減氮增鈣及施用時(shí)期對(duì)花生生長(zhǎng)發(fā)育及生理特性的影響

伊淼, 王建國(guó) , 尹金, 郭峰, 張佳蕾,唐朝輝, 李新國(guó),3*, 萬(wàn)書(shū)波,3*

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 山東 青島 266109; 2.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, 濟(jì)南 250100; 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)

花生(ArachishypogaeaL.)是我國(guó)重要的油料作物和經(jīng)濟(jì)作物，在農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要的位置，也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家油料安全的重要保障。施肥可以提高花生的產(chǎn)量與品質(zhì)[1-2]。但過(guò)多地施用氮肥嚴(yán)重抑制了花生根瘤的固氮作用，并給環(huán)境帶來(lái)巨大壓力[3]，同時(shí)也會(huì)降低花生根、莖、葉中的谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase，GS)活性和莢果中的谷氨酸脫氫酶(glutamate dehydrogenase，GDH)活性[4]。傳統(tǒng)花生施肥方式(基肥一次性施入)易造成花生前期旺長(zhǎng)，不僅增加了倒伏風(fēng)險(xiǎn)，而且極易造成后期脫肥，肥料利用率低，施肥量雖大，但不一定高產(chǎn)[5]。而適期分量追肥，可以緩解花生生育后期衰老狀況，提高花生產(chǎn)量[6]。

花生屬于喜鈣作物，研究花生需肥特性發(fā)現(xiàn)，開(kāi)花下針、結(jié)莢期對(duì)鈣肥的需求量較大[7]?；ㄉv果發(fā)育狀況及種子質(zhì)量受Ca2+影響密切[8]。前人研究表明，施鈣肥可以提高作物的抗逆性，提高旱地花生生育后期的保護(hù)酶活性和花生莢果產(chǎn)量[9]，有效促進(jìn)養(yǎng)分的吸收[10]。而在花生生產(chǎn)中普遍只施基肥[2]，并且以氮肥為主，忽視了鈣肥的重要性及花生的需肥特性。不同追肥時(shí)期對(duì)花生光合特性、葉片衰老特性[11]、產(chǎn)量[12]、碳氮代謝酶活性的影響，關(guān)系到植株的氮轉(zhuǎn)運(yùn)量、氮代謝效率、碳氮協(xié)調(diào)程度以及最終的作物產(chǎn)量[13-14]，這方面已有不少研究。但關(guān)于減氮配合增鈣及適期追肥對(duì)碳氮代謝酶活性影響的研究較少，本研究選取南北兩地，根據(jù)花生的需肥特性，采用基肥+花針期追肥的施肥方式，結(jié)合氮肥減施和增施鈣肥，探究花針期追施氮肥和增施鈣肥對(duì)花生主要碳氮代謝酶活性和花生產(chǎn)量的調(diào)控效應(yīng)，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)材料

花生品種‘花育25’和‘湘花2008’作為試驗(yàn)材料，分別由山東省農(nóng)科院花生研究所和湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)旱地作物研究所培育和提供。供試肥料有尿素(氮肥)、磷酸二氫鉀(磷、鉀肥)和氧化鈣(鈣肥)，均購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取北方黃淮海產(chǎn)區(qū)(北方產(chǎn)區(qū))和南方紅壤旱地產(chǎn)區(qū)(南方產(chǎn)區(qū))兩個(gè)具有典型差異的生態(tài)區(qū)開(kāi)展試驗(yàn)。北方產(chǎn)區(qū)試驗(yàn)在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院飲馬泉試驗(yàn)基地進(jìn)行，供試花生品種為‘花育25’。土壤質(zhì)地為砂壤土。土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量為：有機(jī)質(zhì)19 g·kg-1、全氮0.93 g·kg-1、堿解氮22.05 mg·kg-1、速效鉀82.50 mg·kg-1、速效磷10.79 mg·kg-1、交換性鈣17.67 g·kg-1。試驗(yàn)設(shè)置氮、鈣肥的不同施用量共6個(gè)處理，詳見(jiàn)表1。供試花盆外徑40 cm、高30 cm。將適量風(fēng)干土裝入花盆中，基施肥料與0～10 cm土壤均勻混合?；ㄉ?018年7月8日播種，10月23日收獲。每盆2株，每個(gè)處理12盆。追肥處理于播種后50 d，直接將肥料撒施到土壤表層，淋水溶解，不追肥處理澆灌等量水。病蟲(chóng)害等采用常規(guī)田間管理。

