施钾量对花生根系和根瘤特性、养分吸收及产量的影响

刘娜，谢畅，黄海云，姚瑞，徐爽，宋海玲，于海秋，赵新华，王婧，蒋春姬，王晓光

沈阳农业大学农学院，沈阳 110866

0 引言

【研究意义】花生（Arachis hypogaeaL.）是食用油及蛋白质的重要来源，中国作为花生的主产国，2020年以1 799.30万t的产量居世界第一，占亚洲花生总产量的一半以上，为世界花生生产做出了33.54%的贡献[1]。辽宁省是我国花生主产省份之一，2020年种植面积约30.62万hm2，居全国第4位，而单产3 225 kg·hm-2低于全国平均单产（3 803 kg·hm-2）[2]，其原因是土壤贫瘠，大部分耕地钾素含量低于临界值（78 mg·kg-1），尤其是花生产量约占全省 78.93%的阜新、葫芦岛、锦州、沈阳四大主要花生种植区[3]，速效钾含量仅为57.39—75.66 mg·kg-1[4]，目前全省的钾肥施用量为10.8万t，远低于氮肥（47.2万t）及复合肥（70.4万t）[3]，耕地土壤养分不均衡问题依旧突出。因此，施用钾肥对提高辽宁省花生产量具有重要意义。【前人研究进展】钾素是植物必需的大量元素[5]，可占植株干重的10%[6]，是60多种酶的激活剂[7]，能提高植物对盐[8]、干旱[9]、重金属[10]等非生物胁迫的耐性，减少植株对放射性金属的吸收[11]，对植物的生长发育及营养物质的吸收转运至关重要[12-13]。钾素缺乏会改变蛋白质编码基因的表达，使植物生长发育受到抑制，根系对低钾胁迫的敏感程度低于地上部，根系生物量积累和活力变化不显著[14]，但总根长和总根表面积显著减少[15]，进而导致减产[16]。花生是需钾较多的作物[17]，在其正常生长发育所需的营养元素中，钾位居第2[18]，每生产100 kg荚果，需钾3.45—6.66 kg，而需氮和磷的量分别为3.08—5.35 kg、0.6—1.2 kg[19]。花生对钾素较敏感，低钾胁迫下，花生的根系生长、光合生理、钾素积累以及产量都会受到严重影响[20]；施钾过多时，会出现净光合速率降低、SPAD值降低、保护酶活性下降和衰老速度加快等现象，同样影响花生产量和品质的提高[21]。适量施钾有利于花生叶片数、株高、植株钾积累量及产量的提高[22]。与其他豆科作物一样，花生与根瘤菌建立了特异性共生固氮系统[23]。土壤钾素含量会影响根瘤菌的丰度，有研究认为，在速效钾含量较高且土壤呈中性或弱碱性的条件下，花生根瘤菌群丰富度更高，钾含量是花生根瘤菌分布的特殊决定因素[24]。另有研究表明，钾能提高细菌在根上的定殖率[25]，根瘤的发育与正常工作离不开钾，钾离子转运蛋白LjKUP在根瘤发育后期（接种后7—14 d）被激活，为细胞快速生长、分裂提供大量的K+维持离子平衡和提供膨胀压力，该蛋白在成熟期持续高表达，表明其在共生固氮中也发挥着重要作用[26]。【本研究切入点】我国关于花生施钾方面的研究多集中在华北等夏花生主产区[19,21]，而辽宁省花生多种植在缺钾的沙性土壤上，关于施钾量对辽宁省花生根系和根瘤特性、养分吸收及产量的影响并不十分明确。【拟解决的关键问题】本研究针对辽宁省花生产地速效钾含量偏低、钾肥施用量不足的现状，探究不同钾水平对花生根系、根瘤特性、主要养分吸收速率以及产量的影响，以期明确最佳的钾肥施用量，为当地的花生生产钾肥施用技术提供理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2018和2019年在沈阳农业大学科研试验基地试验田（41.82°N，123.56°E）进行，该地处于温带季风气候区，雨热同期，四季分明，年平均温度6.2—9.7℃，全年降水量 600—800 mm，无霜期 155—180 d。2年大田试验的土壤均为棕壤土，主要理化参数如表1所示。

