减氮增钙及施用时期对花生生长发育及生理特性的影响

伊淼, 王建国 , 尹金, 郭峰, 张佳蕾,唐朝辉, 李新国,3*, 万书波,3*

(1.青岛农业大学农学院, 山东 青岛 266109; 2.山东省农业科学院生物技术研究中心, 山东省作物遗传改良与生态生理重点实验室, 济南 250100; 3.农业农村部华东地区作物栽培科学观测实验站, 山东 东营 257000)

花生(ArachishypogaeaL.)是我国重要的油料作物和经济作物，在农业种植结构中占据重要的位置，也是国民经济发展和国家油料安全的重要保障。施肥可以提高花生的产量与品质[1-2]。但过多地施用氮肥严重抑制了花生根瘤的固氮作用，并给环境带来巨大压力[3]，同时也会降低花生根、茎、叶中的谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase，GS)活性和荚果中的谷氨酸脱氢酶(glutamate dehydrogenase，GDH)活性[4]。传统花生施肥方式(基肥一次性施入)易造成花生前期旺长，不仅增加了倒伏风险，而且极易造成后期脱肥，肥料利用率低，施肥量虽大，但不一定高产[5]。而适期分量追肥，可以缓解花生生育后期衰老状况，提高花生产量[6]。

花生属于喜钙作物，研究花生需肥特性发现，开花下针、结荚期对钙肥的需求量较大[7]。花生荚果发育状况及种子质量受Ca2+影响密切[8]。前人研究表明，施钙肥可以提高作物的抗逆性，提高旱地花生生育后期的保护酶活性和花生荚果产量[9]，有效促进养分的吸收[10]。而在花生生产中普遍只施基肥[2]，并且以氮肥为主，忽视了钙肥的重要性及花生的需肥特性。不同追肥时期对花生光合特性、叶片衰老特性[11]、产量[12]、碳氮代谢酶活性的影响，关系到植株的氮转运量、氮代谢效率、碳氮协调程度以及最终的作物产量[13-14]，这方面已有不少研究。但关于减氮配合增钙及适期追肥对碳氮代谢酶活性影响的研究较少，本研究选取南北两地，根据花生的需肥特性，采用基肥+花针期追肥的施肥方式，结合氮肥减施和增施钙肥，探究花针期追施氮肥和增施钙肥对花生主要碳氮代谢酶活性和花生产量的调控效应，为花生减肥栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

花生品种‘花育25’和‘湘花2008’作为试验材料，分别由山东省农科院花生研究所和湖南农业大学旱地作物研究所培育和提供。供试肥料有尿素(氮肥)、磷酸二氢钾(磷、钾肥)和氧化钙(钙肥)，均购自国药集团化学试剂有限公司。

1.2 试验设计

选取北方黄淮海产区(北方产区)和南方红壤旱地产区(南方产区)两个具有典型差异的生态区开展试验。北方产区试验在山东省农业科学院饮马泉试验基地进行，供试花生品种为‘花育25’。土壤质地为砂壤土。土壤基础养分含量为：有机质19 g·kg-1、全氮0.93 g·kg-1、碱解氮22.05 mg·kg-1、速效钾82.50 mg·kg-1、速效磷10.79 mg·kg-1、交换性钙17.67 g·kg-1。试验设置氮、钙肥的不同施用量共6个处理，详见表1。供试花盆外径40 cm、高30 cm。将适量风干土装入花盆中，基施肥料与0～10 cm土壤均匀混合。花生于2018年7月8日播种，10月23日收获。每盆2株，每个处理12盆。追肥处理于播种后50 d，直接将肥料撒施到土壤表层，淋水溶解，不追肥处理浇灌等量水。病虫害等采用常规田间管理。

南方产区试验在湖南农业大学耘园试验基地进行，供试品种为‘湘花2008’。试验土壤为湖南第四纪红壤表层土，土壤理化性质为有机质7.3 g·kg-1、全氮0.82 g·kg-1、碱解氮64.0 mg·kg-1、有效磷未检出、速效钾82.0 mg·kg-1、交换性钙148 mg·kg-1。试验设5个处理，详见表1。采取土柱栽培法，所用的PVC管内径37.5 cm、高70 cm。每桶装干土100 kg。基施肥料与0～10 cm土壤均匀混合。花生于2016年6月10日播种，10月6日收获。每盆2株，每个处理8盆。水分和病虫害等采用常规田间管理。

表1 肥料施用方案Table 1 Designation of fertilizer application (kg·hm-2)

1.3 测定项目与方法

1.3.1植株干物质和产量北方和南方产区分别于播种后108和111 d(成熟期)挖取6株花生，并按根、茎、叶、果分样，105 ℃烘箱烘烤30 min，80 ℃烘干至恒重，称取干物质量，3次重复。

