大豆作为一种粮油兼用作物，在农业可持续发展中占有重要地位[1]。氮素作为大豆生长发育过程中的核心营养元素，对其生长、生理代谢及产量形成具有重要作用。适度的氮素供给能够有效促进大豆生长发育，提高产量，但长期不合理施用氮肥可能会降低氮素利用效率，导致农业生产成本提升，同时对生态环境产生一定的负面影响。根瘤是大豆与根瘤菌共生固氮的关键场所，根瘤形成受到抑制，会导致植株无法高效地将空气中的氮气转化为自身可利用的氮源，从而可能影响大豆的生长和产量。张博文等[2]研究表明，当外源氮水平过高时，可能会抑制大豆根瘤形成。因此，探索减施氮肥的可行方案成为当前农业研究的一个重要课题。He等[3]研究发现，经根瘤菌剂接种的种子可以显著促进根瘤的形成，提高大豆的固氮效率，从而促进其生长并提高产量。合理施用根瘤菌剂不仅可以增加土壤有机质含量，提高肥料利用率，降低化肥施用量，还可以减少土传病害的发生，提高作物抗性和产量[4-5]。减施氮肥与接种根瘤菌的结合，可以有效改善大豆的生长性能，促进氮素的高效利用，从而推动农业可持续发展。基于此，本研究通过田间试验，探究氮肥施用水平与根瘤菌接种对大豆生长及产量的影响，探索施氮量与根瘤菌接种的最佳组合，为大豆产量的提升和产业的可持续发展提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验地基本情况
试验于2024年6月10日—9月30日在河南开封市杞县裴村店乡（34 °31' N，114 °49' E）进行。该地区土壤类型为潮褐土，质地偏黏，土壤有机质含量25.1 g/kg，pH 8.55，全氮含量1.58 g/kg，有效磷含量15.5 mg/kg，速效钾含量148 mg/kg。
1.2 试验材料
供试品种为中黄301，属有限结荚品种，生育期105.3~109.5 d。籽粒圆形，种皮黄色，脐色浅褐；成熟落叶性好，倒伏0.5级。供试根瘤菌剂为土肥站统一发放，有效菌种为埃氏慢生根瘤菌和弗氏中华根瘤菌，有效活菌数≥2亿/mL；播种前一天使用拌种机机械拌种，用量为225 mL/hm2，拌好后放阴凉通风处晾干，装袋备用。
1.3 试验设计
采用随机区组设计，共设5个处理。推荐施肥使用当地常用复合肥，复合肥配方氮∶磷∶钾为18∶10∶10，减氮处理使用复合肥减量后，磷钾使用过磷酸钙（P2O5 12%）和硫酸钾（K2O 52%）补足。设当地推荐施肥（CK）、推荐施肥+根瘤菌剂（T1）、推荐施肥减氮20%+根瘤菌剂（T2）、推荐施肥减氮40%+根瘤菌剂（T3）和推荐施肥减氮60%+根瘤菌剂（T4）5个处理，每个处理设3次重复，小区面积30 m2，随机区组排列，具体试验处理如表1所示。
表1 施肥量及根瘤菌剂接种处理 |
| 处理 | 施肥量/（kg/hm2） | 根瘤菌剂/（mL/hm2） | |||
|---|---|---|---|---|---|
| N | P | K | 接种方式 | 施用量 | |
| CK | 120 | 75 | 75 | 无 | 0 |
| T1 | 120 | 75 | 75 | 拌种 | 225 |
| T2 | 96 | 75 | 75 | 拌种 | 225 |
| T3 | 72 | 75 | 75 | 拌种 | 225 |
| T4 | 48 | 75 | 75 | 拌种 | 225 |
1.4 测定指标及方法
1.4.1 结荚期生长性状
在大豆苗期适当间苗，定期查看田间长势及有无病虫草害发生。在大豆结荚期，每个处理采集10株样品，用铁铲将整个根系完整取出，调查并记录株高、根瘤数、根瘤鲜重和植株鲜重。
1.4.2 收获期生长性状及产量
大豆成熟时，每个小区进行单打单收计产；同时在每个小区中随机采取具有代表性的10株大豆进行考种，测定单株粒数、百粒重等性状指标。
