無人機葉面噴施梯度微肥對不同品種冬小麥籽粒礦質(zhì)元素的影響

李文宗 李春萍 梁鑫 王潤豪 王磊

（1. 河南華智營養(yǎng)科技有限公司，新鄉(xiāng) 453000；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所，北京 100081）

隨著社會的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，“隱性饑餓”這一問題越來越受到各國農(nóng)業(yè)組織和科學(xué)家的關(guān)注，它不僅對人民的健康生活水平產(chǎn)生直接的負(fù)面影響，同時對人類的社會發(fā)展也帶來了潛在的經(jīng)濟損失［1］。世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國糧農(nóng)組織把膳食中維生素、礦物質(zhì)（微量營養(yǎng)素）缺乏稱為“隱性饑餓”［2］，主要指機體雖然攝入了足夠的食物，但仍出現(xiàn)缺乏一種或多種微量元素而產(chǎn)生的隱蔽性饑餓［3］。人體缺乏這些必需營養(yǎng)元素是一些急慢性疾病和傳染病發(fā)生的潛在因素［4］。鐵、鋅、硒元素作為必需營養(yǎng)元素對于人體的生長發(fā)育均具有非常重要的作用。在人體所必需的十多種微量元素中，鐵無論在重要性上還是在數(shù)量上都屬首位［5］。研究表明，當(dāng)人體缺乏鐵元素時會發(fā)生缺鐵性貧血現(xiàn)象［6］，缺鐵性貧血約占全世界總貧血人口的一半，現(xiàn)已成為全球性健康問題，往往會導(dǎo)致患者生活質(zhì)量惡化［7-8］。不同人群對缺鐵的具體表現(xiàn)不同，當(dāng)兒童缺鐵時主要表現(xiàn)為注意力渙散、記憶力下降、學(xué)習(xí)能力差，成人表現(xiàn)為易疲勞、木訥、怕冷、失眠；孕婦易早產(chǎn)或胎兒死亡［5］。鋅被近代醫(yī)學(xué)界、營養(yǎng)學(xué)界喻為人體的“生命之花”“智慧之源”［9］。缺鋅常發(fā)人群為小孩和孕婦，當(dāng)小兒缺鋅時會影響其骨骼和牙齒的形成［10-11］，同時還會表現(xiàn)出智力發(fā)育不良、免疫功能低、易感染［12-13］；當(dāng)孕婦缺鋅時會導(dǎo)致胎兒生長畸形，在生產(chǎn)時引起大出血［14］。硒有著“生命保護(hù)劑”的稱號，當(dāng)人體缺硒時會導(dǎo)致其對疾病的抵抗力下降［15］，相關(guān)研究表明硒的攝入量與癌癥的發(fā)生率呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)人體缺硒會導(dǎo)致癌癥的發(fā)生率增加，如子宮癌、直腸癌等［16-17］。長期缺硒會導(dǎo)致視力障礙、牙床萎縮等，機體免疫能力下降，并伴隨心慌、渾身無力等癥狀出現(xiàn)［18］。鑒于 Fe、Zn、Se 對人體健康發(fā)揮著重要作用，增加谷物及食品中微量元素的含量顯得尤為重要。

葉面噴施是一種高效安全的提高籽粒營養(yǎng)元素的措施，以往的人工噴施措施在大面積噴施時顯得費時費力，而無人機是一種能夠通過遠(yuǎn)程控制實現(xiàn)無人駕駛的飛行器，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中可以做到飛行軌跡精準(zhǔn)、噴施量的精準(zhǔn)、效率高等［19］。研究表明利用無人機噴施，其噴灑效率是傳統(tǒng)人工的數(shù)十倍，噴灑技術(shù)采用噴霧噴灑方式至少可以節(jié)約20%-30%的農(nóng)藥使用量，90%的用水量，這將很大程度的降低資源成本［20-21］。無人機進(jìn)行葉面噴施時植株對礦質(zhì)元素的吸收率較人工噴施高，當(dāng)無人機進(jìn)行噴施作業(yè)時有10%-30%的藥液量能達(dá)到植株底部，而人工噴施時霧珠的均勻性、穿透性均較差，霧滴大多數(shù)聚集在植株上層，到達(dá)底部的藥液量僅有3.27%［22］。因此，利用無人機進(jìn)行葉面噴施Fe、Zn、Se 混合微肥以強化籽粒Fe、Zn、Se三種重要的微量元素就具有一定的可行性。

