氮鋅肥配施對(duì)小麥籽粒氮和鋅含量及其分配的影響

邵運(yùn)輝，張盼盼，馬 耕，盧紅芳，王麗芳，王晨陽(yáng)，李向東，岳俊芹，秦 峰

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 小麥研究所，河南 鄭州 450002；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/國(guó)家小麥工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450046；3.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 糧食作物研究所，河南 鄭州 450002)

鋅是人體生長(zhǎng)發(fā)育所必需的微量元素[1-2]，鋅營(yíng)養(yǎng)不足會(huì)引起生長(zhǎng)發(fā)育停滯、智力和免疫力下降等問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球約1/3的人口面臨缺鋅問(wèn)題，尤其在以谷類作物為主要飲食來(lái)源的低收入國(guó)家[3]，主要原因是飲食中鋅攝入量不足和飲食單一化。小麥?zhǔn)俏覈?guó)三大糧食作物之一，也是人體鋅攝入的主要來(lái)源。然而，目前，我國(guó)主要麥區(qū)春、冬小麥籽粒鋅含量平均分別為30.4、30.3 mg/kg[2]，遠(yuǎn)低于人體正常鋅需求量，易引起鋅攝入量不足等問(wèn)題。因此，提高我國(guó)小麥籽粒鋅含量，改善小麥品質(zhì)，對(duì)于解決人體鋅營(yíng)養(yǎng)問(wèn)題有重要意義。

提高籽粒鋅含量和有效性的重要措施是鋅生物強(qiáng)化[4-5]，包括培育富鋅品種和優(yōu)化農(nóng)田栽培管理措施。育種工作耗時(shí)長(zhǎng)、成本高，施用鋅肥等農(nóng)藝措施則是一種提高籽粒鋅含量的快速有效方法。研究表明，施鋅后小麥植株葉、莖、穎殼和籽粒中鋅含量顯著提高，其增幅大小與施鋅方式、施用時(shí)期、施用量以及土壤中鋅含量狀況等密切相關(guān)[6-7]。如噴施鋅肥較土施鋅肥對(duì)提高小麥籽粒鋅含量的效果更明顯[8-9]。小麥灌漿前期是噴施鋅肥提高籽粒鋅含量的最佳時(shí)期[10]。研究還發(fā)現(xiàn)，施用氮肥對(duì)小麥籽粒鋅的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和累積也有顯著影響，施氮可以提高小麥植株對(duì)鋅的吸收、鋅向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)量，不同器官中鋅濃度和鋅累積量隨施氮量的增加而提高[11-14]。與單施氮肥或單施鋅肥處理相比，氮鋅肥配施對(duì)提高小麥籽粒鋅含量的效果更明顯，鉀鋅肥配施也能顯著提高小麥葉片和籽粒中鋅含量，而施用磷肥則減弱這種趨勢(shì)[15-16]。另外，鋅肥與生物刺激素或農(nóng)藥配合噴施，也能增強(qiáng)小麥籽粒鋅生物強(qiáng)化[17]?？梢?jiàn)，氮鋅肥配施是提高小麥籽粒鋅含量最有效的措施。但是，目前關(guān)于氮鋅肥配施在小麥上的研究大多集中于其對(duì)小麥植株吸收、積累、轉(zhuǎn)運(yùn)、分配等方面的影響[5，15，18-19]，關(guān)于其對(duì)小麥籽粒結(jié)構(gòu)鋅含量的影響研究很少，尤其關(guān)于氮鋅肥配施對(duì)小麥籽粒由外到內(nèi)不同部位鋅的累積、分配、轉(zhuǎn)運(yùn)研究尚未見(jiàn)報(bào)道。為此，采用大田試驗(yàn)，以高產(chǎn)小麥品種豫麥49-198為材料，研究氮鋅肥配施對(duì)小麥籽粒及其不同部位氮鋅含量、累積量和分配的影響，并分析籽粒不同部位間氮鋅含量的關(guān)系，以期為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小麥籽粒胚乳的鋅生物強(qiáng)化和氮鋅肥優(yōu)化管理提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2014—2016年在河南省溫縣祥云鎮(zhèn)(34°92′N、112°99′E)進(jìn)行。供試土壤為褐土，養(yǎng)分含量見(jiàn)表1。

試驗(yàn)材料為當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)小麥品種豫麥49-198。氮、鋅、磷、鉀肥分別為尿素(含N 46%)、七水硫酸鋅(分析純)、過(guò)磷酸鈣(含P2O512%)和硫酸鉀(含K2O 52%)。