表1 试验田土壤主要理化参数Table 1 Main physical and chemical parameters of soil in test field

1.2 供试材料

供试花生品种为农花9号，由沈阳农业大学农学院花生研究所选育。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，设置4个钾肥用量梯度，各处理硫酸钾、尿素及过磷酸钙具体用量如表2所示，3种肥料混匀后一次性于播种前均匀施入小区，每个处理3次重复。每小区7垄，垄长7 m，垄距0.6 m，小区面积29.4 m2，穴距0.14 m，每穴2粒。2018年5月10日播种，9月14日收获；2019年5月15日播种，9月19日收获。

表2 试验处理设计Table 2 Experimental treatment design

1.4 测定项目与方法

1.4.1 根系形态和干物重的测定 分别在苗期、开花下针期、结荚期和成熟期，从各小区中选取有代表性的花生植株3穴，每穴以根为中心挖20 cm×20 cm×20 cm的土坨。将土坨放入纱网袋中冲洗净后剪下根系，用加拿大Regent公司的Epson Perfection v700型扫根仪对花生根系进行扫描，并使用WinRhizo Program分析，得到根系的各形态指标，然后将根放入干净的信封，在烘箱中先105℃杀青30 min，再80℃烘至恒重，称量根干重。

1.4.2 根瘤数量和干重的测定 分别在苗期、开花下针期、结荚期从各小区中选取有代表性的花生3株，将每株的根瘤用镊子剥下，计算根瘤的数量，然后，放入干净的信封，在烘箱中先105℃杀青30 min，再80℃烘至恒重，称量根瘤干重。

1.4.3 根瘤超微结构的观察 于结荚期选取各处理生长位置、生长状态和大小一致的根瘤，用刀片切去外部皮层，在根瘤的含菌细胞区域切取长约1—2 mm、截面1 mm2的小长方体3—5个，按何一等[27]的方法进行操作，用日本Hitachi公司生产的HT7700型透射电子显微镜在不同倍数下观察，选取清晰、典型的部位拍照。使用蔡司ZEN 2（blue edition）软件测量各处理含菌细胞的细胞壁厚度、类菌体的膜间隙宽度和内含颗粒直径，每处理重复10次。

1.4.4 氮、磷、钾养分吸收的测定 从出苗后30 d开始第1次取样，之后每15 d取样一次，清洗干净后将植株根、茎、叶、果针和荚果分开放入信封，于烘箱中105℃杀青30 min，80℃烘至恒重，记录干重。再用H2SO4-H2O2消煮法消煮，氮和磷的含量采用意大利AMS/Westco公司生产的SmarChem200全自动间断化学分析仪进行测定，钾含量的测定采用火焰光度法。测量并计算得到 4个处理各取样时期各器官的氮、磷、钾含量，再乘以各器官的干重，即为各器官氮、磷、钾的积累量，累加得到整株氮、磷、钾的积累量。

计算氮、磷、钾积累动态模型Logistic方程：

式中，W 为积累量，t为时间，e为自然常数，a、m、R为参数。其中，m为最大积累量，W3为测定数据中最大干物重，W2、W1为由 W3向前等间隔时间的2次测定值。

再根据 Logistic方程，计算最大积累速率、平均积累速率、达到最大积累速率的时间和活跃积累期[28]：

1.4.5 产量及产量构成因素的测定 花生成熟收获时，每小区连续取10株，整株放入纱网袋中，于阴凉处风干至恒重后进行考种，测定单株果数、单株饱果数、单株果重、单株饱果重、百果重和百仁重。另外，每小区取中间3行，舍去地头两边各0.5 m，共10.8 m2全部收获，统计总株数，收获荚果于纱网袋中，风干至恒重后称重，并计算产量。

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2019整理数据及绘制表格，IBM SPSS Statistics 27数据分析软件对各性状进行统计分析。

2 结果

2.1 施钾量对花生根系特性的影响

2.1.1 施钾量对花生根系干物质积累的影响 表 3为不同钾水平下花生4个生育时期的单株根系干物质积累量，2年的试验数据显示，花生在开花下针期的根系干物质积累最多，施钾进一步促进了该时期干物质的积累，此时期 T2处理的干物质积累量最大，较CK增加了38.66%（2018）和23.61%（2019），但未达到显著水平，各处理根系干物质积累在其他3个生育时期也均未达到显著水平。

