渭北旱塬豆科綠肥提高冬小麥籽粒鋅的效應與影響因素研究

劉苡軒，黃冬琳，劉娜，姚致遠，尹丹，蒙元永，趙護兵，高亞軍，王朝輝,2

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渭北旱塬豆科綠肥提高冬小麥籽粒鋅的效應與影響因素研究

劉苡軒1，黃冬琳1，劉娜1，姚致遠1，尹丹1，蒙元永1，趙護兵1，高亞軍1，王朝輝1,2

(1西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院/農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西楊凌 712100；2西北農(nóng)林科技大學/旱區(qū)作物逆境生物學 國家重點實驗室，陜西楊凌 712100）

【目的】針對渭北旱塬石灰性土壤有效鋅含量低，小麥籽粒鋅含量不高的問題，研究不同豆科綠肥輪作對小麥籽粒鋅的作用，揭示其提高小麥籽粒鋅含量的影響因素，為改善居民鋅攝入水平提供思路及實踐依據(jù)?！痉椒ā?016—2017年在永壽和長武兩地開展田間試驗，完全隨機區(qū)組設(shè)計。永壽試驗地處理為休閑-小麥、黑麥豆-小麥和綠豆-小麥3種處理；長武試驗地為休閑-小麥、懷豆-小麥和綠豆-小麥3種處理。采集永壽、長武兩地的綠肥、小麥和土壤樣品進行分析。【結(jié)果】與休閑相比，永壽各豆科綠肥—小麥輪作的小麥各器官生物量顯著降低了19.2%—38.3%；長武各豆科綠肥—小麥輪作顯著減少了小麥莖葉、穎殼生物量，降幅為19.9%—33.2%。永壽黑麥豆—小麥和長武懷豆—小麥輪作較休閑顯著提高了小麥籽粒鋅含量，分別增加了14.2%和18.6%。黑麥豆—小麥、懷豆—小麥輪作對小麥的增鋅作用一定程度上補償了減產(chǎn)對小麥鋅累積量的影響，長武懷豆—小麥輪作的小麥各器官及地上部鋅累積量與休閑無顯著差異。小麥籽粒鋅含量與豆科綠肥的鋅吸收量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，豆科綠肥鋅吸收量每增加1.0 g·hm-2，小麥籽粒鋅含量增加0.23 mg·kg-1。黑麥豆、懷豆的鋅、氮吸收量相對較高，C/N較綠豆分別低了18.6%和20.4%。黑麥豆—小麥、懷豆—小麥輪作較休閑在小麥收獲期顯著提高了土壤硝態(tài)氮含量，增幅分別為36.7%和69.1%。豆科綠肥—小麥輪作在小麥生長過程中對土壤DTPA-Zn含量基本無顯著影響。【結(jié)論】黑麥豆、懷豆兩種豆科綠肥因自身比較高的鋅、氮吸收量以及較低的C/N，可顯著提高后茬小麥籽粒鋅含量。同時綠肥自身富集鋅的能力可作為篩選小麥適宜增鋅綠肥品種的依據(jù)?？傊?，豆科綠肥—小麥輪作模式是提高小麥籽粒鋅含量，改善居民膳食鋅攝入的有效生物強化手段。

