納米鋅和離子鋅對水稻產量形成及籽粒鋅含量的影響

陳士勇 王 銳 陳志青 張海鵬 王娟娟 單玉華 楊艷菊

（1揚州大學環境科學與工程學院，225009，江蘇揚州；2農業農村部長江流域稻作技術創新中心/江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/江蘇省糧食作物現代產業技術協同創新中心，225009，江蘇揚州）

鋅是植物生長發育所必需的17種元素之一，在植物體內非常活躍，不僅能促進水稻光合作用、碳水化合物和磷的代謝，而且能促進籽粒的發育[1]。鋅也與人體健康密切相關，缺鋅會使人體生長發育遲緩和免疫力低下[2-3]。人體自身不能合成鋅元素，只能通過食物來補充，因此提高食物中的鋅含量以滿足人體健康所需至關重要。我國65%以上人口以稻米為主食[4]，隨著人口的逐漸增加和人們對健康的更高追求[5]，研究如何提高稻米中的鋅含量具有重要意義。

在水稻鋅營養生物強化方面已有不少研究[6-7]。鋅肥的施用對于水稻生長有一定影響，適量的鋅有利于水稻產量的提升，在缺鋅土壤中施用鋅肥往往會達到極為明顯的增收效果[8]。葉面噴施鋅肥能有效提高水稻植株各器官的鋅含量[9-10]。劉琦等[11]研究表明，水稻揚花期通過葉面噴施鋅可顯著增加植株中鋅含量。然而鋅離子難以粘附在水稻葉片表面，噴施的鋅溶液易從葉面滴落或被雨水淋失，影響水稻對鋅的吸收。

與葉面噴施鋅肥相比，基施鋅肥的增產效果更佳[7,12-13]。但土壤中的鐵鋁氧化物、粘土礦物及腐殖質等都可吸附和固定鋅離子，降低鋅的有效性。納米微粒具有不飽和性，易與其他原子結合而穩定下來，表現出很高的化學活性，隨著粒徑的減小，納米微粒的表面積、表面能及表面結合能均迅速增大[14]。因此，與傳統肥料相比，納米肥料受土壤質地、結構和膠體等影響較小，易被植物吸收利用，具有廣闊的研究前景。

施用納米鋅肥料除了能提高籽粒鋅含量，還能促進根系發育，在水稻關鍵生長期緩慢而穩定地釋放營養物質，從而改善水稻的生長[15]。本研究設置了納米鋅與離子鋅2種鋅形態，研究鋅肥類型及用量對水稻產量形成和成熟期籽粒鋅濃度及積累量的影響，為通過現代農藝措施提高稻米產量和營養品質（富鋅）提供理論與實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2018和2019年5-10月在揚州大學環境科學與工程學院土壤肥料實驗室盆栽場進行。該地屬北亞熱帶濕潤氣候區，四季分明，氣候溫和，日照充足，雨量豐沛。

供試土壤于2018年3月采自揚州大學農學院試驗農場耕層（0～20cm），為沙壤土。土壤pH 7.86、有機質12.6g/kg、全氮9.4g/kg、速效磷85.6g/kg、速效鉀103.1mg/kg、堿解氮73.3mg/kg、銨態氮29.7mg/kg、硝態氮16.3mg/kg、有效鋅0.98mg/kg。2018年試驗結束后，各試驗盆土壤于2019年5月10日前更換25cm表層新土，新土與2018年所用土壤為同一田塊同時取的耕層土壤。

供試水稻品種為南粳9108（遲熟中粳稻），生育期150d。2018和2019年均在5月15日播種，濕潤育秧，30d秧齡后，挑選發育進程與長勢一致的秧苗，于6月15日移栽至試驗塑料箱，試驗塑料箱尺寸為0.8m×0.5m×0.5m（長×寬×高），每箱面積計0.4m2。每箱插栽水稻16穴，栽植密度為4.0×105穴/hm2（12.5cm×25cm），每穴 4苗。

供試離子鋅為硫酸鋅（分析純），購自國藥集團化學試劑有限公司；納米鋅為平均粒徑50nm的球狀納米氧化鋅（純度＞99.9%），購自上海超威納米科技有限公司。氮肥為尿素（含N 40%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O512%），鉀肥為氯化鉀（含K2O 60%）。

