氮锌配施对冬小麦根土界面锌有效性及形态分级的影响

聂兆君，赵 鹏，秦世玉，王 佳，郭佳佳，李江鹤，刘红恩*

（1 河南农业大学资源与环境学院，河南郑州 450002；2 河南省土壤污染防控与修复重点实验室，河南郑州 450002）

锌是人体必需的微量元素之一，对人体生长发育起着极其重要的生理和营养作用，包括体液免疫、细胞免疫、蛋白质和核酸合成等[1]。缺锌对人体，尤其是对幼儿造成食欲与消化功能减退、生长发育迟缓、脑功能障碍、免疫力降低等问题[2]。锌作为植物必需的营养元素之一，土壤缺锌导致作物生长发育受阻，显著降低农产品产量及品质。粮食作物作为人体锌营养的主要摄入来源，通过育种或农艺措施提高作物锌含量的生物强化被认为是最有前景、经济有效的人体补锌方式[3–4]。

小麦被称为世界三大粮食作物之一，是人体摄入微量元素的重要食物来源[5]。但是，小麦籽粒锌浓度偏低导致以其为主食的人群锌摄取量不足的情况普遍存在。根据我国北方主产区小麦籽粒锌含量的调查结果，小麦籽粒锌含量变化范围为11.7～49.7 mg/kg，平均值仅为26.4 mg/kg[6–7]，远低于籽粒锌生物强化目标值40～60 mg/kg[5]，究其根本原因，主要受到土壤锌供应水平的制约[8]。我国土壤缺锌的现象十分普遍。河南作为小麦主产区，广泛分布着石灰性土壤。以土壤有效锌 (DTPA提取) 含量0.5 mg/kg的临界值来判定土壤缺锌的程度[9]，河南省超过60%的土壤都严重缺锌，可能缺锌的土壤面积约34%，有效锌充足的耕地仅占6%[10]。因此，提高土壤锌的有效性，进而提高冬小麦籽粒锌含量，对于北方地区人民合理补充膳食锌营养具有重要意义。

施用锌肥是提高土壤锌有效性最直接有效的方法。研究表明，施锌能显著提高土壤有效锌含量，明显改善小麦锌的营养状况[11–13]。除此之外，施氮也能够显著提高小麦锌含量，促进锌向小麦籽粒的转运[14–15]。氮锌配施能够增加小麦地上部和籽粒中锌的累积量[16–17]，其原因一方面可能是由于氮锌配施通过刺激作物根系发育，进而促进作物对锌的吸收[18–20]；另一方面，氮锌配施也可能通过提高土壤锌的有效性而增加作物对锌的累积。但是，关于氮锌配施影响土壤锌的有效性的可能机制，目前尚不清楚。

土壤锌的有效性取决于土壤对锌的吸附–解吸特性，而锌的吸附–解吸过程则受土壤pH、有机质、土壤矿物及共存离子等土壤性质的影响。除此以外，土壤中的锌会因其存在形态不同而影响有效性[21]。根际是深受植物根系活动影响的区域，植物根系与土壤间的相互作用是影响养分从土体进入植物体的根本原因[22]。在植物生长过程中根系吸收养分的同时向土壤中释放各种无机有机物质对土壤养分有效性具有直接或间接的影响[23–25]。因此，深入了解作物根系活动对土壤锌的形态转化及其有效性的影响显得尤为重要。

本文通过根箱培养试验，研究了氮锌配施对冬小麦根际和非根际土壤有效锌、pH及锌形态分级的影响，旨在从土壤锌的有效性的角度探讨氮锌配施促进冬小麦吸收锌的可能机制，以期为通过合理施肥来调控冬小麦籽粒锌含量、促进人体高效补锌提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤为壤质潮土，其基本理化性质为：pH 7.34、有机质11.8 g/kg、碱解氮78.4 mg/kg、速效钾164 mg/kg、有效磷11.0 mg/kg、有效锌含量1.02 mg/kg。供试冬小麦品种为郑麦379。试验地点为河南省郑州市河南农业大学毛庄科教园区。