南方產(chǎn)區(qū)試驗(yàn)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園試驗(yàn)基地進(jìn)行，供試品種為‘湘花2008’。試驗(yàn)土壤為湖南第四紀(jì)紅壤表層土，土壤理化性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)7.3 g·kg-1、全氮0.82 g·kg-1、堿解氮64.0 mg·kg-1、有效磷未檢出、速效鉀82.0 mg·kg-1、交換性鈣148 mg·kg-1。試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理，詳見(jiàn)表1。采取土柱栽培法，所用的PVC管內(nèi)徑37.5 cm、高70 cm。每桶裝干土100 kg?；┓柿吓c0～10 cm土壤均勻混合?；ㄉ?016年6月10日播種，10月6日收獲。每盆2株，每個(gè)處理8盆。水分和病蟲(chóng)害等采用常規(guī)田間管理。

表1 肥料施用方案Table 1 Designation of fertilizer application (kg·hm-2)

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1植株干物質(zhì)和產(chǎn)量北方和南方產(chǎn)區(qū)分別于播種后108和111 d(成熟期)挖取6株花生，并按根、莖、葉、果分樣，105 ℃烘箱烘烤30 min，80 ℃烘干至恒重，稱(chēng)取干物質(zhì)量，3次重復(fù)。

1.3.2葉綠素相對(duì)含量于花生播種后 50、80、108 d的上午 9:00—11:00，利用SPAD-502Plus(日本)儀器測(cè)定9株長(zhǎng)勢(shì)一致的花生倒三葉，3次重復(fù)，取平均值。

1.3.3根瘤數(shù)量鮮重于結(jié)莢期挖取整株花生，保證所有根瘤取出，輕輕抖落根上的土，收集落在紙上的根瘤及帶根瘤的根。將樣品放在100 目的篩子中流水沖洗，摘取可見(jiàn)根瘤，收集后計(jì)數(shù)、用GL124-1SCN天平(德國(guó)，賽多利斯公司)稱(chēng)重，3次重復(fù)。

1.3.4碳氮代謝酶活性分別于播種后30、50、80、108 d取主莖倒三葉，用液氮速凍后置于-70 ℃超低溫冰箱保存，用于測(cè)定谷氨酸合成酶(glutamate synthase，GOGAT)、谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase，GDH)、蔗糖合成酶(sucrose synthetase，SS)、蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphate synthase，SPS)活性，測(cè)定方法分別參照GOGAT-2-Y、GS-2-Y、SSⅡ-2-Y、SPS-2-Y試劑盒(蘇州科銘生物技術(shù)有限公司)說(shuō)明書(shū)進(jìn)行，3次重復(fù)。儀器使用Centrifuge 5804 R冷凍離心機(jī)(德國(guó)，艾本德)和UV-1750紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(日本，島津公司)進(jìn)行。

1.3.5產(chǎn)量收獲時(shí)，風(fēng)干并測(cè)定莢果產(chǎn)量、籽仁產(chǎn)量、單株飽果數(shù)、百果重和百仁重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Micosoft Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及繪圖，采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)花生干物質(zhì)積累量的影響