1.3.2叶绿素相对含量于花生播种后 50、80、108 d的上午 9:00—11:00，利用SPAD-502Plus(日本)仪器测定9株长势一致的花生倒三叶，3次重复，取平均值。

1.3.3根瘤数量鲜重于结荚期挖取整株花生，保证所有根瘤取出，轻轻抖落根上的土，收集落在纸上的根瘤及带根瘤的根。将样品放在100 目的筛子中流水冲洗，摘取可见根瘤，收集后计数、用GL124-1SCN天平(德国，赛多利斯公司)称重，3次重复。

1.3.4碳氮代谢酶活性分别于播种后30、50、80、108 d取主茎倒三叶，用液氮速冻后置于-70 ℃超低温冰箱保存，用于测定谷氨酸合成酶(glutamate synthase，GOGAT)、谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase，GDH)、蔗糖合成酶(sucrose synthetase，SS)、蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphate synthase，SPS)活性，测定方法分别参照GOGAT-2-Y、GS-2-Y、SSⅡ-2-Y、SPS-2-Y试剂盒(苏州科铭生物技术有限公司)说明书进行，3次重复。仪器使用Centrifuge 5804 R冷冻离心机(德国，艾本德)和UV-1750紫外可见分光光度计(日本，岛津公司)进行。

1.3.5产量收获时，风干并测定荚果产量、籽仁产量、单株饱果数、百果重和百仁重。

1.4 数据处理

采用Micosoft Excel 2013进行数据整理及绘图，采用SPSS 22.0软件进行数据处理和分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对花生干物质积累量的影响

北方产区不同处理的花生干物质量结果(表2)显示，施用氮肥处理的单株干物质积累量较不施氮肥处理(T0)显著高40.0%～60.3%。施肥处理对花生营养器官、生殖器官及总干物质量的影响趋势类似。与传统施肥(T1)相比，减施45 kg·hm-2N同时增施450 kg·hm-2CaO基肥(T4)和减施45 kg·hm-2N同时增施450 kg·hm-2CaO追肥(T5)处理的单株干物质积累量无显著增加，且T4与T5处理间无显著差异；增施450 kg·hm-2CaO作底肥(T2)处理的单株干物质积累量最高，显著高于T1处理，较不施氮肥(T0)处理的单株干物质积累量显著提高60.3%。T2、T4、T5处理的收获指数均显著高于T0和T1处理，表明适量的氮肥和钙肥促进干物质向荚果中积累，因而提高了收获指数。南方产区不同处理的花生干物质量结果显示，施肥处理可以提高南方产区的花生干物质积累量。S2处理的总干物质积累量最高，单株总干物质积累量较S1处理显著提高15.6%，与S4处理间无显著差异。减施N 45 kg·hm-2条件下，增施钙肥处理(S4)与不施钙处理相比(S3)，显著提高了单株总干物质积累量，S2、S3和S4处理较S0和S1显著提高了收获指数。

表2 不同处理的花生干物质量Table 2 Dry matter contents of peanut in different treatments

2.2 不同处理对花生叶片SPAD值的影响

植物叶片叶绿素含量的高低可以反映植物叶片光合能力以及植物的生长状态。由图1可知，随着生育期推进，T0、T1、T2和T3处理的叶片叶绿素相对含量(SPAD值)大致呈现减小的变化趋势，而T4和T5处理在播种后80 d的叶片SPAD值较播种后50 d相对上升，在播种108 d后SPAD值比T1处理分别提高12.7%和16.5%。这说明减氮增钙并在花针期追施可以使花生在生育中后期保持较高的叶片叶绿素含量。

2.3 不同处理对结荚期单株根瘤数量和鲜重的影响

不同处理的结荚期单株根瘤数量和鲜重结果(图2)显示，T3、T4和T5处理的单株根瘤数量较T1处理分别显著提高85%、111%和78%。T3、T4和T5处理的单株根瘤鲜重较T1分别显著提高381%、259%和73%。表明T3、T4、T5处理促进了结荚期花生根瘤的生长发育，提高了花生的生物固氮能力。T4处理的结荚期单株根瘤数量及鲜重均高于T3和T5处理，虽然没有显著性差异。

图1 不同处理的花生叶片SPAD值Fig.1 SPAD value of peanut leaves in different treatments

注：不同小写字母表示相同指标不同处理间差异在P<0.05水平具有显著性。Note: Different lowercase letters of the same index indicate significant differences between different treatments at P<0.05 level.图2 结荚期不同处理的花生单株根瘤数量和鲜重Fig.2 Number and fresh weight of root nodules per plant at pod setting stage