目前已有關(guān)于葉面噴施微肥對小麥籽粒產(chǎn)量、品質(zhì)及相關(guān)營養(yǎng)元素含量的研究報道［23］，但并未研究通過無人機對小麥進(jìn)行葉面噴施微肥以實現(xiàn)大規(guī)模小麥籽粒營養(yǎng)元素強化。因此，本研究通過利用無人機分別在3個不同中筋小麥品種噴施不同濃度組合的硫酸亞鐵、硫酸鋅和亞硒酸鈉，并分析小麥籽粒Fe、Zn、Se三種營養(yǎng)元素水平及其它礦質(zhì)元素水平，以探討利用無人機對小麥進(jìn)行葉面噴施時效果達(dá)到最佳的噴施濃度和小麥品種，進(jìn)而為快速有效的進(jìn)行小麥大規(guī)模農(nóng)學(xué)生物強化提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗地概況 試驗于2019-2020年在河南新鄉(xiāng)市長垣市宋莊村試驗基地（114°85'E、35°22'N）進(jìn)行，試驗地土壤類型為潮土，土壤質(zhì)地為壤土，0-20 cm土層的有機質(zhì)含量為13.16 g/kg，全氮1.02 g/kg，有效磷15.41 mg/kg，速效鉀110.51 mg/kg，有效鐵10.05 mg/kg，有效鋅1.03 mg/kg，pH8.23。

1.1.2 試驗設(shè)計 實驗采用二因素裂區(qū)設(shè)計，將小麥品種設(shè)為主區(qū)，分別為鄭麥0943，鄭育麥958，百農(nóng)AK58；將葉面噴施不同濃度的鐵、鋅、硒混合微肥設(shè)為副區(qū)。實驗地總面積約為2 hm2，將其分為3縱列，分別種植3個小麥品種，鄭麥0943、鄭育麥958各占0.53 hm2，百農(nóng)AK58占0.93 hm2畝；再將每一縱列平均分為4部分，分別進(jìn)行不同濃度處理（CK、低濃度、中濃度、高濃度），即每一個品種設(shè)置4種不同濃度梯度：（1）葉面噴施清水CK，（2）低濃度處理T1：0.5% FeSO4·7H2O+0.5%ZnSO4·7H2O+0.02% Na2SeO3混 合 溶 液12 kg/hm2，（3）中 濃 度 處 理T2：2.5% FeSO4·7H2O+2.5%ZnSO4·7H2O+0.1% Na2SeO3混 合 溶 液12 kg/hm2，（4）高濃度處理T3：5% FeSO4·7H2O+5% ZnSO4·7H2O+0.2% Na2SeO3混合溶液12 kg/hm2。利用河南省亞翔航空科技有限公司的亞翔無人機，型號為3WD4-10，藥液每公頃用量12 L，距離葉面高度2 m，飛行速度6 m/s，霧滴大小為100 μm，在小麥的整個生育周期中進(jìn)行兩次葉面噴施，第一次噴施在小麥拔節(jié)中期（2020年5月1日）進(jìn)行，第二次噴施在小麥抽穗前期（2020年5月10日）進(jìn)行，每次噴施均在傍晚進(jìn)行，且當(dāng)天及前后兩天天氣良好，微風(fēng)無雨。其余田間管理與大田生產(chǎn)相同。

1.1.3 取材與處理 各品種小麥均在2019年10月6日種植，并于2020年6月8日收獲成熟小麥，對于不同小麥品種不同濃度區(qū)組分別隨機選取5片長勢一致的1 m2小麥進(jìn)行收割，隨后分別對不同處理后的小麥進(jìn)行脫粒、裝袋，帶回實驗室用去離子水清洗3次，并置于60℃烘箱中烘干至恒重，然后利用樣品研磨儀對籽粒進(jìn)行研磨至粉狀，將其放入試劑瓶中編號，置于干燥器中保存，用于礦質(zhì)營養(yǎng)元素的測定。

1.2 方法

1.2.1 測定項目 將待測定的樣品送至中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所，采用硝酸和雙氧水在微波消解儀中對樣品進(jìn)行消解，利用電感耦合等離子體-質(zhì)譜法（ICP-MS）對樣品中Fe、Zn、Se、P、Ca、Mg、Cu、Mn元素的含量進(jìn)行測定。1.2.2 樣品測定方法 稱取0.1 g（精確到0.000 1 g）籽粒粉末于處理潔凈的30 mL聚四氟乙烯（PTFE）消解罐中，加入5 mL HNO3和2 mL H2O2，并使樣品與溶液充分浸潤后進(jìn)行逐步升溫（第一步升溫至120℃，保持2 min；第二步升溫至150℃，保持4 min；第三步升溫至190℃，保持26 min）消解，消解完畢后，將消解罐至于電熱板上130℃恒溫加熱趕酸，近干時停止加熱，冷卻后用5% HNO3定容至10 mL，0.45 μm濾膜過濾，濾液稀釋5倍，進(jìn)行ICP-MS測定。1.2.3 數(shù)據(jù)分析 采用Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果

