長期施磷對水稻鋅吸收、積累和轉運的影響

劉彥伶，李 渝，白怡婧，黃興成，張雅蓉，張 萌，張文安，蔣太明

（1.貴州省農業科學院土壤肥料研究所，貴州 貴陽 550006；2.農業農村部貴州耕地保育與農業環境科學觀測實驗站，貴州 貴陽 550006；3.貴州省農業科學院茶葉研究所，貴州 貴陽 550006）

鋅是人體生長發育的必需微量元素，全球約1/3的人口正面臨著鋅營養缺乏，在經濟不發達的發展中國家尤為嚴重［1］，提高作物特別是禾谷類作物籽粒中鋅含量及其生物有效性，已成為全世界植物營養學、農學、人體營養等領域關注的熱點。我國大約60%的居民以稻米為主，水稻對鋅的吸收、累積和轉運關系到水稻產量和品質形成，稻米的鋅營養品質直接影響國民的身體健康狀況。一般認為，水稻籽粒中絕大多數微量元素含量除受遺傳因素影響外，還受氣候、土壤和人為活動等因素的影響，而通過農學措施提高農產品中的微量元素含量則被認為是一種可持續的、安全的和經濟的方案［2］。施肥作為農業生產的重要增產措施，必然會對土壤-作物系統中鋅遷移轉運產生影響，磷鋅關系一直是研究的熱點。大量研究認為施用磷肥會降低禾谷類作物籽粒鋅的含量，磷鋅之間呈拮抗作用［3-4］，關于磷鋅拮抗作用有的推測發生在土壤中，過量施用磷肥會增加土壤磷酸鹽對鋅離子的吸附或沉淀（環境化學機制）；但也有研究認為磷鋅拮抗作用發生在植物體內，鋅離子與磷形成的磷酸鋅鹽在植物體細胞壁與液泡發生的沉淀作用，使鋅離子在植物體內的木質部長距離輸送減少，進而抑制了鋅向地上部的運轉代謝（生理生化機制）［5-6］。但是，以往的研究大多基于室內培養試驗或短期田間試驗，而長期施肥對土壤理化性質的影響較短期施肥更為深刻，近年來，關于長期施肥對土壤和作物鋅吸收的影響在黃壤、棕壤、紫色土、紅壤、黑土等土壤上開展了一些研究［7-10］，研究認為長期配施有機肥可提高土壤有效鋅含量和籽粒鋅含量，而長期施用化肥對土壤和籽粒鋅含量的影響研究結果不一。水稻是貴州最重要的糧食作物，黃壤作為貴州面積最大的農業土壤類型，土壤磷有效性低是其主要障礙因子之一，因此合理施用磷肥是黃壤區實現作物高產的重要措施，目前關于長期施肥對黃壤磷素的影響已開展了一些研究［11-13］，但長期施肥對土壤鋅有效性和農作物鋅吸收影響的研究尚少，磷素長期供應不足或過量會如何影響農作物對鋅的吸收或向籽粒的分配？目前黃壤上還鮮有相關報道。為此，本文以進行了22 年的黃壤（水田）長期定位試驗為平臺，開展長期施肥條件下不同磷肥用量和不同磷肥類型對土壤有效鋅含量和植株鋅吸收、積累及轉運影響的研究，可為黃壤區合理施肥及作物高產優質提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

