施钙与覆膜栽培对缺钙红壤花生Mg、Fe、Zn吸收，积累及分配的影响

王 飞 王建国, 李 林,* 刘登望,* 万书波 张 昊

(1 湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128；2 山东省农业科学院生物技术研究中心，山东 济南 250100)

花生(ArachishypogaeaL.)属喜钙肥作物，钙需求量高于磷[1]。钙离子(Ca2+)参与花生种子萌发、生长分化[2]、形态建成[3-4]、开花结果[5-6]、产量构成及品质形成[7]的全过程。镁(Mg)和钙(Ca)是花生生长所需的大量元素。其中，Mg在植物的碳氮代谢、叶片抗氧化代谢等过程中发挥着重要作用[8]，是多种酶的活化剂。Mg营养不足会导致土壤中养分失去平衡，进而限制作物单产的提高[9]。据报道，南方红壤地区土壤中Mg元素缺乏较为严重[10]，已成为限制作物增产的重要因素之一。铁(Fe)和锌(Zn)是花生所需的微量元素。Fe是固氮酶、豆血红蛋白、铁氧还蛋白等的重要组分[1, 11]。研究发现，花生根表皮细胞中Fe2+通过铁转运载体AhIRT1和AhNRAMP1进入根系从而被花生植株吸收[12-13]。Zn可以促进蛋白质代谢和生殖器官的发育，是植物体内多种重要酶的组分或活化剂。此外，Zn可以增强花生叶片抗镉胁迫能力，缓解镉胁迫对花生的减产作用，提高花生产量[14]。

从栽培角度上，关于Ca的吸收利用及其对农艺性状、产量和品质影响等方面的研究已有大量报道[15-20]。其中，湖南农业大学旱地作物研究所花生课题通过研究施钙肥对南方酸性缺钙红壤旱地花生生理生态的影响，发现增施钙肥提高了土壤pH值，有利于促进Ca与氮、磷、钾的协同吸收，增强了花生抗旱能力，提高了花生产量，解决了缺钙红壤旱地花生空壳问题[21-25]。研究表明，地膜覆盖栽培能够改善土壤生态环境[26]、促进农作物对土壤养分的吸收及产量的提高[1, 27]，在农业生产中应用广泛。然而，施钙与覆膜栽培对南方酸性缺钙红壤旱地花生植株Mg、Fe及Zn吸收、积累及分配的研究尚鲜见报道。本试验以南方典型缺钙红壤为研究对象，采用PVC管土柱法模拟大田环境条件，研究施钙与覆膜栽培对Mg、Fe、Zn的吸收富集及改善整个植株体内Mg、Fe、Zn营养状况的影响，以期为南方酸性缺钙红壤旱地改良和花生高产高效栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

供试花生品种：湘花2008，由湖南农业大学旱地作物研究所提供。

供试土壤：湖南省浏阳市普迹镇书院村月光坪的第四纪红壤表层土，属于典型的缺钙红壤[1, 28-29]，土壤养分情况如表1所示。

供试肥料为尿素、磷酸二氢钾、氯化镁、氧化钙，均为分析纯。微膜采用厚度为0.008 mm的聚氯乙烯透明膜。试验地点位于湖南农业大学耘园试验基地，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分别为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。

表1 供试土壤的养分Table 1 The tested soil nutrients

注：“-”表示未检出。
Note: ‘-’indicates not detected.

1.2 试验设计

采取土柱栽培法[22, 25]，所用的PVC排水管内径为37.5 cm、高350 cm。装土前用电锯将PVC管(直径37.5 cm、高70 cm)横向切成两半(便于根系分层取样)，用胶带封住缝隙，保证PVC管的侧身不漏水漏肥，管的底端和顶端分别用铁丝扎紧，管底部用双层塑料膜封底，高10 cm，用铁丝扎紧。PVC管底筑起宽度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PVC管外的接触。每个土垄排列两行PVC管。每PVC管装干土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·hm-2，换算后每PVC管施用氧化钙4.73 g)、Ca750(熟石灰750 kg·hm-2，换算后每PVC管施用氧化钙9.46 g)；2种栽培方式：覆膜栽培(plastic film，PF)和露地栽培(open field，OF)。覆膜栽培采用先播种后覆膜，花生出苗时打孔引苗，地膜全程覆盖。钙肥梯度与栽培方式组合成6个试验处理，分别记作Ca0-OF、Ca375-OF、Ca750-OF、Ca0-PF、Ca375-PF、Ca750-PF。为保证除Ca外的其他基本养分供给的平衡性和一致性，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·hm-2)，每PVC管基施尿素4.02 g、磷酸二氢钾8.23 g、六水氯化镁8.50 g(当土壤有效Mg含量低于20 mg·kg-1时，说明土壤缺镁[10]；本试验条件下，土壤镁含量为0.26 mg·kg-1，远低于临界值，故需要补充Mg)，并混匀。2014年6月4日、2015年5月20日播种精选花生种子8粒，出苗后定苗4株，每个处理播种6个PVC管，始花期每个处理喷施等量硼肥。成熟期选择长势均匀的4个PVC管取样、收获。花生生长发育阶段进行正常的水分和病虫草害管理。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生物量的测定 参照王建国等[22]的方法。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、20～40、40 cm以下)进行准确取样，将各样品105℃杀青1 h，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。

