李莎莎，王朝輝,2*，刁超朋，王 森，劉 璐，黃 寧（ 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)境重點實驗室，陜西楊凌 7200；2 西北農(nóng)林科技大學(xué)/旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國家重點實驗室，陜西楊凌 7200）

鋅是人和動植物必需的微量元素[1]。世界上約有1/3的人口面臨缺鋅引起的健康問題，缺鋅已成為影響人體健康的第五大因素[2]，經(jīng)濟不發(fā)達(dá)的國家尤其嚴(yán)重[3-4]。人體缺鋅主要是因為鋅攝入量不足[5-6]。小麥?zhǔn)俏覈蠹Z食作物之一，在人體鋅供給中所占比例超過20%，農(nóng)村地區(qū)這一占比更高[7-8]。由于現(xiàn)階段中國居民的膳食結(jié)構(gòu)不盡合理，鋅營養(yǎng)元素含量不足所導(dǎo)致的營養(yǎng)不良狀況還比較普遍[9]。調(diào)研結(jié)果表明，我國北方小麥籽粒鋅含量為19.9～43.9 mg/kg，98%的小麥品種籽粒鋅含量低于40 mg/kg[10]，與推薦含量40～60 mg/kg尚有較大差距[11]，不能滿足以小麥為主食人群的鋅營養(yǎng)需求[12]。

我國北方地區(qū)居民主要以面食為主，提高小麥產(chǎn)量和營養(yǎng)元素含量對日益增長的糧食需求及改善人們的營養(yǎng)狀況至關(guān)重要[13]。氮磷鉀是植物必需的大量元素，其吸收積累和分配影響小麥的生長發(fā)育及產(chǎn)量和品質(zhì)形成，也與人類飲食健康密切相關(guān)[14-15]。目前，小麥鋅與氮磷鉀營養(yǎng)方面的研究大部分集中于氮磷肥與鋅肥配施，或氮磷肥用量對作物鋅的影響。田間試驗表明，對于供試小麥品種‘揚麥16號’，氮鋅配施可以顯著增加其籽粒鋅、氮含量及累積量[16]。2個小麥品種的營養(yǎng)液培養(yǎng)試驗表明，鋅和磷之間相互作用的大小程度和方式存在差異，磷素水平在小麥磷鋅營養(yǎng)平衡中起著決定性的作用[17]。氮肥用量的水培試驗研究表明，增施氮肥可促進根系對鋅的吸收、鋅由根部向地上部的轉(zhuǎn)移及營養(yǎng)組織的鋅向籽粒轉(zhuǎn)移[18]。長期施用磷肥的定位試驗表明，籽粒鋅含量與磷含量呈極顯著負(fù)相關(guān)[19]。關(guān)于不同小麥品種鋅與氮磷鉀營養(yǎng)關(guān)系的報道較少，已有研究僅是籽粒養(yǎng)分含量或地點間差異的比較。對北方冬麥區(qū)265個小麥品種研究表明，晉麥26同時具有高的籽粒鋅、磷和鉀含量，河農(nóng)326具有高的籽粒鋅、磷含量[20]。歐洲2個地點的研究表明，4個小麥品種種植在Donji Miholjac (奧西耶克) 時，籽粒氮磷鉀和鋅含量均高于種植在Kutjevo (庫特耶沃)[21]。關(guān)于旱地條件下高產(chǎn)小麥品種籽粒鋅含量差異與氮磷鉀吸收轉(zhuǎn)移利用的關(guān)系，尤其與鉀的關(guān)系，還少有研究報道。

因此，本文通過黃土高原典型旱地連續(xù)三年的田間定位試驗，以123個小麥品種為供試材料，在不施肥和施肥條件下，研究了旱地高產(chǎn)小麥品種籽粒鋅含量差異及其與氮磷鉀吸收轉(zhuǎn)移利用的關(guān)系，以期為科學(xué)施用氮磷鉀及鋅肥、優(yōu)化養(yǎng)分管理、改善小麥籽粒營養(yǎng)品質(zhì)提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

