施鈣與覆膜栽培對(duì)缺鈣紅壤花生鈣素積累、分配及利用率的影響

王建國(guó)，張 昊，李 林，劉登望，萬(wàn)書(shū)波，王 飛，盧 山，郭 峰

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 旱地作物研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410128；3.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 生物技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250100)

花生屬于喜鈣作物，鈣需求量高于磷，為第三大營(yíng)養(yǎng)元素[1]，缺鈣會(huì)導(dǎo)致花生空殼和嚴(yán)重減產(chǎn)[2-3]。我國(guó)紅壤面積占國(guó)土面積的五分之一多[4]，南方花生主要栽培于丘陵紅壤旱地。由于降雨量大、溫度高，南方紅壤中陽(yáng)離子大量流失，鈣淋失速率最快[5]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)花生鈣營(yíng)養(yǎng)進(jìn)行了大量的研究，闡述了花生缺鈣導(dǎo)致莢果空殼的生理學(xué)機(jī)制和土壤缺鈣的判定標(biāo)準(zhǔn)[6-10]，重點(diǎn)研究了鈣對(duì)花生的生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量、品質(zhì)的影響[11-14]、鈣對(duì)形態(tài)解剖特征、抗逆性的作用[15-18]，篩選出了耐低鈣品種及不同類型鈣肥施用量[19-22]。以往對(duì)花生鈣素的研究主要采用水培、砂培等方法，田間試驗(yàn)研究主要集中在山東、福建、江西等地。但有關(guān)南方缺鈣紅壤瘠薄旱地花生植株不同器官鈣積累、分配及鈣肥利用效率的研究未見(jiàn)報(bào)道。故本試驗(yàn)以南方典型缺鈣紅壤為研究對(duì)象，采用PVC桶土柱法模擬大田環(huán)境條件，研究施鈣與覆膜栽培對(duì)花生產(chǎn)量、鈣含量、積累量、分配率及鈣肥利用效率的影響，為南方缺鈣紅壤旱地改良和花生高產(chǎn)高效栽培提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試品種為湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)旱地作物研究所培育的國(guó)審大籽花生湘花2008。供試土壤為湖南省瀏陽(yáng)市普跡鎮(zhèn)書(shū)院村月光坪的紅壤表層土(表1)，屬于典型的缺鈣紅壤[1, 23]。試驗(yàn)地點(diǎn)屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。2個(gè)試驗(yàn)周期(2014年6-10月、2015年5-10月)的花生生育期內(nèi)降雨量為502.1，541.9 mm，平均溫度分別為24.7，25.4 ℃，年度間水熱條件差異不大(圖1)。供試肥料有尿素、磷酸二氫鉀、氯化鎂、氧化鈣，所用肥料均為分析純。微膜采用厚度0.008 mm的聚氯乙烯透明膜。

表1 供試土壤的養(yǎng)分指標(biāo)Tab.1 Soil nutrients index

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采取土柱栽培法。所用的PVC排水管內(nèi)徑37.5 cm、高70 cm。裝土前用電鋸橫向切為兩半(便于根系分層取樣)，用膠帶封住縫隙，保證桶的側(cè)身不漏水跑肥。桶的底端和頂端分別用鐵絲扎緊，桶底部用雙層塑料膜封底高10 cm，用鐵絲扎緊。桶底筑起寬度100 cm、高度10 cm的堅(jiān)實(shí)平整土壟，鋪墊雙層塑料膜，進(jìn)一步隔斷根系與桶外的接觸。每個(gè)土壟排列兩行桶子。每桶裝干土100 kg。

