不同钙肥用量对花生养分吸收利用与生长发育的影响

张克朝董奇琦霍元元艾 鑫蒋春姬于海秋赵新华*

(1.沈阳农业大学农学院,辽宁 沈阳110866;2.昌图县农业农村局农田建设管理股,辽宁 昌图112599)

花生是我国主要的油料作物和经济作物,已成为我国出口创汇、发展可持续农业的重要农作物之一,在农业生产中具有重要地位[1]。 目前,为追求花生生产的经济效益、提高花生产量,生产中普遍存在过量施用化肥、不平衡施肥现象,由此导致的肥料利用率低、环境污染等问题日益突出。 因此,合理平衡施肥,提高肥料利用率,是发展花生绿色、高产、高效生产亟待解决的关键问题[2]。

花生是喜钙作物,对钙极其敏感,需钙量约是大豆的2倍、水稻的5倍、小麦的7倍。 当钙不足时,花生根系细弱,荚果萎缩,空秕果及单仁果比例显著增大,产量显著降低,抗氧化保护体系被破坏[3-4]。 钙不仅是一种营养元素,还作为信号分子参与植物细胞内生理生化反应,调控植物代谢和发育[5-6]。 据报道,合理施用钙肥,不仅可显著增加花生叶片叶绿素含量,改善光合特性[7-8],而且可增加叶片SOD、POD、CAT 等酶活性和可溶性蛋白的含量[9],进而促进花生生长,提高产量和品质。 环境胁迫下,施钙肥促进Ca2+结合钙调蛋白(CAM),启动一系列生理生化过程,提高叶片叶绿素含量、净光合速率、根系活力,形成细胞的逆境伤害适应机制,进而起到Ca2+调控的中心作用[10-11]。

目前花生生产中过度注重氮、磷、钾等大量元素的施用,忽视了中量元素钙的作用,且对增施钙肥提高花生产量、促进养分吸收的生理机制尚不明确。 因此本研究在大田条件下,采用3个钙肥处理,分析了不同钙肥用量对花生形态性状、生理特性、养分吸收与利用和产量的影响,提出促进养分吸收,提高花生产量的合理施钙量,明确其作用生理机制,为花生合理配施钙肥提供科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验于2017-2018年在沈阳农业大学定位试验田进行,土壤为棕壤土,碱解氮91.26mg/kg,速效磷10.17mg/kg,速效钾125.12mg/kg,p H6.5。以辽宁大面积种植的花育22(HY22)和白沙1016(BS1016)为材料,在常规施肥基础上,设3个钙肥处理,分别为0、75、150kg/hm2,以不施钙肥为对照。 随机区组设计,3次重复。 每小区行长5.0 m,行距0.6 m,每小区4行,小区面积12m2,小垄双行交错单粒精播,穴距5.6cm,密度30万株/hm2。 为防止钙肥处理间相互影响,小区四周以PVC板隔开,隔板埋入地下深40 cm 处,地上部保留高15cm。 分 别 于2017-05-12 和2018-05-19 播 种,2017-09-22和2018-09-25收获。 常规肥施磷酸二铵和硫酸钾,用量为150 kg/hm2。 所有肥料均作基肥。 其他田间管理措施按照常规大田进行。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 植株性状调查

2017年和2018年均于苗期、开花下针期、结荚期和饱果期分别取样,测定农艺性状、产量等,2018年对生理特性及养分吸收特性进行了深入分析。 农艺性状:每个处理小区内选取有代表性的植株3株,测定主茎高、第一对侧枝长、分枝数和根系性状。 根部性状:于4个生育时期分别取样,方法:以整个植株主茎为中心,10cm 为半径,30cm 深,将完整的根部连土一起取出,用清水将根部冲洗干净备用。 用根系系统分析仪(EPSON V700)进行扫描,采用WinRHIZO Program(Regent Instruments Inc.,Canada)分析软件对根系形态(总根长度、根体积、根表面积、根系平均直径)等进行分析。

1.2.2 花生干物质积累的测定

于4个生育期分别取样,杀青后于80℃烘干至恒质量,测定根、茎、叶、果针和荚果等各器官干物质量。 然后将样品磨碎,装入自封袋中备用。

1.3 花生生理特性的测定

于结荚期,选取有代表性植株主茎的倒三叶叶片部分,参照王爱国方法[12]测定SOD 活性,采用愈创木酚法[13]测定POD 活性,采用林植芳方法[14]测定MDA 含量。