2.4 不同处理对花生叶片碳代谢酶活性的影响

蔗糖合成酶是蔗糖合成的关键酶，对于植物的碳代谢具有重要意义。图3表明，不同处理的花生叶片SS活性在整个生长周期内均呈先升高后降低的趋势，在播种后80 d(结荚期)达到峰值。与T1相比，T2处理可明显提高花生叶片的SS活性，促进蔗糖合成，说明高氮肥施用情况下增施钙肥可提高花生叶片的SS活性。T4和T5处理较T3处理提高了SS活性，表明氮钙配施有利于提高SS活性。

蔗糖磷酸合成酶参与调节蔗糖合成，其活性影响植物碳代谢。各处理花生叶片的SPS活性呈现先增加后减小的变化趋势，不同处理变化趋势一致。T5处理SPS活性最大值出现在播种后80 d，其他处理最大值出现在播种后50 d。在播种后80 d， T2处理的SPS活性仍为最大，T4、T5处理高于T1、T3、T0处理。表明在施用氮肥的基础上增施钙肥可以提高 SPS活性。在播种后108 d，T4、T5处理的SPS活性下降幅度较小，酶活性高于其他处理。说明T4、T5处理有利于保持花生生育后期的SPS活性，促进花生生育后期的生长。

2.5 不同处理对花生叶片氮代谢酶活性的影响

谷氨酸合成酶广泛存在于植物中，对于氨同化有一定的调控作用。由图4可知，各处理花生叶片的GOGAT活性均呈先增加后减小的变化趋势。T2处理的GOGAT活性最大，说明在施用氮肥的基础上，增加钙肥能提高 GOGAT活性。 T4和T5处理的叶片GOGAT活性最大值出现在播种后80 d，生育后期仍保持较高活性，这说明花针期追肥可促进GOGAT活性最高峰后延，保证花生生育后期的氮代谢。

谷氨酰胺合成酶是生物体氨同化的关键酶之一，并参与及影响氮代谢水平。由图4可知，所有处理的GS活性大致都呈现出“升-降-升”的波浪型变化趋势。生育前期(播种后30～50 d)，T4处理的叶片GS活性要低于T1处理，而在生育中后期(播种后108 d)活性上升较快，与T1基本保持一致，说明减少基施氮肥增施钙肥，促进了花生生育中后期的GS活性提高。T2处理在4个生育时期的GS活性都优于其他处理，说明在保证氮肥的基础上，增施钙肥，有利于提高花生的GS活性。

2.6 不同处理对花生产量及产量构成因素的影响

由表3可知，南方和北方产区，施肥处理整体可以显著提高花生的荚果和籽仁产量、单株饱果数、百果重、百仁重。T2处理的荚果产量和籽仁产量均较常规施肥处理(T1)显著提高，而T4处理的荚果和籽仁产量与T1处理间均无显著差异。整体看，T1、T2、T4、T5处理间的单株饱果数、百果重和百仁重无显著差异，且均显著高于T0和T3处理。不施氮肥条件下，增钙基施(T3)处理的荚果产量为5 602 kg·hm-2，比T0处理显著提高26.2%；基施氮肥条件下，T2处理比高氮基施处理(T1)的荚果产量显著提高10.8%；减氮且分期追施条件下，T4的荚果产量比T5显著提高22.8%，表明基施钙肥对产量提升的效果优于花针期追施钙肥的效果；钙肥基施条件下，T2处理的荚果产量比T3处理显著提高49.3%，T4处理的荚果产量比T3处理显著提高40.8%。结果表明，氮肥与钙肥是影响产量的重要因素，整体来看，施氮肥处理的荚果产量显著高于T0和T3处理，同等基施氮肥条件下，增施钙肥有助于提高产量。

图3 不同处理花生叶片的碳代谢酶活性Fig.3 Activities of carbon metabolism enzymes of peanut leaves in different treatments

图4 不同处理的花生叶片氮代谢酶活性Fig.4 Activities of nitrogen metabolic enzymes of peanut leaves in different treatments

表3 不同处理的花生产量及产量构成因素Table 3 Yield and yield components of peanut in different treatments

南方产区中，S2和S4处理的荚果和籽仁产量较高，显著高于其他处理，二者间无显著差异，S1、S3处理的荚果产量较S0处理增加41.7%～52.2%。增施钙肥处理(S2和S4)的荚果产量分别较相应不施钙肥处理(S1和S3)显著提高29.8%和18.8%，表明增施钙肥可显著提高花生荚果产量。与S3处理相比，S1处理的氮肥用量提高28.7%，而荚果产量减少333 kg·hm-2，表明在南方红壤土不施钙肥条件下过量施氮不利于产量的形成。与S4处理相比，S2处理增施氮肥同时配施钙肥568 kg·hm-2，荚果产量提高94 kg·hm-2，单株饱果数显著提高10.9%，表明增施氮、钙肥有利于提高单株饱果数，为花生高产的形成奠定基础。

