長期施氮條件下小麥鐵錳累積及其與土壤養分的關系

藺江韻，尹本酥，王星舒，劉晨瑞，孫慶，解星星，程玲玲，孫理維，石美，王朝輝，2

長期施氮條件下小麥鐵錳累積及其與土壤養分的關系

藺江韻1，尹本酥1，王星舒1，劉晨瑞1，孫慶1，解星星1，程玲玲1，孫理維1，石美1，王朝輝1，2

1西北農林科技大學資源環境學院/農業農村部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西楊凌 712100；2西北農林科技大學/旱區作物逆境生物學國家重點實驗室，陜西楊凌 712100

【目的】研究長期施用氮肥條件下小麥鐵錳吸收累積規律及其與土壤養分之間的關系，進一步探討基于產量及小麥鐵錳營養的氮肥調控策略，為合理優化氮肥施用和改善小麥營養品質提供科學依據。【方法】基于旱地冬小麥的氮肥長期定位試驗，設置5個施氮水平0、80、160、240、320 kg·hm-2，研究不同氮水平條件下小麥籽粒鐵錳含量及其與產量、鐵錳吸收分配規律、土壤養分及各形態鐵錳的關系。【結果】施氮顯著提高了冬小麥產量、地上部鐵含量、籽粒鐵含量，降低了地上部和籽粒的錳含量。與對照相比，氮肥供應超過160 kg·hm-2時，小麥產量及籽粒鐵含量不再繼續增加，分別保持在5 857—6 598 kg·hm-2和40.2—42.2 mg·kg-1，而籽粒錳含量保持較低水平，為30.4—35.3 mg·kg-1。氮肥施用顯著降低了土壤pH，提高了土壤中鐵、錳元素的松結有機態及鐵元素的錳氧化物結合態比例，增加了土壤中鐵、錳的生物有效性。相關分析結果表明，小麥籽粒鐵含量與產量、生物量、收獲指數、穗數、穗粒數、鐵收獲指數顯著正相關，與籽粒錳含量顯著負相關；與土壤錳氧化物結合態鐵顯著正相關；與殘渣態鐵顯著負相關。小麥籽粒錳含量與產量、生物量、收獲指數、穗數、穗粒數、籽粒吸鐵量、鐵收獲指數顯著負相關，與地上部吸錳量顯著正相關；與土壤各種形態錳不相關。【結論】西北旱區石灰性土壤中長期施氮可提高土壤鐵的有效性、促進小麥對鐵的吸收及鐵向籽粒的分配，進而提高籽粒鐵含量；施氮雖然提高了土壤錳的有效性，但顯著抑制了小麥對錳的吸收，最終導致小麥籽粒錳含量降低。此外，當供磷水平一致時，土壤長期缺乏氮素供應可能導致小麥籽粒鐵含量較低，而錳含量過高。綜合考慮產量、籽粒鐵錳元素營養品質及環境經濟效益，西北旱區石灰性土壤小麥氮肥施用量建議控制在160 kg·hm-2，過量施用氮肥無助于繼續提高產量及品質。

