郭芳芳，韓亞倩，周蘇玫，杜西河，宋 淼，張潔梅，黃 源，胡乃月，臧賀藏，楊習(xí)文

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/國(guó)家小麥工程技術(shù)研究中心/省部共建小麥玉米作物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450046；2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南 鄭州 450002）

鋅參與人體蛋白質(zhì)和核酸的代謝合成，與人體免疫力和智力發(fā)育密切相關(guān)，小麥缺鋅會(huì)引起以面食為主食尤其是廣大偏遠(yuǎn)農(nóng)村人群的健康問題[1]。小麥作為我國(guó)第二大糧食作物，通過食用小麥相關(guān)食物攝入鋅占到了居民每日鋅攝入量的20%[2]，對(duì)于主要靠面食提供營(yíng)養(yǎng)和能量的素食人群的比例會(huì)更高。然而，小麥籽粒平均鋅含量（24.9～34.8 mg/kg）[3-5]遠(yuǎn)低于滿足人體鋅營(yíng)養(yǎng)健康的籽粒鋅強(qiáng)化目標(biāo)值（40～60 mg/kg）[6-7]。因此，提高普通小麥植株尤其是籽粒可食用胚乳部分鋅含量對(duì)于人類通過飲食補(bǔ)鋅具有重要意義。在氮肥施用對(duì)小麥氮積累的影響方面，研究發(fā)現(xiàn)，施用氮肥可以提高小麥不同器官氮含量和氮積累量，且不同處理間差異達(dá)到顯著水平[8-9]；植株氮積累量隨施氮量增加表現(xiàn)為先增后減[10-11]。在氮肥施用對(duì)小麥鋅積累的影響方面，研究發(fā)現(xiàn)，隨施氮量增加，小麥不同器官鋅濃度和鋅積累量呈增加趨勢(shì)[12-13]，小麥籽粒鋅含量和地上部鋅吸收量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，并達(dá)到極顯著水平[14]。這可能是因?yàn)樵鍪┑士稍鰪?qiáng)小麥根系對(duì)鋅元素的吸收、向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)及向籽粒的再分配。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)，在土壤缺鋅的情況下，隨施氮量增加小麥鋅含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)[15]，或增施氮肥小麥籽粒鋅積累量沒有明顯增加[16]。不難看出，在合理范圍內(nèi)氮鋅間存在著協(xié)同效應(yīng)，過量施氮對(duì)氮鋅的吸收積累不利，且在土壤缺鋅的環(huán)境下氮肥的作用甚微，過量的施用氮素以及過低的氮素利用效率會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染[17]。目前，關(guān)于氮鋅元素積累分配轉(zhuǎn)運(yùn)的報(bào)道主要集中于地上部氮鋅積累分配[8-16]，關(guān)于多個(gè)小麥品種不同生育時(shí)期從地下部到地上部氮和鋅的轉(zhuǎn)運(yùn)分配研究尚未見報(bào)道。為此，通過盆栽試驗(yàn)，研究施氮量對(duì)4個(gè)小麥品種不同生育時(shí)期不同器官氮鋅吸收與積累分配的影響，揭示不同施氮量下小麥不同器官的氮鋅積累量變化規(guī)律。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2019—2021 年在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)原陽現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科教園區(qū)（35.14°N、113.95°E）進(jìn)行，土壤類型為潮土，土壤基礎(chǔ)肥力：有機(jī)質(zhì)16.71 g/kg、全氮0.94 g/kg、堿解氮87.5 mg/kg、有效磷14.74 mg/kg、速效鉀86.4 mg/kg、DTPA-Zn 0.67 mg/kg，pH值8.0。

供試材料為黃淮平原區(qū)大面積推廣應(yīng)用的半冬性高產(chǎn)小麥品種商麥156（豫審麥2015011）、百農(nóng)418（豫審麥2015014）、百農(nóng)207（國(guó)審麥2013010）和開麥21（豫審麥2011017）。供試氮肥為尿素（含N46%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O512%），鉀肥為氯化鉀（含K2O 60%）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以盆栽的方式進(jìn)行，設(shè)置3 個(gè)施氮（N）量：0（N1）、135（N2）、270 kg/hm2（N3），根據(jù)上述大田施氮量折算的盆栽施氮量分別為0（N1）、1.80（N2）、3.60 g/盆（N3）。每盆（直徑28 cm、高30 cm）裝土10 kg。氮肥50%基施，50%于拔節(jié)期追施；所有處理均基施120 kg/hm2P2O5和120kg/hm2K2O。分別于2019 年10 月15 日 和2020 年10 月17 日播種，每 盆定苗12株，于2020年6月1日和2021年5月29日收獲，其他管理同當(dāng)?shù)厣a(chǎn)。