3年定位試驗于2013—2016年在陜西省永壽縣御駕宮村 (東經(jīng) 108°10′、北緯 34°43′) 進行。試驗地海拔972 m，年均氣溫10.5℃左右，無霜期210 d，年均降雨量600 mm左右，主要集中在7～9月。2013—2014、2014—2015和2015—2016年降水和生育期降水分別為583.3和266.6、541.9和313.6、414.2和185.8 mm，屬典型的半濕潤易旱區(qū)。小麥種植主要依賴天然降水。該區(qū)域土壤類型為土墊旱耕人為土，試驗開始前土壤 (0—20 cm) 基本理化性質(zhì)：pH 8.40，有機質(zhì)含量12.2 g/kg，全氮含量0.820 g/kg，硝態(tài)氮含量23.7 mg/kg，銨態(tài)氮含量4.50 mg/kg，有效磷含量14.1 mg/kg，速效鉀含量116 mg/kg，有效鋅含量 (DTPA-Zn) 0.360 mg/kg。

1.2 試驗材料和設(shè)計

試驗采用裂區(qū)設(shè)計，主處理為不施肥 (CK) 和施肥 (NP)，副處理為來自我國主要麥區(qū)的123個品種，主處理4次重復(fù)。施肥處理中，氮肥用量為N 150 kg/hm2(尿素，含N 46%)、磷肥用量為P2O5100 kg/hm2(過磷酸鈣，含P2O516%)，因土壤不缺鉀，故沒有施用鉀肥。所有肥料均在播種前撒施并旋耕使與0—20 cm耕層土壤混勻。主區(qū)長20 m、寬12.5 m，面積為250 m2；副區(qū)長2 m、寬0.8 m，面積為1.6 m2。采用常規(guī)平作，人工點播，每個品種種植4行，每行均勻點播72粒，行距20 cm，株距2.5 cm。試驗于2013年9月28日、2014年10月3日和2015年9月26日播種，在次年6月18～20日收獲。整個生育期無灌溉，小麥?zhǔn)斋@后進行夏季休閑，田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶一致。

1.3 樣品采集及測定

成熟期在每個品種中間2行隨機抽取30穗小麥，連根拔起后用不銹鋼剪刀從根莖結(jié)合處剪斷棄去根系。植株分為莖葉和穗，作為分析樣品分別裝入標(biāo)記好的網(wǎng)袋。樣品自然風(fēng)干，稱莖葉和穗的風(fēng)干重。穗手工脫粒，分為籽粒和穎殼 (含穗軸)，稱量籽粒風(fēng)干重，并由差減法求得穎殼的風(fēng)干重。分別取風(fēng)干的莖葉30克、穎殼30克、籽粒50克，用自來水和去離子水各快速清洗3次，于90℃預(yù)烘30 min，65～75℃烘干至恒重，計算風(fēng)干樣品含水量。烘干樣用碳化鎢球磨儀 (Retsch MM400，德國，氧化鋯罐) 粉碎，密封保存，備用。每個品種中間2行剩余的植株，全部收割，自然風(fēng)干、脫粒，稱籽粒風(fēng)干重，然后加上隨機抽樣30穗小麥籽粒的風(fēng)干重，用于計算該品種的產(chǎn)量。產(chǎn)量以干重表示。

粉碎的植物樣品，稱取籽粒樣品0.2000 g (2次重復(fù))，莖葉、穎殼各0.2500 g，用HNO3-H2O2微波消解儀 (Anton-Paar，奧地利) 消解，用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀 (Thermo Fisher ICAP Q，美國) 測定消解液中的鋅含量；稱取籽粒樣品0.2000 g (2次重復(fù))，莖葉、穎殼各0.2500 g，用H2SO4(95%) -H2O2(優(yōu)級純) 消解后，全自動連續(xù)流動分析儀 (AA3，SEAL Analytical，Germany) 測定消解液中的氮磷含量，火焰光度計測定消解液中的鉀含量。消解過程中每批次加標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) (GBW10011-小麥) 進行校準(zhǔn)，小麥不同器官的養(yǎng)分含量均以烘干重為基數(shù)表示。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