試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)基施鈣肥梯度：Ca0(未施鈣肥)；Ca375(熟石灰375 kg/hm2，換算后每桶施用氧化鈣4.73 g)；Ca750(熟石灰750 kg/hm2，換算后每桶施用氧化鈣9.46 g)；2種栽培方式：覆膜與露地。覆膜栽培采用先播種后覆膜，花生出苗時(shí)打孔引苗，地膜全程覆蓋。3個(gè)鈣肥梯度與2種栽培方式組合形成6個(gè)試驗(yàn)處理組合：Ca0-OF、Ca375-OF、Ca750-OF、Ca0-PF、Ca375-PF、Ca750-PF，OF表示露地栽培(Open field)，PF表示覆膜栽培(Plastic film)。為保證除鈣以外的其他基本養(yǎng)分的平衡性、一致性供給，于土柱表層0～20 cm處參照大田標(biāo)準(zhǔn)(45%氮磷鉀等比例復(fù)合肥750 kg/hm2)每桶基施尿素4.02 g、磷酸二氫鉀8.23 g、六水氯化鎂8.50 g，并混勻。2014年6月4日、2015年5月20日播精選花生種子8粒，出苗后定苗4株，每個(gè)處理播種6桶，始花期每桶噴施等量硼肥。成熟期選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻的4桶取樣、收獲。花生生長(zhǎng)發(fā)育階段進(jìn)行正常的水分和病蟲(chóng)草害的管理。

圖1 花生生育期內(nèi)降雨量與平均溫度Fig.1 Rainfall and mean air temperature during peanut growth period

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

生物量測(cè)定：將植株分為葉片、莖稈、根系、果針、果殼、籽仁等各個(gè)器官取樣。其中，根系按照3個(gè)土層(0～20 cm，20～40 cm，40 cm以下)進(jìn)行準(zhǔn)確取樣。各樣品105 ℃殺青1 h后，于80 ℃烘干至恒重，稱取干物質(zhì)重量。莢果收獲后及時(shí)晾曬、考種、測(cè)產(chǎn)。

鈣含量測(cè)定：采用高速萬(wàn)能粉碎機(jī)粉碎樣品，濃 HNO3消煮，超純水定容后，運(yùn)用日本產(chǎn)電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(型號(hào)ICPE-9000)測(cè)定鈣素含量。標(biāo)準(zhǔn)樣品來(lái)自國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心。

相關(guān)計(jì)算方法[19, 24-25]：鈣素積累量(mg/株)=植株各器官生物量×植株各器官鈣素含量；鈣素吸收分配率(%)=(各器官鈣素積累量/鈣素總積累量)× 100；鈣素生產(chǎn)效率(Production efficiency of calcium，PECa，kg/kg)=莢果產(chǎn)量/植株鈣素吸收總量；鈣肥農(nóng)學(xué)利用率(Agronomic efficiency of calcium，AECa，kg/kg)=(施鈣區(qū)莢果產(chǎn)量-不施鈣區(qū)莢果產(chǎn)量)/施鈣量；鈣肥偏生產(chǎn)力(Partial factor productivity of calcium，PFPCa，kg/kg)=施鈣區(qū)產(chǎn)量/施鈣量；鈣肥利用率(Utilization efficiency of calcium，CaUE，%)=(施鈣區(qū)鈣素吸收量-不施鈣區(qū)鈣素吸收量)/施鈣量× 100。

1.4數(shù)據(jù)處理

用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖，用IBM SPSS Statistics 21數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用LSD 法進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 花生產(chǎn)量及生物量

連續(xù)2年盆栽試驗(yàn)表明(表2)，施鈣與覆膜栽培提高缺鈣紅壤旱地花生葉、單株生物量，顯著提高莢果產(chǎn)量(P<0.05)。其中，2年平均單株莢果產(chǎn)量Ca0-OF、Ca375-OF、Ca750-OF、Ca0-PF、Ca375-PF、Ca750-PF分別為4.94，10.03，11.84，7.27，11.50，12.90 g/株。營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)在年份與栽培方式的交互作用間達(dá)顯著水平。單株生物量在年份與栽培方式、年份與施鈣處理、年份與栽培方式及施鈣處理的交互作用均達(dá)顯著水平(P<0.05)。莢果產(chǎn)量在年份、栽培方式、施鈣處理間的交互作用不顯著。

2.2 植株鈣含量

由表3可知，整體來(lái)看各器官的鈣素含量以葉片最高，其次是莖、果針、根系、果殼、籽仁，不同年份間各器官鈣素含量差異達(dá)顯著水平。增施鈣肥顯著提高紅壤旱地花生植株葉、莖、0～20 cm土層根系及生殖器官，而相同鈣肥梯度下覆膜栽培降低葉鈣素含量。由于40 cm土層以下和2014年20～40 cm土層根系個(gè)別樣品較少，只測(cè)定了一個(gè)重復(fù)值，故未做方差分析。0～20 cm土層根系、生殖器官鈣素含量在栽培方式與施鈣處理的交互作用間存在顯著差異。年份、栽培方式、施鈣梯度，三因素方差分析表明，籽仁鈣素含量在年份、栽培方式、施鈣處理間的交互作用間均達(dá)到顯著差異水平(表3)。

