花生锌吸收分配特性及对土壤耕作措施的响应特征

孙学武，沈 浦，刘 璇，2，郑永美，于天一，赵红军*，王才斌*

(1.山东省花生研究所/国家花生工程技术研究中心,山东 青岛266100；2.鲁东大学农学院,山东 烟台264025)

花生是重要的油料作物,在我国种植面积位居第二,仅次于油菜。锌是作物必需营养元素,对花生生理特性、光合性能及产量有重要影响。锌是花生体内多种酶的重要组分,能促进植物生长素的合成,有利于蛋白质和脂肪的形成,以及促使碳水化合物转化和籽仁产量的提高,具减少病害发生、提高花生抵抗不利生长环境的能力[1-4]。但高量磷与锌肥配施却不利于花生抗氧化能力、产量和品质的提高[2]。花生根、茎、叶对重金属镉积累性较强,镉在根、茎、叶中的富集系数都高于4,为土壤本底值的5～6倍[5]。而锌因其与镉化学性质相似在一定程度上可以缓解镉的毒害作用,施锌既降低了花生植株对镉的吸收量,又降低了植株中镉向籽仁中的转运量[3]。

花生对锌的吸收情况受土壤紧实程度的影响,不同土壤容重条件下花生锌的吸收情况不同。随着土壤紧实度增大,根系生长受到的机械阻力变大,使得根系生长受阻。当土壤紧实程度超出了花生根系正常生长的限度时,根系生理活性下降,吸收土壤中锌的能力减弱,供给地上部锌减少,影响植株正常生长。合理耕作是改善土壤紧实度、提高土壤蓄水保水能力以及微生物活性、进而促进花生根系生长提升根系活力的重要途径[6-8]。深耕、浅耕等耕作措施相比免耕,在改善花生生长发育及产量方面具有重要作用[9]。

锌对花生生长、品质、产量和缓解重金属镉毒害等方面均有显著效果,但花生生产中锌肥很少使用。基于此,本研究在典型棕壤花生田试验点(莱西望城、招远夏甸、招远齐山)进行不同耕作方式试验,探讨花生锌吸收分配特性及其对土壤耕作措施的响应,以期选择适宜花生锌分配的耕作方式,丰富花生田高效栽培管理理论。

1 材料与方法

1.1 试验区基本情况

试验于2014-2017年在3个典型棕壤花生田试验点(望城、夏甸、齐山)进行,小麦、玉米、花生两年三作模式,试验区年均降雨量653 mm左右,平均气温11.6℃左右。耕层(0～30 cm)基础土为酸性,有机质含量平均为11.9 g·kg-1,全锌含量变化范围为50～100mg·kg-1,有效锌含量变化范围为3.5～5.3 mg·kg-1。

1.2 试验设计

根据种植习惯设4个处理:①免耕:播种前用犁尖划沟播种；②浅耕20 cm:冬前用铧犁翻土20 cm,花生播种前起垄覆膜；③深耕30 cm:冬前用铧犁翻土30 cm,播种前起垄覆膜；④深松30 cm:冬前用深松机松土30 cm,播种前起垄覆膜。冬耕于2014、2016年11月进行,2015年5月12-14日和2017年5月5-6日进行起垄覆膜播种,花生播种规格为:垄距85cm、穴距20cm、双粒播。小区面积110～130 m2,3次重复。花生田施肥量根据当地水平,每公顷施三元复合肥(N 15%、P2O515%、K2O 15%)750 kg和硫酸钾(K2O 50%、S 17.5%)60 kg,各处理田间管理一致,分别于2015年9月23-25日和2017年9月11-13日收获。供试品种为花育33号。

1.3 测定指标、方法及数据处理

花生收获期,对各小区(以4 m×0.85m样方计算)进行测产。测产荚果洗净烘干后,随机选取100个荚果和100粒籽仁分别测定百果质量和百仁质量。各小区随机选择5穴有代表性的花生植株,分成根、茎、叶、针及荚果等器官,70℃烘干后粉碎。植株锌含量采用硝酸—高氯酸消解—原子吸收分光光度计法；花生籽仁含油量、蛋白质及蔗糖含量采用近红外技术进行分析[10]。

花生收获时同步采集0～30 cm土壤样品。土样风干后研磨,过0.25 mm筛,采用 HFHNO3-HCl O4消化法制备待测液,电感耦合等离子发射光谱法(ICP-MS)测定。采用 Microsoft Excel2007软件作图；利用DPS v7.05软件进行差异显著性分析(ANOVA)及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 花生锌吸收分配状况

图1可看出,花生各器官对锌吸收累积与耕作措施的关系在不同地块不同年份表现并不完全一致。三地两年的数据统计分析表明,花生根和针壳中锌吸收量均以深松处理最高,其他处理不同年份不同地点差异较大；茎叶中锌吸收量同样以深松处理最优,其他处理不同年份不同地点差异较大；籽仁中锌吸收量免耕处理最低,其他三个处理不同地点不同年份有差异,但大致为深耕＞深松＞浅耕。从花生植株总锌吸收量看,两年三地深耕和深松处理均高于免耕处理,但差异不显著。花生植株各器官锌积累量从高到低依次为:籽仁(27.8%～64%)、茎叶(17.3%～38%)、针壳(8.3%～14.4%)、根(0.9%～3.1%)。与免耕相比,耕作措施促进了锌在籽仁中的分配比例,总体来看促进效果为:深耕＞浅耕＞深松。