北方產(chǎn)區(qū)不同處理的花生干物質(zhì)量結(jié)果(表2)顯示，施用氮肥處理的單株干物質(zhì)積累量較不施氮肥處理(T0)顯著高40.0%～60.3%。施肥處理對(duì)花生營(yíng)養(yǎng)器官、生殖器官及總干物質(zhì)量的影響趨勢(shì)類(lèi)似。與傳統(tǒng)施肥(T1)相比，減施45 kg·hm-2N同時(shí)增施450 kg·hm-2CaO基肥(T4)和減施45 kg·hm-2N同時(shí)增施450 kg·hm-2CaO追肥(T5)處理的單株干物質(zhì)積累量無(wú)顯著增加，且T4與T5處理間無(wú)顯著差異；增施450 kg·hm-2CaO作底肥(T2)處理的單株干物質(zhì)積累量最高，顯著高于T1處理，較不施氮肥(T0)處理的單株干物質(zhì)積累量顯著提高60.3%。T2、T4、T5處理的收獲指數(shù)均顯著高于T0和T1處理，表明適量的氮肥和鈣肥促進(jìn)干物質(zhì)向莢果中積累，因而提高了收獲指數(shù)。南方產(chǎn)區(qū)不同處理的花生干物質(zhì)量結(jié)果顯示，施肥處理可以提高南方產(chǎn)區(qū)的花生干物質(zhì)積累量。S2處理的總干物質(zhì)積累量最高，單株總干物質(zhì)積累量較S1處理顯著提高15.6%，與S4處理間無(wú)顯著差異。減施N 45 kg·hm-2條件下，增施鈣肥處理(S4)與不施鈣處理相比(S3)，顯著提高了單株總干物質(zhì)積累量，S2、S3和S4處理較S0和S1顯著提高了收獲指數(shù)。

表2 不同處理的花生干物質(zhì)量Table 2 Dry matter contents of peanut in different treatments

2.2 不同處理對(duì)花生葉片SPAD值的影響

植物葉片葉綠素含量的高低可以反映植物葉片光合能力以及植物的生長(zhǎng)狀態(tài)。由圖1可知，隨著生育期推進(jìn)，T0、T1、T2和T3處理的葉片葉綠素相對(duì)含量(SPAD值)大致呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)，而T4和T5處理在播種后80 d的葉片SPAD值較播種后50 d相對(duì)上升，在播種108 d后SPAD值比T1處理分別提高12.7%和16.5%。這說(shuō)明減氮增鈣并在花針期追施可以使花生在生育中后期保持較高的葉片葉綠素含量。

2.3 不同處理對(duì)結(jié)莢期單株根瘤數(shù)量和鮮重的影響

不同處理的結(jié)莢期單株根瘤數(shù)量和鮮重結(jié)果(圖2)顯示，T3、T4和T5處理的單株根瘤數(shù)量較T1處理分別顯著提高85%、111%和78%。T3、T4和T5處理的單株根瘤鮮重較T1分別顯著提高381%、259%和73%。表明T3、T4、T5處理促進(jìn)了結(jié)莢期花生根瘤的生長(zhǎng)發(fā)育，提高了花生的生物固氮能力。T4處理的結(jié)莢期單株根瘤數(shù)量及鮮重均高于T3和T5處理，雖然沒(méi)有顯著性差異。

圖1 不同處理的花生葉片SPAD值Fig.1 SPAD value of peanut leaves in different treatments

注：不同小寫(xiě)字母表示相同指標(biāo)不同處理間差異在P<0.05水平具有顯著性。Note: Different lowercase letters of the same index indicate significant differences between different treatments at P<0.05 level.圖2 結(jié)莢期不同處理的花生單株根瘤數(shù)量和鮮重Fig.2 Number and fresh weight of root nodules per plant at pod setting stage

