旱地高产小麦品种籽粒锌含量差异与氮磷钾吸收利用的关系

李莎莎，王朝辉,2*，刁超朋，王 森，刘 璐，黄 宁（ 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 7200；2 西北农林科技大学/旱区作物逆境生物学国家重点实验室，陕西杨凌 7200）

锌是人和动植物必需的微量元素[1]。世界上约有1/3的人口面临缺锌引起的健康问题，缺锌已成为影响人体健康的第五大因素[2]，经济不发达的国家尤其严重[3-4]。人体缺锌主要是因为锌摄入量不足[5-6]。小麦是我国三大粮食作物之一，在人体锌供给中所占比例超过20%，农村地区这一占比更高[7-8]。由于现阶段中国居民的膳食结构不尽合理，锌营养元素含量不足所导致的营养不良状况还比较普遍[9]。调研结果表明，我国北方小麦籽粒锌含量为19.9～43.9 mg/kg，98%的小麦品种籽粒锌含量低于40 mg/kg[10]，与推荐含量40～60 mg/kg尚有较大差距[11]，不能满足以小麦为主食人群的锌营养需求[12]。

我国北方地区居民主要以面食为主，提高小麦产量和营养元素含量对日益增长的粮食需求及改善人们的营养状况至关重要[13]。氮磷钾是植物必需的大量元素，其吸收积累和分配影响小麦的生长发育及产量和品质形成，也与人类饮食健康密切相关[14-15]。目前，小麦锌与氮磷钾营养方面的研究大部分集中于氮磷肥与锌肥配施，或氮磷肥用量对作物锌的影响。田间试验表明，对于供试小麦品种‘扬麦16号’，氮锌配施可以显著增加其籽粒锌、氮含量及累积量[16]。2个小麦品种的营养液培养试验表明，锌和磷之间相互作用的大小程度和方式存在差异，磷素水平在小麦磷锌营养平衡中起着决定性的作用[17]。氮肥用量的水培试验研究表明，增施氮肥可促进根系对锌的吸收、锌由根部向地上部的转移及营养组织的锌向籽粒转移[18]。长期施用磷肥的定位试验表明，籽粒锌含量与磷含量呈极显著负相关[19]。关于不同小麦品种锌与氮磷钾营养关系的报道较少，已有研究仅是籽粒养分含量或地点间差异的比较。对北方冬麦区265个小麦品种研究表明，晋麦26同时具有高的籽粒锌、磷和钾含量，河农326具有高的籽粒锌、磷含量[20]。欧洲2个地点的研究表明，4个小麦品种种植在Donji Miholjac (奥西耶克) 时，籽粒氮磷钾和锌含量均高于种植在Kutjevo (库特耶沃)[21]。关于旱地条件下高产小麦品种籽粒锌含量差异与氮磷钾吸收转移利用的关系，尤其与钾的关系，还少有研究报道。

因此，本文通过黄土高原典型旱地连续三年的田间定位试验，以123个小麦品种为供试材料，在不施肥和施肥条件下，研究了旱地高产小麦品种籽粒锌含量差异及其与氮磷钾吸收转移利用的关系，以期为科学施用氮磷钾及锌肥、优化养分管理、改善小麦籽粒营养品质提供理论和技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

3年定位试验于2013—2016年在陕西省永寿县御驾宫村 (东经 108°10′、北纬 34°43′) 进行。试验地海拔972 m，年均气温10.5℃左右，无霜期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别为583.3和266.6、541.9和313.6、414.2和185.8 mm，属典型的半湿润易旱区。小麦种植主要依赖天然降水。该区域土壤类型为土垫旱耕人为土，试验开始前土壤 (0—20 cm) 基本理化性质：pH 8.40，有机质含量12.2 g/kg，全氮含量0.820 g/kg，硝态氮含量23.7 mg/kg，铵态氮含量4.50 mg/kg，有效磷含量14.1 mg/kg，速效钾含量116 mg/kg，有效锌含量 (DTPA-Zn) 0.360 mg/kg。