1.3 樣品采集

在冬前期、返青期、拔節(jié)期、開花期、灌漿期、成熟期取樣，拔節(jié)期以前分為葉、初生根、次生根3 個(gè)部分；開花期分為初生根、次生根、旗葉、余葉、穗下莖、余莖、穗上部穎殼、穗中部穎殼、穗下部穎殼9個(gè)部分；灌漿期和成熟期分為初生根、次生根、旗葉、余葉、穗下莖、余莖、穗上部穎殼、穗中部穎殼、穗下部穎殼、穗上部籽粒、穗中部籽粒、穗下部籽粒共12個(gè)部分。用清水沖洗根上的土壤及雜物，再用去離子水清洗3 遍，吸干水分后放置于信封中。所有材料均于105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒質(zhì)量。用千分之一天平稱量不同器官干質(zhì)量，將不同器官剪碎、混勻，粉碎后過孔徑為0.18 mm 的篩，存放于干燥、無污染的自封袋中。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.4.1 氮、鋅含量 粉碎后的樣品經(jīng)過H2SO4消煮后，使用全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定氮含量。粉碎后樣品前處理用干灰化法灰化，然后按1∶1用HNO3溶液溶解，使用原子分光光度計(jì)測(cè)定鋅含量。

1.4.2 氮和鋅吸收、積累與分配 采用下面公式計(jì)算氮和鋅吸收、積累與分配相關(guān)指標(biāo)。

不同器官氮積累量=不同器官氮含量×不同器官干質(zhì)量[18]；

不同器官鋅積累量=不同器官鋅含量×不同器官干質(zhì)量[13]；

營(yíng)養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移量=開花期營(yíng)養(yǎng)器官氮素積累量-成熟期營(yíng)養(yǎng)器官氮素積累量[19]；

營(yíng)養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移率=營(yíng)養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移量/營(yíng)養(yǎng)器官氮素總積累量×100%[19]；

營(yíng)養(yǎng)器官氮素貢獻(xiàn)率=營(yíng)養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移量/成熟期籽粒氮素積累量×100%[19]；

各器官轉(zhuǎn)入籽粒鋅總量=籽粒鋅吸收量×（各器官總鋅轉(zhuǎn)移量/各器官總鋅吸收量）[20]；

籽粒由再分配所獲鋅占籽粒鋅總量的比例=各器官轉(zhuǎn)入籽粒鋅總量/籽粒鋅吸收量×100%[20]；

某器官凈轉(zhuǎn)入籽粒鋅量=∑（各器官轉(zhuǎn)入籽?？備\量/各器官總鋅轉(zhuǎn)移量）×該器官鋅轉(zhuǎn)移量[20]；

籽粒鋅轉(zhuǎn)運(yùn)率=成熟期籽粒鋅攜出量/成熟期植株地上部鋅吸收量×100%[20]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 26.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，利用鄧肯法進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對(duì)小麥不同生育時(shí)期不同器官中氮積累量的影響

2.1.1 開花期前 從圖1 可以看出，小麥開花期前的冬前期、返青期、拔節(jié)期3個(gè)時(shí)期不同器官氮積累量分配規(guī)律一致，開花期前不同器官之間、不同施氮量處理下相同器官間氮積累量均存在明顯差異。3 個(gè)生育時(shí)期，N1 處理下，葉中氮積累量均明顯高于初生根和次生根，分別提高6.61、11.92、37.19 倍和17.41、14.34、14.87 倍；N2、N3 處理不同器官間氮積累量分配規(guī)律與N1 處理一致。葉、初生根、次生根中氮積累量總體上均隨施氮量的增加而顯著增加，其中，N2 和N3 處理葉中氮積累量分別較N1 處理提高41.54%、38.45%、28.09%和60.32%、93.66%、93.18%。

圖1 施氮量對(duì)小麥開花期前不同器官中氮積累量的影響Fig.1 Effects of nitrogen amount on nitrogen accumulation in different organs of wheat at pre-anthesis stage

2.1.2 開花期及其之后 如圖2 所示，小麥開花期及其之后不同器官間、同一器官不同施氮量處理間均存在明顯差異。對(duì)于不同器官間氮積累量，N1處理開花期余葉最大，灌漿期、成熟期表現(xiàn)為穗中部籽粒最大，3 個(gè)時(shí)期均為初生根最?。籒2、N3 處理不同器官間氮積累量分布趨勢(shì)與N1 處理一致，均以開花期余葉、灌漿期和成熟期穗中部籽粒中氮積累量最高，初生根最低。不同生育時(shí)期，同一器官氮積累量總體上均隨著施氮量的增加而顯著增加，其中，灌漿期、成熟期N2和N3處理穗中部籽粒氮積累量分別較N1 處理顯著提高36.06%、42.18% 和79.34%、92.15%。

