噴施鐵肥對谷子不同器官鐵元素分配的影響

陳向陽 ，夏杜菲 ，李香宇 ，趙 磊 ，張國斌 ，劉仕金 ，文新亞 ，陳 阜

（1.中國農業大學農學院/農業農村部農作制度重點實驗室，北京 100193；2.永定河流域投資有限公司大同分公司，山西 大同 037000）

鐵是植物生長所必需的微量元素之一，也是維持人體正常生命活動的必需微量元素。鐵是血紅蛋白的重要組成成分，缺鐵會導致貧血等一系列疾病[1]。鐵參與植物光合作用、呼吸作用等多種生物代謝過程[2]，缺鐵會引起植物葉綠素合成受阻，導致缺綠癥等[3]。植物中的鐵是人獲取鐵的主要來源之一，植物中的鐵含量主要來自于土壤，其含量多少取決于土壤中鐵的含量。自然界中，土壤中全鐵含量比較高，但大部分以比較穩定的氧化態形式存在，植物很難吸收利用。世界上約有40%的土地存在嚴重缺鐵現象[4]，鐵成為限制作物產量和品質提高的一個重要因素[5]。谷子起源于我國，享有“百谷之長”美譽。谷子抗旱、耐貧瘠，具有良好的穩產性，常被稱為“減災作物”[6]。谷粒脫殼后米粒富含粗纖維、蛋白質、豐富的維生素和人體必需的多種氨基酸，兼具糧食和保健作用；谷子秸稈同時是良好的飼料。

山西省土壤有效鐵含量普遍較低，提高谷子鐵含量具有重要意義[7]。提高作物中鐵含量途徑主要包括2 類，一是育種手段，通過基因改良改善作物鐵吸收轉運系統，培育高鐵含量品種[8]；二是栽培手段，改變作物生長的環境因子或栽培措施提高作物對鐵的吸收，從而提高作物中的鐵含量[9-12]。有研究表明，葉面噴施鐵肥是提高作物收獲部位鐵元素含量的一種有效措施[13-14]；此外，葉面噴施鐵肥使得水稻單株穗數、穗粒數、千粒質量及產量均較對照有所增加，也能夠改善稻米營養品質，提高水稻的產量及產量構成要素[15-18]。但這些研究普遍集中在園藝作物或水稻、小麥等主糧作物上，而葉面噴施鐵肥對谷子鐵元素吸收，特別是對鐵元素在谷子各個器官積累分配的影響研究鮮有報道。

本研究通過設置田間試驗，確定在谷子灌漿期葉面噴施鐵肥對谷子不同器官鐵元素分布的影響，旨在為鐵肥在谷子上的合理施用并提高鐵元素在谷子籽粒中的積累提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021年在中國農業大學大同有機旱作試驗站（東經113°20′～113°55′，北緯39°43′～40°16′）進行。該地平均海拔1 347 m，屬溫帶季風型大陸性氣候，年平均氣溫6.4 ℃，年平均降水量389 mm，無霜期125 d。

1.2 試驗材料

供試材料為谷子常規種8311-14 和谷子雜交種長雜2 號。

供試土壤類型為沙壤土，pH 值為8.41，有機質含量為8.72 g/kg，全氮含量為0.732 g/kg，有效磷含量為8.02 mg/kg，有效鉀含量為119 mg/kg，土壤有效鐵含量為6.24 mg/kg。

1.3 試驗方法

采用隨機區組試驗設計，小區面積為25 m2（5 m×5 m）。試驗共設鐵濃度梯度5 個水平，其中，T0 為對照（CK），噴施純凈水，詳細情況如表1 所示。于8月11日灌漿前期晴朗無風的白天進行噴施。

表1 葉面噴施鐵濃度梯度Tab.1 Concentration gradient of iron sprayed on leaves

試驗地于5月中旬進行播種，10月中旬進行收獲。田間管理與當地常規種植方式保持一致，種植密度為30 萬株/hm2，播種前對試驗田進行機械翻耕、機械覆膜。從種植到收獲進行2 次人工除草；在播前灌底墑水，生育期進行3 次灌溉。整個生育期只在播種前施一次復合肥：氮（N）180 kg/hm2，磷（P2O5）105 kg/hm2，鉀（K2O）60 kg/hm2。

在谷子成熟后用不銹鋼剪刀剪下谷子的地上部分，使用根鉆取出谷子0～20 cm 的根系部分，先用自來水沖洗掉莖葉和根系上的灰塵和污物，再用去離子水沖洗莖葉和根系，并分為籽粒、頂三葉、下部葉、莖和根系5 個部分；使用小米精米機（型號MLGQ，魚臺金利糧油機械有限公司）將谷子籽粒分為米粒和谷糠2 個部分。所有樣品在105 ℃下殺青30 min，后在70 ℃條件下烘干至恒質量，稱質量后用不銹鋼磨樣機（型號DFT50，溫嶺市大德中藥機械有限公司生產）粉碎。

