根土空间对花生营养器官氮、磷、钾吸收积累变化的影响

李素美,张　娜,郭　庆,张晓军,赵长星,王铭伦,王月福

(青岛农业大学,山东省旱作农业技术重点实验室,山东 青岛　266109)



根土空间对花生营养器官氮、磷、钾吸收积累变化的影响

李素美,张娜,郭庆,张晓军,赵长星,王铭伦,王月福

(青岛农业大学,山东省旱作农业技术重点实验室,山东 青岛266109)

摘要：为探讨花生高产适宜根系的大小,确定作物根系生长的合理空间范围,为花生高产新品种选育和栽培提供理论依据。以高产花生品种青花7号为试材,设长×宽×深分别为40 cm×20 cm×20 cm、40 cm×20 cm×40 cm、40 cm×20 cm×60 cm、40 cm×20 cm×80 cm 4种大小不等的根土空间,采用网袋法,研究了根土空间对花生营养器官氮、磷、钾吸收积累变化的影响。结果表明,根土空间过小限制了花生根茎叶生物量、氮磷钾含量和积累量的提高,当限根深度超过60 cm后,根土空间大小对花生根茎叶生物量、氮磷钾含量和积累量的影响变小。说明限根深度超过60 cm后,根土空间大小已不是限制花生吸收氮磷钾素的关键因素,限根深度不小于60 cm的根土空间是花生获得较高产量水平的一个必要条件。

关键词：花生;根土空间;氮;磷;钾

花生是我国重要的经济、油料和出口创汇作物,在国民经济发展和对外贸易中占有重要地位。作为多次性开花结实植物,花生具有无限生长习性。生产中,随着地力和产量水平的不断提高,营养生长过旺,抑制生殖生长,表现为疯长或贪青晚熟,甚至倒伏,导致严重减产和降低品质。因此,协调好营养生长与生殖生长的关系成为进一步提高高产花生产量的关键因素。

根系是作物吸收水分和养分的主要器官,又是激素、有机酸和氨基酸合成的重要场所,其形态特征、生理特性与产量及地上部生长发育均有密切的关系[1]。有研究认为发达的根系总是伴随着地上部的旺盛生长并获得高产,而发育不良的根系总会导致相反结果[2],但也有研究认为,对于作物来说,因为有人类的支持与保护,基本上消除了资源的极端性,过于庞大的根系则成了生长冗余。冗余根系虽然提高了植物对水分和养分的吸收能力,但也消耗大量光合产物[3],不利于经济产量的提高。因此,深入开展作物根系研究,对于揭示作物高产形成机理,丰富作物栽培理论具有重要意义。花生号称先锋作物,抗旱耐瘠,这与其发达的根系密切相关。前人围绕花生根部特征与地上部分性状的相关性[4],花生根部性状遗传[5],不同类型花生根部性状的差异[6],湿涝[7]、水、氮、磷[8-9]、土壤质地[10]、单粒精播[11]、断根[12-17]等环境条件和栽培措施对花生根系生长的调控等方面进行了大量研究,取得了重要进展,深化了对花生根系的认识。但是,目前关于花生根系冗余方面的研究尚未见报道。为此,采用网袋法限制花生根系生长空间,研究了根土空间对花生根系生长和氮、磷、钾营养吸收积累的影响。以期明确花生生长过程中是否存在根系生长冗余,探讨花生高产的适宜根系大小,确定作物根系生长的合理空间范围,为花生高产新品种选育和栽培提供理论依据。

1材料和方法

1.1试验设计

试验于2013,2014年在青岛农业大学莱阳校区农学与植物保护学院实验站进行。供试土壤为沙壤土,有机质1.15×104mg/kg,碱解氮55.93 mg/kg,速效磷25.63 mg/kg,速效钾75.38 mg/kg。供试花生品种为青花7号。