為了分析旱地條件下小麥品種籽粒鋅含量的差異與氮磷鉀吸收利用的關(guān)系，首先將各個試驗?zāi)攴菔┓蕳l件下，籽粒產(chǎn)量高于當(dāng)年所有品種產(chǎn)量平均值的品種定義為高產(chǎn)品種，再將每個試驗?zāi)攴莸母弋a(chǎn)品種進一步按籽粒鋅含量從高到低排序，排在前十位的定義為高鋅品種，后十位的定義為低鋅品種，然后分析這兩組品種在不同施肥條件下的相關(guān)特性。相關(guān)參數(shù)計算如下：

式中：產(chǎn)量和生物量的單位為kg/hm2；養(yǎng)分含量的單位為g/kg；養(yǎng)分吸收量的單位為kg/hm2。

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016進行初步計算和作圖，用SPSS Statistics 22軟件進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鋅含量分組小麥品種的籽粒鋅含量差異

對高產(chǎn)高鋅和高產(chǎn)低鋅兩組小麥品種的籽粒鋅含量分析表明 (圖1)，施肥時，2014、2015和2016年高鋅品種籽粒鋅含量分別為24.3、18.7和17.1 mg/kg，低鋅品種分別為14.7、11.5和13.0 mg/kg，其中高鋅品種各年份籽粒鋅含量均顯著高于低鋅品種，三年平均高54%。不施肥時，高鋅品種籽粒鋅含量分別為19.2、18.5和18.5 mg/kg，低鋅品種分別為17.0、16.0和16.9 mg/kg，其中高鋅品種籽粒鋅含量三年平均比低鋅品種高12%，其中2014年和2016年差異顯著。高、低鋅品種籽粒鋅含量對施肥的響應(yīng)不盡一致。與不施肥相比，施肥時高鋅品種籽粒鋅含量在2014年顯著提高，達(dá)27%，三年平均提高7%；而低鋅品種籽粒鋅含量在施肥時各年份均顯著降低，三年平均降低22%。說明不論施肥與否，高鋅品種籽粒鋅含量均顯著高于低鋅品種，且高鋅品種籽粒鋅含量可因施肥顯著提高，低鋅品種卻降低。

圖1 2014—2016年高產(chǎn)小麥品種高鋅組和低鋅組籽粒鋅含量Fig. 1 Grain Zn concentration in the high and low Zn groups of high yielding wheat cultivars from 2014 to 2016

2.2 籽粒鋅含量與氮磷鉀含量

對籽粒氮磷鉀含量(表1)的分析表明 ，高鋅品種各年份籽粒氮含量均顯著高于低鋅品種，施肥后，三年平均高9%，不施肥平均高8%，其中在2016年差異顯著。籽粒磷含量高鋅品種施肥處理比低鋅品種三年平均高7%，不施肥處理平均高3%，其中在2014年差異顯著。籽粒鉀含量，除2014年不施肥處理組間差異顯著外，其余年份不論施肥與否，兩組品種均無顯著差異。與不施肥相比，施肥處理高、低鋅品種各年份籽粒氮含量均顯著提高，三年平均分別提高30%和29%；高鋅品種籽粒磷含量三年平均降低6%，在2016年差異顯著，低鋅品種三年平均降低9%，在2015和2016年差異顯著；籽粒鉀含量除2014年外，其它兩年高、低鋅品種均顯著降低，三年平均分別降低9%、7%。

秸稈氮磷鉀含量的分析表明，施肥時，高鋅品種秸稈氮、鉀含量三年平均分別比低鋅品種高11%、17%，且均在2014年差異顯著；而兩組品種間秸稈磷含量無顯著差異。不施肥時，兩組品種各年份及三年平均的秸稈氮磷鉀含量均無顯著差異。與不施肥相比，施肥時兩組品種在各年份秸稈氮磷鉀含量均有不同程度的提高，高鋅品種三年平均分別提高79%、38%和25%，低鋅品種分別提高62%、38%和21%。

說明旱地條件下，不論施肥與否，高鋅品種籽粒氮、磷含量高于低鋅品種，鉀含量無顯著差異；施肥時秸稈氮、鉀含量高于低鋅品種，磷含量無顯著差異，不施肥時氮磷鉀含量均無顯著差異。施肥可使兩組品種的籽粒氮含量提高，磷、鉀含量降低，秸稈氮磷鉀含量均提高，且籽粒氮磷鉀對施肥的響應(yīng)一致，而高鋅組秸稈氮含量提高的幅度更大。

