氮供应量对小麦农艺性状及锌、铁利用影响的研究初报

赵德勇

(滨州学院生物与环境工程学院,山东 滨州 256600)

氮是影响作物产量的重要因子[1]，作物高产依赖大量氮肥的投入，然而农作物氮素利用效率较低[2]；我国典型农业区氮肥使用量为500～600 kg/hm2[3]，是美国、欧盟等发达经济体的两倍以上；过量的氮肥使用及过低的氮素利用效率会导致一系列环境问题。小麦是世界三大粮食作物之一，约占全世界谷物消费总量的30%。在减氮栽培模式下保持较高的小麦产量和营养品质对于实现资源节约型、环境友好型农业生产模式具有重要意义。减少氮使用量同时保持小麦稳定的产量和营养品质是重要的研究方向。前人研究表明，在不同氮肥水平下(0、50、100、200、350 kg/hm2)，氮利用效率在不同参试小麦品种间都存在显著差异[4]。利用基因型间的差异挖掘优异种质资源并培育低氮高效小麦品种，从而保持稳定的产量和营养品质是一条可行途径。

锌、铁是人体必需的微量元素。锌是生物体300多种酶和重要蛋白质的结构辅助因子[5]；铁是血红蛋白的重要组分，缺铁会导致贫血症[6]。世界范围内受到锌、铁等微量元素缺乏困扰的人口约30亿[7-8]。籽粒锌、铁含量是小麦营养品质的重要指标。田间试验表明增施氮肥能提高小麦地上部锌、铁积累[9-11]。研究减氮栽培模式下小麦锌、铁吸收、运输及利用机制有助于定向改良并培育富含锌、铁的小麦品种，将为改善锌、铁缺乏症状提供可能。目前，在减氮栽培模式下，不同基因型间籽粒锌、铁等微量元素含量差异尚未充分探索。

本研究选用两个中国品种(济麦22和石4185)和两个国外品种(Hatcher和Intrade)研究减氮模式下农艺性状、矿质元素利用的变化规律，旨在为小麦栽培和育种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用4个小麦材料，其中济麦22和石4185为我国华北地区的两个主栽品种，Hatcher和Intrade为美国品种。

1.2 温室砂培试验

温室实验于2016年10月至2017年6月在滨州学院(N37°23′，E117°59′)完成。首先向塑料盒(57 cm×40 cm×25 cm)中填充砂土基质50 L，然后用相应的营养液40 L将每盆砂土基质浇透。设置4个氮素水平处理(N 100%、65%、30%、5%)，由营养液中的Ca(NO3)2供应硝态氮，每个处理对应的Ca(NO3)2浓度分别为1、0.65、0.3、0.05 mmol/L，每盆对应折合纯氮为1.12、0.73、0.34、0.06 g；100% N处理营养液中CaCl2浓度为1.5 mmol/L，其它处理减少的Ca2+含量通过增加适量CaCl2调节，分别为1.85、2.2、2.45 mmol/L，从而确保处理间Ca2+含量一致。其余营养组分浓度在4个处理间保持一致，分别为1.5 mmol/L KCl、0.5 mmol/L MgSO4·7H2O、0.2 mmol/L KH2PO4、0.1 mmol/L FeNa-EDTA、1.0 μmol/L ZnSO4·7H2O、1.0 μmol/L H3BO3、1.0 μmol/L MnSO4·H2O、0.5 μmol/L CuSO4·5H2O、0.05 μmol/L (NH4)6Mo7O24·4H2O。

将种子萌发后移栽至盛有砂土基质的塑料盒中，每盆种植4行(行距15 cm)，每行种植8株(株距5 cm)，共32株。随后将塑料盒放置于4℃春化(每天光照处理16 h，黑暗处理8 h)30 d，然后将塑料盒转移至温室培养，等幼苗生长至拔节期、抽穗期时，每个试验处理再次浇灌营养液20 L，每盆折合供应纯氮为0.56、0.36、0.17、0.03 g。平时根据砂土墒情浇灌适量自来水。试验设置3次重复。在生育期内参照Zadoks等的标准[12]记录发育进程，成熟后每个品种选取10株进行农艺性状考查。将样品收获后磨成粉末,以备样品消解和元素测定分析。

1.3 元素测定分析

称取0.5 g样品置于消解管中，加入13 mL硝酸、2 mL双氧水，然后将消解管置于微波消解炉中，150℃消解80 min。消解完成后利用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)进行元素含量测定。

1.4 数据统计分析

用统计软件SPSS 16.0进行方差分析(ANOVA)和多重比较(LSD法)。

2 结果与分析

2.1 供氮水平对农艺性状的影响

选取拔节初期(Zadoks GS31)、孕穗期(Zadoks GS45)、抽穗期(Zadoks GS55)和成熟期(Zadoks GS87)4个时间点对每个品种分别取样调查。在每个取样时间点降低氮供应量都导致小麦地上生物量显著下降(图1，表1)。在100%N和65%N水平下，品种Hatcher成熟期单株生物量最大；在30%N和5%N水平下，石4185成熟期单株生物量最大。随着氮素供应量减少，4个小麦品种的小穗数明显减少，不结实小穗数增加(表1)。图2为济麦22在4个氮素供应水平下的抽穗后期(Zadoks GS59)穗部和茎秆表型。减氮处理条件，尤其在30%N和5%N条件下，无论多分蘖类型还是少分蘖类型小麦地上生物量、有效穗数、籽粒产量都明显下降。表明在氮极度亏缺条件下，小麦产量下降不可避免。

