施钙与覆膜栽培对缺钙红壤花生钙素积累、分配及利用率的影响

王建国，张 昊，李 林，刘登望，万书波，王 飞，卢 山，郭 峰

(1.湖南农业大学 农学院，湖南 长沙 410128；2.湖南农业大学 旱地作物研究所，湖南 长沙 410128；3.山东省农业科学院 生物技术研究中心，山东 济南 250100)

花生属于喜钙作物，钙需求量高于磷，为第三大营养元素[1]，缺钙会导致花生空壳和严重减产[2-3]。我国红壤面积占国土面积的五分之一多[4]，南方花生主要栽培于丘陵红壤旱地。由于降雨量大、温度高，南方红壤中阳离子大量流失，钙淋失速率最快[5]。

国内外对花生钙营养进行了大量的研究，阐述了花生缺钙导致荚果空壳的生理学机制和土壤缺钙的判定标准[6-10]，重点研究了钙对花生的生长发育、产量、品质的影响[11-14]、钙对形态解剖特征、抗逆性的作用[15-18]，筛选出了耐低钙品种及不同类型钙肥施用量[19-22]。以往对花生钙素的研究主要采用水培、砂培等方法，田间试验研究主要集中在山东、福建、江西等地。但有关南方缺钙红壤瘠薄旱地花生植株不同器官钙积累、分配及钙肥利用效率的研究未见报道。故本试验以南方典型缺钙红壤为研究对象，采用PVC桶土柱法模拟大田环境条件，研究施钙与覆膜栽培对花生产量、钙含量、积累量、分配率及钙肥利用效率的影响，为南方缺钙红壤旱地改良和花生高产高效栽培提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试品种为湖南农业大学旱地作物研究所培育的国审大籽花生湘花2008。供试土壤为湖南省浏阳市普迹镇书院村月光坪的红壤表层土(表1)，属于典型的缺钙红壤[1, 23]。试验地点属于亚热带湿润季风气候区。2个试验周期(2014年6-10月、2015年5-10月)的花生生育期内降雨量为502.1，541.9 mm，平均温度分别为24.7，25.4 ℃，年度间水热条件差异不大(图1)。供试肥料有尿素、磷酸二氢钾、氯化镁、氧化钙，所用肥料均为分析纯。微膜采用厚度0.008 mm的聚氯乙烯透明膜。

表1 供试土壤的养分指标Tab.1 Soil nutrients index

1.2 试验设计

试验采取土柱栽培法。所用的PVC排水管内径37.5 cm、高70 cm。装土前用电锯横向切为两半(便于根系分层取样)，用胶带封住缝隙，保证桶的侧身不漏水跑肥。桶的底端和顶端分别用铁丝扎紧，桶底部用双层塑料膜封底高10 cm，用铁丝扎紧。桶底筑起宽度100 cm、高度10 cm的坚实平整土垄，铺垫双层塑料膜，进一步隔断根系与桶外的接触。每个土垄排列两行桶子。每桶装干土100 kg。

试验设置3个基施钙肥梯度：Ca0(未施钙肥)；Ca375(熟石灰375 kg/hm2，换算后每桶施用氧化钙4.73 g)；Ca750(熟石灰750 kg/hm2，换算后每桶施用氧化钙9.46 g)；2种栽培方式：覆膜与露地。覆膜栽培采用先播种后覆膜，花生出苗时打孔引苗，地膜全程覆盖。3个钙肥梯度与2种栽培方式组合形成6个试验处理组合：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)。为保证除钙以外的其他基本养分的平衡性、一致性供给，于土柱表层0～20 cm处参照大田标准(45%氮磷钾等比例复合肥750 kg/hm2)每桶基施尿素4.02 g、磷酸二氢钾8.23 g、六水氯化镁8.50 g，并混匀。2014年6月4日、2015年5月20日播精选花生种子8粒，出苗后定苗4株，每个处理播种6桶，始花期每桶喷施等量硼肥。成熟期选择长势均匀的4桶取样、收获。花生生长发育阶段进行正常的水分和病虫草害的管理。

