《Nitrogen》：Effects of Nitrogen Application and Planting Density on the Growth and Seed Yield of Four Russian Varieties of Soybean (Glycine max L. Merr.)
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本研究评估了石灰氮（LN）深施与宽行距（WR）栽培对四种俄罗斯大豆品种生长及产量的影响。结果表明，在俄罗斯远东地区，LN深施可显著提高机械籽粒产量（增幅6%-53%），且不抑制根瘤固氮活性；而尿素基施效果存在品种特异性。研究揭示了土壤氮素丰度与固氮贡献率的区域差异，为优化跨境大豆供应链的栽培技术提供了理论依据。
摘要
氮（N）是植物生长和产量形成最关键的营养元素。大豆因其种子富含蛋白质，对氮素需求量大。大豆植株可通过根瘤与土壤根瘤菌（rhizobia）共生固定空气中的氮气（N2），但要实现最高种子产量，既需要固定的氮，也需要从根系吸收的氮。然而，过量或不恰当的氮肥施用会抑制N2固定并降低籽粒产量。在日本，石灰氮（Lime Nitrogen, LN）的基底深施能在不抑制N2固定活性的前提下提高大豆籽粒产量。本研究旨在评估该技术是否适用于俄罗斯远东地区。研究探讨了石灰氮深施结合宽行距（75厘米，WR）栽培对四种俄罗斯大豆品种生长和种子产量的影响。在不施氮肥条件下，宽行距的平均种子产量为2.77吨/公顷，与窄行距（15厘米，NR）的2.39吨/公顷无显著差异。石灰氮深施结合宽行距栽培使Primorskaya 4、13、81和86品种的机械籽粒产量分别提高了38%、53%、17%和6%。尿素基施在窄行距下的效果因品种而异。土壤分析和木质部汁液氮组分表明，俄罗斯试验田的土壤氮素比日本新泻县更为丰富，而来自N2固定的氮贡献率低于新泻。行距和氮肥对种子产量的影响因品种而异，因此需要针对每个品种评估最佳行距和氮肥施用方案。田间试验表明，石灰氮深施促进了俄罗斯大豆品种的种子产量。若具备合适的机械，该技术或可应用于大田大豆栽培。
1. 引言
氮是植物最重要的必需元素之一，是蛋白质、核酸、叶绿素及其他植物体内重要分子的组成部分。大气中含有78%的氮气（N2），但植物自身不能直接利用N2，除非通过与固氮微生物共生。土壤中的有效氮（主要以硝酸盐和铵盐形式存在）通常不足以支持稳定的作物产量，因此现代农业生产中会使用化学氮肥。大量化学氮肥的施用提高了作物产量，为不断增长的人口提供了充足的食物。然而，严重依赖氮肥的农业系统对土壤和环境造成了严重问题。过量或不恰当的氮肥施用会导致硝酸盐淋溶进入地下水和河流、土壤酸化以及氧化亚氮（N2O）排放，后者会加剧全球变暖。此外，肥料提供的氮并不能被植物生长高效利用，通常植物对肥料氮的回收率低于50%。低氮素利用效率（Nitrogen Use Efficiency, NUE）是由于土壤-植物系统中存在多种损失途径，如挥发、淋溶、地表径流和反硝化作用。减少农业氮肥使用和提高氮素利用效率（NUE）的实践对于解决氮肥带来的环境问题、降低施肥成本和劳动力投入至关重要。使用不同类型的氮肥（如包膜尿素、硝化抑制剂）以及优化氮肥的施用时期和位置均可提高NUE。
大豆能够与土壤中的根瘤菌等细菌共生，固定大气中的N2，并利用固定的氮（N）供植株生长。此外，当土壤或肥料提供氮素时，大豆植株也会吸收利用。研究表明，大豆种子产量与地上部总氮含量呈正相关，无论这些氮是来自N2固定还是吸收。生产1吨种子大约需要12.5千克氮。有报道指出，共生N2固定和硝酸盐利用对于实现大豆最高产量似乎都至关重要。另一方面，过量的硝酸盐往往不利于最高产量的实现，因为它会抑制根瘤的共生N2固定。最近，有研究筛选了2000年后中国发表的大田研究论文，报告称在当前中国大豆产量水平下，施氮显著增加了种子产量，但降低了固氮效率，适宜的施氮量范围为30-60千克氮/公顷。