本研究依托于農業農村部貴州耕地保育與農業環境科學觀測實驗站進行黃壤（水田）肥力與肥效長期定位試驗。試驗地位于貴州省貴陽市花溪區貴州省農業科學院內（106°39′52″E，26°29′49″N），地處黔中丘陵區，屬亞熱帶季風氣候，平均海拔1071 m，年均氣溫15.3℃，年均日照時數1354 h 左右，相對濕度75.5%，全年無霜期270 d 左右，年降水量1100～1200 mm。試驗地土壤類型為鐵聚水耕人為土，成土母質為三疊系灰巖與砂頁巖風化物。該長期定位試驗于1994 年開始基礎設施建設和勻地，1995 年開始連續監測。基礎土壤理化性質為pH 6.75，有機質44.5 g·kg-1，全氮1.96 g·kg-1，堿解氮158.9 mg·kg-1，有效磷13.4 mg·kg-1，速效鉀293.7 mg·kg-1，有效鋅2.53 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗采用大區對比試驗設計，小區面積201 m2（35.7 m×5.6 m），設置有10 個施肥處理，本研究選取其中能代表不同施磷量及不同磷肥類型的7 個施肥處理：不施肥（CK）、偏施氮肥（N）、偏施氮鉀肥（NK）、平衡施用化肥（NPK）、單施有機肥（M）、1/2 有機肥替代1/2NP（0.5MNP）和全量有機肥化肥配施（MNPK）。供試化肥為尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512%）和氯化鉀（K2O 60%）；有機肥為牛廄肥，鮮基養分多年測試平均含N 2.7 g·kg-1、P2O51.3 g·kg-1、K2O 6.0 g·kg-1、Zn 21.6 mg·kg-1，本研究中鋅肥為有機肥帶入，并未施用化學鋅肥。不同處理施肥量見表1。化學氮肥按返青肥、分蘗肥為40%、60%的比例分兩次追施，有機肥及化學磷鉀肥作基肥一次性施用。本研究中2016 年種植水稻品種為‘汕優108’，栽培密度為2.08×105株·hm-2，栽培方式為人工手插，于2016 年6 月5 日移栽，10 月9日收割，分蘗期取樣日期為7 月4 日，開花期取樣日期為8 月22 日；2018 年種植水稻品種為‘茂優601’，于2018 年6 月13 日移栽，9 月27 日收割，分蘗期取樣日期為7 月14 日，開花期取樣日期為8 月20 日，種植密度與2016 年一致。水稻生長期間采用前期淹水、中期烤田和后期干濕交替的水分管理模式，冬季翻耕炕田，不種植任何農作物。試驗過程中不使用除草劑和殺蟲劑等化學農藥，所有處理除施肥差異外，其他農事活動均一致。

表1 各處理施肥量

1.3 測定項目與方法

長期定位試驗由于小區面積較大未設置重復，本研究將試驗地沿長邊3 等分，設置3 個調查取樣重復小區，分別于水稻分蘗期、開花期和成熟期采集水稻植株和0～20 cm 耕層土壤樣品，生育時期土壤樣品僅于2016 年采集，2018 年未采集。植株樣品在105℃下殺青30 min，70℃烘干后稱取干重，磨碎待用。土壤風干后磨碎過1 mm 篩待用。采用HNO3-HClO4消煮-原子吸收分光光度法測定全鋅含量，DTPA 浸提-原子吸收分光光度法測定有效鋅含量。具體測定方法參考《土壤農化分析》［14］。

1.4 相關參數計算

花后鋅積累量（kg·hm-2）=成熟期鋅積累量-開花期鋅積累量；

營養器官鋅轉運量（kg·hm-2）=開花期鋅積累量-成熟期營養器官鋅積累量；

鋅轉運量對籽粒貢獻率（%）=營養器官鋅轉運量/成熟期籽粒鋅積累量×100；

花后鋅積累量對籽粒貢獻率（%）=花后鋅積累量/成熟期籽粒鋅積累量×100。

1.5 數據分析

試驗數據均采用Excel 2010 軟件進行計算處理，利用SPSS 20.0 軟件進行統計分析和相關分析，差異顯著性用Duncan 新復極差法進行分析，顯著性水平設定為α=0.05。

2 結果與分析

2.1 長期不同施肥模式對土壤有效鋅的影響

不同施肥處理對土壤有效鋅含量有顯著影響（圖1），分蘗期、開花期及收獲后土壤有效鋅含量分別為1.85～4.84、2.07～6.67、2.17～5.04 mg·kg-1，不同處理各生育期土壤有效鋅含量趨勢基本一致，大小順序為MNPK ≥M＞0.5MNP＞NPK、CK＞N、NK，處理間差異達顯著水平。與CK 相比，施用有機肥的各處理（MNPK、M、0.5MNP）不同時期土壤有效鋅平均值顯著提高了52.0%～130.0%，偏施氮肥（N）或氮鉀肥（NK）處理則降低了14.4%～15.6%，而氮磷鉀平衡配施（NPK）提高了7.2%，但差異均未達顯著水平。與初始年份土壤有效鋅相比，N 和NK 處理2016 年收獲后土壤有效鋅分別下降了9.7%和12.2%，CK、NPK、M、0.5MNP、MNPK 分別提高 了4.1%、13.7%、41.5%、69.2%、124.6%。可見施用有機肥可提高黃壤性水稻土有效鋅含量，而偏施氮肥或氮鉀肥則會降低土壤有效鋅含量。

