氮素運(yùn)籌對皖草2號和墨西哥玉米吸收 Fe、Mn、Cu、Zn 的影響

張曉艷，王麗麗，王利民，房毅，董樹亭，阮懷軍*

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技信息工程技術(shù)研究中心，山東濟(jì)南250100;2.山東省作物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東泰安271018)

礦物質(zhì)微量元素是動(dòng)物必需的養(yǎng)分之一，具有不可替代的生理生化作用，它是動(dòng)物體細(xì)胞和組織特別是骨骼形成的最主要成分，它能調(diào)節(jié)血液及淋巴滲透壓的恒定，保證細(xì)胞獲得營養(yǎng)，維持血液的酸堿平衡等作用［1］。錳是骨骼中軟骨的必需成分，參與碳水化合物、脂類和蛋白質(zhì)代謝的一些酶類的組成成分;與生長繁殖有關(guān)，為預(yù)防骨短粗癥、形成正常骨骼、保持優(yōu)質(zhì)蛋殼所必需，參與銅的造血功能。鐵的主要營養(yǎng)作用是轉(zhuǎn)運(yùn)和貯存氧，參與物質(zhì)代謝，是很多酶的組成成分，在體內(nèi)催化各種化學(xué)反應(yīng)。銅是超氧化物歧化酶，銅是誘導(dǎo)金屬硫蛋白和血漿銅藍(lán)蛋白的重要成分，這些酶可保護(hù)細(xì)胞免受氧代謝的毒性影響，維護(hù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的完整性;銅能影響鐵的吸收及運(yùn)輸，促使無機(jī)鐵變成有機(jī)鐵，促進(jìn)鐵儲(chǔ)存于骨髓，加速血紅蛋白及卟啉合成，促進(jìn)幼稚紅細(xì)胞成熟并釋放，對機(jī)體造血功能起著積極作用;銅參與骨骼的形成;銅能促進(jìn)垂體釋放生長激素、促甲狀腺素、促黃體素和促腎上腺皮質(zhì)激素，從而影響奶牛繁殖力;銅可提高消化酶的活性，或調(diào)整腸道微生態(tài)并增加血液中促有絲分裂因子，刺激垂體細(xì)胞分泌生長激素，進(jìn)而促進(jìn)生長;銅對提高飼料轉(zhuǎn)化率和泌乳量效果顯著。鋅影響動(dòng)物生長、發(fā)育和繁殖功能，影響骨骼和血液的形成及核酸、蛋白質(zhì)和碳水化合物代謝;與毛的生長、皮膚的健康、創(chuàng)傷的愈合有關(guān)［2］。

雜交蘇丹草(Sorghum sudanense)和墨西哥玉米(Zea mexicana)是生產(chǎn)上利用的主要禾本科牧草，雜交高粱－蘇丹草產(chǎn)量高、品質(zhì)好、抗逆性強(qiáng)、具有較好的適應(yīng)性，在畜牧業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)及資源利用與環(huán)境保護(hù)上有著廣闊的開發(fā)利用前景［3，4］。墨西哥玉米又名大芻草，是遺傳穩(wěn)定的青飼料類玉米新品種，具有抗病蟲、耐肥水、喜高溫、分蘗和再生能力強(qiáng)，產(chǎn)量大，飼用價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)，在我國因物候期不同表現(xiàn)為多年生和一年生［5］。之前對皖草2號和墨西哥玉米的報(bào)道多是在形態(tài)學(xué)、產(chǎn)量及基本營養(yǎng)品質(zhì)方面［6-8］。動(dòng)物所需的礦物質(zhì)營養(yǎng)是從飼草料中獲得的，飼草中礦質(zhì)元素含量的高低對食草動(dòng)物的生長有影響。氮素運(yùn)籌對飼用作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響有很多報(bào)道［9-13］。對礦質(zhì)元素的研究多注重其對動(dòng)物的生理作用方面，然而植物性飼料中微量元素含量變化較大，而且影響飼料中礦質(zhì)元素的因素也較多，主要有:土壤因素、作物因素、人為因素、其他因素等［14］。張淑香等［15］和曾清如等［16］認(rèn)為，增施氮肥和磷肥會(huì)在一定程度上改變土壤中Fe、Zn、Cu、Mn等元素的有效性;袁繼超等［17］認(rèn)為稻米中Fe、Zn、Cu、Mn、Mg、Ca的含量和產(chǎn)量均隨著施氮量的增加先上升后下降。張炳運(yùn)等［18］施用鋅肥提高了苜蓿(Medicago)植株鋅含量，鉬肥顯著提高了苜蓿植株鉬含量，施用微肥對苜蓿植株Fe、Cu含量無顯著影響，而降低了Mn、B含量，顯著降低了Co含量。程淑貞和解淑云［19］、張睿等［20］報(bào)道，增施氮肥可以影響啤酒大麥(Hordeum uhulgare)和小麥(Triticum aestivum)籽粒中 Fe、Cu、Zn、Mn 等微量元素的含量;伍時(shí)照等［21］指出，增施有機(jī)肥是提高稻米微量元素含量的有效措施。但關(guān)于氮肥對皖草2號和墨西哥玉米牧草中Mn、Fe、Cu、Zn元素含量的影響未見報(bào)道。本研究通過田間試驗(yàn)，探討了氮肥施用量和施用時(shí)期對皖草2號和墨西哥玉米植株中Mn、Fe、Cu、Zn元素含量、積累量、產(chǎn)量的影響，以探明牧草吸收礦質(zhì)營養(yǎng)的規(guī)律，以期為皖草2號和墨西哥玉米優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

