水稻鋅營養(yǎng)及鋅肥高效施用研究進展

葉廷紅，張 賡，李小坤*

（1.華中農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游耕地保育重點實驗室/華中農(nóng)業(yè)大學微量元素 研究中心，湖北 武漢 430070；2.全國農(nóng)業(yè)技術推廣服務中心，北京 100026）

鋅（Zn）是動植物生長發(fā)育過程中必需的微量元素之一。在植物中，鋅是許多酶的組成成分，對蛋白質合成、碳水化合物代謝、細胞分裂、基因表達等過程具有重要作用［1］，植物缺鋅時常常出現(xiàn)植株矮小、生長緩慢。同時，鋅也與人體健康密切相關［2-3］，缺鋅會使人體生長發(fā)育遲緩、免疫力低下、生殖功能下降，產(chǎn)生智力障礙，甚至出現(xiàn)不孕等一系列疾病［4］。人體自身不能合成鋅元素，只能通過食物來補充，當人體每天攝入的鋅含量超過15mg 時才能滿足正常生命活動需求［5］，因而提高食物中的鋅含量至關重要。水稻是世界上半數(shù)以上人口的主食，其產(chǎn)量和品質備受關注，關于鋅肥在水稻上的施用也已成為水稻研究領域的一個熱點［6-7］。全球約50%的谷物產(chǎn)區(qū)土壤有效鋅缺乏［8-9］，由土壤缺鋅引起的稻米鋅含量低又將導致人體缺鋅普遍。因此，了解水稻鋅營養(yǎng)，掌握鋅肥高效施用技術對提高水稻產(chǎn)量和籽粒鋅含量具有重要意義。本文綜述了鋅對水稻的作用、水稻施鋅效應以及鋅肥的施用方法，提出了鋅肥高效施用技術，并對水稻鋅營養(yǎng)研究進行了展望。

1 鋅在水稻中的營養(yǎng)功能

鋅是許多酶的組成成分和活化劑，超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（POD）等酶中都含有鋅［10］，施鋅后水稻根、葉中SOD 活性比不施鋅增加243.48%、172.77%，POD 活性比不施鋅增加43.60%和75.35%［11］，有利于增強細胞的清氧能力，保證細胞免受活性氧的破壞，促進水稻生長［12］。鋅與蛋白質代謝密切相關，缺鋅時蛋白質合成受阻；研究證明，稻株缺鋅導致核糖核酸酶活性提高，核糖核酸降解加快，蛋白質含量下降［13］。鋅參與了植物體內(nèi)的生長素代謝，鋅能促進吲哚和絲氨酸合成色氨酸，而色氨酸是生長素的前身；缺鋅時，吲哚乙酸合成銳減，抑制了色氨酸轉化為生長素，植物生長發(fā)育緩慢甚至出現(xiàn)停滯狀態(tài)［14］。鋅會影響植物體內(nèi)的碳水化合物代謝，因為鋅能增加植物體內(nèi)葉綠素的含量，并催化葉綠素的光合反應［15］，研究表明，缺鋅時，水稻葉綠素含量會減少31%，光合會降低12%［16］；鋅也是植物碳酸酐酶（CA）的輔因子，在光合作用過程中，H2O 和CO2能 在CA 催 化 下 形 成HCO3-［17］，同 時CA 也可捕捉光呼吸過程釋放的H2CO3，釋放CO2，為光合作用提高底物［18］。鋅能明顯影響水稻的生殖生長，施鋅后水稻有效穗增加10.2%，穗粒數(shù)增加7.0%［19］。此外，鋅還能提高植物的抗逆性，當水稻處于澇、旱、鹽、冷等不良環(huán)境時，體內(nèi)活性氧會增加［20］，破壞細胞膜透性，降低植物的抵抗能力，而鋅能維持細胞膜的完整，避免蛋白質和膜脂被過氧化。

