氮、鈣配施對(duì)花生根系生長(zhǎng)及氮肥利用的影響

劉 穎 伊 淼 王建國(guó) 郭 峰 張佳蕾 唐朝輝 李新國(guó),3 萬書波,3

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 生物技術(shù)研究中心、山東省作物遺傳改良與生態(tài)生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山東 青島 266109；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 華東地區(qū)作物栽培科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，山東 東營(yíng) 257000)

根系是植物重要的營(yíng)養(yǎng)吸收器官，各器官干物質(zhì)的形成、養(yǎng)分積累、分配與根系生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)，根系通過自身形態(tài)和代謝活性等變化促進(jìn)植物對(duì)氮素、鈣素的吸收利用，且與地上部生長(zhǎng)相互促進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)高效[1, 2].根系的生長(zhǎng)發(fā)育情況一般用根長(zhǎng)、根平均直徑、根體積、根表面積等指標(biāo)衡量[3].有研究發(fā)現(xiàn)露地栽培條件下，施鈣處理與不施鈣肥處理相比，總根系長(zhǎng)度、表面積、體積分別提高49.48%、39.07%、27.91%[4].培養(yǎng)液添加鈣離子可顯著提高花生根系活力，延緩根系的衰老[5].適量增施鈣肥可以提高花生產(chǎn)量，增加花生鈣積累量，但鈣肥在花生生產(chǎn)中是經(jīng)常被忽略的一種重要肥料[6].

合理的氮素供應(yīng)有利于根系的生長(zhǎng)，且大多集中在增施氮肥對(duì)產(chǎn)量、元素積累量及根系長(zhǎng)度的影響[7, 9].王友華[10]等研究發(fā)現(xiàn)，施氮可以提高玉米的根系長(zhǎng)度，且隨施氮量增加而增加.但生產(chǎn)上片面追求產(chǎn)量導(dǎo)致氮肥用量過高，造成土壤中氮素的堆積，降低氮肥利用率，并給環(huán)境帶來巨大壓力，影響生態(tài)安全[11].適量減施氮肥配合基肥后移能夠提高小麥生育后期的氮素吸收同化能力，為產(chǎn)量的提高奠定基礎(chǔ)[12].合理的氮肥運(yùn)籌可以促進(jìn)夏玉米根系的生長(zhǎng)，提高植株氮素積累量及氮肥利用效率[13].我國(guó)花生施肥中氮肥過多、養(yǎng)分失衡是主要問題.由于長(zhǎng)期大量施用氮肥，嚴(yán)重抑制了根瘤菌的固氮作用.且作為花生所需大量元素的鈣素施用極少或不施，成為限制花生產(chǎn)量提高的因素之一.為此，本試驗(yàn)采用盆栽試驗(yàn)，探究氮肥減施、增施鈣肥對(duì)花生根系形態(tài)和氮鈣素積累分配的影響，為花生減肥栽培提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院飲馬泉試驗(yàn)基地進(jìn)行，供試花生品種‘花育25’，土壤質(zhì)地為沙壤土，試驗(yàn)土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量見表1.

表1 播種前土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分

試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理(見表2)，供試肥料為尿素、磷酸二氫鉀、氧化鈣.試驗(yàn)用花盆高30 cm，直徑40 cm，每盆裝土18 kg(土壤經(jīng)過風(fēng)干過篩).基肥與0-10 cm土壤均勻混合，加水平衡2周后備用.花生于2018年7月8日播種，每盆2株，10月23日收獲.試驗(yàn)采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，每個(gè)處理12盆，每次取樣每個(gè)處理取3個(gè)重復(fù).追肥處理于播種后50 d(開花下針期)，將肥料充分混勻后撒施到土壤表層，淋水溶解，不追肥處理澆灌等量水.

表2 肥料施用時(shí)期及施用量

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 根系采集.分別于花生播種后30 d(苗期)、80 d(結(jié)莢期)挖取6株花生根系，放置在1 mm孔徑的篩子上，沖洗根系，密封袋封存，放置冰箱待測(cè).用掃描儀(型號(hào)Epson Perfection V800 Photo)對(duì)根系進(jìn)行掃描.掃描后保存圖像，采用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)對(duì)掃描圖像進(jìn)行分析.

1.2.2 根系干物質(zhì)重測(cè)定.分別于花生播種后50、80、108 d挖取6株花生根系，105 ℃半小時(shí)殺青，80 ℃烘干至恒重稱量.

1.2.3 氮、鈣測(cè)定及方法.成熟期采集植株樣品和測(cè)產(chǎn)，干物質(zhì)質(zhì)量測(cè)定：將植株分為葉片、莖桿、根系、果針，將樣品置于烘箱105 ℃殺青30 min后，于80 ℃烘干至恒重，稱取重量.莢果收獲后及時(shí)晾曬、考種、測(cè)產(chǎn)，之后將果殼、籽仁分別進(jìn)行烘干，所有植株樣品用高速萬能粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，測(cè)定植株全氮、鈣含量.

