氮肥用量和喷施锌钾肥对小麦籽粒锌含量及生物有效性的影响

李 萌，谢 平,，黄应平,，王亚林，田霄鸿

（1 三峡大学生物与制药学院，湖北宜昌 443000；2 三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 443000；3 西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100）

锌是动植物和人体健康所必需的微量营养元素[1]。全世界有30%的人口受缺锌的威胁，其主要分布在发展中国家或农村地区[2]。缺锌不仅会导致农作物产量降低，还会影响籽粒Zn含量及其加工产品锌的人体利用率[3-4]。众多粮食作物中，禾谷类作物缺锌问题尤为突出。据统计，世界谷类作物产区有近50%的土壤处于缺锌或潜在缺锌水平，加之谷类作物固有锌含量低，致使生长在该土壤类型上的谷类作物锌含量远不能满足人体健康所需[5]。此外，全球气候的不断变化(如环境温度和CO2浓度的升高，或因降水改变引起土壤水分有效性的变化)也加剧了许多国家土壤-植物系统Zn的缺乏[6-7]。因此，提升禾谷类作物小麦，尤其是小麦可食部分锌含量及其生物有效性，改善以小麦为主要粮食作物的国家人群缺锌状况是亟待解决的重要问题。

锌生物强化措施(农艺措施如施肥)是提升小麦籽粒锌含量和锌生物有效性行之有效的方法[8-9]。我国小麦主产区土壤多为缺锌或潜在缺锌石灰性土壤，该土壤类型上土施锌肥效果不理想，而喷施锌肥能提升籽粒锌含量1～2倍[3,10]。关于氮锌、磷锌之间配合喷施的效果前人已经进行了研究[11-13]。在提升Zn含量和吸收量方面，锌与钾肥配合喷施已然表现出一定的协同关系，但有关钾与锌肥配合施用对小麦籽粒Zn含量和形态影响的报道还较为少见[14-15]。在我国西北小麦主产区，受土壤“富K”传统概念的影响，钾肥的施用仅在作物生长后期以叶面喷施的方式进行，用以增强作物抗逆性，预防干热风和抗倒伏。因此，锌与钾肥的配合施用对小麦籽粒Zn含量及形态组成的影响有待深入研究。

近年来有研究报道Tris-HCl浸提结合ICP-MS测定技术能够用于小麦籽粒可溶性Zn的测定，而通过体积排阻色谱—电感耦合等离子质谱联用技术(SECICP-MS)可进一步鉴定该提取物中锌的化学形态[16]。通过该技术发现增施氮肥显著增加了籽粒中不溶性锌的含量，而降低了可溶性锌的含量，经鉴定发现烟草胺螯合态锌是可溶性锌的重要组成[17]。因此，通过该技术也可揭示喷施锌肥增加的锌是以何种形态存在于籽粒中的，而由此可推测出土施氮肥强化喷锌效果的潜在机制。

