旱地石灰性土壤長期施氮提高小麥籽粒中鐵銅鋅含量

摘要： 【目的】明確氮肥用量引起的小麥籽粒鐵、錳、銅、鋅含量變化及土壤作物營養機制，為優化氮肥管理，實現小麥優質豐產提供理論依據。【方法】利用2004 年在黃土高原南部陜西楊凌開始的氮肥用量長期定位試驗，在施磷（P2O5） 100 kg/hm2 的基礎上，設0、80、160、240 和320 kg/hm2 5 個氮水平，在2013—2016 年3 個小麥收獲期采集小麥植株和土壤樣品，測定各器官生物量、鐵錳銅鋅含量及土壤有效鐵錳銅鋅含量，采用回歸分析方法分析施氮量、小麥籽粒產量和微量元素含量之間的關系，計算獲得最高籽粒產量和鐵錳銅鋅含量及其收獲指數的氮肥用量。【結果】與不施氮相比，施氮提高了小麥產量和籽粒鐵、銅、鋅含量，降低了錳含量。籽粒鐵含量與施氮量呈二元一次方程關系，小麥產量達最高（6116 kg/hm2） 時的施氮量為212 kg/hm2，籽粒鐵含量達最高（43.9 mg/kg） 時施氮量為218 kg/hm2，鐵收獲指數最高時的施氮量為92 kg/hm2。鋅銅含量及其收獲指數均與施氮量呈線性關系，施氮量每增加100 kg/hm2，籽粒銅和鋅含量分別提高0.4 和3.5 mg/kg。籽粒錳含量與施氮量呈負線性加平臺關系，施氮量為57 kg/hm2 時，籽粒錳含量達最低37.5 mg/kg。與不施氮相比， 施氮處理耕層土壤有效錳含量提高7.8%，有效鐵、銅、鋅含量無顯著變化，平均為5.9，1.3 和0.54 mg/kg。【結論】在黃土高原旱地石灰性土壤上，長期施用氮肥提高了冬小麥籽粒鐵、銅、鋅含量和吸收量，降低了錳含量和吸收量，主要歸因于作物吸收量提高及鐵向籽粒的分配增強，籽粒錳含量降低主要與產量提高引起的養分稀釋效應有關。綜合考慮產量和籽粒鐵錳銅鋅養分含量，該地區實現小麥高產目標5810 kg/hm2 時，氮肥用量應為122 kg/hm2，在最高產量施氮量212 kg/hm2 基礎上可減施氮肥42%，此時籽粒鐵、錳、銅、鋅含量較高，分別為42.1、37.5、4.0 和25.1 mg/kg。

關鍵詞： 氮肥； 小麥產量； 籽粒； 微量元素

植物必需微量元素鐵、錳、銅、鋅也是人體健康必需的微量元素，缺乏會帶來貧血、侏儒癥等疾病[1?2]。全球約有1/3 人口存在缺乏微量元素鐵、鋅等營養不良問題，主要集中在以谷類作物為主食的人群[ 3 ? 4 ]。我國小麥種植面積和總產量分別占全球的11% 和17%[5]，小麥籽粒中錳平均含量為43 mg/kg，接近人體健康營養推薦值32～44 mg/kg[6]的上限，鐵、銅、鋅平均含量僅為43.8、4.6 和31.4 mg/kg[6]，遠低于人體健康營養推薦值59、10 與40～60 mg/kg[7?8]。因此，優化小麥籽粒微量營養元素含量對我國人民微量元素營養健康有重要意義 。

生物強化是提高谷類作物微量礦質營養元素含量，改善人體營養的有效措施。在北京東北旺的田間試驗結果表明，施氮量從0 增加到130 kg/hm2時，小麥籽粒鐵、銅、鋅含量分別提高61%、50%和63%[9]。在河北滄州的田間試驗結果表明，施氮157 kg/hm2 時，小麥籽粒鐵、錳、銅、鋅含量分別顯著增加8%、21%、23% 和178%[10]。但施用氮肥并不總是表現為籽粒微量元素含量的提高，同樣在河北滄州的田間試驗表明，施用氮肥157 kg/hm2 時小麥籽粒錳含量降低8%，鐵含量無顯著變化[11]。在陜西咸陽施用氮肥162 kg/hm2 時，同樣得到小麥籽粒錳含量降低10%，鐵、銅、鋅含量無顯著變化的結果[12]。

