低锌旱地施锌方式对小麦产量和锌利用的影响

2013-12-01李孟华王朝辉王建伟邹春琴

植物营养与肥料学报 2013年6期

李孟华，王朝辉*，王建伟，毛晖，戴健，李强，邹春琴

(1农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌712100;2西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌712100;3中国农业大学资源与环境学院，北京100193)

锌是人及动植物生长发育必需的微量元素之一，参与生物体众多生理生化过程［1－2］，人体锌摄入量不足会导致免疫功能障碍、性腺发育不良、认知功能障碍以及腹泻、肺炎等疾病［3］。据统计，全世界超过20亿人锌摄入量不足［4］，中国大约有一亿人遭受锌缺乏困扰，尤其是农村地区更加严重［5］。膳食中的锌是人体锌的主要来源，小麦是我国主要粮食作物和矿质元素主要供给来源，20%以上锌营养由小麦及其制品提供，这一比例在北方及农村地区更高［5］。因此，小麦锌含量高低直接影响我国居民锌营养状况。

我国小麦锌含量普遍不高。张明艳等［6］研究了112个长江中下游主推和部分引进品种，发现小麦子粒锌含量平均为32.07 mg/kg;傅兆麟等［7］分析了黄海麦区255份种质材料，发现子粒平均锌含量为 24.01 mg/kg;张勇等［8－9］先后两次研究了我国北方共505个小麦样品，发现平均锌含量分别为29.3和32.3 mg/kg;在山西地区的研究结果也显示，小麦平均锌含量仅为29.3 mg/kg［10］。这些结果说明，与推荐含量40 60 mg/kg［11］相比，我国小麦锌含量普遍较低。另外，因为锌在成熟小麦子粒中一般在糊粉层和胚中的含量相对较高，精加工过程常会使这些部分被去除，因而导致人们食用的面粉锌含量降低［12］。据统计，2009年中国部分省区成年居民人均每天锌摄入量为11.2 mg，比1989年下降了1.1 mg［13］，这主要是由于作为膳食锌来源的谷类食物锌含量下降而引起的［14］。

土壤有效锌含量不足是导致小麦锌营养缺乏的主要原因。黄土高原20.69%的土壤有效锌(DTPA－Zn)在临界值(0.5 mg/kg)以下，37.93%为低水平(0.5 1.0 mg/kg)［15］。由于该地区气候干旱，土壤有机质含量低，碳酸钙含量高以及较高的pH等，使土壤有效锌含量偏低［15－19］，导致这一地区种植的小麦子粒锌含量较低，难以满足人体锌营养需求。因此，通过经济有效的措施提高小麦子粒锌含量，对缓解这一地区锌营养不足具有一定的现实意义。

小麦育种及施用锌肥是提高小麦子粒锌含量的两个重要途径［20－21］，通过育种获得锌高效型品种是获得富锌小麦子粒的有效途径，但这需要一个较长的过程，即使获得这种锌高效型的品种，也难以在有效锌含量缺乏的土壤上发挥作用。因此，通过施用锌肥等农艺措施在短时间内实现小麦子粒富锌是一种有效可行的途径［11］。目前，土施和叶面喷施是施用锌肥的两种主要方式。当土壤有效锌较低时，土施和叶喷硫酸锌可使小麦子粒锌含量提高3 4倍，增产2 3 倍［22］，Cakmak 等［23］也发现土施或叶喷均可提高子粒锌含量，且在小麦生长后期喷施锌肥效果更好，但只有土施锌肥才能取得明显的增产效果。而在陕西关中地区的试验结果却表明，土施或叶喷锌肥均不会显著影响小麦产量，但可以不同程度地提高小麦子粒锌含量［24－25］，渭北旱塬 17年的长期定位试验也发现施锌增产效果较小［26］。也有研究认为，施用锌肥的效果可能和施氮量有关，锌供应充足时，增施氮肥可以提高小麦产量或子粒锌含量［23，27－28］。