圖2 施氮量對(duì)小麥開花期及其之后不同器官中氮積累量的影響Fig.2 Effects of nitrogen amount on nitrogen accumulation in different organs of wheat at anthesis and post-anthesis stages

2.2 施氮量對(duì)小麥不同生育時(shí)期不同器官中鋅積累量的影響

2.2.1 開花期前 圖3 表明，小麥開花期前的冬前期、返青期、拔節(jié)期3個(gè)生育時(shí)期葉與根系間的鋅積累量存在明顯差異，同一器官不同施氮量處理間總體上存在顯著差異。對(duì)于不同器官鋅積累量，所有施氮量處理均以葉最大，次生根最小。對(duì)于同一器官，隨著施氮量的增加，葉鋅積累量顯著增加，N2和N3 處理較N1 處理分別增加27.05%、30.20%、30.09%和83.54%、94.17%、104.02%，初生根和次生根鋅積累量與葉表現(xiàn)相似。

圖3 施氮量對(duì)小麥開花期前不同器官中鋅積累量的影響Fig.3 Effects of nitrogen amount on zinc accumulation in different organs of wheat at pre-anthesis stage

2.2.2 開花期及其之后 如圖4 所示，小麥開花期余莖、灌漿期和成熟期穗中部籽粒鋅積累量明顯高于其他器官，同一器官不同施氮量處理間總體上存在顯著差異。對(duì)于不同器官，所有施氮量處理開花期均以余莖鋅積累量最大，灌漿期和成熟期均以穗中部籽粒鋅積累量最大，3個(gè)時(shí)期均以初生根最小，其中，N1 處理3 個(gè)生育時(shí)期鋅積累量最大值分別較初生根增加15.64、18.86、163.45 倍。對(duì)于同一器官，隨著施氮量增加，3個(gè)生育時(shí)期鋅積累量總體上均顯著增加，其中，N2和N3處理余莖鋅積累量分別較N1處理增加57.40%、51.78%、45.52%和130.38%、113.56%、73.24%。

圖4 施氮量對(duì)小麥開花期及其之后不同器官中鋅積累量的影響Fig.4 Effects of nitrogen amount on zinc accumulation in different organs of wheat at anthesis and post-anthesis stages

2.3 施氮量對(duì)小麥不同生育時(shí)期不同器官中氮、鋅凈吸收和凈轉(zhuǎn)移平衡的影響

2.3.1 氮凈吸收和凈轉(zhuǎn)移平衡 從表1 可以看出，初生根在返青期前、次生根在開花期前的總氮凈吸收量分別為1.40～2.23、2.23～6.91 mg/株，之后總氮凈吸收量分別為-1.82～-1.23 mg/株、-5.59～-1.35 mg/株，表明初生根在返青期前、次生根在開花期前分別是氮的凈吸收器官，之后則轉(zhuǎn)為氮的凈轉(zhuǎn)移器官。類似于初生根和次生根，葉在拔節(jié)期前為氮的凈吸收器官，拔節(jié)期后轉(zhuǎn)為氮的凈轉(zhuǎn)移器官；莖在開花期前為氮的凈吸收器官，開花期后轉(zhuǎn)為氮的凈轉(zhuǎn)移器官；穎殼在灌漿期前為氮的凈吸收器官，灌漿期后轉(zhuǎn)為氮的凈轉(zhuǎn)移器官。上述營(yíng)養(yǎng)器官對(duì)氮的總凈吸收量和總凈轉(zhuǎn)移量均以葉最高，分別為34.75 ～67.13 mg/株和29.01 ～52.17 mg/株；根最低，分別為3.63～9.14 mg/株和2.58～7.41 mg/株。上述營(yíng)養(yǎng)器官對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為葉＞莖＞穎殼＞根。

表1 施氮量對(duì)小麥不同生育時(shí)期不同器官中氮凈吸收與凈轉(zhuǎn)移平衡的影響Tab.1 Effects of nitrogen amount on the balance of net nitrogen uptake and transfer in different organs of wheat at different stages