表1 供試土壤養(yǎng)分含量Tab.1 The nutrient content of tested soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用兩因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，主因素為施鋅水平，分別是0(Zn0)、9.60 kg/hm2(Zn1)；副因素為施氮水平，分別為0(N0)、240 kg/hm2(N1)，共4個(gè)處理。每個(gè)處理重復(fù)5次，共20個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為6.1 m×2.5 m。其中，氮處理試驗(yàn)小區(qū)為自2010年開(kāi)始進(jìn)行的氮肥減施定位試驗(yàn)區(qū)。磷、鉀肥的施用量均為150 kg/hm2。1/2氮肥、全部的磷鉀肥在翻地前撒入地表，翻耕入土，其余1/2氮肥于拔節(jié)期施入。鋅肥(3 g/L)為噴施，分別在小麥拔節(jié)期、抽穗期、開(kāi)花期和灌漿中期各噴施1次，噴施量為0.08 L/m2，對(duì)照噴施等量的蒸餾水，時(shí)間選擇在下午或傍晚，以保證噴施效果。兩季小麥大田試驗(yàn)時(shí)間分別為2014年10月25日—2015年06月03日和2015年10月17日—2016年06月04日。小麥播種密度為320萬(wàn)株/hm2，病蟲(chóng)害防治和補(bǔ)灌水等管理措施同大田生產(chǎn)。

1.3 樣品采集與測(cè)定

在小麥成熟期，每小區(qū)中央取6 m2進(jìn)行收獲，籽粒風(fēng)干后稱質(zhì)量，按照含水量13%計(jì)產(chǎn)。對(duì)風(fēng)干籽粒均勻取約200 g進(jìn)行潤(rùn)麥(含水量14%)，利用德國(guó)Hamburg公司生產(chǎn)的Streckel & Schrader磨樣機(jī)，結(jié)合豫麥49-198籽粒大小、硬度等特性，把控對(duì)籽粒進(jìn)行分層磨樣的時(shí)間，將籽粒從外到內(nèi)分成7個(gè)部位，質(zhì)量分別占7%、6%、7%、10%、10%、10%、50%，定義為F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7層，出粉率95%～98%。其中，F(xiàn)1、F2、F3層分別為種皮、糊粉層、次糊粉層，F(xiàn)4—F6層為淀粉、胚乳過(guò)渡層，F(xiàn)7層為淀粉胚乳中心層，也是最能代表胚乳的部位。將籽粒及其分層部位裝入自封袋中，做好相應(yīng)標(biāo)記。利用H2SO4-H2O2消解，連續(xù)流動(dòng)分析儀(AA3)測(cè)定全氮含量；利用HNO3-H2O2消解，原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定全鋅含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 和SPSS 22統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD和Duncan’s多重比較法分析處理間差異的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮鋅肥配施對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量、氮和鋅含量的影響

從表2可以看出，小麥籽粒產(chǎn)量平均為7.51 t/hm2，施鋅處理對(duì)籽粒產(chǎn)量無(wú)顯著差異。與N0處理相比，施氮后產(chǎn)量極顯著提高了91.7%，其中在Zn0處理和Zn1處理下分別極顯著提高了92.4%和91.1%。籽粒氮含量表現(xiàn)出同樣趨勢(shì)，2個(gè)年份Zn0處理和Zn1處理下，N1處理較N0處理籽粒氮含量分別極顯著提高了67.9%和54.2%。氮鋅肥配施對(duì)籽粒鋅含量的影響達(dá)到顯著水平。Zn1處理下籽粒鋅含量為35.7 mg/kg，較Zn0處理極顯著提高了49.3%。與N0處理相比，N1處理下籽粒鋅含量提高了13.3%，2個(gè)年份在Zn0和Zn1處理下分別提高了16.8%和11.1%。這表明，在小麥生產(chǎn)過(guò)程中，增施氮鋅肥對(duì)提高小麥籽粒產(chǎn)量、氮和鋅含量有明顯作用。

表2 氮鋅肥配施對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量、氮和鋅含量的影響Tab.2 Effect of N and Zn application on the yield,N and Zn contents of wheat grain

2.2 氮鋅肥配施對(duì)小麥籽粒各部位氮和鋅含量的影響

表3顯示了氮鋅配施對(duì)小麥籽粒7個(gè)部位氮含量的影響，各層氮含量表現(xiàn)為F2、F3>F4>F1、F5、F6>F7，其中F2和F3層籽粒氮含量平均為28.43 g/kg，較F7層高出75.0%。施鋅對(duì)籽粒氮含量無(wú)顯著影響，施氮對(duì)籽粒氮含量影響顯著或者極顯著，其中以F3層最明顯。與N0處理相比，N1處理F1—F7層氮含量分別提高了25.5%、49.4%、54.7%、50.0%、44.1%、41.6%、29.2%。

