花生根和莢果對外源鈣的吸收特性研究

李 亮 張 翔,* 司賢宗 索炎炎 程培軍 徐鳳丹 李 倩 余 輝

(1 河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所，河南 鄭州 450002；2 正陽縣花生研究所，河南 正陽 463600)

花生(ArachishypogaeaL.)是我國食用油源、食品工業理想原料及出口創匯的重要經濟作物和油料作物[1]。花生對鈣的需求量較大，需鈣量約是大豆的2倍、水稻的5倍、小麥的7倍[2]，僅次于對氮、鉀的需求，每形成100 kg莢果吸收的鈣含量高達2.0～2.5 kg[3]。鈣參與花生種子萌發、生長分化、形態建成、開花結果、產量構成及品質形成的全過程[4-9]。因花生生產過程中長期過于重視氮、磷、鉀肥，忽略鈣肥施用，花生從土壤中帶走的鈣逐年增多，土壤復鈣機制喪失，土壤缺鈣趨勢凸顯，影響了花生對鈣的直接吸收[10]。當吸收鈣量不足時，花生光合產物轉化率低、運轉不暢，莢果雖能膨大成熟，但籽仁發育受阻，空癟果增加，產量下降，品質變劣。

施鈣是緩解土壤鈣素缺乏、花生提質增產的主要途徑。國內外關于花生鈣素營養的研究較多，主要涉及鈣對花生生長發育、生理生化特性、產量和品質的影響，鈣肥與其他肥料配施的綜合效應及花生缺鈣的評判標準方面的研究，且初步明確了鈣素對花生抗逆性、莢果發育、產量構成等方面的重要作用[11-12]。但受研究方法的限制，針對同一種植系統花生根和莢果吸鈣特性的研究報道較少。王在序等[13]用45Ca進行土壤標記盆栽試驗，花生開花后用盛有無45Ca土壤的燒杯置于適當位置以迎果針入土，使莢果與45Ca環境隔離，以便研究根系和莢果對鈣的吸收，發現45Ca主要保留在莖葉中，莢果發育所需鈣素由根系供應的甚微。周衛等[14]采用45Ca微觀放射自顯影、電子探針及特異性抑制劑研究花生莢果鈣素吸收，發現莢果吸鈣屬主動吸收，其果皮組織的分化可調節鈣素的吸收運輸，大量的薄壁細胞可作為強大的鈣庫。在上述研究的基礎上，本研究擬通過自主研發的花生根果分區裝置進行培養試驗，探討根區和莢果區施鈣對花生生長發育、產質量及鈣素吸收利用的影響，旨在探明同一種植系統花生根和莢果的吸鈣特性，為花生生產上科學合理施用鈣肥，實現花生優質高產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地點位于河南省正陽縣蘭青鄉花生試驗示范基地，采用由河南省農業科學院經濟作物研究所選育的、對鈣敏感性不同的珍珠豆型花生品種豫花37和豫花23為試驗材料。酸性低鈣土壤取自正陽縣蘭青鄉大余莊未受污染的花生田表層土，土壤自然風干、粉碎、混勻、過篩備用。土壤基本理化性質為pH值5.1，含有機質15.37 g·kg-1、總氮0. 90 g·kg-1、堿解氮87.14 mg·kg-1、速效磷19.62 mg·kg-1、速效鉀103.05 mg·kg-1、 土壤交換性鈣1.72 g·kg-1。供試肥料氮、磷、鉀和鈣肥分別采用尿素(N 46%)、磷酸一銨(N 11%，P2O544%)、氯化鉀(K2O 60%)、碳酸鈣(CaO 53%)。

1.2 試驗設計

試驗設5個外源鈣處理：CK(不施鈣)、RL(根區施0.20 g·kg-1CaO)、RH(根區施0.80 g·kg-1CaO)、PL(莢果區施0.20 g·kg-1CaO)、PH(莢果區施0.80 g·kg-1CaO)。不同外源鈣處理下播種豫花37和豫花23基因型花生，共10個處理，每個處理10個重復，隨機排列置于花生田中。