2.1 無人機葉面噴施不同濃度Fe、Zn、Se混合微肥對不同品種小麥籽粒中Fe、Zn、Se元素含量的影響

2.1.1 不同濃度混合微肥對不同品種小麥籽粒Fe含量的影響 由圖1所示，百農(nóng)AK58在噴施不同濃度混合微肥后，F(xiàn)e元素的含量無顯著變化，在T1、T2處理下，F(xiàn)e含量分別下降了4.8%、3.3%，在T3處理下，籽粒Fe含量相較于CK僅升高8.1%。鄭麥0943在T2處理下籽粒Fe含量最高，其含量為36.90 mg/kg，較CK、T1、T3處理均有顯著差異，分別提高了26.07%、18.84%、14.28%。鄭育麥958在CK、T1、T2、T3處理下，籽粒Fe含量變化均不顯著。結(jié)果表明噴施不同濃度的混合微肥對百農(nóng)AK58、鄭育麥958籽粒鐵含量無顯著影響，對鄭麥0943籽粒鐵含量僅在T2處理下有顯著性影響。

圖1 不同處理對不同小麥品種籽粒鐵含量的影響Fig. 1 Effects of different treatments on the grain iron content of different wheat varieties

為進(jìn)一步探究品種、處理濃度、品種×處理濃度三因素對不同小麥品種籽粒Fe含量的影響，對各目標(biāo)因素進(jìn)行檢驗分析（表1）。結(jié)果表明，不同品種之間對籽粒鐵含量存在極顯著差異，不同濃度之間籽粒鐵含量不存在顯著差異，品種和濃度之間對籽粒鐵含量的交互效應(yīng)顯著。根據(jù)偏Eta2品種=0.713＞Eta2品 種×濃 度=0.423＞Eta2濃 度=0.169，判斷各因素對總變異的貢獻(xiàn)為品種＞品種×處理濃度＞處理濃度。

表1 各目標(biāo)因素檢驗Table 1 Tests of between-subjects effects

2.1.2 不同濃度混合微肥對不同品種小麥籽粒Zn含量的影響 由圖2所示，百農(nóng)AK58品種小麥在噴施不同濃度混合微肥后，籽粒Zn元素的含量有顯著提升，在T1、T2、T3處理下，Zn含量相較于CK分別升高了45.01%、46.01%、55.26%，T3處理下的效果最佳。鄭麥0943在噴施不同濃度混合微肥后，籽粒Zn元素含量均得到顯著提升，T1、T2、T3處理后籽粒中鋅分別升高7.62%、24.59%和22.48%。鄭育麥958在T1、T2、T3處理下，籽粒Zn含量有較顯著變化，較CK分別提高了12.93%、14.80%、9.82%，但在T1、T2、T3處理之間籽粒鋅含量不存在顯著差異。綜合說明葉面噴施混合微肥能顯著提高小麥籽粒Zn含量，通過無人機葉面噴施一定濃度的混合微肥能有效提高小麥籽粒中Zn含量，達(dá)到小麥籽粒鋅強化目標(biāo)。

為進(jìn)一步探究品種、處理濃度、品種×處理濃度三因素對不同小麥品種籽粒Zn含量的影響，對各目標(biāo)因素進(jìn)行檢驗分析（表2）。結(jié)果表明，不同品種、不同濃度之間對籽粒鋅含量存在極顯著差異，品種和濃度之間對子粒鐵含量的交互效應(yīng)極顯著。根據(jù)偏Eta2濃度 =0.930＞Eta2品種=0.912＞Eta2品種×濃度=0.828，判斷各因素對總變異的貢獻(xiàn)為處理濃度＞品種＞品種×處理濃度。

