于天一 李曉亮 路 亞 孫學(xué)武 鄭永美 吳正鋒沈 浦 王才斌,*

1山東省花生研究所, 山東青島 266100； 2煙臺市農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 山東煙臺 265500； 3湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 湖南長沙 410128

花生是我國重要的經(jīng)濟(jì)和油料作物。氮是花生生長發(fā)育必需營養(yǎng)元素之一, 與花生植株生理代謝、產(chǎn)量及品質(zhì)密切相關(guān)[1-2]。長期以來, 為追求高產(chǎn), 花生生產(chǎn)中過于依賴化學(xué)氮肥, 氮肥投入量遠(yuǎn)大于花生需氮量, 造成根瘤固氮能力降低、植株徒長、早衰, 產(chǎn)量下降, 肥料利用率降低, 并帶來一系列環(huán)境問題[3-4]?；ㄉ貭I養(yǎng)來源除肥料氮之外,還包括土壤氮和根瘤固氮[4-5]。因此, 通過提高花生3種氮源中的土壤氮和根瘤固氮的供應(yīng)來降低花生對肥料氮的依賴是解決上述問題的重要措施之一。

磷與作物體內(nèi)多種重要有機(jī)化合物(如脂肪、蛋白質(zhì)、核蛋白)的合成有關(guān), 是參與能量傳遞的高能磷酸化合物磷酸基團(tuán)的組成成分[6-7]。豆科作物根瘤中的磷素積累約占整株磷積累的20%左右, 磷對根瘤的形成、氮的固定、氨的轉(zhuǎn)化以及氨基酸的形成具有重要作用[8-9]。目前磷對豆科作物根瘤固氮及整株氮吸收、利用影響的研究主要集中在大豆、羽扇豆等作物。有人認(rèn)為磷可以直接影響豆科作物結(jié)瘤及固氮[7,10]。缺磷會減少氧氣供給, 增加氧化脅迫從而降低根瘤固氮效率[11-13]。磷缺乏引起根瘤中蘋果酸合成, 但是蘋果酸積累過度會降低天門冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶、合成酶、谷氨酰胺合成酶活性, 最終抑制根瘤固氮及整株氮積累[14-15]。另有人認(rèn)為, 磷可以刺激寄主作物的生長, 間接影響根瘤菌的存活或生長及固氮功能的發(fā)揮等[16]。缺磷影響豆科作物細(xì)胞葉綠體中丙糖磷向液泡中轉(zhuǎn)移, 降低RuBP羧化酶活性和葉片光合速率, 進(jìn)而影響葉面積、葉片數(shù)量、分枝數(shù), 限制碳素向根瘤中轉(zhuǎn)移, 降低固氮酶活性及根瘤重量[17-18]。施磷可降低外源高氮對根瘤的抑制作用, 降低豆科作物對肥料氮和土壤氮依賴[19]。Anna等[20]在紅色苜蓿上的研究表明, 高氮高磷處理的根瘤相關(guān)指標(biāo)(如： 根瘤數(shù)量、根瘤干重、固氮酶等)比高氮低磷處理高6倍以上。嚴(yán)君等[21]報道, 我國東北地區(qū), 大豆高產(chǎn)的氮磷肥推薦施肥量分別為50 kg hm-2和40 kg hm-2, 若要充分發(fā)揮根瘤菌的固氮能力, 應(yīng)增加磷肥的施用比例, 此時的推薦量為純氮 20 kg hm-2和40 kg hm-2。目前花生施磷效應(yīng)相關(guān)研究多體現(xiàn)在產(chǎn)量、品質(zhì)、根系形態(tài)及葉片生理特性等方面[22-24], 磷對花生不同氮源吸收、利用的影響鮮見報到。本文探討了磷肥對不同花生品種氮素吸收、利用的影響, 以期為花生合理施磷提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及試驗設(shè)計