氮肥；冬小麥；鐵；錳；西北旱地；石灰性土壤

0 引言

【研究意義】近年來，微量元素缺乏引起的“隱性饑餓”問題已引起全球的廣泛關注[1]。其中，鐵元素作為人體血紅蛋白的主要組成成分，缺鐵容易引發人體貧血甚至導致血液運氧能力喪失[2]。據報道，全球超過1/3的兒童死亡與缺鐵有關[3]，大約2億人的身體健康受到缺鐵威脅[4]。錳元素與鐵元素具有相似物理化學特性，雖然植物對其需求量相對較少[5]，但人體卻有時面臨錳攝入量過多的風險，如神經系統毒性、兒童注意力以及智力下降等[6]。小麥作為人類主要糧食作物之一[7]，調控其籽粒中的鐵錳含量對于通過膳食改善人體健康具有重要意義。【前人研究進展】作物微量養分含量高低受制于土壤營養元素有效性[8]。根據TESSIER[9]順序浸提法，土壤中的微量元素可以人為分為交換態（包括水溶態）、碳酸鈣鹽結合態、錳氧化物結合態、有機結合態、殘渣態5種。其中交換態、有機結合態是土壤有效鐵、有效錳的主要和直接來源[10]，可被植物吸收利用。西北旱區作為我國小麥生產的重要產區，對農業健康綠色發展具有重要作用。然而，該區土壤由于較高的pH、CaCO3含量[11]，微量元素養分有效性低、供應能力差，阻礙作物生長發育[12]。氮肥作為農業生產必不可少的化肥品種，對于糧食產量、籽粒微量元素含量及土壤中養分供應能力具有重要影響，特別是對于旱區禾本科糧食作物，如小麥[13]、玉米[14]等貢獻較大。施用尿素能夠提高小麥產量并改善籽粒鐵含量[15]；土壤施氮量對籽粒錳含量的影響存在爭議，當施氮量為200 kg N·hm-2時，小麥籽粒中錳含量可提高12.7%[16]，但也有學者提出施氮對小麥籽粒錳含量無顯著影響[17]。氮肥對小麥籽粒微量元素含量影響的主要機制是影響土壤中養分的有效性、作物對養分的吸收及轉移。研究表明，增施氮肥能夠活化土壤鋅，促進小麥根系鋅吸收，鋅從根系向地上部轉運，地上部鋅含量增加[18]；關于施氮對不同品種小麥鐵吸收[19]、銅吸收[20]也表現出類似結果。可見，氮肥對于作物微量元素品質有著重要影響。小麥籽粒中單一微量元素的含量除受肥料施用的影響外，還受其他微量元素吸收累積的影響[21]，如施用鉀肥促進小麥對鉀元素吸收的同時其籽粒中鋅含量也增加[22]。另外，通過對我國不同地點小麥鋅鐵營養關系研究發現，兩營養元素在小麥體內呈現相似的吸收累積規律[23]。當小麥吸收過多磷元素時，小麥籽粒中錳含量增加[24]，鋅則表現出相反趨勢[25]。【本研究切入點】現有關于氮素對小麥籽粒微量元素含量的研究，多集中在鋅[26]、硒[27]、鐵[28]等，而對錳元素的關注較少；目前的研究較多關注作物本身對微量元素的累積，特別是單一元素的含量及分配[29]，而從土壤因子、有效養分的生物有效性等方面研究鐵、錳兩種元素的相互關系還比較薄弱；另外，對中性及酸性土壤的研究較多[10, 30]，而對于長期施肥的堿性石灰性土壤的研究較少。【擬解決的關鍵問題】本研究基于西北旱區典型石灰性土壤上的小麥長期定位試驗，通過分析不同氮水平條件下小麥籽粒鐵錳含量及其與產量、小麥鐵錳吸收分配規律、土壤養分及各形態鐵錳的關系，明晰長期施用氮肥對旱地冬小麥籽粒鐵、錳含量的影響及機制，以期為合理優化施用氮肥、調控小麥微量元素營養提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2004年10月開始，設置在西北農林科技大學農作一站（34°17′59″N，108°4′12″E），地處渭河三級階地，試驗區地勢平坦，海拔525 m，年平均降水量約562 mm，平均氣溫12.9 ℃，潛在蒸發量1 400 mm，屬暖溫帶季風氣候。該站點屬于旱作雨養農業區，農作物生長依賴于自然降水，無灌溉。供試作物為當地主栽冬小麥品種小偃22，供試土壤為石灰性土墊旱耕人為土。試驗始于2004年，最初0—20 cm土層的基本性質如表1所示。