氮肥用量增加會引起土壤酸化，增加土壤中鐵、錳、銅、鋅有效性，對作物養分吸收產生積極影響[13]。波蘭棕壤盆栽試驗結果發現，施氮130～170 mg/kg可使土壤有效鋅、鐵含量均增加3%，銅增加9%，錳增加12%[14]。土壤養分充足的情況下，施用氮肥能夠促進植株根系對養分的吸收利用[15]。土耳其鈣質粘壤土的盆栽試驗證明，施氮量增加時，小麥根系對鋅的吸收增加3 倍[16]。安納托利亞鈣質粘土的盆栽試驗顯示，施用氮肥250 mg/kg，小麥鐵和鋅吸收量均提高了4 倍[17]。黃淮冬麥區潮褐土上的田間試驗表明，施氮不超過360 kg/hm2 時，能促進小麥鐵、銅和鋅吸收，抑制錳吸收[18]。

關于施用氮肥對小麥籽粒及土壤微量元素的影響已有報道，但結果和結論存在差異，而且旱地石灰性土壤上的研究尤為缺乏。因此，本研究利用黃土高原石灰性土壤上開展的氮肥用量長期定位試驗，分析小麥籽粒鐵錳銅鋅含量、吸收量、收獲指數和土壤有效養分的變化，以期明確長期施用氮肥的條件下小麥籽粒鐵、錳、銅、鋅含量變化與其吸收轉移和土壤養分供應的關系，為優化氮素管理，實現旱地小麥優質豐產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概述

氮肥用量長期定位試驗始于2004 年10 月，位于陜西楊陵西北農林科技大學農作一站（34°16′N，108°04′E），地處黃土高原南部，海拔525 m，多年平均氣溫12.9℃ ，年均降水量550 mm，60% 降水集中在7—9 月，屬于半濕潤易旱地區。種植制度為冬小麥―夏休閑。試驗區地勢平坦，土壤類型為黃土母質發育而來的土墊旱耕人為土，土壤質地為中壤土。2004 年試驗開始前耕層土壤（0—20 cm） 基礎肥力為：有機質13.8 g/kg，全氮1.1 g/kg （凱氏定氮法），硝態氮5.4 mg/kg （1 mol/L KCl 浸提），銨態氮2.4 mg/kg （1 mol/L KCl 浸提），速效磷15.0 mg/kg（0.5 mol/L NaHCO3 浸提），速效鉀182.4 mg/kg（1 mol/L NH4OAc 浸提），有效鐵、錳、銅、鋅含量分別為4.8、14.1、1.4、0.5 mg/kg （DTPA-TEACaCl2浸提），pH 8.3 （水土比2.5∶1）。

1.2 試驗設計與田間管理

長期定位試驗采用單因素完全隨機區組設計，每年肥料用量保持一致，在施磷（P2O5） 100 kg/hm2 的基礎上，設5 個施氮水平，即0、80、160、240 和320 kg/hm2。氮肥為含氮 46% 的尿素，磷肥為含P2O546% 的重過磷酸鈣，所有肥料均作為基肥在播種前撒施，然后旋耕使其與耕層土壤混勻。試驗重復4 次，小區面積 40 m2 （4 m×10 m）。選用的小麥品種為小偃22 號，每年10 月中旬播種，來年6 月初收獲，播量約為155 kg/hm2，播種深度為5 cm，行距為15 cm。田間管理與當地農戶一致，整個生育期無灌水，使用除草劑和殺蟲劑進行雜草和病蟲害控制。

1.3 樣品采集與測定

在2013—2014、2014—2015、2015—2016 年3 個小麥收獲期，每小區隨機均勻選取100 穗小麥植株，連根拔起后用不銹鋼剪刀剪去根系，將地上部風干后脫粒，分為莖葉、穎殼（包含穗軸） 和籽粒3 部分。各器官取部分樣品先用自來水、后用超純水清洗，90℃ 烘30 min 后65℃ 烘干至恒重，測定含水量，計算收獲指數。烘干的植物樣品用球磨儀（碳化鎢研磨罐，MM400，德國） 研磨，然后裝入塑料自封袋保存。同時，每小區選取4 個1 m × 1 m 樣方的小麥，進行人工收獲，收獲的樣品風干后脫粒，稱量籽粒重，隨機稱取部分籽粒，65℃ 烘干至恒重，測定含水量，計算產量和生物量。產量和生物量均以烘干重表示。小麥收獲后，每個小區隨機選取5個點，采集0—40 cm 土壤，每10 cm 為1 層，同層樣品混勻作為1 個分析樣品，自然風干后研磨，過1 mm 尼龍篩，裝入自封袋保存。