試驗于2015年和2016年在山東省花生研究所萊西試驗基地進(jìn)行(36°48′N, 120°29′E)。該地年均氣溫11.7℃, 年均降雨量635.8 mm (主要集中在5月至9月), 年日照時數(shù)2656.3 h。常年采用冬小麥-夏玉米-春花生兩年三作種植模式。試驗用直徑38 cm、高度50 cm的PVC無底圓桶, 田間先起壟, 壟距80 cm, 壟面寬50 cm, 在壟上按圓桶尺寸將土挖出, 把圓桶埋入土內(nèi), 圓桶上邊露出地表 5 cm, 然后按0～25 cm和25～45 cm原土層順序裝入桶內(nèi), 兩桶(邊緣)相距20 cm, 壟上兩桶之間種1穴(2粒種子)與桶內(nèi)相同的品種作保護(hù)行。每桶播 2粒種子, 齊苗后間苗, 每桶留 1棵長勢均勻一致的植株。試驗設(shè) 5個磷(P2O5)水平, 分別為 0、45、90、135 和 180 kg hm-2,根據(jù)桶的面積折算桶內(nèi)施肥量, 即各處理每桶施磷量分別為0、0.51、1.02、1.53和2.04 g。供試花生品種為山東主推品種花育22號(大花生)和花育20號(小花生)。每處理氮、鉀肥用量相同。其中氮(N)用量為0.85 g 桶-1(75 kg hm-2), 肥料用15N標(biāo)記尿素(購買于上?；ぱ芯吭?, 豐度為10.3%。鉀(K2O)用量為2.04 g 桶-1(180 kg hm-2), 肥料用磷酸二氫鉀和硫酸鉀混合施用。各處理肥料用量見表1。播種前將肥料均勻施入0～20 cm土層中。重復(fù)6次。另以相同的處理方式種植不結(jié)瘤品種 NN-1, 以計算土壤氮積累量和根瘤固氮積累量的比例。試驗地為棕壤土, 容重1.54 g cm-3, pH 6.5, 含有機(jī)質(zhì)1.24%、堿解氮56.8 mg kg-1、速效磷12.9 mg kg-1、速效鉀79.3 mg kg-1。

表1 不同處理肥料用量Table 1 Fertilization of each barrel for different P treatments (g)

1.2 取樣及測定方法

于花生成熟期, 將植株從桶內(nèi)挖出, 并撿拾殘根落葉, 用流水沖洗, 其下放一個 100目的篩子以防脫落的根系及葉子被沖走。洗凈后將花生分成 3部分(莢果、果針和根莖葉)于烘箱105℃殺青1 h, 80℃烘干至恒重, 稱重, 然后研磨、過篩。粉末經(jīng)硫酸-雙氧水消煮后定容、過濾, 用凱氏定氮儀(Kjeltec 2300)測定植株中的全氮含量, 用質(zhì)譜儀(MAT-271)測定15N豐度。2016年, 取3桶花生植株將根系洗凈, 吸干表面水分, 用醫(yī)用解剖刀將根瘤取下, 統(tǒng)計數(shù)目, 稱取鮮重。

1.3 氮素利用相關(guān)指標(biāo)的計算

采用Wang等[4]和鄭永美等[25]的方法計算全氮積累量、肥料氮積累量及比例、土壤氮積累量及比例、根瘤固氮積累量及比例、氮肥利用率及氮素莢果生產(chǎn)效率等指標(biāo)； 用趙亞麗等[26]的方法計算磷肥農(nóng)學(xué)效率。

1.4 統(tǒng)計分析

用Microsoft Excel 2007軟件整理數(shù)據(jù)及作圖,用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行方差分析(LSD)及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 磷對3種氮源氮積累量的影響