各器官樣品中鐵元素的測定方法按照GB 5009.90—2016 進行測定。

1.4 數據分析

所有數據使用R 軟件（4.1.3）進行分析；在驗證了方差齊次性（Levenez’s test）后，對數據進行方差分析；使用Tukey 檢驗以確定處理間的顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 噴施鐵肥對谷子各器官生物量的影響

從圖1 可以看出，灌漿期葉面噴施七水硫酸亞鐵能夠顯著提高8311-14 的米粒和頂三葉生物量（P<0.05），對谷糠、下部葉、莖稈和根系的生物量均無顯著性影響。

由圖2 可知，灌漿期葉面噴施七水硫酸亞鐵能夠顯著提高長雜2 號的米粒和頂三葉生物量含量（P<0.05），但對谷糠、下部葉、莖稈和根系的生物量均無顯著性影響；長雜2 號米粒和上三葉生物量含量均隨著七水硫酸亞鐵噴施濃度的增加而升高，在T4 處 理（FeSO4·7H2O 用量為5 560.3 g/hm2）達到最大值。

圖2 長雜2 號各器官單株生物量Fig.2 Biomass per plant of organs of the variety Changza 2

2.2 噴施鐵肥對谷子各器官鐵含量的影響

由圖3 可知，灌漿期葉面噴施七水硫酸亞鐵能夠顯著提高8311-14 米粒、谷糠、頂三葉和莖稈中鐵元素含量（P<0.05），但對下部葉和根系中鐵元素含量無顯著性影響。8311-14 頂三葉中鐵元素含量隨著七水硫酸亞鐵噴施濃度的增加呈現上升趨勢，在T4 處理（FeSO4·7H2O 用量為5 560.3 g/hm2）達到最大值1 415.74 mg/kg，顯著高于其余3 個七水硫酸亞鐵濃度處理（P<0.05）。

圖3 8311-14 各器官鐵元素含量Fig.3 Fe content in each organ of the variety 8311-14

由圖4 可知，灌漿期葉面噴施七水硫酸亞鐵能夠顯著提高長雜2 號米粒、谷糠、頂三葉和莖稈中鐵元素含量（P<0.05），但對下部葉和根系中鐵元素含量無顯著性影響。長雜2 號米粒、谷糠、頂三葉和莖稈中鐵元素含量均隨著七水硫酸亞鐵噴施濃度的增加呈現上升趨勢，在T4 處理（FeSO4·7H2O 用量為5 560.3 g/hm2）達到最大值，顯著高于其余3 個七水硫酸亞鐵濃度處理（P<0.05）。

圖4 長雜2 號各器官鐵元素含量Fig.4 Fe content in each organ of the variety Changza 2

2.3 噴施鐵肥對谷子各器官鐵積累量和回收率的影響

從表2 可以看出，灌漿期葉面噴施七水硫酸亞鐵能顯著提高8311-14 和長雜2 號米粒、谷糠和莖稈中鐵元素的積累量，能夠顯著提高長雜2 號頂三葉中鐵元素的積累量（P<0.05），但對8311-14 頂三葉中鐵元素的積累量無顯著影響。8311-14 米粒中鐵元素的積累量在T2 處理（FeSO4·7H2O 用量為2 224.1 g/hm2）達到最大值，長雜2 號米粒中鐵元素的積累量則在T4 處理（FeSO4·7H2O 用量為5 560.3 g/hm2）達 到 最 大 值。8311-14 和 長 雜2 號谷糠、頂三葉和莖稈中鐵元素的積累量均隨著七水硫酸亞鐵噴施濃度的提高而增高，其中8311-14的莖稈，長雜2 號的谷糠、頂三葉和莖稈中鐵元素 的 積 累 量 均 在T4 處 理（FeSO4·7H2O 用 量 為5 560.3 g/hm2）達到最大值，并顯著高于七水硫酸亞鐵其他濃度處理（P<0.05）。

表2 葉面噴施七水硫酸亞鐵對谷子不同器官鐵元素積累量和回收率的影響Tab.2 Effects of foliar application of FeSO4·7H2O on iron accumulation and recovery rate in different organs of millet

灌漿期葉面噴施七水硫酸亞鐵，隨著七水硫酸亞鐵噴施濃度的升高，8311-14 和長雜2 號米粒的鐵元素回收率均降低，在T4 處理（FeSO4·7H2O 用量為5 560.3 g/hm2）達到最低值，分別為5.10%和6.01%，并顯著低于七水硫酸亞鐵其他濃度處理（P<0.05）。8311-14 谷糠、莖稈，長雜2 號頂三葉、莖稈的鐵元素回收率同樣隨著七水硫酸亞鐵噴施濃度的升高而呈現下降的趨勢，但8311-14 頂三葉和長雜2 號谷糠的鐵回收率則不受七水硫酸亞鐵噴施濃度變化的影響。