氮鋅配施對(duì)小麥籽粒7個(gè)部位鋅含量的影響如表4所示。從F1至F7層，籽粒鋅含量逐漸降低，與F1層相比，F(xiàn)7層鋅含量降低了77.3%。施鋅對(duì)籽粒各部位鋅含量的影響總體上均達(dá)極顯著水平，與Zn0處理相比，Zn1處理F1—F7層鋅含量分別提高了54.6%、45.0%、46.4%、52.3%、59.3%、52.1%、56.0%。除2014—2015年F2、F7層Zn1水平，2015—2016年F1層Zn0水平及F5、F7層Zn1水平外，施氮對(duì)籽粒鋅含量的影響均不顯著。其中，2014—2015年F2、F7層Zn1水平下N1處理比N0處理分別提高24.0%、16.7%；2015—2016年F1層Zn0水平下和F7層Zn1水平下，N1處理比N0處理分別提高6.4%和51.6%。因此，在大田試驗(yàn)中，施用鋅肥可顯著提高小麥籽粒各層次中的鋅含量，以淀粉胚乳層增幅最高。

表3 氮鋅肥配施對(duì)小麥籽粒各部位氮含量的影響Tab.3 Effect of N and Zn application on the N content in each fraction of wheat grain g/kg

表4 氮鋅肥配施對(duì)小麥籽粒各部位鋅含量的影響Tab.4 Effect of N and Zn application on the Zn content in each fraction of wheat grain mg/kg

2.3 氮鋅肥配施對(duì)小麥籽粒各部位氮和鋅累積量的影響

由表5可以看出，F(xiàn)1—F7層氮累積量分別是10.69、12.59、14.53、18.76、16.54、14.79、58.09 kg/hm2。施鋅對(duì)籽粒各部位氮含量總體上無(wú)顯著影響，施氮對(duì)籽粒各部位氮含量的影響極顯著。與N0處理相比，N1處理下籽粒各部位氮累積量均極顯著提高，其中以F3層提高幅度最高，為1.92倍。2個(gè)年份Zn0條件下，N0處理F1—F7層氮累積量分別為6.29、6.67、7.41、9.87、8.88、8.01、33.57 kg/hm2， N1處理較其提高了1.30～1.92倍；Zn1條件下，N1處理籽粒各部位氮累積量較N0處理提高1.41～1.92倍。

氮鋅肥配施對(duì)小麥籽粒各部位鋅累積量的影響如表6所示，籽粒各部位鋅累積量以F7層最高，平均為56.01 g/hm2，以F5和F6層較低。施氮極顯著影響籽粒各部位的鋅累積量，施鋅總體上顯著或極顯著影響籽粒各部位氮累積量。與Zn0處理相比，Zn1處理F1—F7層鋅累積量分別提高60.0%、50.2%、50.1%、54.4%、62.9%、54.7%、63.6%。N0處理F1—F7層鋅累積量分別為22.69、18.71、17.39、18.72、14.75、11.37、33.42 g/hm2，N1處理較其提高了90.24%～134.18%。與Zn0條件相比，Zn1條件下N1處理較N0處理提高各層次鋅累積量的幅度更大，以F7層表現(xiàn)最明顯。如2個(gè)年份Zn0條件下N0處理F7層鋅累積量為27.44 g/hm2，N1處理較N0處理提高了1.09倍；而Zn1條件下，N1處理F7層鋅累積量為99.64 g/hm2，較N0處理提高了1.52倍。表明在小麥生長(zhǎng)過(guò)程中，施用氮鋅肥均能夠顯著提高籽粒各層次的鋅累積量，從而提高小麥籽粒鋅的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

表5 氮鋅肥配施對(duì)小麥籽粒各部位氮累積量的影響Tab.5 Effect of N and Zn application on the N accumulation in each fraction of wheat grain kg/hm2

表6 氮鋅肥配施對(duì)小麥籽粒各部位鋅累積量的影響Tab.6 Effect of N and Zn application on the Zn accumulation in each fraction of wheat grain g/hm2