表3 施钾量对花生根系干物质积累的影响Table 3 Effects of potassium application on dry matter accumulation in peanut roots

2.1.2 施钾量对花生根系形态的影响 花生总根长从苗期逐渐增加，在开花下针期达到最大值，结荚期及成熟期趋于平稳或略有下降（表 4）。增施钾肥可促进花生各时期总根长的增加，除2018年苗期T3处理最大外，2018年和2019年的其他各时期均为T2处理最大，且均与无钾CK达到差异显著水平（P＜0.05）。钾肥的增施对花生耕层的总根表面积有明显的增加作用，T2处理的总根表面积在2年试验的各时期均表现为最大，与CK间的差异均达到显著水平（P＜0.05），2019年4个时期较CK增加了32.86%—41.84%，最显著的是在2018年结荚期，比CK增加了54.94%。总根体积在不同钾水平下的变化规律与总根长、总根表面积一致，T2处理使其达到最大值，除2019年结荚期T2与CK间无显著差异外，两者的差异在其他各时期均达到了显著水平（P＜0.05）。

表4 施钾量对花生根系形态的影响Table 4 Effects of potassium application on root morphology of peanut

2.1.3 花生根系干物质积累与形态的相关性分析 花生根干重与各形态指标（总根长、总根表面积和总根体积）之间均极显著相关（P＜0.01），其中，根干重与总根体积的相关性最高（表5）。3个根系形态指标之间，总根长与总根表面积显著相关，总根体积与总根长、总根表面积均呈极显著相关。

表5 花生根系干物质积累与形态的相关性分析Table 5 Correlation analysis between dry matter accumulation and morphology of peanut root

2.2 施钾量对花生根瘤特性的影响

2.2.1 施钾量对花生根瘤数量和干重的影响 2年的单株根瘤数各处理均为苗期最多，且整个生育期内变化不大（图1）。除2018年的结荚期外，各时期均为T1处理的单株根瘤数最多。与不施钾肥的CK相比，T1处理的单株根瘤数苗期增加了 16.47%（2018）和37.93%（2019），开花下针期增加了83.72%（2018）和 58.33%（2019）。当钾肥的施入量超过 112.5 kg·hm-2，根瘤数在苗期会显著降低（P＜0.05），在开花下针期也会略有降低，到了结荚期，各处理间的根瘤数无显著差异。

2018和2019年花生根瘤干重对不同钾水平的响应规律基本一致（图1）。少量的钾肥投入（T1）能促进苗期、开花下针期和结荚期单株根瘤干重的增加，继续增加钾肥的用量（T2和T3），促进根瘤干重增加的效果会减弱（开花下针期），甚至会使其干重降低（苗期和结荚期）。这与根瘤数量在不同钾水平作用下的变化规律基本吻合。

图1 施钾量对花生根瘤数量和干重的影响Fig.1 Effects of potassium application on nodule number and dry weight of peanut

2.2.2 施钾量对花生根瘤超微结构的影响 如图 2和表6所示，T1、T2、T3处理的含菌细胞排列较CK更为松散无序，细胞壁（CW）更厚，3个处理的细胞壁（CW）分别比CK增厚了28.37%、37.46%、107.64%，T3处理的含菌细胞之间甚至出现了空隙，细胞间的联系减弱。在类菌体方面，CK的类菌体膜（BM）与类菌体周膜（PM）之间的膜间隙（MS）较小，内含颗粒（I）较小，未出现气泡（V）；T1处理的类菌体的部分膜间隙（MS）明显变大，比CK增大178.10%，并出现了类菌体周膜融合的现象（#）；T2处理的类菌体膜（BM）与类菌体周膜（PM）模糊不清，膜间隙（MS）比CK增大209.78%，同时出现了气泡（V）；T3处理的类菌体中，膜间隙（MS）比CK增大242.89%，内含颗粒（I）数量增加 25.00%，内含颗粒直径增加113.77%。与CK相比，T1、T2、T3处理在含菌细胞和类菌体方面都表现出了更为严重的衰老迹象，尤其以T3处理最为明显。

图2 施钾量对花生根瘤超微结构的影响（2018）Fig.2 The effect of potassium application on nodule ultrastructure of peanut (2018)