综上，喷施锌肥效果虽好，但因其费时费力在农业生产实际中的应用受限，只有通过将其与大量元素或其他已在农业生产中推行的农艺措施相结合，才能克服其弊端。虽然钾肥在小麦生长后期已得到广泛施用，但鲜有研究关注锌钾肥配合喷施及其交互作用对小麦籽粒产量、Zn含量和形态及生物有效性的影响。本研究选取了土壤钾素补给状态不同的两块试验地，通过连续两年的田间试验揭示了不同施氮量条件下，两块试验地锌与钾肥配合喷施对小麦籽粒及其加工组分锌含量、形态组成和生物有效性的影响，同时阐明锌与钾肥配合喷施时会产生何种交互作用，以期为微量元素在生产实际中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验分别于2012—2013、2013—2014年在西北农林科技大学杨凌示范区农作一站和三原试验站两个地点进行了2年。杨凌试验点是基于2002年开始的氮肥不同用量长期定位试验，试验地点海拔525 m，耕层土壤理化性质为pH 7.98 (水土比1∶1)、有机质13.9 g/kg、硝态氮12.9 mg/kg、铵态氮 6.53 mg/kg、速效磷24.9 mg/kg、速效钾166 mg/kg、DTPA-Zn 0.67 mg/kg。三原试验点是基于2008年开始的减施氮肥长期定位试验，试验地点海拔为427 m，土壤基本理化性质为pH 7.8、全氮1.42 g/kg、速效磷32.0 mg/kg、速效钾183 mg/kg、DTPA-Zn 0.90 mg/kg。两地均为半湿润性气候，土壤类型为土垫旱耕人为土，年平均气温为13℃，年降雨量为500～600 mm。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，重复5次。杨凌试验点主处理为土施氮肥，用量分别0 (N0)、120 (N1)和240 kg/hm2(N2)，主区面积为6 m×9.9 m；副处理为喷施蒸馏水(CK)、0.5% K2SO4(K，2012—2013年季未设此处理)、0.3% (w/v) ZnSO4·7H2O (Zn)和 0.3%(w/v) ZnSO4·7H2O+0.5% K2SO4(Zn+K)，副区面积为1 m×2 m。供试小麦品种为‘小偃22’，播种量为90 kg/hm2。各处理氮肥和过磷酸钙(P2O5100 kg/hm2)于翻耕前施入土壤。喷肥处理在小麦灌浆前期(4月29日—5月13日)进行，均按相应浓度于傍晚喷施于小麦冠部，每7天喷施一次，共喷施3次，所有喷施溶液中均加入200 mg/L的吐温-20作为表面活性剂，累计喷Zn量为Zn 2.5 kg/hm2。

三原试验点亦采用裂区设计，重复4次。主处理为氮肥减量，包括：传统施氮量(NC)、减氮15%(NR1)和减氮30% (NR2)，主区为220 m×13 m；副处理设置同杨凌试验点，副区为2 m×1 m。试验地耕作制度为冬小麦-夏玉米一年两熟轮作。小麦和玉米生长季分别施氮150和187 kg/hm2，各氮肥减量化处理均在其基础上进行。小麦生长季，氮肥和磷肥(过磷酸钙，P2O5110 kg/hm2)每年在翻耕时施入土壤，玉米季不施磷肥，氮肥等分为两份，分别以基肥和追肥的形式施入，追肥时期为喇叭口期。供试小麦品种为‘淮麦-22’。

1.3 样品采集及测定

成熟期每个副区小麦人工单独收获，脱粒后自然晒干计产。取100 g籽粒样品，将含水量调至14%后经布拉本德小型试验磨(Quadrumat Junior mill,Brabender, Duisburg, Germany)磨制成面粉和麸皮两部分，面粉出粉率为65%～75%，麸皮烘至恒重后进一步粉碎，面粉亦进行烘干处理。另取20 g烘干籽粒样品经不锈钢粉碎机直接粉碎作为全粒样品。

全锌含量采用微波消解，ICP-OES法(IRIS ADVANTAGE, iCAP6300, United States)测定，测定的同时用标准溶液对测定值进行矫正(GSB 04-1767—2004，国家有色金属及电子材料分析测试中心，北京)。

水溶性Zn含量的测定方法如下[17-18]：首先，称取一定量的待测样品(麸皮0.7 g、全粒0.1 g、面粉0.14 g)放入无菌瓶中，加入7 mL 50 mmol/L Tris-HCl缓冲液(pH 7.5)，震荡18 h (120 r/min, 37℃)后离心 (21000×g，13℃) 10 min，然后过滤 (0.2 μm)，ICP-MS法测定。

