施氮量对小麦不同生育时期不同器官氮锌吸收、积累与分配的影响

郭芳芳，韩亚倩，周苏玫，杜西河，宋 淼，张洁梅，黄 源，胡乃月，臧贺藏，杨习文

（1.河南农业大学 农学院/国家小麦工程技术研究中心/省部共建小麦玉米作物学国家重点实验室/河南粮食作物协同创新中心，河南 郑州 450046；2.河南省农业科学院，河南 郑州 450002）

锌参与人体蛋白质和核酸的代谢合成，与人体免疫力和智力发育密切相关，小麦缺锌会引起以面食为主食尤其是广大偏远农村人群的健康问题[1]。小麦作为我国第二大粮食作物，通过食用小麦相关食物摄入锌占到了居民每日锌摄入量的20%[2]，对于主要靠面食提供营养和能量的素食人群的比例会更高。然而，小麦籽粒平均锌含量（24.9～34.8 mg/kg）[3-5]远低于满足人体锌营养健康的籽粒锌强化目标值（40～60 mg/kg）[6-7]。因此，提高普通小麦植株尤其是籽粒可食用胚乳部分锌含量对于人类通过饮食补锌具有重要意义。在氮肥施用对小麦氮积累的影响方面，研究发现，施用氮肥可以提高小麦不同器官氮含量和氮积累量，且不同处理间差异达到显著水平[8-9]；植株氮积累量随施氮量增加表现为先增后减[10-11]。在氮肥施用对小麦锌积累的影响方面，研究发现，随施氮量增加，小麦不同器官锌浓度和锌积累量呈增加趋势[12-13]，小麦籽粒锌含量和地上部锌吸收量呈现增加趋势，并达到极显著水平[14]。这可能是因为增施氮肥可增强小麦根系对锌元素的吸收、向地上部的转运及向籽粒的再分配。然而，也有研究发现，在土壤缺锌的情况下，随施氮量增加小麦锌含量呈现先增加后降低的趋势[15]，或增施氮肥小麦籽粒锌积累量没有明显增加[16]。不难看出，在合理范围内氮锌间存在着协同效应，过量施氮对氮锌的吸收积累不利，且在土壤缺锌的环境下氮肥的作用甚微，过量的施用氮素以及过低的氮素利用效率会对环境造成污染[17]。目前，关于氮锌元素积累分配转运的报道主要集中于地上部氮锌积累分配[8-16]，关于多个小麦品种不同生育时期从地下部到地上部氮和锌的转运分配研究尚未见报道。为此，通过盆栽试验，研究施氮量对4个小麦品种不同生育时期不同器官氮锌吸收与积累分配的影响，揭示不同施氮量下小麦不同器官的氮锌积累量变化规律。

1 材料和方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验于2019—2021 年在河南农业大学原阳现代农业科教园区（35.14°N、113.95°E）进行，土壤类型为潮土，土壤基础肥力：有机质16.71 g/kg、全氮0.94 g/kg、碱解氮87.5 mg/kg、有效磷14.74 mg/kg、速效钾86.4 mg/kg、DTPA-Zn 0.67 mg/kg，pH值8.0。

供试材料为黄淮平原区大面积推广应用的半冬性高产小麦品种商麦156（豫审麦2015011）、百农418（豫审麦2015014）、百农207（国审麦2013010）和开麦21（豫审麦2011017）。供试氮肥为尿素（含N46%），磷肥为过磷酸钙（含P2O512%），钾肥为氯化钾（含K2O 60%）。

1.2 试验设计

试验以盆栽的方式进行，设置3 个施氮（N）量：0（N1）、135（N2）、270 kg/hm2（N3），根据上述大田施氮量折算的盆栽施氮量分别为0（N1）、1.80（N2）、3.60 g/盆（N3）。每盆（直径28 cm、高30 cm）装土10 kg。氮肥50%基施，50%于拔节期追施；所有处理均基施120 kg/hm2P2O5和120kg/hm2K2O。分别于2019 年10 月15 日 和2020 年10 月17 日播种，每 盆定苗12株，于2020年6月1日和2021年5月29日收获，其他管理同当地生产。

1.3 样品采集

在冬前期、返青期、拔节期、开花期、灌浆期、成熟期取样，拔节期以前分为叶、初生根、次生根3 个部分；开花期分为初生根、次生根、旗叶、余叶、穗下茎、余茎、穗上部颖壳、穗中部颖壳、穗下部颖壳9个部分；灌浆期和成熟期分为初生根、次生根、旗叶、余叶、穗下茎、余茎、穗上部颖壳、穗中部颖壳、穗下部颖壳、穗上部籽粒、穗中部籽粒、穗下部籽粒共12个部分。用清水冲洗根上的土壤及杂物，再用去离子水清洗3 遍，吸干水分后放置于信封中。所有材料均于105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒质量。用千分之一天平称量不同器官干质量，将不同器官剪碎、混匀，粉碎后过孔径为0.18 mm 的筛，存放于干燥、无污染的自封袋中。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 氮、锌含量 粉碎后的样品经过H2SO4消煮后，使用全自动凯氏定氮仪测定氮含量。粉碎后样品前处理用干灰化法灰化，然后按1∶1用HNO3溶液溶解，使用原子分光光度计测定锌含量。

