锌与氮磷钾配合喷施对小麦锌累积、分配及转移的影响

王少霞，李 萌，田霄鸿，陈艳龙，李 硕，刘 珂，贾 舟

（西北农林科技大学资源环境学院/农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100）

锌是人体所必需的微量元素，其摄入量不足会引起智力下降、生长发育停滞、免疫力下降等健康问题[1]。据估计，全世界近30亿人口受到缺锌的影响[2]，主要发生在以含锌量低和锌生物有效性不高的小麦等谷类作物为主食的低收入国家[3]。在中国，小麦及其制品是50%居民的主食，占每日居民锌摄入量的20%[4–5]。然而，小麦籽粒平均锌含量仅为29.3 mg/kg，远低于Cakmak[6]提出的满足人体锌营养健康的籽粒锌强化目标值 (40～60 mg/kg)[7]。研究表明，小麦灌浆前期喷施锌肥可使小麦籽粒锌含量提高2～3倍[8–10]，因此被认为是强化小麦锌营养的有效措施[11]。在实际生产中，小麦生长后期喷施大量元素肥料 (氮、磷或钾) 已被广泛用于防止由于干热风、倒伏以及根系养分吸收能力下降造成的减产[12]。锌营养学家以及“Harvest Plus”项目提出将锌肥与氮、磷或钾肥配合喷施，提高喷锌在实际生产中的可行性[13–14]。探讨叶面喷施氮、磷、钾与锌肥结合对小麦锌的累积、分配和转移的影响，可为切实有效实现小麦籽粒锌的强化提供理论依据。

研究表明，锌等微量元素与大量元素肥料配合喷施与单独喷施相比更能有效提高作物产量和养分含量[15]。Zhang等[16]在潜在缺锌的石灰性土壤上进行的田间试验表明，与单独喷锌、铁相比，锌、铁与氮磷钾肥配合喷施增加了小麦籽粒产量及锌、铁的生物有效性。然而，以上研究未明确锌肥与氮、磷或钾肥分别配合喷施的影响。土施大量元素肥料对锌的吸收、转移、分配及籽粒锌累积方面的影响已有一些报道，如土施氮肥在供锌充足的情况下能够促进根系对锌的吸收、锌从根系向地上部的转移、锌在韧皮部的再转移以及向籽粒的分配[7,17–18]，土施磷肥能够通过抑制根系对锌的吸收进而降低籽粒锌含量[19–20]。然而，喷施试验较少，仅有研究表明在根系供锌量充足的情况下，喷施尿素能够提高硬粒小麦籽粒锌含量[21]，且对锌从小麦叶片向籽粒转移有一定的促进作用[22]，但氮锌肥配合喷施对锌在小麦不同营养器官间的分配转移影响未见报道。此外，Zhang等[20]在潜在缺锌石灰性土壤上进行田间试验表明，在土施高量磷肥的条件下喷施锌肥，小麦籽粒锌含量仍显著提高，说明根系供磷对锌在韧皮部的再转移影响较小。然而，磷锌配合喷施是否会影响锌在小麦各器官的再转移及分配，进而影响籽粒锌含量仍不清楚。施钾能够提高氨基酸在韧皮部中的含量及运输速率[23]，但对小麦籽粒锌含量的影响研究较少，特别是钾锌配合喷施对锌的分配、转移及籽粒锌累积的影响至今尚无报道。

综上所述，本研究的目的主要包括两方面：1) 研究锌肥与氮、磷或钾肥配合喷施对小麦各部分(籽粒、茎秆、叶片及颖壳) 锌含量、累积及分配的影响；2) 探明叶面喷施氮、磷或钾肥对锌 (主要来源于喷施锌肥) 的转移以及对籽粒锌贡献率的影响。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2010年10月至2014年7月在西北农林科技大学农作一站 (34°17′38″N, 108°04′02″E) 进行。试验区海拔525 m，年平均气温13℃，属于半湿润易旱区，年均降水量约为600 mm。土壤属黄土母质褐土类土镂亚类红油土属，类型为土垫旱耕人为土。本试验开始前耕层土壤 (0—20 cm) 基本理化性状为pH 8.2、矿质态氮10.6 mg/kg、有效磷10.9 mg/kg、速效钾150 mg/kg、有机质13.81 g/kg、CaCO375 g/kg，DTPA-Zn 0.77 mg/kg。供试土壤中有效锌与有效铁的含量均处于潜在缺乏水平 (DTPA-Zn 0.5～1.0 mg/kg、DTPA-Fe 4.5～10 mg/kg)。

