氮锌肥配施对小麦籽粒不同类型混合粉锌营养品质的影响

邵运辉，张盼盼，马 耕，王晨阳，李向东，秦 峰，程红建

(1.河南省农业科学院小麦研究所，河南郑州 450002；2.河南省农业科学院粮食作物研究所，河南郑州 450002； 3.河南农业大学农学院/国家小麦工程技术研究中心，河南郑州 450046)

锌是动植物和人体生长发育过程中必不可少的一种微量元素。锌缺乏已成为威胁人类健康的第5大主要因素，中国约1亿人口受到锌缺乏的影响[1]。锌缺乏会导致人体免疫力下降、代谢紊乱、生长缓慢与智力发育下降等[2]。锌缺乏的主要原因是饮食中锌摄入量不足或饮食结构单一，尤其是在以谷类作物为主要饮食来源的国家[3]。在中国，小麦及其制品是50%居民的主食，提供约20%的锌源[4]。然而，我国冬小麦籽粒平均锌含量仅为30.3 mg·kg-1，远低于满足人体健康的籽粒锌目标值40～60 mg·kg-1[5]。小麦籽粒中锌浓度及其生物有效性较低，很容易导致以其为主食的人群锌摄取量不足。为满足人体健康对锌的需求，提高小麦籽粒锌含量和生物有效性十分必要。

锌生物强化可以提高粮食作物的籽粒锌含量和生物有效性，强化措施主要包括选育富锌小麦品种和采取有效的农艺措施。实施育种策略周期长、成本高，通过施用锌肥等农艺措施则是提高小麦籽粒锌营养品质的有效措施。研究发现，在缺锌条件下，施用锌肥能够显著促进小麦根系的发育，增加小麦的分蘖数，提高光合作用和呼吸作用关键酶的活性，增加小麦对锌元素的吸收和累积，提高籽粒中锌含量[6-7]；增加氮素供应可以促进小麦根际微生物活性和根系有机酸的分泌，使土壤中螯合的锌得以释放，从而促进根系对锌的吸收；正常供锌下增加氮素供应量可以增加锌向地上部和籽粒的转运[8-10]。锌、氮或锌、钾配合施用，均可以通过增加营养器官对锌的吸收及锌向籽粒的转移量，显著降低小麦籽粒P/Zn摩尔比，提高籽粒锌含量及小麦锌的生物有效性[11-13]。施用磷肥可提高土壤植酸含量，促进植酸和锌的结合，降低小麦对锌的吸收与转移，降低锌的生物有效性[14-17]。锌与生物刺激素、农药配合喷施均可以提升小麦籽粒Zn含量及其生物有效性[18]。

前人对黄淮海地区氮、锌肥配合施用下小麦植株对锌的吸收、利用、转移和在籽粒中的累积均有较多研究，但对小麦籽粒及其加工产品中的锌含量及有效性尚不明确，尤其是对小麦不同类型面粉中锌的营养品质尚不清楚。因此，本研究拟将大田试验中氮、锌肥配施下的籽粒进一步加工，研究氮、锌肥配施下不同类型面粉中的氮、锌含量及有效性，为小麦大田生产中提高籽粒锌含量、改善籽粒锌营养品质提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

大田试验地位于河南省焦作市温县祥云镇(34°92′N，112°99′E)，于2014-2016年度进行。供试土壤为褐土。采用裂区试验设计，主区为2个施锌水平，分别为0(Zn0)和9.60 kg·hm-2(Zn1)；副区为4个施氮水平，分别为0(N0)、180(N1)、240(N2)和300(N3) kg·hm-2。设5个重复，共40个小区，小区面积6.1 m×2.5 m。试验区周围设有保护行。

每季小麦整地前，采用“S”曲线法分别采集 0～20 cm土壤样品，混合后测定基础肥力参数，结果如表1所示。

表1 土壤肥力参数

整地前将50%氮肥、过磷酸钙(P2O512%)和硫酸钾(K2O 52%)按150 kg·hm-2施用量均匀撒入土壤表面，翻耕施入土壤；另50%氮肥在小麦拔节期施入土壤。在小麦拔节期、抽穗期、开花期和灌浆期各喷施1次锌肥(ZnSO4·7H2O，分析纯)，喷施浓度为0.3%，每次喷施量为800 L·hm-2(2.4 kg·hm-2)。对照处理喷施相同量的蒸馏水。喷施避开阴雨天气，时间选择在傍晚，以保证喷施效果。