图1 花生生育期内降雨量与平均温度Fig.1 Rainfall and mean air temperature during peanut growth period

1.3 测定项目及方法

生物量测定：将植株分为叶片、茎秆、根系、果针、果壳、籽仁等各个器官取样。其中，根系按照3个土层(0～20 cm，20～40 cm，40 cm以下)进行准确取样。各样品105 ℃杀青1 h后，于80 ℃烘干至恒重，称取干物质重量。荚果收获后及时晾晒、考种、测产。

钙含量测定：采用高速万能粉碎机粉碎样品，浓 HNO3消煮，超纯水定容后，运用日本产电感耦合等离子体发射光谱仪(型号ICPE-9000)测定钙素含量。标准样品来自国家有色金属及电子材料分析测试中心。

相关计算方法[19, 24-25]：钙素积累量(mg/株)=植株各器官生物量×植株各器官钙素含量；钙素吸收分配率(%)=(各器官钙素积累量/钙素总积累量)× 100；钙素生产效率(Production efficiency of calcium，PECa，kg/kg)=荚果产量/植株钙素吸收总量；钙肥农学利用率(Agronomic efficiency of calcium，AECa，kg/kg)=(施钙区荚果产量-不施钙区荚果产量)/施钙量；钙肥偏生产力(Partial factor productivity of calcium，PFPCa，kg/kg)=施钙区产量/施钙量；钙肥利用率(Utilization efficiency of calcium，CaUE，%)=(施钙区钙素吸收量-不施钙区钙素吸收量)/施钙量× 100。

1.4数据处理

用Excel 2003进行数据整理和作图，用IBM SPSS Statistics 21数据分析软件进行数据分析，采用LSD 法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 花生产量及生物量

连续2年盆栽试验表明(表2)，施钙与覆膜栽培提高缺钙红壤旱地花生叶、单株生物量，显著提高荚果产量(P<0.05)。其中，2年平均单株荚果产量Ca0-OF、Ca375-OF、Ca750-OF、Ca0-PF、Ca375-PF、Ca750-PF分别为4.94，10.03，11.84，7.27，11.50，12.90 g/株。营养器官干物质在年份与栽培方式的交互作用间达显著水平。单株生物量在年份与栽培方式、年份与施钙处理、年份与栽培方式及施钙处理的交互作用均达显著水平(P<0.05)。荚果产量在年份、栽培方式、施钙处理间的交互作用不显著。

2.2 植株钙含量

由表3可知，整体来看各器官的钙素含量以叶片最高，其次是茎、果针、根系、果壳、籽仁，不同年份间各器官钙素含量差异达显著水平。增施钙肥显著提高红壤旱地花生植株叶、茎、0～20 cm土层根系及生殖器官，而相同钙肥梯度下覆膜栽培降低叶钙素含量。由于40 cm土层以下和2014年20～40 cm土层根系个别样品较少，只测定了一个重复值，故未做方差分析。0～20 cm土层根系、生殖器官钙素含量在栽培方式与施钙处理的交互作用间存在显著差异。年份、栽培方式、施钙梯度，三因素方差分析表明，籽仁钙素含量在年份、栽培方式、施钙处理间的交互作用间均达到显著差异水平(表3)。

2.3 植株钙积累量

由表4可知，花生不同器官钙素积累量大小顺序：叶>茎秆>果针>根>果壳、籽仁，不同土层根系钙素含量大小顺序为0～20 cm根系>40 cm以下根系>20～40 cm根系。不同年份间各器官钙素积累量(其中根系以总根系为参考指标)：2014年<2015年、Ca750>Ca375>Ca0。覆膜与施钙提高缺钙红壤旱地花生叶、茎秆、总根系、果针、果壳钙素积累量，显著提高籽仁、整株钙素积累量(P<0.05)。Ca750处理下钙素积累量在营养器官根、茎、叶中提高幅度77.70%，55.60%，88.03%，在生殖器官果针、果壳、籽仁中提高57.22%，77.36%，141.00%。总体来看，施钙对花生生殖器官中钙素积累量的提高有利于花生荚果生长发育、形态构建，为花生获得高产提供强库、大库。叶、茎、总根系、果针、籽仁钙素积累量在年份与栽培方式的交互作用间均达到显著差异水平。根系、生殖器官(果针、果壳、籽仁)钙素积累量在年份、栽培方式、施钙处理三者间的交互作用中存在显著差异(表4)。