試驗在自主研發的花生根果分區培養裝置(直徑50 cm×高50 cm)(圖1)中進行。該裝置采用不透光的硬質PVC板材加工而成，下端開透氣孔，上端設有承重臺。承重臺上安裝可拆卸的隔離板。隔離板上帶有可同時給隔離板上下兩層澆水的澆水管。澆水管周圍均勻分布錐體結構的定植管，且定植管上端開口處設有滑槽。滑槽上設有滑片，通過滑片的移動可自由調節定植管上端開口直徑為1～5 cm。播種前，先在隔離板下層裝15 kg土壤。選取飽滿且大小一致的種子在定植管對應位置每盆播4穴，每穴1粒，蓋上層隔離板。隔離板上層同樣裝15 kg土壤，通過在隔離板上下層添加不同量的碳酸鈣使試驗達到預先設置的鈣水平，且隔離板上下兩層土壤均勻施入氮、磷、鉀肥(N 0.15 g·kg-1、P2O50.10 g·kg-1、 K2O 0.15 g·kg-1)。待出苗后，根系在隔離板下層區域內生長，花生植株從定植管內長出，下針期調小定植管上端開口，使果針只沿定植管外壁進入隔離板上層土壤中發育成莢果，花生根系和莢果分區培養，便于分別研究花生根和莢果對鈣的吸收。在花生生長期內，定期加水控制培養箱內土壤含水量為田間最大持水量的70%。

圖1 花生根果分區培養裝置整體和剖面示意圖Fig.1 Schematic diagram of partition culture device for peanut root and pod

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤鈣含量 于飽果成熟期采集根區和莢果區土壤，風干后研磨過篩備用。土壤鈣形態組成采用修訂的BCR連續提取法，用美國珀金埃爾默公司生產的Optima 2000 DV電感耦合等離子體光譜儀(inductively coupled plasma optical emission spectrometer,ICP-OES)進行測定[15-17]。

1.3.2 花生農藝性狀及產質量 于飽果成熟期，在每個處理選取有代表性的10株花生，測定其主莖高、第一側枝長、總分枝數、單株飽果數、出仁率、百果重。同時挑選生長發育一致的莢果，烘干、保存，測定籽仁可溶性糖、蛋白質、粗脂肪含量及脂肪酸和氨基酸組分。其中，可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法[18]，蛋白質含量測定采用凱氏定氮法[19]，粗脂肪含量測定采用索氏提取法[20]，脂肪酸組分分析采用氣相色譜法[21]，氨基酸組分分析采用L-8800氨基酸自動分析儀(Hitachi公司，日本)[22]。

1.3.3 植株鈣含量 于飽果成熟期，在每個處理選取有代表性的10株花生植株，將植株分為根、莖、葉、果殼、籽仁五部分，分別在105℃下殺青30 min，70℃烘至恒重，稱重并粉碎過篩，采用HNO3-HClO4消化-原子吸收分光光度法[15]測定植株鈣含量。按照公式分別計算花生植株各器官鈣積累量、莢果鈣利用效率(Ca use efficiency of pod,CUEP)和籽仁鈣利用效率(Ca use efficiency of kernel,CUEK)[23]：

植株某器官鈣積累量(mg/株) = 某器官鈣濃度×該器官干重

(1)

莢果鈣利用效率(kg·kg-1) = 收獲期莢果重/整株鈣積累量

(2)

籽仁鈣利用效率(kg·kg-1) = 收獲期籽仁重/整株鈣累積量

(3)。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2013軟件進行數據處理和分析，采用SPSS 13.0軟件進行各處理間多重比較，采用Origin 8.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤鈣含量

鈣的生物有效性不僅取決于土壤中鈣的總量，也取決于其在土壤中的賦存形態。由圖1可知，同一基因型花生莢果區施鈣土壤全鈣含量高于根區相同施鈣量處理，表明兩種基因型花生根從土壤中吸收的鈣較莢果吸收的多，因而根區土壤中的鈣總量低于莢果區土壤中的鈣總量。兩種基因型花生莢果區和根區土壤中的鈣均以酸溶態鈣含量最多，占土壤全鈣的37.97%～64.52%；其次是可還原態鈣，占土壤全鈣的18.66%～35.91%；再次是殘渣態鈣，占土壤全鈣的8.10%～29.75%；而可氧化態鈣僅占土壤全鈣的3.28%～7.82%。酸溶態鈣相當于可交換態鈣和碳酸鹽結合態鈣的總和，是植物易于吸收利用的鈣；可還原態鈣為鐵錳氧化物結合態鈣，在一定條件下可被還原為植物可利用態鈣。土壤酸溶態鈣所占比例最高，其次是可還原態鈣，表明土壤中可被生物利用的有效性鈣含量較高。

