我國(guó)主要麥區(qū)小麥籽粒錳含量: 品種與土壤因素的影響

張露露張學(xué)美牟文燕黃 寧郭子糠羅一諾魏 蕾孫利謙王星舒石 美,*王朝輝,2,*

1西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 / 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西楊凌 712100;2西北農(nóng)林科技大學(xué) / 旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西楊凌 712100

錳是植物與人體必需的微量營(yíng)養(yǎng)元素。錳參與葉綠體結(jié)構(gòu)組成并影響光合作用, 能提高植物葉片呼吸速率, 是細(xì)胞中重要的還原劑和許多關(guān)鍵酶的活化劑。植物缺錳導(dǎo)致幼葉脈間黃化, 嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)黑色斑點(diǎn)。錳能影響人體骨骼生長(zhǎng)發(fā)育及神經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)行[1], 人體缺錳會(huì)出現(xiàn)記憶力下降、骨質(zhì)疏松等癥狀; 而攝入量過(guò)高會(huì)影響肝臟、心血管系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)的正常功能, 導(dǎo)致代謝不良、慢性錳中毒等[2-5]。雖然錳缺乏會(huì)造成人體發(fā)育遲緩等癥狀, 但錳毒害對(duì)人體的破壞性更大。因此, 為保證人體健康, 應(yīng)注意保證適宜的錳攝入量。小麥?zhǔn)窃S多國(guó)家的主糧作物, 也是我國(guó)的三大主糧之一, 為全球人口提供了20%以上的熱量, 是多種重要微量營(yíng)養(yǎng)元素來(lái)源。因此, 研究小麥籽粒錳元素含量現(xiàn)狀及其影響因素,對(duì)人體和小麥健康具有極其重要的作用。

根據(jù)人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估, 兒童食用全麥中錳濃度應(yīng)低于33.8 mg kg-1, 成人應(yīng)低于48.7 mg kg-1[6]。也有研究表明, 小麥籽粒適宜錳含量在22～50 mg kg-1[7]。中國(guó)小麥主產(chǎn)區(qū)約有20%的小麥籽粒錳含量高于50 mg kg-1[6]; 我國(guó)北方38.8%小麥試驗(yàn)點(diǎn)的籽粒錳含量高于44 mg kg-1[8]?？梢?jiàn), 我國(guó)小麥籽粒錳含量并不低, 不少研究關(guān)注通過(guò)施用錳肥等農(nóng)藝措施來(lái)提高小麥籽粒錳含量, 但從人體營(yíng)養(yǎng)來(lái)看不應(yīng)一味提高。

小麥品種間籽粒錳含量存在顯著差異。河南17個(gè)小麥品系研究表明, 小麥籽粒錳含量為23.5～46.9 mg kg-1[9]。河北藁城8個(gè)小麥品種研究表明, 小麥籽粒錳含量為46.5～62.0 mg kg-1[10]。我國(guó)南方酸性土壤和北方非酸性土壤438個(gè)小麥品種分析表明,小麥籽粒錳含量介于13.9～98.3 mg kg-1, 平均為43.7 mg kg-1[6]。巴基斯坦62個(gè)小麥品種研究表明,籽粒錳含量介于24.4～38.2 mg kg-1, 平均為32.4 mg kg-1[11], 比我國(guó)明顯偏低。山東省30個(gè)主要小麥推廣品種試驗(yàn)表明, 高肥力條件下籽粒錳含量介于36.2～51.2 mg kg-1, 平均為41.5 mg kg-1; 低肥力土壤上, 籽粒錳含量介于33.7～48.0 mg kg-1, 平均為38.5 mg kg-1[12]。山西葉面噴施錳肥試驗(yàn)表明, 小麥籽粒錳含量可達(dá)41.8～81.1 mg kg-1, 比不施錳提高9.3～53.0 mg kg-1[13]。不同年代小麥品種研究也發(fā)現(xiàn),植株中錳含量高有利于改善穗部性狀, 提高穗粒數(shù)和千粒重, 進(jìn)而提高產(chǎn)量[14]。但有研究表明, 小麥籽粒錳含量與產(chǎn)量存在“產(chǎn)量稀釋效應(yīng)”[15-16]; 也有報(bào)道稱(chēng)產(chǎn)量對(duì)小麥籽粒錳含量沒(méi)有影響[6,14,17]。因此,現(xiàn)有研究表明, 小麥品種籽粒錳含量存在差異, 但小麥品種籽粒錳含量與產(chǎn)量形成、產(chǎn)量構(gòu)成因素、錳吸收利用及土壤因子之間的具體關(guān)系研究較少。

土壤有效錳含量是影響小麥籽粒錳含量的主要因素, 其含量高低直接影響小麥產(chǎn)量和品質(zhì)[18]。土壤有效錳受土壤pH、氧化還原電位(Eh)、有機(jī)質(zhì)、含水量及通氣狀況等影響, 其中最直接的是土壤pH[19]。土壤pH降低, 錳的氧化還原電位降低, 增加土壤有效錳含量[20-22]。另外, 施肥試驗(yàn)表明, 增施氮磷肥可降低土壤pH, 進(jìn)而提高土壤有效錳含量[23-24]。土壤有機(jī)質(zhì)也會(huì)間接影響土壤pH, 改變土壤氧化還原環(huán)境, 最終影響錳在土壤中的形態(tài)[25]。然而, 目前針對(duì)土壤因素對(duì)小麥錳含量的影響研究尚缺乏對(duì)不同麥區(qū)的針對(duì)性研究, 而不同麥區(qū)的土壤性質(zhì)、種植制度、優(yōu)勢(shì)小麥品種等均存在較大差異, 因此在較大區(qū)域尺度內(nèi)開(kāi)展不同麥區(qū)的針對(duì)性、對(duì)比性研究,對(duì)于因地制宜的開(kāi)展小麥籽粒錳調(diào)控具有重要意義。