不溶性Zn含量为全锌与水溶性Zn含量的差值。

氨基酸含量采用全自动氨基酸分析仪(L-8900,Hitachi, Japan)测定；钾、硫含量采用微波消解，ICPMS法测定；植酸含量采用离子交换树脂法测定。

1.4 数据处理

采用DPS (Data Processing System) 7.05统计软件进行氮肥、锌肥及其交互作用对各指标含量影响的方差分析。如果氮肥和锌肥的交互作用不显著，则结果中仅对主效应进行分析。均值之间的多重比较采用最小显著差数法(LSD)，差异显著为P≤0.05。由于单独喷施钾肥处理只在第二季进行，因此本研究在进行数据处理时并未考虑年份的影响。

2 结果与分析

2.1 籽粒产量

无论杨凌还是三原试验地，土施氮肥两季均对籽粒产量有显著影响，而喷肥处理在2013—2014年季对产量有显著影响(表1)。杨凌试验地，在2012—2013年季，N2处理较N1处理的籽粒产量高23.5%，2013—2014年季N2处理较N0处理高57.5%；三原试验地，与传统施氮量(NC)相比，减氮30% (NR2)处理在2012—2013年季和2013—2014年季的小麦籽粒产量均显著降低，减N 15% (NR1)处理的籽粒产量在2012—2013年季也显著降低。2013—2014年季，杨凌和三原试验地喷施Zn+K肥处理的籽粒产量较喷蒸馏水对照(CK)显著提升了4.10%和7.29%，而喷施Zn、喷施K处理的增产效果均不显著。可见，增施氮肥与喷施Zn+K肥对籽粒产量有提升作用。

表1 不同施肥处理小麦籽粒产量(t/hm2)Table 1 Grain yield (t/hm2) under different fertilization treatments

2.2 籽粒及其加工组分矿质养分和植酸含量

喷施锌肥(Zn、Zn+K)显著提高了小麦籽粒全粒的Zn含量，且在面粉和麸皮中的增加量相对于清水对照和喷施K也均达到了显著水平，杨凌和三原两地的试验结果一致，其中，在杨凌试验点，Zn+K处理较单独喷锌处理对小麦全粒Zn含量的提升幅度两季平均达13.1% (表2)。

表2 不同处理下小麦籽粒全粒、面粉和麸皮锌含量(mg/kg)Table 2 Zn content in flour, bran and grain of wheat under different treatments

氮肥对小麦籽粒全粒及面粉和麸皮Zn含量的影响两季有所不同(表2)。杨凌试验点的结果表明，2012—2013年季N1和N2处理的小麦籽粒全粒Zn含量与N0没有显著差异，而2013—2014年季N1显著较N0处理对全粒、面粉和麸皮Zn含量的提升幅度分别为8.78%、13.2%和17.3%。麸皮中的含锌量与籽粒含锌量的变化一致，N2处理显著降低了2012—2013年季面粉中的Zn含量。在三原试验地，2012—2013年季各处理小麦籽粒全粒和麸皮Zn含量由高到低为NC＞NR1＞NR2，且处理间差异显著；而 2013—2014 年季，含锌量顺序变为 NR1＞Nc＞NR2；2012—2013 年季面粉Zn含量减氮15% (NR1)处理最高，2013—2014年季小麦全粒、面粉和麸皮Zn含量均在减氮15%处理下达到最高。可见，维持适当的氮水平有利于提高小麦籽粒和面粉的锌营养。

从氮肥和喷施锌肥的交互作用看，虽然效果不稳定，但是施氮量和喷施锌肥对籽粒以及面粉的含锌量有一定的正效应。

喷肥处理对小麦籽粒全粒、面粉和麸皮中的钾、硫含量无显著影响(表3)，而施用氮肥在2013—2014年季对籽粒及其加工产品钾和硫含量均有显著影响。氮肥在2012—2013年季对小麦籽粒及其加工组分钾含量无显著影响；2013—2014年季土施高量氮肥(N2)处理显著降低了全粒及各加工组分钾含量。与对照(CK)相比，喷施钾肥(K或Zn+K)除在2013—2014年季显著提升麸皮钾含量外，对两季全粒和面粉钾含量均无显著影响；2013—2014年季，

