佘旭,王朝輝,2,馬小龍,曹寒冰,何紅霞,王森

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黃土高原旱地冬小麥籽粒鋅含量差異與主要土壤理化性狀的關(guān)系

佘旭1,王朝輝1,2,馬小龍1,曹寒冰1,何紅霞1,王森1

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

中國黃土高原旱地小麥籽粒鋅含量普遍偏低，但存在較大的變異現(xiàn)象。揭示小麥籽粒鋅含量變異的原因，從而調(diào)控作物鋅營養(yǎng)，提高小麥籽粒鋅含量。在2014—2015和2015—2016年，對地處黃土高原的山西、陜西、甘肅旱地冬小麥主產(chǎn)區(qū)的379個農(nóng)戶麥田土壤（0—100 cm土層）和小麥植株進(jìn)行取樣分析，研究旱地冬小麥籽粒鋅含量差異及其與主要土壤理化性狀的關(guān)系。該區(qū)域小麥籽粒鋅含量介于12.2—50.7 mg·kg-1。相關(guān)分析表明，0—100 cm各土層水分含量和有效鐵、多數(shù)土層的pH和有效磷、表土層的有效錳和有效銅均與小麥籽粒鋅含量呈顯著負(fù)相關(guān)；表層土壤（0—20 cm）硝態(tài)氮、速效鉀、有效鋅與籽粒鋅含量呈極顯著正相關(guān)；各土層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量、多數(shù)土層的銨態(tài)氮含量均與籽粒鋅含量無顯著相關(guān)關(guān)系。當(dāng)籽粒鋅含量達(dá)到高鋅組水平（平均39.2 mg·kg-1）時，收獲期0—100 cm土層水分含量為8.2%，比低鋅組低23%；0—20 cm土層pH為8.3，比低鋅組低1.4%；硝態(tài)氮、速效鉀和有效鋅含量分別為23、150和0.54 mg·kg-1，比低鋅組高246%、27%和35%；有效磷、有效鐵、有效錳、有效銅含量分別為12.1、3.2、10.6和1.0 mg·kg-1，比低鋅組低21%、37%、6%和33%。黃土高原旱地田塊間小麥籽粒鋅含量存在較大的變異。土壤水分、pH、硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀和有效態(tài)鐵錳銅鋅含量是引起籽粒鋅含量差異的原因，其中以水分和有效鐵影響最大。優(yōu)化農(nóng)田水分和養(yǎng)分管理措施，提高土壤水分、氮、鉀、鋅供應(yīng)能力，在不影響作物產(chǎn)量的情況下適當(dāng)調(diào)控土壤磷、鐵、錳、銅供應(yīng)能力，有利于提高黃土高原地區(qū)小麥籽粒鋅含量。