本文通過(guò)2017—2020年在西北旱作小麥區(qū)(簡(jiǎn)稱(chēng)“旱作區(qū)”)以及2016—2020年黃淮小麥玉米輪作區(qū)(簡(jiǎn)稱(chēng)“麥玉區(qū)”)、南方水稻小麥輪作區(qū)(簡(jiǎn)稱(chēng)“稻麥區(qū)”) 3個(gè)麥區(qū)進(jìn)行田間試驗(yàn), 研究小麥品種籽粒錳含量差異, 及其與產(chǎn)量構(gòu)成因素、錳吸收分配、土壤因素之間的關(guān)系。通過(guò)研究, 明確我國(guó)主栽小麥品種籽粒錳含量狀況, 錳含量與小麥產(chǎn)量形成及錳吸收利用的關(guān)系, 影響錳吸收利用的土壤因子, 為優(yōu)化小麥錳營(yíng)養(yǎng)、實(shí)現(xiàn)小麥豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

于2017—2020年旱作區(qū)以及2016—2020年麥玉區(qū)、稻麥區(qū)3個(gè)麥區(qū)13個(gè)省份38個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)開(kāi)展試驗(yàn)。其中, 旱作區(qū)包括1個(gè)省份(陜西) 2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)、103個(gè)小麥品種, 麥玉區(qū)包括8個(gè)省份(山東、河北、山西、江蘇、安徽、河南、陜西、甘肅) 23個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)、122個(gè)小麥品種, 稻麥區(qū)包括8個(gè)省份(江蘇、安徽、河南、湖北、重慶、四川、貴州、云南) 13個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)、38個(gè)小麥品種。3個(gè)麥區(qū)0～20 cm土層土壤基本理化性質(zhì)及微量元素含量如表1所示。

表1 旱作區(qū)、麥玉區(qū)、稻麥區(qū)各試驗(yàn)點(diǎn)0～20 cm土壤基本理化性狀平均值Table 1 Average of soil basic physical and chemical properties and soil trace elements concentration in 0-20 cm soil layer

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集測(cè)定

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施 試驗(yàn)采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。旱作區(qū)小區(qū)面積2.0 m2(2.0 m×1.0 m), 每個(gè)小區(qū)種植4行, 設(shè)置4次重復(fù), 人工點(diǎn)播。麥玉區(qū)與稻麥區(qū)播種面積＞300 m2, 不設(shè)重復(fù), 機(jī)械或人工播種,全區(qū)機(jī)械收獲。各區(qū)域施肥量如表2所示, 除旱作區(qū)生育期內(nèi)未灌溉外, 其他麥區(qū)田間管理措施均與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶(hù)保持一致。

表2 旱作區(qū)、麥玉區(qū)、稻麥區(qū)各年份平均施肥量Table 2 Average fertilizer application rates in DW, WM, and RW (kg hm-2)

1.2.2 植物樣品采集處理與測(cè)定 于成熟期采集小麥樣品, 旱作區(qū)在每個(gè)小區(qū)中間2行用盲抽法[26]隨機(jī)采集30穗小麥全株; 麥玉區(qū)與稻麥區(qū)選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻的10 m×5 m采樣區(qū), 隨機(jī)選取100穗小麥全株[27]。將所采集的小麥全株在根莖結(jié)合處用不銹鋼剪刀剪開(kāi), 棄去根系, 分為莖葉和穗兩個(gè)部分,收集并進(jìn)行考種及化學(xué)分析。

植株樣品風(fēng)干后, 稱(chēng)莖葉和穗風(fēng)干重。手工脫粒稱(chēng)籽粒重, 用差減法計(jì)算穎殼風(fēng)干重。旱作區(qū)計(jì)數(shù)所采集30穗小麥的全部籽粒數(shù)、麥玉區(qū)和稻麥區(qū)計(jì)數(shù)600粒籽粒烘干稱(chēng)重, 測(cè)定小麥千粒重。用小麥籽粒重、千粒重和穗數(shù)計(jì)算穗粒數(shù)。采樣的小麥籽粒重與地上部生物量比值即收獲指數(shù)。取30 g風(fēng)干莖葉和穎殼、20 g籽粒, 用自來(lái)水和蒸餾水分別快速漂洗3遍, 裝入已稱(chēng)烘干重并標(biāo)記好的信封中,在65℃下烘干至恒重, 測(cè)定樣品含水量。生物量、產(chǎn)量、收獲指數(shù)和千粒重, 均以烘干重表示。

烘干樣品用研磨儀(Retsch MM400, 德國(guó), 氧化鋯罐)磨細(xì), 密封保存。稱(chēng)取粉碎莖葉、穎殼樣品0.2000 g和籽粒0.2500 g, 優(yōu)級(jí)純濃HNO3和優(yōu)級(jí)純H2O2消解, 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS, 美國(guó))測(cè)定錳含量。養(yǎng)分含量均以烘干重表示。

1.2.3 土壤樣品采集處理與測(cè)定 旱作區(qū)每個(gè)區(qū)組隨機(jī)采集5個(gè)點(diǎn)0～20 cm播前土壤; 麥玉區(qū)和稻麥區(qū)于小麥?zhǔn)斋@期在采樣區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇5個(gè)取樣點(diǎn),采集0～20 cm土層土壤。采集的土壤樣品去除根系等雜物后混合均勻后保留500 g左右, 剩余的土壤回填采樣點(diǎn)。

