花生根和荚果对外源钙的吸收特性研究

李 亮 张 翔,* 司贤宗 索炎炎 程培军 徐凤丹 李 倩 余 辉

(1 河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002；2 正阳县花生研究所，河南 正阳 463600)

花生(ArachishypogaeaL.)是我国食用油源、食品工业理想原料及出口创汇的重要经济作物和油料作物[1]。花生对钙的需求量较大，需钙量约是大豆的2倍、水稻的5倍、小麦的7倍[2]，仅次于对氮、钾的需求，每形成100 kg荚果吸收的钙含量高达2.0～2.5 kg[3]。钙参与花生种子萌发、生长分化、形态建成、开花结果、产量构成及品质形成的全过程[4-9]。因花生生产过程中长期过于重视氮、磷、钾肥，忽略钙肥施用，花生从土壤中带走的钙逐年增多，土壤复钙机制丧失，土壤缺钙趋势凸显，影响了花生对钙的直接吸收[10]。当吸收钙量不足时，花生光合产物转化率低、运转不畅，荚果虽能膨大成熟，但籽仁发育受阻，空瘪果增加，产量下降，品质变劣。

施钙是缓解土壤钙素缺乏、花生提质增产的主要途径。国内外关于花生钙素营养的研究较多，主要涉及钙对花生生长发育、生理生化特性、产量和品质的影响，钙肥与其他肥料配施的综合效应及花生缺钙的评判标准方面的研究，且初步明确了钙素对花生抗逆性、荚果发育、产量构成等方面的重要作用[11-12]。但受研究方法的限制，针对同一种植系统花生根和荚果吸钙特性的研究报道较少。王在序等[13]用45Ca进行土壤标记盆栽试验，花生开花后用盛有无45Ca土壤的烧杯置于适当位置以迎果针入土，使荚果与45Ca环境隔离，以便研究根系和荚果对钙的吸收，发现45Ca主要保留在茎叶中，荚果发育所需钙素由根系供应的甚微。周卫等[14]采用45Ca微观放射自显影、电子探针及特异性抑制剂研究花生荚果钙素吸收，发现荚果吸钙属主动吸收，其果皮组织的分化可调节钙素的吸收运输，大量的薄壁细胞可作为强大的钙库。在上述研究的基础上，本研究拟通过自主研发的花生根果分区装置进行培养试验，探讨根区和荚果区施钙对花生生长发育、产质量及钙素吸收利用的影响，旨在探明同一种植系统花生根和荚果的吸钙特性，为花生生产上科学合理施用钙肥，实现花生优质高产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地点位于河南省正阳县兰青乡花生试验示范基地，采用由河南省农业科学院经济作物研究所选育的、对钙敏感性不同的珍珠豆型花生品种豫花37和豫花23为试验材料。酸性低钙土壤取自正阳县兰青乡大余庄未受污染的花生田表层土，土壤自然风干、粉碎、混匀、过筛备用。土壤基本理化性质为pH值5.1，含有机质15.37 g·kg-1、总氮0. 90 g·kg-1、碱解氮87.14 mg·kg-1、速效磷19.62 mg·kg-1、速效钾103.05 mg·kg-1、 土壤交换性钙1.72 g·kg-1。供试肥料氮、磷、钾和钙肥分别采用尿素(N 46%)、磷酸一铵(N 11%，P2O544%)、氯化钾(K2O 60%)、碳酸钙(CaO 53%)。

1.2 试验设计

试验设5个外源钙处理：CK(不施钙)、RL(根区施0.20 g·kg-1CaO)、RH(根区施0.80 g·kg-1CaO)、PL(荚果区施0.20 g·kg-1CaO)、PH(荚果区施0.80 g·kg-1CaO)。不同外源钙处理下播种豫花37和豫花23基因型花生，共10个处理，每个处理10个重复，随机排列置于花生田中。