试验采用裂区设计，主处理为3个施氮水平，分别为 N 0 (N1)、120 (N2)、240 (N3) kg/hm2。副处理为不同喷施处理，其中2010年10月—2012年6月副处理包括4个喷施处理，分别为：1) 蒸馏水(CK)；2) ZnSO4·7H2O 0.3% (w/v) 单独喷施 (Zn)；3)ZnSO4·7H2O 0.3% 和尿素 1.7% (w/v) 混合喷施 (Zn +N)；4) ZnSO4·7H2O 0.3% 和 KH2PO40.2% (w/v) 混合喷施 (Zn + P + K)。2012年10月—2014年6月副处理包括5个喷施处理，分别为：1) 蒸馏水 (CK)；2)ZnSO4·7H2O 0.3% 单独喷施 (Zn)；3) ZnSO4·7H2O 0.3%和尿素1.7%混合喷施 (Zn + N)；4) ZnSO4·7H2O 0.3%和KH2PO40.2%混合喷施 (Zn + P + K)；5) ZnSO4·7H2O 0.3%和K2SO40.5% (w/v) 混合喷施 (Zn + K)。喷施所用肥料纯度均为分析纯。试验重复4次，主区面积分别为59.4 m2(6 m × 9.9 m)，副区面积均为2 m2。氮肥采用尿素，磷肥采用过磷酸钙，磷肥施用量为P2O5100 kg/hm2。所有氮肥和磷肥均作底肥在小麦播种前一次性撒施于土壤表面后用旋耕机翻入土壤。小麦品种为小偃22号，采用冬小麦–夏休闲种植体系。在小麦灌浆前期每隔7 d喷施一次，共喷施3次，每次喷施溶液用量为1000 L/hm2，溶液喷施前加入0.02% (v/v) 吐温20 (Tween 20) 作为表面活性剂。喷施采用容积为330 mL的小型手动喷雾器 (长 ×宽 × 高 = 59 cm × 40 cm × 48 cm)，为避免在高温及强光下喷施对叶片造成灼伤，喷施一般在下午6:00以后进行。田间试验的其他管理措施按照当地习惯。

1.2 采样与测定

于2010—2014年小麦生长季采集成熟期小麦样品，分别在每个副区随机采集15株长势一致的小麦样品，先用自来水冲洗5 min，再用蒸馏水清洗3次后将其分为叶片、茎秆、颖壳和籽粒4个部分。所得小麦各部位样品75℃下烘干后，称重并粉碎用于Zn含量测定。于2012—2014年小麦生长季采集开花期小麦样品，分别在每个主区采集4段0.5 m小麦地上部样品，用蒸馏水清洗干净，在105℃下杀青30 min后，在75℃下烘干并称重，取出5株小麦样品粉碎用于Zn含量测定。

样品中Zn含量的测定：将籽粒或秸秆样品粉碎后，称取0.5 g至坩埚中碳化，而后在600℃的马福炉中灰化6 h，用5 mL 1∶1 (v/v) HNO3溶解后定容至50 mL。用AA320 CRT型原子吸收分光光度计测定待测液中的Zn含量[24]。

1.3 计算公式[25]

