施鈣與覆膜栽培對缺鈣紅壤花生Mg、Fe、Zn吸收，積累及分配的影響

王 飛 王建國, 李 林,* 劉登望,* 萬書波 張 昊

(1 湖南農業(yè)大學農學院，湖南 長沙 410128；2 山東省農業(yè)科學院生物技術研究中心，山東 濟南 250100)

花生(ArachishypogaeaL.)屬喜鈣肥作物，鈣需求量高于磷[1]。鈣離子(Ca2+)參與花生種子萌發(fā)、生長分化[2]、形態(tài)建成[3-4]、開花結果[5-6]、產量構成及品質形成[7]的全過程。鎂(Mg)和鈣(Ca)是花生生長所需的大量元素。其中，Mg在植物的碳氮代謝、葉片抗氧化代謝等過程中發(fā)揮著重要作用[8]，是多種酶的活化劑。Mg營養(yǎng)不足會導致土壤中養(yǎng)分失去平衡，進而限制作物單產的提高[9]。據報道，南方紅壤地區(qū)土壤中Mg元素缺乏較為嚴重[10]，已成為限制作物增產的重要因素之一。鐵(Fe)和鋅(Zn)是花生所需的微量元素。Fe是固氮酶、豆血紅蛋白、鐵氧還蛋白等的重要組分[1, 11]。研究發(fā)現(xiàn)，花生根表皮細胞中Fe2+通過鐵轉運載體AhIRT1和AhNRAMP1進入根系從而被花生植株吸收[12-13]。Zn可以促進蛋白質代謝和生殖器官的發(fā)育，是植物體內多種重要酶的組分或活化劑。此外，Zn可以增強花生葉片抗鎘脅迫能力，緩解鎘脅迫對花生的減產作用，提高花生產量[14]。

從栽培角度上，關于Ca的吸收利用及其對農藝性狀、產量和品質影響等方面的研究已有大量報道[15-20]。其中，湖南農業(yè)大學旱地作物研究所花生課題通過研究施鈣肥對南方酸性缺鈣紅壤旱地花生生理生態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)增施鈣肥提高了土壤pH值，有利于促進Ca與氮、磷、鉀的協(xié)同吸收，增強了花生抗旱能力，提高了花生產量，解決了缺鈣紅壤旱地花生空殼問題[21-25]。研究表明，地膜覆蓋栽培能夠改善土壤生態(tài)環(huán)境[26]、促進農作物對土壤養(yǎng)分的吸收及產量的提高[1, 27]，在農業(yè)生產中應用廣泛。然而，施鈣與覆膜栽培對南方酸性缺鈣紅壤旱地花生植株Mg、Fe及Zn吸收、積累及分配的研究尚鮮見報道。本試驗以南方典型缺鈣紅壤為研究對象，采用PVC管土柱法模擬大田環(huán)境條件，研究施鈣與覆膜栽培對Mg、Fe、Zn的吸收富集及改善整個植株體內Mg、Fe、Zn營養(yǎng)狀況的影響，以期為南方酸性缺鈣紅壤旱地改良和花生高產高效栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

供試花生品種：湘花2008，由湖南農業(yè)大學旱地作物研究所提供。

供試土壤：湖南省瀏陽市普跡鎮(zhèn)書院村月光坪的第四紀紅壤表層土，屬于典型的缺鈣紅壤[1, 28-29]，土壤養(yǎng)分情況如表1所示。

供試肥料為尿素、磷酸二氫鉀、氯化鎂、氧化鈣，均為分析純。微膜采用厚度為0.008 mm的聚氯乙烯透明膜。試驗地點位于湖南農業(yè)大學耘園試驗基地，屬于亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)。2個試驗周期(2014年6-10月、2015年5-10月)的花生生育期內降雨量分別為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。

表1 供試土壤的養(yǎng)分Table 1 The tested soil nutrients

注：“-”表示未檢出。
Note: ‘-’indicates not detected.