2.3 植株鈣積累量

由表4可知，花生不同器官鈣素積累量大小順序：葉>莖稈>果針>根>果殼、籽仁，不同土層根系鈣素含量大小順序?yàn)?～20 cm根系>40 cm以下根系>20～40 cm根系。不同年份間各器官鈣素積累量(其中根系以總根系為參考指標(biāo))：2014年<2015年、Ca750>Ca375>Ca0。覆膜與施鈣提高缺鈣紅壤旱地花生葉、莖稈、總根系、果針、果殼鈣素積累量，顯著提高籽仁、整株鈣素積累量(P<0.05)。Ca750處理下鈣素積累量在營(yíng)養(yǎng)器官根、莖、葉中提高幅度77.70%，55.60%，88.03%，在生殖器官果針、果殼、籽仁中提高57.22%，77.36%，141.00%。總體來(lái)看，施鈣對(duì)花生生殖器官中鈣素積累量的提高有利于花生莢果生長(zhǎng)發(fā)育、形態(tài)構(gòu)建，為花生獲得高產(chǎn)提供強(qiáng)庫(kù)、大庫(kù)。葉、莖、總根系、果針、籽仁鈣素積累量在年份與栽培方式的交互作用間均達(dá)到顯著差異水平。根系、生殖器官(果針、果殼、籽仁)鈣素積累量在年份、栽培方式、施鈣處理三者間的交互作用中存在顯著差異(表4)。

表2 施鈣與覆膜栽培對(duì)缺鈣紅壤花生產(chǎn)量及植株生物量的影響Tab.2 The effects of calcium application and plastic film mulching cultivation on yield and biomass per plant of peanut in red soil under calcium deficiency g/株

注： CM.栽培方式；CaT.施鈣處理。不同小寫字母表示同一年處理間差異呈顯著水平(P<0.05)。表3-5同。

Note：CM.Cultivation methods; CaT.Calcium treatment. Different letters represent significantly difference between treatments in the same year at the 5% probability level. The same as Tab.3-5.

表3 施鈣與覆膜栽培對(duì)缺鈣紅壤花生植株各器官鈣含量的影響Tab.3 The effects of calcium application and plastic film mulching cultivation on Ca contentof each part of peanut plant in red soil under calcium deficiency mg/g

表4 施鈣與覆膜栽培對(duì)缺鈣紅壤花生植株各器官鈣積累量的影響Tab.4 The effects of calcium application and plastic film mulching cultivation on Ca accumulation of each part of peanut in red soil under calcium deficiency mg/株

2.4 植株鈣分配率

總體來(lái)看，葉片鈣素分配率最高、其次是莖稈、果針、根系、果殼、籽仁。不同年份間紅壤旱地花生各器官鈣分配率存在顯著差異(P<0.05)。覆膜栽培降低2014年根系、果針、2015年葉中鈣素分配率，對(duì)其他器官鈣素分配率影響無(wú)明顯規(guī)律(表5)。施鈣提高了葉、籽仁中鈣素分配率，降低了2014年莖稈、20～40 cm，40 cm以下土層根系鈣素分配率。不同施鈣處理下果針與果殼中鈣素分配率變化沒(méi)有特定規(guī)律。果殼和籽仁鈣素分配率在年份、栽培方式、施鈣處理中兩兩間或三者間的交互作用均達(dá)顯著差異水平。

2.5 鈣肥利用率(CaUE)