2.3 籽粒鋅含量與氮磷鉀吸收

對籽粒氮磷鉀吸收量的分析表明 (表2)，施肥處理高鋅品種籽粒氮吸收量比低鋅品種三年平均高8%，其中在2015年差異顯著；磷吸收量平均高4%，其中在2015年差異顯著；鉀吸收量無顯著差異。不施肥處理高、低鋅組各年份及三年平均的籽粒氮磷鉀吸收量均無顯著差異。與不施肥相比，施肥時兩組品種各年份的籽粒氮磷鉀吸收量均顯著提高，高鋅品種三年平均分別提高104%、59%和51%，低鋅品種分別提高85%、47%和46%。

地上部氮磷鉀吸收量的變化與籽粒相一致。施肥時，高鋅品種地上部氮吸收量比低鋅品種三年平均高8%，其中在2015年差異顯著；地上部磷吸收量比低鋅品種三年平均高5%，且在各年份均有不同程度的提高；地上部鉀吸收量除2014年差異顯著外，其它兩年及三年平均兩組間均無顯著差異。不施肥時，兩組品種各年份及三年平均的地上部氮磷鉀吸收量均無顯著差異。與不施肥相比，施肥時兩組品種各年份的地上部氮磷鉀吸收量均顯著提高，高鋅品種三年平均分別提高113%、64%和67%，低鋅品種分別提高93%、53%和63%。

表1 2014—2016年高鋅低鋅組小麥品種籽粒NPK含量 (g/kg)Table 1 NPK concentration of wheat cultivars in high and low Zn groups from 2014 to 2016

表2 2014—2016年高、低鋅組中小麥品種氮磷鉀吸收量 (kg/hm2)Table 2 NPK uptake of wheat cultivars in high and low Zn groups from 2014 to 2016

說明在旱地條件下，土壤養(yǎng)分供應(yīng)充足時，高鋅品種具有更高的籽粒和地上部氮、磷吸收能力，鉀吸收能力與低鋅品種相比無顯著差異。施肥可使兩組品種的籽粒和地上部氮磷鉀吸收量均顯著提高，且高鋅品種提高的幅度更大。

2.4 籽粒鋅含量與氮磷鉀轉(zhuǎn)移

氮磷鉀收獲指數(shù)的分析表明 (表3)，氮、磷收獲指數(shù)與鉀收獲指數(shù)的變化不一致。無論施肥與否，兩組品種氮、磷收獲指數(shù)在各年份及三年平均均無顯著差異。而施肥時，高鋅品種鉀收獲指數(shù)三年平均比低鋅品種低7%，其中2014年差異顯著；不施肥時，除2014年差異顯著外，其它兩年及三年平均兩組品種間無顯著差異。與不施肥相比，施肥時兩組品種的氮磷鉀收獲指數(shù)三年間均有不同程度的降低，且高、低鋅品種三年平均的降幅相同，均降低2%、2%和10%。說明在旱地條件下，土壤養(yǎng)分供應(yīng)充足時，高低鋅品種向籽粒轉(zhuǎn)移氮、磷的能力無顯著差異，而高鋅品種向籽粒轉(zhuǎn)移鉀的能力較低。施肥時，兩組品種向籽粒轉(zhuǎn)移氮磷鉀的能力均降低。

表3 2014—2016年高、低鋅組中小麥品種氮磷鉀收獲指數(shù)Table 3 NPK harvest indices of wheat cultivars in high and low Zn groups from 2014 to 2016