1.2 試驗設計

采取土柱栽培法[22, 25]，所用的PVC排水管內徑為37.5 cm、高350 cm。裝土前用電鋸將PVC管(直徑37.5 cm、高70 cm)橫向切成兩半(便于根系分層取樣)，用膠帶封住縫隙，保證PVC管的側身不漏水漏肥，管的底端和頂端分別用鐵絲扎緊，管底部用雙層塑料膜封底，高10 cm，用鐵絲扎緊。PVC管底筑起寬度100 cm、高度10 cm的堅實平整土壟，鋪墊雙層塑料膜，進一步隔斷根系與PVC管外的接觸。每個土壟排列兩行PVC管。每PVC管裝干土100 kg。

試驗設置3個基施鈣肥梯度：Ca0(未施鈣肥)、Ca375(熟石灰375 kg·hm-2，換算后每PVC管施用氧化鈣4.73 g)、Ca750(熟石灰750 kg·hm-2，換算后每PVC管施用氧化鈣9.46 g)；2種栽培方式：覆膜栽培(plastic film，PF)和露地栽培(open field，OF)。覆膜栽培采用先播種后覆膜，花生出苗時打孔引苗，地膜全程覆蓋。鈣肥梯度與栽培方式組合成6個試驗處理，分別記作Ca0-OF、Ca375-OF、Ca750-OF、Ca0-PF、Ca375-PF、Ca750-PF。為保證除Ca外的其他基本養(yǎng)分供給的平衡性和一致性，于土柱表層0～20 cm處參照大田標準(45%氮磷鉀等比例復合肥750 kg·hm-2)，每PVC管基施尿素4.02 g、磷酸二氫鉀8.23 g、六水氯化鎂8.50 g(當土壤有效Mg含量低于20 mg·kg-1時，說明土壤缺鎂[10]；本試驗條件下，土壤鎂含量為0.26 mg·kg-1，遠低于臨界值，故需要補充Mg)，并混勻。2014年6月4日、2015年5月20日播種精選花生種子8粒，出苗后定苗4株，每個處理播種6個PVC管，始花期每個處理噴施等量硼肥。成熟期選擇長勢均勻的4個PVC管取樣、收獲?；ㄉL發(fā)育階段進行正常的水分和病蟲草害管理。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 生物量的測定 參照王建國等[22]的方法。將植株分為葉片、莖稈、根系、果針、果殼、籽仁等各個器官取樣。其中，根系按照3個土層(0～20、20～40、40 cm以下)進行準確取樣，將各樣品105℃殺青1 h，80℃烘干至恒重，稱取干物質重量。莢果收獲后及時晾曬、考種、測產。

1.3.2 Mg、Fe、Zn含量的測定 采用FW100高速萬能粉碎機(天津市泰斯特儀器有限公司)粉碎樣品，濃HNO3消煮，超純水定容后用ICPE-9000電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(島津公司，日本)測定[22]。標準樣品購自國家有色金屬及電子材料分析測試中心。

參照文獻[22, 25]的方法計算Mg、Fe、Zn積累量，按照公式分別計算Mg積累量(mg·株-1)、籽仁Mg分配系數(shù)：

Mg積累量=植株各器官生物量×植株各器官Mg含量

(1)

籽仁Mg分配系數(shù)=籽仁Mg積累量/植株Mg積累量

(2)。

1.4 數(shù)據處理

采用Microsoft Excel 2003進行數(shù)據整理和作圖；IBM SPSS Statistics 21軟件進行數(shù)據分析；采用LSD 法進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 花生植株不同器官Mg、Fe、Zn含量

2.1.1 Mg含量 由表2可知，2014-2015年，成熟期缺鈣紅壤旱地花生植株Mg含量以葉片(5.34～7.72 mg·g-1)最高，其次是莖稈、果針、根系、籽仁，果殼的Mg含量最低；隨著土層深度增加，根系中Mg含量逐漸降低。不論是覆膜栽培還是露地栽培，增施鈣肥均顯著降低了花生葉片和果殼的Mg含量(P<0.05)，但提高了莖稈、根系、果針及籽仁Mg含量，其中，與不施鈣處理(Ca0-OF)相比，Ca750-OF的莖桿、根系、果針及籽仁Mg含量分別提高19.2%、10.4%、36.8%和3.1%。同一施鈣處理下，覆膜栽培較露地栽培提高了莖稈、果針及籽仁中的Mg含量。莖稈、葉、果針、果殼中Mg含量在年份、栽培方式、施鈣處理三者交互作用間均達到顯著水平。