2.4 氮鋅肥配施對(duì)小麥籽粒各部位氮和鋅分配比例的影響

從圖1可以看出，籽粒各部位氮分配比例表現(xiàn)為F7層最高，為40.40%，F(xiàn)1和F2層較低，分別為7.49%和8.48%。施鋅對(duì)籽粒各部位氮的分配均無(wú)明顯影響，施氮明顯改變了氮在籽粒各部位的分配比例。N0處理F1—F7層氮的分配比例分別為7.86%、8.15%、9.17%、12.11%、11.00%、9.96%、 41.75%，N1處理F1和F7層的分配比例分別降至7.12%和39.05%，而F3和F4層分別增加至10.25%和13.13%。2個(gè)年份施氮對(duì)F1和F3層的影響分別在Zn0處理下和Zn1處理下表現(xiàn)得更明顯。如Zn0條件下，N0處理F1層氮分配比例為7.80%，而N1處理較其顯著降低了12.6%；Zn1條件下，N0處理F3層氮分配比例為9.15%，而N1處理較其提高了12.2%。表明施氮可以促進(jìn)氮向糊粉層的轉(zhuǎn)運(yùn)和積累。

由圖2可以看出，F(xiàn)7層鋅分配比例最高，為26.20%，明顯高于F6層，其他層中鋅分配比例無(wú)明顯差異。施鋅處理對(duì)鋅在籽粒各部位的分配比例無(wú)明顯影響。施氮后，F(xiàn)7層鋅分配比例提高了14.3%，而F1、F3、F4、F5和F6層降低了4.6%～6.3%。與Zn0條件相比，N0和N1處理間的差異在Zn1條件下表現(xiàn)得更明顯。如2個(gè)年份Zn0條件下，N0處理F7層鋅分配比例平均為24.52%，N1處理較其提高了10.7%；而在Zn1條件下，N0處理F7層鋅分配比例平均為24.28%，N1處理較其提高了18.0%。表明施鋅可以同步提高籽粒各層次中鋅的累積量，不影響各層次鋅的分配比例，而施氮能夠促使鋅從籽粒外部向內(nèi)部轉(zhuǎn)移，這為小麥優(yōu)質(zhì)加工提供了理論參考。

2.5 小麥產(chǎn)量與籽粒各部位氮、鋅含量的關(guān)系

籽粒產(chǎn)量和各部位氮、鋅含量的相關(guān)性分析結(jié)果如表7所示，籽粒產(chǎn)量與籽粒氮含量、籽粒各部位氮含量均呈極顯著正相關(guān)性，籽粒及其各部位氮含量之間、鋅含量之間的相關(guān)性也均達(dá)極顯著水平。除此以外，籽粒、F1層、F5層氮含量與F7層鋅含量均呈顯著或極顯著相關(guān)性，對(duì)其做回歸性分析，結(jié)果如圖3所示。籽粒氮含量和F5層氮含量與F7層鋅含量之間回歸分析的P值均大于0.05，而F1層氮含量(y)與F7層鋅含量(x)之間的回歸方程為y=0.025x2-0.487x+22.24，其中R2為0.347。

表7 小麥產(chǎn)量與籽粒各部位氮、鋅含量的相關(guān)性Tab.7 Correlation between yield and nitrogen and zinc contents in each fraction of wheat grain

3 結(jié)論與討論

3.1 氮鋅肥配施對(duì)小麥籽粒鋅含量的影響

研究發(fā)現(xiàn)，從20世紀(jì)90年代至今，全球小麥籽粒鋅含量平均從39.6 mg/kg下降至29.1 mg/kg[20]。不同小麥品種間籽粒鋅含量存在較大差異[21-22]。目前，我國(guó)主要麥區(qū)春、冬小麥籽粒鋅含量分別平均為30.4、30.3 mg/kg[2]。CAKMAK[23]認(rèn)為，小麥籽粒鋅含量為40～60 mg/kg時(shí)，才能保障以小麥為主食人群的鋅營(yíng)養(yǎng)。因此，提高小麥籽粒鋅含量對(duì)補(bǔ)充我國(guó)人體鋅營(yíng)養(yǎng)有重要意義。