花生植株全氮積累量隨施磷量的增加而增加,不同年份及品種表現(xiàn)基本一致。2016年花育 22號各施磷處理的植株全氮積累量較對照增加 16.11%～30.01%, 差異顯著, P180顯著高于P45和P90, P135與各施磷處理間差異不顯著。從不同氮源氮積累量看, 施磷能夠提高花生對肥料氮、土壤氮及根瘤固氮3種氮源的吸收。2016年花育22號各施磷處理的肥料氮、土壤氮及根瘤固氮積累量較對照分別增加11.72%～13.34%、11.95%～15.57%及 19.23%～ 42.6%,且隨施磷量增加, 肥料氮和土壤氮積累量呈先增后減趨勢或增幅降低, 各施磷處理間兩指標(biāo)差異不顯著。但根瘤固氮積累量隨施磷量增加呈增加趨勢,并未出現(xiàn)下降現(xiàn)象(圖1)。說明施磷對根瘤固氮積累量的提高作用大于土壤氮和肥料氮, 且隨施磷量增加這種現(xiàn)象更加明顯。

2.2 磷對3種氮源氮積累比例的影響

由表 2可知, 年份和品種對肥料氮、土壤氮和根瘤固氮 3種氮源氮積累比例的影響均達(dá)到極顯著水平。施磷對土壤氮和根瘤固氮積累比例的影響達(dá)極顯著水平, 對肥料氮積累比例的影響不顯著。年份與品種的交互效應(yīng)對 3種氮源氮積累比例的影響均達(dá)到極顯著水平。施磷水平與年份和品種的兩兩交互效應(yīng)對 3種氮源氮積累比例的影響均未達(dá)到顯著水平。除2015年花育20號之外, 3種氮源氮積累比例表現(xiàn)為根瘤固氮＞土壤氮＞肥料氮。隨施磷量增加, 肥料氮和土壤氮積累比例呈降低趨勢, 根瘤固氮積累比例呈增加趨勢。2016年花育22號各施磷處理肥料氮和土壤氮積累比例較對照分別降低 0.36～1.33和 0.95～4.13個百分點, 根瘤固氮積累比例較對照增加1.78～5.40個百分點。其中P180處理肥料氮積累比例顯著低于對照, 而根瘤固氮積累比例顯著高于對照, 其他施磷處理與對照差異不顯著； 各施磷處理的土壤氮積累比例與對照差異均未達(dá)顯著水平。

2.3 磷對根瘤的影響

與根瘤固氮積累量和積累比例相似, 花生根瘤數(shù)量及鮮重隨施磷量增加而增加。與對照相比, 花育 22號和花育 20號根瘤數(shù)量分別增加 15.9%～44.1%和 21.9%～36.1%, 其中花育 22號各施磷處理均顯著高于對照, 花育20號P135和P180處理顯著高于對照?；ㄓ?2號和花育20號的根瘤鮮重較對照分別增加5.3%～98.2%和29.9%～69.3%, 其中花育22號 P90、P135和 P180處理顯著高于對照, 花育20號P135和P180顯著高于對照(圖2和圖3)。

2.4 磷對氮、磷利用效率的影響

圖1 不同品種及磷水平條件下花生3種氮源氮積累量Fig. 1 N accumulated amounts of three sources for peanut under different varieties and P rates

表2 不同品種及磷水平條件下花生3種氮源氮積累比例Table 2 Percentage of three N supplied sources for peanut under different varieties and P rates (%)

圖2 不同品種及磷水平條件下花生根瘤數(shù)量Fig. 2 Nodule numbers of peanut under different varieties and P rates

圖3 不同品種及磷水平條件下花生根瘤鮮重Fig. 3 Nodule fresh weight of peanut under different varieties and P rates