试验材料为当地高产小麦品种豫麦49-198(河南平安公司)。试验期间监测降雨量和温度变化，并做好病虫害防治和补灌水等管理措施。

1.2 测定项目与方法

小麦成熟期，收获每个小区中央6 m2的小麦，脱粒后风干，称重并测定含水量，折合13%含水量计产。

风干籽粒样品按照四分法取样，取约200 g籽粒进行润麦(14%)，利用布勒常规磨(BúHLER，德国)将籽粒进行分层磨样。常规条件下收集粗麸皮(DF)、细麸皮(XF)、3个皮磨粉(B1、B2和B3)和3个心磨粉(R1、R2和R3)共8种粉样。其中DF、XF、B1、B2、B3、R1、R2和R3的占比分别约为15.3%、19.2%、7.3%、10.1%、2.3%、23.1%、17.2%和5.6%。

将得到的8种粉样按照不同方式进行混合，得到精制粉、标准粉、通粉和全粉共4种类型混合粉。具体混合方式：精制粉=B1+B2+R1+R2；标准粉=B1+B2+B3+R1+R2+R3；通粉=XF+B1+B2+B3+R1+R2+R3；全粉=DF+XF+B1+B2+B3+R1+R2+R3。精制粉和标准粉为通常食用面粉。将各混合粉装入自封袋中，做好相应标记。

混合粉中氮、锌和植酸含量的测定：氮含量采用H2SO4-H2O2消解，用流动分析仪(AA3)测定；锌含量采用HNO3-H2O2消解，用ICP-MS法测定；植酸采用TCA浸提，用分光光度计比色法测定。

1.3 数据分析

计算混合粉中氮、锌和植酸含量及植酸与锌的摩尔比(PA/Zn)，并根据Miller[19]模型计算锌日吸收量(TAZ)。

在此模型中，以正常人日食300 g小麦为锌的主要来源，进而模拟和计算人体的TAZ (mg·d-1)，其中，TDP代表植酸日食用量(mmol·d-1)，TDZ代表锌日食用量 (mmol·d-1)，Amax、Kr和Kp则分别为此模型中的参数，其大小分别为0.091、0.680和 0.033(mmol·d-1)。

试验数据采用Excel 2010 和SPSS 22进行统计与分析，用LSD法和Duncan多重比较法分析处理间差异显著性。

2 结果与分析

2.1 氮、锌配施对小麦籽粒产量的影响

两个年度间的籽粒产量无显著差异，平均为7.51×103kg·hm-2。施锌处理对籽粒产量无显著影响。N0处理下，小麦籽粒产量平均为4.41×103kg·hm-2，施氮处理较N0处理平均提高了93.7%。除2015-2016年度Zn1条件下，N3处理的籽粒产量显著高于N1外，其他相同锌处理下，N1、N2和N3处理间的产量差异均不显著，但均显著高于N0处理(图1)。

相同锌处理图柱上不同小写字母表示不同氮处理间差异在0.05水平显著。下同。

2.2 氮、锌配施对不同类型混合粉中氮、锌含量和累积量的影响

精制粉、标准粉、通粉和全粉的平均氮含量依次为17.89、18.15、20.05和21.27 g·kg-1。精制粉中，年度和施锌处理对氮含量的影响不显著；施氮处理的氮含量均显著高于对照(N0)；两个年度中，Zn0条件下均以N2处理的氮含量最高，分别是20.43 g·kg-1和20.29 g·kg-1，且显著高于其他氮处理；在Zn1条件下，N1、N2和N3处理间氮含量无显著差异(图2A)；整体而言，不同施氮处理的氮含量表现为N2>N3、N1>N0，N2处理的氮含量平均为19.63 g·kg-1，较N0处理提高了36.7%。标准粉和通粉中，不同处理间氮含量的差异趋势表现同精制粉(图2B、2C)。图2D显示，两个年度中，全粉的氮含量均表现为N1、N2、N3处理显著高于N0处理；2014-2015年度Zn1条件下，N3处理的氮含量最高，为24.64 g·kg-1，其次是N1、N2处理；2015-2016年度Zn0条件下，N3与N1处理间差异不显著，分别较N2和N0处理提高了9.1%和92.7%，差异显著；整体而言，N1、N2和N3处理下全粉的氮含量之间差异不显著，平均为23.61 g·kg-1，较N0处理提高了65.4%。