1.2 试验设计

试验设3个氮水平 (0、0.2、0.4 g/kg) 和2个锌水平 (0、10 mg/kg)，采用3 × 2完全交互设计，共6 个处理：N0Zn0、N0.2Zn0、N0.4Zn0、N0Zn10、N0.2Zn10、N0.4Zn10，每个处理3次重复，随机排列。氮肥和锌肥分别以硝酸钙[Ca(NO3)2·2H2O]和硫酸锌(ZnSO4·7H2O) 为肥源，因施氮处理引起的钙肥差异用氯化钙 (CaCl2·2H2O) 补足。底肥按照每公斤土P2O50.15g、K2O 0.20g用量施入，分别以磷酸二氢钾(KH2PO4) 和氯化钾 (KCl) 作为肥源。无锌Arnon营养液 (浓缩1000倍) 以1 mL/kg土用量加入以避免微量元素的缺乏。其中，氮肥的50%作为基肥施入，剩余的50%于拔节期和返青期分两次施入，其它所有肥料配成溶液于播种前一次性施入土壤。所用试剂均采用分析纯 (AR) 级别。试验场设有塑料膜防雨棚以防止雨水淋洗。

试验采用PVC材料制成的根箱，其设计参照He等[26]的方法并加以改进。根箱规格长 × 宽 × 高为 15 cm ×10 cm × 16 cm，其中内室2 cm，两个外室均为4 cm，内室与外室之间用孔径为30 μm的尼龙网隔开。每个根箱装入3.5 kg风干、过筛 (筛孔0.85 mm) 的土壤，装土时内室与外室同时进行，以保证土壤在内、外室均匀分布而不留空隙。冬小麦于2016年11月3日播种于根箱内室，每个根箱定苗3株，于灌浆期 (2017年4月18日，167天) 采集植物地上部和内、外根室土壤样品。将植株地上部置于105℃杀青30 min，然后65℃烘干至恒重，测定植株锌含量。采集内、外根室土壤样品时，3株小麦根系已充满整个内根室，因此将内室土壤定义为根际土、外室土壤定义为非根际土，其中两侧外室土壤充分混匀。土壤样品经风干、磨碎过20目筛后用于测定各项指标。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤基本理化性质的测定 参照常规分析方法[27]：有机质采用重铬酸钾容量–外加热法；碱解氮采用碱解扩散法；有效磷采用NaHCO3浸提，钼蓝比色法；速效钾采用NH4OAc浸提，火焰光度法；有效锌采用DTPA浸提，原子吸收分光光度法测定。

1.3.2 植株锌含量的测定 参照鲍士旦[27]的分析方法，植株样品烘干粉碎后，采用HNO3∶HClO4(体积比4∶1) 消化，原子吸收分光光度计 (ZEEnit 700，耶拿，德国) 测定锌含量。

1.3.3 土壤锌形态分级的测定 参照魏孝荣等[13]的改进试验方法，分别用1 mol/L Mg(NO3)2(pH 7.0)、0.1 mol/L Na4P2O7(pH 9.5)、1 mol/L NaAc-HAc(pH 5.0)、0.1 mol/L NH2OHHCl(pH 7.0) 和30% H2O2(pH 2.0)+1 mol/L Mg(NO3)2(pH 7.0) 浸提交换态、松结有机态、碳酸盐结合态、氧化物结合态和紧结有机态锌，所得浸提液采用原子吸收分光光度法测定锌含量。土壤全锌采用 HCl–HNO3–HClO4–HF 酸熔，原子吸收分光光度法测定。全锌含量减去其它五种形态锌含量即为残渣态锌含量。试验在温度25℃下进行，且液土比为10∶1。

1.4 统计分析

试验所得数据采用 Excel 2007 和 SPSS 18.0 软件进行处理和统计分析。处理间比较采用双因素、三因素方差分析，各处理平均值之间的多重比较采用最小显著性差异 (LSD) 法。

2 结果与分析

2.1 氮锌配施对冬小麦干物质重的影响

双因素方差分析结果表明，施氮对冬小麦地上部干物质重的影响达到极显著水平 (P ＜ 0.01)；但是，施锌和氮锌交互对冬小麦地上部干物质重的影响未达到显著水平 (表1)。

随着施氮量的增加，两个锌水平下的冬小麦地上部干物质重逐渐提高，但N0.2和N0.4处理之间无显著差异 (图1)。冬小麦地上部干物质重的最大值出现在N0.4Zn10处理。