1.4.2 氮和锌吸收、积累与分配 采用下面公式计算氮和锌吸收、积累与分配相关指标。

不同器官氮积累量=不同器官氮含量×不同器官干质量[18]；

不同器官锌积累量=不同器官锌含量×不同器官干质量[13]；

营养器官氮素转移量=开花期营养器官氮素积累量-成熟期营养器官氮素积累量[19]；

营养器官氮素转移率=营养器官氮素转移量/营养器官氮素总积累量×100%[19]；

营养器官氮素贡献率=营养器官氮素转移量/成熟期籽粒氮素积累量×100%[19]；

各器官转入籽粒锌总量=籽粒锌吸收量×（各器官总锌转移量/各器官总锌吸收量）[20]；

籽粒由再分配所获锌占籽粒锌总量的比例=各器官转入籽粒锌总量/籽粒锌吸收量×100%[20]；

某器官净转入籽粒锌量=∑（各器官转入籽粒总锌量/各器官总锌转移量）×该器官锌转移量[20]；

籽粒锌转运率=成熟期籽粒锌携出量/成熟期植株地上部锌吸收量×100%[20]。

1.5 数据处理

采用Excel 2019 进行数据整理，采用SPSS 26.0软件进行数据统计分析，利用邓肯法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 施氮量对小麦不同生育时期不同器官中氮积累量的影响

2.1.1 开花期前 从图1 可以看出，小麦开花期前的冬前期、返青期、拔节期3个时期不同器官氮积累量分配规律一致，开花期前不同器官之间、不同施氮量处理下相同器官间氮积累量均存在明显差异。3 个生育时期，N1 处理下，叶中氮积累量均明显高于初生根和次生根，分别提高6.61、11.92、37.19 倍和17.41、14.34、14.87 倍；N2、N3 处理不同器官间氮积累量分配规律与N1 处理一致。叶、初生根、次生根中氮积累量总体上均随施氮量的增加而显著增加，其中，N2 和N3 处理叶中氮积累量分别较N1 处理提高41.54%、38.45%、28.09%和60.32%、93.66%、93.18%。

图1 施氮量对小麦开花期前不同器官中氮积累量的影响Fig.1 Effects of nitrogen amount on nitrogen accumulation in different organs of wheat at pre-anthesis stage

2.1.2 开花期及其之后 如图2 所示，小麦开花期及其之后不同器官间、同一器官不同施氮量处理间均存在明显差异。对于不同器官间氮积累量，N1处理开花期余叶最大，灌浆期、成熟期表现为穗中部籽粒最大，3 个时期均为初生根最小；N2、N3 处理不同器官间氮积累量分布趋势与N1 处理一致，均以开花期余叶、灌浆期和成熟期穗中部籽粒中氮积累量最高，初生根最低。不同生育时期，同一器官氮积累量总体上均随着施氮量的增加而显著增加，其中，灌浆期、成熟期N2和N3处理穗中部籽粒氮积累量分别较N1 处理显著提高36.06%、42.18% 和79.34%、92.15%。

图2 施氮量对小麦开花期及其之后不同器官中氮积累量的影响Fig.2 Effects of nitrogen amount on nitrogen accumulation in different organs of wheat at anthesis and post-anthesis stages

2.2 施氮量对小麦不同生育时期不同器官中锌积累量的影响

2.2.1 开花期前 图3 表明，小麦开花期前的冬前期、返青期、拔节期3个生育时期叶与根系间的锌积累量存在明显差异，同一器官不同施氮量处理间总体上存在显著差异。对于不同器官锌积累量，所有施氮量处理均以叶最大，次生根最小。对于同一器官，随着施氮量的增加，叶锌积累量显著增加，N2和N3 处理较N1 处理分别增加27.05%、30.20%、30.09%和83.54%、94.17%、104.02%，初生根和次生根锌积累量与叶表现相似。

图3 施氮量对小麦开花期前不同器官中锌积累量的影响Fig.3 Effects of nitrogen amount on zinc accumulation in different organs of wheat at pre-anthesis stage