A、B、C和D分别代表精制粉、标准粉、通粉和全粉。下同。

精制粉中，锌含量平均为4.23 mg·kg-1，年度间差异不显著；Zn0处理的锌含量平均为3.21 mg·kg-1，Zn1处理的锌含量提高了63.1%，二者差异显著(P<0.05)；N2处理的锌含量平均为5.03 mg·kg-1，较N3和N1处理平均提高21.7%，较N0处理提高了39.6%；两个年度中，Zn0条件下不同氮处理的锌含量均表现为N2>N0、N1、N3，Zn1条件下各施氮处理间无显著差异(图3A)。标准粉和通粉中锌含量平均分别为为4.53 mg·kg-1和17.90 mg·kg-1；两个年度中，Zn0处理下均以N2处理锌含量最高，Zn1条件下不同施氮处理间的差异未达显著水平(图3B、3C)。全粉中，锌含量平均为29.76 mg·kg-1，Zn1处理的锌含量平均为35.01 mg·kg-1，较Zn0处理提高了42.8%，二者差异显著(P<0.05)；两个年份中，Zn0条件下，N1、N2和N3处理的锌含量均显著高于N0处理，Zn1条件下，各施氮处理间无显著差异(图3D)。

图3 氮、锌配施对籽粒混合粉中锌含量的影响

精制粉、标准粉、通粉和全粉中氮累积量平均分别为79.55、91.76、131.32和166.00 kg·hm-2。年份和施锌处理对小麦各混合粉的氮累积量均无显著影响。精制粉中，两个年度N0处理的氮累积量平均为36.57 kg·hm-2，施氮处理的氮累积量较N0处理显著增加，N1、N2和N3处理间差异不显著(表2)；2014-2015年度Zn0条件下，N2处理精制粉的氮累积量最高，为102.84 kg·hm-2，其次是N1和N3，N0处理最低，仅为39.88 kg·hm-2。2015-2016年Zn0条件下，N3处理的氮累积量最高，为96.96 kg·hm-2，显著高于N1处理，N0处理最低，为 33.00 kg·hm-2。氮、锌配施对标准粉的影响趋势同精制粉。与N0相比，施氮处理的通粉和全粉中氮累积量均显著提高，且N1、N2和N3处理间差异不显著；两个年度，Zn0和Zn1条件下，施氮处理的通粉和全粉的氮累积量均表现为N1、N2、N3显著高于N0处理。

表2 氮、锌配施对籽粒混合粉中氮累积量的影响

精制粉、标准粉、通粉和全粉中锌累积量分别为18.67、22.73、114.59和 200.79 g·hm-2。年份对4种类型混合粉的锌累积量均无显著影响。从表3可见，精制粉中锌累积量，Zn1处理较Zn0处理提高了63.3%；施氮处理间比较，以N2处理最高，其次是N1处理、N3，N0处理最低；两个年度中，Zn0条件下表现为N2>N1、N3>N0，Zn1条件下表现为N2和N3处理之间无显著差异，但二者显著高于N0处理。两个年度中，施锌处理的标准粉、通粉和全粉中锌累积量平均分别提高58.0%、48.6%和50.9%；与N0相比，施氮处理的这3种混合粉中锌累积量均显著提高；2014-2015年度Zn0和Zn1与2015-2016年度Zn0条件下，施氮处理均表现为N2>N1、N3>N0，在2015-2016年度Zn1条件下，则表现为N2和N3处理之间无显著差异，但二者显著高于N1处理。

表3 氮、锌配施对籽粒混合粉中锌累积量的影响

2.3 氮、锌配施对不同类型混合粉中植酸及 PA/Zn的影响

年份对4种类型混合粉的植酸含量均无显著影响。精制粉中，Zn1植酸含量较Zn0处理明显提高(15.4%)(图4A)；N0处理的植酸含量约为0.75 g·kg-1，施氮后平均下降7.5%。两个年份中，Zn0条件下，施氮显著降低了植酸含量，而在Zn1条件下施氮则增加了植酸含量。

标准粉中，Zn0处理的植酸含量平均为0.77 g·kg-1，以N1处理最高，为0.93 g·kg-1；Zn1处理较Zn0处理平均提高了14.4%，施氮处理的植酸含量平均为0.85 g·kg-1，较N0处理提高了 16.0%，以N2处理最高，平均为0.96 g·kg-1(图4B)。通粉中植酸含量为7.18 g·kg-1(图4C)，施锌对其无显著影响，而施氮后则平均降低了7.9%。全粉中植酸含量为 11.21 g·kg-1，与Zn0相比，Zn1处理下全粉植酸含量提高13.0%，施氮较N0处理则降低了 6.2%；两年度中，Zn0条件下以N2处理最高，而Zn1条件下氮肥处理间无显著差异(图4D)。