2 稻田土壤鋅含量及水稻缺鋅診斷

稻田土壤有效鋅含量是判斷土壤是否缺鋅的重要指標，當土壤有效鋅（DTPA-Zn）含量低于土壤缺鋅臨界值0.5mg/kg 時，植物生長受到抑制［21］。土壤有效鋅含量受到土壤pH 值、土壤類型、土壤全鋅含量、有機質含量、土壤含水量、土壤溫度等因素的影響［22-23］，其中，pH 值對土壤有效鋅含量的影響最為突出，研究表明，pH 值增加一個單位，土壤溶液鋅離子濃度會降低4～10倍［24］。一般認為，在pH 值＞6.5 的土壤中易缺鋅，水稻土pH 值大于7.2 時，水稻易發(fā)生缺鋅［25］。不同土壤類型的鋅含量有差異，主要是因為其發(fā)育母質不同［21］；在低有機質含量、低土壤含水量、低土壤溫度條件下，土壤有效鋅含量一般較低［22-23］。此外，注重養(yǎng)分間的協(xié)調也是提高鋅有效性的重要措施，在一定范圍內(nèi)，土壤鋅有效性與土壤全氮、全磷、有機質呈顯著正相關關系［26］，但大量施用磷肥或土壤磷含量過高時，會抑制作物對鋅的吸收從而導致缺鋅［27］。

水稻是對鋅敏感的作物，通常可作為判斷土壤有效鋅豐缺的指示植物。水稻缺鋅常出現(xiàn)在移栽后2～4 周，表現(xiàn)為僵苗或稻縮苗，具體癥狀為新葉基部發(fā)白，生長緩慢；老葉沿中脈向兩側發(fā)褐，嚴重時有褐色斑點［28］；老根變黑，新根不長或生長遲緩；稻株矮小，不發(fā)生分蘗或很少分蘗，甚至枯萎死去。

3 水稻施鋅效應

3.1 施鋅對水稻產(chǎn)量的影響

土壤缺鋅會嚴重制約作物的生長和產(chǎn)量的提升。根據(jù)土壤中鋅的供給情況和農(nóng)作物對缺鋅的敏感程度，可將鋅肥應用效果分為3 區(qū)：鋅肥顯效區(qū)（有效態(tài)鋅低于0.5mg/kg），農(nóng)作物常有缺鋅癥狀，鋅肥效果顯著；鋅肥有效區(qū)（有效態(tài)鋅含量0.5～1.0mg/kg），農(nóng)作物潛在缺鋅，施鋅有效；鋅肥可能有效區(qū)，土壤有效態(tài)鋅低于缺鋅臨界含量，但田間試驗少，有待進一步驗證［21］。因此，鋅肥施用效果與土壤有效鋅含量密切相關［29］，當土壤有效鋅含量較高時，鋅不是水稻增產(chǎn)的限制因子，鋅肥施用對水稻增產(chǎn)效果并不顯著，有時可能還會造成毒害［30］。此外，鋅肥施用效果還與施用方式、施用量、施用時期以及不同年代氣候、產(chǎn)量水平和農(nóng)藝措施等有關。

鋅肥施用效果受施鋅量影響較大［7，19，30-35］（圖1）。隨著鋅肥用量增加，水稻增產(chǎn)率上升，但當鋅肥用量超過50kg/hm2時，可能會對水稻造成毒害而導致減產(chǎn)［30］。不同施鋅條件下，水稻增產(chǎn)率在2%～30%［19，30，32，36］，變異較大。這主要是因為不同稻區(qū)土壤有效鋅含量相差較大，導致鋅肥效應不同。例如，四川省水稻施鋅增產(chǎn)4.6%［37］，貴州省增產(chǎn)達8.4%［32］，江蘇省增產(chǎn)13.0%［30］。鋅肥施用效果具有年際效應，由于不同年代下氣候、土壤肥力、產(chǎn)量水平、作物品種、農(nóng)藝措施差異較大，不同年代鋅肥施用效果也有差異［38］（圖2）。從20 世紀70年代到2013 年，鋅肥基施增產(chǎn)效果從29.7%降至6.0%，呈現(xiàn)逐年降低的趨勢，一方面可能是因為鋅肥后效大，前一年施用的鋅肥殘留導致土壤鋅含量提高，鋅不再是最小限制因子；其次是耐低鋅品種更替。

圖1 鋅肥施用量對水稻增產(chǎn)率的影響

圖2 不同年代下施鋅增產(chǎn)率［38］

鋅肥施用方式也會影響施鋅效果［7，33，37，39-40］（圖3）。鋅肥施用方式主要有土施（基施）、葉面噴施、種子處理。與葉面施鋅相比，土壤施鋅增產(chǎn)效果最佳；土壤施用與葉面噴施相結合也能達到較好的增產(chǎn)效果。此外，施鋅對不同季型水稻的增產(chǎn)效果也有差異。根據(jù)湖北省126 個施鋅試驗，早、中、晚稻平均增產(chǎn)分別為12.6%、10.8%、8.2%［41］，早稻顯著高于晚稻，一般認為是早春氣溫低，土壤有效鋅含量低，早稻施肥效果較顯著［42］。需要注意的是，鋅肥利用率不高，第一季水稻鋅肥利用率僅為0%～3.5%［41-42］，存在后效，在施肥用量大時尤為明顯。因此，鋅肥可隔年施用，避免造成作物鋅中毒［35］。