1.4.3 植株养分
在大豆成熟时，分别采集籽粒和茎叶样本，参考NY/T 2419—2013《植株全氮含量测定 自动定氮仪法》测定全氮含量，参考NY/T 2421—2013《植株全磷含量测定 钼锑抗比色法》测定全磷含量；参考NY/T 2420—2013《植株全钾含量测定 火焰光度计法》测定全钾含量。
1.4.4 植株养分积累及肥料利用效果
根据植株养分测定结果和试验施肥量，计算其养分积累、氮肥偏生产力、氮肥吸收效率和氮肥利用效率，具体公式如（1）~（4）。
养分积累（kg/hm2）=[干物质（kg/hm2）×养分含量]/100
氮肥偏生产力（kg/kg）=施肥处理玉米产量/氮肥用量
氮肥吸收效率=植株氮素积累量/施氮量
氮肥利用效率=籽粒产量/植株氮素积累量
1.4.5 经济效益
基于大豆生产的投入与产出关系，评估其经济效益。
1.5 数据处理
使用Excel 2021软件进行数据整理和表格制作，用 SPSS 27.0软件进行差异性分析。
2 结果与分析
2.1 大豆结荚期生长性状
由表2可知，与CK相比，T1处理的大豆结荚期根瘤数、根瘤鲜重和植株鲜重均明显提高，差异具有统计学意义（P<0.05），说明接种根瘤菌可以提高大豆结荚期根瘤数、根瘤鲜重和植株鲜重；与CK相比，减施氮肥+接种根瘤菌均能明显提高大豆结荚期根瘤数、根瘤鲜重和植株鲜重，差异均具有统计学意义（P<0.05）。其中T3处理下，大豆结荚期株高、结荚期根瘤数、根瘤鲜重和植株鲜重均较高，分别为156.00 cm、79.33个、1.20 g和228.33 g。说明施肥减氮40%+根瘤菌剂对大豆生长具有较好的促进作用。
表2 大豆结荚期生长性状 |
| 处理 | 株高/cm | 根瘤数/个 | 根瘤鲜重/g | 植株鲜重/g |
|---|---|---|---|---|
| CK | 146.67±6.11 a | 29.00±6.56 c | 0.47±0.05 c | 184.33±5.86 c |
| T1 | 148.33±7.51 a | 75.67±5.69 a | 1.17±0.06 a | 212.67±7.02 ab |
| T2 | 128.00±4.36 b | 77.00±2.65 a | 1.16±0.04 a | 207.67±11.93 b |
| T3 | 156.00±2.00 a | 79.33±4.51 a | 1.20±0.05 a | 228.33±11.50 a |
| T4 | 147.00±6.25 a | 55.33±9.45 b | 0.82±0.12 b | 206.00±6.00 b |
|
2.2 大豆收获期生长性状及产量
由表3可知，T4处理的大豆株高最高，为144.00 cm，与其余处理差异具有统计学意义（P<0.05）；各处理间的主茎节数和单株结荚数差异无统计学意义（P>0.05）；CK和T4处理的大豆单株粒数低于其他处理，差异具有统计学意义（P<0.05）；说明在施用根瘤菌的同时适当减少氮肥用量能有效提高大豆的单株粒数。T3处理的大豆单株荚重、百粒重、秸秆产量和籽粒产量均最高，分别为59.04 g、23.62 g、5 130 kg/hm2和3 423.28 kg/hm2，与CK差异均具有统计学意义（P<0.05），籽粒产量较CK增加38.3%。说明施肥减氮40%+根瘤菌剂处理大豆具有较好的增产效果。
表3 大豆收获期生长性状及产量 |
| 处理 | 株高/cm | 主茎节数/节 | 单株荚数/个 | 单株粒数/粒 | 单株荚重/g | 百粒重/g | 秸秆产量/（kg/hm2） | 籽粒产量/（kg/hm2） |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CK | 118.00±5.29 b | 20.00±0 a | 49.07±1.85 a | 110.91±5.35 b | 38.30±1.96 d | 20.69±1.50 b | 3 645±546.75 b | 2 475.94±179.47 d |