高桥等人评估了控释氮肥——包膜尿素（Coated Urea, CU）（100千克氮/公顷）在种子线下20厘米深处深施对大豆生长和种子产量的影响。深施的CU中的氮能长时间保留在深层土壤中，并在籽粒灌浆期补充氮素，且不抑制根瘤（尤其是靠近地表的侧根上的根瘤）的N2固定活性。充足的氮素运输到叶片，促进了光合活性，并在生殖生长阶段增加了向根、根瘤和种子供应光合同化物的能力。因此，CU深施促进了种子产量并改善了种子品质。Tewari等人比较了CU和石灰氮（LN）深施的效果。
石灰氮（LN）由约60%的氰氨化钙（CaCN2）以及氧化钙和碳组成。LN施入土壤后，CaCN2转化为尿素（H2NCONH2），最终降解为氨（NH3）和二氧化碳（CO2）。氰胺降解过程中形成的双氰胺是一种有效的硝化抑制剂，可抑制硝化细菌将NH3氧化为NO3-。因此，LN在土壤中分解产生的铵能持久存在，而硝酸盐浓度保持在较低水平。LN深施（100千克氮/公顷）在日本新泻县的轮作稻田、沙丘田以及没有土著根瘤菌的垦荒田中被证明与CU一样有效。深施LN在2008、2009和2010年8个农户田块中平均增产约30%。
大豆是全球重要作物，产量仅次于玉米、水稻和大麦，位列第四。大豆种子富含蛋白质和油脂，其全球产量从2013年的2.77亿吨增长至2023年的3.71亿吨（FAOSTAT数据）。世界平均单产也从2013年的2.5吨/公顷上升至2023年的2.7吨/公顷。俄罗斯的大豆产量从2013年的152万吨增至2023年的660万吨，增长了四倍。虽然俄罗斯的单产从2013年的1.26吨/公顷提高到2023年的1.89吨/公顷，但仍低于全球平均水平。俄罗斯大豆种子主要用于榨油，残渣用作动物饲料而非人类食用。俄罗斯远东地区的大豆种植利润高，是农户轮作中的主要作物，其品种非转基因，通过传统育种方法选育。日本新泻大学与俄罗斯滨海国立农业大学于2014年和2015年合作开展大豆栽培研究。在日本，国内收获的大豆主要用于豆腐、味噌、酱油和纳豆等传统食品加工，而在俄罗斯则主要用于榨油。新泻地区的大豆多种植于轮作稻田，采用75厘米宽行距（WR），种植密度为10,000株/公顷。农户通常在播种前施用复合肥（16千克氮/公顷）作为基肥（起始氮）。在开花前，会进行数次行间中耕以除草和培土。而在俄罗斯，大豆植株种植密度为50,000株/公顷，采用15厘米窄行距（NR）或直接撒播，通常不施用任何氮肥。
基于上述背景，本研究选用俄罗斯远东地区的四个主栽大豆品种，比较了75厘米宽行距（WR）和15厘米窄行距（NR）种植，并结合石灰氮深施（WR LN）和尿素基施（NR U）处理的效果。尽管俄罗斯大豆栽培通常不施氮肥，但设置尿素基施处理旨在探究俄罗斯品种对氮素的响应。本研究旨在揭示在俄罗斯田间条件下，LN深施结合WR栽培对产量形成、氮素利用和机械收获效率的影响，为优化针对俄罗斯品种的当地大豆栽培技术提供依据。
NR栽培的优势在于能快速形成稳定的苗情，覆盖地面抑制田间杂草，且在营养生长早期无需中耕培土。此外，密植常能使最低结荚高度升高，有助于减少机械收获损失。然而，密植易导致茎秆徒长和倒伏。同时，NR栽培比WR需要更多种子，因此种子成本更高。有研究表明，在土壤水分亏缺条件下，NR栽培会降低种子产量。此外，白霉病危害在较高种植密度下更为严重。关于种子产量，多项报道称密植可增产。但在生产者田间数据中，NR与WR的产量差异并不明显。因此，本研究预期WR栽培可能因避免倒伏、降低病害风险和减少收获损失而获得更高产量。
本研究将日本新开发的设备运至俄罗斯远东地区，以评估LN深施对俄罗斯大豆品种生长和产量的影响。
2. 材料与方法
2.1. 试验地点、气象与土壤特性
试验于2015年5月25日至10月在俄罗斯滨海边疆区乌苏里斯克市Vozdvizhenka村的滨海国立农业大学（2023年更名为滨海国立农业大学）实验训练田进行（北纬43°52′，东经130°56′，海拔33米）。滨海边疆区属季风气候，夏季多云，降雨主要集中在仲夏。2015年7月下旬至9月上旬平均最高气温超过20°C，气候条件总体有利于大豆生长。8月下旬之前气温与平均值相近或略高，之后偏低。年降水量530-900毫米，大部分集中在植被生长期（315-780毫米），其中7月和8月降水量占一半以上（212-691毫米）。2015年降水事件多于平均水平，且降雨不均，8月下旬降水最为充沛。