表6 施钾量对花生根瘤含菌细胞和类菌体的影响（2018）Table 6 Effects of potassium application on bacteria cell and bacteroids of nodule in peanut (2018)

2.3 施钾量对花生氮、磷、钾养分积累的影响

从Logistic模拟方程及计算所得参数可知，两个生长季，T2处理的氮素最大积累速率均高于其他处理，分别为31.56 mg·d-1（2018）和25.87 mg·d-1（2019），分别出现在出苗后约60 d和65 d（表7）。在一定范围内，氮素的最大积累速率和平均积累速率随着钾肥的增施，2年均有先增加后减少的趋势，最大积累速率出现的时间延后，活跃积累期延长。

表7 施钾量对花生氮、磷、钾积累动态模型及其参数的影响Table 7 Effects of potassium application on equation and parameters of N, P and K accumulation dynamics of peanut

施钾提高了磷的最大积累速率和平均积累速率，其中T2处理积累速率最高，分别为1.31 mg·d-1（2018）和0.88 mg·d-1（2019），出现时间较氮、钾晚，为出苗后80 d和78 d。2年的整株磷素积累最大积累量均为T2处理，T1和T3处理也高于CK。

T2处理的钾素积累最大速率高于其他处理，分别为 10.69 mg·d-1（2018）和 8.10 mg·d-1（2019），在出苗后57 d和51 d，早于氮、磷；钾肥的增施提高了花生钾素的最大积累量，增强花生对钾素的吸收潜能，提高了最大积累速率和平均积累速率，延长了活跃积累期。

2.4 施钾量对花生产量构成因素及产量的影响

如图3所示，不同钾水平可增加花生的单株果数和单株饱果数，提高单株果重、单株饱果重、百果重和百仁重，T2处理促进效果尤为突出。T2处理的各产量构成因素在 2年试验中，均显著高于不施钾的CK，T2处理的单株果数还显著高于T1和T3处理。

图3 施钾量对花生产量构成因素的影响Fig.3 Effects of potassium application on agronomic characteristics of peanut

增施钾肥显著增加花生的产量。由表8可知，4个处理的产量变化趋势，2年的试验结果基本一致，均为T2处理最高，T1处理次之，T3处理略低，CK最低。与CK相比，T1、T2、T3处理2年试验结果分别增产3.66%、7.37%、2.91%（2018）和10.71%、12.54%、5.19%（2019），且2年间T2、T1处理的产量与CK之间的差异均达到了显著水平（P＜0.05），同时，T2与T1处理间的差异在 2018年亦达到显著水平（P＜0.05），2年间T3处理的产量较T2处理均有显著降低（P＜0.05）。

表8 施钾量对花生产量的影响Table 8 Effects of potassium application on yield of peanut

3 讨论

3.1 施钾量影响花生根系形态

作物体内的矿质元素大部分依靠根系吸收，根系的形态特征直接影响根系与土壤的接触面积，影响作物从土壤中吸收水分和各种营养元素的量。花生 0—20 cm耕作层土壤中，分布着62.6%—85.5%的根系干重和50%—60%的TTC还原量[29]，因此耕层中的根系特征具有重要的参考价值。有学者认为，钾对花生地上部营养器官和生殖器官影响较大，而对根系的干物质积累和形态影响较小[14]；也有研究认为，钾肥可显著提高花生的根系总长，在不同水分条件下对花生根系的总体积和总表面积有不同程度的促进作用[30]。作为同样喜钾的烤烟，适量增施钾（硫酸钾肥或其他钾肥）可增加其主根长和根体积[31]，中等施钾量的情况下，烤烟的总根长、总根表面积和总根体积都有显著的增加，高钾处理反而与不施钾的对照无显著差异[32]。本试验中，施钾量对根系形态影响较大。在施钾225 kg·hm-2时，与对照相比，显著增加了耕层根系的总根长、总根表面积和总根体积，增加施钾量达337.5 kg·hm-2时，对耕层根系生长的促进效果减弱；相关性分析显示，花生根干重与总根长、总根表面积和总根体积均极显著相关，说明施钾在促进总根长、总根表面积和总根体积增加的同时，也能促进根干重的增加。施钾量对花生根系干物质积累有影响，只是未到达显著水平，推测其原因，可能是根系形态的变化主要来源于纤细须根的贡献，这些须根在被烘干水分后重量极小，对根系整体干重的贡献微乎其微，并不能使不同处理间根系干物质积累的差异达到显著水平。