渭北旱塬；豆科綠肥；輪作；冬小麥；籽粒；鋅含量

0 引言

【研究意義】鋅是維持人體健康不可缺少的必要營養(yǎng)元素，參與生長發(fā)育中重要的生理生化過程。人體缺鋅會引發(fā)諸如生長發(fā)育遲緩，新陳代謝緩慢，免疫力低下等一系列嚴重的健康問題[1-4]。日常膳食是人體補充鋅營養(yǎng)的主要途徑[3]，小麥是我國北方的主糧作物，小麥鋅含量的高低直接影響以小麥為主食人群的鋅營養(yǎng)狀況。渭北旱塬土壤是典型的石灰性土壤，高pH、碳酸鹽含量高、土壤有機質(zhì)低和土壤水分缺乏等因素嚴重制約了土壤鋅生物有效性[5]，該區(qū)域生產(chǎn)的小麥籽粒鋅含量平均值低于30 mg·kg-1[6-9]，遠低于滿足人體鋅需求的小麥籽粒推薦鋅含量40—60 mg·kg-1[5]，因此研究活化土壤鋅、增加小麥籽粒鋅含量的有效途徑并探索其可能的影響因素，改善以小麥為主食人群的鋅攝入狀況，具有重要的科學意義?！厩叭搜芯窟M展】通過小麥育種獲取鋅高效型品種是提高小麥富鋅能力的重要途徑之一，但科研投入較高，耗時較長且依賴于土壤鋅含量的高低[9]。施用鋅肥是較為常用、可短期提高小麥籽粒鋅含量的農(nóng)藝措施，但不同于土耳其等低鋅地區(qū)研究結(jié)果[10-11]，我國石灰性土壤上的試驗發(fā)現(xiàn)土施鋅肥無法有效提高小麥鋅含量[7,12]。而噴施鋅肥雖能夠顯著增加小麥鋅含量[7,12]，但需要多次噴施，耗費人力，在我國目前農(nóng)村缺乏勞力的情況下，噴施鋅肥并不經(jīng)濟。豆科作物自古以來作為綠肥被廣泛用于提高土壤有機質(zhì)含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，并為后茬作物提供養(yǎng)分[13-14]。近期有研究表明，豆科綠肥輪作還能夠活化土壤鋅，增加后茬作物鋅含量。印度的小麥水稻輪作體系中，插播豆科綠肥能夠顯著提高小麥籽粒鋅含量21.1%[15]。伊朗低鋅石灰性土壤種植豆科作物后顯著增加后茬小麥籽粒鋅含量[16-18]。我國黃土高原進行的一年田間試驗也發(fā)現(xiàn)，綠豆、懷豆和大豆3種豆科綠肥與小麥輪作均可顯著提高小麥籽粒鋅含量，增幅在7.1%—28.6%[5]?！颈狙芯壳腥朦c】渭北旱塬地區(qū)小麥籽粒鋅含量偏低，當?shù)鼐用裆攀充\營養(yǎng)無法滿足的問題亟待解決。利用豆科綠肥與小麥輪作模式，以生物強化途徑提高小麥籽粒鋅含量的研究較少，石灰性土壤地區(qū)不同地點不同種類豆科綠肥與小麥輪作對小麥鋅含量的影響是否存在差異，產(chǎn)生這些差異的影響因素是什么，尚不清楚?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究通過渭北旱塬地區(qū)永壽和長武兩個地點開展的田間試驗，分析測定2016—2017年的綠肥、小麥及土壤樣品，研究渭北旱塬永壽長武兩地不同種類豆科綠肥與小麥輪作對小麥的增鋅作用，并對綠肥自身性質(zhì)和吸鋅特點、土壤氮素及有效鋅含量變化與小麥籽粒鋅含量的關(guān)系進行分析，明確豆科綠肥與小麥輪作提高小麥籽粒鋅含量的影響因素，為優(yōu)選適宜小麥增鋅的豆科綠肥品種，改善當?shù)鼐用竦匿\營養(yǎng)狀況提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2016—2017年在陜西省永壽縣御中村（東經(jīng)108°11′34″，北緯34°43′38″）及長武縣十里鋪村（東經(jīng)107°40′30″，北緯35°12′00″）進行。永壽縣試驗是2015年開始的田間定位試驗，該試驗地海拔972 m，年平均氣溫10.5℃，年平均蒸發(fā)量1 100 mm，年平均降水量530 mm，2016年7月至2017年6月降雨量為445 mm（圖1），土壤類型為黃綿土。長武縣試驗地是2009開始的田間定位試驗，試驗地海拔1 220 m，年均溫9.1℃，年平均蒸發(fā)量967 mm，年平均降雨量550 mm，2016年7月至2017年6月降雨量為562 mm（圖1），土壤為黃蓋黏黑壚土。兩試驗地均位于黃土高原，為旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，主要耕作制度為一年一熟，冬小麥生長期為9月下旬到次年的6月份，夏閑期為7—9月，該時期內(nèi)耕地為裸地休閑。供試土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

圖1 2016—2017年及25年（1992-2016）平均降水量

表1 土壤基礎(chǔ)理化性狀

1.2 試驗設(shè)計

試驗以夏休閑為對照，采用不同豆科綠肥與小麥輪作模式，完全隨機區(qū)組設(shè)計。永壽試驗地3個處理分別為休閑—小麥（FW）、黑麥豆—小麥（KW）和綠豆—小麥（MW）；長武試驗地3個處理為休閑—小麥（FW）、懷豆—小麥（HW）和綠豆—小麥（MW）。永壽試驗小區(qū)面積為66 m2（6 m×11 m），小區(qū)間距40 cm，重復4次。長武試驗小區(qū)面積是30 m2（5 m×6 m），小區(qū)間距30 cm，重復3次。