1.4 氮、磷、钾、钙含量的测定

对结荚期和饱果期植株各器官粉碎样品,利用硫酸—过氧化氢消煮进行前处理,采用凯氏定氮法测定氮含量,钼蓝比色法测定磷含量,火焰光度计测定钾、钙含量。

1.5 花生产量构成因素及产量的测定

收获前每小区选取有代表性的植株10株,调查百果质量、百仁质量、单株荚果数、单株饱果数,测量单株荚果质量。 收获时,每小区除去边行,再去掉两边0.5 m外植株,取中间2行4.0 m长植株计产。

1.6 肥料利用率计算

1.6.1 氮素利用效率=籽粒产量/成熟期植株吸氮量

1.6.2 氮肥偏生产力=施氮区籽粒产量/施氮量

1.6.3 钙肥利用效率=(施钙区植株吸氮量-不施钙区植株吸钙量)/施钙量

1.7 数据统计分析

用Excel 2003、DPS v7.05进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 钙肥不同用量对花生农艺性状的影响

由图1可以看出,不同施钙量处理对2个花生品种主茎高和侧枝长的影响作用相似。 随施钙量的增加,在生育前期,两品种的主茎高整体呈现增加趋势,结荚期后,两品种主茎高随施钙量增加而降低。 随施钙量的增加,在生育前期,两品种侧枝长整体呈现降低趋势,其中2017年BS1016侧枝长在开花下针期呈先升后降。 在结荚期后,两品种的侧枝长随施钙量的增加而增加,施钙量达150kg/hm2时最大。

图1 钙肥不同用量对花生形态性状的影响Fig.1 Effect of different dosage of calcium fertilizer on morphological characters of peanut

2.2 钙肥不同用量对花生根系形态的影响

2.2.1 根长

表1可知,2017、2018两年间不同施钙量处理对2个供试品种总根长影响相似。 增施钙肥显著增加了HY22和BS1016的总根长,分别在开花下针期和结荚期达最大值。 从苗期至结荚期,HY22的总根长呈增加趋势,其中增施钙肥75kg/hm2下显著高于其他处理,而施钙肥150kg/hm2下饱果期总根长显著高于其他处理。 从苗期至结荚期,增施钙肥显著增加了BS1016总根长,且在增施钙肥150 kg/hm2下总根长显著高于其他处理,而施钙肥75kg/hm2下饱果期总根长最长。

2.2.2 根表面积

表2可知,随施钙量的增加,生育前期HY22的根表面积呈先增加后降低的趋势,且在开花下针期时达到最大值。 随施钙量的增加,苗期BS1016根表面积逐渐降低,而开花下针期后逐渐增加。 与不施钙肥相比,增施钙肥后根表面积均显著增加,且施钙量为150kg/hm2根表面积增加最高。

2.2.3 根平均直径

由表3 可知,随施钙量的增加,生育后期HY22的根平均直径呈显著降低趋势,且不施钙肥处理在结荚期最大,而增施钙肥处理在饱果期达最大。 BS1016各处理间根平均直径差异不显著。 说明,HY22在幼苗期和结荚期的根平均直径对钙肥反应比较敏感。

2.2.4 根体积

表4可见,从幼苗期到开花下针期,花生根体积逐渐增长且增长速度较快,增施钙肥处理下的根体积均高于不施钙肥处理。 在结荚期,增施钙肥处理的植株根体积均高于不施钙肥处理。 其中,HY22在75 kg/hm2钙肥的处理条件下根体积最高,BS1016在150 kg/hm2钙肥的处理条件下根体积最高。

表1 钙肥不同用量对花生总根长的影响Table1 Effect of different dosage of calcium fertilizer on root length in peanut

表2 钙肥不同用量对花生根表面积的影响Table 2 Effect of different dosage of calcium fertilizer on root surface area of peanut

表3 钙肥不同用量对花生根平均直径的影响Table 3 Effect of different dosage of calcium fertilizer on root average diameter dynamic of peanut

表4 钙肥不同用量对花生总根体积的影响Table 4 Effect of different dosage of calcium fertilizer on root volume of peanut

图2 钙肥不同用量对花生总干物质积累的影响Fig.2 Effect of different dosage of calcium fertilizer on total dry mass of peanut