试验设置长×宽×深分别为40 cm×20 cm×20 cm、40 cm×20 cm×40 cm、40 cm×20 cm×60 cm、40 cm×20 cm×80 cm 4种大小不等的根土空间,以不限根为对照,共5个处理,每处理重复3次,每次重复为1个微区,每个微区15袋。试验用网袋采用48 μm×48 μm的尼龙绢网制成(允许水分和养分自由通过)。试验实施时将微区内0～20,20～40,40～60,60～80 cm深的土壤全部挖出并混匀,然后用尼龙袋装入原位土壤并置于原土位置,尼龙袋周围空间分层填入原位土(对照也按原位土回填),并浇水沉实,使网袋中土壤接近大田土壤。5月1日播种,每个网袋播种4粒,出苗后选留2株。

1.2测定项目与方法

分别于花生苗期(6月15日)、花针期(7月12日)、结荚期(7月28日)、饱果成熟期(8月20日)和收获期(9月7日)取样。取样时挖开网袋周围的土,将整个网袋抬出,先用水浸泡2 h,以便冲洗时根土容易分离,减轻对根的伤害。剪开网袋后用自来水缓慢冲洗花生根系,保持根系的完整。

按茎、叶、根系和荚果分样,置于牛皮纸袋中,105 ℃高温下杀青0.5 h,75 ℃下烘干至恒重后称重。粉碎后测定氮、磷、钾含量。

用浓硫酸催化剂消解法,半自动凯氏定氮仪测定植株各器官的全氮含量。用硝酸和高氯酸联合消煮法,等离子体发射光谱仪测定磷、钾含量。

1.3数据分析

数据、图表处理在Excel下进行,统计分析和差异显著性检验在SAS 9.0数据处理系统下进行。

2结果与分析

2.1根土空间对花生营养器官干物重变化的影响

由表1可以看出,随着生育进程的推进,各个处理的花生叶片和茎秆干质量均随着根土空间的减小而逐渐减少。其中,限根深度60,80 cm和不限根处理的叶片和茎秆干质量均显著高于限根深度20,40 cm处理的叶片和茎秆干质量(除7月28日茎秆干质量),而三者之间仅个别时期表现为显著性差异。根系干质量在各生育时期均表现为随着根土空间的减小而逐渐减少,限根深度60,80 cm处理的根系干质量显著高于限根深度20,40 cm处理的根系干质量,而两者之间差异不显著。说明根土空间过小显著影响花生根茎叶生长,但当限根深度超过60 cm后,根土空间大小对花生根茎叶生长的影响变小。

2.2根土空间对花生营养器官氮吸收积累变化的影响

2.2.1根土空间对花生营养器官含氮量变化的影响由表2可以看出,各生育时期花生叶片、茎秆和根系含氮量均表现为随着根土空间的增大,叶片、茎秆和根系含氮量逐渐增多,到限根深度60 cm处理时达到最多,之后再增大根土空间反而呈下降趋势(除6月15日根系含氮量外)。限根深度60,80 cm和不限根处理的叶片、茎秆和根系含氮量显著高于限根深度20,40 cm处理的叶片、茎秆和根系含氮量(除6月15日根系含氮量和8月20日限根深度40 cm外),而三者之间并无显著性差异。说明根土空间过小显著影响花生叶片、茎秆和根系含氮量,但当限根深度超过60 cm后,根土空间大小对花生根茎叶含氮量的影响变小。

表1　根土空间对花生根茎叶干质量变化的影响

注:同列不同小写字母分别表示处理间差异显著(P<0.05)。表2-7同。

Note:Small letters in the same column indicate significant difference among treatments at 0.05 levels.The same as Tab.2-7.

表2　根土空间对花生营养器官含氮量变化的影响

2.2.2根土空间对花生营养器官氮积累量变化的影响由表3可以看出,各生育时期花生叶片、茎秆和根系氮素积累量均表现为随着根土空间的增大而逐渐增多,到限根深度60 cm处理后氮素积累量增加不再显著，即限根深度60,80 cm和不限根处理的叶片、茎秆和根系氮素积累量差异不显著(除7月12日和7月28日茎秆氮积累量外),而三者显著高于限根深度20,40 cm处理的叶片、茎秆和根系氮素积累量(除6月15日茎秆和根系氮积累量外)。说明根土空间过小显著影响花生中后期叶片、茎秆和根系的氮素积累,但当限根深度超过60 cm后,根土空间大小对花生根茎叶氮素积累的影响变小。说明当限根深度超过60 cm后,根土空间大小已不是限制花生吸收氮素的主要因素。