图1 不同土壤耕作措施下花生锌吸收量差异Fig.1 Differences of Zn uptake amounts in different parts of peanut under various soil tillage treatments

2.2 花生锌吸收与产量间的关系

花生植株锌吸收总量与产量间相关性不显著,根、茎叶、针壳、籽仁的锌吸收量与产量间呈极显著相关；其中籽仁锌吸收量与产量间极显著正相关,在一定范围内,1 hm2的花生籽仁每多吸收1 g锌可增加产量48.76 kg；其他三器官锌吸收量与产量间均表现极显著负相关(图2)。

图2 花生不同部位锌吸收量与产量的关系Fig.2 Relationships between Zn uptake amounts in different parts of peanut and the yields

2.3 花生锌吸收与品质间的关系

图3可看出,花生籽仁锌吸收量均极显著促进了花生各品质指标的提高,1 hm2的花生籽仁每多吸收1g锌,花生含油量、蛋白质含量、蔗糖分别提高22.7 kg·hm-2、9.8 kg·hm-2、1.9 kg·hm-2；除根中锌吸收量与蛋白质含量间呈显著负相关外,其他三器官锌吸收量与花生各品质指标间的关系均为极显著负相关；花生植株锌吸收总量与各品质指标间均无显著相关。

图3 花生不同部位锌吸收量与品质指标的关系Fig.3 Relationships between peanut quality indexes and Zn uptake amounts in different parts of peanut

2.4 花生锌吸收与土壤锌含量、容重和耕作措施间的关系

土壤是花生矿质元素吸收累积的主要来源,土壤全锌与植株锌吸收量间呈曲线关系。由图4可知,可用一元二次方程模拟土壤全锌与针壳锌(p＜0.01)吸收量间的关系,而植株其他部分锌吸收量与土壤全锌间无显著相关关系；针壳锌的理论最小值为17.73 g·hm-2,即针壳锌的最低积累需求为17.73 g·hm-2。

土壤容重是土壤紧实度和熟化程度的指标。作物对营养元素的吸收受土壤容重的影响[11]。由图4可知,一元二次方程可较好模拟土壤容重与花生根、茎叶(p＜0.01)及针壳(p＜0.05)锌吸收量间的关系,而籽仁和植株锌吸收总量与土壤容重间均无显著相关性。花生根、茎叶和针壳锌吸收量对土壤容重值的响应表现相近,临界值分别为1.31 g·cm-3、1.34 g·cm-3、1.33 g·cm-3,即当土壤容重低于1.31 g·cm-3时,花生根、茎叶及针壳中锌吸收量随着土壤容重的增加而增加,土壤容重高于1.34g·cm-3时,以上三器官中锌吸收量随着土壤容重的增加而减少。

图4 花生不同部位锌吸收量与土壤的关系Fig.4 Relationships between soil and Zn uptake amounts in different parts of peanut

耕作措施可以显著降低土壤容重,且这种降低有可持续性。土壤容重大于1.4 g·cm-3紧实胁迫田块,耕作措施可以使土壤容重降到更接近1.31～1.34 g·cm-3临界水平,利于花生根、茎叶和针壳对锌的吸收积累。但在土壤容重小于1.40g·cm-3的地块,耕作措施使土壤容重明显低于1.31 g·cm-3,不利于花生根对锌的吸收积累。

3 讨论与结论

耕作措施是影响土壤容重的重要因素,合理的耕作措施有利于减轻土壤紧实胁迫,维持良好的土壤孔隙度,从而提高花生生理活性,促进营养物质吸收以及花生产量与品质的提高。不同耕作措施下花生营养元素的吸收存在一定的差异,研究表明,浅耕、深耕和深松相比免耕显著降低土壤容重[12],作物对营养元素的吸收受土壤容重的影响,利于花生吸收积累矿质营养元素和生长发育的土壤容重为1.2～1.3g·cm-3,其过高和过低均对于花生营养物质的吸收产生不利影响[13-14]。本研究发现,在土壤容重高的紧实胁迫地块,耕作措施使土壤容重降低到更接近1.31～1.34g·cm-3的临界水平,有利于花生对锌的吸收积累,但在土壤容重低于1.40 g·cm-3的地块,耕作措施会降低土壤容重至明显低于1.31g·cm-3,不利于花生对锌的吸收积累。这说明耕作措施是否有效和必要,需要根据耕作前土壤容重做出判断。

锌是花生生长发育必需的微量元素之一,对于花生植株生长与产量品质都有重要影响。施用锌肥能使每千克籽粒中锌含量增加4.1 mg,使花生增产19.4%,发病率平均降低7.2%[1]。喷施锌肥有利于增加花生的油亚比值[15]。本研究中,花生籽仁的锌吸收量与产量极显著正相关,籽仁每增加吸收1 g锌可增加产量48.76 kg,因此提高花生籽仁锌的吸收积累对增加花生产量具有重要意义。

不同的耕作措施对于植株所吸收营养元素向各器官的分配比例产生影响,在生产实践中,如何控制营养元素更多地向产量器官分配则显得尤为重要。刘明研究认为,深松可以在一定程度上提高植株营养物质转移总量、再分配率和对籽粒的贡献率,以提高作物产量[16]。本研究结果认为,花生田深耕30 cm等有效耕作措施可以促进植株对锌的吸收,利于籽仁中锌的分配比例,而籽仁锌的积累量增加会显著提高产量及脂肪、蛋白质和蔗糖含量的改善。