黑麥豆和懷豆分別是永壽、長武地區(qū)當?shù)囟箍破贩N，綠豆品種為橫山綠豆。黑麥豆和懷豆播量為165 kg·hm-2，綠豆為135 kg·hm-2。永壽、長武兩地的小麥品種分別為小偃22和長武521，播量均為120kg·hm-2。綠肥季不施氮磷肥，小麥播前氮磷肥一次施入，永壽氮磷用量為100 kg P2O5·hm-2和160 kg N·hm-2，長武為120 kg P2O5·hm-2和162 kg N·hm-2，磷肥為過磷酸鈣，氮肥為尿素，同一試驗地所有小區(qū)氮磷用量一致。永壽和長武試驗分別于2016年7月4日和6月24日播種豆科綠肥，2016年9月7日和9月5日豆科綠肥盛花期收獲，后使用秸稈還田機切碎，并進行原地翻壓還田。同年9月28日和9月25日播種冬小麥，2017年6月10日和6月25日收獲小麥。作物生長期間的田間管理同當?shù)剞r(nóng)戶。

1.3 樣品采集與測定

綠肥使用4個1 m2樣方計產(chǎn)。每個小區(qū)隨機采集30株完整綠肥樣品，分莖葉和根系，量取部分樣品用去離子水清洗后90℃殺青0.5 h，65℃烘至恒重，用氧化鋯球磨儀（萊馳MM400，德國）粉碎，用于后續(xù)分析。小麥收獲采用4個1 m2樣方計產(chǎn)。每個小區(qū)隨機采集50株小麥，將植株連根拔起之后在莖根結(jié)合部剪掉根系，分為籽粒、莖葉、穎殼3部分用于后續(xù)分析，樣品處理方法同綠肥。綠肥翻壓前、小麥播前及小麥收獲期，每小區(qū)隨機選取3點采集0—20 cm土壤構(gòu)成混合樣品，室內(nèi)陰涼處自然風干，去除植物殘體，過2 mm尼龍篩備用。

粉碎的植物樣品用 HNO3-H2O2微波消解儀（安東帕MWPro）消解后，使用原子吸收分光光度計（日立Z2000）測定豆科綠肥和小麥各器官鋅含量；豆科綠肥莖葉樣品的碳氮含量采用有機元素分析儀（Elementar Vario micro）測定；土壤硝態(tài)氮含量采用KCl浸提法浸提、連續(xù)流動分析儀（德國Seal，AA3）測定；土壤有效鋅含量采用DTPA浸提法浸提、原子吸收分光光度計測定。

1.4 數(shù)據(jù)計算與分析

試驗中相關(guān)指標及其計算公式：

鋅累積量（g·hm-2）=生物量（kg·hm-2）×鋅含量（mg·kg-1）/1000[19]；

收獲指數(shù)（%）=小麥產(chǎn)量（kg·hm-2）/地上部生物量（kg·hm-2）×100；

鋅收獲指數(shù)（%）=籽粒鋅累積量（g·hm-2）/地上部鋅累積量（g·hm-2）×100[20-21]。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2016軟件進行整理與計算，并通過DPS7.05和SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件分析，多重比較采用LSD（least significant difference）法，差異顯著性水平為5%。