我国西北地区居民主要以面食为主，因此该地区小麦子粒的锌含量与该区居民的锌营养状况有密切关系，但有关这一地区小麦施锌方式方面的研究还较少，且多局限于一个地点［29－30］。本研究选取陕西关中平原西部的凤翔县及渭北旱塬的永寿县两个试验点，研究施锌方式对小麦产量、子粒锌含量及锌肥有效性的影响，旨在探讨黄土旱地低锌区不同种植条件下更加经济有效、环境友好的锌肥施用方式，为优化我国旱地低锌区小麦锌肥管理提供切实可行的措施和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2010 2011年在陕西省永寿县养马庄村及凤翔县横水村进行。永寿县养马庄村试验点位于海拔1105 m的典型旱地雨养农业区，一年一熟，冬小麦连作，土壤类型为黄绵土，年平均气温10.2℃，无霜期210天，常年降雨量610 mm，65%的降水集中在6 9月，小麦生长期为9月下旬到次年6月底。凤翔县横水村试验点位于关中平原西部，海拔600 m，一年两熟，冬小麦－夏玉米轮作，土壤类型为土垫旱耕人为土，年平均气温11.5℃，无霜期207天，常年降雨量625 mm，农田具备灌溉条件。供试土壤主要理化性状见表1。

表1 试验点土壤基本性状Table 1 The properties of soils at two experiment sites

1.2 试验设计

本研究设两个施氮水平(N 180、300 kg/hm2)和4种施锌方式:1)不施锌(对照C);2)土施锌(S，施ZnSO4·7H2O 50 kg/hm2，播前拌土撒在地表后人工翻入土壤);3)叶喷锌［F，施 ZnSO4·7H2O 4.8 kg/hm2，以 0.4%(w/v)的 ZnSO4·7H2O 溶液在傍晚喷施于小麦冠层，用0.01%(v/v)的吐温20做表面活性剂，在小麦抽穗前一周和花后一周各喷施1次，用量分别为50%］;4)土施+叶喷锌［S+F，锌肥施用量和施锌方法及时间与土施锌(S)和叶喷锌(F)相同］。各处理磷、钾肥用量相同，分别为P2O575 kg/hm2和K2O 75 kg/hm2，均在播前作为底肥一次施入，磷肥用磷酸二铵，钾肥用硫酸钾。氮肥用磷酸二铵(计入随磷肥施入的氮量)和尿素，1/3作基肥播前施入，2/3在返青期追施。小区面积31.5 m2(4.5 m×7 m)，行距18 cm，每处理重复4次，完全随机区组排列。小麦选用当地品种，永寿选用晋麦47，凤翔选用西农979，播量为150 kg/hm2。凤翔试验点在返青期灌水一次，小麦生长期间的田间管理均与当地农户相同。

1.3 采样与测定方法

在小麦成熟期，每个小区收获两个1 m2样方，晒干后脱粒计算小麦子粒产量。在每个小区随机选取约100株小麦，将小麦植株连根拔起后沿根茎结合处将根剪断，地上部为一个分析样品，风干后脱粒，分为茎叶、颖壳、子粒三部分，用于测定产量构成因素，并结合子粒产量计算小麦地上部总生物量。定量取各部分样品用去离子水清洗后105℃杀青30 min，65℃烘干至恒重，用碳化钨球磨仪(莱驰MM400，德国)磨细，密封保存，备用。

小麦收获后在各小区选取3个点，采集0—20 cm、20—40 cm土壤样品，样品混匀自然风干后磨细，过1 mm尼龙网筛，备用。

植物样品用HNO3－H2O2微波消解仪(屹尧WX－8000，中国)消解，原子吸收分光光度计(日立Z－2000，日本)测定锌含量;土壤有效锌用DTPA溶液(DTPA 0.005 mol/L，CaCl20.01 mol/L，TEA 0.1 mol/L，pH=7.3)浸提，液土比为 2∶1，原子吸收分光光度计测定。

1.4 数据处理

试验数据采用SAS 8.1(Statistical Analysis System)软件进行统计分析，采用 LSD(Least Significant Difference)法进行多重比较，差异显著性水平为5%。