旱地；土壤；pH；水分；養(yǎng)分；小麥；鋅；黃土高原

0 引言

【研究意義】鋅是生物體必需的微量元素，在多種生理生化過程中發(fā)揮著重要作用[1]。在人體免疫、神經(jīng)、生殖等系統(tǒng)中，鋅是眾多代謝酶和轉(zhuǎn)錄因子的重要組分[2]。在植物清除活性氧，維持生物膜結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)穩(wěn)定性等方面鋅也發(fā)揮著重要作用[3]。然而，世界谷物產(chǎn)區(qū)約50%的土壤缺乏有效鋅，導(dǎo)致谷物鋅含量較低[4]。由于低鋅谷物不能滿足人體營養(yǎng)需求，人體缺鋅廣泛存在于以谷類作物為主食的國家和地區(qū)[4-6]。小麥?zhǔn)鞘澜缛蠹Z食作物之一，也是人體礦質(zhì)養(yǎng)分的重要來源。在中國，小麥制品提供了人體約20%的鋅[7]。從人體健康的角度，小麥籽粒全鋅推薦含量為40—60 mg·kg-1[4]。中國北方小麥產(chǎn)區(qū)土壤全鋅和有效態(tài)鋅含量均低于全國平均水平，有效態(tài)鋅多低于0.5 mg·kg-1的缺鋅臨界值[8]。LIU等[9]收集和研究中國各地的小麥樣品發(fā)現(xiàn)，春小麥和冬小麥籽粒鋅平均含量分別為30.4 和30.3 mg·kg-1，有88%和87%的樣品低于推薦鋅含量。ZHANG等[10]在華北的研究發(fā)現(xiàn)，種植在同一地點(diǎn)的265個冬小麥品種，籽粒鋅含量均值為32.3 mg·kg-1?？梢?，中國小麥籽粒鋅含量較低，提高小麥籽粒鋅含量對于改善中國居民人體營養(yǎng)有著重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】作物鋅強(qiáng)化有3個途徑：遺傳育種、基因工程和農(nóng)藝措施。前兩者優(yōu)點(diǎn)是可持續(xù)，但見效慢且經(jīng)濟(jì)成本高[4]。農(nóng)藝措施中，施鋅的小麥籽粒鋅強(qiáng)化效果明顯，但由于農(nóng)民對鋅肥認(rèn)識有限，其主要考慮小麥生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，而施鋅需要額外的經(jīng)濟(jì)和勞動力投入，因此在生產(chǎn)中尚難廣泛應(yīng)用。不少研究也表明，施用氮、磷等肥料及灌溉對小麥鋅強(qiáng)化也有重要意義。ERENOGLU等[11-12]的水培和土培試驗都發(fā)現(xiàn)施氮能夠促進(jìn)鋅從營養(yǎng)器官向籽粒轉(zhuǎn)移，提高小麥籽粒鋅含量。河北的田間試驗結(jié)果表明，與不施氮相比，施氮198 kg·hm-2的小麥籽粒鋅含量從21.5 mg·kg-1提高到30.9 mg·kg-1[13]。江淮地區(qū)的田間試驗也顯示，與施氮180 kg·hm-2相比，施氮300 kg·hm-2能將小麥籽粒鋅含量提高23%[14]。氮、鋅之間存在協(xié)同作用，而磷與鋅則存在拮抗作用。盆栽試驗顯示，小麥地上部鋅含量隨施磷量增加而顯著降低，降幅甚至超過50%[15]。長期定位試驗表明，與不施磷相比，施磷67.5和135 kg·hm-2的小麥籽粒鋅含量分別減少27%和33%[16]。在陜西渭北的田間試驗發(fā)現(xiàn)，小麥生育期灌水能不同程度提高小麥籽粒鋅含量和鋅肥利用率[17]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】無論施肥還是灌溉，都必須以土壤為介質(zhì)來調(diào)控作物鋅營養(yǎng)，且目前的研究以單一或者少數(shù)因素與小麥籽粒鋅含量的關(guān)系為主，對農(nóng)戶之間小麥籽粒鋅含量變異及其與主要土壤性狀之間的關(guān)系還鮮有報道。前期筆者在黃土高原旱地典型缺鋅土壤區(qū)的田間調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在氣候、土壤等條件一致或者近似的一個區(qū)域或同一個村莊的不同田塊，不施鋅肥時同一品種小麥籽粒鋅含量有明顯變化，介于20—40 mg·kg-1（未發(fā)表）。這說明在缺鋅的土壤上，即使不施鋅肥，通過其他常規(guī)的栽培措施或是土壤因素的變化，也可以顯著改變小麥籽粒鋅含量，甚至達(dá)到推薦的鋅含量標(biāo)準(zhǔn)。【擬解決的關(guān)鍵問題】基于這一發(fā)現(xiàn)，本研究在黃土高原旱地不同區(qū)域、多個地點(diǎn)實(shí)地調(diào)研，采集并測定分析土壤和小麥植株樣品，研究小麥籽粒鋅含量和土壤性狀等因素的關(guān)系，旨在明確導(dǎo)致田塊間小麥籽粒鋅含量差異的原因，為有效提高缺鋅或潛在缺鋅土壤上小麥籽粒鋅含量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地域概況

研究于2015和2016年在黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)進(jìn)行，小麥種植均依靠天然降水、無灌溉。2015年的取樣地點(diǎn)為山西省洪洞縣東梁村、聞喜縣邱家?guī)X村、垣曲縣魯家坡村；陜西省合陽縣七一村、耀州區(qū)楊家莊村、永壽縣御中村；甘肅省通渭縣常河村，共7縣。2016年為山西省洪洞縣西義村、聞喜縣上院村、垣曲縣魯家坡村；陜西省合陽縣白家莊村、永壽縣永壽村、千陽縣千塬村共6縣的不同地塊。研究區(qū)域東西橫跨約600km（東經(jīng)105°11′8" — 111°43′1"），南北間距約190 km（北緯34°44′14" — 36°23′2"）。冬小麥?zhǔn)钱?dāng)?shù)刂饕Z食作物，播種時間為9月下旬至10月初，收獲時間為6月初至6月底。該區(qū)域年均氣溫6.6 —14.0℃，2015和2016年平均降雨量分別為573、494 mm（圖1）。

圖1 采樣地點(diǎn)2015和2016年夏閑期和小麥生育期降雨量

1.2 調(diào)查取樣

分別于2015和2016年的4—5月，對上述地點(diǎn)的農(nóng)戶進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，其中2015年調(diào)研農(nóng)戶數(shù)為：山西洪洞、聞喜、垣曲分別36、35和31戶，陜西合陽、耀州、永壽各25戶，甘肅通渭22戶；2016山西洪洞、聞喜、垣曲，陜西合陽、永壽、千陽均30戶。調(diào)查內(nèi)容包括小麥品種、肥料用量、栽培管理措施、病蟲害防治等指標(biāo)，并于冬小麥成熟期采集各調(diào)查農(nóng)戶相應(yīng)田塊的土壤及植株樣品。本研究共涉及379個地塊，30多個小麥品種，品種出現(xiàn)頻數(shù)最少的1次，最多的74次，還有部分農(nóng)戶不清楚所種品種名稱，但均為各地農(nóng)技部門推廣的主栽品種。部分農(nóng)戶接受過當(dāng)?shù)剞r(nóng)技推廣部門的施肥技術(shù)培訓(xùn)和肥料企業(yè)的施肥宣傳，但最終施肥量還是由農(nóng)戶自己確定，不同農(nóng)戶間施肥差異較大，關(guān)于施肥與小麥產(chǎn)量、鋅含量的關(guān)系，將另文分析。