2 結(jié)果

2.1 豆科綠肥—小麥輪作對小麥產(chǎn)量、生物量和收獲指數(shù)的影響

較休閑—小麥（FW）處理，永壽、長武兩地不同種類豆科綠肥—小麥輪作均不同程度影響了后茬小麥籽粒產(chǎn)量、穎殼、莖葉和地上部生物量（表2）。永壽試驗地，夏閑期（7—9月）的降水量較25年同期平均降水量減少了51.3%（圖1），綠肥生長也消耗大量土壤水分，黑麥豆—小麥（KW）和綠豆—小麥（MW）輪作處理較FW處理顯著降低了小麥籽粒產(chǎn)量、穎殼生物量、莖葉生物量和地上部生物量，降低幅度分別為28.5%和19.2%，37.8%和28.3%，38.3%和26.2%，34.3%和23.6%。長武試驗地，夏閑期降水量較當?shù)?5年同期平均降水量減少了27.4%（圖1），懷豆—小麥（HW）和綠豆—小麥（MW）輪作處理相比于FW處理顯著降低了小麥穎殼、莖葉生物量及地上部生物量，降幅分別為21.5%和33.2%，25.0%和26.0%，19.9%和22.4%。同時，HW和MW輪作處理有降低小麥籽粒產(chǎn)量的趨勢，但未達顯著差異。永壽長武兩地不同豆科綠肥—小麥輪作較FW處理，對小麥收獲指數(shù)均無顯著影響。

永壽、長武兩地的MW輪作處理之間相比，小麥各器官生物量有顯著差異。永壽MW輪作處理的小麥籽粒、穎殼、莖葉和地上部生物量較長武MW輪作處理分別顯著增加了53.7%、52.3%、45.2%和49.0%。永壽長武兩地MW輪作處理對小麥收獲指數(shù)影響無顯著差異。

表2 豆科綠肥—小麥輪作對小麥產(chǎn)量、各器官和地上部生物量及收獲指數(shù)的影響

同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一地點不同豆科綠肥—小麥輪作處理之間差異性檢驗顯著（＜0.05）。*代表綠豆—小麥輪作處理在永壽長武兩地同一指標的差異性檢驗顯著（＜0.05）。下同

Different small letters in the same column indicate significant differences at 0.05 level among different leguminous green manure-wheat rotation treatments at the same site. * indicates significant difference at 0.05 level between mung bean-wheat rotation treatment at Yongshou and Changwu. The same as below

2.2 豆科綠肥—小麥輪作對小麥鋅含量的影響

與FW處理相比，永壽、長武兩地不同豆科綠肥—小麥輪作均可顯著提高小麥籽粒和莖葉的鋅含量，但對穎殼鋅含量無顯著影響（圖2）。永壽KW輪作處理的小麥籽粒鋅含量為23.3 mg·kg-1，較FW處理顯著提高了14.2%；長武HW輪作處理較FW處理顯著提高了小麥籽粒鋅含量18.6%，為18.5 mg·kg-1。永壽、長武兩地MW輪作處理均有提高小麥籽粒鋅含量的趨勢，但均未達顯著差異。永壽、長武MW輪作處理皆可顯著提高小麥莖葉鋅含量，較FW處理分別增加 了29.4%和44.8%，為6.6和4.2 mg·kg-1。

永壽、長武兩地MW輪作處理之間相比，永壽MW輪作處理的小麥籽粒和莖葉鋅含量較長武MW輪作處理分別顯著提高了37.1%和55.1%，但兩地MW輪作處理的小麥穎殼鋅含量無顯著差異。

2.3 豆科綠肥—小麥輪作對小麥鋅累積量及鋅收獲指數(shù)的影響

永壽長武兩地，不同豆科綠肥—小麥輪作對小麥各器官和地上部鋅累積量影響不一（表3）。永壽KW和MW輪作處理較FW處理顯著降低了小麥籽粒和地上部鋅累積量，降幅分別為23.1%和15.2%，24.4%和12.7%。KW和MW輪作處理均有降低小麥穎殼和莖葉鋅累積量的趨勢，但未達顯著差異水平。在長武，對比FW處理，HW和MW輪作處理沒有顯著降低小麥各器官及地上部鋅累積量。HW輪作處理甚至有增加小麥籽粒、莖葉和地上部鋅累積量的趨勢，但未達顯著差異水平。相比FW處理，各豆科綠肥—小麥輪作對永壽長武兩地小麥鋅收獲指數(shù)無顯著影響。

圖中相同類型的方柱上不同小寫字母表示同一地點不同豆科綠肥—小麥輪作處理之間差異性檢驗顯著（P＜0.05），*代表綠豆—小麥輪作處理在永壽長武兩地同一指標的差異性檢驗顯著（P＜0.05）

Fig 2 Effects of different leguminous green manure-wheat rotations on Zn concentration of winter wheat (mg·kg-1)