2.2 氮锌配施对冬小麦地上部锌含量的影响

双因素方差分析结果表明，施氮和施锌对冬小麦地上部锌含量的影响达到显著或极显著水平 (P ＜0.05或P ＜ 0.01)；氮锌交互作用对冬小麦地上部锌含量的影响达到极显著水平 (P ＜ 0.01)(表1)。

增加施氮量显著提高了Zn10水平下冬小麦地上部锌含量；在N0.2和N0.4水平下，施锌显著提高了地上部锌含量 (图2)。地上部锌含量的最大值出现在N0.4Zn10处理。

表1 氮锌配施对冬小麦地上部干物质重、锌含量影响的双因素方差分析结果Table 1 Two-way analysis of variance for the effects of combined application of N with Zn on the dry matter weight and Zn concentration in shoot of winter wheat

2.3 氮锌配施对冬小麦根土界面有效锌含量的影响

三因素方差分析结果表明，施氮、施锌和根际对土壤有效锌含量的影响达到显著或极显著水平 (P ＜0.05 或 P ＜ 0.01)；氮与根际交互、锌与根际交互及氮、锌、根际交互对土壤有效锌含量的影响达到极显著水平 (P ＜ 0.01)(表 2)。

对于根际土，在Zn10水平下，随着施氮量的增加，土壤有效锌含量逐渐降低，在N0.4水平下达到最低值；在相同的施氮水平下，施锌则显著提高根际土有效锌含量 (图3)。而对于非根际土来说，在Zn10水平下，随着施氮量的增加，土壤有效锌含量逐渐增加，在N0.4处理下达到最高值；在相同的施氮水平下，施锌也显著提高了非根际土的有效锌含量(图3)。在N0.2Zn10和N0.4Zn10处理下，根际土的有效锌含量显著低于非根际土。

2.4 氮锌配施对冬小麦根土界面pH的影响

三因素方差分析结果表明，施氮和根际对土壤pH的影响达到显著或极显著水平 (P ＜ 0.05或P ＜0.01)；氮与根际交互对土壤pH的影响均达到极显著水平 (P ＜ 0.01) (表 2)。

无论施锌与否，增加施氮量均显著降低根际土的pH，对非根际土的pH则影响不大 (图4)。无论施氮水平的高低，施锌对根际和非根际土的pH影响均不显著。在N0Zn0和N0Zn10处理下，根际土的pH显著高于非根际土。

2.5 氮锌配施对冬小麦根土界面锌形态分级的影响

三因素方差分析结果表明，施氮、施锌和根际对土壤交换态锌、碳酸盐结合态锌、氧化物结合态锌和残渣态锌含量的影响均达到极显著水平 (P ＜0.01)；施锌对松结有机态锌含量的影响达到极显著水平 (P ＜ 0.01)；根际对松结和紧结有机态锌含量的影响达到显著或极显著水平 (P ＜ 0.05或P ＜ 0.01)；氮、锌交互对交换态锌、紧结有机态锌和残渣态锌含量的影响达到极显著水平 (P ＜ 0.01)；氮、根际交互对交换态锌、松结有机态锌、碳酸盐结合态锌、氧化物结合态锌和残渣态锌含量的影响达到极显著水平 (P ＜ 0.01)；锌、根际交互对松结有机态锌、碳酸盐结合态锌和氧化物结合态锌含量的影响达到显著或极显著水平 (P ＜ 0.05或P ＜ 0.01)；氮、锌、根际交互对碳酸盐结合态锌和残渣态锌含量的影响达到显著或极显著水平 (P ＜ 0.05 或 P ＜ 0.01)(表 2)。