1.2 試驗設計

采用盆栽試驗，以不施鋅肥為對照，設置納米鋅、離子鋅各3個施用量處理，鋅肥施用量依據本試驗室前期研究確定，栽種盆的面積按0.4m2折算田間施用量，共7個處理組合，分別為不施鋅肥（CK）、施離子鋅肥 7.5（T1）、30（T2）、60kg Zn/hm2（T3），施納米鋅肥7.5（T4）、30（T5）和60kg Zn/hm2（T6）。鋅肥在水稻移栽前一次性施用。各處理氮肥施用量為270kg N/hm2，基肥:分蘗肥:穗肥=4:3:3，其中基肥撒施于土表后翻入土中，深度為5～8cm，追肥均采用撒施；磷肥施用量為135kg P2O5/hm2，全部作基肥施用；鉀肥施用量為270kg K2O/hm2，基肥:穗肥=1:1。各處理施肥量和施肥方法2年保持一致。每個試驗處理設置10盆重復，試驗期間水分與病蟲害防治等管理措施按高產栽培要求統一實施。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 干物質量和葉面積指數（LAI） 分別在拔節期、齊穗期和成熟期，每個處理取3穴代表性樣本，拔節期分解為莖鞘和葉片，齊穗期和成熟期分為莖鞘、葉片和穗部，將各器官在105℃下殺青30min，75℃下烘干至恒重后，測定干物質質量。同時在各時期每個處理選取8片代表性葉片，采用長寬系數法測定其單葉葉面積，葉面積=長×寬×校正系數，并稱取其鮮重以及總葉片鮮重，通過折算，計算出LAI。

1.3.2 葉片相對葉綠素含量（SPAD值）及光合指標 每處理選取代表性植株6株，每株選取2片代表性葉片（頂1葉），每張葉片測定葉尖、中部和根部3個位置，計算得出該葉的SPAD值，自移栽后14d起，每隔1周左右測量1次，連續進行10次左右，直至成熟期前。在水稻孕穗期和齊穗期分別隨機選取各處理主分蘗的新完全展開葉作為代表性樣品，使用Li-6400光合儀測定光合參數，包括凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr），每箱3個重復。

1.3.3 產量及其構成因素 各處理將采樣后剩余的水稻全部收獲，計算和統計每穴水稻的穗數、穗粒數、總粒數以及空癟粒數。各箱收獲的籽粒以1000粒實粒樣本稱重，重復3次（誤差不超過0.05g），求得千粒重，計算理論產量。

1.3.4 氮素累積量和籽粒鋅累積量 在成熟期各處理分別取3穴代表性樣品，風干磨細后采用凱氏定氮法測定植株氮素含量。成熟期樣品分解出穗部，風干磨細后采用AAS法測定籽粒鋅含量。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2016軟件進行數據整理和圖表繪制，使用SPSS 19.0軟件進行數據統計分析，采用單因素方差分析（Univariate-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）比較不同處理的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 納米鋅和離子鋅對水稻產量及其構成因素的影響

由2018與2019年各處理產量（表1）可知，與CK處理相比，施用鋅肥能顯著增加水稻產量，增產幅度在1.3%～11.9%。納米鋅和離子鋅對水稻產量的增益效果存在一定差異。隨著納米鋅和離子鋅用量的增加，水稻產量較CK處理均顯著增加，但離子鋅處理的水稻產量增幅為1.3%～7.0%，納米鋅處理的水稻產量增幅為2.5%～11.9%。相同鋅施用量條件下，納米鋅處理增產效果明顯高于離子鋅處理，且用量越高，提升幅度越大。與2018年水稻產量相比，2019年相同處理的水稻產量也均有增加，增幅在2.0%～6.3%。

表1 納米鋅和離子鋅對水稻產量及其構成因素的影響Table 1 Effects of nano-zinc and ion-zinc on the yield and its components of rice

進一步分析2年的產量構成因素發現，與CK處理相比，鋅肥施用可以增加水稻有效穗數和穗粒數，增幅分別為2.4%～9.8%和4.0%～18.0%，施鋅量為60kg Zn/hm2時與CK處理的差異達顯著水平。納米鋅和離子鋅也可以增加水稻千粒重，但效果不顯著。隨著鋅施用量的增加，離子鋅和納米鋅各處理的水稻有效穗數、穗粒數和結實率均呈上升趨勢。在相同鋅施用量條件下，各納米鋅處理的水稻有效穗數、穗粒數、千粒重和結實率分別較相應的離子鋅處理高1.3%～4.0%、6.1%～11.9%、0.6%～1.0%和0.1%～0.6%。