花后锌吸收量对总锌贡献率 (%) = 花后锌吸收量/成熟期地上部锌携出量 × 100

花前锌累积对总锌贡献率 (%) = 开花期地上部锌携出量/成熟期地上部锌携出量 × 100

花前累积锌向籽粒转运量 (g/hm2) = 开花期地上部锌携出量 – 成熟期秸秆锌携出量

花前累积锌再转运率 (%) = 花前累积锌向籽粒再转运量/开花期地上部锌携出量 × 100

花后锌吸收量向籽粒转移量 (g/hm2) = 籽粒锌携出量 – 花前累积锌向籽粒再转运量

花前累积锌再转运对籽粒锌累积的表观贡献率(%) = 花前累积锌向籽粒再转运量/籽粒锌携出量 × 100

花后锌吸收量对籽粒锌累积的表观贡献率 (%) =花后锌吸收量向籽粒转移量/籽粒锌携出量 × 100

锌肥回收率 (‰) = (各喷施处理籽粒锌的携出量 – 对照处理籽粒锌的携出量)/锌肥施用量 × 1000

1.4 统计分析

试验数据均用Microsoft Excel 2007和DPS (Data Processing System) 7.05统计软件进行作图、方差分析，用LSD法进行多重比较。

2 结果分析

2.1 小麦植株锌含量

喷施处理对各年份小麦籽粒锌含量影响均显著(表1)，其中Zn处理小麦籽粒锌含量较CK (对照) 处理显著增加107%。Zn + N处理对小麦籽粒锌含量的影响与Zn处理类似，但Zn + K处理籽粒锌含量较Zn处理显著提高，2012—2013年和2013—2014年小麦生长季提高幅度分别为13.6%和12.5%。Zn + P +K处理四个小麦生长季籽粒锌含量较Zn处理均显著降低，平均降低幅度为14.6%。施氮量对2010—2011年和2013—2014年小麦籽粒锌含量影响显著，主要表现为N2和N3处理小麦籽粒锌含量较N1处理显著提高10.2%，但N2与N3处理间差异不显著。

表 1 土施氮肥和喷施处理对冬小麦植株锌含量 (mg/kg) 的影响Table 1 Zn concentration of winter wheat affected by soil N application and foliar fertilization treatments

Zn、Zn + N、Zn + P + K及Zn + K处理小麦叶片、颖壳和茎秆锌含量较CK处理分别增加了2.4～7.7倍、2.0～4.7倍和0.2～1.0倍 (表1)。与Zn处理相比，Zn + N处理2010—2011年叶片锌含量以及2010～2011年和2012—2013年颖壳锌含量均显著提高，Zn + K处理各年份叶片和颖壳锌含量均显著提高，而Zn + P + K处理叶片、颖壳和茎秆锌含量在各年份均显著降低。与N1相比，N2和N3处理均显著增加叶片和茎秆锌含量，同时施氮量从N2处理增加到N3处理进一步提高了2010—2011年叶片锌含量，以及2011—2012年和2013—2014年茎秆锌含量。

2.2 锌分配

在小麦各器官中，籽粒锌携出量占地上部总锌携出量的百分比 (分配比) 最大，平均分配比为58%(图1)。与CK相比，Zn、Zn + N、Zn + P + K和Zn +K处理籽粒和茎秆锌分配比降低，但叶片和颖壳锌分配比增加，且叶片锌分配比增加幅度大于颖壳。施氮处理 (N2和N3) 除提高了2010—2011年叶片中以及2011—2012年茎秆中锌的分配比外，在其他处理条件下对锌的分配比无影响。

图 1 土施氮肥和喷施处理对锌在冬小麦植株中分配的影响Fig. 1 Relative Zn distribution in winter wheat as affected by soil N and foliar treatments

2.3 花前和花后锌分配比例及其对籽粒锌累积的表观贡献率

如表2所示，对照 (CK) 条件下，花前吸收锌对成熟期总锌的贡献率、花前锌累积向籽粒的转运量和转运率，及其对籽粒锌累积的表观贡献率均高于花后，但在Zn、Zn + N、Zn + P + K和Zn + K处理条件下，花后吸收锌对成熟期总锌的贡献率、花后锌累积向籽粒的转运量和转运率，及其对籽粒锌累积的表观贡献率均高于花前。与CK处理相比，Zn、Zn + N、Zn + P + K和Zn + K处理两个小麦生长季的花后锌吸收量、花后锌吸收量向籽粒的转移量及其对籽粒锌累积的贡献率均显著增加，且Zn +P + K处理花后吸收锌向籽粒的转移量较Zn处理两季平均降低18 g/hm2，而Zn + N和Zn + K处理较Zn处理两季平均分别增加14 g/hm2和32 g/hm2。