2 结果与分析

2.1 施锌方式对小麦产量及收获指数的影响

两地试验结果(表2)表明，施氮量和施锌方式对小麦子粒产量、地上部生物量及收获指数均无显著影响。施氮为N 180和300 kg/hm2时，永寿试验点平均子粒产量分别为5536 kg/hm2和5916 kg/hm2，凤翔试验点分别为6956 kg/hm2和6973 kg/hm2;两地小麦地上部生物量平均分别为11275 kg/hm2和 11941 kg/hm2、14603 kg/hm2和 14744 kg/hm2;收获指数平均为49%和49%、48%和47%。说明在两个试验地点施氮N 180 kg/hm2即可满足小麦对氮素的需求，增施氮肥不能提高小麦产量;土壤虽然缺锌，但施用锌肥也并不能显著提高小麦产量。

表2 不同施锌方式对小麦产量及收获指数的影响Table 2 Effects of different Zn application methods on yield and harvest index of winter wheat

2.2 施锌方式对小麦锌含量的影响

与对照相比，叶喷及土施+叶喷锌肥可显著提高了小麦子粒锌含量(表3)。在施氮N 180和300 kg/hm2时，永寿试验点叶喷锌处理的子粒锌含量分别为41.5和43.4 mg/kg，较对照分别提高了49%和52%;凤翔试验点的子粒锌含量分别为35.3和36.5 mg/kg，较对照提高了24%和27%。永寿试验点土施+叶喷处理的子粒锌含量与叶喷处理无显著差异，在施氮N 180和300 kg/hm2下分别较对照提高了45%和50%;而凤翔点土施+叶喷处理的子粒锌含量显著高于叶喷处理，分别提高了33%和38%。两试验点土施锌的效果均不显著，子粒锌含量仅比对照提高4.3% 6.3%。尽管同一锌肥处理在施氮N 300 kg/hm2时的子粒锌含量要高于N 180 kg/hm2，但均未达显著水平，说明在 N 180 kg/hm2的基础上再增施氮肥不能提高小麦子粒锌含量。

从表3还可以看出，茎叶和颖壳对施锌方式的反应与子粒基本一致。土施锌处理没有显著提高茎叶及颖壳锌含量。叶喷锌时，N 180和300 kg/hm2两个氮水平下永寿试验点小麦茎叶锌含量分别为37.4和 43.8 mg/kg，较对照分别提高 642%和774%，颖壳锌含量分别为52.3和52.9 mg/kg，较对照提高689%和590%;凤翔试验点茎叶锌含量分别为25.6和28.2 mg/kg，较对照提高211%和228%，颖壳锌含量分别为25.5和27.7 mg/kg，较对照分别提高189%和211%。土施+叶喷锌时，永寿试验点的茎叶及颖壳锌含量与叶喷锌差异不显著，但凤翔试验点则高于叶喷锌;两个氮水平下，茎叶锌含量较对照分别提高320%和361%，颖壳锌含量提高245%和299%。可见，叶喷及土施+叶喷锌时一部分被小麦吸收并分配到子粒中，提高了子粒锌含量，同时还有很大一部分存在于小麦茎叶与颖壳中，或者残留于茎叶及颖壳表面，使茎叶和颖壳锌含量大幅度提高，是子粒锌提高幅度的十几倍。除凤翔试验点小麦颖壳外，增施氮肥对小麦营养器官锌含量没有显著影响。

表3 不同施锌方式对小麦各部分锌含量的影响(mg/kg)Table 3 Effects of different Zn application methods on zinc contents in different parts of wheat