捏碎、混勻風(fēng)干的土壤樣品過(guò)0.15 mm和1.00 mm篩。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮用0.15 mm過(guò)篩土樣測(cè)定, 土壤pH、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀及有效鐵、錳、銅、鋅用1 mm土樣測(cè)定。使用全自動(dòng)碳氮分析儀(Primacs SNC100-IC-E, 荷蘭)測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)和全氮。pH自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(S400, 瑞士)測(cè)定土壤pH,水土比為1∶2.5。1 mol L-1KCl溶液浸提硝態(tài)氮和銨態(tài)氮、0.5 mol L-1NaHCO3浸提有效磷, 使用連續(xù)流動(dòng)分析儀(AA3, 德國(guó))測(cè)定。速效鉀用1 mol L-1NH4OAc浸提, 火焰光度計(jì)(Sherwood M410, 英國(guó))測(cè)定。有效鐵、錳、銅和鋅使用DTPA-TEA浸提、原子分光光度法測(cè)定[26-27]。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

1.3.1 產(chǎn)量及籽粒錳含量分級(jí) 旱作區(qū)、麥玉區(qū)和稻麥區(qū)產(chǎn)量分別介于4.1～6.9、6.2～9.3和4.4～7.1 t hm-2, 籽粒錳含量分別介于32～56、31～58和34～58 mg kg-1。分別取小麥產(chǎn)量和籽粒錳含量的95%置信區(qū)間內(nèi)的最大值和最小值為上下限, 以等間距將產(chǎn)量和籽粒錳含量分為5個(gè)等級(jí)。

1.3.2 數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析 采用 Microsoft Excel 2019整理數(shù)據(jù), IBM SPSS Statistics 25.0進(jìn)行相關(guān)性分析及方差分析, Origin 2021b繪制產(chǎn)量、籽粒錳含量頻數(shù)分布圖及主成分分析, Origin 2021b、Adobe Illustrator CC 2019繪制相關(guān)性熱圖。相關(guān)參數(shù)計(jì)算如下:

標(biāo)準(zhǔn)化:

式中,N=Y×S,Y代表種植年份數(shù)量、S代表種植地點(diǎn)數(shù)量: 旱作區(qū)為3年2個(gè)地點(diǎn)(N=Y×S= 6); 麥玉區(qū)與稻麥區(qū)個(gè)別品種年份重復(fù), 其余為1年品種,因此Y= (1, 2, 3, 4);yj: 品種標(biāo)準(zhǔn)值平均;yi: 樣本標(biāo)準(zhǔn)值;n: 當(dāng)年樣本量;xi: 當(dāng)年樣本值;x: 當(dāng)年樣本平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 主栽小麥品種產(chǎn)量

我國(guó)不同麥區(qū)主栽小麥品種產(chǎn)量存在顯著差異,同一麥區(qū)品種間產(chǎn)量差異也顯著(圖1)。麥玉區(qū)小麥產(chǎn)量較高, 介于6.2～9.3 t hm-2, 平均為8.1 t hm-2; 稻麥區(qū)次之, 介于4.4～7.1 t hm-2, 平均為5.9 t hm-2; 旱作區(qū)較低, 介于4.1～6.9 t hm-2, 平均為5.9 t hm-2。就全國(guó)而言, 產(chǎn)量介于4.1～9.3 t hm-2, 平均為6.9 t hm-2。

圖1 我國(guó)主要麥區(qū)主栽小麥品種產(chǎn)量的頻率分布Fig. 1 Frequency distribution of yields of main wheat cultivars in main wheat production regions of China圖中使用數(shù)據(jù)為品種平均值, 柱形圖內(nèi)數(shù)字為樣本數(shù), 柱形圖上數(shù)字為產(chǎn)量等級(jí)下產(chǎn)量平均值。The data used in the figure is the average of cultivars, the number in the bar chart is the sample size, and the values at the top of the bar chart are the average yield of each yield grade. DW: dry wheat; RW: rice wheat; WM: wheat maize.

2.2 主栽小麥品種的籽粒錳含量

我國(guó)主要麥區(qū)主栽小麥品種籽粒錳含量存在較大差異, 從全國(guó)來(lái)看, 介于31～58 mg kg-1, 平均44 mg kg-1(圖2)。旱作區(qū)錳含量介于32～56 mg kg-1, 平均45 mg kg-1; 稻麥區(qū)介于34～58 mg kg-1, 平均47 mg kg-1; 麥玉區(qū)介于31～58 mg kg-1, 平均41 mg kg-1。在旱作區(qū)、麥玉區(qū)和稻麥區(qū)小麥品種籽粒錳含量高于48.7 mg kg-1的品種分別占38%、17%和36%。說(shuō)明小麥品種籽粒錳含量存在較大差異, 旱作區(qū)和稻麥區(qū)較高, 麥玉區(qū)較低。

圖2 我國(guó)主要麥區(qū)主栽小麥品種籽粒錳含量的頻率分布Fig. 2 Frequency distribution of Mn concentration in grains of main wheat cultivars in main wheat production regions of China圖中使用數(shù)據(jù)為品種平均值, 柱形圖內(nèi)數(shù)字為樣本數(shù), 柱形圖上數(shù)字為該錳含量等級(jí)下的平均值。The data used in the figure is the average of cultivars, the number in the bar chart is the sample size, and the values at the top of the bar chart are the average Mn of each Mn concentration grade. DW: dry wheat; RW: rice wheat; WM: wheat maize.