表2 施钙与覆膜栽培对缺钙红壤花生产量及植株生物量的影响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.施钙处理。不同小写字母表示同一年处理间差异呈显著水平(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 施钙与覆膜栽培对缺钙红壤花生植株各器官钙含量的影响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 施钙与覆膜栽培对缺钙红壤花生植株各器官钙积累量的影响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 植株钙分配率

总体来看，叶片钙素分配率最高、其次是茎秆、果针、根系、果壳、籽仁。不同年份间红壤旱地花生各器官钙分配率存在显著差异(P<0.05)。覆膜栽培降低2014年根系、果针、2015年叶中钙素分配率，对其他器官钙素分配率影响无明显规律(表5)。施钙提高了叶、籽仁中钙素分配率，降低了2014年茎秆、20～40 cm，40 cm以下土层根系钙素分配率。不同施钙处理下果针与果壳中钙素分配率变化没有特定规律。果壳和籽仁钙素分配率在年份、栽培方式、施钙处理中两两间或三者间的交互作用均达显著差异水平。

2.5 钙肥利用率(CaUE)

2014年露地栽培中、高梯度钙肥与不施钙(Ca0-OF)处理相比，显著提高缺钙红壤花生钙肥生产效率(PECa)。Ca375钙肥生产效率高于Ca750处理，处理间差异均未达显著水平。施钙+露地栽培钙肥生产效率(PECa)提高5.37～27.38 kg/kg，施钙+覆膜栽培提高1.12～20.22 kg/kg。Ca375钙肥农学利用率(AECa)高于Ca750处理，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钙肥偏生产力(PFPCa)显著高于Ca750处理，不同年份、栽培方式间变化差异较小。Ca375和Ca750处理钙肥偏生产力(PFPCa)分别为10.07～14.58 kg/kg，5.78～9.38 kg/kg(图2)。2014年覆膜栽培钙肥利用率(CaUE)高于2014年露地栽培和2015年所有处理，而露地栽培中不同钙梯度间钙肥利用率(CaUE)差异不显著。总体看，本试验条件下钙肥利用率(CaUE)为4.03%～14.55%。

2.6 花生钙积累量与荚果产量的相关性

本研究条件下，栽培方式与施钙显著影响缺钙红壤花生钙素累积量的同时也显著影响了花生荚果产量。图3结果表明，花生荚果产量和植株钙素累积量存在极显著正相关(y=47.353x+367.89，R2=0.654 8，P< 0.000 1)，进一步表明钙素对缺钙红壤旱地花生产量形成具有决定性作用。植株钙吸收量每增加10 kg/hm2，花生荚果产量增加841 kg/hm2、籽仁产量增加606 kg/hm2。

表5 施钙与覆膜栽培对缺钙红壤花生植株各器官钙素分配率的影响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 %

图中不同小写字母表示同一年处理间差异呈显著水平(P<0.05)。Different letters represent significantly difference between treatments in the same year at the 5% probability level in figure.

图3 花生荚果产量与植株钙素积累的相关性Fig.3 Relationship between plant Ca accumulation and pod yield of peanut

3 讨论

南方红壤耕层土壤pH值为4.5～5.5，土壤贫瘠，养分含量低[26]，尤其缺乏钙素等植物所需的矿质营养[27]。笔者所在课题组(湖南农业大学农学院旱地作物研究所)通过大田调查取样发现湖南缺钙红壤旱地花生烂果或空荚多，生育后期植株出现返绿与再次开花的现象，荚果产量极低[25]。本试验结果表明，施钙与覆膜栽培提高花生单株生物量、显著提高荚果产量，较好地解决了南方花生空壳问题。增产主要原因是施钙与覆膜提高了单株饱果数、百果重、出仁率等，这与本课题组前期研究结果[27]及张佳蕾等[28]对山东酸性土增施钙肥后所得研究结论一致。2014年增产幅度较高，可能原因是2014年花生在花针时期出现病害、生育后期水热因子欠佳，不施钙处理抗病性较弱、植株生长受到一定影响。缺钙条件下，光合产物转化运输速率低，运输不畅通，荚果发育受阻，形成空果、秕果，导致减产[8, 10, 29]。