3 討論

3.1 高產(chǎn)小麥品種籽粒鋅含量差異與氮磷鉀含量的關(guān)系

本研究結(jié)果表明，在旱地條件下，土壤養(yǎng)分供應(yīng)充足時，高鋅小麥品種的籽粒氮、磷含量顯著高于低鋅品種，籽粒鉀含量無顯著差異。波蘭32個小麥品種的研究發(fā)現(xiàn)，籽粒鋅含量高的一粒小麥和二粒小麥，磷含量也均顯著高于常規(guī)品種[22]。匈牙利4個小麥品種的研究表明，合理施肥條件下，與普通小麥品種相比，斯卑爾脫小麥籽粒鋅含量高，其氮磷含量也較高[23]。土耳其5個小麥品種溫室試驗研究表明，籽粒鋅含量高的‘Gediz-75’小麥品種，其氮和鉀含量也較高[24]。31個小麥品種的調(diào)研結(jié)果表明，品種高原602不僅籽粒鋅含量高，而且籽粒磷、鉀含量也高[25]。綜合本研究結(jié)果表明，在施肥等外界條件一致的情況下，存在鋅、氮、磷、鉀含量均較高的小麥品種。同時，也有大量研究表明，籽粒鋅含量與氮含量呈顯著正相關(guān)，但與磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)[26-27]。這可能與磷的施用量有關(guān)，鋅與磷相互作用的研究發(fā)現(xiàn)，鋅與磷之間的拮抗作用并非絕對。兩者供應(yīng)適宜時，鋅與磷之間可以呈現(xiàn)協(xié)同作用[28]。說明旱地條件下施磷合理時，籽粒鋅、磷含量可同步提高。

本研究結(jié)果還表明，施肥使兩組小麥品種籽粒氮含量均顯著提高，磷、鉀含量卻降低。原因主要在于兩組品種的籽粒產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收量對施肥的響應(yīng)不一致。施肥時高鋅品種籽粒產(chǎn)量提高67%，籽粒氮、磷和鉀吸收量分別提高104%、59%和51%；低鋅品種在施肥時籽粒產(chǎn)量提高56%，氮、磷和鉀吸收量分別提高85%、47%和46%?？梢?，籽粒氮吸收量提高的幅度高于產(chǎn)量提高的幅度而產(chǎn)生濃縮效應(yīng)引起籽粒氮含量提高，籽粒磷、鉀吸收量提高的幅度低于產(chǎn)量提高的幅度而產(chǎn)生稀釋效應(yīng)引起籽粒磷、鉀含量下降。前人也有類似的研究結(jié)果，產(chǎn)量對于養(yǎng)分含量的濃縮和稀釋效應(yīng)普遍存在。在美國，氮肥用量對玉米養(yǎng)分影響的研究表明，施氮肥(N 16 kg/hm2) 與不施氮相比，籽粒氮含量顯著提高33%，而磷、鉀含量顯著降低21%、22%[29]。瑞典氮肥用量的研究表明，小麥籽粒鋅、氮含量隨施氮量的增加而顯著提高，磷、鉀含量卻隨之降低[30]。陜西關(guān)中氮磷肥配施的研究也表明，氮磷肥配施 (N 240 kg/hm2和P 100 kg/hm2) 與不施肥相比，籽粒鋅、氮含量分別顯著提高26%、21%，而磷含量卻降低17%[31]。

3.2 高產(chǎn)小麥品種籽粒鋅含量差異與氮磷鉀吸收轉(zhuǎn)移的關(guān)系

本研究發(fā)現(xiàn)，旱地條件下，土壤養(yǎng)分供應(yīng)充足時，高鋅品種籽粒和地上部氮、磷吸收能力顯著高于低鋅品種，鉀吸收能力無顯著差異。河北2個小麥品種的研究也表明，合理施肥條件下，與低鋅品種相比，高鋅品種的籽粒、地上部氮吸收量分別高10%、7%，鉀吸收量分別高36%、7%[32]。土耳其硬粒小麥溫室試驗研究表明，籽粒中鋅與氮的吸收具有協(xié)同作用，高鋅品種的籽粒氮吸收量也高[33]。4個小麥品種磷鋅配施的研究表明，不同品種對于磷、鋅的需求不同，高鋅小麥品種對磷的需求較高[34]。這些研究結(jié)果均說明，土壤養(yǎng)分供應(yīng)充足時，高鋅品種具有更高的氮磷吸收能力。這可能與氮累積多時有利于促進參與鋅吸收與轉(zhuǎn)移的蛋白合成及其活性提高有關(guān)[35-36]。同時，小麥籽粒中鋅主要以植酸鋅的形式存在，籽粒中的磷增加會促進植酸形成，從而增加鋅在籽粒中累積，盡管這種增加不利于改善籽粒鋅的生物有效性[37]。本研究還發(fā)現(xiàn)，通過施肥，兩組品種的籽粒和地上部氮磷鉀吸收量均顯著提高，且高鋅品種提高的幅度更大。不少研究表明，合理施用氮磷鉀肥，保證土壤氮磷鉀供應(yīng)可使小麥植株形成適宜的根系形態(tài)和大小，改善根際環(huán)境，增強氮磷鉀吸收能力[38-40]。但關(guān)于不同籽粒鋅含量品種的氮磷鉀吸收對施肥的響應(yīng)，還未見其他報道。