图4 氮、锌配施对籽粒混合粉中植酸含量的影响

从图5可见，精制粉、标准粉、通粉和全粉的PA/Zn分别为17.05、18.98、40.03和41.75，年份对其无显著影响。Zn0处理下精制粉的PA/Zn约为20.36，施锌后降低了32.5%。与N0处理相比，施氮后精制粉中PA/Zn平均降低约 20.9%，以N2处理降幅最大(图5A)；两个年份中，Zn1条件下施氮处理间PA/Zn差异均不显著，Zn0条件下N0和N3处理的PA/Zn显著高于N1和N2处理，这可能与两年的气象条件有关。标准粉中，Zn1处理的PA/Zn为15.01，较Zn0处理降低 34.7%，N0处理的PA/Zn为23.74，与之相比，N1、N2和N3处理分别降低了27.6%、 36.7%和15.9%(图5B)。Zn0条件下，通粉和全粉中PA/Zn分别为46.6和47.4，施锌后分别降低了 28.1%和23.8%；N0处理下通粉和全粉中PA/Zn分别为43.71和44.47，与之相比，施氮后平均分别降低了11.2%和8.2%(图5C和图5D)。

图5 氮、锌配施对籽粒混合粉中锌有效性的影响

2.4 氮、锌配施对不同类型混合粉中锌日吸收量(TAZ)的影响

从表4可见，精制粉的TAZ含量平均为 0.22 mg·d-1，年份对其无显著影响，与Zn0处理相比，Zn1处理精制粉的TAZ提高61.0%，N0处理下TAZ为0.16 mg·d-1，施氮后提高至 0.24 mg·d-1，且N2>N1、N3；两个年份中，Zn0条件下均以N2处理最高，其次是N1和N3处理，N0处理最低；Zn1条件下，N2和N3处理间无显著差异，但均显著高于N0处理。标准粉的TAZ为 0.36 mg·d-1，Zn1处理为0.44 mg·d-1，较Zn0处理提高59.3%；施氮肥处理中以N2处理最高，为 0.45 mg·d-1，其次是N1和N3处理，N0处理最低，仅为 0.26 mg·d-1；各处理对标准粉中TAZ的影响趋势同精制粉。通粉中TAZ为0.57 mg·d-1，年份对其无显著影响，与Zn0处理相比，Zn1处理TAZ提高约44.9%；N0处理下通粉的TAZ为0.47 mg·d-1，施氮后提高27.8%。全粉中TAZ为0.98 mg·d-1；Zn0处理为0.83 mg·d-1，施锌后提高35.9%；不同施氮处理间，以N2处理的TAZ最高，为1.09 mg·d-1，其次是N1和N3处理，N0处理最低，仅0.82 mg·d-1。两个年份Zn0条件下，各施氮处理间通粉的TAZ表现为N2>N1>N0，Zn1条件下则表现为N1、N2、N3>N0。

表4 氮、锌配施对籽粒混合粉中锌日吸收量的影响

3 讨论与结论

3.1 氮、锌配施对小麦籽粒混合粉锌含量的影响

小麦植株吸收锌元素后，将大多锌运输至籽粒，再在籽粒中将锌转运到籽粒的各个部位。这个过程存在两个障碍，分别位于小穗轴与籽粒连接点以及籽粒腹沟微观组织与胚乳之间[20]。小麦籽粒结构显示，腹部维管束内侧的珠心突起与胚乳之间没有共质体，只存在胚乳腔，因此来自腹部维管束的锌首先卸至胚乳腔，再通过胚乳腔进入胚乳。胚乳腔附近的厚壁糊粉层是锌卸载和转运的关键部位。珠心突起中转移细胞的锌转运蛋白表达水平不均衡，最终会导致小麦籽粒中锌分布不均匀[21]。研究表明，小麦籽粒从外向内锌浓度逐渐递减，内胚乳锌含量最低，锌主要分布在糊粉层、盾片、珠心突起和维管束中，而胚乳和胚中的锌浓度相对较低[22-26]。小麦籽粒磨粉后，根据粉路样品不同组合方式，得到不同的混合粉，其锌含量也不一致。张 庆等[27]研究表明，小麦籽粒磨粉混合后得到麸皮、次粉和面粉，锌浓度表现为麸皮>次粉>面粉。各粉路样品混合后，锌含量表现为麸皮>皮粉>心粉[28-29]，全粉和粗粉中锌含量显著高于标准粉和精粉[30]。本研究结果也证实此结论(图3)，全粉中锌含量为29.76 mg·kg-1，通粉中为17.90 mg·kg-1，而精制粉和标准粉仅为4.23和4.53 mg·kg-1。