2.2 納米鋅和離子鋅對水稻干物質積累量的影響

不同處理各生育時期的干物質積累量如表2所示。與CK處理相比，施用鋅可以增加水稻拔節期、齊穗期和成熟期水稻干物質量，增幅分別為26.5%～47.7%、7.9%～15.9%和17.4%～24.0%。相同鋅施用量條件下，納米鋅對水稻各生育期干物質積累量的增加效果優于離子鋅，但僅有拔節期差異達到顯著水平。不同鋅施用量比較可發現，中、高用量離子鋅和納米鋅均可增加水稻各生育期的干物質積累量，增幅分別為1.9%～9.5%和2.2%～6.9%，但僅拔節期增加效果顯著，齊穗期和成熟期差異不顯著。

表2 納米鋅和離子鋅對水稻干物質積累量的影響（2018）Table 2 Effects of nano-zinc and ion-zinc on rice dry matter accumulation amount in 2018 t/hm2

從表3中可以看出，播種-拔節和齊穗-成熟這2個階段，增施外源鋅的處理干物質積累量顯著高于CK處理，表明鋅的施用促進了水稻后期光合產物的合成和積累。相同鋅施用量條件下，納米鋅處理光合產物的積累量顯著高于離子鋅處理。在相同處理的不同鋅施用量比較發現，干物質積累量和施用量呈正相關關系，中、高用量處理的干物質積累量均顯著高于低用量處理。拔節-齊穗時期，各處理間干物質積累量差異不顯著，最高的是T3處理，為5.53t/hm2，最低的是T4處理，為5.26t/hm2，在這一階段，CK處理的干物質積累量所占其總積累量的比例最高，達到了43.69%。

表3 納米鋅和離子鋅對水稻各生育期干物質積累量的影響（2018）Table 3 Effects of nano-zinc and ion-zinc on rice dry matter accumulation and proportion in different growth stage in 2018

2.3 納米鋅和離子鋅對水稻SPAD值和光合作用的影響

隨水稻生育進程的延長，各處理水稻葉片的SPAD值呈先增加后下降的趨勢（圖1）。移栽后14d到拔節期（7月16日）各處理水稻葉片SPAD值隨時間延長而增加并達到最大值，之后各處理水稻葉片SPAD值呈下降趨勢。與CK處理相比，施用離子鋅和施納米鋅均明顯增加水稻葉片的SPAD值，這一增加效果在拔節期之后逐漸消失。說明施用離子鋅和納米鋅在拔節前均能很好地維持群體冠層葉片的SPAD值。相同鋅施用量條件下，2種鋅肥對水稻葉片SPAD值影響差異不明顯，僅在中、低鋅施用量條件下，納米鋅處理的水稻葉片SPAD值略高于離子鋅處理。

圖1 納米鋅和離子鋅對水稻葉片SPAD值的影響（2018）Fig.1 Effects of nano-zinc and ion-zinc on SPAD value of rice in 2018

以齊穗期水稻葉片光合參數（表4）為例，與CK處理相比，施鋅顯著提高水稻Pn，增幅在37.4%～64.5%；隨著施用鋅量的增加，水稻Pn呈增加趨勢，離子鋅處理增幅在37.4%～59.5%，納米鋅處理增幅在52.3%～64.5%。相同用量下，納米鋅增加水稻Pn的效果優于離子鋅處理，增幅在3.2%～10.9%。3個不同納米鋅用量的處理比較發現，T6處理的Pn最大，但是與T5處理差異不大。T3處理的Pn顯著高于T1和T2處理。

表4 納米鋅和離子鋅對水稻齊穗期劍葉光合作用的影響（2018）Table 4 Effects of nano-zinc and ion-zinc on leaf photosynthetic parameters of rice in 2018

與CK處理相比，施鋅同樣可以顯著增加水稻葉片Gs、Ci和Tr，增幅分別在 39.7%～67.2%、12.3%～16.8%和27.7%～42.8%。除離子鋅處理的Ci外，其余指標均隨離子鋅和納米鋅施用量的增加而增加，且增加的幅度在相同鋅用量條件下，納米鋅處理優于離子鋅處理。比較不同離子鋅用量的3個處理發現，T3處理的Ci顯著低于T1處理；T3處理的Tr和Gs顯著高于T1和T2處理。從不同納米鋅用量處理結果可以看出，隨著納米鋅施用量的增加，水稻葉片Gs顯著增加，Ci和Tr呈增加趨勢，但處理間差異不顯著。