冬小麥?zhǔn)斋@時，在采樣的農(nóng)戶地塊中劃出能代表該地塊小麥長勢的10 m×5 m采樣區(qū)，首先在其中隨機(jī)選擇3個1 m×4行的樣方，測定每個樣方內(nèi)的小麥穗數(shù)及行寬，計算公頃穗數(shù)。然后采用“盲抽法”隨機(jī)采集約100個穗的小麥植株，即不看麥穗大小，直接從10—20個樣點(diǎn)將小麥植株由基部連根拔起，同一地塊的盲抽植株混合后用不銹鋼剪刀于根莖結(jié)合處剪掉根系，地上部作為一個考種和化學(xué)分析樣品。風(fēng)干后，稱量莖葉風(fēng)干重、穗風(fēng)干重后，穗脫粒，稱量風(fēng)干籽粒重，測定千粒重，計算穗粒數(shù)。取部分風(fēng)干莖葉、穎殼、籽粒烘干測定含水量，進(jìn)而計算小麥的產(chǎn)量、生物量。小麥的生物量、籽粒產(chǎn)量、千粒重均以烘干重表示。部分烘干的籽粒、莖葉、穎殼樣品用去離子水輕輕洗去表面塵土等雜質(zhì)，65℃烘干至恒重，用碳化鎢球磨儀（RetschMM400，德國）磨細(xì)，塑料自封袋密封保存，用于鋅含量測定，植物鋅含量的單位以烘干重表示。

在取樣區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇3個樣點(diǎn)，以20 cm為一層采集0—100 cm土層樣品，同層土壤均勻混合，作為一個分析樣品，迅速裝入做好標(biāo)記的塑料袋中帶回實(shí)驗室，鮮土及時測定土壤水分，剩余土樣風(fēng)干后分別過0.15 mm和1 mm篩子。過0.15 mm篩的土樣用來測定有機(jī)質(zhì)、全氮，過1 mm篩的土樣用來測定硝銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀、pH、有效態(tài)鐵錳銅鋅。

1.3 樣品測定方法

磨細(xì)的植物樣用HNO3-H2O2微波消解儀（Anton- Paar，奧地利）消解，電感耦合等離子質(zhì)譜儀（ICP-MS，德國）測定消解液中的鋅含量。

土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀外加熱法測定；全氮用濃硫酸加混合催化劑法（K2SO4﹕CuSO4=10﹕1）消解、連續(xù)流動分析儀（AA3，德國）測定；硝、銨態(tài)氮用1 mol·L-1的KCl浸提，土水比為1﹕10，震蕩1 h后過濾，連續(xù)流動分析儀測定。有效磷用0.5 mol·L-1的NaHCO3浸提，土水比為1﹕20，震蕩30 min后過濾，連續(xù)流動分析儀測定；速效鉀用1 mol·L-1的NH4OAc浸提，土水比為1﹕10，震蕩30 min后過濾，火焰光度計測定。所有震蕩浸提的轉(zhuǎn)速均為120 r/min。土壤pH用pH計測定，土水比為1﹕2.5。土壤有效態(tài)鐵錳銅鋅用pH 7.30的二乙三胺五乙酸·氯化鈣·三乙醇胺（DTPA-CaCl2-TEA）緩沖溶液浸提，土水比1﹕2，原子吸收分光光度計（日立Z-2000，日本）測定。

1.4 數(shù)據(jù)計算與統(tǒng)計分析

2015和2016年的調(diào)研樣本量分別為 199和 180個，籽粒鋅含量平均值分別為（29.0±7.4）和（28.1±7.1）mg·kg-1，且兩年平均值無顯著性差異（=0.184），因此將2015和2016年小麥籽粒全鋅含量數(shù)據(jù)合并后從低到高排序，通過等樣本容量分組的方法分成低鋅、偏低、中鋅、偏高、高鋅5組（表1）。采用Microsoft Excel 2013整理數(shù)據(jù)，SPSS 22.0進(jìn)行平均數(shù)的差異顯著性檢驗和多重比較、Pearson相關(guān)分析，用SigmaPlot 12.5作圖。

表1 調(diào)研樣本的小麥籽粒鋅含量分組

2 結(jié)果

2.1 不同年份和地區(qū)小麥籽粒鋅含量

兩年的取樣分析表明，不同地區(qū)的小麥籽粒鋅含量有較大變異。小麥籽粒鋅含量介于12.2—50.7mg·kg-1，兩年平均為28.6mg·kg-1，鋅含量最高值為最低值的4.2倍（表2）。統(tǒng)計結(jié)果顯示，2015和2016年分別有9%和11%的小麥籽粒鋅含量低于20 mg·kg-1，47%和49%的鋅含量介于20—30 mg·kg-1，37%和34%的鋅含量介于30—40 mg·kg-1，兩年均有7%的樣本超過40 mg·kg-1。

小麥籽粒鋅含量的年際變化較小，2015和2016年平均含量分別為29.0和28.1mg·kg-1，無顯著差異。2015年山西、陜西、甘肅平均鋅含量分別為30.8，29.4和19.6 mg·kg-1，2016年山西、陜西分別為31.3和24.9 mg·kg-1。從不同地點(diǎn)來看，以甘肅通渭最低。同一地點(diǎn)，鋅含量極差（最高值與最低值的差值）介于13.3—30.0 mg·kg-1。可見，在不施鋅肥條件下，同一地點(diǎn)不同田塊間的籽粒鋅含量存在較大差異。

對兩年379個籽粒鋅含量數(shù)據(jù)分組發(fā)現(xiàn)，低鋅、偏低、中鋅、偏高、高鋅的5組中，鋅含量平均值分別為19.0、24.2、28.1、32.4、39.2 mg·kg-1（表1）。