土施氮肥显著增加小麦籽粒全粒、面粉和麸皮硫含量，但增加幅度并未随施氮量的增加而进一步增加。喷肥处理对硫含量的影响不大，喷肥处理在2012—2013年季增加了面粉硫含量，在2013—2014年季增加了麸皮硫含量。喷肥处理对抗营养因子植酸影响不大；与对照(N0)相比，土施氮肥显著降低了籽粒全粒、面粉和麸皮中的植酸含量，但植酸含量并未随氮肥用量的增加进一步降低；土施氮肥和喷肥组合的交互作用亦对植酸含量无显著影响。

表3 不同处理下对小麦籽粒全粒、面粉和麸皮钾、硫和植酸含量(杨凌试验区)Table 3 K, Sand phytate concentrations in wheat flour, grainand bran under different treatments in Yangling

2.3 小麦籽粒及其加工组分锌形态

2012—2013年季，小麦全粒和麸皮可溶性Zn含量随施氮量的增加显著降低，不溶性Zn含量随之逐渐增加(图1)。2013—2014年季，全粒和麸皮不溶性Zn含量亦随施氮量的增加而显著增加，可溶性Zn含量则是在中等施氮量处理(N1)时显著增加。同时，中等施氮量处理也显著增加了面粉可溶性Zn含量。

图1 不同处理小麦籽粒全粒及各加工组分锌形态(杨凌试验点)Fig. 1 Zn fraction in grain, flour and bran of wheat under different treatments in Yangling

单独喷锌或锌与钾肥配合喷施处理两季均较对照显著增加了全粒和麸皮中可溶性和不溶性Zn含量，面粉中可溶性Zn含量也在喷施锌肥后显著增加(除2012—2013年季N2处理)。2012—2013年季，在不施氮(N0)处理下，锌与钾肥配合喷施较单独喷锌显著增加了全粒及各加工组分可溶性Zn含量，第二季则反之；在N0和N1处理下，单独喷施锌肥对面粉中不溶性Zn含量无显著影响。此外，与单独喷锌相比，锌与钾肥配合喷施处理在2012—2013年季显著增加了全粒中可溶性Zn含量，而对不溶性Zn含量影响不大。2013—2014年季在N0和N1处理下，锌与钾肥配合喷施处理显著降低了全粒中可溶性Zn含量，同时增加了不溶性Zn含量。可见，锌与钾肥喷施对小麦全粒和各加工组分锌形态的影响两季差异较大。

2.4 全粒和面粉中锌的生物有效性

国际锌营养协会和世界卫生组织将植酸/Zn摩尔比作为评价食品锌生物有效性的定性指标，比值越高，锌的生物有效性越低。图2表明，土施氮肥两季均显著降低了小麦全粒植酸/Zn摩尔比，但施氮量处理间的植酸/Zn摩尔比没有显著差异。面粉植酸/Zn摩尔比两季均是在中等施氮量处理(N1)处理下最小。可见，土施中量氮肥能够降低全粒和面粉植酸/Zn摩尔比，从而增加锌的生物有效性。

图2 不同处理下小麦籽粒全粒及面粉植酸/Zn摩尔比（杨凌试验点）Fig. 2 The molar concentration ratio of phytate to Zn in grain fractions under different treatments in Yangling

与对照(CK)相比，喷施锌肥和锌与钾肥配合喷施两季均大幅度降低了全粒和面粉植酸/Zn摩尔比，而单独喷施钾肥对全粒和面粉植酸/Zn摩尔比的影响不大。此外，与单独喷锌相比，锌与钾肥配合喷施有降低植酸/Zn摩尔比的趋势，特别是第二季N0处理下，面粉植酸/Zn摩尔比显著降低。可见，锌与钾肥配合喷施在提升全粒和面粉锌生物有效性上可能会表现出一定的协同作用。