氮含量采用H2SO4-H2O2消煮，利用San++連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定；鈣含量運(yùn)用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(型號(hào)ICPE-9000，日本產(chǎn))測(cè)定.

氮素積累量(mg/plant)=植株各器官生物量×植株各器官氮素含量.

鈣素積累量(mg/plant)=植株各器官生物量×植株各器官鈣素含量.

氮肥農(nóng)學(xué)利用率(NA，kg/kg)=(施氮區(qū)莢果產(chǎn)量-T3無氮區(qū)莢果產(chǎn)量)/施氮量.

氮肥偏生產(chǎn)力(PEP，kg/kg)=施氮區(qū)莢果產(chǎn)量/施氮量.

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用EXCEL2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及繪圖，采用DPS數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析.

2 結(jié)果分析

2.1 不同施肥方式花生根系生物量的影響

由圖1可知，各處理花生根系生物量隨生育期延長(zhǎng)呈逐漸增加的趨勢(shì)，播種后80 d，T2處理顯著高于其他處理，而T4、T5處理根系生物量較低，可能是減施氮肥降低了根系生物量，雖花鐘期追肥，但短時(shí)間也難以表現(xiàn)較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì).播后108 d，各處理根系生物量依次表現(xiàn)為T2>T4>T1>T5>T3>T0，T2處理根系生物量達(dá)3.15 g/plant，較T1增加20.26%，說明在高氮肥條件下，增施鈣肥顯著促進(jìn)了根系的生長(zhǎng)發(fā)育；鈣肥做基肥的T2處理較T4雖增加6.83%，但二者并無顯著差異，說明增鈣基施條件下，減施氮肥且花針期追肥有利于根系生物量的增加；對(duì)于兩個(gè)花針期追肥處理，T4(基施N67.5、Ca450 kg/hm2+追施N45 kg/hm2)根系生物量顯著高于T5處理(基施N67.5+追施N45+Ca450)，且較T5顯著提高15.54%，說明鈣肥作底肥比花針期追肥效果好；T4處理根系生物量顯著高于高氮肥T1(N157.5 kg/hm2)，雖減施氮肥但增施了鈣肥并適期追肥促進(jìn)了根系生物量的提高.

2.2 不同施肥方式對(duì)花生根系形態(tài)的影響

不同施肥方式顯著影響花生根系形態(tài)(表3)，可以看出，花生播后30 d不同施肥方式對(duì)根長(zhǎng)影響不顯著，除T0處理外，其他施肥處理的根系總表面積、根系平均直徑均無顯著差異.播后80 d，同為高氮肥處理T2的根系長(zhǎng)度、總表面積、平均直徑、總體積分別較T1增加4.81%、2.93%、2.50%、11.26%，可見，T2增施鈣肥對(duì)花生根系形態(tài)影響較小.對(duì)同樣增施鈣肥且鈣做基肥的處理來說，T4(基施N67.5、Ca450 kg/hm2+追施N45 kg/hm2)處理根系形態(tài)相關(guān)指標(biāo)與T2相比差異不顯著，說明雖減施了氮肥，但增加了鈣肥，并且適期追肥保證了根系的生長(zhǎng).T4處理的根系長(zhǎng)度、總表面積、平均直徑分別較T5提高了4.78%、3.24%、2.17%，二者并無顯著差異，根系總體積較T5顯著提高18.29%.

表3 不同施肥方式對(duì)花生根系形態(tài)的影響

2.3 不同施肥方式對(duì)花生氮、鈣素積累、分配的影響

由圖2可知，不同處理間各器官氮素積累量存在顯著差異.生育前期，各處理氮素積累量以葉片最高，生育后期則以莢果氮積累量最高，說明花生氮素的分配中心隨生育期延長(zhǎng)由葉向莢果轉(zhuǎn)移.不同處理根、莖、葉氮素積累量均在播種后80 d達(dá)到最大值，但莢果氮素積累量隨著生育期不斷提高，在播種后108 d達(dá)到最大值，在追肥后的生育期(播種后80 d)花生不同處理各器官氮素積累量依次為果>葉>莖>根.

不同施肥處理的根、莖、葉氮素積累量均以T2(底肥：N157.5+CaO 450 kg/hm2)處理較高，T2增施鈣肥提高了各器官氮素積累量，與不增施鈣肥處理(T1)相比(以播種后108 d為例)根、莖、葉分別提高了11.04%、28.39%、7.11%.而莢果的氮素積累量以T4處理較高，T4、T5處理的減氮措施并沒有明顯降低莢果的氮素積累量，以播種后108 d為例，增幅達(dá)到73.64%-90.89%，說明減氮配合不同時(shí)期的氮素運(yùn)籌也可以提高花生對(duì)各器官的氮素積累.

由圖3可知，不同施肥處理各器官的鈣素積累量隨著生育時(shí)期呈逐漸升高的趨勢(shì)，播后108 d達(dá)到最大值，各處理不同器官鈣素積累量依次為：葉>莖>果>根.