2.3 施锌方式对小麦地上部锌累积量与分配的影响

施锌方式对小麦地上部锌累积量的影响与对锌含量的影响一致(表4)。施氮180和300 kg/hm2时，永寿试验点土施锌处理小麦总锌累积量分别为192.6和215.3 g/hm2，凤翔试验点分别为264.8和294.2 g/hm2，较对照均无显著差异。叶喷和土施+叶喷处理均显著提高了小麦的锌总累积量，且两者没有显著差异。叶喷锌时，永寿试验点在两个施氮水平下小麦锌总累积量分别为493.7和556.4 g/hm2，较对照提高176%和183%，凤翔试验点为465.8和492.0 g/hm2，较对照提高78%和86%。土施 +叶喷锌时，永寿试验点在 N 180和 300 kg/hm2两个施氮水平下的锌总累积量较对照提高155%和162%，凤翔试验点提高102%和111%。可见，叶喷及土施+叶喷锌肥使小麦地上部累积量显著增加，土施则没有效果，而且增施氮肥也不能显著提高小麦锌总累积量。

土施锌，两试验点锌收获指数分别为84%和83%、75%和73%，与对照都没有显著差异。叶喷及土施+叶喷锌肥显著降低了小麦锌收获指数，且两者没有显著差异，永寿试验点叶喷及土施+叶喷处理使锌收获指数较对照降低了41% 42%，而凤翔试验点降低25% 38%。可见，叶喷及土施+叶喷虽然明显提高了地上部的锌累积量，但却使锌在子粒中的分配比例降低。

2.4 施锌方式对小麦锌肥利用效率的影响

子粒锌的提高指数、子粒锌利用率、总锌利用率均为评价锌肥利用效率的重要参数，对指导合理施用锌肥有重要意义。对土施和叶喷两种施锌方式的分析(表5)表明，三个参数因地点有一定变异，在土壤有效锌含量偏低的永寿(DTPA－Zn=0.45 mg/kg)三者数值均偏高，而在土壤有效锌含量较高的凤翔(DTPA－Zn=0.74 mg/kg)数值则偏低，但两个试验点的两个氮水平间无显著差异。从N 180和300 kg/hm2两个施氮水平的平均值来看，永寿和凤翔试验点土施锌处理的子粒锌提高指数分别为0.15和0.13(mg/kg)/(kg/hm2)，叶喷锌处理分别为13.04和6.70(mg/kg)/(kg/hm2);两试验点土施处理的子粒锌利用率分别为0.12%和0.07%、叶喷处理分别为9.40%和6.02%，土施处理的总锌利用率分别为0.14%和0.15%、叶喷处理分别为30.91和19.78%。可见，土施锌肥时，子粒锌提高指数、子粒锌利用率、总锌利用率都是极低的。

表4 不同施锌方式对小麦地上部锌累积量和锌收获指数的影响Table 4 Effects of different Zn application methods on Zn accumulation in shoot and Zn harvest index

表5 不同施锌方式对小麦锌肥利用效率的影响Table 5 Effects of different Zn application methods on Zn use efficiency

2.5 施锌方式对小麦收获后土壤有效锌(DTPAZn)的影响

表6显示，叶喷锌(F)处理多数情况下土壤有效锌有增加趋势，且在两个地点的情况一致。从两个氮水平的平均值来看，永寿和凤翔试验点F处理的0—20 cm土层有效锌含量分别为0.50和0.78 mg/kg，较对照提高21%和17%，20—40 cm土层有效锌含量无明显变化。土施锌处理使土壤有效锌显著增加，两地情况一致。从两个氮水平的平均值来看，永寿和凤翔试验点土施锌处理的0—20 cm土层有效锌含量分别为1.11和1.62 mg/kg，较对照提高169%和143%;20—40 cm土层有效锌含量分别为0.34和0.39 mg/kg，较对照提高15%和25%。土施+叶喷处理的情况和土施锌处理一致。可见，土施锌肥能显著提高土壤有效锌含量，且表层更加明显。

表6 不同施锌方式对收获期不同土层土壤有效锌含量的影响(mg/kg)Table 6 Effects of different Zn application methods on the DTPA－Zn in different soil layers at the harvest