2.4 納米鋅和離子鋅對水稻LAI的影響

LAI能直接影響植物群體對光能的截獲與利用，進而影響植株的生長發育[16]。離子鋅和納米鋅處理的水稻在關鍵生育時期的LAI如表5所示，與CK處理相比，施用鋅肥可以顯著增加拔節期、齊穗期和成熟期水稻LAI，增幅分別在5.4%～13.1%、3.5%～6.9%和4.9%～15.2%。相同鋅用量條件下，納米鋅處理增加水稻LAI的效果在齊穗期和成熟期優于離子鋅處理，分別高出相同濃度離子鋅處理的0.5%～2.4%和1.1%～4.0%。隨著納米鋅和離子鋅用量的增加，水稻LAI均呈增加趨勢，與T4處理相比，T5和T6處理水稻LAI分別增加0.1%～0.8%和2.7%～5.6%；與T1處理相比，T2和T3處理分別增加0～4.7%和0.8%～6.7%。

表5 納米鋅和離子鋅對水稻LAI的影響（2018）Table 5 Effects of nano-zinc and ion-zinc on rice LAI in 2018

2.5 納米鋅和離子鋅對水稻籽粒鋅含量和積累量的影響

如表6所示，2018年水稻籽粒鋅含量與積累量規律相同，鋅的施用使籽粒鋅含量及積累量顯著高于CK處理，增幅分別為8.2%～31.4%和9.5%～42.2%。隨著離子鋅和納米鋅施用量的增加，籽粒鋅含量和積累量也逐漸增加，其中，T2和T3處理的籽粒鋅含量和積累量分別較低T1處理增加了8.4%～15.2%和9.9%～18.3%；T5和T6處理的籽粒鋅含量和積累量分別較T4處理增加了9.6%～13.6%和11.6%～20.0%。相同鋅用量條件下，納米鋅對籽粒鋅含量及累積量的促進作用顯著高于離子鋅處理，以T6處理最高，分別為22.62mg/kg和229.15g/hm2。2019年的試驗結果與2018年基本一致。

表6 納米鋅和離子鋅對水稻籽粒鋅含量及鋅積累量的影響Table 6 Effects of nano-zinc and ion-zinc on zinc content and accumulation in rice grains

將2年籽粒鋅積累量與鋅施用量進行線性擬合分析，擬合線的斜率k可以反映在一定濃度范圍內，處理濃度對于籽粒鋅積累量的影響，從擬合結果（圖2）可以看出，納米鋅處理擬合線的k值高于離子鋅，表明納米鋅對水稻籽粒鋅積累的促進作用優于離子鋅。

圖2 鋅肥用量對水稻籽粒鋅積累量的影響Fig.2 Effects of zinc fertilizer application amount on zinc accumulation in rice grains

3 討論

鋅是動植物的必需營養元素。我國有40%土壤缺鋅，在缺鋅的土壤中補充鋅肥可以提高作物產量，可增產10%～15%[16-18]，主要是因為鋅是植株體內上百種酶的組成成分，參與葉綠素和生長素的合成及碳水化合物的合成和轉化，促進葉片光合作用和光合效率，進而增產。本研究中供試土壤有效鋅含量為0.98mg/kg，根據劉錚[19]對土壤和作物對鋅肥應用的劃分等級判斷，供試土壤屬于鋅肥有效區（0.5～1.0mg/kg），因此，在本研究供試土壤上增施鋅肥可以提高水稻產量。

前人的研究表明，鋅肥的種類、施用方法和用量等對作物增產的效果均有所不同。馮緒猛等[6]和郭九信等[7]研究表明，相同鋅施用量條件下，鋅肥基施對水稻增產的效果優于葉面噴施，主要是由于鋅肥基施可以在早期促進水稻苗生長，增加分蘗數和成穗率，雖然鋅在土壤中可能被吸附轉化暫時失去有效性，但后期仍可在一定程度上滿足水稻對鋅的需求，葉面噴施僅能保證水稻某一生育時期對鋅的需求，不能持續有效地供應。本研究中基施鋅肥增產的效果最好，比對照增產11.9%。此外，鋅肥基施配合水稻中、后期葉面噴施鋅肥更能保證各生育時期鋅的供應，增加產量[7]。