2014年露地栽培中、高梯度鈣肥與不施鈣(Ca0-OF)處理相比，顯著提高缺鈣紅壤花生鈣肥生產(chǎn)效率(PECa)。Ca375鈣肥生產(chǎn)效率高于Ca750處理，處理間差異均未達(dá)顯著水平。施鈣+露地栽培鈣肥生產(chǎn)效率(PECa)提高5.37～27.38 kg/kg，施鈣+覆膜栽培提高1.12～20.22 kg/kg。Ca375鈣肥農(nóng)學(xué)利用率(AECa)高于Ca750處理，其中露地栽培方式下提高1.46～2.41 kg/kg，覆膜栽培提高2.36～3.75 kg/kg。Ca375鈣肥偏生產(chǎn)力(PFPCa)顯著高于Ca750處理，不同年份、栽培方式間變化差異較小。Ca375和Ca750處理鈣肥偏生產(chǎn)力(PFPCa)分別為10.07～14.58 kg/kg，5.78～9.38 kg/kg(圖2)。2014年覆膜栽培鈣肥利用率(CaUE)高于2014年露地栽培和2015年所有處理，而露地栽培中不同鈣梯度間鈣肥利用率(CaUE)差異不顯著。總體看，本試驗(yàn)條件下鈣肥利用率(CaUE)為4.03%～14.55%。

2.6 花生鈣積累量與莢果產(chǎn)量的相關(guān)性

本研究條件下，栽培方式與施鈣顯著影響缺鈣紅壤花生鈣素累積量的同時(shí)也顯著影響了花生莢果產(chǎn)量。圖3結(jié)果表明，花生莢果產(chǎn)量和植株鈣素累積量存在極顯著正相關(guān)(y=47.353x+367.89，R2=0.654 8，P< 0.000 1)，進(jìn)一步表明鈣素對(duì)缺鈣紅壤旱地花生產(chǎn)量形成具有決定性作用。植株鈣吸收量每增加10 kg/hm2，花生莢果產(chǎn)量增加841 kg/hm2、籽仁產(chǎn)量增加606 kg/hm2。

表5 施鈣與覆膜栽培對(duì)缺鈣紅壤花生植株各器官鈣素分配率的影響Tab.5 The effects of calcium application and plastic film mulching cultivation on Ca distribution ratio of each part of peanut in red soil under calcium deficiency %

圖中不同小寫字母表示同一年處理間差異呈顯著水平(P<0.05)。Different letters represent significantly difference between treatments in the same year at the 5% probability level in figure.

圖3 花生莢果產(chǎn)量與植株鈣素積累的相關(guān)性Fig.3 Relationship between plant Ca accumulation and pod yield of peanut

3 討論

南方紅壤耕層土壤pH值為4.5～5.5，土壤貧瘠，養(yǎng)分含量低[26]，尤其缺乏鈣素等植物所需的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)[27]。筆者所在課題組(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院旱地作物研究所)通過(guò)大田調(diào)查取樣發(fā)現(xiàn)湖南缺鈣紅壤旱地花生爛果或空莢多，生育后期植株出現(xiàn)返綠與再次開(kāi)花的現(xiàn)象，莢果產(chǎn)量極低[25]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，施鈣與覆膜栽培提高花生單株生物量、顯著提高莢果產(chǎn)量，較好地解決了南方花生空殼問(wèn)題。增產(chǎn)主要原因是施鈣與覆膜提高了單株飽果數(shù)、百果重、出仁率等，這與本課題組前期研究結(jié)果[27]及張佳蕾等[28]對(duì)山東酸性土增施鈣肥后所得研究結(jié)論一致。2014年增產(chǎn)幅度較高，可能原因是2014年花生在花針時(shí)期出現(xiàn)病害、生育后期水熱因子欠佳，不施鈣處理抗病性較弱、植株生長(zhǎng)受到一定影響。缺鈣條件下，光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)化運(yùn)輸速率低，運(yùn)輸不暢通，莢果發(fā)育受阻，形成空果、秕果，導(dǎo)致減產(chǎn)[8, 10, 29]。

研究表明，土壤鈣素水平越低，增產(chǎn)效果越明顯；土壤鈣含量越高，花生莢果產(chǎn)量越高[13, 30]。施鈣增加植株體內(nèi)的鈣含量，且鈣含量與鈣供應(yīng)量基本呈正相關(guān)[22, 31]。增施鈣肥與覆膜栽培顯著提高紅壤花生葉、莖、0～20 cm土層根系、果針、果殼鈣素含量和積累量(P<0.05)，這與前人的研究結(jié)論一致[23, 32]。同時(shí)，施鈣顯著提高籽仁中鈣素含量和積累量(P<0.05)，這與趙秀芬和房國(guó)增[19]、王媛媛[22]研究結(jié)果有差異，可能原因是花生品種、土壤質(zhì)地造成的。根系對(duì)鈣素的積累與分配主要集中在0～20 cm土層根系，而施鈣與覆膜栽培明顯提高了0～20 cm土層根系鈣素積累量。本試驗(yàn)條件下，栽培方式和施鈣處理 對(duì)植株鈣素分配率在根、果針、果殼中沒(méi)有特定的影響規(guī)律，這可能與氣候差異、不同梯度鈣在土壤中淋溶、擴(kuò)散存在差異等有關(guān)。

