鋅肥施用對我國小麥籽粒鋅含量的影響

陶焱金，井凌琨，王琪，胡江鵬，杜森，萬亞男*

（1.中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，農(nóng)田土壤污染防控與修復北京市重點實驗室，北京 100193；2.全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務中心，北京 100026）

鋅是人類和作物生長發(fā)育所必需的一種微量元素，在維持生理功能方面具有重要作用[1]。鋅存在于人體的各個器官中，參與多種酶及DNA 和RNA 的合成，發(fā)揮著維持神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)和調(diào)節(jié)生殖激素分泌等作用[2?3]。人體缺鋅會影響智力、免疫系統(tǒng)和生長發(fā)育[4]。在植物體內(nèi)，鋅參與了葉綠素合成、光合作用及呼吸作用等關(guān)鍵生理過程[5]。作物缺鋅會導致葉片失綠、葉脈出現(xiàn)黃斑、葉形變小、生長緩慢等[6]。劉錚[7]將土壤有效態(tài)鋅含量分為5級，繪制了全國土壤有效態(tài)鋅含量圖，而我國小麥主要產(chǎn)區(qū)土壤屬于缺鋅土壤。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，大量元素肥料的施用及連續(xù)多年高產(chǎn)也會導致農(nóng)田土壤中微量元素鋅的缺乏[8]。同時，有研究表明我國約有1 億人群鋅攝入不足[9]，而造成人體缺鋅的主要原因之一是長期大量食用鋅含量較低的谷物[10]。張躍強[11]測定了我國不同地區(qū)991 份小麥樣品，發(fā)現(xiàn)小麥籽粒中鋅含量平均值僅為23.3 mg·kg?1，難以滿足人體的鋅營養(yǎng)健康需求。因此，大力發(fā)展富鋅農(nóng)產(chǎn)品對于提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和改善人體健康具有重大意義。

為了實現(xiàn)小麥鋅生物強化的目的，可以通過選育富集鋅的小麥品種等生物技術(shù)手段和外源施鋅肥等農(nóng)業(yè)措施來提高小麥籽粒鋅含量。選育富集鋅的小麥品種是一個復雜且耗時的過程，而且新品種可能會因為土壤鋅含量偏低而難以發(fā)揮其優(yōu)勢。施用鋅肥是一個很好的農(nóng)藝措施，可以克服土壤鋅不足，在短時間內(nèi)顯著增加作物籽粒中的鋅含量[12]。研究表明，對小麥進行土壤施用和葉面噴施鋅肥均可以促進小麥生長，增加小麥籽粒中鋅含量[13]。通過合理施用鋅肥對小麥進行生物強化有助于提高籽粒鋅含量并改善人體鋅營養(yǎng)健康。因此，本研究通過查閱文獻，構(gòu)建了我國小麥鋅肥施用情況數(shù)據(jù)庫，分析了我國小麥籽粒鋅含量特征以及鋅肥施用對小麥籽粒鋅含量的影響，旨在為小麥鋅生物強化和鋅肥合理施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 文獻查閱

本研究通過文獻查閱和篩選，收集了全國范圍內(nèi)小麥鋅肥施用量和籽粒鋅含量數(shù)據(jù)。文獻來源是中國知網(wǎng)文獻數(shù)據(jù)庫和萬方數(shù)據(jù)庫，文獻數(shù)據(jù)主要為近30 年的數(shù)據(jù)。以“小麥”和“鋅”為關(guān)鍵字，發(fā)表時間選擇1990—2021 年，共檢索得到1 786 條結(jié)果。篩選的原則如下：試驗為大田試驗，無污水灌溉，采樣點遠離污染源，農(nóng)田土壤符合我國土壤環(huán)境標準，小麥均為成熟期采樣。經(jīng)過篩選，獲得關(guān)于小麥施用外源鋅以及籽粒鋅含量的可用文獻46 篇，將一個處理視為一組數(shù)據(jù)，根據(jù)施肥方式分類，最終獲得：210 組小麥鋅肥施用數(shù)據(jù)，包括104 組土壤施用數(shù)據(jù)、85 組葉面噴施數(shù)據(jù)以及21 組土壤施用+葉面噴施數(shù)據(jù)；296 組小麥籽粒鋅含量數(shù)據(jù)，包括86 組不施鋅肥時小麥籽粒鋅含量數(shù)據(jù)和210 組施用鋅肥時小麥籽粒鋅含量數(shù)據(jù)。其中鋅肥施用時小麥籽粒鋅含量數(shù)據(jù)中，有104 組為土壤施用數(shù)據(jù)，85 組為葉面噴施處理數(shù)據(jù)，21組為土壤施用+葉面噴施處理數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)文獻收集獲得的數(shù)據(jù)，分別計算外源鋅投入量、籽粒鋅含量增率和鋅肥利用率。計算公式如下：