3.2 适量施钾促进花生根瘤的形成

花生植株的氮素来源有3个：土壤、肥料和根瘤固氮。万书波等[33]研究表明，花生积累的氮中，土壤提供了19.24%—49.04%，肥料提供了6.37%—26.52%，根瘤固氮提供剩余的 24.44%—80.76%。王月福等[34]研究发现，施钾能提高根瘤固氮的比例；张鹏等[30]研究发现，在干旱和水分充足的条件下，钾均能促进花生根瘤数量的增加，过多、过少施钾均不利于花生根瘤数量的增加。张学斌等[35]研究显示，增施钾肥可提高大豆的根瘤数、根瘤重和有效根瘤数。

本研究发现，施钾可促进花生苗期和开花下针期根瘤数量和根瘤干重的增加，其中以 T1处理的效果最显著，可能是因为根瘤菌是细菌，钾能刺激细菌在植物根系的定殖[25]；施钾量达到225 kg·hm-2（T2）时，其促进作用会有所削弱，前人及本研究出现这样的结果，可能是根瘤菌和根瘤对盐离子浓度较植物更敏感[36-37]，最适需钾量较花生低，土壤中的钾离子在达到影响植物生长发育的浓度之前就已经更早、更严重地影响了根瘤的形成[38]。

花生根瘤菌以“裂隙侵染”的方式通过侧根根基的细胞间途径进入，产生的内生型有限型球形根瘤，成熟的根瘤类菌体为球状[39]。前人在水培条件下对花生根瘤的形态及超微结构进行了详尽的研究和观察，认为当类菌体中出现内含颗粒增大、出现气泡、周膜融合、膜间隙变大和含菌细胞的细胞壁增厚等情况时，说明类菌体和含菌细胞开始衰老[40]。关于影响花生根瘤超微结构的因素，目前无相关研究，因此无从参考。本试验透射电镜观察发现，结荚期的花生根瘤，施钾处理的含菌细胞比不施钾的对照提前衰老，表现为细胞壁增厚；在类菌体方面，对照的膜间隙较小，施钾肥处理的类菌体出现膜间隙变大、周膜融合和内含颗粒增多增大。这种现象的出现，推测是钾肥的增施促进了根瘤的形成，缩短了类菌体成熟前的时间，促进了类菌体的早熟，含菌细胞和类菌体提前进行固氮，进而出现提前衰老的现象，后续可进一步完善试验设计，结合生理与转录组等，对钾在花生根瘤中的作用机制做进一步探索。本研究中，钾对根瘤形成的促进，有利于花生生育前期的供氮，促进结荚前的营养物质储备，有利于增加花生在开花下针期增加开花和下针量，为后期产量的增加打下基础。

3.3 适量施钾肥促进花生对养分的吸收

氮、磷、钾是植物营养三要素，足够量的氮、磷、钾养分储备是维持植物各项生理活动正常运行的重要基础，任何一种元素的缺失都会影响作物的代谢、抗性、产量和品质等[41]。有研究发现，缺钾会明显降低甘蓝整个生育期内钾积累量和生育后期氮的吸收速率，继而影响到氮的吸收效率[42]；侯云鹏等[43]认为，施钾能促进水稻对氮、磷、钾的吸收，提高三者的积累量，但过量施钾会影响水稻后期生殖生长阶段的养分积累；在钾对花生养分吸收影响的研究中，彭智平等[44]认为，适量增施钾肥有利于花生对氮、磷、钾的吸收，同时促进营养物质向荚果的分配转移，但过量施钾时荚果磷、钾积累量不继续增加，氮积累量明显下降；武庆慧等[45]研究认为，在氮、磷肥一定时，增施钾肥能显著提高花生各生育时期的钾积累量；张鹏等[46]研究表明，水分充足时适量施钾可促进花生对磷的吸收，任何水分条件下适量的增施钾肥都有利于花生对钾的积累。