2.2 長期不同施肥模式對水稻植株磷鋅含量及磷鋅比的影響

水稻各生育期不同施肥處理對水稻植株磷和鋅含量均有顯著影響（表2）。莖葉中，與CK 處理相比，N、NK 處理2016 和2018 年莖葉磷含量分別降低了22.7%、45.5%和35.0%、12.5%；NPK、M、0.5MNP處理2016 和2018 年分別顯著增加了54.5%～127.3%和50.0%～130.0%，各處理大小為M＞0.5MNP＞NPK；MNPK 處理2016 年和2018 年分別顯著增加了188.6%和165.0%。籽粒中，與CK 處理相比，N 和NK 處理2016 年籽粒磷含量顯著降低，但2018 年差異不顯著；NPK、M、0.5MNP 處理2016 和2018 年分別增加了2.8%～22.8%和32.5%～50.5%，各處理大小為M＞0.5MNP＞NPK；MNPK 處理2016 年和2018 年分 別顯著增加了33.1%和55.2%。

不同施肥處理對水稻成熟期不同器官鋅含量有顯著影響，且對莖葉的影響大于對籽粒的影響，2016 和2018 年規律基本一致（表2）。莖葉中，與CK 處理相比，N 和NK 處理莖葉鋅含量均顯著增加，2016 和2018 年增幅高 達14.4%和18.5%以上；NPK 處理2016 年顯著降低，但2018 年差異不顯著；施用有機肥處理（M、0.5MNP、MNPK）莖葉鋅含量均有不同程度降低，2016 和2018 年降幅分別為28.2%～36.7%和17.1%～37.5%，各處理降幅大小順序為MNPK＞M、0.5MNP。籽粒中，與CK 處理相比，2016 年N 和NK 處理籽粒鋅含量略有提升，但差異不顯著。2018 年N 處理顯著提高了18.9%，NK 處理略有提升但差異不顯著；NPK、M 和0.5 MNP 處理籽粒鋅含量均有不同程度降低，但僅2018 年NPK 處理差異達顯著水平；MNPK 處理各時期籽粒鋅含量均最低，2016 和2018 年成熟期分別顯著降低了24.0%和35.0%。

表2 水稻植株地上部成熟期不同器官的磷、鋅含量和P/Zn

眾多學者認為P/Zn 可作為衡量磷、鋅營養的診斷指標，比鋅含量更能表征植物體內鋅活性。莖葉中，與NPK 處理相比，不施磷的各處理（CK、N、NK）不同時期P/Zn 均顯著降低，2016 和2018 年分別顯著降低了48.0%～74.8%和30.8%～64.5%，其中以N 和NK 處理降幅較大；施用有機肥的處理（M、0.5MNP、MNPK）2016 和2018 年分別顯著增加了30.9%～139.4%和70.5%～187.2%，其中MNPK 處理增幅最大。籽粒中各處理P/Zn 與莖葉規律基本一致，表現為N、NK ≤CK＜NPK、M、0.5 MNP＜MNPK，處理間差異基本達顯著水平。上述結果說明，水稻和籽粒磷、鋅含量主要受磷肥施用量影響，在磷肥施用量一致條件下，施用有機肥較單施化肥更能提高水稻籽粒鋅含量。

2.3 長期不同施磷模式對水稻植株鋅積累和轉運的影響

水稻移栽后，不同施肥處理水稻鋅積累量持續增加，在收獲期達最大（圖2）。2016 和2018 年分蘗期、開花期和成熟期鋅積累量分別為23.4～42.6、215.7～339.0、418.6～493.1 和56.8～127.3、252.9～316.0、369.3～461.0 g·hm-2，各處理間鋅積累量基本無顯著差異。2016 和2018年不同施肥處理水稻植株鋅轉運規律基本相似（表3），花后鋅積累量對籽粒的貢獻率基本高達60%以上，籽粒鋅含量主要來源于花后鋅積累。2016 和2018 年各處理鋅轉運量及其對籽粒的貢獻率均以M 和0.5MNP 處理較高，N 和NK 處理較低，M 處理2016 和2018 年鋅轉運量分別是NPK處理的7.3 和4.3 倍，鋅轉運量對籽粒的貢獻率分別提高了34.5 和53.4 個百分點。2016 和2018 年各處理花后鋅積累量及其對籽粒貢獻率均以N 和NPK 處理較高，M 處理最低。綜上，0.5MNP 處理在提高花前鋅向籽粒轉運和促進花后鋅吸收效果最佳。