1.2 试验材料和设计

试验采用裂区设计，主处理为不施肥 (CK) 和施肥 (NP)，副处理为来自我国主要麦区的123个品种，主处理4次重复。施肥处理中，氮肥用量为N 150 kg/hm2(尿素，含N 46%)、磷肥用量为P2O5100 kg/hm2(过磷酸钙，含P2O516%)，因土壤不缺钾，故没有施用钾肥。所有肥料均在播种前撒施并旋耕使与0—20 cm耕层土壤混匀。主区长20 m、宽12.5 m，面积为250 m2；副区长2 m、宽0.8 m，面积为1.6 m2。采用常规平作，人工点播，每个品种种植4行，每行均匀点播72粒，行距20 cm，株距2.5 cm。试验于2013年9月28日、2014年10月3日和2015年9月26日播种，在次年6月18～20日收获。整个生育期无灌溉，小麦收获后进行夏季休闲，田间管理与当地农户一致。

1.3 样品采集及测定

成熟期在每个品种中间2行随机抽取30穗小麦，连根拔起后用不锈钢剪刀从根茎结合处剪断弃去根系。植株分为茎叶和穗，作为分析样品分别装入标记好的网袋。样品自然风干，称茎叶和穗的风干重。穗手工脱粒，分为籽粒和颖壳 (含穗轴)，称量籽粒风干重，并由差减法求得颖壳的风干重。分别取风干的茎叶30克、颖壳30克、籽粒50克，用自来水和去离子水各快速清洗3次，于90℃预烘30 min，65～75℃烘干至恒重，计算风干样品含水量。烘干样用碳化钨球磨仪 (Retsch MM400，德国，氧化锆罐) 粉碎，密封保存，备用。每个品种中间2行剩余的植株，全部收割，自然风干、脱粒，称籽粒风干重，然后加上随机抽样30穗小麦籽粒的风干重，用于计算该品种的产量。产量以干重表示。

粉碎的植物样品，称取籽粒样品0.2000 g (2次重复)，茎叶、颖壳各0.2500 g，用HNO3-H2O2微波消解仪 (Anton-Paar，奥地利) 消解，用电感耦合等离子体质谱仪 (Thermo Fisher ICAP Q，美国) 测定消解液中的锌含量；称取籽粒样品0.2000 g (2次重复)，茎叶、颖壳各0.2500 g，用H2SO4(95%) -H2O2(优级纯) 消解后，全自动连续流动分析仪 (AA3，SEAL Analytical，Germany) 测定消解液中的氮磷含量，火焰光度计测定消解液中的钾含量。消解过程中每批次加标准物质 (GBW10011-小麦) 进行校准，小麦不同器官的养分含量均以烘干重为基数表示。

1.4 数据处理及分析

为了分析旱地条件下小麦品种籽粒锌含量的差异与氮磷钾吸收利用的关系，首先将各个试验年份施肥条件下，籽粒产量高于当年所有品种产量平均值的品种定义为高产品种，再将每个试验年份的高产品种进一步按籽粒锌含量从高到低排序，排在前十位的定义为高锌品种，后十位的定义为低锌品种，然后分析这两组品种在不同施肥条件下的相关特性。相关参数计算如下：

式中：产量和生物量的单位为kg/hm2；养分含量的单位为g/kg；养分吸收量的单位为kg/hm2。

试验数据采用Microsoft Excel 2016进行初步计算和作图，用SPSS Statistics 22软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同锌含量分组小麦品种的籽粒锌含量差异

对高产高锌和高产低锌两组小麦品种的籽粒锌含量分析表明 (图1)，施肥时，2014、2015和2016年高锌品种籽粒锌含量分别为24.3、18.7和17.1 mg/kg，低锌品种分别为14.7、11.5和13.0 mg/kg，其中高锌品种各年份籽粒锌含量均显著高于低锌品种，三年平均高54%。不施肥时，高锌品种籽粒锌含量分别为19.2、18.5和18.5 mg/kg，低锌品种分别为17.0、16.0和16.9 mg/kg，其中高锌品种籽粒锌含量三年平均比低锌品种高12%，其中2014年和2016年差异显著。高、低锌品种籽粒锌含量对施肥的响应不尽一致。与不施肥相比，施肥时高锌品种籽粒锌含量在2014年显著提高，达27%，三年平均提高7%；而低锌品种籽粒锌含量在施肥时各年份均显著降低，三年平均降低22%。说明不论施肥与否，高锌品种籽粒锌含量均显著高于低锌品种，且高锌品种籽粒锌含量可因施肥显著提高，低锌品种却降低。