本试验中，由Logistic动态模拟方程及参数显示，钾素的增施能提高氮、磷、钾积累的理论最大值，提高了氮（2018）、磷、钾素的最大积累速率，使氮、磷（2018）、钾（2018）积累的峰值延后，平均积累速率也随之提高（2019年氮素除外）；除磷素外，施钾延长了氮素、钾素的活跃积累期。氮、磷、钾的最佳吸收积累动态都出现在施钾量为225 kg·hm-2（T2）时，继续增加钾肥用量不利于花生对三者的吸收积累，这与前人的研究结果一致[43-44]。

3.4 适量增施钾肥促进花生产量形成，提高花生产量

钾素已被前人若干试验证实对花生具有增产作用。周录英等[47]研究显示，施钾能提高花生的单株荚果数，虽与对照间无显著性差异，但施钾能有效增加花生的荚果产量，其中以中等施钾量最高；康玉洁等[21]也认为，增施钾肥能提高花生的百果重等，降低千克果数，但以中等钾用量，即150 kg·hm-2的处理产量最高，继续增施钾肥增产效果降低，高飞等[48]在夏花生的研究中也得到了相同的结论。在其他作物中也有类似的结论，张学斌等[35]认为，在夏大豆施用氮、磷肥的前提下增施钾肥，有利于单株结荚数、单株籽粒数和百粒重的增加，还能显著增加其产量；肖万欣等[49]认为，增施钾肥能提高玉米杂交种的百粒重和穗粒数，进而增加产量，但钾肥过多时增产效果减低。本试验中，钾对花生产量和产量构成因素等方面的影响效果显著。2年的试验结果显示，施钾处理比不施钾对照增加花生的百果重、百仁重等，部分钾处理的产量也显著高于不施钾的对照。T2处理产量最高，并和CK间的差异达到显著水平。

但是，随着施钾量的增加，花生植株出现了“过犹不及”的现象。施钾量最高的 T3处理，根系和根瘤的生长、3种营养元素的积累量与积累速率都未因钾的增加而与 T2处理呈现显著差异，甚至表现出了低于 T2处理的趋势，并最终将这个趋势在产量中放大（显著低于 T2处理）。这可能是高浓度的钾本身对花生的毒害作用，也有可能是离子之间的拮抗作用或替代作用导致的营养不均衡。周可金等[17]研究表明，无论是KCl还是K2SO4，过量施用产生的毒害会对花生的发芽出苗速度、出叶速度和干物质积累造成影响；另有研究表明，高浓度的钾会抑制油菜对钙、镁的吸收，造成叶片中钙、镁含量降低[50]，低钾胁迫下会增加冬小麦植株的钙、镁含量[51]。而钙、镁对花生的生长及产量形成也极其重要，花生对钙的需求量仅次于钾[18]，缺钙会对花生根系生长、光合生理、养分代谢等造成影响，使花生烂果空荚率增高，降低产量[52]；镁作为叶绿素的中心原子，能稳定叶绿素结构和促进光合作用碳同化[53]，在氮代谢、脂肪合成、活性氧代谢等过程中也发挥着重要作用[54]。钾过多导致钙、镁吸收减少，使花生营养失衡，最终影响产量，本试验中 T2处理能够达到最高产量，也是钾肥用量与土壤中其他离子含量比例协调的结果。

4 结论

土壤中钾含量的增加，有利于花生根系的生长，虽然干物质积累变化不显著，但是提高了耕层中的总根长、总根表面积和总根体积，进而增加了根系与土壤的接触面积，便于根系更多地吸收土壤中的水分和矿物质，有利于提高氮、磷、钾的最大积累速率和平均积累速率，延长氮、钾的活跃积累期，提高花生单株饱果数、单株饱果重、百果重、百仁重等和产量，其中，施钾量为225 kg·hm-2（T2）时，各指标及产量均达到最大值，当钾素施入过量，达到337.5 kg·hm-2时，花生根系生长及氮、磷、钾的最大积累速率较最适施入量时降低，产量及产量构成因素也随之降低，此时产量虽高于CK，但投入的成本高且不利于环保。钾促进根系旺盛生长的同时，为根瘤菌的侵染提供了更多机会，但根瘤对钾的需求与花生不同，当施钾量为112.5 kg·hm-2时，最适合根瘤生长，单株的根瘤数和根瘤干重达到最大值，继续增加钾肥用量对根瘤的生长无益。