N0.4处理显著降低了Zn0水平下根际土的交换态锌含量，却提高了Zn0水平下非根际土的交换态锌含量；N0.2和N0.4处理均显著提高了Zn10水平下根际土和非根际土的交换态锌含量 (图5A)。施锌同样显著提高了N0.2和N0.4水平下根际土和非根际土的交换态锌含量。N0.2和N0.4显著降低了Zn10水平下根际土的松结有机态锌含量，却显著提高了Zn10水平下非根际土的松结有机态锌含量 (图5B)。施锌同样显著提高了三个施氮水平下根际土和非根际土的松结有机态锌含量 (图5B)。N0.2和N0.4处理均显著降低了Zn0和Zn10水平下根际土的碳酸盐结合态锌含量 (图5C)。施锌同样显著提高了三个施氮处理下根际土的碳酸盐结合态锌含量。N0.2和N0.4则显著降低了Zn0和Zn10水平下非根际土的氧化物结合态锌含量 (图5D)；施锌显著提高了三个施氮水平下根际土的氧化物结合态锌含量。N0.2和N0.4仅显著提高了Zn10水平下非根际土的紧结有机态锌含量 (图5E)。施锌则显著降低了N0水平下根际土和非根际土的紧结有机态锌含量 (图5E)。N0.2和N0.4水平显著提高了Zn0水平下根际土和非根际土的残渣态锌含量；N0.4则提高了Zn10水平下根际土和非根际土的残渣态锌含量 (图5F)。施锌显著提高了N0.4水平下根际土和N0水平下非根际土的残渣态锌含量，却降低了N0.2水平下根际土的残渣态锌含量 (图5F)。相同处理下，根际土的可交换态、碳酸盐结合态和残渣态锌含量显著高于非根际土，但根际土的松结有机态、氧化物结合态锌含量却显著低于非根际土。

图1 氮锌配施对冬小麦地上部干物质重的影响Fig. 1 Effect of combined application of N with Zn on the shoot dry matter weight in winter wheat

图2 氮锌配施对冬小麦地上部锌含量的影响Fig. 2 Effect of combined application of N with Zn on Zn concentration in shoot of winter wheat

表2 氮锌配施对冬小麦根土界面土壤有效锌、pH和锌形态分级的三因素方差分析结果Table 2 Three-way analysis of variance (ANOVA) for the effects of combined application of N with Zn on the available Zn,pH and chemical fractions of Zn in root-soil interface of winter wheat

图3 氮锌配施对冬小麦根土界面土壤有效锌含量的影响Fig. 3 Effect of combined application of N with Zn on the available Zn concentration in root-soil interface of winter wheat

图4 氮锌配施对冬小麦根土界面pH的影响Fig. 4 Effect of combined application of N with Zn on soil pH in root-soil interface of winter wheat

3 讨论

3.1 氮锌配施可显著提高冬小麦锌含量

图5 氮锌配施对冬小麦根土界面土壤锌形态分级的影响Fig. 5 Effect of combined application of N with Zn on the chemical fractions of Zn in root-soil interface of winter wheat

本试验研究表明，氮锌配施 (N0.2Zn10和N0.4Zn10)处理能显著提高冬小麦地上部锌含量 (图2)，这与前人的研究结果一致[16–17]。Zhao等[19]研究表明，氮锌配施有利于冬小麦锌的吸收、迁移和累积。Nie等[20]和Xue等[28]的研究均表明，冬小麦体内的氮含量和锌含量存在显著的正相关关系，揭示了施氮是促进冬小麦吸收锌及锌向地上部迁移的原因之一。Aciksoz等[29]研究发现，氮锌配施可通过促进冬小麦生长而提高根系对锌的吸收能力，从而提高植株锌含量。但是，Xue等[28]的研究指出，随着施氮量的增加，冬小麦地上部锌含量提高的比例逐渐提高，而地上部干物质重提高的比例则呈现先增加后降低的趋势，说明施氮促进植物地上部的生长并不是提高地上部锌含量的主要原因。另外，Nie等[20]报道在缺锌条件下，施氮也会降低冬小麦锌含量，主要是由于施氮促进冬小麦生长进而通过稀释效应降低植株体内锌含量[21]。本试验结果表明，在缺锌条件下，两个施氮处理显著增加了冬小麦地上部干物质重 (图1)，但对植株锌含量却有降低作用 (图2)；而在施锌条件下，冬小麦地上部干物质重和锌含量均随着施氮水平的增加而增加，说明在氮锌配施情况下，冬小麦地上部锌含量的提高与植株生物量的增加有关。

3.2 氮锌配施可通过降低土壤pH而提高土壤有效锌含量

石灰性土壤在北方冬小麦种植区域广泛分布。本试验供试土壤为石灰性土壤，有效锌含量为1.02 mg/kg，处于潜在性缺锌范围[9]。石灰性土壤的特点是高CaCO3含量、高pH和低有机质含量，这些因素均会增强土壤对锌的固持能力，降低其生物有效性，从而抑制作物根系对锌的吸收[30]。