圖2 莢果區和根區土壤鈣含量Fig.2 Soil Ca content in pod and root zone

2.2 花生生長發育及產質量

2.2.1 花生農藝及莢果性狀 由表1可知，與對照相比，施鈣對豫花37的主莖高和第一側枝長均有顯著影響，對豫花23的主莖高整體影響顯著，對第一側枝長和總分枝數無顯著影響。相同施鈣量下，兩種基因型花生主莖高、第一側枝長和總分枝數均表現為根區施鈣處理明顯高于莢果區施鈣處理，表明根區較莢果區施鈣更有利于促進植株的營養生長。花生飽果數、出仁率、百果重和單株莢果產量在施鈣后均有顯著增加。莢果區施鈣更有利于增加花生的飽果數，提高出仁率，從而提高花生的莢果產量。

表1 花生農藝及莢果性狀Table 1 Agronomic characteristics and pod characteristics of peanut

2.2.2 花生籽仁品質 花生籽仁中可溶性糖、蛋白質、脂肪含量和脂肪酸組分是花生的重要品質指標。由表2可知，兩種基因型花生籽仁蛋白質和脂肪含量隨施鈣量的增加而增加，但可溶性糖含量降低。與RL處理相比，豫花37、豫花23的PL處理籽仁可溶性糖含量分別降低了2.54和1.01個百分點，粗蛋白含量分別增加了1.45和0.56個百分點，粗脂肪含量分別增加了1.90和4.04個百分點；與RH處理相比，豫花37、豫花23的PH處理籽仁可溶性糖含量分別降低了2.07和0.63個百分點，粗蛋白含量分別增加了3.45和1.31個百分點，粗脂肪含量分別增加了1.10和3.73個百分點。花生籽仁脂肪酸組分中油酸、亞油酸、棕櫚酸、硬脂酸和山崳酸占脂肪酸總量的96%以上。隨施鈣量增加，飽和脂肪酸棕櫚酸、硬脂酸、山崳酸的含量降低，不飽和脂肪酸油酸的含量增加，莢果區施鈣處理的這種趨勢更明顯。增加施鈣量可提高花生籽仁的油酸/亞油酸(O/L)比值。與RL處理相比，豫花37、豫花23的PL處理O/L比值分別增加了19.47%和7.77%；與RH處理相比，豫花37、豫花23的PH處理O/L比值分別增加了6.77%和9.35%。

不同處理花生籽仁的16種氨基酸含量如表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較低。花生籽仁中蛋氨酸和賴氨酸隨施鈣量的增加而增加，其余氨基酸組分隨著施鈣量的增加呈不同程度的降低趨勢。與RL處理相比，豫花37的PL處理籽仁蛋氨酸、賴氨酸含量分別增加了0.09和0.60個百分點，而谷氨酸、精氨酸和天冬氨酸含量分別降低了3.20、1.99和0.71個百分點；與RH處理相比，豫花37的PH處理籽仁蛋氨酸、賴氨酸含量分別增加了0.03和0.30個百分點，谷氨酸、精氨酸和天冬氨酸含量分別降低了3.16、1.97和0.83個百分點。豫花23與豫花37的籽仁氨基酸組分有相似的變化規律。

2.3 花生鈣吸收利用

2.3.1 花生鈣吸收 由圖3可知，無論根區施鈣還是莢果區施鈣均提高了花生不同部位的鈣含量，且花生不同部位鈣含量差異明顯。總的來說，葉中鈣含量最高，其次是莖和根部，籽仁中含量最低。與PL處理相比，RL處理下豫花37的根、莖和葉鈣含量分別提高了5.72%、22.07%和13.82%，豫花23分別提高了4.13%、18.45%和10.26%；與PH處理相比，RH處理下豫花37的根、莖和葉鈣含量分別提高了29.49%、49.04%和24.00%，豫花23分別提高了25.76%、25.17%和12.99%。與RL處理相比，PL處理下豫花37的果殼和籽仁鈣含量分別提高了43.58%和51.35%，豫花23分別提高了14.63%和40.38%；與RH處理相比，PH處理下豫花37的果殼和籽仁中鈣含量分別提高了40.62%和63.75%，豫花23分別提高了38.53%和75.44%。