2.4 噴施鐵肥對谷子各器官鐵分配的影響

由圖5 可知，谷子根系中鐵元素的積累量占比最高，灌漿期葉面噴施七水硫酸亞鐵會提高8311-14 和長雜2 號米粒、谷糠、頂三葉、和莖稈中鐵元素積累量的分配比例，降低下部葉和根系中鐵元素積累量的分配比例。噴施七水硫酸亞鐵處理下，8311-14 各器官鐵元素分配比例由大到小分別為根系>頂三葉>下部葉>莖稈>米粒>谷糠，長雜2 號各器官鐵元素分配比例由大到小分別為根系>下部葉>頂三葉>莖稈>谷糠>米粒。

圖5 鐵元素在各器官的分配比例Fig.5 Distribution proportion of Fe in various organs

3 結論與討論

葉面噴施鐵肥能夠顯著增加谷子各器官的生物量。楊靜[19]研究發現，噴施鐵肥能夠增加各生育時期冬小麥干物質累積，提高小麥抽穗期至成熟期的干物質累積速率，提高籽粒產量。李春霞[20]研究表明，葉面噴施鐵肥能夠增加小麥灌漿期的葉片干質量、莖鞘干質量和穗質量，提高小麥的籽粒產量、千粒質量。本研究結果表明，灌漿期葉面噴施七水硫酸亞鐵溶液能夠顯著提高谷子頂三葉和米粒中干物質的積累，這與前人研究結果一致。

葉面噴施鐵肥能夠提升作物鐵元素含量。孟麗梅等[21]以2 個小麥品種為材料，在小麥拔節中期、抽穗前（拔節末期）葉面噴施鐵肥，結果表明，小麥籽粒鐵含量分別較對照提高了1.4%、5.9%。李凱等[22]對馬鈴薯葉面噴施鐵肥發現，馬鈴薯塊莖中Fe元素含量增加33.77%。王麗等[23]試驗表明，小麥的地上器官中鐵元素主要分配在莖稈中，葉面噴施鐵肥可以顯著提高小麥莖葉中的鐵含量。本研究結果表明，灌漿期葉面噴施七水硫酸亞鐵溶液能夠顯著提高谷子米粒、谷糠、頂三葉和莖稈中的鐵元素含量，且頂三葉中鐵含量的提升水平最高，但對下部葉和根系中的鐵含量無顯著影響。

本研究結果表明，谷子對鐵元素的吸收存在品種差異，相比于清水對照，葉面噴施七水硫酸亞鐵溶液均能夠顯著提高8311-14 和長雜2 號米粒中的鐵含量，但在T1～T4 處理下，8311-14 米粒中的鐵元素含量保持在20.72～22.01 mg/kg，無明顯變化；長雜2 號米粒則隨著鐵元素噴施濃度的升高呈現升高的趨勢，并在T4 處理下達到最高值24.16 mg/kg。說明8311-14 對鐵元素的吸收上限較低，在試驗中的最低七水硫酸亞鐵溶液噴施濃度（FeSO4·7H2O用量為1 112.0 g/hm2）下米粒中的鐵含量就達到了最高。HOSSAIN 等[24]研究也認為，作物對鐵的吸收有一定限度，并且籽粒中植酸積累也降低了鐵的有效性。盡管長雜2 號米粒中的鐵含量會隨著外源鐵元素濃度的升高而提高，但在本試驗中的最高噴施濃度（FeSO4·7H2O 用量為5 560.3 g/hm2）下，長雜2 號米粒中的鐵含量相比于8311-14 的提高效果有限，表明長雜2 號對于鐵元素的吸收上限要遠高于8311-14，但其吸收利用效率卻低于8311-14。另外，8311-14 頂三葉中的鐵元素含量在T4 處理下顯著高于其他處理，但其莖稈和籽粒中的鐵元素含量卻沒有升高。

谷子米粒對鐵元素的吸收利用效率隨著葉面鐵元素噴施量的升高顯著下降，4 個處理下，8311-14 和長雜2 號米粒的鐵回收率分別從27.18%和24.98%下降到5.10%和6.01%。增加七水硫酸亞鐵的噴施濃度在一定程度上能夠提高谷子米粒中的鐵含量和鐵積累量，但卻大幅降低了谷子米粒中鐵元素的利用效率。因此，施用較低濃度的七水硫酸亞鐵溶液更為經濟有效。