2.2 小麥籽粒鋅含量與土壤性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系

從兩年的總體情況（表3）來看，0—100 cm各土層水分含量和有效鐵、多數(shù)土層的pH和有效磷、表層0—40 cm的有效錳和有效銅均與小麥籽粒鋅含量呈顯著負(fù)相關(guān)；表土層（0—20 cm）土壤硝態(tài)氮、速效鉀、有效鋅與籽粒鋅含量呈極顯著正相關(guān)；各土層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量、多數(shù)土層的銨態(tài)氮含量均與籽粒鋅含量沒有顯著相關(guān)關(guān)系。從相關(guān)系數(shù)絕對值來看，0—100 cm各土層水分含量和0—80 cm土層有效鐵含量與籽粒鋅含量的相關(guān)系數(shù)都介于0.31—0.44，僅80—100 cm有效鐵低于0.30，故從相關(guān)系數(shù)角度來看，水分和有效鐵對籽粒鋅含量影響最大。

表2 不同采樣年份和地點(diǎn)的小麥籽粒鋅含量及變異情況

2015和2016分別指2014—2015和2015—2016小麥生長季 2015 and 2016 represent wheat growing season of 2014-2015 and 2015-2016, respectively

表3 小麥籽粒鋅含量與土壤主要理化性狀的相關(guān)系數(shù) (n=379)

**表示相關(guān)關(guān)系在0.01水平下達(dá)到顯著；*表示相關(guān)關(guān)系在0.05水平下達(dá)到顯著；a)數(shù)據(jù)僅來自2016年(=180)

**Means the correlation is significant at the 0.01 level; * Means the correlation is significant at the 0.05 level;a)Means that data is only derived from 2016

2.3 小麥籽粒鋅含量與土壤水分、pH的關(guān)系

對籽粒鋅含量不同的田塊土壤水分（圖2-a）分析表明，0—100 cm土層剖面各層的水分含量均是低鋅組>中鋅組>高鋅組。低鋅組各層土壤水分均高于10%，介于10.3%—11.2%，平均為10.6%。中鋅、高鋅組各層水分含量均低于10%，分別介于8.6%—9.6%和7.8%—8.9%，平均為9.1%和8.2%。水分的剖面分布也因籽粒鋅含量不同而有差異。低鋅組0—20 cm土層水分高于20—100 cm土層，高鋅組0—40 cm土層水分低于40—60 cm土層?？梢?，土壤表層水分消耗多、收獲期土壤水分含量低的田塊，小麥籽粒鋅含量高，反之則籽粒鋅含量低。

對土壤的pH（圖2-b）分析表明，0—100 cm各土層的土壤pH均以低鋅組最高。0—20 cm土層也是高鋅組<中鋅組，其他土層則是高鋅組>中鋅組。0—20 cm土層，高、中、低鋅組土壤的pH分別為8.33、8.36和8.45，20—100 cm土層各組的平均值分別為8.43、8.41和8.52。從表層至深層，中、高鋅組pH均先升高再逐漸降低，以20—40 cm最高，分別為8.44和8.46，低鋅組0—60 cm的土壤pH隨深度增加而逐漸增加，60 cm以下pH基本保持穩(wěn)定，平均為8.52。由此可見，土壤pH高的田塊小麥籽粒鋅含量較低，較低的土壤pH，特別是表層土壤pH降低有利于小麥籽鋅含量提高。

圖中誤差線均為均數(shù)標(biāo)準(zhǔn)誤。*和**分別表示同一土層各組平均值間差異達(dá)0.05和0.01顯著水平。下同

2.4 小麥籽粒鋅含量與土壤硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀的關(guān)系

對土壤硝態(tài)氮（圖3-a）的分析表明，0—20 cm土層硝態(tài)氮含量高的麥田，籽粒鋅含量較高。高、中、低鋅3組0—20 cm土層硝態(tài)氮含量分別為23.4、14.8和6.8 mg·kg-1。在20—100 cm土層，低鋅組的硝態(tài)氮含量仍較低，高、中、低鋅3組的土壤硝態(tài)氮含量平均分別為6.6、7.4和5.0 mg·kg-1。從剖面分布來看，硝態(tài)氮含量均呈隨土層深度增加而降低的趨勢?？梢?，土壤中充足的氮素供應(yīng)有利于小麥籽粒鋅的累積和含量提高。

圖3 小麥籽粒鋅高、中、低含量組的0-100 cm土層硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量

對土壤有效磷（圖3-b）的分析表明，土壤有效磷主要集中在0—20 cm土層，由表層向深層依次降低，且各層土壤有效磷呈現(xiàn)出低鋅組>中鋅組>高鋅組的趨勢。高、中、低鋅組0—20 cm土層有效磷分別為12.1、12.7和15.4 mg·kg-1，20—40 cm土壤分別為4.0、5.7和6.0 mg·kg-1，40—100 cm土層的平均值分別為1.1、1.4和2.7 mg·kg-1?？梢姡^高的有效磷水平不利于小麥籽粒鋅積累。

對土層速效鉀（圖3-c）的分析表明，0—20 cm土壤速效鉀較高的土壤小麥籽粒鋅含量較高。由表層向深層，速效鉀逐漸降低。表層土壤速效鉀為高鋅組（150 mg·kg-1）>中鋅組（129 mg·kg-1）>低鋅組（118 mg·kg-1）；20—40 cm各組速效鉀沒有顯著差異，都在100 mg·kg-1左右；40 cm以下土層都以低鋅組最高，中鋅組最低，且二者有極顯著差異?？梢?，提高表層土壤速效鉀含量有助于提高小麥籽粒鋅含量。