试验在自主研发的花生根果分区培养装置(直径50 cm×高50 cm)(图1)中进行。该装置采用不透光的硬质PVC板材加工而成，下端开透气孔，上端设有承重台。承重台上安装可拆卸的隔离板。隔离板上带有可同时给隔离板上下两层浇水的浇水管。浇水管周围均匀分布锥体结构的定植管，且定植管上端开口处设有滑槽。滑槽上设有滑片，通过滑片的移动可自由调节定植管上端开口直径为1～5 cm。播种前，先在隔离板下层装15 kg土壤。选取饱满且大小一致的种子在定植管对应位置每盆播4穴，每穴1粒，盖上层隔离板。隔离板上层同样装15 kg土壤，通过在隔离板上下层添加不同量的碳酸钙使试验达到预先设置的钙水平，且隔离板上下两层土壤均匀施入氮、磷、钾肥(N 0.15 g·kg-1、P2O50.10 g·kg-1、 K2O 0.15 g·kg-1)。待出苗后，根系在隔离板下层区域内生长，花生植株从定植管内长出，下针期调小定植管上端开口，使果针只沿定植管外壁进入隔离板上层土壤中发育成荚果，花生根系和荚果分区培养，便于分别研究花生根和荚果对钙的吸收。在花生生长期内，定期加水控制培养箱内土壤含水量为田间最大持水量的70%。

图1 花生根果分区培养装置整体和剖面示意图Fig.1 Schematic diagram of partition culture device for peanut root and pod

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤钙含量 于饱果成熟期采集根区和荚果区土壤，风干后研磨过筛备用。土壤钙形态组成采用修订的BCR连续提取法，用美国珀金埃尔默公司生产的Optima 2000 DV电感耦合等离子体光谱仪(inductively coupled plasma optical emission spectrometer,ICP-OES)进行测定[15-17]。

1.3.2 花生农艺性状及产质量 于饱果成熟期，在每个处理选取有代表性的10株花生，测定其主茎高、第一侧枝长、总分枝数、单株饱果数、出仁率、百果重。同时挑选生长发育一致的荚果，烘干、保存，测定籽仁可溶性糖、蛋白质、粗脂肪含量及脂肪酸和氨基酸组分。其中，可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法[18]，蛋白质含量测定采用凯氏定氮法[19]，粗脂肪含量测定采用索氏提取法[20]，脂肪酸组分分析采用气相色谱法[21]，氨基酸组分分析采用L-8800氨基酸自动分析仪(Hitachi公司，日本)[22]。

1.3.3 植株钙含量 于饱果成熟期，在每个处理选取有代表性的10株花生植株，将植株分为根、茎、叶、果壳、籽仁五部分，分别在105℃下杀青30 min，70℃烘至恒重，称重并粉碎过筛，采用HNO3-HClO4消化-原子吸收分光光度法[15]测定植株钙含量。按照公式分别计算花生植株各器官钙积累量、荚果钙利用效率(Ca use efficiency of pod,CUEP)和籽仁钙利用效率(Ca use efficiency of kernel,CUEK)[23]：

植株某器官钙积累量(mg/株) = 某器官钙浓度×该器官干重

(1)

荚果钙利用效率(kg·kg-1) = 收获期荚果重/整株钙积累量

(2)

籽仁钙利用效率(kg·kg-1) = 收获期籽仁重/整株钙累积量

(3)。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2013软件进行数据处理和分析，采用SPSS 13.0软件进行各处理间多重比较，采用Origin 8.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 土壤钙含量

钙的生物有效性不仅取决于土壤中钙的总量，也取决于其在土壤中的赋存形态。由图1可知，同一基因型花生荚果区施钙土壤全钙含量高于根区相同施钙量处理，表明两种基因型花生根从土壤中吸收的钙较荚果吸收的多，因而根区土壤中的钙总量低于荚果区土壤中的钙总量。两种基因型花生荚果区和根区土壤中的钙均以酸溶态钙含量最多，占土壤全钙的37.97%～64.52%；其次是可还原态钙，占土壤全钙的18.66%～35.91%；再次是残渣态钙，占土壤全钙的8.10%～29.75%；而可氧化态钙仅占土壤全钙的3.28%～7.82%。酸溶态钙相当于可交换态钙和碳酸盐结合态钙的总和，是植物易于吸收利用的钙；可还原态钙为铁锰氧化物结合态钙，在一定条件下可被还原为植物可利用态钙。土壤酸溶态钙所占比例最高，其次是可还原态钙，表明土壤中可被生物利用的有效性钙含量较高。