表1 長期氮用量試驗2004年0—20 cm土層基本理化性狀

1.2 試驗設計

選取施氮0、80、160、240、320 kg N·hm-2共5個處理（分別用N0、N80、N160、N240、N320表示），均配施磷100 kgP2O5·hm-2，完全隨機設計，重復4次。以尿素（N含量 46%）為氮源，重過磷酸鈣（P2O5含量 46%）為磷源，無其他肥料施入，所有肥料均于小麥播前一次性撒施、旋耕與耕層土壤混勻。耕作制度為冬小麥-夏休閑，小麥生育期內無灌溉，田間管理與當地農戶一致。于2019、2020年10進行小麥播種，播量分別為135、125 kg·hm-2，行距15 cm，播深5 cm。2020、2021年6月初進行小麥收獲期取樣。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 植株樣品采集 小麥成熟時，在每個小區向北1/2區域內，均勻選取4個1 m2樣方，留存地上部，樣品自然風干，機械脫粒，用于小麥產量及生物量測定，且均以干重表示；每個小區向南1/2區域內，隨機選取100穗，用于化學分析。

1.3.2 土壤樣品采集 小麥收獲后，采用五點取樣法采集耕層土壤樣品，樣品剔除根系等雜物后混勻取500 g，作為一個分析樣品，多余土壤回填各取樣點，并壓實。采回的新鮮土樣捏碎、混勻，自然風干后研磨，過1 mm尼龍篩。

1.3.3 樣品測定 烘干的植物樣品用球磨儀（RetschMM400，德國）粉碎，濃HNO3-H2O2微波消解，電感耦合等離子質譜儀（ICP-MS，美國）測定鐵、錳含量。過篩后的土壤樣品pH 用pH 計測定（水土比為2.5﹕1）；用1 mol·L-1KCl溶液浸提土壤硝、銨態氮；用DTPA-CaCl2-TEA 溶液浸提，土水比1﹕2，原子吸收分光光度計測定浸提液中鐵、錳含量[31]；用魏孝榮等[32]的方法測定土壤鐵、錳形態，包括交換態（Ex-）、松結有機態（WbO-）、碳酸鈣鹽結合態（Carb-）、錳氧化物結合態（OxMn-）、緊結有機態（SbO-）及殘渣態（Res-）共6種，其中將有機結合態營養元素按有效性強弱細分為松結、緊結有機態兩種。

1.4 數據計算與統計分析

小麥各器官養分吸收量（g·hm-2）=各器官養分含量（mg·kg-1）×生物量（kg·hm-2）/1000[33]；

養分收獲指數（%）=籽粒養分吸收量（g·hm-2）/地上部養分吸收量（g·hm-2）×100；

地上部養分吸收量（g·hm-2）=[籽粒養分含量（mg·kg-1）×籽粒產量（kg·hm-2）+莖葉養分含量（mg·kg-1）×莖葉產量（kg·hm-2）+穎殼養分含量（mg·kg-1）×穎殼產量（kg·hm-2）]/1000。

數據用Excel 2019計算，SPSS 25.0進行方差分析。多重比較采用LSD最小顯著差異法，差異顯著性水平為5%（＜0.05）。用Origin 2021繪圖。

2 結果

2.1 氮肥用量對小麥籽粒產量與鐵錳含量的影響

與不施氮肥的對照（N0）相比，旱地石灰性土壤長期施氮顯著提高了小麥產量、籽粒鐵含量，而顯著降低了籽粒錳含量（圖1）。N160處理小麥產量達到最大值，為6 598 kg·hm-2，與對照相比增加了98%，隨著施氮量的進一步增加，N240、N320與N160處理的小麥產量無顯著差異。不同氮水平處理下小麥籽粒鐵錳的含量分析表明（圖1），與N0處理相比，隨著氮水平的提高，小麥籽粒中鐵含量分別增加了11.7%、22.6%、28.8%、27.2%，且在N240處理下達到最高值42.2 mg·kg-1。與鐵元素不同，施氮顯著降低了小麥籽粒錳含量，且當施氮量小于160 kg N·hm-2時，小麥籽粒錳含量隨施氮量的增加而顯著降低，高氮處理（N160、N240、N320）間無顯著差異。