表2 各目標(biāo)因素檢驗Table 2 Tests of between-subjects effects

2.1.3 不同濃度混合微肥對不同品種小麥籽粒Se含量的影響 由圖3所示，百農(nóng)AK58品種小麥在噴施不同濃度混合微肥后，Se元素的含量在T1、T2、T3處理下相較于CK變化均不顯著，僅在T3處理下籽粒Se含量有小幅度上升，升高了10.53%。鄭麥0943在不同濃度處理下籽粒硒含量表現(xiàn)出隨濃度的提高而增高，在T3處理下達(dá)到最大值為0.084 mg/kg，在T1、T2、T3處理下Se元素含量相較于CK均有顯著提升，分別提高了51.28%、94.87%、153.85%。鄭育麥958在T1處理下，籽粒中的Se含量較CK呈顯著降低，下降了31.88%，在T2、T3處理下，相對于CK籽粒中Se含量變化不顯著。綜合說明葉面噴施混合微肥對Se含量影響存在品種間差異，結(jié)果表明鄭麥0943為富Se較強的品種，對于用無人機葉面噴施混合微肥表現(xiàn)敏感且有良好的Se吸收富集能力。

圖3 不同處理對不同小麥品種籽粒硒含量的影響Fig. 3 Effects of different treatments on the grain selenium content of different wheat varieties

為進(jìn)一步探究品種、處理濃度、品種×處理濃度三因素對不同小麥品種籽粒Se含量的影響，對各目標(biāo)因素進(jìn)行檢驗分析（表3）。結(jié)果表明，不同品種、不同濃度之間對籽粒硒含量存在極顯著差異，品種和濃度之間對籽粒硒含量的交互效應(yīng)極顯著。根據(jù)偏Eta2品種=0.819＞Eta2品種×濃度=0.689＞Eta2濃度=0.655，判斷各因素對總變異的貢獻(xiàn)為品種＞品種×處理濃度＞處理濃度。

表3 各目標(biāo)因素檢驗Table 3 Tests of between-subjects effects

2.2 無人機葉面噴施不同濃度Fe、Zn、Se混合微肥對不同品種小麥籽粒其它礦質(zhì)元素含量的影響

為進(jìn)一步探究無人機葉面噴施不同濃度混合微肥對不同品種小麥籽粒中其它營養(yǎng)元素含量的影響，對百農(nóng)AK58、鄭麥0943、鄭育麥958三個小麥品種籽粒中P、Ca、Mg、Cu、Mn的含量進(jìn)行了分析。

對百農(nóng)AK58籽粒P、Ca、Mg、Cu、Mn含量的影響如圖4所示，在噴施不同濃度混合微肥后，該小麥品種籽粒Cu、Ca、Mg、P含量均無顯著變化，僅籽粒Mn含量在T1、T2、T3處理下較CK呈顯著下降，分別下降了28.37%、28.13%、20.61%。

圖4 不同處理對百農(nóng)AK58籽粒不同礦質(zhì)元素含量的影響Fig. 4 Effects of different treatments on different mineral elements content of Bainong AK58 grains

對鄭麥0943籽粒P、Ca、Mg、Cu、Mn含量的影響如圖5所示，該小麥品種籽粒Cu含量在不同濃度處理下變化均不顯著；Mn含量在T2處理下較CK、T1、T3均得到顯著提升，分別提升了15.97%、23.43%、19.16%；Ca含量在T2處理下含量最高，為332.50 mg/kg，較CK、T4均得到顯著提升；Mg含量在T1、T2、T3處理下較CK變化均不顯著，T2處理較T1、T3得到顯著提升，分別提升21.55%、17.50%；P含量在不同濃度處理下的變化同Mg元素，即在T1、T2、T3處理下較CK變化均不顯著，T2處理較T1、T3得到顯著提升，分別提升28.94%、18.02%。

圖5 不同處理對鄭麥0943籽粒不同礦質(zhì)元素含量的影響Fig. 5 Effects of different treatments on different mineral elements content of Zhengmai 0943 grains

對 鄭 育 麥958籽 粒P、Ca、Mg、Cu、Mn含量的影響（圖6）：該小麥品種籽粒Cu含量在T1、T2、T3處理下較CK均得到顯著提升，分別提升了33.42%、33.42%、22.73%；Mn含量僅在T1處理下得到顯著提升，較CK、T2、T3分別提升了25.01%、22.14%、20.27%；Ca、Mg、P含量在噴施不同濃度混合微肥后均無顯著變化。

圖6 不同處理對鄭育麥958籽粒不同礦質(zhì)元素含量的影響Fig. 6 Effects of different treatments on different mineral elements content of Zhengyumai 958 grains