图2 荚果区和根区土壤钙含量Fig.2 Soil Ca content in pod and root zone

2.2 花生生长发育及产质量

2.2.1 花生农艺及荚果性状 由表1可知，与对照相比，施钙对豫花37的主茎高和第一侧枝长均有显著影响，对豫花23的主茎高整体影响显著，对第一侧枝长和总分枝数无显著影响。相同施钙量下，两种基因型花生主茎高、第一侧枝长和总分枝数均表现为根区施钙处理明显高于荚果区施钙处理，表明根区较荚果区施钙更有利于促进植株的营养生长。花生饱果数、出仁率、百果重和单株荚果产量在施钙后均有显著增加。荚果区施钙更有利于增加花生的饱果数，提高出仁率，从而提高花生的荚果产量。

表1 花生农艺及荚果性状Table 1 Agronomic characteristics and pod characteristics of peanut

2.2.2 花生籽仁品质 花生籽仁中可溶性糖、蛋白质、脂肪含量和脂肪酸组分是花生的重要品质指标。由表2可知，两种基因型花生籽仁蛋白质和脂肪含量随施钙量的增加而增加，但可溶性糖含量降低。与RL处理相比，豫花37、豫花23的PL处理籽仁可溶性糖含量分别降低了2.54和1.01个百分点，粗蛋白含量分别增加了1.45和0.56个百分点，粗脂肪含量分别增加了1.90和4.04个百分点；与RH处理相比，豫花37、豫花23的PH处理籽仁可溶性糖含量分别降低了2.07和0.63个百分点，粗蛋白含量分别增加了3.45和1.31个百分点，粗脂肪含量分别增加了1.10和3.73个百分点。花生籽仁脂肪酸组分中油酸、亚油酸、棕榈酸、硬脂酸和山嵛酸占脂肪酸总量的96%以上。随施钙量增加，饱和脂肪酸棕榈酸、硬脂酸、山嵛酸的含量降低，不饱和脂肪酸油酸的含量增加，荚果区施钙处理的这种趋势更明显。增加施钙量可提高花生籽仁的油酸/亚油酸(O/L)比值。与RL处理相比，豫花37、豫花23的PL处理O/L比值分别增加了19.47%和7.77%；与RH处理相比，豫花37、豫花23的PH处理O/L比值分别增加了6.77%和9.35%。

不同处理花生籽仁的16种氨基酸含量如表3所示，谷氨酸含量最高，精氨酸次之，天冬氨酸位居第三，而半胱氨酸和蛋氨酸含量较低。花生籽仁中蛋氨酸和赖氨酸随施钙量的增加而增加，其余氨基酸组分随着施钙量的增加呈不同程度的降低趋势。与RL处理相比，豫花37的PL处理籽仁蛋氨酸、赖氨酸含量分别增加了0.09和0.60个百分点，而谷氨酸、精氨酸和天冬氨酸含量分别降低了3.20、1.99和0.71个百分点；与RH处理相比，豫花37的PH处理籽仁蛋氨酸、赖氨酸含量分别增加了0.03和0.30个百分点，谷氨酸、精氨酸和天冬氨酸含量分别降低了3.16、1.97和0.83个百分点。豫花23与豫花37的籽仁氨基酸组分有相似的变化规律。

2.3 花生钙吸收利用

2.3.1 花生钙吸收 由图3可知，无论根区施钙还是荚果区施钙均提高了花生不同部位的钙含量，且花生不同部位钙含量差异明显。总的来说，叶中钙含量最高，其次是茎和根部，籽仁中含量最低。与PL处理相比，RL处理下豫花37的根、茎和叶钙含量分别提高了5.72%、22.07%和13.82%，豫花23分别提高了4.13%、18.45%和10.26%；与PH处理相比，RH处理下豫花37的根、茎和叶钙含量分别提高了29.49%、49.04%和24.00%，豫花23分别提高了25.76%、25.17%和12.99%。与RL处理相比，PL处理下豫花37的果壳和籽仁钙含量分别提高了43.58%和51.35%，豫花23分别提高了14.63%和40.38%；与RH处理相比，PH处理下豫花37的果壳和籽仁中钙含量分别提高了40.62%和63.75%，豫花23分别提高了38.53%和75.44%。