2.3 籽粒錳含量與小麥品種產(chǎn)量及生物量的關(guān)系

小麥品種籽粒錳含量與產(chǎn)量、生物量及收獲指數(shù)的關(guān)系因麥區(qū)而異(圖3-a)。旱作區(qū), 籽粒錳含量與三者均顯著負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)分別為-0.506、-0.280和-0.513。麥玉區(qū), 籽粒錳含量與產(chǎn)量、收獲指數(shù)顯著負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為-0.372和-0.328, 與生物量無(wú)顯著相關(guān)。稻麥區(qū), 籽粒錳含量與三者均無(wú)顯著相關(guān)。對(duì)3個(gè)麥區(qū)高錳組(＞48.7 mg kg-1)與低錳組(≤48.7 mg kg-1)產(chǎn)量、生物量及收獲指數(shù)(表3)分析發(fā)現(xiàn), 麥玉區(qū)產(chǎn)量差異顯著, 高錳組比低錳組低0.7 t hm-2, 其他無(wú)顯著差異。從全國(guó)情況來(lái)看, 籽粒錳含量與產(chǎn)量、生物量、收獲指數(shù)顯著負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為-0.328、-0.150和-0.342; 對(duì)高錳組和低錳組分析(表3), 產(chǎn)量、生物量差異顯著, 高錳組比低錳組分別低1.0 t hm-2和1.8 t hm-2。

2.4 籽粒錳含量與小麥品種產(chǎn)量構(gòu)成因素的關(guān)系

小麥品種籽粒錳含量與穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重之間的相關(guān)性亦因麥區(qū)而異(圖3-a)。旱作區(qū), 籽粒錳含量與穗數(shù)、穗粒數(shù)顯著負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為-0.200和-0.370。麥玉區(qū), 籽粒錳含量與穗數(shù)顯著負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為-0.269。稻麥區(qū), 籽粒錳含量與穗數(shù)顯著正相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為0.337; 與千粒重顯著負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為-0.362。從全國(guó)來(lái)看, 錳含量與穗數(shù)、穗粒數(shù)顯著負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為-0.126和-0.154,與千粒重相關(guān)不顯著。對(duì)高錳組和低錳組方差分析(表3)發(fā)現(xiàn), 麥玉區(qū)穗數(shù)、稻麥區(qū)千粒重差異顯著,低錳組比高錳組高83.8×104hm-2和4.1 g; 全國(guó)穗數(shù)、千粒重差異顯著, 低錳組比高錳組分別高78.8×104hm-2和1.2 g。

表3 我國(guó)主要麥區(qū)主栽小麥品種籽粒錳含量、產(chǎn)量、生物量、產(chǎn)量構(gòu)成、錳吸收量及錳收獲指數(shù)平均值Table 3 Average values of grain Mn concentrations, yield, biomass and yield components, Mn uptakes and Mn harvest indexes of main wheat cultivars in main wheat production regions of China

圖3 我國(guó)主要麥區(qū)主栽小麥品種籽粒錳含量與產(chǎn)量構(gòu)成及錳吸收分配的關(guān)系Fig. 3 Relationship of grain Mn concentration with yield components, Mn uptake and distribution of main wheat cultivars in main wheat production regions of Chinaa中相關(guān)分析及線性回歸分析使用數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù), b中相關(guān)分析及線性回歸分析使用數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)(參考使用)?？v坐標(biāo)(y)為籽粒錳含量, 橫坐標(biāo)(x)分別為產(chǎn)量(GrY)、生物量(Bm)、收獲指數(shù)(HI)、穗數(shù)(×104) (SpN)、穗粒數(shù)(GrN)、千粒重(TGW)、地上部錳吸收量(ShMnU)、籽粒吸錳量(GrMnU)及錳收獲指數(shù)(MnHI); 紅色代表正相關(guān), 藍(lán)色代表負(fù)相關(guān), 其中顏色越深、橢圓形越窄代表相關(guān)系數(shù)越大; **:P＜ 0.01; *: 0.01 ＜P＜ 0.05。The data used for correlation analysis and linear regression analysis in Fig. 3-a are standardized data, and the data used for correlation analysis and linear regression analysis in Fig. 3-b are original data (for reference). The ordinate (y) is grain Mn concentration, and the abscissa (x)is yield (GrY), biomass (Bm), harvest index (HI), spike number (×104) (SpN), grain number per panicle (GrN), 1000-grain weight (TGW),shoot Mn uptake (ShMnU) grain Mn uptake (GrMnU), and Mn harvest index (MnHI), respectively. Red represents the positive correlation and blue represents the negative correlation. The darker the color and the narrower the ellipse, the greater the correlation coefficient. **:P＜ 0.01,*: 0.01 ＜P＜ 0.05.

2.5 籽粒錳含量與小麥品種錳吸收分配的關(guān)系

相關(guān)分析(圖3-a)表明, 旱作區(qū), 小麥品種籽粒錳含量與籽粒吸錳量、錳收獲指數(shù)顯著正相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為0.379和0.252。麥玉區(qū), 籽粒錳含量與地上部錳吸收量、籽粒吸錳量、錳收獲指數(shù)均呈顯著正相關(guān), 相關(guān)系數(shù)分別為0.629、0.904和0.180。稻麥區(qū), 籽粒錳含量與地上部錳吸收量、籽粒吸錳量顯著正相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為0.853和0.764, 與錳收獲指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為-0.696。從全國(guó)來(lái)看,籽粒錳含量與地上部錳吸收量、籽粒吸錳量顯著正相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為0.524和0.636, 與錳收獲指數(shù)相關(guān)性不顯著。對(duì)高錳組和低錳組方差分析(表3)發(fā)現(xiàn),地上部錳吸收量、籽粒吸錳量在麥玉區(qū)、稻麥區(qū)差異均顯著, 錳收獲指數(shù)在稻麥區(qū)差異顯著; 就全國(guó)來(lái)看, 地上部錳吸收量、籽粒吸錳量差異顯著。

2.6 籽粒錳含量與不同地點(diǎn)土壤養(yǎng)分的關(guān)系

小麥籽粒錳含量和錳吸收利用相關(guān)土壤因子的主成分分析(圖4)表明, 在麥玉區(qū), 主成分1與主成分2共解釋了總變異的65%, 小麥籽粒錳含量與土壤pH顯著負(fù)相關(guān), 與土壤有效鐵、銅、錳顯著正相關(guān);稻麥區(qū), 主成分1和主成分2共解釋了總變異的55%,小麥籽粒錳含量與土壤pH、有效銅、全氮顯著負(fù)相關(guān)。以籽粒錳含量為因變量, pH、有效鐵、錳、銅、全氮為自變量進(jìn)行多元線性回歸分析, 得到結(jié)果如下:

圖4 我國(guó)主要麥區(qū)主栽小麥品種籽粒錳含量和錳吸收利用土壤相關(guān)因子的主成分分析Fig. 4 Principal component analysis of grain Mn concentration and soil factors related to Mn uptake and utilization of main wheat cultivars in main wheat production regions of China因旱作區(qū)地點(diǎn)較少, 無(wú)法進(jìn)行方差分析; WM: 麥玉區(qū); RW: 稻麥區(qū); GMn: 籽粒錳含量; TN: 土壤全氮; NO3--N: 土壤硝態(tài)氮; NH4+-N:土壤銨態(tài)氮; OM: 土壤有機(jī)質(zhì); K: 土壤速效鉀; P: 土壤速效磷; Fe: 土壤有效鐵; Mn: 土壤有效錳; Cu: 土壤有效銅; Zn: 土壤有效鋅。主成分分析使用標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù), 多元線性回歸方程使用原始數(shù)據(jù), 圖中數(shù)值為與籽粒錳含量相關(guān)顯著(P＜ 0.05)的相關(guān)系數(shù); 顯著正相關(guān)以長(zhǎng)劃線表示, 顯著負(fù)相關(guān)以短劃線表示。為保持結(jié)果可比性, 兩個(gè)地區(qū)均選擇土壤全氮、pH、Mn、Cu、Fe與籽粒錳進(jìn)行多元線性回歸分析, 得到方程。方程中:y代表籽粒錳含量,x1、x2、x3、x4和x5分別代表土壤pH、有效鐵、有效錳、有效銅和全氮。Due to the few numbers of samples in DW, variance analysis cannot be carried out; WM: wheat-maize area; RW: rice-wheat area; GMn: grain Mn concentration; TN: soil total nitrogen; NO3--N: soil nitrate nitrogen; NH4+-N: soil ammonium nitrogen; OM: soil organic matter; K: soil available potassium; P: soil available phosphorus; Fe: soil available Fe; Mn: soil available Mn; Cu: soil available Cu; Zn: soil available Zn.Standardized data were used in principal component analysis, original data were used in multiple linear regression equation, and the value in the figures was the correlation coefficient that was significantly correlated with Mn concentration in grains (P＜ 0.05); significant positive correlations are indicated by long dash and significant negative correlations are indicated by short dash. In order to maintain the comparability of results, soil total nitrogen, pH value, Mn, Cu, Fe, and grain Mn were selected for multiple linear regression analysis in the two regions to obtain the equations. In the equation,yrepresents Mn concentration in grains, andx1,x2,x3,x4, andx5represent soil pH value, available Fe,available Mn, available Cu, and the total nitrogen, respectively.

麥玉區(qū):y= -43.864+9.765x1+0.646x2+0.196x3+0.005x4-2.161x5

稻麥區(qū):y= 147.771-13.855x1-0.01x2-0.09x3-3.723x4-0.883x5

方程中:y代表籽粒錳含量,x1、x2、x3、x4和x5代表土壤pH、有效鐵、有效錳、有效銅和全氮?？梢?jiàn), 麥玉區(qū)籽粒錳含量受土壤pH和有效鐵影響較為顯著, 相關(guān)系數(shù)分別為0.450和0.547; 稻麥區(qū)籽粒錳含量受土壤pH和有效銅的影響較為顯著, 相關(guān)系數(shù)分別為-0.766和-0.523。旱作區(qū)因地點(diǎn)較少,無(wú)法進(jìn)行主成分分析。

根據(jù)人體錳需求上限48.7 mg kg-1, 將麥玉區(qū)和稻麥區(qū)所有地點(diǎn)分為高于48.7 mg kg-1和低于48.7 mg kg-1兩組(圖5)。方差分析發(fā)現(xiàn), 在麥玉區(qū)土壤有效錳和有效鐵在≤48.7 mg kg-1和＞48.7 mg kg-1兩組之間差異顯著, 其中有效鐵分別為10.9 mg kg-1和43.4 mg kg-1, 有效錳分別為13.9 mg kg-1和28.3 mg kg-1。稻麥區(qū), 土壤pH和有效銅在2組中差異均顯著, pH分別為6.7和5.4, 有效銅分別為3.4 mg kg-1和1.9 mg kg-1。以上結(jié)果均表明土壤全氮、pH、有效鐵、有效錳和有效銅是影響籽粒錳含量的主要土壤因素, 并且其相關(guān)性因麥區(qū)而異。旱作區(qū), 楊凌、永壽兩地點(diǎn)籽粒錳含量平均為38.2 mg kg-1和52.6 mg kg-1, 差異顯著; 同時(shí)方差分析發(fā)現(xiàn)兩地點(diǎn)間僅土壤有效磷和速效鉀差異顯著, 土壤有效磷分別為4.3 mg kg-1和19.3 mg kg-1, 土壤速效鉀分別為160.6 mg kg-1和140.9 mg kg-1。

圖5 我國(guó)主要麥區(qū)土壤相關(guān)指標(biāo)平均值Fig. 5 Average values of soil related indexes in main wheat production regions of ChinaDW: 旱作區(qū); WM: 麥玉區(qū); RW: 稻麥區(qū); GMn: 籽粒錳含量; TN: 土壤全氮; AK: 土壤速效鉀; AP: 土壤速效磷; Fe: 土壤有效鐵; Mn:土壤有效錳; Cu: 土壤有效銅。DW: dry-farming wheat area; WM: wheat-maize area; RW: rice-wheat area; GMn: grain Mn concentration; TN: soil total nitrogen; AK: soil available potassium; AP: soil available phosphorus; Fe: soil available Fe; Mn: soil available Mn; Cu: soil available Cu.