試驗(yàn)于2008－2009年在山東泰安中國黃淮海區(qū)域玉米技術(shù)創(chuàng)新中心進(jìn)行，試驗(yàn)地點(diǎn)位于北緯36°09'，東經(jīng)117°09'，屬于溫帶半濕潤大陸性氣候，四季分明，光照充足，年日照2 611 h，年平均氣溫12.8℃，無霜期約200 d，年降水量701.6 mm。供試材料為皖草2號(雜交蘇丹草的一種)和墨西哥玉米。選取生產(chǎn)上適宜密度種植，分別為皖草2號30.0萬株/hm2［22］和墨西哥玉米40 005株/hm2［5］，采用大田小區(qū)栽培，小區(qū)面積為18 m2，設(shè)置5個(gè)處理(表1)，3次重復(fù)，隨機(jī)排列。土壤基礎(chǔ)肥力:有機(jī)質(zhì)含量為1.64%，全氮含量為0.069%，堿解氮為103.44 mg/kg，速效磷為35.61 mg/kg，速效鉀為61.09 mg/kg。從6月10日播種到10月10日收獲，2種牧草各刈割3次，當(dāng)植株長到100 cm左右時(shí)開始收獲，每次留茬25 cm，其中皖草2號刈割時(shí)間分別為7月5日、8月6日和10月4日，墨西哥玉米刈割時(shí)間分別為7月14日、8月21日和10月10日。N3和N4處理刈割后當(dāng)天澆水、施肥。每小區(qū)選取長勢相對均勻的植株5株進(jìn)行刈割，然后把莖葉分開裝袋，樣品稱鮮重后于105℃殺青30 min，75℃烘干至恒重，粉碎后過40 mm篩，供室內(nèi)分析備用。

表1 不同處理氮肥用量和施肥時(shí)期Table 1 Different nitrogen rates and nitrogen application stages

錳、鐵、銅和鋅微量元素的測定:準(zhǔn)確稱取植株樣品0.400 0 g左右，每個(gè)樣品稱取3份(3次重復(fù))，分別置于不同消化管中，加入混合酸(VHNO3∶VHClO4=4∶1)5.00 mL，搖勻放置過夜，于次日在消煮爐上低溫分解，消煮過程中加入2～3滴H2O2，待溶液中棕色煙霧消盡，消煮至溶液清亮為止，冷卻后用去離子水定容至25 mL，搖勻后待測Fe、Mn、Cu、Zn含量。在測定前配制標(biāo)準(zhǔn)曲線溶液，標(biāo)準(zhǔn)溶液酸的濃度與消煮液酸的濃度相同，然后按空白、標(biāo)樣和待測樣品順序直接利用ICPS-7500等離子體發(fā)射光譜儀測定。礦質(zhì)元素含量計(jì)算如下式:

其中，X為樣品中養(yǎng)分含量(mg/g);D為樣品測定值(mL/L);B為空白值(mL/L);m為樣品質(zhì)量(g)。

采用Microsoft Excel 2000進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析及多重比較(P=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素對植株微量元素含量的影響

2種牧草4種微量元素中Fe元素含量最高，且葉片中Fe的含量明顯高于莖，Mn元素含量略高于Cu和Zn，墨西哥玉米Fe元素含量明顯高于皖草2號，而后者的Mn、Cu和Zn元素含量高于前者。2種牧草一次性施肥處理中，均是N1處理Fe元素含量最高，而分次施肥處理隨施氮量的增加，F(xiàn)e元素含量有升高趨勢。墨西哥玉米隨施氮量的增加，Mn元素含量升高，尤其是一次性施肥處理表現(xiàn)更為明顯;皖草2號一次性底施N1處理Mn元素含量最高。皖草2號低施氮量處理Cu和Zn元素含量較高，可能是施氮量高反而限制了植株對Cu和Zn元素的吸收。墨西哥玉米一次性施肥處理隨施氮量的增加Cu含量降低;墨西哥玉米Zn元素含量一次性施肥處理高于分次施肥處理(表2)。

表2 氮素對皖草2號和墨西哥玉米微量元素含量的影響Table 2 Effects of nitrogen on contents of microelements in Wancao 2 and Z.mexicana mg/g

2.2 不同收獲期植株微量元素含量變化

皖草2號Fe、Mn、Zn元素頭茬草含量較高，再生草中Cu元素含量較高，葉片中Cu的含量顯著高于莖(表3)。墨西哥玉米葉片F(xiàn)e、Mn和Cu含量高于莖;Mn隨刈割次數(shù)增加，含量逐漸降低;而Zn在植株體內(nèi)的含量隨刈割有升高趨勢。

2.3 氮素對單株微量元素累積的影響

皖草2號單株葉片中Fe的累積量高于莖，而其他元素是單株莖的累積量大于葉片(圖1);墨西哥玉米單株葉片中Fe、Mn、Cu、Zn的累積量顯著大于莖，微量元素累積量是由單株各器官的干重和微量元素含量共同決定的，墨西哥玉米單株葉片干重占絕大部分，所以葉片中各微量元素含量的累積量顯著高于莖。不同氮素運(yùn)籌比較發(fā)現(xiàn)，2種牧草4種微量元素累積量均是一次性施肥處理(N1處理)的最高。

2.4 氮素對植株礦質(zhì)元素產(chǎn)量的影響

墨西哥玉米Fe、Mn、Cu和Zn各微量元素產(chǎn)量顯著高于皖草2號，不同氮素處理的變化趨勢與單株各元素累積量一致，兩牧草均是N1處理各元素產(chǎn)量最高(圖2)。墨西哥玉米葉片F(xiàn)e、Mn、Cu和Zn元素產(chǎn)量顯著高于莖，皖草2號葉片F(xiàn)e的產(chǎn)量顯著高于莖，墨西哥玉米植株中，葉片干物質(zhì)重占單株的比例相對較大，因而其微量元素的產(chǎn)量變化趨勢和單株累積量一致，葉片中各微量元素的產(chǎn)量顯著高于莖。

表3 不同收獲期植株微量元素含量的變化Table 3 Variation of microelements in plants at different harvesting stages

圖1 氮素對錳、鐵、銅、鋅元素積累量的影響Fig.1 Effects of nitrogen on accumulation amount of Mn，F(xiàn)e，Cu and Zn

圖2 氮素對錳、鐵、銅、鋅元素產(chǎn)量的影響Fig.2 Effects of nitrogen on output of Mn，F(xiàn)e，Cu and Zn

2.5 再生草微量元素累積速率

墨西哥玉米各礦質(zhì)元素的累積速率均高于皖草2號，且Fe的累積速率最大。兩者再生草Mn、Fe、Cu和Zn礦質(zhì)元素累積速率均是逐漸下降的，墨西哥玉米的下降幅度較大，皖草2號下降速率較平緩。兩者各微量元素的累積速率順序是Fe＞Mn＞Zn＞Cu。

圖3 2種飼用作物再生草Fe、Mn、Cu、Zn累積速率比較Fig.3 Comparison on absorption intensity of Fe，Mn，Cu and Zn in regrowth Wancao 2 and Z.mexicana