由图4可知，施钙明显提高了花生不同部位的钙积累量。与PL处理相比，RL处理下豫花37的根、茎和叶钙积累量分别提高了48.67%、50.90%和26.09%，豫花23分别提高了0.13%、58.79%和1.29%；与PH处理相比，RH处理下豫花37的根、茎和叶的钙积累量分别提高了170.67%、70.65%和54.34%，豫花23分别提高了160.19%、71.69%和36.21%；与RL处理相比，PL处理下豫花37的果壳和籽仁钙积累量分别提高了111.97%和84.04%，豫花23分别提高了59.17%和58.68%；与RH处理相比，PH处理下豫花37的果壳和籽仁钙积累量分别提高了45.21%和72.99%，豫花23分别提高了53.53%和97.12%。

表2 花生籽仁可溶性糖、蛋白质、粗脂肪含量及脂肪酸组分Table 2 Soluble sugar,protein,crude fat content and fatty acid composition in peanut kernels

表3 花生籽仁氨基酸组分Table 3 The components of amino acids in peanut kernel /%

图3 植株不同器官钙含量Fig.3 Calcium content in different organs of plant

图4 植株各器官钙积累量Fig.4 Calcium accumulation in different organs of plant

2.3.2 花生钙分配特征和利用 由图5可知，花生吸收的钙主要分配在叶，豫花37分配比例为53.26%～70.39%，豫花23为58.68%～70.00%；其次是分配在茎中，豫花37分配比例为18.05%～24.56%，豫花23为20.25%～30.03%；再次是果壳，豫花37分配比例为5.00%～19.87%，豫花23为3.98%～14.73%；分配在花生籽仁的比例较小，豫花37分配比例为1.38%～6.03%，豫花23为0.79%～4.15%；根分配的比例最小，豫花37分配比例为1.32%～2.48%，豫花23为0.84%～1.77%。

图5 花生各器官钙分配特征Fig.5 Distribution characteristics of calcium in peanut organs

综合豫花37和豫花23来看，根区施钙花生根茎叶的吸钙量占植株总吸钙量的87.39%～91.11%，果壳和籽仁占8.89%～12.61%；荚果区施钙花生根茎叶占总吸钙量的74.10%～84.85%，果壳和籽仁占15.15%～25.90%。表明根区施钙时，除供给根系的生长需要外，主要输送到茎叶中，直接运往荚果的甚少，而荚果区施钙后，荚果可以直接吸收土壤中的钙素供给自身需要。

由表4可知，根区施钙与荚果区施钙均能明显提高花生荚果和籽仁的钙利用效率。与CK相比，豫花37的RL、RH、PL和PH处理荚果钙利用效率分别提高了17.83%、15.49%、75.91%和64.41%，籽仁钙利用效率分别提高了30.12%、11.46%、79.21%和60.38%。与CK相比，豫花23的RL、RH、PL和PH处理荚果钙利用效率分别提高了34.90%、19.89%、78.64%和75.24%，籽仁钙利用效率分别提高了46.67%、17.29%、77.56%和72.53%。与根区施钙相比，荚果区施钙的豫花37荚果和籽仁钙利用效率分别提高了42.35%～49.28%和37.73%～43.89%，豫花23分别提高了32.43%～46.17%和21.05%～47.09%，表明荚果区较根区施钙更能显著提高花生荚果和籽仁的钙素利用效率。

表4 花生钙利用效率Table 4 Peanut calcium utilization efficiency /(kg·kg-1)

3 讨论

花生缺钙有两大主因，一是土壤缺钙，导致花生生长和结实受阻，籽仁发育不良或败育等；二是钙主要在植物体内木质部运输而在韧皮部移动性差的特性导致植株生理性缺钙[24]。前人研究发现，花生根系吸收的钙主要供给营养体，但这些营养体中累积的钙难以转移至荚果[14]。花生荚果能直接从土壤中吸收钙素供给荚果自身的发育[10]。荚果对钙的吸收为被动吸收方式，吸收量主要取决于周围土壤钙浓度及花生对水分的吸收[25-26]，因果实的蒸腾作用小，导致荚果对钙的吸收能力远弱于根系的吸收[27]，当土壤钙素供给不足时，花生荚果比营养体更易缺钙[28-30]。施钙通过信号转导途径中钙相关蛋白促进花生荚果的发育[10]，是缓解土壤缺钙，提高荚果饱满度，改善花生品质的重要措施[23]。本研究发现在花生根区和荚果区不同位置施钙，对花生生长发育及产质量有较大影响，尤其对溶解度低、移动性差的钙肥更是如此。