2.2.2 开花期及其之后 如图4 所示，小麦开花期余茎、灌浆期和成熟期穗中部籽粒锌积累量明显高于其他器官，同一器官不同施氮量处理间总体上存在显著差异。对于不同器官，所有施氮量处理开花期均以余茎锌积累量最大，灌浆期和成熟期均以穗中部籽粒锌积累量最大，3个时期均以初生根最小，其中，N1 处理3 个生育时期锌积累量最大值分别较初生根增加15.64、18.86、163.45 倍。对于同一器官，随着施氮量增加，3个生育时期锌积累量总体上均显著增加，其中，N2和N3处理余茎锌积累量分别较N1处理增加57.40%、51.78%、45.52%和130.38%、113.56%、73.24%。

图4 施氮量对小麦开花期及其之后不同器官中锌积累量的影响Fig.4 Effects of nitrogen amount on zinc accumulation in different organs of wheat at anthesis and post-anthesis stages

2.3 施氮量对小麦不同生育时期不同器官中氮、锌净吸收和净转移平衡的影响

2.3.1 氮净吸收和净转移平衡 从表1 可以看出，初生根在返青期前、次生根在开花期前的总氮净吸收量分别为1.40～2.23、2.23～6.91 mg/株，之后总氮净吸收量分别为-1.82～-1.23 mg/株、-5.59～-1.35 mg/株，表明初生根在返青期前、次生根在开花期前分别是氮的净吸收器官，之后则转为氮的净转移器官。类似于初生根和次生根，叶在拔节期前为氮的净吸收器官，拔节期后转为氮的净转移器官；茎在开花期前为氮的净吸收器官，开花期后转为氮的净转移器官；颖壳在灌浆期前为氮的净吸收器官，灌浆期后转为氮的净转移器官。上述营养器官对氮的总净吸收量和总净转移量均以叶最高，分别为34.75 ～67.13 mg/株和29.01 ～52.17 mg/株；根最低，分别为3.63～9.14 mg/株和2.58～7.41 mg/株。上述营养器官对籽粒的贡献率表现为叶＞茎＞颖壳＞根。

表1 施氮量对小麦不同生育时期不同器官中氮净吸收与净转移平衡的影响Tab.1 Effects of nitrogen amount on the balance of net nitrogen uptake and transfer in different organs of wheat at different stages

续表1 施氮量对小麦不同生育时期不同器官中氮净吸收与净转移平衡的影响Tab.1（Continued）Effects of nitrogen amount on the balance of net nitrogen uptake and transfer in different organs of wheat at different stages

2.3.2 锌净吸收和净转移平衡 如表2 所示，小麦初生根冬前期前是锌的净吸收器官，之后变为锌的净转移器官，总净吸收量和总净转移量分别为1.60～1.70 μg/株和1.45～1.54 μg/株。次生根在开花期前为锌的净吸收器官，之后成为锌的净转移器官，总净吸收量和总净转移量分别为1.76 ～4.75 μg/株和1.23～4.17 μg/株。叶在拔节期前为锌的净吸收器官，拔节期以后转为锌的净转移器官，总净吸收量和总净转移量分别为10.11～20.62 μg/株和7.85～14.65 μg/株。茎在拔节期干物质积累量较小，暂且忽略不计，在拔节到开花期为锌的净吸收器官，在开花期后为锌的净转移器官，且余茎在不同生育时期锌的净转移量大于穗下茎，茎总净吸收量和总净转移量分别为13.16 ～26.48 μg/株和9.53～20.22 μg/株。颖壳在灌浆期前是小麦锌的净吸收器官，在灌浆期后逐渐转为锌的净转移器官，且穗中部颖壳锌的净吸收量和净转移量均最大，净吸收量略小于穗上部和穗下部颖壳之和，净转移量大于穗上部和穗下部颖壳之和。次生根是作为锌的净吸收器官持续时间最长的，作为锌的净吸收器官的功能期大于其他器官。以上不同器官锌的净吸收量和净转移量均表现为叶＞茎＞颖壳＞根。

续表2 施氮量对小麦不同生育时期不同器官中锌净吸收与净转移平衡的影响Tab.2（Continued）Effects of nitrogen amount on the balance of net zinc uptake and transfer in different organs of wheat at different stages

续表2 施氮量对小麦不同生育时期不同器官中锌净吸收与净转移平衡的影响Tab.2 （Continued）Effects of nitrogen amount on the balance of net zinc uptake and transfer in different organs of wheat at different stages

籽粒通过再分配获得的锌从灌浆期以后随着生育时期的推进呈现递减的趋势。再分配占穗上、中、下部籽粒锌吸收量的比例分别为24.42%～42.00%、22.76%～38.61%、19.77%～42.89%，穗上部籽粒通过再分配所获得的锌占比略大于穗中部和穗下部籽粒。与N1 处理相比，N2、N3 处理穗上、中、下部籽粒通过再分配所获锌占比增加了55.56%～72.00%、49.35%～69.61%、93.07%～116.91%，说明增加氮肥施用量增大了各营养器官对穗上、中、下部籽粒锌的再分配。