本研究還表明，土壤養(yǎng)分供應(yīng)充足時，高、低鋅品種向籽粒轉(zhuǎn)移氮、磷的能力無顯著差異，高鋅品種向籽粒轉(zhuǎn)移鉀的能力較低；施肥時兩組品種向籽粒轉(zhuǎn)移氮磷鉀的能力均降低，且降幅一致。氮肥用量的研究表明，施氮量從0增加至240 kg/hm2時，籽粒鋅含量顯著提高25%，氮和鉀收獲指數(shù)分別顯著降低4%和19%[30,41]。30個小麥品種磷吸收轉(zhuǎn)移差異的研究表明，高肥力條件下所有品種的磷收獲指數(shù)比低肥力時顯著降低2.7%[42]。說明在土壤氮磷鉀養(yǎng)分供應(yīng)充足的條件下，小麥從地上部向籽粒轉(zhuǎn)移氮磷鉀的能力會降低，原因可能是由于土壤供應(yīng)超過了籽粒對這些養(yǎng)分的需求，作物吸收的養(yǎng)分不能有效地轉(zhuǎn)運到籽粒，而使其在營養(yǎng)器官莖葉的累積增加[43]。土壤養(yǎng)分供應(yīng)充足時，高籽粒鋅含量的品種向籽粒轉(zhuǎn)移鉀能力較低的原因，可能與較低的鉀轉(zhuǎn)移能力降低了碳水化合物向籽粒的轉(zhuǎn)移[28]，從而使金屬離子如鋅在籽粒的累積相對增強有關(guān)。目前尚缺乏不同籽粒鋅含量品種的氮磷鉀轉(zhuǎn)移對施肥響應(yīng)的研究，相關(guān)問題有待進一步深入探究。

4 結(jié)論

通過在旱地條件下連續(xù)三年的田間定位試驗研究發(fā)現(xiàn)，土壤養(yǎng)分供應(yīng)充足時高產(chǎn)小麥品種的籽粒鋅含量存在顯著差異，高鋅品種比低鋅品種顯著高54%。高鋅品種的籽粒氮、磷含量分別比低鋅品種顯著高9%、7%，鉀含量無顯著差異，施肥可使兩組品種的氮含量顯著提高，磷、鉀含量降低。高產(chǎn)高鋅品種具有更高的籽粒和地上部氮、磷吸收能力，鉀吸收能力與低鋅品種相比無顯著差異，施肥可使兩組品種的氮磷鉀吸收能力均顯著提高，且高鋅品種提高幅度更大；兩組品種間的氮、磷轉(zhuǎn)移能力無顯著差異，而鉀轉(zhuǎn)移能力較低，且兩組品種的氮磷鉀轉(zhuǎn)移能力均因施肥降低，且降幅一致?？梢姡档貤l件下土壤養(yǎng)分供應(yīng)充足時，高產(chǎn)高鋅品種的氮磷吸收能力強，鉀轉(zhuǎn)移能力弱，籽粒氮磷含量高，鉀含量與低鋅品種無顯著差異。表明通過品種選育可同時提高旱地高產(chǎn)小麥籽粒鋅和蛋白質(zhì)含量，也會提高磷的含量?？紤]到磷含量高時會降低籽粒鋅的生物有效性，生產(chǎn)中通過施肥措施，適當(dāng)調(diào)控磷肥、增加氮肥，在提高小麥籽粒氮鋅含量的同時提高籽粒鋅的生物有效性。