两地产量结果表明，增施钙肥可以提高荚果产量，但南方产区的花生增产潜力高于北方产区。在北方产区，减施氮肥明显降低花生产量，在南方产区不增施钙肥条件下减施氮肥与高氮肥处理相比产量增加，说明在南方红壤产区，适当减少氮肥投入有利于花生产量的提高。

3 讨论

3.1 减氮增钙及施用时期影响花生的生长发育

干物质积累会影响生殖生长最终影响产量[15]。适当补充土壤中的氮素、钙素，可以提高番茄对枯萎病的抗性，促进其干物质积累[16]。本研究南北方两个产区的研究结果表明，施肥可以提高花生的单株干物质积累量，其中增施钙肥+氮肥减施、并分次施用(T4)处理在减少氮肥基施的基础上，增施钙肥可以提高花生的单株干物质积累量。

在高氮条件下，生物固氮量在总吸收氮量中的比重下降，豆科作物的生物固氮能力在减弱[17-18]。合理施用氮肥可以促进花生的正常发育，增加根瘤数量，保持应有的供氮能力[19]。酸性土质下，Ca的添加可以上调苜蓿结瘤相关基因的表达并促进根瘤的结瘤[20]。本研究T4处理可以显著提高花生的根瘤数量和鲜重，增加根瘤的生物固氮能力。

3.2 减氮增钙及施用时期影响花生的碳氮代谢酶活性

叶片是碳氮代谢的主要场所，其主要碳氮代谢酶(GS、GOGAT、SS和SPS)催化合成蔗糖、蛋白质等营养物质，对植物生长发育具有重要影响[21]。氮肥、钙肥对花生主要碳氮酶活性都有一定的影响[4,22]。氮肥的施用有利于烟株氮代谢水平的提高，同时对碳氮代谢转换起到一定的调控作用[23]。张逸等[24]研究发现，钙水平增加到6 mmol·L-1时，可显著提高大葱叶片的氮代谢酶活性，并可提高其茎、叶鲜重。本研究表明，氮、钙配施处理(T2)显著提高了花生的主要碳氮代谢酶活性。马东辉等[25]研究发现，过量施用氮肥会干扰小麦的正常氮代谢、脂质代谢等过程，影响籽粒正常发育。张超男等[26]研究发现，玉米基施肥料+拔节期、大喇叭口分别追施氮肥有利于提高SS、SPS酶活性，促进碳代谢。本研究表明，减少肥料的总投入，改为基施钙、氮肥，追施氮肥可提高花生生育中后期的GS、GOGAT、SS和SPS活性，为花生产量的提高提供物质基础。原因可能是，基施+花针期追肥符合花生的需肥特性，促进花生蔗糖、碳水化合物等碳代谢产物的合成，保证花生生长发育后期的代谢需求。

3.3 减氮增钙及施用时期影响花生的产量

张翔等[27]研究发现，氮肥完全基施的增产效果较差，氮肥利用率低，以基施N 40 kg·hm-2、苗期和花针期分别追施N 40 kg·hm-2处理的氮肥利用率最高，同时此处理可以提高花生荚果产量。本研究发现，在北方黄淮海产区，增施钙肥+氮肥减施、并分次施用处理与传统施肥相比增产约4.5%，产量构成表现为单株饱果数提高、百果重增加。原因可能是该处理减少了氮肥施用量、增施了钙肥，进而进一步发挥了根瘤的生物固氮作用。

本研究发现，减氮增钙处理可以提高南方红壤产区和北方黄淮海产区两地的花生产量，南方产区的花生增产幅度高于北方产区，说明减少氮肥施用对南方产区的花生产量影响更小，这为南北方花生产区花生种植的施肥量及施肥方式提供一定的参考价值。

综上所述，在减少氮肥投入的前提下，改变施肥方式，以钙肥作为底肥、花针期追施氮肥，可增加花生结荚期的根瘤数量与鲜重，提高花生生育中后期的碳氮代谢水平，促进植株的干物质积累、提高单株饱果数、百果重，最终提高花生产量。根据花生生长发育不同阶段的营养需求，深入开展系统、多年多点试验有利于进一步研究氮钙配施、减氮对产量及产量构成的影响，为肥料减施和缓控施肥配方提供依据，以实现花生精简施肥、肥效全程可控。