1.3.2 Mg、Fe、Zn含量的测定 采用FW100高速万能粉碎机(天津市泰斯特仪器有限公司)粉碎样品，浓HNO3消煮，超纯水定容后用ICPE-9000电感耦合等离子体发射光谱仪(岛津公司，日本)测定[22]。标准样品购自国家有色金属及电子材料分析测试中心。

参照文献[22, 25]的方法计算Mg、Fe、Zn积累量，按照公式分别计算Mg积累量(mg·株-1)、籽仁Mg分配系数：

Mg积累量=植株各器官生物量×植株各器官Mg含量

(1)

籽仁Mg分配系数=籽仁Mg积累量/植株Mg积累量

(2)。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2003进行数据整理和作图；IBM SPSS Statistics 21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，成熟期缺钙红壤旱地花生植株Mg含量以叶片(5.34～7.72 mg·g-1)最高，其次是茎秆、果针、根系、籽仁，果壳的Mg含量最低；随着土层深度增加，根系中Mg含量逐渐降低。不论是覆膜栽培还是露地栽培，增施钙肥均显著降低了花生叶片和果壳的Mg含量(P<0.05)，但提高了茎秆、根系、果针及籽仁Mg含量，其中，与不施钙处理(Ca0-OF)相比，Ca750-OF的茎杆、根系、果针及籽仁Mg含量分别提高19.2%、10.4%、36.8%和3.1%。同一施钙处理下，覆膜栽培较露地栽培提高了茎秆、果针及籽仁中的Mg含量。茎秆、叶、果针、果壳中Mg含量在年份、栽培方式、施钙处理三者交互作用间均达到显著水平。

2.1.2 Fe含量 由表3可知，除Ca0-PF外，相同处理下花生各器官的Fe含量均依次为根系>茎秆>果针>叶>果壳>籽仁。施钙处理改善了整个植株Fe营养状况，提高了缺钙红壤旱地花生叶、茎秆、根系、果针、籽仁中的Fe含量，其中Ca750-OF较Ca0-OF分别提高28.4%、21.5%、30.9%、27.5%、20.0%。但2种栽培方式下施钙均显著降低了果壳中的Fe含量。同一钙肥水平下，覆膜栽培降低了果针中的Fe含量，显著降低了叶、茎秆、根系中的Fe含量(P<0.05)，其中，与Ca750-OF相比，Ca750-PF的果针、叶、茎秆、根系中平均Fe含量分别降低12.4%、9.6%、7.0%、18.8%，而其果壳的Fe含量则增加13.4%。花生籽仁的Fe含量低于其他器官，覆膜栽培对其Fe含量影响较小。茎杆Fe含量在栽培方式与施钙处理的交互作用达到显著水平。

2.1.3 Zn含量 由表4可知，2种栽培方式下，施钙降低了红壤花生叶、茎秆、果壳、籽仁中的Zn含量，其中Ca750-OF较Ca0-OF分别显著降低13.4%、11.3%、18.9%和28.5%。2种栽培方式下，施中钙(Ca375)均显著提高了根系平均Zn含量，而施高钙(Ca750)则均显著降低了根系Zn含量，但2个处理对果针Zn含量均无显著影响(除Ca750-PF外)。同一钙肥水平下，与露地栽培相比，覆膜栽培降低了茎秆和根系平均Zn含量，但提高了果壳、籽仁的Zn含量，其中Ca750-PF较Ca750-OF分别显著提高8.2%和26.3%。茎秆、叶、生殖器官(果针、果壳、籽仁)Zn含量在栽培方式与施钙处理间的交互作用达到显著水平。