3 討論

微量元素是機(jī)體內(nèi)含量極微的元素，在體內(nèi)含量0.01% ～0.000 01% 的稱為微量元素，如錳(Mn)、鐵(Fe)、銅(Cu)、鋅(Zn)、碘(I)、鈷(Co)、鉬(Mo)、硒(Se)、鉻(Cr)等。正確使用微量元素能提高動(dòng)物健康水平，促進(jìn)動(dòng)物生長，提高生產(chǎn)性能，改善畜產(chǎn)品品質(zhì);過量使用則效果相反，并有可能導(dǎo)致中毒死亡，不同元素對動(dòng)物機(jī)體的功能不同。

多數(shù)礦物質(zhì)元素是隨食物鏈進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)的，對于食草動(dòng)物來說，草料中礦質(zhì)元素含量的高低對其生長發(fā)育有直接或間接的關(guān)系。盡管前人［23-27］對不同作物、不同肥料(包括微肥)處理、不同作物植株體內(nèi)各微量元素的含量及積累量等進(jìn)行了研究，但未見皖草2號和墨西哥玉米鐵、錳、銅、鋅礦質(zhì)營養(yǎng)方面的研究。因此，本研究分析了皖草2號和墨西哥玉米植株各器官中的微量元素含量、累積量以及產(chǎn)量變化情況。結(jié)果表明，2種牧草4種微量元素中鐵元素含量最高，且葉片中鐵的含量明顯高于莖;墨西哥玉米鐵元素含量顯著高于皖草2號，2種牧草均是一次性底施300 kg/hm2處理(即N1處理)鐵元素含量最高，而分次施肥處理隨施氮量的增加，鐵元素含量有升高趨勢，說明施氮量對牧草吸收礦質(zhì)營養(yǎng)有一定的影響，施氮量高反而影響了礦質(zhì)元素的吸收。皖草2號和墨西哥玉米頭茬草4種微量元素含量均最高，從前期的研究結(jié)果中也發(fā)現(xiàn)，頭茬草的營養(yǎng)價(jià)值及適口性等方面均高于再生草，那么在生產(chǎn)上應(yīng)該注重頭茬草的產(chǎn)出情況。皖草2號低施氮量處理銅和鋅元素含量較高，單株葉片中鐵的累積量高于莖，而錳、銅和鋅元素單株莖的累積量大于葉片;墨西哥玉米鐵、錳、銅、鋅元素單株累積量均是葉片顯著大于莖。單株礦質(zhì)元素的累積量由單株莖(或葉)的干重及礦質(zhì)元素含量決定的，當(dāng)莖(或葉)占植株總干重的比重較大，且礦質(zhì)元素含量較高時(shí)，那么單株莖(或葉)礦質(zhì)元素累積量相對就會(huì)較高。墨西哥玉米葉片錳、鐵、銅、鋅元素產(chǎn)量顯著高于莖，不同氮素處理的產(chǎn)量變化趨勢與單株各元素累積量一致。兩者再生草錳、鐵、銅、鋅元素累積速率均呈逐漸下降趨勢，各微量元素的累積速率順序是鐵＞錳＞鋅＞銅。不同氮素運(yùn)籌比較發(fā)現(xiàn)，墨西哥玉米錳、鐵、銅、鋅各微量元素產(chǎn)量和累積速率均高于皖草2號，且2種牧草4種微量元素累積量均是一次性施肥處理300 kg/hm2處理(即N1處理)最高。2種牧草由于基因型差異，對各種礦質(zhì)元素吸收能力不同，且由于生物量的大小，表現(xiàn)出各礦質(zhì)元素含量、積累量及產(chǎn)量的差異，至于施氮量對礦質(zhì)元素吸收的影響機(jī)理還有待于進(jìn)一步探討。本研究表明，生產(chǎn)上選擇皖草2號采取一次性施入氮肥300 kg/hm2的管理措施，可獲取礦質(zhì)營養(yǎng)較高的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)牧草。盡管目前對作物礦質(zhì)營養(yǎng)元素的高效吸收和向植株各器官運(yùn)輸?shù)纳頇C(jī)制還缺乏深入了解，但從農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)措施上促進(jìn)作物礦質(zhì)元素的有效吸收和積累值得研究。

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