3 討論

3.1 小麥品種的產(chǎn)量與籽粒錳含量的關(guān)系

我國(guó)主要麥區(qū)小麥品種產(chǎn)量、籽粒錳含量存在顯著差異。本研究表明, 旱作區(qū)產(chǎn)量平均為5.9 t hm-2, 麥玉區(qū)為8.1 t hm-2, 稻麥區(qū)為5.9 t hm-2, 麥玉區(qū)＞稻麥區(qū)＞旱作區(qū)。與2006—2015年黃淮北片小麥參試品種7.6～8.6 t hm-2[28]產(chǎn)量相似。與2015—2016年512個(gè)農(nóng)戶(hù)調(diào)研結(jié)果[29]相比, 旱作區(qū)、麥玉區(qū)和稻麥區(qū)平均產(chǎn)量分別提高1.9、0.4和0.4 t hm-2。小麥作為我國(guó)主要糧食作物, 產(chǎn)量仍需進(jìn)一步提高。本研究表明, 旱作區(qū)錳含量介于32～56 mg kg-1, 平均45 mg kg-1; 麥玉區(qū)錳含量介于31～58 mg kg-1, 平均41 mg kg-1; 稻麥區(qū)錳含量介于31～58 mg kg-1, 平均47 mg kg-1。本試驗(yàn)結(jié)果與北方麥區(qū)磷肥試驗(yàn)[8]中小麥籽粒錳含量(41.9 mg kg-1)及我國(guó)酸性與非酸性土壤種植的438個(gè)小麥品種試驗(yàn)[6]中小麥籽粒錳含量(43.7 mg kg-1)相似。根據(jù)人體非致癌風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算, 小麥籽粒錳含量不超過(guò)48.7 mg kg-1[6], 而在本研究中旱作區(qū)、稻麥區(qū)籽粒錳含量高于48.7 mg kg-1的品種分別占38%和36%, 麥玉區(qū)占17%。以上研究結(jié)果表明, 我國(guó)小麥籽粒錳含量普遍偏高。

本研究發(fā)現(xiàn), 旱作區(qū)小麥籽粒錳含量與產(chǎn)量、生物量、收獲指數(shù)之間顯著負(fù)相關(guān), 麥玉區(qū)籽粒錳含量與產(chǎn)量、收獲指數(shù)之間顯著負(fù)相關(guān), 稻麥區(qū)無(wú)顯著相關(guān)。針對(duì)不同小麥品種的田間試驗(yàn)表明, 籽粒錳含量與產(chǎn)量顯著負(fù)相關(guān)[30]; 河北省藁城小麥品種試驗(yàn)表明, 籽粒錳含量與產(chǎn)量之間負(fù)相關(guān)[31]。以上研究結(jié)果與本試驗(yàn)旱作區(qū)和麥玉區(qū)相同, 說(shuō)明小麥籽粒錳含量存在“產(chǎn)量稀釋效應(yīng)”。但也有研究表明,小麥籽粒錳含量與產(chǎn)量之間無(wú)顯著相關(guān)[6,14,17], 這與本研究稻麥區(qū)結(jié)果一致。在波蘭東南部甚至發(fā)現(xiàn)小麥產(chǎn)量與籽粒錳含量顯著正相關(guān)[32]。本研究結(jié)果出現(xiàn)不一致的原因, 除地點(diǎn)影響以外, 品種也是影響產(chǎn)量與籽粒錳含量關(guān)系的重要原因。從干物質(zhì)累積分配來(lái)看, 地上部生物量及收獲指數(shù)高低是產(chǎn)量變化的主要原因, 收獲指數(shù)、生物量與產(chǎn)量之間顯著正相關(guān)[33]。因此, 收獲指數(shù)、生物量與籽粒錳含量之間的相關(guān)關(guān)系, 與產(chǎn)量和錳含量的相關(guān)關(guān)系一致, 也呈負(fù)相關(guān)。另外, 有研究結(jié)果表明施用錳肥能夠顯著提高小麥產(chǎn)量, 但小麥籽粒錳含量也顯著增加[34-35]。本研究結(jié)果及前人研究發(fā)現(xiàn), 我國(guó)小麥品種錳含量并不缺乏, 為追求產(chǎn)量提高而施用錳肥可能會(huì)對(duì)人體健康造成一定的潛在危害。

3.2 小麥品種的籽粒錳含量與產(chǎn)量構(gòu)成的關(guān)系

本研究表明, 旱作區(qū)穗數(shù)、穗粒數(shù)與籽粒錳含量顯著負(fù)相關(guān), 麥玉區(qū)穗數(shù)與籽粒錳含量顯著負(fù)相關(guān), 稻麥區(qū)籽粒錳含量與穗數(shù)顯著正相關(guān), 與旱作區(qū)、麥玉區(qū)結(jié)果相反。穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重作為產(chǎn)量構(gòu)成要素, 其與籽粒錳含量的關(guān)系是影響產(chǎn)量與籽粒錳含量關(guān)系的主要原因。本研究中, 旱作區(qū)穗數(shù)、穗粒數(shù)和麥玉區(qū)穗數(shù)與籽粒錳含量顯著負(fù)相關(guān), 同產(chǎn)量和籽粒錳含量相關(guān)性一致; 稻麥區(qū)籽粒錳含量與穗數(shù)顯著正相關(guān), 與千粒重顯著負(fù)相關(guān),產(chǎn)量與籽粒錳含量無(wú)顯著相關(guān)性。說(shuō)明在不同麥區(qū)決定小麥產(chǎn)量的產(chǎn)量構(gòu)成因素不同。2010—2013年湖北省小麥區(qū)域試驗(yàn)結(jié)果表明, 穗數(shù)、千粒重與產(chǎn)量正相關(guān), 與穗粒數(shù)負(fù)相關(guān), 穗數(shù)是產(chǎn)量的主要制約因素[36-37]。在本研究中, 產(chǎn)量與穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重之間的相關(guān)關(guān)系不同, 可能是稻麥區(qū)籽粒錳含量與產(chǎn)量相關(guān)性不顯著的主要原因。河北藁城田間試驗(yàn)表明, 錳有利于通過(guò)改善小麥穗部性狀, 進(jìn)而提高穗粒數(shù)和千粒重[31]; 美國(guó)小麥品種試驗(yàn)表明,小麥籽粒錳含量與千粒重顯著正相關(guān)[30]; 培養(yǎng)試驗(yàn)也表明, 缺錳可能是導(dǎo)致千粒重低的原因[38]。