花生成熟期不同器官鈣素積累量大小順序：葉>莖稈>果針>根>果殼、籽仁。有研究表明，收獲時(shí)植株吸收的鈣主要積累在葉片，其次為莖稈和莢果，果針和根中很少[22]，本研究結(jié)果與之相吻合。Ca750處理下生殖器官果針、果殼、籽仁中鈣素積累量分別提高57.22%，77.36%，141.00%，積累量的提高進(jìn)一步擴(kuò)大了庫(kù)源。周衛(wèi)等[8]研究得出土施硝酸鈣促進(jìn)花生對(duì)N素營(yíng)養(yǎng)的吸收以及向“庫(kù)”中的運(yùn)輸與轉(zhuǎn)化。本試驗(yàn)中施鈣促進(jìn)鈣素營(yíng)養(yǎng)更多的運(yùn)輸?shù)健皫?kù)(莢果)”，提高籽仁鈣素分配率，進(jìn)而獲得高產(chǎn)。花生莢果產(chǎn)量和植株鈣素累積量呈極顯著正相關(guān)(y=47.353x+367.89，R2=0.654 8，P< 0.000 1)，這與郭九信等[24]對(duì)水稻氮累積量與籽粒產(chǎn)量的相關(guān)性研究結(jié)果相似。本試驗(yàn)中植株鈣吸收量每增加10 kg/hm2，花生莢果產(chǎn)量增加841 kg/hm2，而山東不同花生產(chǎn)區(qū)每增加10 kg/hm2，莢果產(chǎn)量增加610 kg/hm2[33]。本試驗(yàn)施鈣增產(chǎn)效果高于后者，主要原因可能是基礎(chǔ)地力差異造成的。

以往研究通常把氮肥農(nóng)學(xué)效率(AEN)、氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN)、氮肥利用率(NUE)等作為氮素吸收、積累分配、利用率的參考指標(biāo)[24]。近年來(lái)，有些研究引入鈣肥生產(chǎn)效率(PECa)，以此作為作物吸收鈣素轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的能力的參考指標(biāo)[19, 34]。本試驗(yàn)表明，施鈣提高紅壤鈣肥生產(chǎn)效率(PECa)1.12～27.38 kg/kg，Ca375處理PECa高于Ca750處理。趙秀芬和房國(guó)增[19]在砂培條件下對(duì)10個(gè)花生品種進(jìn)行鈣素處理，研究發(fā)現(xiàn)正常供鈣處理鈣肥生產(chǎn)效率(PECa)高于低鈣脅迫處理。不同栽培方式下鈣肥農(nóng)學(xué)利用率(AECa)和鈣肥偏生產(chǎn)力(PFPCa)差異較小，中梯度鈣處理(Ca375)鈣肥偏生產(chǎn)力PFPCa顯著高于高梯度鈣處理。本研究中鈣肥利用率(CaUE)相對(duì)于水稻氮肥利用率偏低[24]，如何在生產(chǎn)中提高鈣肥利用率，需要進(jìn)一步深入研究。

總體來(lái)說(shuō)，花生進(jìn)行施鈣栽培，其結(jié)果出現(xiàn)一系列的正效應(yīng)。首先，施鈣栽培提高出苗率、培育壯苗[27]，增強(qiáng)花生逆境抗性[15-19, 28]；其次，促進(jìn)鈣素吸收、累積[19, 22]、提高鈣肥生產(chǎn)效率；最后，增籽、壯果，進(jìn)一步提高產(chǎn)量與品質(zhì)[13, 16, 28, 32]。因此，建議花生生產(chǎn)中鈣素應(yīng)作為必需基肥施用。

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