2.5 土施氮肥与喷施锌钾肥、喷施锌与喷施钾肥之间的交互作用

总体而言，土施氮肥与喷肥组合的交互作用对小麦籽粒产量、籽粒及其加工产品Zn等矿质养分含量无显著影响；此外，土施氮肥与喷肥组合的交互作用对各锌形态及植酸/Zn摩尔比有显著影响(图1和图2)。因单独喷施钾肥处理未在2012—2013年季进行，因此仅分析了2013—2014年季锌钾配合喷施的交互作用。由表4可见，锌钾配合喷施的交互作用对两个试验地的籽粒产量、籽粒及其加工产品Zn含量无显著影响。

表4 2013—2014年季喷施锌、钾及其交互作用对小麦籽粒产量、Zn含量的影响Table 4 Foliar-applied Zn, K and their interactive effects on grain yield and Zn concentration in wheat during 2013-2014

3 讨论

3.1 土施氮肥与喷肥组合对小麦Zn含量的影响

土施氮肥对小麦籽粒Zn含量的影响两季差异较大。2012—2013年季土施氮肥对籽粒及其加工组分麸皮Zn含量无显著影响，2013—2014年季土施中量氮肥明显提升了全粒及各加工组分Zn含量，然而该提升作用并未在高施氮量下持续增大，这与Xue等[19]的研究结果一致。由此说明，土施中量氮肥即可保障小麦籽粒及其加工组分Zn含量，而土施氮肥对Zn含量的影响受种植区域气候条件的影响较大，主要影响因素可能为土壤水分状况。由图1可见，在2012—2013年生长季，小麦播种期和生长前期缺乏有效降水，而该试验地又为雨养农业，从而造成小麦生长前期土壤中水分状况不佳，进而影响氮肥施入后氮素的吸收和转移，最终影响锌在小麦籽粒中的分配。影响机制可能为：干旱条件使得小麦植株对氮素的吸收受阻，从而影响了植株体内某些与锌吸收和转运相关的转运蛋白(如ZIP家族蛋白和YSL转运蛋白)，及能够与锌螯合的化合物(如：烟草胺、麦根酸、植物铁载体等)的数量[11,20-21]。相关的盆栽和水培试验结果亦表明氮肥供应是通过促进冬小麦根系TaZIP3和TaZIP7蛋白的表达来提升根系Zn的吸收及Zn向地上部的转运[20]。可见，氮对小麦籽粒Zn含量的影响极为有限，且易受环境条件(如降雨量)的影响。

目前已有研究表明土施钾肥或土施钾肥配合喷施锌肥在提升小麦籽粒、秸秆Zn累积方面具有一定的协同作用，且锌与钾肥配合喷施较单独喷施锌肥有更好的提升小麦籽粒Zn含量、Zn吸收量和Zn分配的效果[14-15]。然而，有关钾与锌肥配合喷施对小麦籽粒及其加工组分Zn形态及加工产品营养品质影响的研究还鲜有报道。本研究结果表明，单独喷施锌肥或锌与钾肥配合喷施均较土施氮肥在更大程度上稳定地提升了小麦籽粒及其各加工组分的全Zn含量，而提升幅度以杨凌试验地更大。其原因可能是三原试验地土壤背景值中有效锌(DTPA-Zn)含量较高，致使小麦籽粒固有Zn含量较高，从而降低了喷施锌肥的提升幅度。由表2可见，三原对照处理下小麦籽粒及麸皮Zn含量明显高于杨凌不喷肥处理。并且，在杨凌试验地，锌与钾肥配合喷施在提升小麦籽粒Zn含量上表现出一定的协同作用，而三原锌与钾肥配合喷施较单独喷施锌肥并未显著提升全粒Zn含量。该地区性差异的主要原因可能是杨凌试验地为施用不同量氮肥的长期定位试验，土壤中钾素不断随农作物收获被携出，而三原试验地进行的是长期秸秆还田条件下的氮肥减量化试验，因秸秆腐解归还了大量的钾素。由此可见，只有在土壤钾素长期无补给条件下，锌与钾肥配合喷施才能表现出一定的协同作用。此外，对于面粉而言，锌与钾肥配合喷施对Zn含量的提升效果受土施氮肥量的影响较大(图1)。钾-锌之间的协同作用一方面可能是因为钾参与糖和蛋白质的代谢，锌钾配合喷施后进入植物体内的钾离子通过对蛋白质的影响促进了锌向籽粒的分配[22]；另一方面，K2SO4态钾肥同时向植物体输入了硫元素，鉴于硫在蛋白质合成中所起的关键作用，可能间接影响了锌的转运。