与N1相比，N2和N3处理花前累积锌向籽粒转运量和再转运率，以及花前累积锌对成熟期总锌和籽粒锌累积的贡献率均提高 (表2)，说明提高小麦供氮水平能够促进花前累积锌的再转移。此外，N2和N3处理花后锌吸收量及花后吸收锌向籽粒的转移量均高于N1处理，但N2和N3处理花后吸收锌对成熟期全锌及籽粒锌累积的贡献率均低于N1处理。

2.4 锌转运率

由表3可知，Zn、Zn + N、Zn + P + K和Zn +K处理锌转移率均显著低于CK处理，且与Zn处理相比，Zn + N、Zn + P + K和Zn + K处理对锌转移率无显著影响。此外，与N1相比，N2和N3处理对2013—2014年锌转运率无显著影响，但在2012—2013年锌转运率显著降低。

表 2 冬小麦花前和花后锌吸收量及其成熟期总吸锌量和籽粒锌累积量的表观贡献率Table 2 Zn uptakes before and post anthesis stages of winter wheat and their apparent contribution to total Zn uptake at maturing stage and the grain Zn accumulation

表 3 锌在冬小麦体内的转运率及锌肥回收率Table 3 Zn translocation and recovery rates in winter wheat affected by soil N and foliar fertilization treatments

2.5 锌肥回收率

如表3所示，锌肥的回收率在15‰～60‰，且年际间差异较大，可能与年际间产量差异有关。与不施氮处理 (N1) 相比，施氮处理 (N2和N3) 除2012—2013年外，其他各年份锌肥回收率均有所增加，且施氮量从N2增加至N3除2011—2012年锌肥回收率有所降低外，其他年份无显著差异。不同喷施处理中，Zn + K处理锌肥回收率最高，Zn +N处理锌肥回收率与Zn处理相同，而Zn + P + K处理锌肥回收率显著低于其他各喷施处理。

2.6 小麦植株中锌与磷含量的相关性

如表4所示，籽粒锌含量与叶片、茎秆和颖壳锌含量均存在极显著的正相关关系。在籽粒中，锌含量和磷含量无显著相关关系，但在叶片中，锌含量与磷含量存在显著的负相关关系。同时，叶片锌含量与小麦茎秆、颖壳和籽粒磷含量亦存在显著的负相关关系。

如图2所示，籽粒锌含量与花后吸收的锌向籽粒的转移量存在显著的正相关关系，2012—2013和2013—2014年决定系数 (R2) 分别为0.9758和0.8719，均在P≤ 0.001水平下显著。

3 讨论

3.1 单独喷施锌肥的籽粒富锌机制

锌在小麦韧皮部具有较强的移动性[26]，营养器官中储存或吸收的锌能够通过韧皮部再转移至籽粒中[27]，因此小麦生长后期通过叶面喷施锌肥的方式提高营养器官中锌的含量，是有效实现小麦籽粒富锌的重要措施[11,14]。本研究中，叶面喷施锌肥后，小麦籽粒及各营养器官 (叶片、颖壳和茎秆) 的锌含量均较对照显著提高，且籽粒锌含量与各营养器官锌含量均呈显著正相关关系 (表4)，进一步说明籽粒锌含量的增加与营养器官锌营养水平的高低密切相关。此外，籽粒累积的Zn一部分由开花前叶片等器官累积的锌通过韧皮部再转运而来，另一部分由开花后根吸收并直接分配而来[7]。Kutman等[28]通过水培试验得出，当小麦灌浆期根系锌供应充足时，籽粒中的锌100%来源于花后根系对锌的吸收，而花前营养器官累积锌的再转移对籽粒锌没有任何贡献。本研究也得出，花后通过喷施锌肥向小麦地上部供应足量的锌后，籽粒中累积的锌主要来源于花后营养器官吸收的锌，而花前累积锌对籽粒锌累积量的贡献极少，同时籽粒锌含量与花后吸收的锌向籽粒的转移量呈极显著的相关性 (图2)。由此可见，喷施锌肥后营养器官锌累积的增加，以及营养器官中累积的锌向籽粒转移量的增加，是喷施锌肥实现籽粒富锌的主要原因。