图1 不同时期不同氮供应水平下4个品种小麦生物量

品种氮用量单株有效穗数单株地上干重(g)单株籽粒重(g)主穗小穗数不结实小穗数单株穗粒数济麦22100%N1.5 a3.06 a1.16 a14.0 a0.0 d42 a65%N1.2 b1.75 b0.72 b11.0 b0.5 c33 b30%N1.1 bc1.55 c0.58 c9.0 c1.0 b27 c5%N1.0 c1.35 d0.32 d8.0 d2.0 a24 c石4185100%N1.7 a3.36 a1.49 a16.0 a0.0 d48 a65%N1.4 b2.60 b1.24 b14.0 b0.4 c42 b30%N1.2 c2.00 c0.80 c14.0 b2.0 b40 b5%N1.1 d1.53 d0.73 c14.0 b3.0 a35 cHatcher100%N3.1 a4.80 a1.77 a14.0 a0.0 d43 a65%N1.6 b3.70 b1.54 b13.0 b1.0 c39 b30%N1.0 c1.77 c0.75 c12.0 c2.0 b35 c5%N1.0 c1.50 d0.55 d11.0 d3.0 a34 cIntrade100%N2.7 a3.06 a0.63 a12.0 a0.0 c36 a65%N1.2 b1.73 b0.59 a11.0 b1.0 b33 b30%N1.0 c1.10 c0.27 b11.0 b2.0 a30 c5%N1.0 c0.72 d0.19 c9.0 c2.0 a26 d

注：不同小写字母代表在0.05水平差异显著。下同。

图2 不同氮供应水平下济麦22穗部

2.2 供氮水平对锌、铁利用的影响

总体而言，4个品种拔节期地上锌含量随着氮供应量降低而减少(图3)。石4185在65%和30%氮供应水平下孕穗期锌含量高于拔节期100%供氮水平，这可能是由于该品种在65%和30%供氮水平孕穗期仍能维持较高生物量，导致锌需求量增加造成的；然而到抽穗期时，在65%和30%两个供氮水平下锌含量相对于孕穗期明显下降。这表明供氮水平显著影响地上部锌的最终积累。

图3 不同氮供应水平下4个品种小麦地上部锌含量

100%氮供应水平下，Hatcher和Intrade在拔节期地上部铁含量比济麦22和石4185高近1倍(图4)。抽穗期时，在100%、65%和30%氮供应水平下Hatcher地上部铁含量仍高于济麦22和石4185。不同氮供应量对成熟期籽粒锌、铁含量有显著影响,表2为4个品种在不同氮供应水平下最终籽粒锌、铁含量。总体而言，氮供应量越充足，最终籽粒锌、铁含量越高。两个美国品种籽粒铁含量显著高于中国品种。

图4 不同氮供应水平下4个品种小麦地上部铁含量

品种氮用量籽粒锌含量(mg/kg)籽粒铁含量(mg/kg)济麦22100%N11.2 a64.6 a65%N7.6 c59.8 b30%N9.3 b53.6 c5%N7.8 c50.1 d石4185100%N14.5 a59.8 a65%N9.6 b57.1 b30%N10.2 b58.5 a5%N6.9 c50.2 cHatcher100%N11.6 a86.7 a65%N7.7 b79.5 b30%N6.5 c72.4 c5%N7.3 b59.5 dIntrade100%N12.3 a85.9 a65%N8.9 b80.3 b30%N7.5 c69.2 c5%N6.6 d60.4 d

3 小结与讨论

氮供应显著影响小麦分蘖和地上部形态建成[13]，不同分蘖类型小麦分蘖形成和地上部形态建成对低氮处理的响应规律是否一致，尚未充分探索。本研究中两个中国品种和两个美国品种田间分蘖数存在较大差异，济麦22和石4185为分蘖力中等品种，田间分蘖数可达3～8个；Hatcher和Intrade分蘖数较多，田间分蘖数可高达40个。然而在温室环境中4个品种分蘖数相对于田间表现都大幅减少，这可能是由于幼苗春化后尚处于两叶期(Zadoks GS12)，随即转入温度较高的环境，使幼苗快速进入拔节期而导致分蘖不充分。由于温室环境和大田环境存在较大差异，在温室环境筛选出的优良种质还需进一步通过田间试验检验。

由于田间土壤中养分含量尤其是微量元素含量存在空间异质性，为消除田间养分空间异质性对籽粒矿质养分含量的影响，本研究选择在温室环境中进行养分控制试验。同一品种在不同取样时期微量元素含量存在较大差异，例如本研究中石4185在65%N和30%N水平孕穗期锌含量高于拔节期100%N。这提示在今后筛选微量元素富集能力较高的种质资源时不能仅凭某个生育时期的微量元素含量，而要综合全生育期农艺表现和元素利用特性。

籽粒微量元素含量与栽培土壤中微量元素含量关系极其密切，文献中不同研究报道的微量元素含量差异较大，例如李峰等[11]报道小麦籽粒铁含量范围为75.4～107.2 mg/kg，樊庆琦等[14]报道了426个山东小麦地方品种铁含量范围为5.2～44.1 mg/kg。本研究中小麦籽粒铁含量变化范围为50.1～86.7 mg/kg，并且总体上随着氮供应量下降而降低。两个美国品种籽粒铁含量明显高于中国品种，提示今后育种工作需要注重利用国外优良种质资源。

不同品种间锌、铁含量存在显著差异，并且同一品种在不同氮供应水平下锌、铁含量也存在较大差异。在减氮栽培条件下大规模筛选高锌、铁含量的小麦种质资源并用于育种是今后亟待开展的一项工作。