3.2 喷施锌钾肥对小麦Zn形态的影响

本研究通过对小麦籽粒及其加工组分锌形态(可溶性和不溶性)的分析，进一步阐明了锌钾配合喷施协同作用产生的潜在机理。相关结果表明，锌与钾肥配合喷施在2012—2013年季显著提升了全粒可溶性Zn含量，但对不溶性Zn含量无明显影响；2013—2014年季该处理却显著降低了可溶性锌含量而提升了不溶性锌含量(N2处理除外，图1)。由此可见，锌与钾肥配合喷施产生的协同作用既可能源于可溶性Zn含量的增加亦可能源于不溶性Zn含量的增加，其受环境条件的影响较大。结合小麦生长季气候条件发现，在降雨稀少的干旱年份，锌与钾肥配合喷施所产生的协同作用主要源于对可溶性锌含量的影响；而在降雨较充足的年份，该协同作用主要来自不溶性锌含量的增加。此外，本研究结果表明无论单独喷锌还是锌与钾肥配合施用，均可大幅度提升小麦全粒及麸皮可溶性和不溶性Zn含量，但却仅增加了面粉可溶性Zn含量。有研究表明，小麦籽粒中该可溶性Zn组分为高分子量和低分子量锌的化合物，低分子量锌的化合物为可溶性锌的主要组成部分，而经鉴定胚乳中烟草胺锌是该小分子量锌化合物的唯一形式[17-18]。另有研究发现，锌在韧皮部转移的过程中很可能也是以烟草胺锌的形式存在[23]。由此推测，喷施锌肥(单独喷施或与钾肥配合施用)提升小麦籽粒Zn含量的原因可能是增加了锌与烟草胺复合物的含量。

3.3 土施氮肥与喷施锌钾肥、喷施锌与喷施钾肥之间的交互作用

总体而言，本研究结果表明土施氮与喷施锌钾肥的交互作用对面粉Zn含量、籽粒及加工产品Zn形态、Zn生物有效性有显著影响。而由交互效应各处理间多重比较值可见，在提升各形态Zn含量和Zn生物有效性方面，增施氮肥对喷施锌钾肥的效果具有一定的促进作用。前人研究亦发现氮肥施用对小麦植株体内Zn转运、活化和分配具有促进作用，而我们先前的研究也证实了氮锌配合喷施在提升小麦籽粒Zn营养品质上表现出一定的协同作用[14,20,24]。锌与大量元素钾配合施用的交互作用研究目前鲜有报道，本研究结果发现锌钾配合喷施时，其交互作用对本研究重要测定指标如产量和Zn含量均无显著影响。可见，在提升小麦籽粒Zn营养品质上，锌与钾肥配合喷施并未产生明显的交互作用。

4 结论

在北方潜在缺锌石灰性土壤上，喷施锌肥可显著提升小麦籽粒和面粉Zn含量，降低植酸/Zn摩尔比，提高锌的生物有效性，喷施效果以锌与钾肥配合总体好于单独喷施硫酸锌。适宜的氮素营养有利于小麦对锌的吸收，氮肥用量与喷施锌肥对提升小麦锌含量有显著的交互作用。综合两试验地两年试验结果，降雨量会影响喷施锌肥的效果，在常规氮肥用量(120 kg/hm2)下，小麦灌浆期配合喷施硫酸锌和硫酸钾是提升小麦籽粒和面粉锌含量和生物有效性的有效措施。