N0：不施氮Without N application；N80：80 kg N·hm-2；N160：160 kg N·hm-2；N240：240 kg N·hm-2；N320：320 kg N·hm-2。下同 The same as below

2.2 小麥籽粒鐵錳含量變化與產量、產量構成及鐵錳吸收分配的關系

在旱地石灰性土壤上，長期施氮顯著提高了小麥產量、養分鐵收獲指數。在莖葉中養分鐵、養分錳含量隨施氮量降低，籽粒中鐵、錳含量成不同的增降趨勢（表2）。在產量構成因子中，各處理的千粒重無顯著差異，但施氮肥顯著提高了籽粒的公頃穗數及穗粒數，說明氮肥主要通過影響公頃穗數和穗粒數提高產量。綜上所述，施氮在促進小麥增產的同時，會進一步影響其對于微量元素養分鐵和錳的吸收。

小麥莖葉是承載養分向籽粒運輸的重要部位。分析表明，施加氮肥顯著降低了小麥莖葉中鐵、錳的含量（表2）；整體來說，小麥莖葉錳含量介于32.1— 56.5 mg·kg-1，與籽粒中錳含量（30.4—57.6 mg·kg-1）接近，而鐵在莖葉中的含量（248.1—334.5 mg·kg-1）遠超于籽粒（32.8—42.2 mg·kg-1）。施加氮肥處理的養分鐵收獲指數顯著高于不施氮的對照，但不同施氮量之間均無顯著差異；而施氮處理顯著提高了養分錳收獲指數（圖2）。

相關分析表明（圖3），長期施氮條件下，小麥籽粒鐵含量與產量、生物量、收獲指數成正相關關系，相關系數分別為0.77、0.69、0.67，與產量構成因子（公頃穗數、穗粒數）成正相關關系，相關系數分別為0.69、0.72，與鐵收獲指數成正相關關系，相關系數分別為0.87、0.77；小麥籽粒錳含量與產量、生物量、收獲指數成負相關關系，相關系數分別為-0.63、-0.55、-0.51，與產量構成因子（穗粒數、公頃穗數）成負相關關系，相關系數分別為-0.73、-0.47，與地上部錳吸收成正相關關系，相關系數分別為0.55、0.65；籽粒鐵含量與籽粒錳含量成顯著負相關關系，相關系數為-0.77。

2.3 氮肥施用對土壤中鐵錳含量及其生物有效性的影響

長期施氮能夠降低土壤pH并提高土壤中有效態鐵錳（DTPA-Fe、DTPA-Mn）含量（圖4）。與不施氮相比，氮肥施用量大于160 kg N·hm-2時，土壤pH顯著降低。施氮量為80、320 kg N·hm-2時，土壤有效態鐵（DTPA-Fe）含量均顯著提高；當施氮量為320 kg·hm-2時，土壤中DTPA-Fe顯著增加了15.4%，含量為5.0 mg·kg-1。當施氮量≤160 kg·hm-2時，各處理土壤中DTPA-Mn無顯著差異；與不施氮相比，當施氮量為320 kg·hm-2時，DTPA-Mn顯著增加了20.5%，為8.3 mg·kg-1。

表2 施氮對小麥鐵錳含量、產量和產量構成的影響

數據后不同小寫字母表示處理間差異顯著<0.05，=4。下同

Values followed by diverse lowercase letters indicate significant difference among diverse N treatments (<0.05),=4. GrFeC, GrMnC: grain Fe and Mn concentration; ShFeC, ShMnC: shoot Fe and Mn concentration. The same as below