表3 豆科綠肥—小麥輪作對小麥各部分鋅累積量和鋅收獲指數(shù)的影響

永壽長武兩地MW輪作處理相比較，永壽試驗地MW輪作處理的小麥籽粒、穎殼、莖葉和地上部鋅累積量較長武MW輪作處理分別顯著增加了112.2%、103.5%、207.6%和127.5%。造成此差異的主要原因是永壽長武兩地MW輪作處理的小麥產(chǎn)量、生物量和小麥鋅含量有差異，影響了小麥各器官鋅累積量。永壽長武兩地MW輪作處理的小麥鋅收獲指數(shù)無顯著差異。

2.4 豆科綠肥—小麥輪作處理對小麥鋅吸收的影響因素

2.4.1 豆科綠肥生物量及養(yǎng)分含量 兩地試驗結(jié)果表明（表4），永壽黑麥豆的生物量較綠豆顯著提高了24.1%，2種豆科生物量分別為1 886和1 520 kg·hm-2。而在長武，懷豆和綠豆的生物量并無顯著差別，分別為1 242和1 294 kg·hm-2。永壽綠豆的生物量較長武綠豆有提高的趨勢，可能與兩地不同的土壤環(huán)境和氣候條件差異有關(guān)。

永壽黑麥豆植株的鋅含量較綠豆降低了13.1%。長武懷豆的鋅含量較綠豆顯著提高了50.0%，達到20.4 mg·kg-1。永壽綠豆鋅含量較長武綠豆顯著提高，增幅為85.3%。永壽黑麥豆的鋅吸收量較綠豆有提高的趨勢，長武懷豆的鋅吸收量對比綠豆亦有增加的趨勢，但均未達顯著性差異。永壽綠豆的鋅累積量較長武綠豆顯著提高了117.5%。

豆科綠肥自身的C/N、氮含量及氮吸收量的高低均可改變豆科綠肥的腐解速率以及土壤硝態(tài)氮含量，進而影響后茬小麥對鋅的吸收（表4）。在永壽，黑麥豆的C/N為13.1，較綠豆降低了18.6%，相對應黑麥豆的氮含量和氮吸收量較綠豆顯著提高，增幅分別為28.8%和60.1%。在長武，懷豆的C/N對比綠豆顯著降低，降幅為20.4%，懷豆氮含量較綠豆顯著增加了29.1%。懷豆的氮吸收量較綠豆亦有增加的趨勢，但未達顯著差異水平。永壽長武兩地綠豆相比，C/N、氮含量及氮吸收量均無顯著差異。

表4 豆科綠肥地上部生物量及養(yǎng)分含量

2.4.2 小麥籽粒鋅含量與豆科綠肥鋅吸收量的關(guān)系 對小麥籽粒鋅含量與豆科綠肥鋅吸收量進行相關(guān)性分析可知（圖3），小麥籽粒鋅含量與豆科綠肥鋅吸收量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（2=0.59**），意味著綠肥吸鋅能力越強，則其翻壓還田后對后茬小麥籽粒鋅含量的提升作用越大。綠肥鋅吸收量每增加1.0 g·hm-2，小麥籽粒鋅含量隨之增加0.23 mg·kg-1。綠肥的富鋅能力（鋅含量×生物量）是影響后茬小麥鋅吸收及籽粒鋅累積的重要因素。

永壽、長武兩地MW輪作處理相比，樣點在圖中分布有所差異，永壽MW輪作處理的數(shù)據(jù)點主要位于右上側(cè)，而長武的則位于左下側(cè)，表明不同地點生長條件下，同一品種綠豆鋅吸收量存在差異。鋅吸收量直接影響后茬小麥鋅含量的變化，豆科綠肥鋅吸收量越高則后茬小麥籽粒鋅含量越高。

圖3 小麥籽粒鋅含量與豆科綠肥鋅吸收量的相關(guān)關(guān)系

2.4.3 豆科綠肥—小麥輪作對小麥關(guān)鍵生育時期土壤DTPA-Zn和硝態(tài)氮含量的影響 除永壽綠肥翻壓前，MW輪作處理較FW處理顯著提高了土壤DTPA-Zn含量，增幅為30.4%外，其他豆科綠肥—小麥輪作處理并未對綠肥翻壓前、小麥播前及小麥收獲期土壤DTPA-Zn的含量產(chǎn)生顯著影響（表5）。永壽、長武兩地MW輪作處理間相比，綠肥翻壓前、小麥播前及小麥收獲期的土壤DTPA-Zn含量亦無顯著差異。豆科綠肥—小麥輪作雖未顯著提高土壤DTPA-Zn含量，但在不同品種豆科綠肥生長和腐解過程中釋放的有機酸類物質(zhì)可能改變了土壤中不同形態(tài)鋅組分的分布，促進了較難利用的鋅形態(tài)向交換態(tài)、有機結(jié)合態(tài)等易被植物吸收的形態(tài)轉(zhuǎn)化，從而促進了小麥對鋅的吸收。