續(xù)表1 施氮量對(duì)小麥不同生育時(shí)期不同器官中氮凈吸收與凈轉(zhuǎn)移平衡的影響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 鋅凈吸收和凈轉(zhuǎn)移平衡 如表2 所示，小麥初生根冬前期前是鋅的凈吸收器官，之后變?yōu)殇\的凈轉(zhuǎn)移器官，總凈吸收量和總凈轉(zhuǎn)移量分別為1.60～1.70 μg/株和1.45～1.54 μg/株。次生根在開花期前為鋅的凈吸收器官，之后成為鋅的凈轉(zhuǎn)移器官，總凈吸收量和總凈轉(zhuǎn)移量分別為1.76 ～4.75 μg/株和1.23～4.17 μg/株。葉在拔節(jié)期前為鋅的凈吸收器官，拔節(jié)期以后轉(zhuǎn)為鋅的凈轉(zhuǎn)移器官，總凈吸收量和總凈轉(zhuǎn)移量分別為10.11～20.62 μg/株和7.85～14.65 μg/株。莖在拔節(jié)期干物質(zhì)積累量較小，暫且忽略不計(jì)，在拔節(jié)到開花期為鋅的凈吸收器官，在開花期后為鋅的凈轉(zhuǎn)移器官，且余莖在不同生育時(shí)期鋅的凈轉(zhuǎn)移量大于穗下莖，莖總凈吸收量和總凈轉(zhuǎn)移量分別為13.16 ～26.48 μg/株和9.53～20.22 μg/株。穎殼在灌漿期前是小麥鋅的凈吸收器官，在灌漿期后逐漸轉(zhuǎn)為鋅的凈轉(zhuǎn)移器官，且穗中部穎殼鋅的凈吸收量和凈轉(zhuǎn)移量均最大，凈吸收量略小于穗上部和穗下部穎殼之和，凈轉(zhuǎn)移量大于穗上部和穗下部穎殼之和。次生根是作為鋅的凈吸收器官持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的，作為鋅的凈吸收器官的功能期大于其他器官。以上不同器官鋅的凈吸收量和凈轉(zhuǎn)移量均表現(xiàn)為葉＞莖＞穎殼＞根。

續(xù)表2 施氮量對(duì)小麥不同生育時(shí)期不同器官中鋅凈吸收與凈轉(zhuǎn)移平衡的影響Tab.2（Continued）Effects of nitrogen amount on the balance of net zinc uptake and transfer in different organs of wheat at different stages

續(xù)表2 施氮量對(duì)小麥不同生育時(shí)期不同器官中鋅凈吸收與凈轉(zhuǎn)移平衡的影響Tab.2 （Continued）Effects of nitrogen amount on the balance of net zinc uptake and transfer in different organs of wheat at different stages

籽粒通過再分配獲得的鋅從灌漿期以后隨著生育時(shí)期的推進(jìn)呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。再分配占穗上、中、下部籽粒鋅吸收量的比例分別為24.42%～42.00%、22.76%～38.61%、19.77%～42.89%，穗上部籽粒通過再分配所獲得的鋅占比略大于穗中部和穗下部籽粒。與N1 處理相比，N2、N3 處理穗上、中、下部籽粒通過再分配所獲鋅占比增加了55.56%～72.00%、49.35%～69.61%、93.07%～116.91%，說明增加氮肥施用量增大了各營(yíng)養(yǎng)器官對(duì)穗上、中、下部籽粒鋅的再分配。

3 結(jié)論與討論

3.1 施氮量與小麥鋅吸收、積累與分配的關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn)，施氮可顯著增加小麥籽粒鋅濃度[8，13，21-22]，增加施氮量顯著提高小麥植株在各生育時(shí)期和不同器官中鋅積累量[23-25]。在施氮量低于240 kg/hm2時(shí)，小麥不同器官鋅積累量隨著施氮量增加而增大[9]，開花期前植株鋅積累量與開花期及其之后籽粒鋅吸收量隨施氮量增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。本研究結(jié)果也呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，即在施氮量低于270 kg/hm2時(shí)，隨著施氮量的增加，小麥植株及不同器官鋅積累量均表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)，鋅積累量與施氮量呈正相關(guān)關(guān)系。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，隨著施氮水平的提高，與鋅螯合有關(guān)的尼克酰胺合成酶基因TaNAS3和TaNAS2在新葉中的表達(dá)量增加，而TaNAS1基因在根系中的表達(dá)量也增加，說明增加氮素供應(yīng)也可增加根系對(duì)鋅的吸收及向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)[25]。張均等[26]發(fā)現(xiàn)，適量增施氮肥可以提高小麥根系對(duì)鋅的吸收。這與本研究結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn)，施氮量小于270 kg/hm2時(shí)，施氮量越大，植株根系鋅凈吸收量越大，且處理間差異達(dá)到顯著水平。這可能是因?yàn)槭┑龠M(jìn)參與吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鋅等酶類的合成，從而促進(jìn)植株對(duì)鋅的吸收及向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)；同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)，提高施氮量可增加根中鋅的總凈吸收量及總凈轉(zhuǎn)移量。吳天琪等[27]研究發(fā)現(xiàn)，施氮可提高小麥灌漿前期葉片等營(yíng)養(yǎng)器官鋅向籽粒的轉(zhuǎn)移量，籽粒中氮鋅含量呈顯著線性正相關(guān)。本研究結(jié)果與其一致，且本研究還發(fā)現(xiàn)，增加氮素供應(yīng)可增加小麥全生育期不同器官鋅向籽粒的轉(zhuǎn)移量及不同器官再分配占籽粒鋅吸收量的比例。王少霞等[28]發(fā)現(xiàn)，土施氮肥可提高開花期前累積鋅向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)量及再轉(zhuǎn)移率，也提高了開花期及其之后鋅吸收以及吸收鋅向籽粒的轉(zhuǎn)移量；與不施氮處理相比，施氮可提高第1年葉部和第2 年莖稈中鋅的分配比。本研究亦發(fā)現(xiàn)，增加施氮量可以增加開花期前不同器官及開花期后籽粒鋅吸收和開花期后除籽粒外其他器官的鋅轉(zhuǎn)移。