由圖4可知，施鈣明顯提高了花生不同部位的鈣積累量。與PL處理相比，RL處理下豫花37的根、莖和葉鈣積累量分別提高了48.67%、50.90%和26.09%，豫花23分別提高了0.13%、58.79%和1.29%；與PH處理相比，RH處理下豫花37的根、莖和葉的鈣積累量分別提高了170.67%、70.65%和54.34%，豫花23分別提高了160.19%、71.69%和36.21%；與RL處理相比，PL處理下豫花37的果殼和籽仁鈣積累量分別提高了111.97%和84.04%，豫花23分別提高了59.17%和58.68%；與RH處理相比，PH處理下豫花37的果殼和籽仁鈣積累量分別提高了45.21%和72.99%，豫花23分別提高了53.53%和97.12%。

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

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

圖3 植株不同器官鈣含量Fig.3 Calcium content in different organs of plant

圖4 植株各器官鈣積累量Fig.4 Calcium accumulation in different organs of plant

2.3.2 花生鈣分配特征和利用 由圖5可知，花生吸收的鈣主要分配在葉，豫花37分配比例為53.26%～70.39%，豫花23為58.68%～70.00%；其次是分配在莖中，豫花37分配比例為18.05%～24.56%，豫花23為20.25%～30.03%；再次是果殼，豫花37分配比例為5.00%～19.87%，豫花23為3.98%～14.73%；分配在花生籽仁的比例較小，豫花37分配比例為1.38%～6.03%，豫花23為0.79%～4.15%；根分配的比例最小，豫花37分配比例為1.32%～2.48%，豫花23為0.84%～1.77%。

圖5 花生各器官鈣分配特征Fig.5 Distribution characteristics of calcium in peanut organs

綜合豫花37和豫花23來看，根區施鈣花生根莖葉的吸鈣量占植株總吸鈣量的87.39%～91.11%，果殼和籽仁占8.89%～12.61%；莢果區施鈣花生根莖葉占總吸鈣量的74.10%～84.85%，果殼和籽仁占15.15%～25.90%。表明根區施鈣時，除供給根系的生長需要外，主要輸送到莖葉中，直接運往莢果的甚少，而莢果區施鈣后，莢果可以直接吸收土壤中的鈣素供給自身需要。

由表4可知，根區施鈣與莢果區施鈣均能明顯提高花生莢果和籽仁的鈣利用效率。與CK相比，豫花37的RL、RH、PL和PH處理莢果鈣利用效率分別提高了17.83%、15.49%、75.91%和64.41%，籽仁鈣利用效率分別提高了30.12%、11.46%、79.21%和60.38%。與CK相比，豫花23的RL、RH、PL和PH處理莢果鈣利用效率分別提高了34.90%、19.89%、78.64%和75.24%，籽仁鈣利用效率分別提高了46.67%、17.29%、77.56%和72.53%。與根區施鈣相比，莢果區施鈣的豫花37莢果和籽仁鈣利用效率分別提高了42.35%～49.28%和37.73%～43.89%，豫花23分別提高了32.43%～46.17%和21.05%～47.09%，表明莢果區較根區施鈣更能顯著提高花生莢果和籽仁的鈣素利用效率。

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

3 討論

花生缺鈣有兩大主因，一是土壤缺鈣，導致花生生長和結實受阻，籽仁發育不良或敗育等；二是鈣主要在植物體內木質部運輸而在韌皮部移動性差的特性導致植株生理性缺鈣[24]。前人研究發現，花生根系吸收的鈣主要供給營養體，但這些營養體中累積的鈣難以轉移至莢果[14]。花生莢果能直接從土壤中吸收鈣素供給莢果自身的發育[10]。莢果對鈣的吸收為被動吸收方式，吸收量主要取決于周圍土壤鈣濃度及花生對水分的吸收[25-26]，因果實的蒸騰作用小，導致莢果對鈣的吸收能力遠弱于根系的吸收[27]，當土壤鈣素供給不足時，花生莢果比營養體更易缺鈣[28-30]。施鈣通過信號轉導途徑中鈣相關蛋白促進花生莢果的發育[10]，是緩解土壤缺鈣，提高莢果飽滿度，改善花生品質的重要措施[23]。本研究發現在花生根區和莢果區不同位置施鈣，對花生生長發育及產質量有較大影響，尤其對溶解度低、移動性差的鈣肥更是如此。