表3　根土空间对花生营养器官氮积累量变化的影响

2.3根土空间对花生营养器官磷吸收积累变化的影响

2.3.1根土空间对花生营养器官含磷量变化的影响由表4可以看出,各生育时期花生叶片、茎秆和根系含磷量均表现为随着根土空间的增大而逐渐增多,到限根深度60 cm处理时达到或接近最大值,之后限根深度60,80 cm和不限根处理的叶片、茎秆和根系含磷量差异不显著,而三者显著高于限根深度20,40 cm处理的叶片、茎秆和根系磷氮量(除6月15日叶片、茎秆和根系含磷量外)。说明根土空间过小显著影响花生中后期叶片、茎秆和根系含磷量,但当限根深度超过60 cm后,根土空间大小对花生根茎叶含磷量的影响变小。

表4　根土空间对花生营养器官含磷量变化的影响

2.3.2根土空间对花生营养器官磷积累量变化的影响由表5可以看出,各生育时期花生叶片、茎秆和根系磷素积累量均表现为随着根土空间的增大而逐渐增多,到限根深度60 cm处理后磷素积累量增加不再显著,即限根深度60,80 cm和不限根处理的叶片、茎秆和根系磷素积累量差异不显著,(除7月12日和7月28日茎秆磷积累量外)而三者显著高于限根深度20,40 cm处理的叶片、茎秆和根系磷素积累量。说明根土空间过小限制了花生叶片、茎秆和根系的磷素积累,但当限根深度超过60 cm后,根土空间大小对花生根茎叶磷素积累的影响变小。即当限根深度超过60 cm后,根土空间大小已不是限制花生吸收磷素的主要因素。

表5　根土空间对花生营养器官磷积累量变化的影响

2.4根土空间对花生营养器官钾吸收积累变化的影响

2.4.1根土空间对花生营养器官含钾量变化的影响由表6可以看出,花生根茎叶含钾量在各个生育时期均表现随着根土空间的增大而逐渐增大,到限根深度60 cm达到或接近最大值之后限根深度60,80 cm和不限根处理的根茎叶含钾量差异不显著,而三者显著高于限根深度20,40 cm处理的根茎叶含钾量(除6月15日根含钾量外)。说明根土空间过小限制了花生根茎叶含钾量,但当限根深度超过60 cm后,根土空间大小对花生根茎叶含钾量的影响变小。

表6　根土空间对花生营养器官含钾量变化的影响

2.4.2根土空间对花生营养器官钾积累量变化的影响由表7可以看出,各生育时期花生根茎叶钾积累量均随着根土空间的增大而逐渐增多,但到限根深度60 cm处理后磷素积累量增加不再显著,即限根深度60,80 cm和不限根处理的根茎叶钾积累量差异不显著(除7月12日和7月28日茎秆钾积累量外),三者显著高于限根深度20,40 cm处理的根茎叶钾积累量。说明根土空间过小显著影响花生根茎叶钾素的积累。当限根深度超过60 cm后,根土空间大小对花生根茎叶钾素积累的影响变小。说明限根深度超过60 cm后,根土空间大小已不是限制花生吸收钾素的主要因素。

表7　根土空间对花生营养器官钾积累量变化的影响

3讨论

许多研究表明,过大的种植密度及不良的土壤条件如土层薄、耕层浅、土壤结构差、土壤过于紧实等都会使根系的生长空间受到限制,进而影响作物对水分和养分的吸收及产量的形成[18-20]。宋日等[21]研究认为限制根区体积可抑制玉米根系生长,增加了上层土壤的根系密度,氮和磷养分吸收效率降低,导致植株养分吸收量下降。宋海星等[22]认为限制根系生长空间虽严重影响了根系自身发育,降低了根系吸收总面积和TTC还原量,但却增加了根系的活跃吸收面积、比吸收表面、比活跃吸收表面,并提高了根系的TTC还原强度。说明在限制根系生长的逆境条件下,作物并不是被动地忍受逆境的胁迫,而是主动地调节生理代谢过程,增强对水分和养分的吸收能力,从而减缓逆境的伤害。本试验中过小的根土空间使得根系生长受限,对水分、养分的吸收受阻,从而显著影响花生根茎叶氮磷钾含量和积累量的提高。当限根深度超过60 cm后,根土空间大小对花生根茎叶氮磷钾含量和积累量的影响变小,说明此时的根土空间已基本达到根系对生长空间的基本需求,对土壤中水分、养分的吸收能够满足植株的生长需要。限根深度超过60 cm后,根土空间大小已不是限制花生吸收氮磷钾素的关键因素。