3 討論

已有相關(guān)研究表明葉面噴施鐵鋅硒微肥對小麥籽粒的營養(yǎng)元素產(chǎn)生一定的影響。王麗等［24］認(rèn)為，葉面噴施鐵鋅硒微肥能夠使相應(yīng)營養(yǎng)元素有所增加，其中葉面噴施硒肥效果最為明顯，鋅肥次之。張曉等［25］研究表明，鐵鋅硒微肥均能使籽粒中相應(yīng)的營養(yǎng)元素得到提升，但以增加籽粒硒含量較為顯著。馬鳳霞等［26］研究表明，葉面噴施硒肥顯著提高小麥籽粒硒含量，不同小麥品種（系）間籽粒硒含量存在顯著基因型差異。李文宗等［23］研究表明，不同的葉面噴施組合處理中，F(xiàn)e肥、Zn肥和Se 肥三者配合使用能極顯著的提高小麥籽粒中Fe、Zn、Se元素的含量。本研究結(jié)果顯示，通過無人機進(jìn)行葉面噴施不同濃度的混合微肥時鄭麥0943籽粒Fe含量僅在T2處理下呈顯著提升，對另兩個品種的整體影響均不顯著。籽粒中Fe含量未得到顯著提升的原因可能是以下3個方面，一是受鐵元素自身性質(zhì)的影響，即鐵在韌皮部內(nèi)具有中等水平的流動性，在韌皮部的負(fù)載可能受到內(nèi)源性螯合物的限制，進(jìn)而影響鐵在籽粒中的再轉(zhuǎn)運［27-30］，使得大多數(shù)鐵被分隔并以沉淀鐵的形式儲存在質(zhì)外體中［31-33］；二是受無人機飛行參數(shù)影響，李麗媛［34］研究表明各飛行參數(shù)影響次序為：飛行的速度 ＞飛行的高度＞霧滴粒徑＞旋翼風(fēng)＞噴頭噴施角度；三是受噴施藥液量的影響，本次實驗所用藥液量較人工噴施用量少，葉片的濕潤程度及濕潤時間可能較低。

不同組合濃度處理下3個小麥品種的籽粒Zn含量均得到顯著提升，這與葉面噴施補充的鋅很容易從營養(yǎng)器官轉(zhuǎn)移到發(fā)育中的生殖器官，即鋅在小麥中能有效的遷移有關(guān)［35-37］，因此葉面噴施鐵鋅硒微肥時小麥籽粒鋅的增加幅度大于鐵，這與Zhang等［38］的研究一致。3個小麥品種在不同濃度處理下，僅鄭麥0943籽粒硒含量得到顯著提升，這與不同小麥品種對硒的積累能力不同有關(guān)［39］。

目前關(guān)于葉面噴施Fe、Zn、Se微肥對籽粒P、Ca、Mg、Cu、Mn的影響鮮有研究。李文宗等［23］研究結(jié)果表明，葉面噴施 Fe、Zn、Se 肥及其組合能促進(jìn)小麥籽粒中 Cu 元素的吸收與積累，對小麥籽粒中 Ca 和 Mg 的影響不大，對Mn和P元素的吸收與積累略有抑制。王安等［40］相關(guān)分析表明，施Fe肥可以促進(jìn)子芋Ca、Mg含量。孫發(fā)宇等［41］認(rèn)為高濃度硒處理降低了籽粒中鈣、鎂、銅、鐵、錳和硫的含量，但提高了鋅的含量。本研究表明，葉面噴施Fe、Zn、Se混合微肥抑制了百農(nóng)AK58籽粒Mn元素的吸收，對其籽粒P、Ca、Mg、Cu的整體影響不大；鄭麥0943籽粒的P、Ca、Mg、Cu、Mn在低、高濃度下普遍受到抑制，在中濃度下均得到不同程度的提升；鄭育麥958籽粒的P、Ca、Mg、Mn在不同濃度處理下整體變化較小，籽粒Cu含量得到顯著提升。

4 結(jié)論

葉面噴施不同濃度的Fe、Zn、Se混合微肥均能顯著提高百農(nóng)AK58籽粒鋅含量，對其籽粒鐵、硒含量的影響均不顯著；對鄭麥0943籽粒鐵、鋅、硒含量的影響為：在不同濃度處理下均能顯著提高其籽粒鋅、硒含量，僅在中濃度處理下能顯著提高其籽粒鐵含量；對鄭育麥958籽粒鐵、鋅、硒含量的影響為：在不同濃度處理下對其籽粒鐵、硒含量的影響均較小，僅對籽粒鋅含量有顯著提升。葉面噴施不同濃度的Fe、Zn、Se混合微肥對3個小麥品種的籽粒P、Ca、Mg、Cu、Mn含量的整體影響較小。綜上所述，富鐵小麥強化可以種植百農(nóng)AK58，富鋅小麥強化可以種植百農(nóng)AK58及鄭麥0943，富硒小麥強化可以種植鄭麥0943。