周錄英等[31]研究發現，施鈣抑制了花生的營養生長，降低了主莖高和側枝長度，但增加了花生單株果數和出仁率。張佳蕾等[32]研究表明，增施鈣肥顯著增加了花生單株結果數、雙仁果率和籽仁飽滿度，進而增加了莢果產量。本研究結果發現，根區和莢果區施鈣均能明顯促進豫花37和豫花23的生長發育，且主要表現在植株主莖高、側枝長度和總分枝數的提高，從而提高干物質積累，增加飽果數、出仁率、百果重、單株莢果產量。究其原因，可能與Ca+作為信號在植物體內的調控作用有關，外源施鈣有效促進了花生體內碳水化合物的轉化和氮素代謝，使更多的營養物質轉移至生殖器官[2]。莢果區較根區施鈣，更有利于增加花生的飽果數，提高出仁率，從而提高花生的莢果產量。因此，保證莢果區鈣素供應，對花生莢果生長發育和產量提高具有極為重要的作用。

花生籽仁的生長發育和品質決定了花生的產量與價值。蛋白質、氨基酸、脂肪和脂肪酸是花生仁的主要營養成分，也是評價花生營養品質的重要指標[33]。施鈣可促進花生碳、氮代謝，進而促進蛋白質的合成與運輸，增加籽仁中蛋白質的含量、提高花生的產量[34-36]，也可改善花生籽仁蛋白質品質，增加限制性氨基酸賴氨酸和蛋氨酸的含量[31]。沈浦等[37]研究花生莢果鈣吸收與籽仁粗蛋白的關系發現，植株鈣吸收量每增加10 kg·hm-2可使籽仁粗蛋白增加108 kg·hm-2。顧學花等[38]以花生品種606為試材，在結果層淺施鈣肥，發現施鈣促進了花生籽仁糖向脂肪和蛋白質的轉化，提高了花生籽仁的O/L值。在本研究試驗條件下，與根區施鈣相比，莢果區施鈣處理使豫花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、賴氨酸含量和O/L值。表明莢果區施鈣較根區施鈣更有利于延長花生制品貨架壽命，改善花生籽仁品質。

鈣主要積累在花生營養器官，約占吸收總量的83.5%；莢果中的積累量僅為吸收量的16.5%[39]。周衛等[14]報道，施鈣能增加花生各部位含鈣量，其中殼和仁含鈣量分別增加27%和25%。本研究結論與之基本一致，花生體內鈣含量和鈣積累量表現為葉>莖>果殼>籽仁>根，其中鈣素在葉部位的含量最多，約占全株總鈣含量的53.26%～70.39%。于天一等[23]研究表明，鈣肥可促進花生果針、果殼和籽仁對鈣素的吸收，其中籽仁尤為明顯，對營養器官根、莖和葉的影響較小，莢果、籽仁鈣積累量的增加是花生產量提高的主因，而根莖葉鈣含量過高不利于莢果產量的提高，認為實現花生高產的有效途徑之一是提高花生生殖器官鈣積累量，適當降低營養器官鈣含量。與上述研究結果一致，本研究發現根區施鈣主要增加花生根、莖和葉營養體的鈣含量和積累量，而莢果區施鈣主要增加果殼和籽仁的鈣含量，且莢果區較根區施鈣更能顯著提高花生莢果和籽仁的鈣素利用效率。

4 結論

通過自主研發的花生根果分區培養裝置研究發現，根區和莢果區施鈣均能增加花生根、莖、葉、果殼和籽仁的鈣含量和積累量，其中根區施鈣主要促進了花生植株的營養生長，莢果區施鈣主要促進了花生莢果的發育和充實。綜合分析，莢果區施鈣能顯著提高花生莢果和籽仁鈣利用效率，增加花生飽果數，提高籽仁的粗蛋白、粗脂肪含量及蛋氨酸、賴氨酸含量，從而提高花生的產量和品質。因此在花生生產上，建議在花生莢果區施鈣肥。