图1 2014—2016年高产小麦品种高锌组和低锌组籽粒锌含量Fig. 1 Grain Zn concentration in the high and low Zn groups of high yielding wheat cultivars from 2014 to 2016

2.2 籽粒锌含量与氮磷钾含量

对籽粒氮磷钾含量(表1)的分析表明 ，高锌品种各年份籽粒氮含量均显著高于低锌品种，施肥后，三年平均高9%，不施肥平均高8%，其中在2016年差异显著。籽粒磷含量高锌品种施肥处理比低锌品种三年平均高7%，不施肥处理平均高3%，其中在2014年差异显著。籽粒钾含量，除2014年不施肥处理组间差异显著外，其余年份不论施肥与否，两组品种均无显著差异。与不施肥相比，施肥处理高、低锌品种各年份籽粒氮含量均显著提高，三年平均分别提高30%和29%；高锌品种籽粒磷含量三年平均降低6%，在2016年差异显著，低锌品种三年平均降低9%，在2015和2016年差异显著；籽粒钾含量除2014年外，其它两年高、低锌品种均显著降低，三年平均分别降低9%、7%。

秸秆氮磷钾含量的分析表明，施肥时，高锌品种秸秆氮、钾含量三年平均分别比低锌品种高11%、17%，且均在2014年差异显著；而两组品种间秸秆磷含量无显著差异。不施肥时，两组品种各年份及三年平均的秸秆氮磷钾含量均无显著差异。与不施肥相比，施肥时两组品种在各年份秸秆氮磷钾含量均有不同程度的提高，高锌品种三年平均分别提高79%、38%和25%，低锌品种分别提高62%、38%和21%。

说明旱地条件下，不论施肥与否，高锌品种籽粒氮、磷含量高于低锌品种，钾含量无显著差异；施肥时秸秆氮、钾含量高于低锌品种，磷含量无显著差异，不施肥时氮磷钾含量均无显著差异。施肥可使两组品种的籽粒氮含量提高，磷、钾含量降低，秸秆氮磷钾含量均提高，且籽粒氮磷钾对施肥的响应一致，而高锌组秸秆氮含量提高的幅度更大。

2.3 籽粒锌含量与氮磷钾吸收

对籽粒氮磷钾吸收量的分析表明 (表2)，施肥处理高锌品种籽粒氮吸收量比低锌品种三年平均高8%，其中在2015年差异显著；磷吸收量平均高4%，其中在2015年差异显著；钾吸收量无显著差异。不施肥处理高、低锌组各年份及三年平均的籽粒氮磷钾吸收量均无显著差异。与不施肥相比，施肥时两组品种各年份的籽粒氮磷钾吸收量均显著提高，高锌品种三年平均分别提高104%、59%和51%，低锌品种分别提高85%、47%和46%。

地上部氮磷钾吸收量的变化与籽粒相一致。施肥时，高锌品种地上部氮吸收量比低锌品种三年平均高8%，其中在2015年差异显著；地上部磷吸收量比低锌品种三年平均高5%，且在各年份均有不同程度的提高；地上部钾吸收量除2014年差异显著外，其它两年及三年平均两组间均无显著差异。不施肥时，两组品种各年份及三年平均的地上部氮磷钾吸收量均无显著差异。与不施肥相比，施肥时两组品种各年份的地上部氮磷钾吸收量均显著提高，高锌品种三年平均分别提高113%、64%和67%，低锌品种分别提高93%、53%和63%。

表1 2014—2016年高锌低锌组小麦品种籽粒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、低锌组中小麦品种氮磷钾吸收量 (kg/hm2)Table 2 NPK uptake of wheat cultivars in high and low Zn groups from 2014 to 2016