式中：I為外源鋅投入量，kg·hm?2；Wn為外源鋅肥的鋅含量，g·kg?1；Qn為鋅肥施用量，kg·hm?2。

式中：C′為籽粒鋅含量增率，%；C為鋅肥施用時籽粒鋅含量，mg·kg?1；Cck為對照組籽粒鋅含量，mg·kg?1。

式中：E為鋅肥利用率，%；Y為鋅肥施用時籽粒產(chǎn)量，kg·hm?2；Yck為對照組籽粒產(chǎn)量，kg·hm?2。

對外源鋅投入量、小麥籽粒鋅含量、籽粒鋅含量增率、鋅肥利用率等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析（包括樣本量、最小值、最大值、分位值、平均值及標準差），數(shù)據(jù)分析與繪圖軟件為Excel 2016、SPSS 25和Origin 2019b。

2 結(jié)果與討論

2.1 我國小麥鋅肥施用方式、鋅投入量及鋅肥品種

小麥鋅肥施用方式主要有土壤施用、葉面噴施以及土壤施用+葉面噴施。土壤施用一般指將鋅肥均勻撒到農(nóng)田并使用機械翻耕，或者是將鋅肥溶入水以便更均勻噴施到土壤上；葉面噴施一般是指將鋅肥溶入水中，在小麥生長的關(guān)鍵時期，如拔節(jié)期、開花期和乳熟期對葉片進行噴施，溶液鋅濃度一般為0.3%～0.5%；土壤施用+葉面噴施則是兩者的結(jié)合[14]。

鋅肥投入量的統(tǒng)計分析如表1 所示，幾種施用方式下，鋅的投入量均呈偏態(tài)分布。土壤施用鋅肥時，投入量為2.16～33.8 kg·hm?2（以Zn 計，下同）；葉面噴施鋅肥時，溶液鋅濃度范圍為0.1%～0.4%，且最常用的濃度是0.3%，鋅投入量為0.23～3.62 kg·hm?2；土壤施用+葉面噴施鋅肥時，投入量為5.54～16.5 kg·hm?2。土壤施用時鋅的投入量大于葉面噴施處理，其算術(shù)均值和中位數(shù)分別是葉面噴施處理的8.03倍和9.19倍。

表1 不同施用方式下鋅肥投入量（kg·hm?2，以Zn計）Table 1 Zinc fertilizer inputs under different application approaches（kg·hm?2，based on the weight of Zn）

通過文獻分析發(fā)現(xiàn)，硫酸鋅和氧化鋅是我國最常見的鋅肥，此外還有螯合態(tài)鋅肥（EDTA?Zn）和含鋅復合肥料等。其中，硫酸鋅作為可溶性鋅肥能迅速提高土壤溶液中鋅濃度，而氧化鋅是一種不溶于水的鋅源，其溶解性主要取決于土壤酸堿性，在酸性土壤中氧化鋅能迅速轉(zhuǎn)化為可溶態(tài)形式[15]。104組土壤施用鋅肥數(shù)據(jù)中，使用納米氧化鋅和螯合態(tài)鋅的均只有1組，其余的鋅源是一水硫酸鋅或七水硫酸鋅。85 組葉面噴施和21組土壤施用+葉面噴施數(shù)據(jù)中，均只有1 組使用納米氧化鋅，其余的鋅源是一水硫酸鋅或七水硫酸鋅。