圖3 鋅肥施用方法對水稻增產(chǎn)率的影響

3.2 施鋅對稻米營養(yǎng)品質的影響

水稻是我國主要糧食作物之一，水稻籽粒鋅含量一般在8～53mg/kg［29，43-44］。土壤鋅含量是導致稻米鋅含量差異的主要原因，同一水稻品種生長在不同鋅含量土壤上其籽粒鋅濃度在8～47mg/kg［29］。施肥也會影響稻米籽粒鋅含量，施鋅量增加，籽粒鋅含量提高［30］，但鋅肥的不同施用方法對水稻籽粒中鋅濃度的貢獻率不同［39，45］（圖4），與土施鋅肥相比，葉面噴施鋅肥使籽粒鋅濃度提高幅度更大。葉面噴施鋅肥能顯著提高籽粒鋅含量可能是因為避免了鋅被復雜的土壤所固定吸附，同時也減少了植物體鋅向籽粒的轉運距離，提高了鋅肥施用的生物有效性。此外，土施鋅肥和葉面噴施相結合也能顯著提高稻米鋅含量，提高稻米營養(yǎng)品質［46］，但這種方式成本較高，農(nóng)民可能難以接受。水稻籽粒鋅含量還與鋅離子活度密切相關，隨鋅離子活度下降，水稻籽粒含鋅量降低，當鋅離子活度為10.3 時，碧玉早糯籽粒鋅含量最高，鋅離子活度超過或低于此值均會降低籽粒鋅含量［47-48］，因此，增加環(huán)境中的鋅離子活度，有利于改善水稻的鋅營養(yǎng)，提高水稻籽粒的鋅含量。

圖4 鋅肥施用方法對水稻籽粒鋅含量的影響［39，45］

在追求高鋅含量稻米的同時，稻米鋅的生物有效性也備受關注［49-50］。稻米中的植酸含量是影響籽粒鋅有效性的重要因素之一［51-52］，植酸含量高的稻米鋅的有效性低，因為植酸會與鋅形成絡合物，影響人體吸收鋅［50］。施肥會影響稻米中植酸含量，研究表明，磷肥施用會提高籽粒植酸含量7%～64%，降低鋅的有效性［52］；而鋅肥施用可以使水稻籽粒植酸含量降低14.8%～30.4%，也能使米飯中鋅的生物有效性提高52%［45］。此外，鋅肥施用還能降低水稻籽粒中重金屬的含量，保障糧食安全［53-54］。鋅降低重金屬污染可能是因為鋅與某些重金屬具有相似的原子半徑，施鋅后通過離子間的拮抗作用來減少水稻對重金屬特別是鎘的吸收［53］。但也有研究表明，鋅對水稻籽粒鎘富集具有多重效應，當土壤鎘含量中等或較低時，施鋅會增加籽粒鎘含量；而鎘含量較高時，施鋅能降低籽粒鎘含量［55-56］。因此，在鎘污染稻區(qū)，鋅肥施用應協(xié)調好鋅與鎘的關系。

綜上，在土壤有效鋅含量較低的土壤上，施用鋅肥可以滿足作物正常生長對鋅的需求，從而保證水稻產(chǎn)量，且土壤施鋅增產(chǎn)效果更佳。若要進一步增加籽粒中鋅含量，提高稻米品質，可采用葉面噴施鋅肥［57］，且在花前1 周和花期多次噴施更能提高籽粒鋅含量［58-59］。而要在增加產(chǎn)量的同時增加籽粒中鋅含量最有效的方法是土施和葉面噴施相結合［46］。

4 鋅肥在水稻上的施用技術

4.1 鋅肥種類

鋅肥可分為無機鋅和有機鋅，無機鋅主要包括硫酸鋅、氯化鋅、氧化鋅、碳酸鋅等；有機鋅是指有機配體形成的絡合物或螯合物，如氨基酸鋅復合物［60］、葡萄糖酸鋅等。在糧食生產(chǎn)中，通常所用的鋅肥是硫酸鋅。隨著技術的發(fā)展和進步，將鋅添加到大量元素肥料中使之成為復合肥也逐漸發(fā)展起來，例如氮鋅復合肥、磷鋅復合肥、鉀鋅復合肥等已應用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。此外，含鋅的包膜肥料也正在開發(fā)，對水稻而言，濃度為1.0%硫酸鋅包衣尿素最為經(jīng)濟和實用，能使水稻增產(chǎn)28%，籽粒鋅含量增加到35mg/kg 以上［61］。