研究表明，土壤钙素水平越低，增产效果越明显；土壤钙含量越高，花生荚果产量越高[13, 30]。施钙增加植株体内的钙含量，且钙含量与钙供应量基本呈正相关[22, 31]。增施钙肥与覆膜栽培显著提高红壤花生叶、茎、0～20 cm土层根系、果针、果壳钙素含量和积累量(P<0.05)，这与前人的研究结论一致[23, 32]。同时，施钙显著提高籽仁中钙素含量和积累量(P<0.05)，这与赵秀芬和房国增[19]、王媛媛[22]研究结果有差异，可能原因是花生品种、土壤质地造成的。根系对钙素的积累与分配主要集中在0～20 cm土层根系，而施钙与覆膜栽培明显提高了0～20 cm土层根系钙素积累量。本试验条件下，栽培方式和施钙处理 对植株钙素分配率在根、果针、果壳中没有特定的影响规律，这可能与气候差异、不同梯度钙在土壤中淋溶、扩散存在差异等有关。

花生成熟期不同器官钙素积累量大小顺序：叶>茎秆>果针>根>果壳、籽仁。有研究表明，收获时植株吸收的钙主要积累在叶片，其次为茎秆和荚果，果针和根中很少[22]，本研究结果与之相吻合。Ca750处理下生殖器官果针、果壳、籽仁中钙素积累量分别提高57.22%，77.36%，141.00%，积累量的提高进一步扩大了库源。周卫等[8]研究得出土施硝酸钙促进花生对N素营养的吸收以及向“库”中的运输与转化。本试验中施钙促进钙素营养更多的运输到“库(荚果)”，提高籽仁钙素分配率，进而获得高产。花生荚果产量和植株钙素累积量呈极显著正相关(y=47.353x+367.89，R2=0.654 8，P< 0.000 1)，这与郭九信等[24]对水稻氮累积量与籽粒产量的相关性研究结果相似。本试验中植株钙吸收量每增加10 kg/hm2，花生荚果产量增加841 kg/hm2，而山东不同花生产区每增加10 kg/hm2，荚果产量增加610 kg/hm2[33]。本试验施钙增产效果高于后者，主要原因可能是基础地力差异造成的。

以往研究通常把氮肥农学效率(AEN)、氮肥偏生产力(PFPN)、氮肥利用率(NUE)等作为氮素吸收、积累分配、利用率的参考指标[24]。近年来，有些研究引入钙肥生产效率(PECa)，以此作为作物吸收钙素转化为经济产量的能力的参考指标[19, 34]。本试验表明，施钙提高红壤钙肥生产效率(PECa)1.12～27.38 kg/kg，Ca375处理PECa高于Ca750处理。赵秀芬和房国增[19]在砂培条件下对10个花生品种进行钙素处理，研究发现正常供钙处理钙肥生产效率(PECa)高于低钙胁迫处理。不同栽培方式下钙肥农学利用率(AECa)和钙肥偏生产力(PFPCa)差异较小，中梯度钙处理(Ca375)钙肥偏生产力PFPCa显著高于高梯度钙处理。本研究中钙肥利用率(CaUE)相对于水稻氮肥利用率偏低[24]，如何在生产中提高钙肥利用率，需要进一步深入研究。

总体来说，花生进行施钙栽培，其结果出现一系列的正效应。首先，施钙栽培提高出苗率、培育壮苗[27]，增强花生逆境抗性[15-19, 28]；其次，促进钙素吸收、累积[19, 22]、提高钙肥生产效率；最后，增籽、壮果，进一步提高产量与品质[13, 16, 28, 32]。因此，建议花生生产中钙素应作为必需基肥施用。

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