| T1 | 124.67±5.03 b | 19.00±1.00 a | 51.20±3.20 a | 129.79±4.40 a | 44.36±2.95 cd | 21.93±0.48 ab | 4 050±607.50 ab | 3 072.30±62.15 b |
| T2 | 127.33±6.43 b | 19.67±0.58 a | 51.20±0.09 a | 137.45±5.13 a | 55.53±6.22 ab | 22.44±0.44 ab | 4 860±729.00 ab | 3 329.57±84.45 a |
| T3 | 122.00±2.00 b | 19.00±1.00 a | 49.07±1.85 a | 134.24±0.97 a | 59.04±1.49 a | 23.62±0.63 a | 5 130±769.50 a | 3 423.28±67.50 a |
| T4 | 144.00±11.53 a | 18.00±2.00 a | 50.13±4.89 a | 117.01±5.86 b | 50.35±5.97 bc | 21.59±1.02 b | 4 185±627.75 ab | 2 730.10±211.63 c |
2.3 大豆植株养分累积量
由表4可知，各处理间植株的氮素累积量表现为T2>T3>T1>T4>CK，其中T2与CK、T1和T4差异具有统计学意义（P<0.05）；各处理间植株的磷素累积量表现为T2>T3>T1>CK>T4，钾素累积量表现为T2>T3>T4>CK>T1，其中T2与其余处理差异具有统计学意义（P<0.05）。说明在使用根瘤菌剂的同时，适当减少氮肥的投入，能较好地促进植株氮、磷、钾等养分的积累，施肥减氮20%+根瘤菌剂的促进效果较佳。
表4 大豆植株养分累积量 (kg/hm2) |
| 处理 | 氮积累量 | 磷积累量 | 钾积累量 |
|---|---|---|---|
| CK | 237.66±18.19 c | 24.37±1.97 c | 46.83±3.99 cd |
| T1 | 279.99±5.26 b | 29.96±0.89 b | 37.14±1.59 d |
| T2 | 315.18±13.37 a | 33.86±1.82 a | 91.65±9.40 a |
| T3 | 298.11±7.25 ab | 30.34±1.07 b | 78.74±9.62 b |
| T4 | 244.52±12.26 c | 24.13±0.84 c | 50.49±3.93 c |
2.4 大豆植株肥料利用效果
由表5可知，与CK相比，T1处理的大豆植株氮素利用效率（10.97）、氮素吸收效率（2.33）和氮肥偏生产力（25.60 kg/kg）均明显提高，差异具有统计学意义（P<0.05），说明根瘤菌剂的施用可以有效提高大豆的氮素利用效果。在施用根瘤菌剂的同时，适当减少氮肥的投入对氮素利用效率、氮素吸收效率和氮肥偏生产力均具有一定的积极影响，其中T3的氮素利用效率最高，为11.49，T4的氮素吸收效率（5.09）和氮肥偏生产力（56.88 kg/kg）最高。
表5 大豆植株肥料利用效果 |
| 处理 | 氮素利用效率 | 氮素吸收效率 | 氮肥偏生产力/（kg/kg） |
|---|---|---|---|
| CK | 10.42±0.15 d | 1.98±0.15 e | 20.63±1.5 e |