试验田土壤类型为棕色灰化土（CL），是滨海边疆区的典型土壤。俄罗斯田间土壤剖面调查显示，0-10厘米为耕作层。A层（0至-40厘米深度）有机质丰富（约5%），呈黑色。B1层（深度：-40至-55厘米）土壤湿度略高于上层。-80厘米以下的B2层土壤高度湿润，因土壤还原呈蓝色。该层无砾石，部分根系深达-90厘米。滨海试验田的土壤质地、pH值和阳离子交换量（CEC）与新泻试验田相当。滨海土壤的总碳（C%）和总氮（N%）分别为2.2%和0.18%，高于新泻试验站的1.2%和0.12%。滨海土壤的氮矿化率为15毫克氮/100克土壤，约为新泻田间（5.5毫克氮/100克土壤）的三倍。因此，俄罗斯试验田的土壤氮肥力高于新泻的轮作稻田。另一方面，滨海试验田的有效磷（P）含量比新泻低三倍。交换性钾（K）、钙（Ca）和镁（Mg）的浓度在两地表土中相当。滨海试验田土壤无机氮平均浓度为：铵态氮（NH4-N）2.6 ± 0.3毫克氮/千克干土，亚硝态氮（NO2-N）0.2 ± 0.1毫克氮/千克干土，硝态氮（NO3-N）11.8 ± 2.8毫克氮/千克干土。
从播种到收获期间，使用温度传感器监测了地表下-5厘米和-30厘米深度的土壤温度，并使用土壤水分传感器监测了相应深度的土壤体积含水量。日最高气温出现在7月28日至8月6日（28°C），日最低气温出现在9月29-30日（2°C）。土壤温度的日变化幅度小于气温，尤其在-30厘米深度。从播种后20天到80天，-5厘米和-30厘米深度的土壤含水量逐渐下降。-5厘米深度的含水量在降雨后偶有增加，但-30厘米深处变化不明显，表明雨水向该层运输有限。
2.2. 田间试验设计
试验选用四个俄罗斯大豆品种：Primorskaya 4、13、81和86。试验按照俄罗斯标准方法进行，使用大型机械进行施肥和播种。由于使用大型机械且从日本向俄罗斯运输石灰氮有限，每个处理设置一个大区（550平方米）。共16个小区（每个11米宽×50米长），覆盖4个品种和4个处理。设置两种种植密度：一种是俄式栽培，采用15厘米垄距和15厘米穴距的条播（NR: 44,000株/公顷）；另一种是新泻式栽培，采用75厘米垄距和15厘米穴距（WR: 8,900株/公顷）。在俄式栽培中，设置两个施肥处理：不施肥（NR）和尿素基施（200千克氮/公顷）结合NR（NR U）。在新泻式WR栽培中，设置两个施肥处理：仅施用复合肥基肥（不深施），以及相同基肥基础上补充石灰氮深施（WR LN）。日本复合肥“New Daizu”（每公顷含16千克氮、40千克五氧化二磷、60千克氧化钾和1.4千克硼）在播种前2天通过播前整地施入表层土壤（约0-10厘米深）。石灰氮深施（100千克氮/公顷）沿播种线进行，使用配备施肥注入器的深施机械。
播种前土壤准备包括去年秋季犁地、春季耙地以及5月15日的播前整地。播种前对所有小区施用土壤除草剂。5月26日，使用俄罗斯施肥播种机完成NR U处理的尿素表施（0-10厘米）以及NR和NR U处理的播种。在WR和WR LN处理施用复合肥于表土后，于5月26日使用新开发的设备（带旋耕机、深施注入器和播种单元）同时进行WR LN的深施和播种。石灰氮颗粒通过管道沿播种线施入地表下20厘米深处。WR处理的播种使用相同设备，但不施石灰氮。播种前种子进行包衣消毒。对于新泻式栽培（WR和WR LN），分别在6月25日、7月10日和7月23日进行了三次行间中耕以抑制杂草。
2.3. 田间植株性状测定
在每个小区内设置四个采样点（4次重复），NR栽培的采样面积为1平方米（1米×1米），WR栽培为1.5平方米（0.75米×2米）。每个采样点标记5株植株。在播种初期、始花期（R1期）、盛花期（R2）、始熟期（R7）和完熟期（R8）测量这些植株的株高。
2.4. 木质部汁液收集及氮组分测定
在始花期，于主茎基部距地面约5厘米处切断，用棉绒收集切口溢出的木质部汁液一小时。测定汁液中硝酸盐氮（nitrate-N）、酰胺氮（amide-N）和脲苷氮（ureide-N）的浓度。相对脲苷氮百分比按公式100 × 脲苷氮/(脲苷氮 + 硝酸盐氮 + 酰胺氮)计算。该百分比被认为是总氮获取（N2固定 + 氮吸收）中依赖N2固定程度的良好指标，因为大部分脲苷源自N2固定，而硝酸盐和