表5 豆科綠肥—小麥輪作在小麥關(guān)鍵生育期對0—20 cm土層DTPA-Zn及土壤硝態(tài)氮含量的影響

GMI：綠肥翻壓前Green manure incorporation stage；SOW：小麥播前Sowing stage of wheat；MAT：小麥成熟期maturity stage of wheat

豆科綠肥—小麥輪作處理顯著影響了小麥收獲期土壤硝態(tài)氮含量的變化（表5）。小麥收獲期，與FW處理相比，永壽KW輪作處理和長武HW輪作處理均顯著增加了土壤硝態(tài)氮含量，增幅分別為36.7%和69.1%。永壽長武兩地MW輪作處理均表現(xiàn)出提高土壤硝態(tài)氮含量的趨勢，但未達顯著差異。在小麥播前和收獲期，永壽MW輪作處理的土壤硝態(tài)氮含量較長武MW輪作處理顯著降低，降幅分別為69.5%和72.7%。

3 討論

與休閑—小麥（FW）處理相比，永壽、長武兩地豆科綠肥—小麥輪作處理均可顯著提高小麥籽粒的鋅含量，且黑麥豆—小麥（KW）和懷豆—小麥（HW）輪作處理的小麥籽粒鋅含量較綠豆—小麥（MW）輪作處理顯著增加。這與同在渭北旱塬進行的其他研究結(jié)果一致，豆科綠肥與小麥輪作可有效增加小麥籽粒鋅含量[6-7]。且本研究中黑麥豆—小麥（KW）和懷豆—小麥（HW）輪作處理較綠豆—小麥（MW）輪作處理對小麥的增鋅效果更為顯著。分析豆科綠肥的各指標可知，相比綠豆，黑麥豆與懷豆C/N比較低，且地上部鋅吸收量相對較高（表4）。小麥籽粒鋅含量與綠肥地上部鋅吸收量的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，后茬小麥鋅含量與豆科綠肥鋅吸收量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（圖3），說明豆科綠肥吸收富集鋅的高低直接影響后茬小麥鋅的吸收和累積。C/N較低的豆科綠肥不僅擁有較低的鋅殘留率，能較快的釋放體內(nèi)貯藏的鋅進入土壤[22-23]，而且生長和腐解時也更易釋放檸檬酸，蘋果酸，草酸等可溶性有機酸，降低土壤pH，增加土壤溶解性有機碳含量，而這些有機物質(zhì)可以通過絡(luò)合作用解離土壤顆粒固定的鋅，提高土壤溶液的鋅含量，被后茬作物吸收利用，增加后茬小麥籽粒中的鋅含量[16-18, 24-25]。黑麥豆和懷豆分別為永壽長武當?shù)氐木G肥品種，相比橫山綠豆，更適應當?shù)赝寥拉h(huán)境氣候，生物量更高，其生長和腐解過程可能釋放較多的有機酸類物質(zhì)，對土壤中鋅的活化作用較強，是后茬小麥鋅含量提高的重要原因[5,26-27]。

綠豆在永壽長武兩地生物量、鋅含量以及其對后茬小麥產(chǎn)量及鋅含量的影響均存在顯著差異，這可能與兩地土壤理化性質(zhì)、降水條件以及兩地小麥品種存在差異有關(guān)[28-29]。永壽綠豆鋅含量及鋅吸收量較長武綠豆均顯著增加，綠豆翻壓還田后，永壽綠豆—小麥（MW）輪作處理對小麥鋅含量的提升幅度相比長武綠豆—小麥（MW）輪作處理更高，符合綠肥鋅吸 收量與小麥籽粒鋅含量之間的正相關(guān)關(guān)系（圖3）。