2.5 小麥籽粒鋅含量與土壤有效態(tài)鐵錳銅鋅的關(guān)系

土壤有效態(tài)鐵錳銅鋅的測定表明，隨著土層深度增加，土壤有效鋅（圖4-a）逐漸降低，0—20 cm表層土壤有效鋅含量為高鋅組>中鋅組>低鋅組，分別為0.54、0.51和0.40 mg·kg-1，40 cm以下土層，低鋅組麥田土壤有效鋅含量反而有偏高的趨勢，60—100 cm土層高、中、低鋅組的土壤有效鋅含量平均分別為0.07、0.07和0.09 mg·kg-1。

與有效鋅的情況相反，深層土壤有效鐵（圖4-b）有增加趨勢，特別是低鋅和高鋅組的土壤，而且各層土壤有效鐵均以低鋅組>中鋅組>高鋅組，0—20 cm土壤有效鐵3組平均分別為5.09、4.27和3.20 mg·kg-1，20—100 cm土層3組平均分別為5.15、4.05和3.26 mg·kg-1。

圖4 小麥籽粒鋅高、中、低含量組的0—100 cm土層DTPA-Zn、Fe、Mn、Cu含量與分布

土壤有效錳（圖4-c）和有效銅（圖4-d）的情況與有效鐵類似，高鋅組土壤有效錳和銅較低，而低鋅組較高。0—20 cm土層中，高、中、低鋅組的土壤有效錳分別為10.58、10.38和11.28 mg·kg-1，有效銅分別為1.03、1.38和1.53 mg·kg-1，20—100 cm土層有效錳分別為5.78、5.51和6.31 mg·kg-1，有效銅分別為0.79、0.87和0.99 mg·kg-1。與有效鐵不同的是，隨著土層深度增加，土壤有效錳和有效銅逐漸降低。

因此，在研究區(qū)域提高土壤表層的有效鋅含量有助于提升小麥籽粒鋅含量，而土壤中較高的鐵、錳、銅含量不利于小麥籽粒鋅的含量提高。

3 討論

3.1 不同農(nóng)戶麥田的小麥籽粒鋅含量差異

對黃土高原旱地不同農(nóng)戶麥田的多點(diǎn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在潛在性缺鋅土壤上，即使不施鋅肥，不同區(qū)域農(nóng)戶田塊的小麥籽粒鋅含量變異也可達(dá)到38.5 mg·kg-1，介于12.2—50.7 mg·kg-1。特別是在山西垣曲，雖為同一地點(diǎn)、同一品種，不同地塊間籽粒鋅含量變異仍相當(dāng)明顯，介于13.5—43.5 mg·kg-1。在塞爾維亞93個地點(diǎn)的調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，田間小麥籽粒鋅含量變異可超過30 mg·kg-1，介于10.7—42.8 mg·kg-1[18]。法國的研究也發(fā)現(xiàn)即使同一品種小麥不同地點(diǎn)間籽粒鋅含量變化也很大，介于14—43 mg·kg-1[19]。說明在基因型之外，因為種植條件不同，小麥籽粒鋅含量變異廣泛存在。這種變異可能與品種間的鋅吸收利用能力有關(guān)[20]，但同一品種在相同的氣候和田間管理條件下種植，不同地塊間籽粒鋅含量仍有明顯變異，只能說明這種變異與土壤條件有著更密切的關(guān)系。就土壤鋅研究而言，以往的研究主要限于0—40 cm表層土壤，觀測指標(biāo)主要為有效磷、DTPA浸提態(tài)鐵錳銅鋅等。小麥?zhǔn)且环N深根系作物，特別是在旱地，其生育時期通常處于一年之中的旱季，不僅從表層吸收養(yǎng)分和水分，也能深入深層土壤吸收大量養(yǎng)分和水分。因此，本文不僅研究表層土壤，同時還分析了深層土壤水分、pH、大量和微量養(yǎng)分與小麥籽粒鋅的關(guān)系。

3.2 小麥籽粒鋅含量差異與土壤水分與pH的關(guān)系

研究表明，在黃土高原旱地麥田，土壤水分含量和pH是影響小麥籽粒鋅含量的重要因素。小麥籽粒鋅含量與成熟期土壤水分呈顯著負(fù)相關(guān)，0—100 cm土層水分含量平均低于7.7%時，籽粒鋅含量平均可達(dá)39.2 mg·kg-1，即在相同的氣候、土壤條件下，小麥生長期消耗的水分多，則有利于籽粒鋅累積和含量提高。原因可能是土壤鋅主要通過擴(kuò)散從土壤向根系運(yùn)輸，在有效鋅缺乏的情況下，土壤水分對于土壤鋅向根系轉(zhuǎn)運(yùn)至關(guān)重要[21]。在西北旱地小麥的補(bǔ)充灌溉試驗發(fā)現(xiàn)，越冬期灌水能顯著提高籽粒鋅含量[22]，在返青和孕穗期灌水也有增加籽粒鋅含量的趨勢[17]，還有研究發(fā)現(xiàn)小麥蒸散量與籽粒鋅含量正相關(guān)[23]。小麥生長過程中從土壤中吸收和消耗的水分多，就能為非根際土壤中的鋅向根際土壤移動和促進(jìn)作物吸收創(chuàng)造更有利的條件。由于研究區(qū)域為中國西北旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，降水主要集中在小麥播種前的夏閑季，小麥生長季干旱少雨，水分消耗主要來自土壤中貯存的夏閑期降水（圖1），生長期作物消耗的土壤水分越多，收獲期土壤殘留的水分就越少，因此結(jié)果表現(xiàn)為成熟期土壤水分含量越低，小麥籽粒鋅含量越高。