3 讨论

3.1 不同施锌方式对小麦产量的影响

根据刘铮［18］的研究，当土壤潜在性缺锌(有效锌含量在0.5 1.0 mg/kg之间)或严重缺锌(有效锌含量低于0.5 mg/kg)时，施用锌肥可以改善农作物缺锌症状。本试验土壤有效锌含量均低于1.0 mg/kg，但无论土施还是叶喷锌肥，都没有显著提高小麦产量，尽管叶喷有提高小麦产量的趋势，且显著提高小麦子粒锌含量。关于锌肥对小麦产量的影响，前人的研究结果也不尽一致。土耳其的研究结果表明，在Konya(土壤DTPA－Zn为0.18 mg/kg)土施Zn SO4·7H2O 50 kg/hm2时，可使小麦增产21%23%，而喷施0.5% 的ZnSO4·7H2O则无效果;在Adana(土壤DTPA－Zn为0.49 mg/kg)和 Samsun(DTPA－Zn为1.59 mg/kg)的喷施锌肥试验也无效果［23］;在河南省新乡(土壤 DTPA－Zn 为 0.12 mg/kg)的试验结果发现，施锌30 240 kg/hm2，可使小麦增产4.6 10%［34］;江苏省连云港(土壤DTPA－Zn为0.58 mg/kg)的研究表明，锌肥用量在30 45 kg/hm2时，能有效提高小麦产量，再提高锌肥用量其增产效果反而下降［35］。然而，Zou等对包括中国在内的多个国家4年的23个试验研究表明，只有在 Pakistan(土壤 DTPA－Zn为0.30 0.71 mg/kg)的土施锌肥(ZnSO4·7H2O 50 kg/hm2)试验表现出显著的增产效果，而叶喷锌肥(ZnSO4·7H2O 0.5%)表现出增产趋势，但差异不显著［36］。在陕西关中地区(土壤DTPA－Zn为0.65 0.67 mg/kg)的研究也表明，土施或叶喷锌肥均对产量无明显影响［30，37－38］。本试验在同一地区(土壤 DTPA－Zn 为0.48～ 0.78 mg/kg)的研究结果也表明，土施ZnSO4·7H2O 50kg/hm2或叶喷 4.0kg/hm2(0.5%)均对产量无明显影响［32］。由此可以看出，因气候、土壤等条件的差异，锌肥对产量的影响并不确定，在我国黄土高原旱作区，水分缺乏是限制小麦产量的主要因素，单纯施用锌肥很难提高小麦产量。

尽管本试验设置了N 180和300 kg/hm2两个氮水平，但不同氮水平下的小麦产量和生物量均无显著差异，与前人的氮锌协同［23，37］结论不一致。这可能是N 180 kg/hm2的氮肥用量已经足够满足小麦对氮素的营养需求，再增施氮肥并不能表现出对小麦生长的促进作用。

3.2 不同施锌方式对小麦子粒锌含量、锌累积与分配的影响

喷施锌肥使小麦子粒锌含量大幅度提高，这说明通过叶面喷施的锌可以较容易地运输到子粒，Haslett［38］和 Erenoglu［39］等人的同位素标记试验也证明了这一点。然而，在旱稻和拟南芥的研究却发现，在子粒形成时期，根系吸收及转运是子粒中锌的主要来源［40－41］，这很可能是在人为控制的室内培养及盆栽试验中，锌、水分供应充足，根系吸收及转运成为子粒中锌来源的主要途径［27，40－42］。本试验条件下，土壤中较高的碳酸钙含量及pH，使施入土壤中的锌很快转化为非有效态即钝化形态，从而导致锌肥有效性降低。另外，锌主要以扩散的方式向植物根系移动，该地区小麦生育期内降水不足，影响小麦根毛产生和伸长，从而影响锌向小麦根际的扩散和吸收;干旱还会减弱蒸腾作用，使锌由根系向地上部的运输动力下降［43］。因此，单纯土施锌肥，小麦地上部营养器官及子粒的锌含量都不能明显提高，而喷施的效果较好，叶喷和土施+叶喷使子粒锌含量较对照平均提高40%，从28 mg/kg提高到40 mg/kg左右，达到推荐含量［11］。