土壤中鐵、錳形態分級中，交換態（Ex-）、碳酸鈣鹽結合態（Carb-）、松結有機態（WbO-）屬于速效態養分；錳氧化物結合態（OxMn-）及緊結有機態（SbO-）為植物難利用形態，而土壤中最多的殘渣態（Res-）為無效態。土壤中鐵形態主要以松結有機態（WbO-）、殘渣態（Res-）為主，土壤錳的主要存在形態為碳酸鈣鹽結合態（Carb-）、錳氧化物結合態（OxMn-）、緊結有機態（SbO-）及殘渣態（Res-）；而植物較易吸收利用的交換態（Ex-）均以較少比例存在（圖5）。難利用的殘渣態鐵（Res-Fe）含量為31—35 g·kg-1，多于土壤中殘渣態錳（Res-Mn）高達100倍。其次，與對照相比，施氮處理土壤中鐵元素的松結有機態（WbO-）、錳氧化物結合態（OxMn-）含量顯著增加，而緊結有機態鐵（SbO-Fe）含量略有降低；與鐵元素略有不同，錳元素的松結有機態（WbO-Mn）含量顯著增加，緊結有機態（SbO-Mn）及錳氧化物結合態含量（OxMn- Mn）均略有降低。施氮處理促進了土壤中鐵錳的生物有效性由低向高的轉變。

2.4 小麥籽粒鐵錳含量與土壤養分的關系

相關分析結果表明（圖6），小麥籽粒鐵含量與殘渣態鐵（Res-Fe）顯著負相關，與錳氧化物結合態鐵（OxMn-Fe）正相關，相關系數分別為：-0.56、0.53。土壤有效態鐵（DTPA-Fe）與硝態氮（NO3--N）、錳氧化物結合態鐵（OxMn-Fe）正相關，相關系數分別為：0.45、0.46；碳酸鈣鹽結合態鐵（Carb-Fe）與錳氧化物結合態（OxMn-Fe）呈正相關關系，相關系數為0.53。小麥籽粒錳含量與各種形態錳并無顯著相關關系（圖6-b），而土壤有效態錳（DTPA-Mn）和松結有機態錳（WbO-Mn）顯著正相關，相關系數為0.77。在各土壤錳形態中，殘渣態錳（Res-Mn）與氧化物結合態錳（OxMn-Mn）成負相關，相關系數為-0.47；碳酸鈣鹽結合態錳（Carb-Mn）與錳氧化物結合態（OxMn- Mn），相關系數為-0.65。pH與硝態氮（NO3--N）為負相關，相關系數為-0.47。

圖2 氮肥施用對小麥地上部鐵、錳吸收量及養分鐵、錳收獲指數的影響

圖中相關分析使用數據為原始數據。紅色代表正相關，藍色代表負相關，其中顏色越深、圓形越大代表相關性系數越大；*：＜0.05，**：＜0.01，***：＜0.001

The data used for correlation analysis and linear regression analysis in the figure are original data. Red represents positive correlation, while blue represents negative correlation. The darker the color and the larger the circle, the larger the correlation coefficient. *:＜0.05 , **:＜0.01, ***:＜0.001

GrY: Yield, Bm: Biomass, HI: Harvest index, SpN: Number of panicles (×104), GrN: Grain number per panicle, TGW: 1000-grain weight, ShFeU, ShMnU: Shoot Fe and Mn uptake, GrFeU, GrMnU: Grain Fe and Mn uptake, FeHI, MnHI: Fe and Mn harvest index, GrFeC, GrMnC: Grain Fe and Mn concentration

圖3 小麥籽粒鐵錳含量與產量及其構成要素相關性分析

Fig. 3 Correlation analysis of wheat grain Fe and Mn concentrations with yield and its components

圖4 施用氮肥對土壤pH，土壤有效態鐵、錳含量的影響

Ex-：交換態；WbO-：松結有機態；Carb-：碳酸鈣鹽結合態；OxMn-：錳氧化物結合態；SbO-：緊結有機態；Res-：殘渣態；Res-Fe，Res-Mn圖中Ex、WbO、Carb、OxMn、SbO形態下Fe、Mn的含量單位為mg·kg-1；Res-Fe含量單位為×103 mg·kg-1、Res-Mn含量單位為×10mg·kg-1