周录英等[31]研究发现，施钙抑制了花生的营养生长，降低了主茎高和侧枝长度，但增加了花生单株果数和出仁率。张佳蕾等[32]研究表明，增施钙肥显著增加了花生单株结果数、双仁果率和籽仁饱满度，进而增加了荚果产量。本研究结果发现，根区和荚果区施钙均能明显促进豫花37和豫花23的生长发育，且主要表现在植株主茎高、侧枝长度和总分枝数的提高，从而提高干物质积累，增加饱果数、出仁率、百果重、单株荚果产量。究其原因，可能与Ca+作为信号在植物体内的调控作用有关，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[2]。荚果区较根区施钙，更有利于增加花生的饱果数，提高出仁率，从而提高花生的荚果产量。因此，保证荚果区钙素供应，对花生荚果生长发育和产量提高具有极为重要的作用。

花生籽仁的生长发育和品质决定了花生的产量与价值。蛋白质、氨基酸、脂肪和脂肪酸是花生仁的主要营养成分，也是评价花生营养品质的重要指标[33]。施钙可促进花生碳、氮代谢，进而促进蛋白质的合成与运输，增加籽仁中蛋白质的含量、提高花生的产量[34-36]，也可改善花生籽仁蛋白质品质，增加限制性氨基酸赖氨酸和蛋氨酸的含量[31]。沈浦等[37]研究花生荚果钙吸收与籽仁粗蛋白的关系发现，植株钙吸收量每增加10 kg·hm-2可使籽仁粗蛋白增加108 kg·hm-2。顾学花等[38]以花生品种606为试材，在结果层浅施钙肥，发现施钙促进了花生籽仁糖向脂肪和蛋白质的转化，提高了花生籽仁的O/L值。在本研究试验条件下，与根区施钙相比，荚果区施钙处理使豫花37和豫花23基因型花生籽仁可溶性糖含量均降低，但增加了粗蛋白、粗脂肪、蛋氨酸、赖氨酸含量和O/L值。表明荚果区施钙较根区施钙更有利于延长花生制品货架寿命，改善花生籽仁品质。

钙主要积累在花生营养器官，约占吸收总量的83.5%；荚果中的积累量仅为吸收量的16.5%[39]。周卫等[14]报道，施钙能增加花生各部位含钙量，其中壳和仁含钙量分别增加27%和25%。本研究结论与之基本一致，花生体内钙含量和钙积累量表现为叶>茎>果壳>籽仁>根，其中钙素在叶部位的含量最多，约占全株总钙含量的53.26%～70.39%。于天一等[23]研究表明，钙肥可促进花生果针、果壳和籽仁对钙素的吸收，其中籽仁尤为明显，对营养器官根、茎和叶的影响较小，荚果、籽仁钙积累量的增加是花生产量提高的主因，而根茎叶钙含量过高不利于荚果产量的提高，认为实现花生高产的有效途径之一是提高花生生殖器官钙积累量，适当降低营养器官钙含量。与上述研究结果一致，本研究发现根区施钙主要增加花生根、茎和叶营养体的钙含量和积累量，而荚果区施钙主要增加果壳和籽仁的钙含量，且荚果区较根区施钙更能显著提高花生荚果和籽仁的钙素利用效率。

4 结论

通过自主研发的花生根果分区培养装置研究发现，根区和荚果区施钙均能增加花生根、茎、叶、果壳和籽仁的钙含量和积累量，其中根区施钙主要促进了花生植株的营养生长，荚果区施钙主要促进了花生荚果的发育和充实。综合分析，荚果区施钙能显著提高花生荚果和籽仁钙利用效率，增加花生饱果数，提高籽仁的粗蛋白、粗脂肪含量及蛋氨酸、赖氨酸含量，从而提高花生的产量和品质。因此在花生生产上，建议在花生荚果区施钙肥。