作物鋅含量與土壤有效鋅含量密切相關(guān)，DTPA-Zn含量一般用于表征中性及堿性土壤有效鋅的含量。而土壤中不同鋅形態(tài)組分對DTPA-Zn含量貢獻不同，主要由交換態(tài)鋅、松解有機結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、氧化錳結(jié)合態(tài)、緊結(jié)有機結(jié)合態(tài)鋅構(gòu)成[30]。Yang等[7]的研究中發(fā)現(xiàn)，種植豆科綠肥并翻壓增加了小麥播前、揚花、收獲期土壤DTPA-Zn含量，也提高了后茬小麥籽粒鋅含量。賀建群等[31]研究表示土壤DTPA-Zn有效鋅含量與小麥籽粒鋅累積量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。但近幾年也有研究發(fā)現(xiàn)，土壤DTPA-Zn含量并非總是能夠反映土壤鋅的生物有效性的變化，如在黃土高原田間試驗中，土施鋅肥可顯著提高土壤DTPA-Zn含量1.8—3倍，但小麥鋅吸收并未顯著增加[8,32]。前茬作物還田能夠增加小麥鋅含量和累積量，但土壤DTPA-Zn變化幅度不大[16]。本試驗結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，永壽KW和長武HW輪作處理能夠顯著增加小麥的鋅含量，但土壤DTPA-Zn含量與FW處理無顯著差異。這是因為DTPA-Zn反映的是土壤交換態(tài)、松解有機結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、氧化鐵錳結(jié)合態(tài)等形態(tài)鋅的總和，植物利用這些結(jié)合態(tài)鋅的難易程度有所不同[30]。KW、HW輪作處理雖沒有增加DTPA-Zn的含量，但會改變土壤鋅形態(tài)的分布，促進土壤各形態(tài)鋅之間的轉(zhuǎn)化。綠肥生長和腐解過程產(chǎn)生的小分子有機酸類物質(zhì)能促進植物較難利用的碳酸鹽結(jié)合態(tài)、氧化鐵錳結(jié)合態(tài)向較易利用的交換態(tài)及松結(jié)有機結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化，從而增加了小麥對鋅的吸收和累積[30,33-34]。

黑麥豆和懷豆自身的氮含量及氮吸收量相比綠豆更高，且C/N均較低，腐解過程中利于自身氮素的釋放，增加土壤中硝態(tài)氮的含量（表4—5）。有研究表明，土壤硝態(tài)氮含量的增加有利于小麥根系對鋅的吸收，小麥體內(nèi)增加的含氮配體也有利于鋅的累積和運輸，從而提高小麥籽粒鋅含量[35-36]。與之類似，本研究中永壽KW輪作處理和長武HW輪作處理在小麥收獲期的土壤硝態(tài)氮含量相比FW處理顯著增加，同時KW和HW輪作處理的小麥籽粒鋅含量較FW處理也顯著提高。因此，豆科綠肥通過釋放自身氮，增加土壤硝態(tài)氮含量可能也是促進小麥籽粒鋅含量增加的重要原因。

此外，各豆科綠肥—小麥輪作處理在永壽長武兩 地由于夏閑期降水較少，綠肥生長消耗土壤水分造成了后茬小麥產(chǎn)量顯著降低，而籽粒產(chǎn)量的減少可能也會引起豆科綠肥—小麥輪作處理的小麥籽粒鋅含量較FW處理顯著增加[16-17]。

雖然本試驗中不同豆科綠肥—小麥輪作降低了小麥產(chǎn)量及生物量，但豆科綠肥—小麥輪作通過增加小麥籽粒、莖葉鋅含量補償了小麥產(chǎn)量及生物量降低對小麥鋅累積量及地上部鋅累積量[7,16]的影響，使得豆科綠肥—小麥輪作的小麥鋅累積量與FW處理相比差異變小，甚至長武HW輪作處理有增加小麥籽粒和地上部鋅累積量的趨勢。

4 結(jié)論

研究表明渭北旱塬地區(qū)豆科綠肥—小麥輪作模式較傳統(tǒng)夏休閑—小麥處理可顯著提高小麥籽粒鋅含量。C/N是代表豆科綠肥腐解速率的重要指標，同時豆科綠肥生長時富集的鋅、氮營養(yǎng)在綠肥腐解過程中會對土壤中鋅、氮元素的活性產(chǎn)生作用，從而影響后茬小麥籽粒鋅含量的高低。黑麥豆和懷豆由于具有較高的生物量、鋅和氮吸收量以及較低的C/N，能夠快速腐解釋放自身鋅、氮，從而活化土壤鋅，增加土壤氮含量促進后茬小麥對鋅的吸收和累積，增鋅效果顯著。同時，豆科綠肥自身富集鋅的多少與后茬小麥籽粒鋅含量也存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，憑此篩選條件可優(yōu)選增鋅綠肥品種，促進小麥籽粒鋅含量增加，緩減該地區(qū)居民鋅營養(yǎng)攝入偏低的狀況。