表 4 小麦植株中锌与磷含量的相关关系Table 4 Correlation between Zn and P concentrations in winter wheat

图 2 小麦籽粒锌含量与花后吸收锌向籽粒的转移量的相关关系Fig. 2 Correlation between grain Zn concentration and Zn remobilization to grain of winter wheat

3.2 锌与氮磷钾肥配合喷施的籽粒富锌效果

Cakmak[6]提出，为满足以小麦为主食人群的锌营养健康需求，小麦籽粒锌含量应达到40～60 mg/kg。本研究中，锌肥与氮肥、磷肥或钾肥配合喷施后籽粒平均锌含量分别增加至53.2、45.3和59.2 mg/kg，均已达到能够改善人体锌营养状况的籽粒富锌标准。同时，在中国等发展中国家，政府通过提供经济补贴的方式，鼓励农民在小麦灌浆期喷施大量元素肥料来防止干热风，提高籽粒产量及品质(www.moa.gov.cn/govpublic/CWS/201304/t20130419_3 438334.htm)，因此将锌肥与氮、磷或钾肥配合喷施均可作为实现小麦籽粒富锌，缓解人体锌缺乏问题。但值得注意的是，与单独喷施锌肥相比，氮锌或钾锌配合喷施可能表现出相同或更好的籽粒富锌效果，而磷锌配合喷施的籽粒富锌效果略低于单独喷施锌肥，因此需根据小麦实际种植条件选择最优的配施方法。

3.3 锌与氮钾肥配合喷施对籽粒富锌效果的影响机制

氮肥或钾肥与锌肥配合喷施小麦叶片锌含量均较单独喷施锌肥提高，说明氮、钾促进了叶片对锌的吸收，进而提高了籽粒锌的累积。研究表明，提高作物钾供应量能够促进叶片气孔的运动[29]，而锌被叶片表皮吸收主要通过气孔或微细孔道[30]，因此喷钾可能通过提高叶片气孔对锌的吸收能力，进而增加叶片锌浓度。此外，喷施的氮肥 (尿素) 不但其自身在叶片表皮具有较强的穿透性 (比无机离子高出10～20倍)[31]，同时能够促进其它养分离子 (如锌铁)在叶片表皮的穿透能力[32]，因此氮锌配合喷施能够提高叶片对锌的吸收。

氮肥或钾肥与锌肥配合喷施使花后吸收的锌向籽粒的转移量增加，说明氮钾与锌肥配合进一步提高籽粒锌累积的原因可能是由于其促进了喷施的锌在韧皮部的移动性。研究表明，锌在韧皮部主要与尼克酰胺 (NA)、麦根酸 (DMA)、多肽等小分子含氮化合物结合态运输，且其在韧皮部的装载和卸载能力受黄色条带家族蛋白 (YSL) 的介导[33–34]，因此锌从韧皮部进入籽粒的过程受氮营养水平的影响[7]。Erenoglu等[17]通过65Zn标记发现提高氮营养水平能够促进锌在小麦体内的转移以及再转移，其原因可能是由于增加了韧皮部中与锌转移相关的含氮化合物含量，如氨基酸、NA等。籽粒中蛋白质被认为是重要的锌“库”，该“库”不但影响籽粒锌累积，同时能够驱动锌从营养器官通过韧皮部向籽粒的转移，因而该“库”的大小也是影响籽粒锌含量的重要因素之一[11,17]。此外，据Mohammad等[35]报道，施钾能够通过促进氨基酸的合成提高作物对氮素的同化吸收。Mengel等[36]研究也表明，施钾能够促进韧皮部中氨基酸的转移速率，进而提高蛋白质的合成。因此，本研究中氮肥和钾肥与锌肥配合喷施显著增加花后吸收锌向籽粒的转移量的原因可能有三方面：第一，通过影响叶片特性 (叶片表皮透性等)及气孔运动增强叶片对锌的吸收，提高营养器官中锌的累积量；第二，通过促进小麦体内含氮化合物NA、DMA、氨基酸和多肽等的合成或转移，增强锌在韧皮部的移动性；第三，通过提高籽粒中锌的“库”强，即蛋白质含量，提高籽粒对锌的储存能力，同时增强/诱导锌向籽粒的转移。然而，氮锌配合喷施对籽粒锌含量的增加幅度低于钾锌配合喷施，可能由于喷施氮对叶片锌吸收的促进作用不及喷施钾，且喷施氮后籽粒产量的增加对锌含量可能产生了稀释效应。