3 討論

3.1 長期施氮條件下土壤鐵錳形態及其生物有效性

本研究表明，長期施氮促進了土壤鐵、錳元素從緊結有機態向松結有機態的轉化，提高了生物有效性，土壤中DTPA-Fe、DTPA-Mn分別平均增加了11%、15%（圖4）。土壤中鐵錳形態復雜，形態間的轉化受多種因素影響。本研究及課題組前期工作表明，長期施用氮肥顯著降低了土壤pH[34]。pH作為影響土壤養分有效性的關鍵因子[35]，降低pH可提高土壤中微量元素有效性[36]。相關分析結果表明，土壤中NO3--N與pH顯著負相關，與土壤DTPA-Fe顯著正相關，與DTPA-Mn的相關關系并不顯著（圖6）。長期施用尿素會導致土壤pH降低，其可能機理是由于發生硝化作用，植物根系產生大量H+，導致土壤pH降低[37]。pH下降0.1個單位所引起的土壤酸化，會進一步影響土壤中鐵錳元素的溶解性，活化土壤中氧化鐵。與此同時，土壤中難溶性錳向易溶態轉化，增加土壤中Mn2+，從而提高了土壤鐵錳元素有效性[30]。

圖中相關性分析使用數據為原始數據。紅色代表正相關，藍色代表負相關，其中顏色越深、橢圓形越窄代表相關性系數越大；*：P＜0.05，**：P＜0.01，***：P＜0.001

3.2 長期施氮條件下小麥鐵含量、產量、鐵吸收分配、土壤養分的關系

施氮顯著提高了小麥產量、小麥籽粒鐵含量（表2，圖1）。進一步分析表明，小麥籽粒鐵含量并未顯示出產量稀釋效應，且與產量、穗數、穗粒數、籽粒吸鐵量顯著正相關（圖1，3）。說明，長期施用氮肥可以提高產量的同時，還能提高土壤有效態鐵的含量（圖4），進而顯著促進小麥對鐵的吸收。其主要機制可能是，施氮降低根際和質外體pH，同時提高位于植物根系細胞壁的具有亞鐵底物親和能力的亞鐵氧化酶LPR2基因的表達，進而使鐵在韌皮部的移動性增強[38]，促進根系對土壤中有效鐵的吸收[39]。已有研究結果表明，當氮肥用量介于0—360 kg·hm-2時，氮肥能夠有效促進小麥對土壤中鐵元素的吸收[40]，而其主要機理是通過促進植物根系釋放麥根酸，進一步增加作物根系對鐵的吸收[41]。

小麥籽粒鐵含量與鐵收獲指數也呈現出顯著的正相關關系（圖3），氮肥施用除了可以促進小麥對鐵的吸收外，還能顯著提高鐵收獲指數，說明氮肥施加可以有效促進鐵從莖葉向籽粒的轉移和分配。其原因可能是施氮提高了小麥灌漿速率，進而促進了衰老器官中的營養物質不斷向籽粒中累積[42-43]，尤其在微量元素缺乏地區，如西北旱區。綜上，氮肥施加能夠提高土壤鐵的生物有效性、促進小麥對鐵的吸收及鐵向籽粒的分配，最終提高小麥籽粒鐵的含量。