作物的产量形成因不同作物所需的根系纵深分布而不同。刘俊波等[23-24]用塑料布分别埋设在土面下10,20,30,40 cm处形成0～10,0～20,0～30,0～40 cm 4种根土空间,发现随着隔层深度的增加,黄瓜产量也随之增加,得出黄瓜需要10 cm根土空间就能获得和对照差异不显著的产量;结球甘蓝至少需要20 cm的根土空间才能达到和对照差异不显著的产量水平[25]。陶先萍等[26]发现根域限制条件下,棉花根系生物量、根系与保护酶活性、棉株总生物量、根冠比均低于对照,而地上部生物量与籽棉产量显著高于对照。本试验结果表明,根土空间过小显著影响花生根茎叶生长,生物量降低,这是由于根系生长受限,水分、养分吸收受阻所致。当限根深度超过60 cm后,根土空间大小对花生根茎叶生长的影响变小,这与对花生根茎叶氮磷钾含量和积累量的影响表现相一致,说明至少60 cm的根土空间是花生获得较高产量水平的一个必要条件。

参考文献：

[1]Inukai Y,Ashikari M,Kitano H,et al.Function of the root system and molecular mechanism of crown root formation in rice[J].Plant and Cell Physiology,2004,45(S):17-18.

[2]李永山,冯利平,郭美丽,等.棉花根系的生长特性及其与栽培措施和产量关系的研究Ⅱ栽培措施对棉花根系生长的影响及其与地上部和产量的关系[J].棉花学报,1992,4(2):59-66.

[3]段舜山,谷文祥,张大勇,等.半干旱地区小麦群体的根系特征与抗旱性的关系[J].应用生态学报,1997,8(2):134-138.

[4]洪彦彬,周桂元,李少雄,等.花生根部特征与地上部分性状的相关性分析[J].热带作物学报,2009,30(5):657-660.

[5]任小平,姜慧芳,王圣玉,等.花生根部性状的遗传分析[J].植物遗传资源学报,2007,8(4):392-395.

[6]任小平,姜慧芳,廖伯寿.不同类型花生根部性状的初步研究[J].中国油料作物学报,2006,28(1):16-20.

[7]刘登望,李林.湿涝对幼苗期花生根系ADH活性与生长发育的影响及相互关系[J].花生学报,2007,36(4):12-17.

[8]丁红,张智猛,戴良香,等.水氮互作对花生根系生长及产量的影响[J].中国农业科学,2015,48(5):872-881.

[9]徐亮,王月福,程曦,等.施磷对花生根系生长发育和产量的影响[J].花生学报,2009,38(1):32-35.

[10]贾立华,赵长星,王月福,等.不同质地土壤对花生根系生长、分布和产量的影响[J].植物生态学报,2013,37(7):684-690.

[11]冯烨,郭峰,李宝龙,等.单粒精播对花生根系生长、根冠比和产量的影响[J].作物学报,2013,39(12):2228-2237.

[12]陈安余,赵长星,王月福,等.断根对不同苗情花生根系生长分布与衰老特性的影响[J].应用生态学报,2014,25(5):1387-1394.

[13]王信宏,王月福,王铭伦,等.不同生育时期断根对花生光合特性及产量的影响[J].生态学报，2015，35(5)：1521-1526.

[14]高祺,张晓军,王月福,等.断根深度对花生叶片氮代谢特性及产量的影响[J].中国油料作物学报,2015,37(3):316-321.

[15]冯锴,赵长星,王月福,等.断根深度对花生光合特性及干物质积累的影响[J].华北农学报,2014,29(2):188-192.