小麥產(chǎn)量不僅受氣候因素、土壤因素、生態(tài)條件、田間管理措施影響, 更重要的是受品種基因型的控制。研究表明, 品種更新可使全球范圍小麥總產(chǎn)量提高, 且年均提高量可達(dá)產(chǎn)量潛力的1%[39-40]。增加單位面積穗數(shù)、穩(wěn)定穗粒數(shù)和千粒重來(lái)提高產(chǎn)量是最有效的途徑之一[36-37]。本研究證明, 產(chǎn)量對(duì)錳含量存在稀釋效應(yīng), 因此, 通過(guò)提高小麥產(chǎn)量來(lái)調(diào)控籽粒錳含量具有一定可行性。

3.3 小麥品種的籽粒錳含量與錳吸收分配的關(guān)系

本研究表明, 籽粒錳含量與地上部錳吸收量、籽粒吸錳量顯著正相關(guān); 與錳收獲指數(shù)的關(guān)系因麥區(qū)而異, 旱作區(qū)、麥玉區(qū)籽粒錳含量與錳收獲指數(shù)顯著正相關(guān), 稻麥區(qū)顯著負(fù)相關(guān)。小麥成熟期錳在籽粒中的分配達(dá)40%以上[10,41]。因此, 小麥地上部錳吸收量是決定小麥籽粒錳含量的重要因素。本研究中, 籽粒錳含量與地上部錳吸收量、籽粒吸錳量顯著正相關(guān), 旱作區(qū)相關(guān)系數(shù)分別為0.182和0.379,麥玉區(qū)分別為0.629和0.904, 稻麥區(qū)分別為0.853和0.764。而籽粒錳含量與錳收獲指數(shù)的關(guān)系因麥區(qū)而異, 旱作區(qū)、麥玉區(qū)籽粒錳含量與錳收獲指數(shù)顯著正相關(guān), 相關(guān)系數(shù)分別為0.252和0.180; 稻麥區(qū)顯著負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為-0.696。錳收獲指數(shù)受地上部錳吸收量和籽粒吸錳量的影響, 籽粒錳含量與錳收獲指數(shù)之間的關(guān)系反映了小麥錳的轉(zhuǎn)運(yùn)能力,錳收獲指數(shù)越高, 表明籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)錳的能力越強(qiáng), 出現(xiàn)負(fù)相關(guān)的原因可能是由于品種轉(zhuǎn)運(yùn)能力較弱, 從土壤中吸收的錳較多的分配到莖葉和穎殼中(64%～80%)。小麥不僅在不同生長(zhǎng)期對(duì)養(yǎng)分的吸收和在地上各器官的累積分配不同, 不同品種間也存在差異[10,12], 耐缺錳的品種籽粒吸收量受土壤錳的影響較小[42]。植株地上部錳營(yíng)養(yǎng)狀況間接反映了植株根系對(duì)土壤錳的吸收能力, 耐缺錳能力強(qiáng)的基因型根系對(duì)土壤中錳的吸收能力也較強(qiáng)[43]。陜西長(zhǎng)武施肥試驗(yàn)表明, 過(guò)高的土壤有效銅含量不利于有效錳的積累[44]。稻麥區(qū)籽粒錳含量與錳收獲指數(shù)負(fù)相關(guān), 也可能是較高的土壤有效銅含量限制了錳的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)。同時(shí), 本研究中旱作區(qū)與麥玉區(qū)結(jié)果表明,增施氮、磷肥有助于提高錳吸收量, 這與前人研究結(jié)果保持一致[23,45-46]。黃土高原長(zhǎng)期定位試驗(yàn)表明,秸稈還田、種植綠肥會(huì)使地上部錳吸收量及籽粒含錳量下降[21]。因此, 合理施用氮磷肥及采用合理的栽培措施, 可以有效防止小麥籽粒錳含量過(guò)高。

3.4 小麥品種籽粒錳含量與土壤因素的關(guān)系

除品種影響, 土壤也是影響小麥籽粒錳含量的重要因素。本研究結(jié)果表明, 小麥籽粒錳含量受土壤pH、全氮、有效鐵、有效錳和有效銅的顯著影響,但不同麥區(qū)關(guān)系不一致。土壤有效錳含量是影響小麥籽粒錳含量的主要因素[20-21], 本研究中, 麥玉區(qū)籽粒錳含量與土壤有效錳含量顯著正相關(guān), 而稻麥區(qū)無(wú)顯著相關(guān)。稻麥區(qū)出現(xiàn)相關(guān)性不顯著的原因可能是籽粒錳含量受多種因素的影響, 作物本身的吸收分配起主導(dǎo)作用, 因此土壤有效錳含量與籽粒錳含量相關(guān)性被掩蓋, 出現(xiàn)了相關(guān)性不顯著的結(jié)果。土壤有效錳含量受到pH及Eh (氧化還原電位)等影響[19]。本研究表明, 土壤pH與籽粒錳含量顯著負(fù)相關(guān)。土壤pH降低, 其還原性增強(qiáng), 錳的氧化還原轉(zhuǎn)化加速, 提高了土壤錳的有效性[20-22]。稻麥區(qū), pH平均值為6.3, 低于麥玉區(qū)的7.7, 為典型的酸性土壤; 土壤有效錳含量較高, 平均為23.3 mg kg-1, 高于麥玉區(qū)的14.5 mg kg-1。因此, 土壤pH低、有效錳含量高可能是導(dǎo)致稻麥區(qū)小麥籽粒錳含量顯著高于麥玉區(qū)的主要原因。