3.2 小麥不同器官中鋅向籽粒轉(zhuǎn)移的規(guī)律

研究發(fā)現(xiàn)，小麥開花期及其之后穗部含鋅量最高，成熟期以籽粒中最高[9]。這與本試驗(yàn)中開花期及其之后穗部鋅積累量最高的結(jié)論一致。這可能與鋅主要存在于生理活性較高的器官中有關(guān)。黨紅凱等[20]研究發(fā)現(xiàn)，小麥葉從出苗到起身期為鋅的凈吸收器官（葉片為開花期前，葉鞘為起身期以前），莖稈和穗從起身期到開花期為鋅的凈吸收器官，對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)表現(xiàn)為葉片＞穗＞葉鞘＞莖稈。本研究發(fā)現(xiàn)，葉在拔節(jié)期前為鋅的凈吸收器官，拔節(jié)期后轉(zhuǎn)為鋅的凈轉(zhuǎn)移器官。莖在開花期前為鋅的凈吸收器官，開花期后轉(zhuǎn)為鋅的凈轉(zhuǎn)移器官。穗部穎殼在灌漿期前為鋅的凈吸收器官，灌漿期后為鋅的凈轉(zhuǎn)移器官。對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為葉＞莖＞穎殼＞根。本研究與黨紅凱等[20]結(jié)果大致相同，存在細(xì)微差異，可能的原因：一方面，器官分類不同；另一方面，氣候、土壤等外部環(huán)境也可能導(dǎo)致差異，如土壤干旱會(huì)造成土壤中微量元素的缺失，土壤pH 值、根際有機(jī)無機(jī)物質(zhì)、土壤礦物質(zhì)等都會(huì)影響根系吸收養(yǎng)分。薛艷芳等[29]研究發(fā)現(xiàn)，大部分鋅都能從根運(yùn)輸?shù)降厣喜?，成熟期?～60 cm 土層中僅有10%～17%的鋅分布在根系中。本研究發(fā)現(xiàn)，出苗到成熟期根系剩余的鋅積累量占總吸收量的10%左右，這與前人研究結(jié)果一致。說明小麥通過根系吸收鋅元素，到成熟期最終主要分配到籽粒中。KUTMAN等[16]研究發(fā)現(xiàn)，在正常供鋅尤其是高鋅供應(yīng)條件下，氮供應(yīng)量提高，小麥地上部植株鋅濃度和鋅累積量分別增加23.1%～31.5%和37.5%～49.7%，說明增加氮素供應(yīng)，可以促進(jìn)根系對(duì)鋅的吸收，是提高植株鋅濃度和鋅積累量的有效途徑。本研究也發(fā)現(xiàn)，隨著施氮量增加，根中鋅再分配到籽粒中的鋅占籽粒鋅吸收量的比例增加。說明增加施氮量有利于鋅從根向籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)。這可能是因?yàn)槭┑黾有←湉耐寥乐形盏执龠M(jìn)小麥植株中吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鋅物質(zhì)如尼克酰胺（NA）、脫氧麥根酸（DMA）等含氮化合物及IRT-like 蛋白、YSL、HMA 等鋅轉(zhuǎn)運(yùn)載體的合成[29]，從而促進(jìn)根系對(duì)鋅的吸收及向籽粒中的轉(zhuǎn)移。