小麥籽粒鋅含量與成熟期土壤pH呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)0—20 cm表層土壤pH平均值由8.45降低到8.33時，小麥籽粒鋅含量可由19.0平均提高到39.2 mg·kg-1。Zn2+是土壤有效鋅的主要形式，其活性與土壤溶液中質(zhì)子活性的平方呈正比，因此pH越高Zn2+溶解度越低[24]。在較高的pH條件下，土壤固相表面可變負(fù)電荷的增加會引起Zn2+沉淀以及被礦物吸附，從而降低其有效性，石灰性土壤典型的特征是較高的碳酸鈣含量，其pH往往大于8.0，隨著pH升高，碳酸鈣礦物表面會形成具有更強(qiáng)吸附能力的含鐵氧化物包膜，從而加劇對土壤有效鋅的吸附，導(dǎo)致鋅有效性降低[25]。pH從8.0升高至8.3，碳酸鈣和含鐵氧化物對鋅的吸附強(qiáng)度會分別增加2和7倍[26]。本研究中90%以上田塊的表層土壤pH在8.00—8.86范圍，20—40 cm土層 pH往往更高，而低鋅組土壤pH以40—60 cm土層最高，故較高的pH對土壤鋅有效性的影響不可低估。

3.3 小麥籽粒鋅含量差異與土壤硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀的關(guān)系

不同農(nóng)戶田塊的土壤分析表明，土壤硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀也影響籽粒鋅含量。氮、鉀與鋅之間存在協(xié)同作用，而磷和鋅之間存在拮抗。當(dāng)表層0—20 cm土層硝態(tài)氮、速效鉀分別由6.8 mg·kg-1提高至23.4 mg·kg-1，118 mg·kg-1提高至150 mg·kg-1時，小麥籽粒鋅含量可由平均19.0 mg·kg-1提高到39.2 mg·kg-1。當(dāng)0—20 cm表層有效磷由平均15.4 mg·kg-1降低到12.1 mg·kg-1，或20—40 cm有效磷由6.0 mg·kg-1降低至4.0 mg·kg-1，也可導(dǎo)致上述籽粒鋅含量提高。

華北平原的長期定位研究發(fā)現(xiàn)，與不施氮相比，施氮130 kg·hm-2小麥籽粒鋅含量能提高10 mg·kg-1左右[27]，籽粒鋅含量隨施氮量增加而提高，優(yōu)化施氮量可將籽粒鋅含量提高44%[13]。陜西關(guān)中地區(qū)，施氮量每增加100 kg·hm-2，小麥籽粒鋅含量平均提高4 mg·kg-1[28]。不僅如此，在土壤鋅水平較高的條件（5.0 mg·kg-1）下，施氮對小麥籽粒及胚乳的鋅含量提高幅度分別50%和80%[29]。氮素供應(yīng)水平影響鋅從土壤到小麥籽粒的各個環(huán)節(jié)，包括根系吸收、木質(zhì)部運(yùn)輸、韌皮部轉(zhuǎn)移過程[12]。高鐵載體能夠促進(jìn)小麥根系對鋅的吸收[30]，其分泌受植物氮素營養(yǎng)調(diào)控[31]。籽粒鋅與蛋白質(zhì)含量關(guān)系密切，即氮素能通過蛋白質(zhì)影響籽粒鋅累積，二者在籽粒中分布也具有很高的空間協(xié)同性，因此籽粒對鋅的累積能力也受籽粒蛋白含量影響[32]。旱地中硝態(tài)氮是植物氮素吸收的主要形式，其來源主要是氮肥施用。作物在吸收和同化硝態(tài)氮的同時，根系需要同時吸收陽離子以平衡電荷，而且硝態(tài)氮的吸收也能提高調(diào)控鋅吸收、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（如YS1）和含氮化合物（如煙酰胺，煙酰胺合成酶）的活性[31]。以硝酸鈣為氮源的土培試驗表明，施氮能將小麥籽粒鋅含量從不施氮的27 mg·kg-1提高到了50 mg·kg-1[33]。因此，硝態(tài)氮能夠促進(jìn)鋅等礦質(zhì)元素在小麥體內(nèi)的吸收和運(yùn)輸。農(nóng)戶撒施的氮肥主要分布在表層，施氮量高的麥田成熟期土壤中仍殘留較高的硝態(tài)氮，故籽粒鋅含量與成熟期麥田0—20 cm土層硝態(tài)氮正相關(guān)，也表明充足的氮素供應(yīng)有利于小麥吸收土壤中的鋅，提高籽粒鋅含量。