2.1.2 Fe含量 由表3可知，除Ca0-PF外，相同處理下花生各器官的Fe含量均依次為根系>莖稈>果針>葉>果殼>籽仁。施鈣處理改善了整個植株Fe營養(yǎng)狀況，提高了缺鈣紅壤旱地花生葉、莖稈、根系、果針、籽仁中的Fe含量，其中Ca750-OF較Ca0-OF分別提高28.4%、21.5%、30.9%、27.5%、20.0%。但2種栽培方式下施鈣均顯著降低了果殼中的Fe含量。同一鈣肥水平下，覆膜栽培降低了果針中的Fe含量，顯著降低了葉、莖稈、根系中的Fe含量(P<0.05)，其中，與Ca750-OF相比，Ca750-PF的果針、葉、莖稈、根系中平均Fe含量分別降低12.4%、9.6%、7.0%、18.8%，而其果殼的Fe含量則增加13.4%。花生籽仁的Fe含量低于其他器官，覆膜栽培對其Fe含量影響較小。莖桿Fe含量在栽培方式與施鈣處理的交互作用達到顯著水平。

2.1.3 Zn含量 由表4可知，2種栽培方式下，施鈣降低了紅壤花生葉、莖稈、果殼、籽仁中的Zn含量，其中Ca750-OF較Ca0-OF分別顯著降低13.4%、11.3%、18.9%和28.5%。2種栽培方式下，施中鈣(Ca375)均顯著提高了根系平均Zn含量，而施高鈣(Ca750)則均顯著降低了根系Zn含量，但2個處理對果針Zn含量均無顯著影響(除Ca750-PF外)。同一鈣肥水平下，與露地栽培相比，覆膜栽培降低了莖稈和根系平均Zn含量，但提高了果殼、籽仁的Zn含量，其中Ca750-PF較Ca750-OF分別顯著提高8.2%和26.3%。莖稈、葉、生殖器官(果針、果殼、籽仁)Zn含量在栽培方式與施鈣處理間的交互作用達到顯著水平。

2.2 花生植株Mg、Fe、Zn積累

2.2.1 Mg積累量 由表5可知，2014-2015年，相同栽培方式下，施鈣提高了花生植株Mg積累量(除2015年Ca750-OF外)，其中，2014年2種栽培方式下，施鈣處理的植株Mg積累量均高于不施鈣處理。施鈣對不同年份間花生營養(yǎng)體Mg積累的影響存在差異，與不施鈣處理相比，施鈣處理下2014年花生營養(yǎng)體Mg積累有所提高，但降低了2015年Mg積累。除2015年覆膜栽培施鈣處理外，施鈣增加了生殖體(針殼、籽仁)Mg積累量，其中2014、2015年，Ca750-OF較Ca0-OF針殼Mg積累量分別增加28.2%、5.6%，籽仁Mg積累量分別顯著增加231.0%、98.8%，籽仁Mg分配系數(shù)分別顯著提高120%、90%，除2015年Ca375-PF外，覆膜栽培提高了花生植株、營養(yǎng)體、生殖體Mg積累量。不同年份覆膜栽培對籽仁Mg分配系數(shù)的影響存在差異。施鈣處理與栽培方式對籽仁Mg分配系數(shù)存在顯著的交互影響。年份、施鈣處理、栽培方式三者間對花生籽仁Mg積累量及其分配系數(shù)的交互影響顯著。

2.2.2 Fe積累量 由表6可知，綜合兩年試驗結果發(fā)現(xiàn)，施鈣明顯促進了花生營養(yǎng)體對Fe的吸收積累。其中Ca750-OF的花生植株、營養(yǎng)體、針殼、籽仁Fe積累量較Ca0分別增加16.4%、15.3%、15.1%和198.8%。增施鈣肥實現(xiàn)了籽仁Fe的富集，其分配系數(shù)均有所提高。2014年，相同施鈣水平下，覆膜栽培的花生植株、營養(yǎng)體、針殼和籽仁的Fe積累量均顯著高于露地栽培。2015年，相同施鈣水平下，覆膜栽培籽仁Fe積累量高于露地栽培，其中Ca750-PF較Ca750-OF提高7.6%。施鈣處理與栽培方式交互作用對花生植株、營養(yǎng)體、籽仁Fe積累和籽仁Fe分配系數(shù)影響顯著。

表2 施鈣與覆膜栽培對缺鈣紅壤花生植株各器官Mg含量的影響Table 2 Effect of calcium application and plastic film mulching cultivation on Mg content of each part of peanut plant in red soil under calcium deficiency /(mg·g-1)

注：Y：年份；CM：栽培方式；CaT：施鈣處理。由于20～40 cm和40 cm以下土層根系個別樣品較少，所以僅測定一個重復值，未做方差分析。*表示處理間在0.05水平差異顯著；ns：差異不顯著(P>0.05)；“-”表示未進行差異顯著分析。同列不同小寫字母表示同一年不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。
Note：Y:Year. CM: Cultivation methods. CaT: Calcium treatment. Since there are fewer individual samples of root in the layer of 20～40 cm and below 40 cm, only one repeat value was determined, and no variance analysis was performed. * indicates significant at 0.05 level. ns: No significant. ‘-’ indicates no significant difference was analyzed. Different lowercase letters in the same column indicate significant difference among treatments in the same year at 0.05 level. The same as following.