| T1 | 10.97±0.25 bc | 2.33±0.04 d | 25.60±0.52 d |
| T2 | 10.57±0.22 cd | 3.28±0.14 c | 34.68±0.88 c |
| T3 | 11.49±0.28 a | 4.14±0.1 b | 47.55±0.94 b |
| T4 | 11.16±0.35 ab | 5.09±0.26 a | 56.88±4.41 a |
2.5 经济效益
由表6可知，与CK相比，T1的经济效益明显提高，说明施用根瘤菌剂能够明显提高大豆的经济效益；与CK相比，T2、T3和T4的经济效益明显提高，说明在施用根瘤菌剂的同时，适当减少氮肥的投入，可有效增加大豆的经济效益。其中T3的纯收入最高，为17 992.95元/hm2，较CK增收7 531.35元/hm2。
表6 大豆经济效益 (元/hm2) |
| 处理 | 种子成本 | 化肥农药成本 | 管理成本 | 产值 | 纯收入 |
|---|---|---|---|---|---|
| CK | 2 070 | 3 300 | 1 500 | 17 331.60 | 10 461.60 |
| T1 | 2 070 | 3 600 | 1 500 | 21 506.10 | 14 336.10 |
| T2 | 2 070 | 2 850 | 1 500 | 23 307.00 | 16 887.00 |
| T3 | 2 070 | 2 400 | 1 500 | 23 962.95 | 17 992.95 |
| T4 | 2 070 | 1 950 | 1 500 | 19 110.60 | 13 590.60 |
|
3 结论与讨论
养分累积方面，T2处理植株氮、磷、钾积累量较高。适量减氮后，根瘤菌固氮作用增强，补充了植株所需氮素，同时可能促进了根系对磷、钾元素的吸收。而不同处理下氮、磷、钾累积量的差异，也反映了减氮与根瘤菌接种对大豆养分吸收利用的复杂交互作用，这种作用受土壤肥力、气候条件等多种因素影响。在肥料利用效率上，增施根瘤菌剂提高了大豆植株的氮素利用效率、氮素吸收效率和氮肥偏生产力，这与吕继龙等[10]的研究结果一致。施用根瘤菌剂的同时，适当减少氮肥的投入对肥料利用效率有不同程度的影响，减氮虽能刺激根瘤菌固氮，但超出一定限度会导致植株生长前期氮素供应不足，影响光合作用和物质积累，最终降低产量和肥料利用效率。在实际生产中，应根据土壤初始氮含量、大豆品种需氮特性等因素，科学确定减氮量。
经济效益分析表明，在减氮条件下配施根瘤菌剂可实现增产节肥的双重效益，一方面根瘤菌剂通过促进生物固氮作用维持或提高大豆产量，另一方面有效降低了氮肥投入成本。这种协同效应使得减氮配施根瘤菌剂处理的经济效益显著优于常规施肥处理。研究结果为优化大豆施肥管理提供了参考，在保障产量的同时降低生产成本，提高收益。
综上，本研究探究了减施氮肥接种根瘤菌对大豆生长的影响，结果表明，在使用根瘤菌剂的同时，适当减少氮肥的投入，发挥微生物固氮作用，能够有效提升大豆植株的养分积累量和养分利用效果，从而促进增产增收。其中施肥减氮40%+根瘤菌剂的综合促进效果较佳，与常规施肥相比，该处理下大豆籽粒产量增加38.3%，增收7 531.35元/hm2。实际生产中，不同类型土壤中根瘤菌接种效果有所差异，不同大豆品种也会影响根瘤菌剂接种的效果[11-12]。本研究仅在研究区进行了1年田间试验，不同地区土壤类型、气候条件差异较大，根瘤菌与大豆的共生效果以及减氮幅度的适用性可能不同。未来研究应扩大试验区域，涵盖更多生态类型区，进一步探究不同环境条件下减施氮肥接种根瘤菌的最佳组合，同时深入研究根瘤菌与大豆共生的分子机制，为农业精准施肥提供更坚实的理论支持。