2.2 我國小麥籽粒鋅含量特征及環(huán)境影響因素

小麥籽粒鋅含量的統(tǒng)計分析結(jié)果如表2和圖1所示。由圖表可以看出，無論是否施用鋅肥，小麥籽粒鋅含量均呈偏態(tài)分布。不施鋅肥時小麥籽粒鋅含量范圍為14.6～50.0 mg·kg?1，其中有76.7%的數(shù)據(jù)分布在20～35 mg·kg?1，數(shù)據(jù)分布相對集中。Cakmak[12]認為籽粒鋅含量在40～60 mg·kg?1時鋅營養(yǎng)水平最佳，但不施鋅肥時95.3%籽粒鋅含量低于40 mg·kg?1，因此難以滿足大量食用小麥的人群的鋅營養(yǎng)需求。土壤施用鋅肥時小麥籽粒鋅含量范圍為17.7～59.0 mg·kg?1，其中有62.5% 的數(shù)據(jù)分布在20～35 mg·kg?1，85.6%的小麥籽粒鋅含量低于40 mg·kg?1；葉面噴施鋅肥時小麥籽粒鋅含量范圍為17.0～84.6 mg·kg?1，有24.7%的數(shù)據(jù)分布在35～40 mg·kg?1，38.8%小麥籽粒鋅含量高于40 mg·kg?1；土壤施用+葉面噴施處理時小麥籽粒鋅含量范圍為24.0～70.9 mg·kg?1，有76.2%小麥籽粒鋅含量高于40 mg·kg?1。

表2 不同施用方式下小麥籽粒鋅含量（mg·kg?1）Table 2 Zinc content in wheat grains under different application approaches（mg·kg?1）

由表2 可知，我國小麥籽粒鋅含量平均值在不施用鋅肥、土壤施用、葉面噴施以及土壤施用+葉面噴施鋅肥時分別為26.2、29.9、40.4 mg·kg?1和46.6 mg·kg?1。Wang 等[16]分析了來源于13 個國家的619 個小麥籽粒鋅含量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)施用鋅肥使籽粒鋅含量均值從28.96 mg·kg?1增加到36.61 mg·kg?1，其中土壤施用、葉面噴施以及土壤施用+葉面噴施時籽粒鋅含量平均值分別為29.39、42.30 mg·kg?1和40.45 mg·kg?1。Zou 等[17]在7 個國家共23 個地點進行了小麥鋅生物強化試驗，結(jié)果表明不施用鋅肥、土壤施用、葉面噴施以及土壤施用+葉面噴施鋅肥時小麥籽粒鋅含量平均值分別為27.4、30.5、48.0 mg·kg?1和49.0 mg·kg?1，土壤施用+葉面噴施時籽粒鋅含量略高于葉面噴施，與本研究結(jié)果一致。綜合考慮成本與收益，通過葉面噴施鋅肥來提高籽粒鋅含量的方式更值得推薦。

小麥籽粒鋅含量受到土壤中含鋅量、pH 值、方解石含量、碳酸氫鹽含量和有效磷含量等影響[18]。土壤中有效態(tài)鋅主要包括鋅離子（Zn2+）、螯合態(tài)鋅和有機態(tài)鋅，植物缺鋅時的土壤可能存在以下一種或多種情況：土壤全鋅含量低，碳酸鹽含量高，有機質(zhì)含量較高（>3%），中性或堿性pH，有效態(tài)磷含量高，長期漬水等[19]。小麥品種不同也是造成鋅含量差異的重要原因之一[20]，作物育種長期以產(chǎn)量為導向，而忽略了提高新品種的營養(yǎng)品質(zhì)，已有研究發(fā)現(xiàn)自20 世紀60 年代以來小麥籽粒中礦物質(zhì)含量持續(xù)下降[21]。此外，底肥的種類和施用量的不同也可能對小麥的增鋅效果產(chǎn)生影響，有研究發(fā)現(xiàn)鋅肥配合適量氮肥可以更高效提高小麥籽粒鋅含量[22]，在開花期后較低的磷肥施用量（<50 kg·hm?2）促進了鋅的累積及其向籽粒的轉(zhuǎn)移，而較高的磷肥用量（>50 kg·hm?2）則降低了植物體內(nèi)的鋅含量[23]。

2.3 我國小麥籽粒鋅含量增率

土壤施用鋅肥時，有94.2%的研究結(jié)果表現(xiàn)為籽粒鋅含量的增加（6 組數(shù)據(jù)中小麥籽粒鋅含量與對照相比沒有增加，籽粒鋅含量增率視為0），而葉面噴施處理和土壤施用+葉面噴施處理均不同程度地增加了小麥籽粒的鋅含量。從表3 可以看出，不同施肥方式下小麥籽粒鋅含量增率均呈偏態(tài)分布。土壤施用鋅肥使小麥籽粒鋅含量提高了0～94.7%，算術(shù)平均值與中位數(shù)分別為24.6%和15.2%，有43 組數(shù)據(jù)的籽粒鋅含量增率小于10%；葉面噴施處理使小麥籽粒鋅含量提高了4.40%～175%，算術(shù)平均值與中位數(shù)分別為47.2%和40.0%；土壤施用+葉面噴施處理使小麥籽粒鋅含量提高了27.7%～130%，算術(shù)平均值與中位數(shù)分別為62.6%和56.9%。由此可以看出，土壤施用+葉面噴施處理對于提升小麥籽粒鋅含量的效果最佳，其次是葉面噴施處理。