隨著施磷量從0增加到400 kg·hm-2，籽粒鋅含量從25 mg·kg-1降低至11 mg·kg-1，但對土壤有效鋅沒有影響[34]。類似地，在關(guān)中地區(qū)的研究顯示施磷量每增加100 kg·hm-2，籽粒鋅平均降低9.2 mg·kg-1[28]。塞爾維亞的研究也發(fā)現(xiàn)過量施磷的地區(qū)籽粒鋅含量普遍很低[18]。施磷不影響籽粒鋅收獲指數(shù)，但過高的施磷量（100—400 kg·hm-2）會通過改變根系形態(tài)、降低菌根侵染進(jìn)而降低開花期和成熟期的鋅吸收[35]。旱地土壤有效磷的主要來源是磷肥，鋅含量低的麥田在小麥?zhǔn)斋@期具有較高的有效磷殘留，這主要是由于施磷量較高引起的[36]。對于小麥產(chǎn)量而言，最適土壤有效磷臨界值介于10.9—21.4 mg·kg-1[37]，本試驗中各鋅含量組0—20 cm土層有效磷（12—15 mg·kg-1）均在此范圍內(nèi)，說明農(nóng)戶田塊磷素營養(yǎng)對于產(chǎn)量形成相對合理，但會影響鋅的吸收。土壤有效磷含量以0—20 cm表層最高，該層土壤的磷水平對籽粒鋅含量影響最明顯。

通常認(rèn)為，中國北方土壤不缺鉀，但高產(chǎn)作物對鉀的持續(xù)攜出也可能會造成潛在的土壤缺鉀，即使沒有抑制生長或降低產(chǎn)量，也可能會影響作物的營養(yǎng)平衡。本研究發(fā)現(xiàn)，0—20 cm表層土壤較低的速效鉀含量不利于籽粒鋅含量提高，所以適當(dāng)施鉀可能有助于小麥籽粒鋅含量提高。施鉀有提高小麥旗葉和籽粒鋅含量的趨勢，能顯著增加籽粒、秸稈鋅吸收量[38]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，施鉀還會降低籽粒鋅含量，主要是由于施鉀增產(chǎn)誘導(dǎo)的鋅稀釋效應(yīng)[39]。施鉀對小麥鋅營養(yǎng)的影響可能是間接的，合理的鉀水平能提高植物對干旱的抗逆能力，鉀也影響植物氮素生理過程，如氮素吸收及同化、硝態(tài)氮吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)[40]、蛋白質(zhì)合成[41]等過程。關(guān)于鉀對小麥籽粒鋅含量的影響尚無一致結(jié)論，需進(jìn)一步研究來揭示其關(guān)系。可見，合理施用氮磷鉀肥，優(yōu)化土壤氮磷鉀供應(yīng)對提高小麥籽粒鋅含量有重要意義。

3.4 小麥籽粒鋅含量差異與土壤有效態(tài)鐵錳銅鋅的關(guān)系

研究表明，高鋅和低鋅組麥田0—20 cm土層 DTPA-Zn分別是0.54和0.40 mg·kg-1，雖然均接近鋅缺乏的臨界值（0.5 mg·kg-1），但小麥籽粒鋅平均含量分別為39.2 和28.1 mg·kg-1，而60—80 cm土層DTPA-Zn與籽粒鋅的關(guān)系與表層正好相反，可能的原因是種植時間不同，作物根系對深層養(yǎng)分吸收和表聚的差異造成的，同時也說明，在研究區(qū)域表層土壤中的鋅對小麥鋅吸收和籽粒鋅的貢獻(xiàn)更重要。也有研究表明，溫室栽培條件下，與0—20 cm表層施鋅相比，0—100 cm土層施鋅能同時提高小麥植株鋅吸收量和鋅在籽粒的分配比例[42]，說明表層以下土壤有效鋅對小麥鋅營養(yǎng)也有貢獻(xiàn)，但田間條件下深層土壤鋅有效性很低，多低于0.10 mg·kg-1，貢獻(xiàn)相對較小。伊朗的研究也發(fā)現(xiàn)，籽粒鋅含量與0—20 cm土層DTPA-Zn呈極顯著正相關(guān)（2=0.25，=137），而與鐵、銅沒有顯著相關(guān)性，錳未測定，與本研究的結(jié)果一致[23]。0—100 cm土層DTPA-Fe與籽粒鋅含量極顯著負(fù)相關(guān)，低鋅、中鋅、高鋅組麥田0—100 cm各層土壤DTPA-Fe平均值介于5.1、4.1和3.3 mg·kg-1，均高于鐵缺乏的臨界值（2.5 mg·kg-1），低鋅組小麥籽粒鋅含量平均僅為19.0 mg·kg-1，高鋅組籽粒鋅含量平均為39.2 mg·kg-1。可見，在黃土高原地區(qū)，由于土壤有效鋅含量很低，有效鐵含量偏高反而不利于小麥對鋅的吸收，兩者呈現(xiàn)出拮抗關(guān)系，這可能和它們在根系吸收中競爭同一轉(zhuǎn)運(yùn)載體有關(guān)[43]。但土壤鐵、鋅缺乏都能促進(jìn)小麥根系高鐵載體分泌，在根系向地上部運(yùn)輸過程中二者有相互促進(jìn)的作用[43]。因此，土壤中鋅和鐵之間是拮抗，還是互助作用，可能和它們在土壤中的濃度或相對濃度高低有關(guān)。在本研究中，土壤有效鋅多在0.50 mg·kg-1臨界值以下，而有效鐵只有個別低于2.50 mg·kg-1臨界值，說明該地區(qū)土壤缺鋅嚴(yán)重，基本不缺鐵。同時，與有效鋅相比，有效鐵有較大的變幅，因此更能顯著地影響籽粒鋅。與鐵和籽粒鋅的關(guān)系類似，表層0—40 cm土層DTPA-Mn和DTPA-Cu都與籽粒鋅含量呈顯著負(fù)相關(guān)。但有研究表明，土壤較高的錳水平可促進(jìn)錳吸收，但不影響鐵、鋅、銅吸收[44]。盆栽條件下土壤施銅不影響DTPA-Zn水平[45]，高量施銅僅降低小麥葉片鋅含量，對籽粒鋅含量無顯著影響[46]。本研究中，0—20 cm土層DTPA-Mn和Cu分別為7.3和1.1 mg·kg-1，均高于它們?nèi)狈Φ呐R界值（2和0.1 mg·kg-1）。因此，研究區(qū)域土壤中錳和銅與鋅之間的拮抗關(guān)系，可能也與它們在土壤中的有效濃度相差較大有關(guān)。因此，土壤微量元素養(yǎng)分的平衡也是影響作物籽粒鋅含量的重要原因。