4.2 鋅肥施用方法

鋅肥施用方法包括土壤施用、葉面噴施和種子處理3 種。鋅肥作為基肥施用時，一般在秧苗移栽前均勻撒施并深翻，可將鋅肥與生理酸性肥料混合施用，但不宜與磷肥混施，以免生成水稻難以吸收利用的磷酸鋅而降低肥效，也不可與堿性肥料一起使用，因為鋅在堿性條件下易被固定［62］。水稻田適宜鋅肥用量在15～45kg/hm2［31-32，35］，具體根據(jù)土壤有效鋅情況而定。但當用量超過45kg/hm2時可能出現(xiàn)鋅中毒［30，32］。葉面噴施也是鋅肥施用的主要方式之一，但一般只作為追肥施用，可在分蘗期、齊穗期連續(xù)噴施2～3 次為好［59］。噴施濃度在0.1%～0.5%ZnSO4·7H2O 之間，一般選擇無風的晴天傍晚噴施較好，在有露水的早晨或雨天噴肥，都會降低效果甚至無效。此外，還可采用種子處理的方式，包括浸種、拌種及蘸秧根，浸種和拌種主要是解決秧苗缺鋅，蘸秧根主要是為了緩解秧苗移栽后在短期內(nèi)缺鋅，但它們均不能滿足水稻后期對鋅的需求，且采用種子處理時硫酸鋅濃度要控制好，以免對種子造成毒害或傷苗，一般采用0.1%硫酸鋅溶液。

4.3 鋅肥高效施用技術

水稻施鋅具有顯著的增產(chǎn)效果，且能改善稻米品質，但應科學合理施肥。水稻施鋅肥要掌握以下技術要求：首先，要遵循適量早施的原則。鋅肥的施用應采用測土配方施肥技術，根據(jù)水稻養(yǎng)分需求和土壤養(yǎng)分供應情況，適量補充鋅肥；因水稻缺鋅主要發(fā)生在苗期和分蘗期，且營養(yǎng)生長期施鋅增產(chǎn)效果較好，因此水稻施鋅以早為好。其次，基施和追施相結合，基施時要均勻撒施，注意與其他肥料的配合施用；后期可根據(jù)水稻生長情況適當追肥，以葉面噴施為主，從而提高籽粒鋅含量。再則，注重養(yǎng)分的相互作用，適量的氮磷肥和有機肥有助于水稻對鋅的吸收［31，62-64］。但需要注意，鋅肥后效穩(wěn)長，一般2～3 年施用一次即可。

5 問題與展望

鋅缺乏已成為影響人體健康的重要問題，也是國際Harvest Plus 計劃中最重要的研究目標。水稻施鋅可以提高產(chǎn)量和籽粒鋅含量，保證糧食安全和提高稻米營養(yǎng)品質，但鋅肥在水稻中的施用仍然存在一些問題。首先，由于種植制度的改變、施肥量及水稻產(chǎn)量的提高，過去的土壤有效鋅臨界指標已不能滿足目前的生產(chǎn)需要，而目前關于全國范圍內(nèi)稻田土壤鋅營養(yǎng)狀況還不明確，難以根據(jù)測土結果進行推薦施肥，嚴重限制了鋅肥在水稻上的應用。其次，鋅肥的施用方法還存在一定限制。土壤施用鋅肥的效果受土壤條件的影響很大，土壤高CaCO3含量、高pH 值、低有機質含量等都會增加鋅肥被土壤固定的程度，降低其有效性；而葉面噴施又無法滿足根系對鋅的需求，增產(chǎn)效果低。因此，如何通過營養(yǎng)調控或栽培措施調控實現(xiàn)施鋅提質增產(chǎn)雙重效應還有待進一步的研究。再則，水稻植株各部位的鋅含量以籽粒最低［31］，難以滿足人體對鋅的需求，如何通過各種技術增加鋅向水稻籽粒中的分配，提高籽粒鋅含量，實現(xiàn)水稻籽粒鋅的強化還具有較大的發(fā)展空間。