表3 不同施肥模式水稻鋅積累、轉運及對籽粒的貢獻率

2.4 水稻植株鋅含量與植株磷含量及土壤養分的相關性

對成熟期水稻植株鋅營養及植株氮磷鉀養分含量和土壤養分進行相關分析（表4），結果表明，水稻籽粒和莖葉鋅含量與磷含量均呈顯著或極顯著負相關，P/Zn 則與磷含量呈極顯著正相關。水稻莖葉和籽粒鋅含量與土壤有效鋅和有效磷均呈顯著或極顯著負相關，P/Zn 與土壤有效鋅、有機質、全氮、有效磷和速效鉀均顯著或極顯著正相關，其中與有效磷的相關系數最大。可見，水稻莖葉和籽粒鋅含量主要與磷含量和土壤有效磷含量有關。

表4 水稻植株鋅含量與植株磷含量及土壤養分的相關性

由于長期不同施肥模式受多種因素共同影響，上述研究表明磷肥施用量和有機肥用量對土壤和水稻植株鋅含量有重要影響，為進一步比較兩者對土壤有效鋅和水稻植株鋅吸收的影響，分析了磷肥用量和有機肥用量對土壤有效鋅和成熟期籽粒鋅含量的主效應（表5）。結果表明，有機肥施用量和磷肥用量對土壤有效鋅影響的主效應均達極顯著水平，有機肥用量影響較大。不同有機肥和磷肥施用量對土壤有效鋅的影響表現為高量有機肥＞中量有機肥＞不施有機肥，高量施磷＞中等施磷＞不施磷（圖3）；有機肥施用量對水稻籽粒鋅含量影響未達顯著水平，而施磷量對籽粒鋅含量的影響在2016和2018 年均達極顯著水平，大小為不施磷＞中等施磷＞高量施磷（圖4）。可見，土壤有效鋅含量主要受有機肥用量即鋅肥用量的影響，而水稻籽粒鋅含量則主要受施磷水平影響。

表5 磷肥和有機肥用量對土壤有效鋅和水稻籽粒鋅含量的影響

3 討論

3.1 長期施肥對土壤有效鋅的影響

土壤中鋅是植物吸收鋅最重要的來源，常用DTPA-Zn 來表征土壤中有效鋅的含量作為土壤供鋅能力的衡量指標，國際水稻所提出0.8 mg·kg-1為土壤有效鋅的最低臨界指標［15］。本研究中各處理水稻不同生育期土壤有效鋅含量均高于1.85 mg·kg-1，土壤并不缺鋅。不同施肥處理各時期土壤有效鋅含量基本表現為MNPK ≥M＞0.5MNP＞NPK、CK＞N、NK，說明長期施用有機肥可提高土壤有效鋅含量，這與黑土［16］、棕壤［8］、褐土［17］、黃泥田［2］等土壤上的研究結果一致，其原因一方面是長期施用有機肥為土壤帶入的鋅高于植物帶走的鋅，因此土壤中鋅處于盈余狀態；另一方面有機質可以增加鋅的溶解度進而提高土壤有效鋅含量。而關于長期不施肥及施用化肥對土壤有效鋅影響的研究結果不盡一致，本研究中長期不施肥土壤有效鋅含量略低于或與平衡施用化肥處理相當，與黑土和棕壤等研究結果相似，而長期不平衡施肥（缺磷）則比平衡施用化肥顯著降低了土壤有效鋅含量，這與褐土上研究結果相似，但與黃土上［6］研究結果相反，說明黃壤稻田長期偏施氮肥或氮鉀肥對土壤有效鋅影響較大。長期偏施氮肥或氮鉀土壤中有效鋅含量下降的原因可能是植物連續生長從土壤中帶走了鋅，卻沒有為土壤補充鋅而造成的，而平衡施用化肥雖然植物也吸收帶走了鋅，但施用磷肥可能活化了土壤中原有的鋅［9］，進而提高了有效鋅的含量。