叶喷锌肥显著提高了小麦地上部的锌累积量，但却显著降低锌收获指数。Cakmak等［23］认为，大田条件下，土壤供锌受限，生殖生长阶段增加营养器官的锌储量是提高子粒锌含量的关键。Dang等［44］的研究也发现，子粒由再分配获得的锌占子粒总锌量的比率为58.2%～ 60.3%，可见，子粒锌的吸收和积累在较大程度上取决于营养器官对锌的再分配。然而，叶喷锌肥并没有使子粒锌累积量像茎叶颖壳中的累积量一样大幅度提高，导致叶喷锌收获指数降低。有研究者认为这可能是营养器官与生殖器官之间存在着转运障碍［45］，或者是子粒“库”容量有限，从而限制了锌的积累;也可能是叶面喷施的锌没能全部进入植物组织，而是部分残留在茎叶表面，致使收获指数降低，具体原因还有待深入研究。

3.3 不同施锌方式对小麦锌肥利用效率的影响

国内外表征肥料利用效率的参数很多，目前肥料利用率，即肥料养分回收率常用于表征大量元素肥料的利用情况［46］。本文选用子粒锌提高指数、子粒锌利用率、总锌利用率作为衡量锌肥利用效率及施肥的参数，且选用子粒锌提高指数这一指标来计算使小麦子粒锌含量提高到某一水平时的锌肥施用量。试验发现，叶喷和土施锌肥时，子粒锌提高指数分别是6.70～13.04(mg/kg)/(kg/hm2)和0.13 0.14(mg/kg)/(kg/hm2)，子粒锌利用率分别是6.02%～9.40%和0.07% ～0.12%，总锌利用率分别是19.78% ～ 30.91%和0.14%～ 0.15%。从分析结果(表5)可以看出，在土壤有效锌含量低时，锌肥利用效率要高于土壤有效锌含量相对高的地点，而且土施锌肥的锌肥利用效率是极低的。施入土壤的锌肥数量是叶喷的10倍还多，假设本试验中土施锌肥使小麦子粒锌含量达到叶喷的水平，那么土施锌也是极不经济的，而且长年施锌会使大量锌残留在土壤，对生态环境是否存在潜在危害，也有待进一步研究。因此，在干旱的石灰性土壤上，叶喷锌肥是提高小麦子粒锌含量更经济有效、环境友好的施肥措施。

3.4 不同施锌方式对土壤有效锌的影响

虽然是叶面施肥，但喷施的锌肥不可能完全附着于植株上，因此，叶喷锌肥也有提高土壤有效锌的趋势，而土施锌肥使土壤耕层有效锌显著增加，较对照提高3倍左右。郝明德等18年的定位试验也发现，连续施锌后耕层有效锌含量明显增加，但对60 cm以下的深层土壤有效锌含量影响不显著［47］。尽管土施锌后土壤有效锌含量大幅度提高，但却没有明显提高小麦子粒的锌含量，与 Yilmaz［22］和Cakmak［23］等在严重缺锌(土壤DTPA－Zn 为0.12～0.18 mg/kg)的土壤上施锌肥使小麦子粒锌含量增加2倍多相差甚远，这可能是本试验的土壤没有达到极严重缺锌的程度，而且土壤水分不足，制约了锌在土壤中的移动、小麦根系发育以及锌由根系向地上部的转运，从而出现土壤有效锌增高，而小麦地上部器官锌含量不增加的结果。

4 结论

在该试验地区，施锌不会对旱地小麦产量产生显著影响，但叶喷锌肥有增产的趋势。叶喷和土施+叶喷锌肥可使小麦子粒锌含量显著提高40%左右，平均达到40 mg/kg;单独土施锌肥虽使土壤有效锌提高3倍左右，但子粒锌含量无显著变化。叶喷锌肥的锌利用效率远高于土施和土施+叶喷，每公顷喷施1 kg锌可使小麦子粒锌含量提高6.70 13.04 mg/kg，子粒锌利用率为6.02% 9.40%，是土施锌肥的80倍左右，总锌利用率平均为19.78%～30.91%，是土施锌肥的132 221倍。由此可见，在旱地叶面喷施锌肥是经济有效、环境友好的施用方式。

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