研磨后的植物樣品用濃HNO3 和H2O2 微波消解，電感耦合等離子質譜儀（ICP-MS，美國） 測定消解液中的鐵錳銅鋅含量。土壤樣品用DTPA-CaCl2-TEA 溶液浸提（pH 7.3），土水比1∶2，原子吸收分光光度計（日立Z-2000，日本） 測定浸提液中鐵錳銅鋅的含量。

1.4 數據統計分析與計算

試驗數據用Excel 2016 處理，SAS 9.2 統計分析。采用LSD 最小顯著差異法進行多重比較，顯著性差異水平為5%，用SigmaPlot 10.0 繪圖。相關參數及計算公式如下：

收獲指數（%）=籽粒產量/（籽粒產量+莖葉生物量+穎殼生物量）×100

養分吸收量（g/hm2）=各器官養分含量×各器官生物量/1000

地上部養分吸收量（g/hm2）=籽粒養分吸收量+莖葉養分吸收量+穎殼養分吸收量

養分收獲指數（%）=籽粒養分吸收量/地上部養分吸收量 ×100

2 結果與分析

2.1 冬小麥產量、生物量和收獲指數對施氮量的響應

從3 年平均結果（圖1） 看，施用氮肥顯著提高小麥產量、生物量和收獲指數。回歸分析結果表明，產量與施氮量呈二次回歸關系，在施氮212 kg/hm2時達最大值6116 kg/hm2。施氮后小麥產量增幅為33.0%～38.1%。生物量與施氮量呈線性加平臺關系，在施氮量為82 kg/hm2 時，達到最大值12642kg/hm2；收獲指數與施氮量呈線性正相關關系，施氮量每增加100 kg/hm2 時，收獲指數提高1.3%， 在施氮320 kg/hm2 時，收獲指數最高，達48.6%。

2.2 小麥籽粒鐵、錳、銅、鋅含量對施氮量的響應

施用氮肥顯著提高冬小麥籽粒鐵、銅、鋅含量，降低錳含量（圖2）。回歸分析顯示，鐵含量與施氮量呈二次回歸關系，施氮218 kg/hm2 時達到最大值43.9 mg/kg。銅、鋅含量與施氮量呈線性正相關，施氮量每增加100 kg/hm2 時，籽粒銅、鋅含量分別提高0.4 和3.5 mg/kg。錳含量與施氮量呈線性加平臺關系，在施氮量57 kg/hm2 時達到最小值37.5 mg/kg。

2.3 土壤有效鐵、錳、銅、鋅對施氮量的響應

從不同年份的測定結果看，施用氮肥對0—20 cm土壤有效鐵、錳、銅、鋅含量無顯著影響（表1），但3年的平均結果（表1） 顯示，長期施用氮肥320 kg/hm2時0—20 cm 土層土壤有效錳含量較不施用氮肥處理顯著提高7.8%，有效鐵、銅、鋅含量均無顯著變化，其中0—20 cm 土層土壤有效鐵、錳、銅、鋅含量均高于20—40 cm 土層。可見，氮肥施用可以顯著提高0—20 cm 土層土壤有效錳含量。

2.4 小麥鐵、錳、銅、鋅吸收量和收獲指數對施氮量的響應

施用氮肥可以顯著提高小麥籽粒與地上部鐵吸收量和收獲指數（圖3）。籽粒、地上部鐵吸收量與施氮量均呈線性加平臺關系，分別在施氮量82、83 kg/hm2 時達最大吸收量244.8、2187 g/hm2。地上部鐵收獲指數與施氮量也呈線性加平臺關系，在施氮量92 kg/hm2 時達最大值12.5%。施氮后小麥籽粒鐵吸收量增幅為65.0%～73.8%。可見，施用氮肥能促進小麥鐵吸收及向籽粒的分配。