3.2 長期施肥對水稻鋅吸收的影響

本研究結果顯示，不同施肥處理籽粒和莖葉中鋅含量均表現為CK、N、NK＞NPK、M、0.5MNP＞MNPK，與惠曉麗等［18］在冬小麥中得出的營養器官和籽粒鋅含量不施磷處理（CK、N）大于施磷處理（P、NP）一致，但與王飛等［2］和劉候俊等［8］在水稻和玉米上得出的施用有機肥可提高籽粒鋅含量相反。相關分析和多因素方差分析結果表明水稻植株籽粒鋅含量與磷含量和土壤有效磷均呈顯著負相關關系，籽粒鋅含量隨磷肥用量增加不斷降低，有機肥用量對籽粒鋅含量影響不顯著，說明黃壤稻田上水稻鋅含量主要受土壤和植株磷含量的影響，水稻植株磷鋅之間存在拮抗作用，這與大多研究得出的“高磷會誘導作物缺鋅”結果一致。本研究中，土壤有效鋅和有效磷之間呈極顯著正相關，施磷量越高有效鋅含量越高。說明磷鋅之間的拮抗作用發生在植物體內，有可能高磷抑制了作物根系對鋅的吸收，導致各施肥處理間地上部植株鋅積累量基本無顯著差異，而施用磷肥可提高水稻植株生物量和產量［19］，所以由水稻生物量和籽粒產量增加引起的養分稀釋效應可能是施磷處理水稻植株鋅含量降低的主要原因［20-21］，這與趙榮芳等［22］和Zhang 等［23］研究結果一致。需要說明的是，本研究中磷梯度設置較少且各施肥處理間變量因素較多，故關于黃壤稻田土壤-植株系統中更加明確的磷鋅關系需要盆栽試驗或室內培養試驗輔助作進一步明確。

水稻籽粒鋅一方面來源于營養器官的轉運，另一方面來源于花后鋅的吸收，本研究中各施肥處理基本60%以上來自于花后鋅積累量，這與馮緒猛等［24］的研究結果一致，不同施肥處理中M 處理花后鋅積累量及其對籽粒的貢獻率均最低，N 和NPK處理則鋅轉運量和對籽粒的貢獻率最低，因此農業生產中有機肥應和化肥合理配施才更有利于促進水稻籽粒鋅含量的提高。施磷量基本一致條件下，M和0.5MNP 處理莖葉鋅含量均低于NPK 處理，但籽粒鋅含量卻高于NPK 處理，分析不同施肥處理對鋅轉移和分配的影響發現，M 和0.5MNP 處理鋅轉運量均較高，而NPK 處理則較低，可見，促進莖葉中鋅向籽粒的轉運是M 和0.5MNP 處理籽粒鋅含量提高的主要原因。

3.3 黃壤稻田上鋅肥管理對策

本研究中，籽粒鋅含量為13.4～29.5 mg·kg-1，低于趙強［25］在我國主要農作物微量元素含量狀況分析中得到的水稻糙米平均鋅含量45.65 mg·kg-1，因此黃壤稻田應重視鋅肥的施用。而綜合前文研究結果來看，水稻籽粒鋅含量主要受施磷量的影響，不施磷或過量施磷均不利于籽粒產量和鋅營養品質的協同提升，而在適當施磷量下合理配施有機肥（含鋅）既可實現作物高產又可一定程度上提高籽粒鋅含量，是黃壤稻田上實現作物高產優質的有效途徑。值得注意的是，由于本研究中施用有機肥可同時提高土壤有效磷和有效鋅含量，所以水稻籽粒鋅含量并不隨土壤有效鋅含量的增加而增加，而是呈負相關關系，這說明在土壤并不缺鋅的條件下通過土施鋅肥（尤其是同時含有磷和鋅的肥料）來提高水稻籽粒鋅含量的效果是有限的，還應結合葉面肥噴施［26］。

4 結論

不同施肥模式中，N、NK、CK 處理水稻植株莖葉和籽粒鋅含量最高，P/Zn 最低；MNPK 處理水稻植株莖葉和籽粒鋅含量最低，P/Zn 最高；NPK 處理成熟期莖葉鋅含量略高于M 和0.5MNP 處理，但籽粒鋅含量則略低于M 和0.5MNP 處理。

水稻植株莖葉和籽粒鋅含量與磷含量及土壤有效磷之間均呈顯著或極顯著負相關，施磷量對水稻籽粒鋅含量的影響大于鋅肥用量（即有機肥用量），黃壤稻田上施用磷肥對水稻植株鋅營養的拮抗作用不可忽視。

適宜施磷量下，有機無機配施既可促進花前積累的鋅向籽粒轉運又可促進花后鋅的吸收，更有利于提高籽粒鋅含量。

在土壤不缺鋅的情況下土施鋅肥對提高水稻籽粒鋅含量效果有限，為提高水稻籽粒鋅含量，黃壤稻田上應重視鋅肥尤其是葉面鋅肥的施用。