配到籽粒中的根瘤氮占全株根瘤氮积累量的76.38%～92.25%。
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摘要
为研究不同生育期大豆品种的氮素积累特性，以 10 个在黑龙江省哈尔滨地区生育期不同的大豆品种为试验材料，利用 15N 示踪技术，在框栽条件下分析大豆植株全氮累积规律，以及不同氮素来源，即土壤氮、肥料氮和根瘤氮的积累和分配规律。结果表明：不同生育期大豆品种全株和各器官的全氮积累量，除了根部，均表现为晚熟品种＞中熟品种＞早熟品种，不同生育期品种间差异显著；不同生育期大豆品种土壤氮和肥料氮占全氮比例与生育期负相关，即早熟品种＞中熟品种＞晚熟品种，不同生育期品种营养器官中土壤氮和肥料氮比例高于荚皮和籽粒；不同生育期大豆品种根瘤固氮量和占全氮比例与生育期正相关，即晚熟品种＞中熟品种＞早熟品种，根瘤氮主要积累在大豆荚皮和籽粒中，分配到籽粒中的根瘤氮占全株根瘤氮积累量的 76.38% ～ 92.25%。本研究为丰富不同生育期大豆品种氮素积累特性及氮肥调控提供数据支持。
Abstract
In order to investigate nitrogen accumulation characteristics of soybean varieties in different growth periods， 10 soybean varieties of different growth periods in Harbin，Heilongjiang province were used as experiment materials. Accumulation regularity of total nitrogen in soybean plants，accumulation and distribution regularity of soil nitrogen，fertilizer nitrogen and nodules nitrogen fixation were analyzed under frame condition with 15N tracer technology. The results showed that the order of the total nitrogen accumulation among whole plant and organs besides root was late-maturing varieties> medium-maturing varieties> early-maturing varieties，and there were significant differences of different varieties. The ratio of soil nitrogen and fertilizer nitrogen to total nitrogen of different varieties was negatively correlated with growth period，which showed as early-maturing varieties > medium-maturing varieties> late-maturing varieties，and the ratio of soil nitrogen and fertilizer nitrogen in vegetative organs was higher than that in pods and grains. Nodule nitrogen fixation accumulation and the proportion of total nitrogen were positively correlated with the growth period，which showed as late-maturing varieties> medium-maturing varieties> early-maturing varieties，nodule nitrogen mainly accumulates in pods and seeds，and the ratio of nodule nitrogen fixation assigned to seeds was 76.38% ～ 92.25% of the total nitrogen accumulation. The results provide data support for enriching the nitrogen accumulation characteristics and nitrogen fertilizer of soybeans varieties in different growth periods.