氮锌配施能促进植物对锌的吸收的主要原因是改善根际环境或改善根系形态[5,20,30]，同时也可能通过增加根系锌转运载体数量[31]。本试验中，与单施锌处理 (N0Zn10) 相比，氮锌配施 (N0.2Zn10和N0.4Zn10)处理显著降低了根际土壤有效锌含量，且根际土壤有效锌含量低于非根际土壤 (图3)，这可能是由于氮锌配施促进了根系对锌的吸收，降低了近根区土壤养分的浓度，从而造成近根区和远根区土壤养分浓度的差异[32]。但对于非根际土壤来说，氮锌配施处理(N0.2Zn10和N0.4Zn10) 显著提高了土壤有效锌含量，说明氮锌配施能够提高土壤有效锌含量，这也可能是氮锌配施能够促进冬小麦吸收土壤锌，进而提高冬小麦锌含量的原因之一。

土壤锌的有效性强烈依赖于土壤pH值的高低。本试验中，无论施锌与否，增加施氮量均能够显著降低根际土壤pH值 (图4)，pH值降低将通过影响锌的羟基化形态或吸附表面，进而削弱土壤对锌的亲和能力，从而提高土壤锌的有效性[33–34]。土壤pH值的降低，一方面与根系分泌的有机酸有关，另一方面与植物在吸收养分离子的同时，吸收或分泌H+以维持根土界面的中性环境有关[35–36]。本试验采用Ca(NO3)2·入根细胞[37]，施用硝态氮会导致土壤pH的提高，这与本试验中根际土壤pH值降低的结果相反。因此，施用硝态氮降低根际土壤pH是否与冬小麦根系分泌物有关，还需要进一步的研究和验证。同时，在不施氮条件下，根际土壤的pH显著高于非根际土壤(图4)，其原因也需要进一步探明。

3.3 氮锌配施可通过影响土壤不同锌形态之间的转化进而影响锌的有效性

许多研究表明，土壤锌的有效性与土壤锌形态密切相关。当小麦根际土壤锌由紧结合态向松结合态转化时，土壤锌的有效性提高[38]；根际土壤交换态锌含量和碳酸盐结合态锌含量发生变化，是土壤锌有效性增加的主要原因[39]。国春慧等[12]的研究结果表明，土壤有效锌主要受到交换态、松结有机态和碳酸盐结合态的影响。本试验结果表明，相对于单施锌处理，氮锌配施处理显著提高了根际和非根际土壤交换态锌的含量，却显著降低了根际土壤松结有机态和碳酸盐结合态锌的含量，提高了非根际土壤松结有机态和碳酸盐结合态锌的含量 (图5A, 图5B和 图5C)，说明在植物根系的影响下，氮锌配施处理能够促进土壤松结有机态和碳酸盐结合态锌向交换态锌的转化。另外，冬小麦根际土壤交换态和碳酸盐结合态锌含量显著高于非根际土壤，而松结有机态锌含量则显著低于非根际土壤，可见根系对土壤锌形态的转化存在较大的影响。在缺锌 (Zn0) 条件下，施氮对交换态和碳酸盐结合态锌含量的影响在根际土壤和非根际土壤中表现出相反的结果 (图5A和图5C)，表明单施氮肥能够显著影响这两种锌形态的转化，且这种影响受到根系活动的调控。在高锌 (Zn10) 条件下，施氮对松结有机态、碳酸盐结合态锌含量的影响，同样在根际土壤和非根际土壤中表现出相反的结果，但对于交换态锌含量的影响则表现出一致性，说明氮锌配施对土壤交换态锌含量的影响并未受到根系活动的调控。徐卫红等[40]的试验结果也表明，种植水稻可提高土壤碳酸盐结合态、无定型氧化铁结合态、氧化锰结合态锌含量。因此，氮锌配施促进了土壤中松结有机态和碳酸盐结合态锌向交换态锌的转化，使土壤锌的有效性增加，最终促进冬小麦吸收土壤锌，进而提高地上部锌含量，且这一影响受到植物根系活动的调控。

4 结论

本研究证实氮锌配施与冬小麦根系共同作用降低了根际土壤pH，促进了土壤锌从松结有机态和碳酸盐结合态向交换态的转化，提高土壤锌的有效性，进而提高冬小麦吸收土壤锌的能力，初步揭示了氮锌配施提高冬小麦锌含量的根系调控机制。