施用氮肥可以顯著提高小麥籽粒和地上部錳吸收量，但對錳收獲指數沒有顯著影響（圖4）。籽粒和地上部錳吸收量均與施氮量呈線性加平臺關系，分別在施氮量98 和93 kg/hm2 時達到最大值221.1 和494.8 g/hm2，施氮后小麥籽粒錳吸收量增幅為20.2%～27.0%。錳收獲指數沒有顯著變化，平均為46.2%。可見，施用氮肥可以促進小麥錳吸收，但對錳向籽粒的分配沒有顯著影響。

施用氮肥可以顯著提高小麥籽粒與地上部銅吸收量（圖5）。籽粒和地上部銅吸收量均與施氮量呈二次回歸關系，分別在施氮量200 和238 kg/hm2 時達到最大值25.7 和46.1 g/hm2；施氮后小麥籽粒銅吸收量增幅為72.9%～106.3%。施氮提高了銅收獲指數，在施氮量為240 kg/hm2 時，與對照相比差異顯著。可見，施氮能夠促進小麥銅吸收與向籽粒的分配。

施用氮肥可以顯著提高冬小麥籽粒鋅和地上部鋅吸收量（圖6）。籽粒與地上部鋅吸收量均與施氮量呈二次回歸關系，在分別施氮286 和293 kg/hm2 時達到最大值177.7 與240.4 g/hm2，施氮后小麥籽粒鋅吸收量增幅為51.2%～106.1%。施氮提高了鋅收獲指數，在施氮量為160 和240 kg/hm2 時，與對照相比差異顯著。可見，施氮能夠促進小麥鋅吸收與向籽粒的分配。

2.5 兼顧小麥產量和籽粒鐵錳銅鋅含量的施氮量分析

綜合分析施氮量、土壤有效鐵錳銅鋅、籽粒鐵錳銅鋅與小麥產量的關系發現（圖7），產量最大值為6116 kg/hm2 時，對應的施氮量為212 kg/hm2，當產量為最高產量95% 時，對應的施氮量為122 kg/hm2，此時產量為5814 kg/hm2，籽粒鐵和錳含量分別為42.1 和37.5 mg/kg，銅和鋅含量分別為4.0 和25.1mg/kg。當超過這一施氮量時，產量增幅減小，籽粒鐵錳含量不再增加，銅鋅含量持續增加，在最高產量時，鐵錳含量分別為43.9 和37.5 mg/kg，銅鋅含量分別為4.3 和28.3 mg/kg。隨施氮量增加，土壤有效錳含量增加，在施氮320 kg/hm2 時達到最高，為12.1 mg/kg；有效鐵、銅、鋅含量無顯著變化，平均為5.9、1.3 和0.54 mg/kg。因此，結合經濟效益和養分水平考慮，在生產中要控制施氮量為122 kg/hm2。

3 討論

3.1 小麥產量及籽粒鐵錳銅鋅含量對氮肥用量的響應

本研究發現，旱地石灰性土壤施用氮肥，小麥產量顯著增加，在施氮212 kg/hm2 時達到最大值6116 kg/hm2。籽粒鐵、銅、鋅含量均顯著增加，分別在施氮量為218、320 和320 kg/hm2 達到最大值43.9、4.5 和31.1 mg/kg。錳含量顯著降低，在施氮57 kg/hm2 時達到最小值37.5 mg/kg。作物對養分的吸收量隨生物量提高而增加，吸收量增加速率大于生物量提高速率時表現為養分富集，含量增加；反之，表現為養分稀釋，含量降低[19?25]。瑞典南部和中部的田間試驗表明，增加施氮量顯著提高冬小麥產量，而錳、銅和鋅含量沒有明顯變化，籽粒鐵含量顯著增加，主要是由于氮肥用量較高時地上部鐵的積累速度高于生物量增加速度，錳、銅和鋅積累與生物量積累的增加速率保持一致[15]。本研究中，施氮后小麥產量增幅為33.0%～38.1%，高于籽粒錳吸收量增加的幅度20.2%～27.0%，因此籽粒錳含量降低；鐵、銅和鋅的籽粒吸收量增幅分別為65.0%～73.8%，72.9%～106.3% 和51.2%～106.1%，均高于產量增幅，因此表現為含量增加。