说明在旱地条件下，土壤养分供应充足时，高锌品种具有更高的籽粒和地上部氮、磷吸收能力，钾吸收能力与低锌品种相比无显著差异。施肥可使两组品种的籽粒和地上部氮磷钾吸收量均显著提高，且高锌品种提高的幅度更大。

2.4 籽粒锌含量与氮磷钾转移

氮磷钾收获指数的分析表明 (表3)，氮、磷收获指数与钾收获指数的变化不一致。无论施肥与否，两组品种氮、磷收获指数在各年份及三年平均均无显著差异。而施肥时，高锌品种钾收获指数三年平均比低锌品种低7%，其中2014年差异显著；不施肥时，除2014年差异显著外，其它两年及三年平均两组品种间无显著差异。与不施肥相比，施肥时两组品种的氮磷钾收获指数三年间均有不同程度的降低，且高、低锌品种三年平均的降幅相同，均降低2%、2%和10%。说明在旱地条件下，土壤养分供应充足时，高低锌品种向籽粒转移氮、磷的能力无显著差异，而高锌品种向籽粒转移钾的能力较低。施肥时，两组品种向籽粒转移氮磷钾的能力均降低。

表3 2014—2016年高、低锌组中小麦品种氮磷钾收获指数Table 3 NPK harvest indices of wheat cultivars in high and low Zn groups from 2014 to 2016

3 讨论

3.1 高产小麦品种籽粒锌含量差异与氮磷钾含量的关系

本研究结果表明，在旱地条件下，土壤养分供应充足时，高锌小麦品种的籽粒氮、磷含量显著高于低锌品种，籽粒钾含量无显著差异。波兰32个小麦品种的研究发现，籽粒锌含量高的一粒小麦和二粒小麦，磷含量也均显著高于常规品种[22]。匈牙利4个小麦品种的研究表明，合理施肥条件下，与普通小麦品种相比，斯卑尔脱小麦籽粒锌含量高，其氮磷含量也较高[23]。土耳其5个小麦品种温室试验研究表明，籽粒锌含量高的‘Gediz-75’小麦品种，其氮和钾含量也较高[24]。31个小麦品种的调研结果表明，品种高原602不仅籽粒锌含量高，而且籽粒磷、钾含量也高[25]。综合本研究结果表明，在施肥等外界条件一致的情况下，存在锌、氮、磷、钾含量均较高的小麦品种。同时，也有大量研究表明，籽粒锌含量与氮含量呈显著正相关，但与磷含量呈显著负相关[26-27]。这可能与磷的施用量有关，锌与磷相互作用的研究发现，锌与磷之间的拮抗作用并非绝对。两者供应适宜时，锌与磷之间可以呈现协同作用[28]。说明旱地条件下施磷合理时，籽粒锌、磷含量可同步提高。

本研究结果还表明，施肥使两组小麦品种籽粒氮含量均显著提高，磷、钾含量却降低。原因主要在于两组品种的籽粒产量和养分吸收量对施肥的响应不一致。施肥时高锌品种籽粒产量提高67%，籽粒氮、磷和钾吸收量分别提高104%、59%和51%；低锌品种在施肥时籽粒产量提高56%，氮、磷和钾吸收量分别提高85%、47%和46%。可见，籽粒氮吸收量提高的幅度高于产量提高的幅度而产生浓缩效应引起籽粒氮含量提高，籽粒磷、钾吸收量提高的幅度低于产量提高的幅度而产生稀释效应引起籽粒磷、钾含量下降。前人也有类似的研究结果，产量对于养分含量的浓缩和稀释效应普遍存在。在美国，氮肥用量对玉米养分影响的研究表明，施氮肥(N 16 kg/hm2) 与不施氮相比，籽粒氮含量显著提高33%，而磷、钾含量显著降低21%、22%[29]。瑞典氮肥用量的研究表明，小麦籽粒锌、氮含量随施氮量的增加而显著提高，磷、钾含量却随之降低[30]。陕西关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) 与不施肥相比，籽粒锌、氮含量分别显著提高26%、21%，而磷含量却降低17%[31]。