表3 施鈣與覆膜栽培對缺鈣紅壤花生植株各器官Fe含量的影響Table 3 Effect of calcium application and plastic film mulching cultivation on Fe content of each part of peanut in red soil under calcium deficiency /(mg·g-1)

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。
Note:Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at 0.05 level. The same as following.

表4 施鈣與覆膜栽培對缺鈣紅壤花生植株各器官Zn含量的影響Table 4 Effect of calcium application and plastic film mulching cultivation on Zn content of each part of peanut in red soil under calcium deficiency /(μg·g-1)

表5 施鈣與覆膜栽培對缺鈣紅壤花生植株Mg積累與分配的影響Table 5 Effect of calcium application and plastic film mulching cultivation on Mg accumulation and distribution of peanut in red soil under calcium deficiency

2.2.3 Zn積累量 由表7可知，增施鈣肥降低了花生營養(yǎng)體Zn積累量。其中，Ca750-OF較Ca0-OF降低17.8%，但其花生籽仁Zn積累量及籽仁Zn分配系數(shù)分別提高86.5%和79.6%。2014年，相同施鈣水平下，覆膜栽培增加了花生營養(yǎng)體、針殼和籽仁Zn積累量，較露地栽培分別提高39.4%、19.0%、20.5%。2015年，相同施鈣水平下，覆膜栽培的花生籽仁Zn分配系數(shù)顯著高于露地栽培?；ㄉ仓辍I養(yǎng)體、籽仁Zn積累量和籽仁Zn分配系數(shù)在年份、施鈣處理、栽培方式三者間交互作用達到顯著水平。

表6 施鈣與覆膜栽培對缺鈣紅壤花生植株Fe積累與分配的影響Table 6 Effect of calcium application and plastic film mulching cultivation on Fe accumulation and distribution of peanut in red soil under calcium deficiency

表7 施鈣與覆膜栽培對缺鈣紅壤花生植株Zn積累與分配的影響Table 7 Effect of calcium application and plastic film mulching cultivation on Zn accumulation and distribution of peanut in red soil under calcium deficiency

2.3 花生植株Ca與Mg、Fe、Zn協(xié)同吸收關系

本研究條件下，2014年增施鈣肥處理下花生植株Zn積累量呈波動式變化，而2015年，施鈣肥降低了植株Zn積累量，兩年結果變化趨勢不一致，因此未進行Zn與Ca協(xié)同吸收關系分析。由圖1可知，植株Ca積累量與Mg、Fe積累量均呈極顯著正相關。采用對數(shù)函數(shù)進行回歸分析可知，植株Ca積累量與Mg、Fe素積累量存在協(xié)同吸收關系，即隨著鈣肥施用量的增加，花生植株對Ca的吸收積累量提高，同時植株對Mg、Fe的吸收積累也增加。

注：**表示在0.01水平上極顯著相關。Note: ** indicates extremely significant correlation at 0.01 level.圖1 花生植株鈣素與鎂(A)、鐵(B)協(xié)同吸收關系Fig.1 Synergistic correlation between Ca and Mg (A), Fe (B) accumulation in plant of peanut

3 討論

3.1 施鈣與覆膜栽培對花生植株Mg、Fe、Zn營養(yǎng)的吸收效應

本研究結果表明，施鈣與覆膜栽培提高了花生莖稈、果針、籽仁Mg含量，緩解了土壤酸脅迫，進而促進了花生植株對Mg的吸收。這是由于基肥中添加氯化鎂，提高了表層土壤中Mg2+濃度，進而有利于根系吸收，這與何春梅等[30]在花生上施用鎂肥及丁玉川等[31]在大豆上施用鎂肥的研究結論一致。但也有研究表明，Mg對莢果區(qū)Ca和Zn的吸收存在拮抗作用[32]，這可能與前人研究采用水培法(Mg2+、Ca2+及Zn2+直接共存于溶液)，而本試驗是土柱栽培，采用酸性土壤，施鈣肥后土壤物理、生態(tài)環(huán)境對離子間的拮抗作用產生部分抵消作用，有利于Mg2+、Ca2+吸收有關。本研究還發(fā)現(xiàn)施鈣與覆膜栽培降低了紅壤旱地花生葉、莖稈Zn含量，這主要與Mg2+與Zn2+間的拮抗作用有關。