3.4 锌与磷配合喷施对籽粒富锌效果的影响机制

本研究中所用的磷肥为磷酸二氢钾，由于钾锌配合喷施在籽粒富锌方面存在协同效应，因此笔者认为锌与磷钾配合喷施对籽粒富锌效果的降低作用，可视为磷锌配合喷施的拮抗作用。由本研究结果可知，磷锌配合喷施叶片锌含量较单独喷施锌肥降低，说明磷通过降低叶片对锌的吸收，进而降低籽粒锌累积。其原因可能是由于磷锌在溶液或叶片表面形成沉淀[37]，因此有必要探索减少磷锌沉淀的方法，如通过调整其配比或使用软化剂[38]。此外，磷锌配合喷施使花后营养器官吸收的锌向籽粒的转移量减少，说明喷施磷抑制了锌从韧皮部向籽粒的转移，进而使籽粒锌含量较单独喷施锌肥显著降低。相反，Zhang等[20]在石灰性土壤上进行的田间试验发现，土施高量磷肥对喷施锌肥的籽粒富锌效果影响较小，即对锌在小麦营养器官中的移动性影响较小。由以上结果可推测，磷锌在小麦营养器官中是否产生拮抗作用与其施用方式有关，其中土施磷肥与喷施锌肥配合在小麦地上部无拮抗作用产生，而磷锌配合喷施能够产生明显的拮抗作用，使锌从营养器官向籽粒的转移量减少。有研究发现，叶片等营养器官中磷锌拮抗作用可表现为锌的生理活性随磷含量的增加而降低[39]。同时，Cakmak等[40]认为微溶的Zn-磷酸盐沉淀是棉花叶片中锌生理活性随供磷水平增加而下降的主要原因。本研究也发现，磷和锌的含量在小麦叶片中有显著的负相关关系 (表4)，说明在喷施条件下，磷锌在小麦叶片中产生了明显的拮抗作用，可能由于锌的生理活性下降，减少了锌从韧皮部向籽粒的转移。在植物体中，可溶性锌是生理活性最高的锌存在形式[41]，其含量的多寡与植物缺锌症状的严重程度密切相关[42]，同时可溶性锌含量可用于评价植物体中锌营养水平的高低，即锌生理活性的变化[43]。因此，进一步研究可通过测定小麦各营养器官中可溶性锌含量，明确喷施磷肥对小麦体内锌生理活性的影响，进而揭示喷施条件下磷锌拮抗的生理机制。

4 结论

叶面喷施锌肥显著提高小麦籽粒及各营养器官(叶片、颖壳和茎秆) 锌含量，同时锌在叶片和颖壳中的分配比显著提高。土施氮肥亦可显著增加各营养器官锌含量，以及锌在营养器官的累积和再转移，但增幅明显低于各喷锌处理。与单独喷施锌肥相比，氮锌或钾锌配合喷施显著提高了小麦叶片对锌的吸收，以及花后营养器官吸收的锌向籽粒的转移量，而磷锌配合喷施减少了叶片对锌的吸收以及花后营养器官吸收的锌向籽粒的转移量。此外，氮、磷或钾肥与锌肥配合喷施后未进一步影响锌在小麦各部位的分配，但喷施锌肥的回收率在锌肥与氮肥或钾肥配合喷施时显著提高，在锌与磷肥配合喷施时显著降低。可见，氮钾与锌肥配合喷施对籽粒锌含量的增加作用，以及磷锌配合喷施对籽粒锌含量的降低作用主要通过影响营养器官对锌的吸收及转移来实现的。

参 考 文 献：

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