2.3 钙肥不同用量对花生干物质积累的影响

由图2可见,与不施钙肥处理相比,增施钙肥处理有利于花生植株干物质积累。 在饱果期时,HY22 在75kg/hm2、150kg/hm2处 理 下 植 株 干物质积累量比不施钙肥处理分别提高12.5%、15.2%,而BS1016在150kg/hm2时干物质积累最多,说明钙肥的施用能有效提高花生干物质积累量,为增产提供物质基础。

2.4 钙肥不同用量对抗氧化酶活性的影响

由图3 可知,增施钙肥后,HY22 和BS1016叶片SOD 的活性有所增强,且两个花生品种叶片的SOD 活性与钙肥用量都呈正相关,即随施钙量的增加呈升高趋势。 此外,POD 的活性也呈增加趋势,并且在75 kg/hm2钙肥处理条件下活性达到最高,显著高于其他钙肥处理;增施钙肥降低了叶片MDA 含量,其中,HY22 降幅最大,对外源钙的响应更敏感,然而各钙肥处理间叶片MDA差异不显著。 其中,在75 kg/hm2钙肥处理下,BS1016植株叶片MDA含量的降幅大于150 kg/hm2钙肥处理。

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图3 钙肥不同用量对花生抗氧化酶活性的影响Fig.3 Effects of different dosage of calcium fertilizer on antioxidant enzyme activity of peanut

表5 钙肥不同用量对花生各器官氮含量的影响Table 5 Effect of different dosage of calcium fertilizer on N content in peanut

2.5 钙肥不同用量对花生各器官养分含量的影响

2.5.1 对各器官氮含量的影响

表5可见,在结荚期花生各部位含氮量表现为叶＞荚果＞根＞茎,而饱果期花生各部位含氮量表现为荚果＞叶＞根＞茎。 在饱果期,叶片中氮含量随钙肥的增加而减少,但荚果中的氮含量变化并不显著,HY22叶片氮含量随着钙肥的增加而增大。

2.5.2 对各器官磷含量的影响

如表6所示,结荚期花生各器官的磷含量高于饱果期各器官的磷含量。 增施钙肥处理下在饱果期HY22的茎中的磷含量显著高于不施钙肥处理,且75 kg/hm2钙肥处理时尤为明显。

2.5.3 对各器官钾含量的影响

如表7所示,结荚期和饱果期两品种根中钾含量最低。 从结荚期到饱果期,荚果的钾含量有所下降,茎和叶的钾含量变化不明显。 但是,在结荚期,增施钙肥处理对根和荚果钾含量的影响较明显,均达到显著水平,且75 kg/hm2钙肥处理下荚果的钾含量均高于其他处理。 增施钙肥对饱果期茎的钾含量影响比较显著,均达到显著水平。

2.5.4 对各器官钙含量的影响

从表8可见,从结荚期到饱果期,植株根、茎和荚果中钙含量有增长趋势,而叶片中钙含量则呈降低趋势。 增施钙肥后,HY22各器官钙含量均高于不施钙肥处理,且75 kg/hm2钙肥处理条件下显著增加。 而BS1016 增施钙肥后,各部位含钙量均高于不施钙肥的处理。

表6 钙肥不同用量对花生各器官磷含量的影响Table 6 Effect of different dosage of calcium fertilizer on the content of P in peanut

表7 钙肥不同用量对花生各器官钾含量的影响Table 7 Effect of different dosage of calcium fertilizer on the content of K in peanut

表8 钙肥不同用量对花生各器官钙含量的影响Table 8 Effect of different dosage of calcium fertilizer on the content of Ca in peanut

2.6 对产量及产量构成因素的影响

由表9可见,2017-2018 两年间,增施钙肥后显著增加了两品种单株饱果数,提高了出仁率,增加了果质量和仁质量,且在施肥量75kg/hm2处理下达显著水平。 增施钙肥处理的花生荚果产量显著高于不施钙肥处理,且HY22的产量高于BS1016。 2017年增施钙肥显著增加了花生荚果产量,两品种以中等施肥量75kg/hm2产量最高,比不施钙肥处理分别显著高出9.4%和4.7%,而2018年则显著增加5.3%和6.7%。 可见,施钙增产的原因主要是增加了单株饱果数,提高了荚果出仁率,增加了果质量和仁质量。

表9 钙肥不同用量对花生产量及产量构成因素的影响Table 9 Efferent of different dosage of calcium fertilizer on yield and yield component of peanut