3.2 高产小麦品种籽粒锌含量差异与氮磷钾吸收转移的关系

本研究发现，旱地条件下，土壤养分供应充足时，高锌品种籽粒和地上部氮、磷吸收能力显著高于低锌品种，钾吸收能力无显著差异。河北2个小麦品种的研究也表明，合理施肥条件下，与低锌品种相比，高锌品种的籽粒、地上部氮吸收量分别高10%、7%，钾吸收量分别高36%、7%[32]。土耳其硬粒小麦温室试验研究表明，籽粒中锌与氮的吸收具有协同作用，高锌品种的籽粒氮吸收量也高[33]。4个小麦品种磷锌配施的研究表明，不同品种对于磷、锌的需求不同，高锌小麦品种对磷的需求较高[34]。这些研究结果均说明，土壤养分供应充足时，高锌品种具有更高的氮磷吸收能力。这可能与氮累积多时有利于促进参与锌吸收与转移的蛋白合成及其活性提高有关[35-36]。同时，小麦籽粒中锌主要以植酸锌的形式存在，籽粒中的磷增加会促进植酸形成，从而增加锌在籽粒中累积，尽管这种增加不利于改善籽粒锌的生物有效性[37]。本研究还发现，通过施肥，两组品种的籽粒和地上部氮磷钾吸收量均显著提高，且高锌品种提高的幅度更大。不少研究表明，合理施用氮磷钾肥，保证土壤氮磷钾供应可使小麦植株形成适宜的根系形态和大小，改善根际环境，增强氮磷钾吸收能力[38-40]。但关于不同籽粒锌含量品种的氮磷钾吸收对施肥的响应，还未见其他报道。

本研究还表明，土壤养分供应充足时，高、低锌品种向籽粒转移氮、磷的能力无显著差异，高锌品种向籽粒转移钾的能力较低；施肥时两组品种向籽粒转移氮磷钾的能力均降低，且降幅一致。氮肥用量的研究表明，施氮量从0增加至240 kg/hm2时，籽粒锌含量显著提高25%，氮和钾收获指数分别显著降低4%和19%[30,41]。30个小麦品种磷吸收转移差异的研究表明，高肥力条件下所有品种的磷收获指数比低肥力时显著降低2.7%[42]。说明在土壤氮磷钾养分供应充足的条件下，小麦从地上部向籽粒转移氮磷钾的能力会降低，原因可能是由于土壤供应超过了籽粒对这些养分的需求，作物吸收的养分不能有效地转运到籽粒，而使其在营养器官茎叶的累积增加[43]。土壤养分供应充足时，高籽粒锌含量的品种向籽粒转移钾能力较低的原因，可能与较低的钾转移能力降低了碳水化合物向籽粒的转移[28]，从而使金属离子如锌在籽粒的累积相对增强有关。目前尚缺乏不同籽粒锌含量品种的氮磷钾转移对施肥响应的研究，相关问题有待进一步深入探究。

4 结论

通过在旱地条件下连续三年的田间定位试验研究发现，土壤养分供应充足时高产小麦品种的籽粒锌含量存在显著差异，高锌品种比低锌品种显著高54%。高锌品种的籽粒氮、磷含量分别比低锌品种显著高9%、7%，钾含量无显著差异，施肥可使两组品种的氮含量显著提高，磷、钾含量降低。高产高锌品种具有更高的籽粒和地上部氮、磷吸收能力，钾吸收能力与低锌品种相比无显著差异，施肥可使两组品种的氮磷钾吸收能力均显著提高，且高锌品种提高幅度更大；两组品种间的氮、磷转移能力无显著差异，而钾转移能力较低，且两组品种的氮磷钾转移能力均因施肥降低，且降幅一致。可见，旱地条件下土壤养分供应充足时，高产高锌品种的氮磷吸收能力强，钾转移能力弱，籽粒氮磷含量高，钾含量与低锌品种无显著差异。表明通过品种选育可同时提高旱地高产小麦籽粒锌和蛋白质含量，也会提高磷的含量。考虑到磷含量高时会降低籽粒锌的生物有效性，生产中通过施肥措施，适当调控磷肥、增加氮肥，在提高小麦籽粒氮锌含量的同时提高籽粒锌的生物有效性。