年份和施磷量單一效應(yīng)對氮肥利用率、氮素莢果效率及磷肥農(nóng)學(xué)效率的影響極顯著。品種單一效應(yīng)及品種和年份兩因素交互效應(yīng)對 2個氮效率指標(biāo)的影響均達(dá)極顯著水平。花生氮肥利用率隨施磷量增加而增加, 但施磷量超過 90 kg hm-2或 135 kg hm-2, 氮肥利用率呈下降或增幅降低趨勢。如2016年花育22號各施磷處理的氮肥利用效率較對照增加2.43～3.16個百分點, 各施磷處理間差異不顯著。隨施磷量增加, 氮素莢果利用效率呈先增后減趨勢,兩品種氮素莢果利用效率均在 P45達(dá)到最高值, 其中2016年花育22號P45處理的氮素莢果利用效率較對照高 0.2%, P90～P180處理較對照降低 0.40%～2.09%, 其中 P180處理與對照差異達(dá)顯著水平。磷肥農(nóng)學(xué)效率隨施磷量增加而降低, 其中2016年花育22號 P45處理較其他 3個施磷處理分別顯著高出45.21%、99.46%和 184.29%。表明適量施磷能夠提高氮肥利用率、氮素莢果效率及磷肥農(nóng)學(xué)效率, 過量施磷三指標(biāo)不升反降(表3)。

2.5 磷對生物產(chǎn)量和莢果產(chǎn)量的影響

年份、品種、施磷量三因素的單一效應(yīng)及品種和年份兩因素交互效應(yīng)對莢果產(chǎn)量及生物產(chǎn)量的影響均達(dá)極顯著水平。施磷量與年份、施磷量與品種的兩兩交互效應(yīng)對莢果產(chǎn)量及生物產(chǎn)量的影響不顯著。施磷增加了花生莢果產(chǎn)量, 但施磷量過高莢果產(chǎn)量不升反降, 除2015年花育22號P45處理外, 其他施磷處理的莢果產(chǎn)量均顯著高于對照, 各施磷處理間差異不顯著, 2016年花育22號各施磷處理的莢果產(chǎn)量較對照高 11.49%～16.21%。生物產(chǎn)量隨施磷量增加呈增加趨勢, 2015年兩品種P90～P180處理的生物產(chǎn)量均顯著高于對照, 2016年花育22號的P135和P180兩處理及花育20號的P180處理也均顯著高于對照, 施磷處理之間差異不顯著。說明施磷量45～90 kg hm-2時, 花生莢果產(chǎn)量為最佳, 過量施磷雖能提高生物產(chǎn)量但對莢果產(chǎn)量的影響較小, 2016年這種現(xiàn)象更為明顯(表4)。

表3 不同品種及磷水平條件下氮肥利用率、氮肥莢果利用效率和磷肥農(nóng)學(xué)效率Table 3 Nitrogen use efficiency, nitrogen pod production efficiency and agronomic efficiency of phosphorus fertilizer under different varieties and P rates

表4 不同品種及磷水平條件下花生莢果產(chǎn)量和生物產(chǎn)量Table 4 Pod and biomass yield of peanut under different varieties and P rates (g plant-1)

(續(xù)表 4)

2.6 莢果產(chǎn)量與3種氮源氮積累量、積累比例及氮肥利用率的關(guān)系

由表 5可知, 莢果產(chǎn)量與 3種氮源及全氮積累量、氮肥利用率均呈極顯著正相關(guān), 與氮素莢果利用效率呈極顯著負(fù)相關(guān)。根瘤固氮積累量與植株全氮積累量呈極顯著正相關(guān), 與植株土壤氮、肥料氮積累比例及氮素莢果利用效率呈極顯著負(fù)相關(guān)。根瘤固氮積累比例與植株土壤氮和肥料氮積累量、積累比例及氮肥利用率呈極顯著負(fù)相關(guān)。表明, 增加根瘤固氮積累量能夠促進(jìn)花生對氮素的吸收, 增加產(chǎn)量； 提高植株根瘤固氮比例能夠降低花生對土壤氮和肥料氮的吸收、利用, 減少對土壤和肥料氮素的依賴。

表5 花生產(chǎn)量與氮素積累、利用相關(guān)性狀的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlations coefficients between pod yield and the traits related to nitrogen accumulation and utilization