3.3 長期施氮條件下小麥錳含量與產量、鐵吸收分配、土壤養分的關系

研究發現，與鐵不同，施氮雖然提高了土壤有效錳含量（圖4）、小麥產量（圖1），但顯著降低了小麥莖葉錳含量、籽粒錳含量（表2）。小麥籽粒中的微量元素含量主要受到土壤養分的供應能力（即生物有效性）、作物對養分的吸收能力、養分向籽粒的轉移等因素共同決定。本研究中，施氮條件下土壤錳的供應能力、錳元素向小麥籽粒的轉移分配能力均顯著提高，但小麥籽粒錳含量仍然顯著降低，說明其主要是由于小麥錳吸收能力的下降導致的。進一步分析表明，小麥籽粒錳含量與籽粒吸鐵量、鐵收獲指數顯著負相關，與地上部吸錳量顯著正相關（圖3），與各形態錳不相關（圖6-b）。說明施氮導致錳吸收能力的降低，可能與小麥對鐵的吸收有關。已有研究表明，在作物吸收過程中鐵錳存在拮抗關系[44]。鐵、錳在化學性質上相似，在作物體內有共同的轉運蛋白[45]，如天然抗性相關巨噬蛋白（NRAMP）、液泡轉運體（VIT）、金屬耐受蛋白（MTP）、鋅鐵調節轉運蛋白（ZIP）、鐵轉運蛋白（IRT）等家族[46]。因此，當土壤中鐵錳有效性均提高的前提下，施氮肥提高了作物根系對鐵的吸收，可能在一定程度上抑制了其對錳的吸收，最終導致籽粒錳含量顯著降低，鐵錳含量比提高。

3.4 基于產量及鐵錳營養調控的氮肥施用策略

長期以來，實現農作物優產優質生產一直是國內外科研工作者致力追求的目標，而微量營養元素在提高作物生產以及改善其品質方面具有重要作用，尤其是元素鐵、錳[47]。因此，在保證作物產量的同時，達到改善其微量營養元素品質具有重要意義。在我國，有學者提出為解決人體鐵缺乏問題，小麥籽粒中鐵含量應達到47 mg·kg-1[10]；而對于錳元素，其在小麥籽粒中含量達到32 mg·kg-1就可滿足人體營養需求，且籽粒錳含量建議控制在44.0 mg·kg-1以下時，可避免因錳攝入過多時導致的健康風險[24]。本研究結果表明，長期施用磷肥而不施氮的對照處理中，小麥籽粒鐵含量僅為32.2 mg·kg-1，顯著低于推薦值47 mg·kg-1，而錳含量高達57.6 mg·kg-1，顯著高于人體健康推薦的安全閾值44.0 mg·kg-1。與對照相比，當施氮量超過160 kg·hm-2時，可顯著增加小麥籽粒中鐵含量至36.6—42.2 mg·kg-1，而小麥籽粒錳含量降低至30.4—35.8 mg·kg-1（圖1），施用氮肥有助于提高小麥籽粒中鐵、錳含量比。同時，小麥也在施氮量160 kg N·hm-2時達到最高產量（6 598 kg·hm-2），此后增施氮肥處理間均無顯著差異。因此，綜合考慮產量、小麥微量元素營養品質及環境經濟效益，西北旱區小麥氮肥施用量建議控制在160 kg N·hm-2，此時小麥鐵錳微量元素的營養水平能滿足人體健康需求，過量施用氮肥將無助于繼續提高小麥的產量及品質。

4 結論

在我國西北旱區石灰性土壤上，長期施用氮肥能顯著提高冬小麥產量和改善籽粒中鐵營養，同時降低籽粒中錳含量，可避免人體錳攝入過多的危害。與不施氮相比，施氮可顯著降低土壤pH，提高了土壤中鐵、錳元素的松結有機態比例，降低了緊結有機態的比例，增加了土壤中鐵、錳的生物有效性，促進小麥鐵的吸收及向籽粒的分配，進而提高籽粒鐵含量。但小麥籽粒錳含量降低，可能與小麥吸收過程中鐵錳存在拮抗關系有關。相較于不施氮處理，長期施氮能夠顯著提高小麥產量，且在施氮量為160 kg·hm-2時小麥產量達到高，籽粒鐵含量增加22.6%，籽粒錳含量降低40.1%。因此，基于小麥產量及人體健康營養需求，西北旱區石灰性土壤小麥氮肥用量建議控制在160 kgN·hm-2，過量施用氮肥無助于繼續提高產量及品質。此外，當供磷水平一致時，土壤長期缺乏氮素供應可能導致小麥籽粒鐵含量較低，而錳含量過高。