表3 不同施用方式下小麥籽粒鋅含量增率（%）Table 3 Increase rate of zinc content in wheat grain under different application approaches（%）

研究表明，土壤施用鋅肥可改善土壤有效鋅供給，緩解小麥鋅吸收不足時的抑制效應，促進生長并提高產(chǎn)量，而葉面噴施鋅可以更顯著地提高籽粒鋅含量[24]。葉面噴施鋅肥提高小麥籽粒鋅含量的效果優(yōu)于土壤施用鋅肥，可能是因為鋅元素在小麥韌皮部具有較高的流動性[25]，葉面噴施鋅肥能將小麥中有效鋅含量維持在較高的水平，使鋅更容易地轉(zhuǎn)運到籽粒中。而土壤施用的鋅肥易受土壤因素影響，中性或石灰性土壤施用鋅肥易導致Zn2+被固定，使鋅肥生物有效性降低[26]。土壤中的Zn2+被植物根系吸收后需要經(jīng)過木質(zhì)部負載轉(zhuǎn)移到韌皮部，經(jīng)過多種生理生化反應后，部分鋅才能轉(zhuǎn)運到籽粒中累積[27]。鋅肥在土壤中的空間分布及其與根系的接觸面也影響鋅肥的有效性[28]。我國小麥主產(chǎn)區(qū)華北平原土壤有效鋅含量低且成熟階段氣候干燥，也限制了小麥生育后期根對鋅的吸收和轉(zhuǎn)運[29]。曹玉賢等[30]研究發(fā)現(xiàn)施用鋅肥后土壤有效鋅含量顯著提高，但小麥籽粒鋅含量沒有顯著提高，而在小麥生長后期葉面噴施鋅肥可以提高小麥籽粒的鋅含量。

對小麥籽粒鋅含量增率與外源鋅投入量進行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果如圖2所示。隨著施鋅量的增加，小麥籽粒鋅含量增率呈現(xiàn)出增加的趨勢。土壤施用鋅肥時，小麥籽粒鋅含量增率與鋅投入量呈顯著正相關(guān)（P<0.05），線性回歸方程為y=0.737 8x+15.572；葉面噴施鋅肥時，小麥籽粒鋅含量增率與鋅投入量也呈顯著正相關(guān)（P<0.01），線性回歸方程為y=16.391x+21.438。因此可以得到，每公頃鋅投入量增加1 kg，小麥籽粒鋅含量分別提高0.74%（土壤施用）和16.39%（葉面噴施）。而土壤施用+葉面噴施鋅肥時，小麥籽粒鋅含量增率與鋅投入量無顯著相關(guān)性。

圖2 小麥籽粒鋅含量增率與外源鋅投入量的相關(guān)性分析Figure 2 Correlation analysis of zinc content increase rate in wheat grain with exogenous zinc input

2.4 鋅肥的利用率

鋅肥土壤施用、葉面噴施以及土壤施用+葉面噴施時，分別有72.1%、67.9%和71.4%的小麥呈現(xiàn)出增產(chǎn)效果。不同施肥方式下小麥籽粒鋅肥利用率的統(tǒng)計分析結(jié)果如表4 所示，鋅肥的利用率均呈偏態(tài)分布。土壤施用時鋅肥的利用率為0～5.69%，算術(shù)平均值與中位數(shù)分別為0.59%和0.24%；葉面噴施時鋅肥的利用率為0～34.2%，算術(shù)平均值與中位數(shù)分別為7.27%和4.03%；土壤施用+葉面噴施時鋅肥的利用率為0.20%～2.38%，算術(shù)平均值與中位數(shù)分別為0.94%和0.68%。由此可見，土壤施用和土壤施用+葉面噴施處理的鋅利用率較低，葉面噴施鋅肥的鋅利用率最高。葉面噴施鋅肥的利用率算術(shù)平均值和中位數(shù)分別是土壤施用處理的12.3倍和16.8倍。