2.2 花生植株Mg、Fe、Zn积累

2.2.1 Mg积累量 由表5可知，2014-2015年，相同栽培方式下，施钙提高了花生植株Mg积累量(除2015年Ca750-OF外)，其中，2014年2种栽培方式下，施钙处理的植株Mg积累量均高于不施钙处理。施钙对不同年份间花生营养体Mg积累的影响存在差异，与不施钙处理相比，施钙处理下2014年花生营养体Mg积累有所提高，但降低了2015年Mg积累。除2015年覆膜栽培施钙处理外，施钙增加了生殖体(针壳、籽仁)Mg积累量，其中2014、2015年，Ca750-OF较Ca0-OF针壳Mg积累量分别增加28.2%、5.6%，籽仁Mg积累量分别显著增加231.0%、98.8%，籽仁Mg分配系数分别显著提高120%、90%，除2015年Ca375-PF外，覆膜栽培提高了花生植株、营养体、生殖体Mg积累量。不同年份覆膜栽培对籽仁Mg分配系数的影响存在差异。施钙处理与栽培方式对籽仁Mg分配系数存在显著的交互影响。年份、施钙处理、栽培方式三者间对花生籽仁Mg积累量及其分配系数的交互影响显著。

2.2.2 Fe积累量 由表6可知，综合两年试验结果发现，施钙明显促进了花生营养体对Fe的吸收积累。其中Ca750-OF的花生植株、营养体、针壳、籽仁Fe积累量较Ca0分别增加16.4%、15.3%、15.1%和198.8%。增施钙肥实现了籽仁Fe的富集，其分配系数均有所提高。2014年，相同施钙水平下，覆膜栽培的花生植株、营养体、针壳和籽仁的Fe积累量均显著高于露地栽培。2015年，相同施钙水平下，覆膜栽培籽仁Fe积累量高于露地栽培，其中Ca750-PF较Ca750-OF提高7.6%。施钙处理与栽培方式交互作用对花生植株、营养体、籽仁Fe积累和籽仁Fe分配系数影响显著。

表2 施钙与覆膜栽培对缺钙红壤花生植株各器官Mg含量的影响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：施钙处理。由于20～40 cm和40 cm以下土层根系个别样品较少，所以仅测定一个重复值，未做方差分析。*表示处理间在0.05水平差异显著；ns：差异不显著(P>0.05)；“-”表示未进行差异显著分析。同列不同小写字母表示同一年不同处理间差异显著(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 施钙与覆膜栽培对缺钙红壤花生植株各器官Fe含量的影响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：同列不同小写字母表示处理间差异显著(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 施钙与覆膜栽培对缺钙红壤花生植株各器官Zn含量的影响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 施钙与覆膜栽培对缺钙红壤花生植株Mg积累与分配的影响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积累量 由表7可知，增施钙肥降低了花生营养体Zn积累量。其中，Ca750-OF较Ca0-OF降低17.8%，但其花生籽仁Zn积累量及籽仁Zn分配系数分别提高86.5%和79.6%。2014年，相同施钙水平下，覆膜栽培增加了花生营养体、针壳和籽仁Zn积累量，较露地栽培分别提高39.4%、19.0%、20.5%。2015年，相同施钙水平下，覆膜栽培的花生籽仁Zn分配系数显著高于露地栽培。花生植株、营养体、籽仁Zn积累量和籽仁Zn分配系数在年份、施钙处理、栽培方式三者间交互作用达到显著水平。

表6 施钙与覆膜栽培对缺钙红壤花生植株Fe积累与分配的影响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 施钙与覆膜栽培对缺钙红壤花生植株Zn积累与分配的影响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与Mg、Fe、Zn协同吸收关系

本研究条件下，2014年增施钙肥处理下花生植株Zn积累量呈波动式变化，而2015年，施钙肥降低了植株Zn积累量，两年结果变化趋势不一致，因此未进行Zn与Ca协同吸收关系分析。由图1可知，植株Ca积累量与Mg、Fe积累量均呈极显著正相关。采用对数函数进行回归分析可知，植株Ca积累量与Mg、Fe素积累量存在协同吸收关系，即随着钙肥施用量的增加，花生植株对Ca的吸收积累量提高，同时植株对Mg、Fe的吸收积累也增加。

注：**表示在0.01水平上极显著相关。Note: ** indicates extremely significant correlation at 0.01 level.图1 花生植株钙素与镁(A)、铁(B)协同吸收关系Fig.1 Synergistic correlation between Ca and Mg (A), Fe (B) accumulation in plant of peanut