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The Accumulation of Iron and Manganese in Wheat and Its Relationship with Soil Nutrients Under Long-Term Application ofNitrogen Fertilizer

1College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University/Key Laboratory of Plant Nutrition and Agro-Environment in Northwest China, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Yangling 712100, Shaanxi;2Northwest A & F University/State Key Laboratory of Crop Stress Biology in Arid Areas, Yangling 712100, Shaanxi

【Objective】The objective of the study was to explore the uptake and distribution of iron (Fe) and manganese (Mn) under long-term application of nitrogen fertilizer and its relationship with soil nutrients, to seek the nitrogen fertilizer regulation strategy based on yield and wheat Fe and Mn nutrition, and to provide a new perspective for the optimization of nitrogen fertilizer application and improvement of wheat quality. 【Method】Based on the long-term nitrogen fertilizer experiment of winter wheat in dryland, the concentration of Fe and Mn in wheat grains, and their relationship with wheat grain yield, the uptake and distribution of Fe and Mn in wheat and soil nutrients were analyzed under nitrogen application rates of 0, 80, 160, 240, and 320 kg·hm-2, respectively.【Result】Compared with the control, the application of nitrogen improved wheat grain yield, shoot Fe concentration, nutrient Fe and Fe concentration in grains, but decreased Mn concentration in wheat shoot and grains. When the nitrogen application was higher than 160 kg·hm-2, no differences among treatments were found in the grain yield (5 857-6 598 kg·hm-2) and grain Fe concentration (40.2-42.2 mg·kg-1), and the Mn concentration in grains remained at a lower level (30.4-35.3 mg·kg-1). N application significantly decreased soil pH and increased the proportion of weekly bound organic Fe and Mn and Mn oxide-bonded Fe in the soil, further enriching soil DTPA-Fe and DTPA-Mn content. Meanwhile, the correlation analysis showed that the concentration of Fe in grains had a significantly positive correlation with the yield, biomass, harvest index, spike number, grain number per panicle, grain Fe uptake and Fe harvest index, and soil Mn-oxide-bonded Fe, but it has a significantly negative correlation with the grain Mn concentration and soil residual Fe. However, the grain Mn concentration was significantly negatively correlated with grain yield, biomass, harvest index, spike number, grain number per panicle, grain Fe uptake and Fe harvest index, and was significantly positively correlated with the shoot Mn uptake, but there was no significant association found with various forms of Mn in soil.【Conclusion】In the northwest arid area, the long-term nitrogen application on calcareous soil could improve the availability of soil Fe, promote the absorption and localization of Fe in grains, and increase the Fe concentration in grains. Nitrogen application increased the soil Mn availability, but significantly inhibited the uptake of Mn by wheat, and resulted in a significant decrease of Mn concentration in grains. In addition, when the phosphorus supply level is consistent, a long-term lack of soil nitrogen supply may lead to low Fe concentration and high Mn concentration in wheat grains. Considering the yield, the bioavailability of Fe and Mn in grains and the environmentally-economic benefits, it was recommended that nitrogen application rate should be controlled at 160 kg N·hm-2on calcareous soil, since excessive nitrogen application fertilizer would not be conducive to further increase grain yield and improve its nutritional quality.

nitrogen fertilizer; winter wheat; Fe; Mn; dryland in Northwest China; calcareous soil

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.17.011

2022-08-31；

2022-10-24

國家重點研發計劃（2021YFD1900700、2022YFD1900702）、中國博士后科學基金（2019M663838）、國家現代農業產業技術體系建設專項（CARS-3）

藺江韻，E-mail：lin-jy@nwafu.edu.cn。通信作者石美，E-mail：meishi@nwafu.edu.cn。通信作者王朝輝，E-mail：w-zhaohui@263.net

（責任編輯 李云霞）