2.4 不同處理對(duì)花生葉片碳代謝酶活性的影響

蔗糖合成酶是蔗糖合成的關(guān)鍵酶，對(duì)于植物的碳代謝具有重要意義。圖3表明，不同處理的花生葉片SS活性在整個(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi)均呈先升高后降低的趨勢(shì)，在播種后80 d(結(jié)莢期)達(dá)到峰值。與T1相比，T2處理可明顯提高花生葉片的SS活性，促進(jìn)蔗糖合成，說(shuō)明高氮肥施用情況下增施鈣肥可提高花生葉片的SS活性。T4和T5處理較T3處理提高了SS活性，表明氮鈣配施有利于提高SS活性。

蔗糖磷酸合成酶參與調(diào)節(jié)蔗糖合成，其活性影響植物碳代謝。各處理花生葉片的SPS活性呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)，不同處理變化趨勢(shì)一致。T5處理SPS活性最大值出現(xiàn)在播種后80 d，其他處理最大值出現(xiàn)在播種后50 d。在播種后80 d， T2處理的SPS活性仍為最大，T4、T5處理高于T1、T3、T0處理。表明在施用氮肥的基礎(chǔ)上增施鈣肥可以提高 SPS活性。在播種后108 d，T4、T5處理的SPS活性下降幅度較小，酶活性高于其他處理。說(shuō)明T4、T5處理有利于保持花生生育后期的SPS活性，促進(jìn)花生生育后期的生長(zhǎng)。

2.5 不同處理對(duì)花生葉片氮代謝酶活性的影響

谷氨酸合成酶廣泛存在于植物中，對(duì)于氨同化有一定的調(diào)控作用。由圖4可知，各處理花生葉片的GOGAT活性均呈先增加后減小的變化趨勢(shì)。T2處理的GOGAT活性最大，說(shuō)明在施用氮肥的基礎(chǔ)上，增加鈣肥能提高 GOGAT活性。 T4和T5處理的葉片GOGAT活性最大值出現(xiàn)在播種后80 d，生育后期仍保持較高活性，這說(shuō)明花針期追肥可促進(jìn)GOGAT活性最高峰后延，保證花生生育后期的氮代謝。

谷氨酰胺合成酶是生物體氨同化的關(guān)鍵酶之一，并參與及影響氮代謝水平。由圖4可知，所有處理的GS活性大致都呈現(xiàn)出“升-降-升”的波浪型變化趨勢(shì)。生育前期(播種后30～50 d)，T4處理的葉片GS活性要低于T1處理，而在生育中后期(播種后108 d)活性上升較快，與T1基本保持一致，說(shuō)明減少基施氮肥增施鈣肥，促進(jìn)了花生生育中后期的GS活性提高。T2處理在4個(gè)生育時(shí)期的GS活性都優(yōu)于其他處理，說(shuō)明在保證氮肥的基礎(chǔ)上，增施鈣肥，有利于提高花生的GS活性。

2.6 不同處理對(duì)花生產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表3可知，南方和北方產(chǎn)區(qū)，施肥處理整體可以顯著提高花生的莢果和籽仁產(chǎn)量、單株飽果數(shù)、百果重、百仁重。T2處理的莢果產(chǎn)量和籽仁產(chǎn)量均較常規(guī)施肥處理(T1)顯著提高，而T4處理的莢果和籽仁產(chǎn)量與T1處理間均無(wú)顯著差異。整體看，T1、T2、T4、T5處理間的單株飽果數(shù)、百果重和百仁重?zé)o顯著差異，且均顯著高于T0和T3處理。不施氮肥條件下，增鈣基施(T3)處理的莢果產(chǎn)量為5 602 kg·hm-2，比T0處理顯著提高26.2%；基施氮肥條件下，T2處理比高氮基施處理(T1)的莢果產(chǎn)量顯著提高10.8%；減氮且分期追施條件下，T4的莢果產(chǎn)量比T5顯著提高22.8%，表明基施鈣肥對(duì)產(chǎn)量提升的效果優(yōu)于花針期追施鈣肥的效果；鈣肥基施條件下，T2處理的莢果產(chǎn)量比T3處理顯著提高49.3%，T4處理的莢果產(chǎn)量比T3處理顯著提高40.8%。結(jié)果表明，氮肥與鈣肥是影響產(chǎn)量的重要因素，整體來(lái)看，施氮肥處理的莢果產(chǎn)量顯著高于T0和T3處理，同等基施氮肥條件下，增施鈣肥有助于提高產(chǎn)量。