氮、锌肥施用对小麦籽粒混合粉中锌含量有显著影响。在本试验条件下，喷锌处理显著提高了精制粉、标准粉、通粉和全粉的锌含量，其中，精制粉和全粉分别提高了63.1%和42.8%(图3)，这与前人的研究结果基本一致[31-33]。与不施氮相比，施氮后小麦籽粒各混合粉的锌含量也均有不同程度的提高。这与Kutman等[34]的研究结果相似。在本研究中，施氮量为240 kg·hm-2时各混合粉的锌含量达最高(图3)，表明在氮肥施用量为240 kg·hm-2时，锌在籽粒中的累积已达最大量，持续增施氮肥并不能达到“以氮促锌”的效果，这时锌的转运和累积可能受到库容或锌转运蛋白表达量等的限制。Shi等[35]的研究也表现出类似结果。

3.2 氮、锌配施对小麦籽粒混合粉植酸含量和锌有效性的影响

植酸在小麦籽粒中多分布于盾片和糊粉层中，少量分布于胚乳中心层，金属元素如铁和锌与其结合较多。籽粒混合粉中植酸含量表现为面粉小于麸皮和次粉部位[36-37]。本研究将籽粒不同粉路样品混合为精制粉、标准粉、通粉和全粉后也发现，全粉中植酸含量(11.21 g·kg-1)显著高于通粉(7.18 g·kg-1)，精制粉和标准粉的植酸含量明显较低，分别为0.71和0.82 g·kg-1(图4)。全粉或通粉中植酸含量高是因为与皮磨粉和心磨粉相比，粗麸和细麸中含量较多的植酸，混合后导致植酸含量明显较高。Li等[38]发现，喷施氮、锌肥或土壤施氮处理均能显著降低籽粒、面粉和麸皮中植酸含量，齐义涛等[39]则发现，喷锌肥处理能够提高籽粒锌含量，但对籽粒植酸含量无影响。本研究发现(图4)，喷施锌肥能够显著提高精制粉、标准粉和全粉中的植酸含量，但对通粉无显著影响，施氮后精制粉、通粉和全粉中植酸含量显著下降。结果差异可能与各研究中试验材料、小麦生长的气候条件、锌肥或氮肥的施用方式等不同有关。

一般认为，在小麦中植酸和锌素的摩尔比代表锌的生物有效性，比值越小则锌的生物有效性越高。研究发现，小麦面粉的植酸与锌摩尔比显著小于麸皮和次粉[36-37]。本试验条件下，全粉和通粉中植酸和锌的摩尔比分别是41.75和 40.03，显著高于精制粉和标准粉中的17.05和 18.98(图5)，这表明，虽然全粉和通粉中锌含量显著高于标准粉和精制粉，但锌的生物有效性却不如标准粉和精制粉高。喷施锌肥或施氮处理均能够显著降低精制粉、标准粉、通粉和全粉中植酸与锌的摩尔比，这表明在小麦生产中，可通过氮、锌配施等农艺措施提高小麦籽粒混合粉中锌的生物有效性。

3.3 氮、锌配施对小麦籽粒混合粉中锌日吸收量的影响

目前常用三变量模型来评价锌在人体中的生物有效性，此模型能够充分考虑到人体小肠内的锌平衡，其代表指标是锌日吸收量TAZ。本研究发现，全粉、通粉、标准粉和精制粉的TAZ值分别是0.98、0.57、0.36和0.22。因此对人体来说，食用全麦粉是补锌最科学的选择。在小麦生长过程中，喷锌处理分别能提高精制粉、标准粉、通粉和全粉TAZ约61.0%、59.3%、44.9%和35.9%，施氮也能不同程度的提高各混合粉的TAZ。这与刘敦一等[30]的研究结果基本一致。这表明，在小麦生长过程中，适宜的氮、锌肥配施措施是一种提高小麦籽粒及混合粉锌营养品质的有效途径。尽管如此，小麦各混合粉的TAZ值，仍远远低于国际参考标准值[40]。这就迫切要求筛选和培育富锌小麦品种，进一步优化和完善小麦栽培技术，通过更深一步的生物强化措施增加小麦混合粉中锌含量及人体对锌的吸收量，进而缓解人体缺锌问题。

综合分析，在我国小麦生产中，氮锌肥配施能够显著提高籽粒及其各混合粉中氮、锌含量及累积量，同时提高精制粉、标准粉、通粉和全粉中锌生物有效性，增加锌日吸收量，因此，氮、锌肥配施是提高小麦籽粒锌营养品质有效措施。