3 讨论

3.1 施钙与覆膜栽培对花生植株Mg、Fe、Zn营养的吸收效应

本研究结果表明，施钙与覆膜栽培提高了花生茎秆、果针、籽仁Mg含量，缓解了土壤酸胁迫，进而促进了花生植株对Mg的吸收。这是由于基肥中添加氯化镁，提高了表层土壤中Mg2+浓度，进而有利于根系吸收，这与何春梅等[30]在花生上施用镁肥及丁玉川等[31]在大豆上施用镁肥的研究结论一致。但也有研究表明，Mg对荚果区Ca和Zn的吸收存在拮抗作用[32]，这可能与前人研究采用水培法(Mg2+、Ca2+及Zn2+直接共存于溶液)，而本试验是土柱栽培，采用酸性土壤，施钙肥后土壤物理、生态环境对离子间的拮抗作用产生部分抵消作用，有利于Mg2+、Ca2+吸收有关。本研究还发现施钙与覆膜栽培降低了红壤旱地花生叶、茎秆Zn含量，这主要与Mg2+与Zn2+间的拮抗作用有关。

南方酸性红壤中Fe含量较高。相比北方石灰性土壤而言，南方红壤旱地花生极少出现缺Fe新叶黄化的现象。增施钙肥后整个植株Fe营养状况进一步改善，各器官(除果壳外)Fe含量明显提高。这可能是由于施钙促进了土壤活化，提高了根际土壤酶活性[21]、根系 Fe(Ⅲ) 还原酶活性及Fe(Ⅲ) 还原酶基因的表达[33]。本研究中，相同施钙水平下覆膜栽培显著降低了花生营养器官(叶、茎秆、根系)Fe含量，这可能是由于覆膜提高了营养器官生物量，导致花生营养器官Fe含量降低，存在一定的“稀释效应”[34]。

3.2 施钙与覆膜栽培对花生植株Mg、Fe、Zn营养的积累效应

Mg、Fe、Zn是人类正常生长发育所必需的营养元素。2002年的营养普查表明，我国约2.5亿和1亿人口分别受到缺Fe和缺Zn的影响，尤其是农村地区的妇女和儿童[35]。如何提高(遗传育种、栽培措施、生物技术等)作物籽粒中微量元素含量和生物有效性，成为解决人类微量元素缺乏的第四大战略(生物防御工程)。研究表明，花生和玉米间作增加了花生籽粒Fe的富集[36]，土壤翻耕措施有效增加了花生籽仁中Fe的累积分配，提高了花生Fe的利用效率[37]。本研究结果表明，施钙与覆膜栽培提高了花生籽仁Mg、Fe、Zn积累量及籽仁Mg、Fe和Zn分配系数，说明此栽培措施下Mg、Fe和Zn更多地向花生籽仁中富集，进一步扩大了“库容”，主要原因是覆膜具有稳温作用[26]，能够改善土壤微生物环境[27]，且覆膜和钙肥互作可促进元素吸收[1, 22, 25]。本研究还发现年份、施钙处理、栽培措施三者间对花生籽仁积累量及籽仁Mg、Fe和Zn分配系数存在显著交互作用。此外，花生植株总Ca积累量与Mg、Fe积累量呈极显著正相关，存在协同吸收关系。随着钙肥施用量的增加，花生植株对Mg、Fe的吸收积累也增加，这与前期研究发现的钙与氮、磷、钾间存在协同吸收的结论相似[25]。不同年份花生植株总Ca积累量与Zn积累量间相关性存在差异，这可能是由于土壤有效锌偏低，而试验中未添加锌肥所致，具体原因还有待进一步验证。

4 结论

本研究结果表明，施钙与覆膜栽培能缓解土壤酸胁迫，促进花生植株对Mg的吸收，改善整个植株Fe营养状况，提高花生籽仁Mg、Fe和Zn积累量及分配系数，进一步扩大了“库容”。植株Ca积累量与Mg、Fe积累量呈极显著正相关及协同吸收关系。本研究为南方缺钙酸性红壤旱地改良及花生高产高效栽培提供了理论依据。本试验采用土柱栽培方法研究Mg2+、Ca2+和Zn2+，是对水培法的有力补充。但存在两点不足，还有待进一步探究：一是，本试验所用的Mg肥为氯化镁(施用氯的量相对Mg比较大)，研究表明，过量的氯对种子发芽和根瘤菌的固氮作用有影响[1]；二是，本研究未添加Zn肥，因此未能得出Ca和Zn之间协同吸收关系。今后应开展不同种类Mg肥试验研究，以进一步明确Mg的作用、排除氯的影响，同时施用Zn肥，探明Ca和Zn之间协同吸收关系。