3 结论与讨论

3.1 施氮量与小麦锌吸收、积累与分配的关系

研究发现，施氮可显著增加小麦籽粒锌浓度[8，13，21-22]，增加施氮量显著提高小麦植株在各生育时期和不同器官中锌积累量[23-25]。在施氮量低于240 kg/hm2时，小麦不同器官锌积累量随着施氮量增加而增大[9]，开花期前植株锌积累量与开花期及其之后籽粒锌吸收量随施氮量增加呈现增加的趋势。本研究结果也呈现出相同的变化趋势，即在施氮量低于270 kg/hm2时，随着施氮量的增加，小麦植株及不同器官锌积累量均表现为增加的趋势，锌积累量与施氮量呈正相关关系。相关研究发现，随着施氮水平的提高，与锌螯合有关的尼克酰胺合成酶基因TaNAS3和TaNAS2在新叶中的表达量增加，而TaNAS1基因在根系中的表达量也增加，说明增加氮素供应也可增加根系对锌的吸收及向地上部的转运[25]。张均等[26]发现，适量增施氮肥可以提高小麦根系对锌的吸收。这与本研究结果一致。本研究发现，施氮量小于270 kg/hm2时，施氮量越大，植株根系锌净吸收量越大，且处理间差异达到显著水平。这可能是因为施氮促进参与吸收转运锌等酶类的合成，从而促进植株对锌的吸收及向地上部的转运，从而表现出协同效应；同时，本研究发现，提高施氮量可增加根中锌的总净吸收量及总净转移量。吴天琪等[27]研究发现，施氮可提高小麦灌浆前期叶片等营养器官锌向籽粒的转移量，籽粒中氮锌含量呈显著线性正相关。本研究结果与其一致，且本研究还发现，增加氮素供应可增加小麦全生育期不同器官锌向籽粒的转移量及不同器官再分配占籽粒锌吸收量的比例。王少霞等[28]发现，土施氮肥可提高开花期前累积锌向籽粒的转运量及再转移率，也提高了开花期及其之后锌吸收以及吸收锌向籽粒的转移量；与不施氮处理相比，施氮可提高第1年叶部和第2 年茎秆中锌的分配比。本研究亦发现，增加施氮量可以增加开花期前不同器官及开花期后籽粒锌吸收和开花期后除籽粒外其他器官的锌转移。

3.2 小麦不同器官中锌向籽粒转移的规律

研究发现，小麦开花期及其之后穗部含锌量最高，成熟期以籽粒中最高[9]。这与本试验中开花期及其之后穗部锌积累量最高的结论一致。这可能与锌主要存在于生理活性较高的器官中有关。党红凯等[20]研究发现，小麦叶从出苗到起身期为锌的净吸收器官（叶片为开花期前，叶鞘为起身期以前），茎秆和穗从起身期到开花期为锌的净吸收器官，对籽粒的贡献表现为叶片＞穗＞叶鞘＞茎秆。本研究发现，叶在拔节期前为锌的净吸收器官，拔节期后转为锌的净转移器官。茎在开花期前为锌的净吸收器官，开花期后转为锌的净转移器官。穗部颖壳在灌浆期前为锌的净吸收器官，灌浆期后为锌的净转移器官。对籽粒贡献率表现为叶＞茎＞颖壳＞根。本研究与党红凯等[20]结果大致相同，存在细微差异，可能的原因：一方面，器官分类不同；另一方面，气候、土壤等外部环境也可能导致差异，如土壤干旱会造成土壤中微量元素的缺失，土壤pH 值、根际有机无机物质、土壤矿物质等都会影响根系吸收养分。薛艳芳等[29]研究发现，大部分锌都能从根运输到地上部，成熟期在0～60 cm 土层中仅有10%～17%的锌分布在根系中。本研究发现，出苗到成熟期根系剩余的锌积累量占总吸收量的10%左右，这与前人研究结果一致。说明小麦通过根系吸收锌元素，到成熟期最终主要分配到籽粒中。KUTMAN等[16]研究发现，在正常供锌尤其是高锌供应条件下，氮供应量提高，小麦地上部植株锌浓度和锌累积量分别增加23.1%～31.5%和37.5%～49.7%，说明增加氮素供应，可以促进根系对锌的吸收，是提高植株锌浓度和锌积累量的有效途径。本研究也发现，随着施氮量增加，根中锌再分配到籽粒中的锌占籽粒锌吸收量的比例增加。说明增加施氮量有利于锌从根向籽粒中转运。这可能是因为施氮增加小麦从土壤中吸收氮，氮又促进小麦植株中吸收转运锌物质如尼克酰胺（NA）、脱氧麦根酸（DMA）等含氮化合物及IRT-like 蛋白、YSL、HMA 等锌转运载体的合成[29]，从而促进根系对锌的吸收及向籽粒中的转移。