3.2 氮肥施用引起的小麥籽粒鐵錳銅鋅變化與土壤有效養分的關系

本研究發現，黃土高原旱地石灰性土壤增施氮肥后，0—20 cm 土層土壤有效錳含量顯著提高，在施氮320 kg/hm2 時達到12.1 mg/kg；有效鐵、銅、鋅含量無顯著變化，平均分別為5.9，1.3 和0.54 mg/kg；20—40 cm 土層土壤有效鐵、錳、銅含量均無顯著變化，施氮提高了20—40 cm 土層土壤有效鋅含量，在施氮量為240 kg/hm2 時，與對照相比差異顯著。在遼寧沈陽草甸土上的定位試驗發現，長期施用氮肥能降低土壤pH，顯著提高有效鐵、錳、銅、鋅含量[26]。北京潮褐土上的田間試驗亦表明，長期施用氮肥降低了土壤pH，促進了土壤錳活化，耕層土壤有效錳含量顯著提高[27]。陜西關中平原塿土的定位試驗表明，土壤微量元素鐵、錳、銅、鋅供應受限時，施用氮肥會引起小麥籽粒有效鐵、錳、銅、鋅含量降低，微量元素充足的土壤中則不會出現此現象[28]。這是由于土壤微量元素含量較低時，作物微量元素吸收量隨施氮量的增加速率低于產量增加速率所致。河南鄭州棕壤上19 年的長期定位試驗也表明，小麥籽粒鐵、錳含量與土壤有效鐵、錳含量顯著正相關[29]。在摩洛哥鈣質土上的試驗還表明，小麥籽粒銅含量與土壤銅供應呈極顯著的正相關關系[30]，而陜西關中平原的試驗表明，長期施用氮肥作物鐵、鋅的攜出量增加，而土壤有效鐵、鋅含量下降[28]。本研究中，與不施氮相比，小麥籽粒鐵、銅、鋅含量顯著增加，0—20 cm 土層土壤有效鐵、銅、鋅含量無顯著變化，主要原因可能是本試驗中氮肥投入對土壤鐵、銅、鋅活化的部分被小麥植株鐵、銅、鋅的攜出提高量所抵消[28]，因此表現為土壤有效鐵、銅、鋅含量無顯著變化。

3.3 基于小麥產量和籽粒微量元素含量優化的氮肥管理

施用氮肥是小麥豐產優質的重要措施。考慮經濟收益和氮肥高效利用，黃淮海麥區小麥最佳施氮量為202 kg/hm2，此時產量為最高產量的97%，施氮量較最高產量時的施氮量可降低27%[31]。在渭北旱塬，在施P2O5 100 kg/hm2 的基礎上施氮 150 kg/hm2，小麥產量為最高產量的96%，施氮量比最高產量施氮量降低30%，籽粒氮磷鉀鋅含量均處于較高水平[32]。因此，在保證高產的基礎上適當降低氮肥用量，可實現小麥高產優質和經濟效益協同提高。本研究中，產量為最高產量的95% 時施氮量為122kg/hm2，比最高產量施氮量可減施氮肥42%，此時，錳含量為 37.5 mg/kg，符合人體健康營養推薦值32～44 mg/kg。籽粒鐵、銅、鋅含量分別為42.1、 4.0和25.1 mg/kg。可見，在減施氮肥的情況下，雖然保證了產量和錳含量，但籽粒鐵、銅、鋅含量仍低于國際上推薦的含量，即59、10 與40～60 mg/kg [7?8]，居民飲食中需注意其他來源的鐵、銅、鋅補充。

4 結論

黃土旱塬區施用氮肥在提高小麥產量的同時，可以顯著提高小麥籽粒鐵、銅、鋅含量，降低錳含量。冬小麥籽粒鐵、銅、鋅含量的提高主要歸于作物對這些養分吸收量的提高及鐵向籽粒轉移的增強，籽粒錳含量降低與產量提高引起的養分稀釋效應有關。綜合考慮產量和籽粒微量營養元素含量，以實現小麥高產（5810 kg/hm2） 為生產目標，該地區的推薦氮肥用量為122 kg/hm2，相較最高產量施氮量（212 kg/hm2） 減少42%，籽粒錳含量為37.5 mg/kg，符合人體健康營養推薦值，鐵、銅、鋅含量分別為42.1、4.0 和25.1 mg/kg，仍低于滿足人體營養需求的養分含量。

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基金項目：國家現代農業產業技術體系建設專項（ CARS-3）；國家重點研發計劃項目（ 2018YFD0200400）。