從本研究結果中可以看出，離子鋅肥和納米鋅肥對于水稻產量均具有促進作用，離子鋅肥主要是通過提高水稻有效穗數進而提高水稻產量，增產達1.3%～7.0%，這與前人[9,17,20]研究結果類似。納米鋅肥對水稻的增產性能優于離子鋅，納米鋅肥不僅顯著提高了水稻有效穗數，還有效提高了水稻的穗粒數，增產2.5%～11.9%。物質生產是產量形成的基礎。許多學者[18,21]認為，較高的物質生產量是水稻高產的重要特征之一。本研究表明，納米鋅肥的施用對水稻LAI的提升顯著，特別是生育前期，較大的葉面積有利于水稻的光合作用，齊穗期的光合參數也表明納米鋅顯著提高了葉片的Pn，有效提高了光合物質生產。據報道[22]，鋅在光合電子傳遞中起著重要作用，可作用于光合電子傳遞鏈上的2個作用位點，缺鋅導致Pn和Gs降低。鋅還是植物碳酸酐酶的組成成分，可作為光合作用中核酮糖1,5-二磷酸羧化酶的組成成分參與催化光合過程中CO2固定的初始反應[23]。在相同鋅施用量條件下，納米鋅與離子鋅相比，鋅離子的釋放速度不同，納米鋅可逐步溶解出Zn2+，持續滿足植株對鋅的需求，減少鋅被土壤固定[24-26]，保障水稻整個生育期對鋅的吸收利用。納米鋅除釋放Zn2+滿足作物對鋅的需求外，植株還可以通過根部直接吸收納米鋅[27]。從籽粒鋅含量和鋅積累量結果可以看出，納米鋅的促進作用高于同用量的離子鋅，且籽粒鋅含量隨納米鋅施用量的增加而增加。因此，納米鋅能夠持續有效地為水稻供應鋅元素，這可能是水稻在整個生育期保持較高光合參數和干物質積累量的主要原因，這也促進了最終產量的形成。

納米鋅對水稻產量的促進效果還可能是由于其對土壤理化性質的影響，促進了水稻生長發育和土壤中吸收獲取養分的能力。有研究[28-31]表明，納米材料可以顯著增加土壤中堿解氮、速效磷和速效鉀的養分含量，增加作物從土壤中吸收養分，促進增產。這主要是因為納米鋅具有較強的自由基，這些自由基化學活性強，能夠與很多有機物反應，促進有機物質的分解，促進養分的釋放。與傳統鋅肥相比，納米鋅可間接促進植物對養分元素的吸收，進而增加產量[32]。納米鋅可以增加植株對磷元素的吸收，主要是由于納米鋅可以吸附磷酸根離子，形成磷酸鋅團聚體，團聚體的形成，一方面減少磷酸根被固定而失去有效性；另一方面可以降低納米鋅對植株的毒害作用[33]。納米鋅促進水稻對氮素的吸收，可能是由于納米鋅改善了水稻根際微環境，促進肥料氮更易被根系吸收利用[34]。納米鋅還可以改變作物體內及土壤酶活性。研究[35]表明，高濃度的納米鋅可能會對植物產生毒性，這主要是由納米鋅對植物造成氧化脅迫引起的，但低濃度的納米鋅可以促進植株體內過氧化物酶（POD）活性的提高，幫助清除植物體內的活性氧，提高植物抗逆性。此外，納米鋅可能通過影響葉綠素合成中谷氨酰-tRNA還原酶和原卟啉原氧化酶活性，來影響葉綠素合成。但納米鋅促進葉綠素合成的適宜濃度和直徑的大小還需要進一步研究[36]。納米鋅可以顯著影響土壤POD、磷酸酶和脲酶的活性，但不同濃度或不同粒徑大小的納米鋅對這些酶活性影響不同[37]，還需進一步研究。

4 結論

離子鋅和納米鋅均能顯著提高水稻產量及籽粒鋅含量。相同鋅施用量條件下，納米鋅對水稻產量的提升效果顯著高于離子鋅，同時納米鋅對水稻籽粒鋅含量和鋅積累量的促進效果也優于離子鋅。在水稻生長過程中，特別是水稻生育前期，納米鋅處理的水稻葉片一直保持著較高的SPAD值和LAI，這對水稻早期干物質積累和產量形成具有促進作用。綜上，施用納米鋅可以作為提高水稻產量和籽粒鋅含量的有效手段。