不同施肥處理的各器官鈣素積累量均以T2處理較高，與不施鈣肥處理(T1)相比(以播種后108 d為例)根、莖、葉、果分別提高了32.50%、27.10%、12.79%、2.32%.T4、T5(以播種后108 d為例)根、莖、葉的鈣素積累量都高于傳統(tǒng)施肥T1，分別增長(zhǎng)了24.06%、14.27%、0.02%，0.74%、19.11%、4.3%，且T4、T5在追肥后(播種后80 d)可以明顯提高莢果鈣素積累量.

從表4中可以看出，不同施肥方式吸收的氮主要分配于籽仁中，分配率達(dá)56.95%-62.98%；葉次之，分配率達(dá)到17.30%-20.65%；根最少，只占2.95%-3.65%.鈣素則主要分配在葉部，占全株的47.52%-53.42%；莖次之，分配率達(dá)28.37%-31.46%.

除T0、T5處理外，其他施肥處理的氮素、鈣素在籽仁的分配率并無顯著差異，增施鈣肥降低了根、莖、葉氮素分配率，提高了花生籽仁氮素分配率，增幅最高達(dá)到10.59%.

表4 不同施肥方式對(duì)花生氮、鈣素分配率的影響(%)

2.4 不同施肥方式對(duì)花生氮肥利用影響

由表5可知，T4減施氮肥處理的氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥偏生產(chǎn)力最高，分別達(dá)到20.34 kg/kg、70.13 kg/kg，較T2高氮肥處理顯著提高16.30%、32.08%.說明適量減施氮肥可顯著提高花生的氮肥農(nóng)學(xué)利用效率及氮肥偏生產(chǎn)力.T4較T5處理顯著提高氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥偏生產(chǎn)力，表明增施鈣肥做底肥顯著提高了花生的氮肥利用率.而同為高氮肥處理T2的氮肥農(nóng)學(xué)利用效率及氮肥偏生產(chǎn)力分別較T1增加41.71%、10.75%.

表5 不同施肥方式對(duì)花生氮肥利用的影響

3 討論與結(jié)論

研究表明，發(fā)達(dá)根系的吸收能力是植株高效吸收養(yǎng)分的基礎(chǔ)，根系形態(tài)對(duì)氮素、鈣素積累量及吸收效率起關(guān)鍵作用[14].丁紅[15]等研究發(fā)現(xiàn)在干旱處理下，增施氮肥提高了花生40cm以下土層根系的生物量，根系長(zhǎng)度、根系表面積也有顯著增加.董桂春[16]等研究也表明增施氮肥有利于提高單株不定根總長(zhǎng)和單株根活力，適量施氮可提高單株不定根數(shù)和單株根干重，原因在于施氮促進(jìn)了不定根的發(fā)生和伸長(zhǎng).張英鵬[18]等在菠菜上研究發(fā)現(xiàn)，菠菜生長(zhǎng)較適宜的氮、鈣濃度為8.5 mmol/L.本試驗(yàn)研究結(jié)果與前人研究基本一致，施氮肥顯著促進(jìn)了根系生長(zhǎng)，而基施氮肥+基施鈣肥效果更好，根系生物量、根系形態(tài)及氮素、鈣素積累量均顯著高基施氮肥處理，表明在一定的氮肥用量基礎(chǔ)上增施鈣肥可增加花生根長(zhǎng)、根系表面積、體積，為花生的生長(zhǎng)發(fā)育提供了強(qiáng)大的根系，進(jìn)而促進(jìn)了花生產(chǎn)量的提高.

巨曉棠[19]研究發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)過程中過量施氮現(xiàn)象相當(dāng)普遍，長(zhǎng)期大量施氮造成的氮污染是難以解決的.大量研究發(fā)現(xiàn)在減施一定氮肥的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高化肥氮在生育后期的比例，也可保證氮素持續(xù)高效利用[20].水稻在前期施氮可促進(jìn)單株根系形態(tài)性狀(根數(shù)、根總長(zhǎng)和根重)，后期施氮有利于不定根的充實(shí)和根系生理性狀的提高[22].索炎炎[23]等研究發(fā)現(xiàn)適期追肥可以提高氮素積累量，花生種植以基施N60 kg/hm2+開花期追N60 kg/hm2氮肥利用效率最高.茍志文[25]玉米施肥處理中，在總氮肥450 kg/hm2水平下，把氮肥后移20%，可以顯著提高玉米生育后期植株的氮素積累量，可以有效解決玉米全生育期的氮素供應(yīng)矛盾.本研究發(fā)現(xiàn)減氮增鈣并適期追肥可提高花生的根系生物量，且鈣肥基施效果優(yōu)于鈣肥追施效果，同時(shí)促進(jìn)了植株對(duì)氮素和鈣素的吸收，提高了氮素利用效率，符合國(guó)家減肥戰(zhàn)略.下一步工作將重點(diǎn)探討減施氮肥對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境的改善效果，研究發(fā)現(xiàn)[26]，氮肥施用會(huì)直接影響土壤的碳、氮投入，進(jìn)而影響土壤的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，減施氮肥可提高土壤微生物量碳、土壤酶活性、改善植株根系生長(zhǎng)環(huán)境，提高產(chǎn)量.