3 討論

3.1 不同氮源氮積累量及根瘤特性

前人研究表明, 適當(dāng)施磷能顯著提高豆科作物根瘤固氮能力及產(chǎn)量, 磷過量或不足均不利于結(jié)瘤及產(chǎn)量形成。其原因是不適宜的磷水平會抑制光合作用和固氮過程, 磷代謝的惡化會損傷光合系統(tǒng)和固氮過程的正常代謝[27]。Abbasi等[28]研究認(rèn)為, 與不施磷相比, 施磷能提高花生根瘤固氮能力, 但施磷(P2O5) 100 kg hm-2處理, 大豆根瘤重量、數(shù)量及產(chǎn)量顯著低于施磷50 kg hm-2處理。姚玉波等[19]通過砂培試驗研究表明, 營養(yǎng)液磷濃度11 mg L-1已基本滿足根瘤的需求, 再提高磷水平, 對根瘤固氮無明顯促進(jìn)作用。本試驗的結(jié)論與前人不同, 施磷(P2O5) 0～180 kg hm-2范圍內(nèi), 兩花生品種根瘤數(shù)量、鮮重及根瘤固氮積累量呈持續(xù)增加趨勢, 這可能與土壤肥力水平和不同作物根瘤對磷素需求閾值等因素有關(guān)。另外, 施磷增加了兩品種肥料氮和土壤氮積累量, 但增幅遠(yuǎn)低于根瘤固氮積累量, 其原因可能是磷能夠促進(jìn)花生根系生長, 進(jìn)而間接提高根系對兩種氮源的吸收[29]。因此, 增施磷肥是促進(jìn)花生根瘤生長、提高根瘤固氮能力及植株氮素吸收的重要措施。

3.2 不同氮源氮積累比例

傳統(tǒng)觀點認(rèn)為, 根瘤固氮可滿足花生需氮量的70%～80%, 而土壤氮和肥料氮的作用僅占 20%～30%。近年來, 隨施肥水平及地力提升, 根瘤固氮的作用逐漸降低。吳正鋒等[30]研究表明, 根瘤固氮僅能提供花生植株一半的需氮量。孫虎等[31]在盆栽條件下的研究認(rèn)為, 花生植株全氮積累量中根瘤固氮占41.25%～56.85%, 土壤氮占41.85%～48.63%, 肥料氮占 0～13.93%。本研究結(jié)果表明, 花生根瘤固氮積累比例達(dá) 27.21%～61.99%, 土壤氮略低于根瘤固氮,肥料氮則不足 20%, 施肥處理、品種及年季間均有所差異。說明根瘤固氮在花生氮素代謝中發(fā)揮著重要作用, 而氮肥作用相對較小。前人研究表明[31], 隨施氮量增加, 花生根瘤固氮量降低。為追求高產(chǎn), 花生生產(chǎn)中往往投入大量氮肥, 相當(dāng)大一部分通過淋洗、氨揮發(fā)及徑流等途徑損失, 僅有少數(shù)能被花生吸收利用, 不僅導(dǎo)致氮素資源浪費, 造成環(huán)境污染,還極大地限制了根瘤固氮。因此, 適當(dāng)控制氮肥投入, 保持合理的“氮磷比”并輔以其他農(nóng)藝措施, 充分發(fā)揮根瘤菌固氮潛力, 是花生“減氮增效”的重要途徑。