[16]郭庆，冯锴，张晓军，等.断根深度对花生根系生长分布和衰老特性及产量的影响[J].华北农学报,2015,30(3):140-145.

[17]郭庆,冯锴,张晓军,等.断根深度对花生生长发育的调控效应[J].青岛农业大学学报,2015,32(2):112-116.

[18]郭安红,魏虹,李凤民,等.土壤水分亏缺对春小麦根系干物质累积和分配的影响[J].生态学报,1999,19(2):179-184.

[19]吕世华,曾祥忠,刘学军,等.限制根系下扎对水稻土上不同基因型小麦生长和锰营养的影响[J].中国农业科学,2002,35(7):809-814.

[20]苗果园,尹钧,张云亭,等.中国北方主要作物根系生长的研究[J].作物学报,1998,24(1):1-6,129-131.

[21]宋日,刘利,吴春胜,等.根系生长空间对玉米生长和养分吸收的影响[J].西北农林科技大学学报:自然科学版,2009,37(6):58-64.

[22]宋海星,李生秀.玉米生长空间对根系吸收特性的影响[J].中国农业科学,2003,36(8):899-904.

[23]刘俊波,李明,范凤翠,等.不同根土空间对黄瓜生长的贡献率研究[J].北方园艺,2014(6):46-50.

[24]刘俊波,范凤翠,李志宏,等.根土空间对黄瓜耗水及产量贡献率的影响[J].节水灌溉,2014(9):18-21.

[25]刘俊波,范凤翠,李志宏,等.不同根土空间对结球甘蓝生长贡献率的影响[J].江苏农业科学,2014,42(10):147-148,149.

[26]陶先萍,罗宏海,杨 海,等.根域限制下水氮供应对膜下滴灌棉花根系及叶片衰老特性的影响[J].植物生态学报,2013,37(3):256-267.

Effects of Soil Root-growing Space on Absorption and Accumulation of Nitrogen,Phosphorus and Potassium in Vegetative Organs of Peanut

LI Sumei,ZHANG Na,GUO Qing,ZHANG Xiaojun,ZHAO Changxing,WANG Minglun,WANG Yuefu

(Qingdao Agricultural University,Shandong Key Laboratory of Dry Farming Techniques,Qingdao266109,China)

Abstract：In order to investigate the appropriate size of root for the high-yield peanut,definite the reasonable spatial scope of root growth and provide theoretical for the new varieties breeding and high-yield cultivation of peanut.Effects of soil root-growing space(40 cm×20 cm×20 cm,40 cm×20 cm×40 cm，40 cm×20 cm×60 cm，40 cm×20 cm×80 cm)on absorption and accumulation of nitrogen(N),phosphorus(P)and potassium(K)in vegetative organs of peanut were studied by filling nylon bag with soil,Qinghua 7 as the material was applied to the research.The results showed that the smaller soil root-growing space restericted the improvement of the biomass of root,stem and leaf of peanut,N,P,K content and accumulation.When the limiting depth of root over 60 cm,the effects of soil root-growing space on the biomass of root,stem and leaf of peanut,N,P,K content and accumulation were weaken.This research suggested that soil root-growing space was not the key factor to restrict absorption of N,P,K when the limiting depth of root over 60 cm.When the limiting depth of root was not less than 60 cm,the soil root-growing space was essential to high-yield peanut.

Key words:Peanut;Root-growing space;Nitrogen;Phosphorus;Potassium

doi:10.7668/hbnxb.2016.02.028

中图分类号：S141

文献标识码：A

文章编号：1000-7091(2016)02-0170-06

作者简介：李素美(1963-),女,山东乳山人,高级实验师,主要从事花生栽培生理研究。通讯作者：王月福(1963-),男,山东莱阳人,教授,博士,主要从事花生高产栽培理论与技术研究。

基金项目：国家自然科学基金项目(31271657);国家花生产业技术体系项目(Nycytx-19);山东省花生现代产业技术体系项目(SDAIT-05-022-05);山东省农业良种工程项目;山东省高校旱作节水优秀创新团队项目

收稿日期：2016-02-17