表10 钙肥不同用量对花生肥料利用率的影响Table 10 Effect of different dosage of calcium fertilizer on the fertilizer utilization rate of peanut

2.7 对肥料利用率的影响

由表10可知,增施钙肥提高了花生植株各器官氮素利用效率、氮肥偏生产力和钙肥利用率。其中在75kg/hm2处理下,两个品种的氮素利用效率最高,比不施钙肥处理分别显著提高了5%和6%,氮肥偏生产力分别显著增加了9.41%、26.11%,钙肥利用率分别显著增加了5%和3%。可见,增施钙肥可以显著提高花生养分利用效率,从而提高花生产量,为增产、增效提供理论依据。

3 结果与讨论

随着现代农业发展,合理、高效的施肥技术已成为直接影响作物产量和品质的关键因素。 本研究结果表明,施钙能明显促进HY22和BS1016两品种的生长发育,且主要表现在花生主茎高、侧枝长度、总根长、根表面积和根体积的提高,从而提高干物质积累,增加单株荚果数、出仁率、百果质量、百仁质量,保证产量。 这与前人研究的合理施用钙肥能明显提高花生主茎高、侧枝长、总分枝数和明显提高花生产量及品质的结果一致[10,15-16]。 增施钙肥促进花生生长发育的原因可能与Ca2+作为信号在植物体内调控作用有关。 外源施钙有效促进了花生体内碳水化合物的转化和氮素代谢,使更多的营养物质转移至生殖器官,避免了氮素过多地在营养器官积累而导致营养体生长过快,协调了营养生长与生殖生长之间的关系[17]。

施钙除直接影响植株生长发育外,还能通过调节体内酶活性来影响植株发育。 本研究结果表明,与不施钙肥相比,增施钙肥能明显提高植株叶片的SOD、POD酶活性,同时降低丙二醛含量,且POD的活性和MDA 含量均在75 kg/hm2钙肥处理条件下活性和降幅最高。 据前人研究报道,外源钙提高了花生叶片中保护酶和代谢酶活性,提高花生抗逆能力,改善花生产量和品质[18-19]。 与本研究结果一致,说明增施钙肥能提高花生的抗逆性。

适量施用钙肥对植株养分的吸收分配有重要影响,提高植株对营养元素的吸收能力,其中氮、磷、钾等均与植物生长发育和胁迫耐受有重要联系。 前人研究表明,施钙促进植株对氮、磷、钾的吸收能力,增加根系磷含量和叶片钾含量,促进根系的生长和植株茎秆健壮,产量及经济系数都有所升高[20]。 本研究结果表明,增施钙肥,使得结荚期HY22根系和荚果氮含量显著增加,根系和叶片中磷含量显著增加,而根系钾含量降低,且对根系和荚果钾含量影响显著,施钙量75kg/hm2最明显,这与前人研究结果一致。 随施钙量增加,植物体内钙含量也发生变化。 本试验表明,钙在植株体内的分布是叶＞茎＞根＞荚果。 茎、根和荚果含钙量从结荚期到饱果期呈增长的趋势。 增施钙肥明显增加了花生各器官的含钙量。 HY22和BS1016增施钙肥后,各器官含钙量均高于不施钙肥的处理,HY22在75 kg/hm2钙肥处理条件下表现明显。 可见,增施钙肥促进了氮从营养器官向生殖器官的转运,对促进籽仁中蛋白质的合成和提高品质有重要意义。 磷、钾、钙含量的增加,促进了花生植株生长发育,增强了叶片光合作用,进而提高了花生产量[21-22]。

氮素作为植物生长发育的大量元素之一,氮肥的肥料利用效率可直接影响作物产量提高和品质改善。 本研究发现,增施钙肥明显提高了氮肥利用率、氮肥偏生产力和钙肥利用率,施钙量达75kg/hm2时效果最佳。 以往研究表明,合理配施钙肥,不仅可以改善花生的形态性状,提高产量,还可培肥地力,提高改善土壤养分供应能力,促进氮肥利用率[23-24]。

综上所述,合理增施钙肥可有效促进植株地上部发育和地下根系塑造,同时能活化体内酶活代谢反应,最终通过促进营养元素吸收与分配为干物质积累和地下产量形成提高物质基础。 且在本试验条件下,75kg/hm2钙肥用量对花生生长促进作用最明显,显著提高了肥料利用效率。