4 結(jié)論

黃土高原旱地田塊間小麥籽粒鋅含量存在較大的變異。0—100 cm各土層水分含量和有效鐵、多數(shù)土層的銨態(tài)氮和有效磷、表土層的有效錳和有效銅均與小麥籽粒鋅含量呈顯著負(fù)相關(guān)；0—20 cm表層土壤硝態(tài)氮、速效鉀、有效鋅與籽粒鋅含量呈極顯著正相關(guān)。土壤水分、pH、硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀和有效態(tài)鐵錳銅鋅含量是引起籽粒鋅含量差異的原因，其中以水分和有效鐵影響最大。優(yōu)化農(nóng)田水分和養(yǎng)分管理措施以提高土壤水分、氮、鉀、鋅供應(yīng)能力，在不影響作物產(chǎn)量的情況下適當(dāng)調(diào)控土壤磷、鐵、錳、銅供應(yīng)能力，有利于提高黃土高原旱地小麥籽粒鋅含量。

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（責(zé)任編輯 李云霞）

Variation of Winter Wheat Grain Zinc Concentration and Its Relation to Major Soil Characteristics in Drylands of the Loess Plateau

SHE Xu1, WANG Zhaohui1,2, MA Xiaolong1, CAO Hanbing1, HE Hongxia1, WANG Sen1

(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;2State Key Laboratory of Crop Stress Biology in Arid Areas, Yangling 712100, Shaanxi)

In dryland of the Loess Plateau, winter wheat grain zinc (Zn) concentration is usually very low in most areas, but it still varied a lot among different locations or fields. Clarification of the causes of grain Zn variation is essential for improving wheat Zn nutrition and grain Zn biofortification.During 2014-2015 and 2015-2016, both soil and wheat grain samples were collected from 379 randomly selected rain-fed fields of Shanxi, Shaanxi, and Gansu provinces, where wheat is widely planted. Pearson correlation was used to investigate the relationships between wheat grain Zn concentration and the selected soil characteristics.The wheat grain Zn concentration ranged from 12.2 mg·kg-1to 50.7 mg·kg-1among different fields. The Pearson correlation analyses showed that, grain Zn concentration was significantly and negatively correlated with soil moisture, available Fe in all 0-100 cm layers, soil pH, available P in most soil layers, and available Mn and Cu in top soil layers. While wheat grain Zn concentration was significantly and positively correlated with soil nitrate, available K, and available Zn in 0-20 cm layer. Moreover, grain Zn was found no correlation with soil organic matter, total N in 0-100 cm layers, and ammonium in most soil layers. At maturity, 0-100 cm soil moisture in the fields of high Zn groups (mean = 39.2 mg·kg-1) was 8.2%, and 23% lower than that in the fields of low Zn groups; 0-20 cm soil pH in the fields of high Zn groups was 8.3, and 1.4% lower than that of low Zn groups; and soil available P, available Fe, available Mn, and available Cu of high Zn groups were 12.1,3.2, 10.6, and 1.0 mg·kg-1, and 21%, 37%, 6%, and 33% lower than that in low Zn groups, respectively. However, soil nitrate, available K, and available Zn of high Zn groups were 23, 150,and 0.54 mg·kg-1, which were 246%, 27%, and 35% higher than that of low Zn groups, respectively.Large wheat grain zinc variation was found among different areas and fields of the Loess Plateau, and it was mainly affected by soil characteristics including moisture, pH, nitrate, available P, available K, and available Fe, Mn, Cu and Zn, in which moisture and available Fe were more important. Optimizing agronomic water and nutrient management to increase soil water, N, K, and Zn supply capacity, and to some extent to decrease soil available P, and available Fe Mn and Cu without yield loss, should be potential measures for biofortification of wheat grain Zn on the Loess Plateau.

dryland; soil; pH; moisture; nutrients; wheat; zinc; Loess Plateau

2017-04-11；

國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201303104）、國家自然科學(xué)基金（41401330、41501308、31272250）、農(nóng)業(yè)部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項（CARS-3-1-31）

接受日期：2017-07-06

聯(lián)系方式：佘旭，E-mail：1264347967@qq.com。通信作者王朝輝，Tel：029-87082234；E-mail：w-zhaohui@263.net