表4 不同施用方式下鋅肥的利用率（%）Table 4 Utilization efficiency of zinc fertilizer under different application approaches（%）

鋅肥的利用率與小麥產(chǎn)量、小麥籽粒中鋅含量和鋅肥施用量有關(guān)。王孝忠等[31]通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，土壤施用鋅肥提高小麥產(chǎn)量的效果最佳，而且在一定范圍內(nèi)，增產(chǎn)率隨著土壤施用鋅肥量增加而增加。葉面噴施鋅肥對小麥增產(chǎn)效果不明顯，可能是因為鋅肥施用量較低且易受氣候影響，葉面吸收的鋅不易轉(zhuǎn)運到小麥根部，難以滿足根部對鋅的需求[14]。有研究表明小麥的產(chǎn)量和籽粒中鋅含量呈負相關(guān)[32]，也有研究表明小麥的產(chǎn)量和籽粒中鋅含量之間呈正相關(guān)關(guān)系[33]，若小麥籽粒中鋅含量上升但產(chǎn)量下降也可能導致鋅肥利用率下降。陸欣春等[22]的研究表明，土壤施用鋅肥雖然顯著提高了土壤有效鋅含量，但小麥籽粒鋅含量及產(chǎn)量沒有顯著增加，鋅肥的利用率偏低。鋅在小麥籽粒中的積累很大程度上依賴于生殖階段營養(yǎng)組織中鋅的再轉(zhuǎn)運[34]，葉面噴施鋅肥能維持小麥營養(yǎng)組織中較高濃度的鋅，顯著促進小麥籽粒鋅的生物強化[20]。同時，噴施鋅肥時施用量相對偏低，因此鋅肥的利用率較高。李孟華等[35]的研究也表明在低鋅旱地葉面噴施鋅肥的鋅利用率遠高于土壤施用和土壤施用+葉面噴施，葉面噴施時鋅肥的利用率為6.02%～9.40%，是土壤施用鋅肥的80倍左右。

2.5 不同地區(qū)鋅肥施用效果

本研究還分析了鋅肥施用對不同試驗地點（陜西、河北和河南）小麥籽粒鋅含量的影響，結(jié)果如表5所示。在陜西，對照組小麥籽粒鋅含量明顯低于河北和河南，土壤施用鋅肥未能明顯提高籽粒鋅含量，可能是土壤鋅含量較低，且影響土壤有效鋅的因素較多，有研究表明在西北缺鋅區(qū)不適合通過土壤施用鋅肥來提高小麥籽粒鋅含量[35]，而葉面噴施及土壤施用+葉面噴施鋅肥均使籽粒鋅含量增率超過60%。在河北，土壤施用鋅肥時籽粒鋅含量增率較低，葉面噴施及土壤施用+葉面噴施鋅肥時籽粒鋅含量和籽粒鋅含量增率均較高。在河南，不同鋅肥施用方式均使籽粒鋅含量超過了40 mg·kg?1，且土壤施用+葉面噴施鋅肥的效果顯著優(yōu)于葉面噴施。上述3 個地區(qū)小麥鋅肥利用率最高的方式均為葉面噴施。

表5 鋅肥施用對陜西、河南和河北地區(qū)小麥籽粒鋅含量的影響Table 5 Effects of zinc fertilizer application on zinc content in wheat grains in Shaanxi,Henan and Hebei provinces

3 結(jié)論

本研究通過對我國小麥鋅肥施用狀況以及鋅肥施用方式對小麥籽粒鋅含量的影響進行統(tǒng)計和相關(guān)性分析，得到以下結(jié)論：

（1）我國小麥鋅肥施用方式主要有土壤施用、葉面噴施以及土壤施用+葉面噴施，且土壤施用時鋅的平均投入量（12.6 kg·hm?2）為葉面噴施（1.57 kg·hm?2）處理的8.03倍。

（2）葉面噴施及土壤施用+葉面噴施鋅肥可有效提高小麥籽粒鋅含量，不同施肥方式下小麥籽粒鋅含量平均增率排序為土壤施用+葉面噴施（62.6%）>葉面噴施（47.2%）>土壤施用（24.6%）。土壤施用或葉面噴施鋅肥時，小麥籽粒鋅含量增率與外源鋅投入量均呈顯著正相關(guān)。

（3）土壤施用及土壤施用+葉面噴施時鋅肥的平均利用率較低（0.59%、0.94%），而葉面噴施時鋅肥平均利用率較高（7.27%）。