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The Increasing Effect and Influencing Factors of Leguminous Green Manure on Wheat Grain Zn in Weibei Highland

LIU YiXuan1, HUANG DongLin1, LIU Na1, YAO ZhiYuan1, YIN Dan1, MENG YuanYong1, ZHAO HuBing1, GAO YaYun1, WANG ZhaoHui1,2

(1College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University/Key Laboratory of Plant Nutrition and Agro-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, Shaanxi;2Northwest A&F University/ State Key Laboratory of Crop Stress Biology in Arid Areas, Yangling 712100, Shaanxi)

【Objective】Weibei Highland is one of important winter wheat production areas in northwest China, where Zn concentration in wheat grain are generally low due to soil bioavailable Zn deficiency. So we decided to study leguminous green manure-wheat rotations whether could improve wheat Zn concentration in different regions of Weibei highland, and to explore the factors affecting wheat Zn biofortification by leguminous green manure-wheat rotations.【Method】Two field experiments were carried out during 2016-2017 cropping seasons in Yongshou and Changwu with a completely randomized block design. There were three main treatments: summer fallow-wheat (FW) as CK, black kidney bean-wheat (KW) and mung bean-wheat (MW) in Yongshou; summer fallow-wheat (FW) as CK, huai bean-wheat (HW) and mung bean-wheat (MW) in Changwu. Plant samples of legumes, wheat and 0-20 cm soil samples at different wheat growing stages were collected for chemical analysis. 【Result】 In Yongshou, compare with FW, wheat grain yield and biomass were decreased by 19.2%-38.3% under leguminous green manure-wheat rotations,. In Changwu, leguminous green manure-wheat rotations did not significantly reduce wheat grain yield, but reduced wheat glumes and straw biomass by 19.9%-33.2%. KW rotation in Yongshou and HW rotation in Changwu significantly increased grain Zn concentration by 14.2% and 18.6%, respectively, which partially compensated the potential reduction of wheat grain Zn export and aboveground shoot Zn uptake by increasing Zn concentrations of wheat grain and straw Zn concentration due to the shrink of wheat yield and biomass. There was no significant difference of wheat Zn uptake between HW and FW treatments in Changwu. Wheat grain Zn concentration was positively correlated with leguminous manure shoot Zn uptake. Wheat grain Zn concentration increases 0.23 mg·kg-1when green manure shoot Zn uptake increases 1.0 g·hm-2, correspondingly. Besides, the Zn, N content of black kidney bean and huai bean were both higher than that of mung bean. Moreover, compared with mung bean, C/N of black kidney bean and huai bean were lower by 18.6% and 20.4%, respectively. At wheat maturity stage, soil nitrate of KW and HW rotations were both higher than that of FW by 36.7% and 69.1%, respectively. Leguminous green manure-wheat rotations had rarely significant effect on soil DTPA-Zn concentration during the growth of wheat.【Conclusion】Relatively higher Zn and N content and lower in C/N of black kidney bean and huai bean made them more readily improved subsequently wheat Zn uptake and accumulation than that of mung bean. The positive correlation between wheat grain Zn concentration and leguminous green manure shoot Zn uptake could be the guidance for screening and optimizing green manure varieties for wheat Zn biofortification. Therefore, leguminous green manure-wheat rotations could be an effective biofortification method to enhance wheat Zn nutrition for residents which suffered from Zn deficiency.

Weibei highland; leguminous green manure; rotation; winter wheat; grain; Zn concentration

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.21.003

2018-05-10；

2018-09-29

國家自然科學基金青年項目（41401330）、國家重點研發(fā)計劃（2018YFD0200401）、國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201503124）

劉苡軒，E-mail：liuyixuan930720@126.com。通信作者黃冬琳，E-mail：dlynnhuang@nwafu.edu.cn

（責任編輯 楊鑫浩）