鋅被小麥植株根系吸收后，轉(zhuǎn)移到韌皮部運(yùn)輸至地上部，營(yíng)養(yǎng)器官中的鋅能夠通過(guò)韌皮部再轉(zhuǎn)運(yùn)至籽粒中累積起來(lái)。大田生產(chǎn)中，氮鋅肥配施能夠顯著提高小麥籽粒中鋅含量[24-25]。本研究發(fā)現(xiàn)，施氮后籽粒鋅含量提高了13.3%。這是因?yàn)槭┑茉鰪?qiáng)根系生長(zhǎng)能力，同時(shí)活化小麥根系周圍微生物，提高根系對(duì)鋅的吸收能力；另外，施氮還能提高小麥根系和地上部運(yùn)輸鋅的含氮化合物量，提高鋅轉(zhuǎn)運(yùn)中的尼克酰胺和麥根酸的合成酶的表達(dá)量，進(jìn)而增強(qiáng)小麥植株地上部對(duì)鋅的運(yùn)轉(zhuǎn)和累積。施鋅對(duì)小麥籽粒鋅含量的增加更明顯，尤其是在潛在缺鋅土壤上，其效果更顯著[26]。因此，在我國(guó)小麥生產(chǎn)中，氮鋅肥配施是提高小麥籽粒鋅含量的一項(xiàng)有效措施。

3.2 氮鋅肥配施對(duì)小麥籽粒內(nèi)部氮和鋅分布的影響

氮、鋅元素在小麥籽粒中的分布不均勻。研究發(fā)現(xiàn)，鋅含量在籽粒糊粉層最高，胚居中，胚乳最低，種皮、糊粉層、胚、胚乳中鋅累積量分別占籽粒總累積量的24%、47%、11%、18%，并且同一部位不同位置鋅含量也不相同，胚乳中靠近糊粉層的鋅含量高于胚乳內(nèi)側(cè)，胚外側(cè)盾片的鋅含量高于胚中間位置[27-29]。本研究將小麥籽粒從外向內(nèi)分為7層，發(fā)現(xiàn)鋅含量從外向內(nèi)逐漸降低，其中F1和F2層鋅含量平均為68.36 mg/kg，而F7層僅為15.66 mg/kg。與以往研究[27-29]不同，本研究中的試驗(yàn)對(duì)象為高產(chǎn)品種豫麥49-198，胚乳質(zhì)量較高，鋅累積量也較高，籽粒中鋅累積量在胚乳中分配比例較高，為26.20%，F(xiàn)1、F2和F3層鋅分配比例共為42.10%，F(xiàn)6層最低，為8.00%。

鋅肥施用后，小麥籽粒各層中鋅累積量提高50.1%～63.6%，但籽粒中各層次鋅的分配比例無(wú)明顯變化。施氮后，籽粒F7層中鋅的分配比例提高了14.3%，而其他各層鋅分配比例均有不同程度的降低。這表明施氮能夠促使鋅從籽粒外部向內(nèi)部轉(zhuǎn)移。本研究還發(fā)現(xiàn)，氮在籽粒各層的分配比例也不一致，以F7層最高，F(xiàn)6層最低。施氮后F3層中氮分配比例有所增加，而F1和F7層中略有下降，這表明，施氮有促使籽粒中氮素向糊粉層集中的趨勢(shì)。

3.3 籽粒內(nèi)部各部位氮、鋅含量間的相關(guān)性

選擇籽粒及其有代表性的部位F1、F3、F5和F7層，研究其氮、鋅含量間的相關(guān)性，首次發(fā)現(xiàn)胚乳中心層中鋅含量與籽粒、種皮和過(guò)渡層中的氮含量呈顯著或極顯著正相關(guān)性，甚至與種皮中的氮含量的回歸關(guān)系達(dá)顯著水平。這表明籽粒胚乳中的鋅含量與外側(cè)種皮和過(guò)渡層中的氮含量有密切關(guān)系。事實(shí)上，鋅從韌皮部轉(zhuǎn)運(yùn)至籽粒后，再在籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)分配到各個(gè)部位，鋅需要通過(guò)腹部維管束和胚乳腔后，才能進(jìn)入胚乳。由于維管束和胚乳細(xì)胞間沒(méi)有共質(zhì)體連接，來(lái)自維管束的鋅，首先轉(zhuǎn)運(yùn)至胚乳腔，之后通過(guò)糊粉層細(xì)胞進(jìn)入胚乳。結(jié)合本研究結(jié)果，推測(cè)籽粒外側(cè)種皮中的氮可以促進(jìn)維管束的鋅盡可能轉(zhuǎn)運(yùn)至胚乳腔，此過(guò)程的生理和分子機(jī)制需進(jìn)一步研究。

綜合分析，在我國(guó)小麥生產(chǎn)中，氮鋅肥配施能夠提高小麥籽粒產(chǎn)量和鋅含量，尤其能夠增加籽粒胚乳中鋅含量和累積量，提高鋅在胚乳中的分配比例，是提高小麥籽粒鋅營(yíng)養(yǎng)和解決人體鋅缺乏問(wèn)題的有效方法。