本研究中, 麥玉區(qū)土壤有效銅、有效鐵含量與籽粒錳含量顯著正相關(guān), 與前人研究[44]一致; 稻麥區(qū)籽粒錳與土壤有效銅顯著負(fù)相關(guān), 與土壤有效鐵無(wú)顯著相關(guān)。土壤有效銅與籽粒錳相關(guān)性不一致的原因, 可能是稻麥區(qū)過(guò)高的土壤有效銅含量抑制了土壤有效錳的吸收積累, 進(jìn)而影響籽粒錳吸收。陜西長(zhǎng)武長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)表明, 施用銅肥不利于土壤有效錳的積累, 錳與銅之間存在拮抗關(guān)系[44]。另外, 籽粒錳與土壤有效銅之間的關(guān)系,除元素之間相互作用以外, 還與土壤濕度、Eh及有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)。

稻麥區(qū)土壤全氮與籽粒錳含量顯著負(fù)相關(guān), 而麥玉區(qū)相關(guān)性不顯著。土壤全氮與土壤有機(jī)質(zhì)具有很強(qiáng)的相關(guān)性[47]。有機(jī)質(zhì)影響微量元素在土壤中的吸附-解析過(guò)程, 也會(huì)間接影響土壤pH, 進(jìn)而影響土壤氧化還原環(huán)境, 最終影響錳元素在土壤中的形態(tài)[25]。土壤全氮含量與土壤pH顯著負(fù)相關(guān), 全氮含量提高使土壤pH顯著降低, 土壤有效錳含量升高[24]。本研究中, 麥玉區(qū)土壤全氮較低, 無(wú)法對(duì)土壤有效錳造成顯著影響, 這可能是土壤全氮與籽粒錳含量相關(guān)性不顯著的原因。

本研究發(fā)現(xiàn), 旱作區(qū), 楊凌籽粒錳含量顯著低于永壽, 土壤中僅有效磷和速效鉀差異顯著, 楊凌土壤有效磷含量極顯著低于永壽, 而速效鉀顯著高于永壽。有研究表明, 土壤有效磷與有效錳之間顯著正相關(guān)[28,48-50], 但也有研究表明, 土壤有效磷較高會(huì)導(dǎo)致植物磷升高, 干擾錳的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)[51]。本研究中, 籽粒錳含量與土壤有效磷顯著正相關(guān), 永壽籽粒錳含量較高的原因可能是, 較高的土壤有效磷含量促進(jìn)小麥對(duì)錳的吸收。此外, 本研究中永壽小麥籽粒中錳含量高于楊凌, 土壤速效鉀含量低于楊凌, 這與前人報(bào)道錳與鉀存在拮抗作用一致[52]。

綜上所述, 不同地點(diǎn)間籽粒錳含量差異, 可能與土壤中有效磷和有效鉀的供應(yīng)有關(guān)?；诖? 小麥錳調(diào)控應(yīng)結(jié)合地域特征, 調(diào)節(jié)土壤pH及全氮、有效磷、速效鉀、有效鐵、有效錳、有效銅含量, 將有助于指導(dǎo)小麥錳營(yíng)養(yǎng)調(diào)控。

4 結(jié)論

小麥籽粒錳含量及其與產(chǎn)量、生物量、收獲指數(shù)、產(chǎn)量三要素的關(guān)系存在區(qū)域差異。產(chǎn)量水平麥玉區(qū)＞稻麥區(qū)＞旱作區(qū), 小麥籽粒錳含量為稻麥區(qū)＞旱作區(qū)＞麥玉區(qū)。旱作區(qū)與麥玉區(qū), 錳含量與產(chǎn)量之間存在稀釋效應(yīng), 提高穗數(shù)、穗粒數(shù)有助于降低籽粒錳含量, 而稻麥區(qū)未發(fā)現(xiàn)這一規(guī)律。地上部錳吸收量、籽粒吸錳量的提高可促進(jìn)籽粒錳的累積; 小麥品種錳的轉(zhuǎn)運(yùn)能力決定了錳收獲指數(shù)大小, 3個(gè)麥區(qū)籽粒錳含量與錳收獲指數(shù)關(guān)系出現(xiàn)差異, 可能與較高的土壤有效銅抑制錳的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)。影響籽粒錳含量的土壤因子主要包含土壤全氮、pH、有效鐵、有效錳及有效銅, 但具體的影響應(yīng)結(jié)合區(qū)域特征進(jìn)行分析。由于產(chǎn)量對(duì)錳含量存在稀釋效應(yīng), 通過(guò)提高小麥產(chǎn)量來(lái)調(diào)控籽粒錳含量具有可行性; 結(jié)合地域特征, 調(diào)節(jié)土壤全氮、有效鐵、有效錳、有效銅及pH, 也是調(diào)控小麥錳吸收和籽粒錳含量的重要措施, 如麥玉區(qū)可重點(diǎn)考慮降低土壤有效錳的含量, 而稻麥區(qū)則可考慮提升土壤全氮含量。

致謝:感謝國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系小麥體系各試驗(yàn)站科研人員對(duì)信息采集及樣品采集給予的大力支持與幫助。