圖3 不同處理花生葉片的碳代謝酶活性Fig.3 Activities of carbon metabolism enzymes of peanut leaves in different treatments

圖4 不同處理的花生葉片氮代謝酶活性Fig.4 Activities of nitrogen metabolic enzymes of peanut leaves in different treatments

表3 不同處理的花生產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素Table 3 Yield and yield components of peanut in different treatments

南方產(chǎn)區(qū)中，S2和S4處理的莢果和籽仁產(chǎn)量較高，顯著高于其他處理，二者間無(wú)顯著差異，S1、S3處理的莢果產(chǎn)量較S0處理增加41.7%～52.2%。增施鈣肥處理(S2和S4)的莢果產(chǎn)量分別較相應(yīng)不施鈣肥處理(S1和S3)顯著提高29.8%和18.8%，表明增施鈣肥可顯著提高花生莢果產(chǎn)量。與S3處理相比，S1處理的氮肥用量提高28.7%，而莢果產(chǎn)量減少333 kg·hm-2，表明在南方紅壤土不施鈣肥條件下過(guò)量施氮不利于產(chǎn)量的形成。與S4處理相比，S2處理增施氮肥同時(shí)配施鈣肥568 kg·hm-2，莢果產(chǎn)量提高94 kg·hm-2，單株飽果數(shù)顯著提高10.9%，表明增施氮、鈣肥有利于提高單株飽果數(shù)，為花生高產(chǎn)的形成奠定基礎(chǔ)。

兩地產(chǎn)量結(jié)果表明，增施鈣肥可以提高莢果產(chǎn)量，但南方產(chǎn)區(qū)的花生增產(chǎn)潛力高于北方產(chǎn)區(qū)。在北方產(chǎn)區(qū)，減施氮肥明顯降低花生產(chǎn)量，在南方產(chǎn)區(qū)不增施鈣肥條件下減施氮肥與高氮肥處理相比產(chǎn)量增加，說(shuō)明在南方紅壤產(chǎn)區(qū)，適當(dāng)減少氮肥投入有利于花生產(chǎn)量的提高。

3 討論

3.1 減氮增鈣及施用時(shí)期影響花生的生長(zhǎng)發(fā)育

干物質(zhì)積累會(huì)影響生殖生長(zhǎng)最終影響產(chǎn)量[15]。適當(dāng)補(bǔ)充土壤中的氮素、鈣素，可以提高番茄對(duì)枯萎病的抗性，促進(jìn)其干物質(zhì)積累[16]。本研究南北方兩個(gè)產(chǎn)區(qū)的研究結(jié)果表明，施肥可以提高花生的單株干物質(zhì)積累量，其中增施鈣肥+氮肥減施、并分次施用(T4)處理在減少氮肥基施的基礎(chǔ)上，增施鈣肥可以提高花生的單株干物質(zhì)積累量。

在高氮條件下，生物固氮量在總吸收氮量中的比重下降，豆科作物的生物固氮能力在減弱[17-18]。合理施用氮肥可以促進(jìn)花生的正常發(fā)育，增加根瘤數(shù)量，保持應(yīng)有的供氮能力[19]。酸性土質(zhì)下，Ca的添加可以上調(diào)苜蓿結(jié)瘤相關(guān)基因的表達(dá)并促進(jìn)根瘤的結(jié)瘤[20]。本研究T4處理可以顯著提高花生的根瘤數(shù)量和鮮重，增加根瘤的生物固氮能力。