3.3 氮、磷利用效率

氮肥利用效率及氮素莢果利用率是評價花生對氮肥(氮素)吸收、利用的重要指標(biāo)。施磷肥是調(diào)控氮素利用的重要措施。華偉等[32]研究表明, 在施磷量0～330 kg hm-2范圍內(nèi), 玉米植株氮積累量、氮肥利用效率及氮素利用效率(同本研究中氮素莢果利用率)均呈先增后減趨勢。張萌等[33]在小麥上也得到了類似的結(jié)論。本研究得到了不同的結(jié)論, 即： 適量施磷能夠提高這兩個氮效率指標(biāo), 施磷量過高使其不升反降, 而根瘤鮮重、數(shù)量、根瘤固氮積累量及全氮積累量卻持續(xù)增加, 主要是因為過量施磷導(dǎo)致花生與禾本科作物氮效率降低的機(jī)制不同。施磷過多往往導(dǎo)致禾本科作物體內(nèi)游離氨基酸和酰胺含量增加, 阻礙蛋白質(zhì)的合成, 進(jìn)而降低植株氮積累量和氮利用效率； 而本研究中過量施磷促進(jìn)了花生根瘤固氮能力, 反而提高了植株氮素積累, 但有可能增強(qiáng)植株的呼吸強(qiáng)度, 不利于植株生長發(fā)育及產(chǎn)量形成, 進(jìn)而造成氮素奢侈吸收、氮效率下降。

磷肥農(nóng)學(xué)效率表示單位施磷量所增加的作物產(chǎn)量。本研究表明, 施磷量在 45～180 kg hm-2范圍內(nèi),磷肥農(nóng)學(xué)效率隨施磷量增加顯著降低, 這與侯云鵬等[34]在水稻上得到的結(jié)論基本一致。而李月梅[35]研究表明, 施磷量在37.5～112.5 kg hm-2范圍內(nèi), 油菜磷肥農(nóng)學(xué)效率無顯著差異, 這與供試土壤磷素水平及試驗條件等因素有關(guān)。綜合來看, 施磷量45～90 kg hm-2是兼顧花生產(chǎn)量和氮、磷效率的適宜施磷量。另外, 在現(xiàn)有的花生種質(zhì)中選擇或培育產(chǎn)量及肥料利用率雙高的品種也是實現(xiàn)花生節(jié)本增效的有效途徑之一。

3.4 氮素吸收、利用與莢果產(chǎn)量的關(guān)系

鄭永美等[25]研究表明, 花生根瘤固氮積累量與莢果產(chǎn)量、全氮積累量、肥料氮積累量、土壤氮積累量及氮肥利用率呈顯著或極顯著正相關(guān), 與肥料氮和土壤氮供氮比例呈極顯著負(fù)相關(guān)。根瘤固氮積累比例與莢果產(chǎn)量、全氮積累量呈極顯著正相關(guān),與肥料氮和土壤氮積累量呈極顯著負(fù)相關(guān)。而本研究結(jié)果與之略有不同, 即根瘤固氮積累量與植株全氮積累量呈極顯著正相關(guān), 與土壤氮、肥料氮積累比例及氮素莢果利用效率呈極顯著負(fù)相關(guān)。根瘤固氮積累比例與土壤氮和肥料氮積累量、積累比例及氮肥利用率呈極顯著負(fù)相關(guān)。因此, 生產(chǎn)上充分發(fā)揮花生根瘤固氮潛力, 提高根瘤固氮積累量或積累比例, 是促進(jìn)花生植株氮素吸收及減少氮肥依賴的重要途徑。

4 結(jié)論

施磷可提高花生肥料氮、土壤氮及根瘤固氮 3種氮源氮積累量, 且根瘤固氮積累量的增幅大于土壤氮和肥料氮； 可降低土壤氮、肥料氮積累比例, 增加根瘤固氮積累比例。適量施磷可提高花生氮肥利用率、氮素莢果利用率及莢果產(chǎn)量, 兩品種適宜的施磷量為45～90 kg hm-2。磷肥農(nóng)學(xué)效率隨施磷量增加而降低, 過量施磷不利于產(chǎn)量及氮、磷效率的進(jìn)一步提高。增加根瘤固氮積累量能夠促進(jìn)花生對氮素的吸收, 增加產(chǎn)量； 提高植株根瘤固氮積累比例能夠降低花生對土壤氮和肥料氮的吸收、利用, 減少對土壤和肥料氮的依賴。