南方酸性紅壤中Fe含量較高。相比北方石灰性土壤而言，南方紅壤旱地花生極少出現(xiàn)缺Fe新葉黃化的現(xiàn)象。增施鈣肥后整個植株Fe營養(yǎng)狀況進一步改善，各器官(除果殼外)Fe含量明顯提高。這可能是由于施鈣促進了土壤活化，提高了根際土壤酶活性[21]、根系 Fe(Ⅲ) 還原酶活性及Fe(Ⅲ) 還原酶基因的表達[33]。本研究中，相同施鈣水平下覆膜栽培顯著降低了花生營養(yǎng)器官(葉、莖稈、根系)Fe含量，這可能是由于覆膜提高了營養(yǎng)器官生物量，導致花生營養(yǎng)器官Fe含量降低，存在一定的“稀釋效應”[34]。

3.2 施鈣與覆膜栽培對花生植株Mg、Fe、Zn營養(yǎng)的積累效應

Mg、Fe、Zn是人類正常生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素。2002年的營養(yǎng)普查表明，我國約2.5億和1億人口分別受到缺Fe和缺Zn的影響，尤其是農村地區(qū)的婦女和兒童[35]。如何提高(遺傳育種、栽培措施、生物技術等)作物籽粒中微量元素含量和生物有效性，成為解決人類微量元素缺乏的第四大戰(zhàn)略(生物防御工程)。研究表明，花生和玉米間作增加了花生籽粒Fe的富集[36]，土壤翻耕措施有效增加了花生籽仁中Fe的累積分配，提高了花生Fe的利用效率[37]。本研究結果表明，施鈣與覆膜栽培提高了花生籽仁Mg、Fe、Zn積累量及籽仁Mg、Fe和Zn分配系數(shù)，說明此栽培措施下Mg、Fe和Zn更多地向花生籽仁中富集，進一步擴大了“庫容”，主要原因是覆膜具有穩(wěn)溫作用[26]，能夠改善土壤微生物環(huán)境[27]，且覆膜和鈣肥互作可促進元素吸收[1, 22, 25]。本研究還發(fā)現(xiàn)年份、施鈣處理、栽培措施三者間對花生籽仁積累量及籽仁Mg、Fe和Zn分配系數(shù)存在顯著交互作用。此外，花生植株總Ca積累量與Mg、Fe積累量呈極顯著正相關，存在協(xié)同吸收關系。隨著鈣肥施用量的增加，花生植株對Mg、Fe的吸收積累也增加，這與前期研究發(fā)現(xiàn)的鈣與氮、磷、鉀間存在協(xié)同吸收的結論相似[25]。不同年份花生植株總Ca積累量與Zn積累量間相關性存在差異，這可能是由于土壤有效鋅偏低，而試驗中未添加鋅肥所致，具體原因還有待進一步驗證。

4 結論

本研究結果表明，施鈣與覆膜栽培能緩解土壤酸脅迫，促進花生植株對Mg的吸收，改善整個植株Fe營養(yǎng)狀況，提高花生籽仁Mg、Fe和Zn積累量及分配系數(shù)，進一步擴大了“庫容”。植株Ca積累量與Mg、Fe積累量呈極顯著正相關及協(xié)同吸收關系。本研究為南方缺鈣酸性紅壤旱地改良及花生高產高效栽培提供了理論依據。本試驗采用土柱栽培方法研究Mg2+、Ca2+和Zn2+，是對水培法的有力補充。但存在兩點不足，還有待進一步探究：一是，本試驗所用的Mg肥為氯化鎂(施用氯的量相對Mg比較大)，研究表明，過量的氯對種子發(fā)芽和根瘤菌的固氮作用有影響[1]；二是，本研究未添加Zn肥，因此未能得出Ca和Zn之間協(xié)同吸收關系。今后應開展不同種類Mg肥試驗研究，以進一步明確Mg的作用、排除氯的影響，同時施用Zn肥，探明Ca和Zn之間協(xié)同吸收關系。