3.2 減氮增鈣及施用時(shí)期影響花生的碳氮代謝酶活性

葉片是碳氮代謝的主要場(chǎng)所，其主要碳氮代謝酶(GS、GOGAT、SS和SPS)催化合成蔗糖、蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育具有重要影響[21]。氮肥、鈣肥對(duì)花生主要碳氮酶活性都有一定的影響[4,22]。氮肥的施用有利于煙株氮代謝水平的提高，同時(shí)對(duì)碳氮代謝轉(zhuǎn)換起到一定的調(diào)控作用[23]。張逸等[24]研究發(fā)現(xiàn)，鈣水平增加到6 mmol·L-1時(shí)，可顯著提高大蔥葉片的氮代謝酶活性，并可提高其莖、葉鮮重。本研究表明，氮、鈣配施處理(T2)顯著提高了花生的主要碳氮代謝酶活性。馬東輝等[25]研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)量施用氮肥會(huì)干擾小麥的正常氮代謝、脂質(zhì)代謝等過(guò)程，影響籽粒正常發(fā)育。張超男等[26]研究發(fā)現(xiàn)，玉米基施肥料+拔節(jié)期、大喇叭口分別追施氮肥有利于提高SS、SPS酶活性，促進(jìn)碳代謝。本研究表明，減少肥料的總投入，改為基施鈣、氮肥，追施氮肥可提高花生生育中后期的GS、GOGAT、SS和SPS活性，為花生產(chǎn)量的提高提供物質(zhì)基礎(chǔ)。原因可能是，基施+花針期追肥符合花生的需肥特性，促進(jìn)花生蔗糖、碳水化合物等碳代謝產(chǎn)物的合成，保證花生生長(zhǎng)發(fā)育后期的代謝需求。

3.3 減氮增鈣及施用時(shí)期影響花生的產(chǎn)量

張翔等[27]研究發(fā)現(xiàn)，氮肥完全基施的增產(chǎn)效果較差，氮肥利用率低，以基施N 40 kg·hm-2、苗期和花針期分別追施N 40 kg·hm-2處理的氮肥利用率最高，同時(shí)此處理可以提高花生莢果產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn)，在北方黃淮海產(chǎn)區(qū)，增施鈣肥+氮肥減施、并分次施用處理與傳統(tǒng)施肥相比增產(chǎn)約4.5%，產(chǎn)量構(gòu)成表現(xiàn)為單株飽果數(shù)提高、百果重增加。原因可能是該處理減少了氮肥施用量、增施了鈣肥，進(jìn)而進(jìn)一步發(fā)揮了根瘤的生物固氮作用。

本研究發(fā)現(xiàn)，減氮增鈣處理可以提高南方紅壤產(chǎn)區(qū)和北方黃淮海產(chǎn)區(qū)兩地的花生產(chǎn)量，南方產(chǎn)區(qū)的花生增產(chǎn)幅度高于北方產(chǎn)區(qū)，說(shuō)明減少氮肥施用對(duì)南方產(chǎn)區(qū)的花生產(chǎn)量影響更小，這為南北方花生產(chǎn)區(qū)花生種植的施肥量及施肥方式提供一定的參考價(jià)值。

綜上所述，在減少氮肥投入的前提下，改變施肥方式，以鈣肥作為底肥、花針期追施氮肥，可增加花生結(jié)莢期的根瘤數(shù)量與鮮重，提高花生生育中后期的碳氮代謝水平，促進(jìn)植株的干物質(zhì)積累、提高單株飽果數(shù)、百果重，最終提高花生產(chǎn)量。根據(jù)花生生長(zhǎng)發(fā)育不同階段的營(yíng)養(yǎng)需求，深入開(kāi)展系統(tǒng)、多年多點(diǎn)試驗(yàn)有利于進(jìn)一步研究氮鈣配施、減氮對(duì)產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響，為肥料減施和緩控施肥配方提供依據(jù)，以實(shí)現(xiàn)花生精簡(jiǎn)施肥、肥效全程可控。