氮锌配施对水稻生长、产量和养分吸收分配的影响

李俊丽，钱干，李海星，张丽梅，叶祥盛，徐芳森，蔡红梅

华中农业大学资源与环境学院/微量元素研究中心，武汉 430070

氮和锌都是植物生长发育的必需营养元素。氮是构成蛋白质和核酸的主要成分，是影响植物生长和作物产量的主要限制因子之一[1]。锌是植物体内多种酶的组成成分之一，参与植物光合作用、呼吸作用、蛋白质代谢和生长素合成等多种生化进程[1]。

因此，无论是在养分的吸收运输还是生命物质的同化代谢方面，植物体内的氮和锌是相互联系、不可分割的，氮锌互作在植物的生长发育进程中是一个不容忽视的问题。相关研究表明，氮是影响小麦籽粒中锌含量的重要因素，氮锌配合施用能够显著提高小麦地上部生物量和产量，显著增加小麦植株的锌和氮含量[8-12]。施氮不仅促进了小麦根系对锌的吸收，还促进了锌从根向地上部转移以及从叶片到籽粒的再利用[13-14]。段庆波等[15]和Ali等[16]在水稻中的研究结果也表明，氮锌配施会显著提高水稻产量和籽粒品质；同时，配施锌肥还提高了水稻籽粒中氮含量和氮的累积量[17]。但是也有研究显示，锌肥的施用对水稻产量的增加并不显著，但施锌能显著提高水稻各部位的锌浓度和籽粒中的锌累积量，提高施氮量也有利于水稻的增产及对锌的吸收与累积[18-19]。然而，不同作物品种之间氮锌互作效应是否存在差异，其生理机制尚不十分明确。因此，本研究以籼型杂交水稻品种广两优35和常规粳稻品种日本晴为对比研究材料，分析12种不同的氮锌配施处理对水稻生长、产量和养分吸收分配的影响，以期探明不同水稻品种中氮锌互作效应的差异及其最佳配比，并阐述其生理机制，为生产实践中合理施用氮肥和锌肥、提高肥料利用率、改善居民锌营养提供理论基础和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料种植

本研究在2016-2017年开展了2 a的大田小区试验，供试材料为籼型杂交水稻品种广两优35和常规粳稻品种日本晴，试验地位于湖北省武汉市华中农业大学试验基地(E 114.3°， N 30.5°)。试验前采集土壤样品，自然风干后过孔径0.85 mm筛，测定土壤基本理化性质。试验基地土壤pH值为6.9，有机质含量为11.26 g/kg，全氮含量为2.11 g/kg，碱解氮含量为141.75 mg/kg，速效磷含量为5.51 mg/kg，速效钾含量为152.96 mg/kg，有效锌含量为1.39 mg/kg。

试验采用3因素随机区组设计，试验设3个因子，即2个水稻品种、3个锌水平、4个氮水平。锌肥施用量(ZnSO4·7H2O)为0、15、30 kg/hm2，氮肥施用量(N)为0、80、160、240 kg/hm2，共12组氮与锌的交互处理。试验小区面积为50 m2，3个生物学重复，株行距为20 cm × 25 cm，单株种植。试验田种植外围设1 m保护行。供试氮肥为尿素(含N 46.4%)，磷肥为过磷酸钙(含P2O512%)，钾肥为氯化钾(含K2O 60%)，锌肥为硫酸锌(ZnSO4· 7H2O)。氮肥按基施-蘖-穗肥质量比为 4∶3∶3 施用，磷肥、钾肥和锌肥均在基肥一次施用，磷肥施用量(P2O5)为80 kg/hm2，钾肥施用量(K2O)为120 kg/hm2。在水稻移栽前3 d，分别将基施氮肥、磷肥、钾肥和锌肥均匀撒施于稻田后进行翻耕、灌水、打田。待水稻生长至分蘖期和抽穗期，对氮肥进行均匀撒施追肥。

1.2 指标测定

分别在苗期、分蘖期、抽穗期和成熟期选取长势较一致的水稻植株，每个小区取12穴植株，随机将每4穴植株混合作为1份测定样品，分为3个重复，70 ℃烘干至恒质量后称质量。在成熟期将植株主分蘖分为新叶、老叶、叶鞘、茎、穗5个部位，烘干、称质量后测定氮和锌的含量，并收获水稻种子，考察产量、有效穗数、每穗粒数、千粒重及结实率。

氮含量和锌含量的测定参照文献[20]中植物样品氮含量和微量元素的测定方法。氮累积量=氮含量×干物质量，氮分配比例=各部位氮累积量/植株主分蘖氮累积量；锌累积量=锌含量×干物质量，锌分配比例=各部位锌累积量/植株主分蘖锌累积量。

1.3 数据处理

采用 Microsoft Excel 2010 软件和 SPSS PASW Statistics 18.0 数据处理系统进行数据统计分析与作图，采用Duncan’s新复极差法进行处理间差异性检验。

2 结果与分析

2.1 氮锌配施对水稻生长的影响

如图1所示，不同氮水平下，施锌均能够显著提高苗期日本晴和广两优35的生物量，15 kg/hm2的施锌量对其生长最为适宜；但是，在日本晴施氮160 kg/hm2或是广两优35施氮240 kg/hm2的条件下，施锌对水稻生物量没有显著影响。随着水稻的生长发育，施锌对日本晴和广两优35生物量的促进效应逐渐降低，甚至出现对生长的抑制效应，施锌30 kg/hm2显著降低了广两优35在分蘖期和抽穗期的生物量。在成熟期，高氮(240 kg/hm2)和高锌(30 kg/hm2)的配比施用又显著提高了日本晴和广两优35的生物量。

2.2 氮锌配施对水稻产量的影响

如表1所示，不同氮锌配比处理对日本晴每公顷穗数具有极显著影响。增加锌肥用量，显著提高了日本晴的穗数；且在不施氮和低氮(80 kg/hm2)条件下，施用锌肥显著增加了日本晴的理论产量。在不施氮的条件下，与不施锌相比，施用30 kg/hm2锌肥使日本晴的理论产量提高了58%；在低氮(80 kg/hm2)条件下，与不施锌相比，施用15、30 kg/hm2锌肥使日本晴的理论产量分别提高了32%和42%；在中氮(160 kg/hm2)条件下，与不施锌相比，施用锌肥使日本晴的理论产量提高了2%～5%；在高氮(240 kg/hm2)条件下，与不施锌相比，施用15、30 kg/hm2的锌肥使日本晴的理论产量分别提高了7%和29%。

表1 氮锌配施下水稻产量及其构成因素Table 1 Yield and its components of rice under combined application of nitrogen and zinc

不同氮锌配比处理对广两优35每公顷穗数和结实率均具有显著影响。随着施锌量的增加，广两优35的理论产量呈增加趋势。不施氮条件下，与不施锌相比，施用15、30 kg/hm2锌肥使广两优35的理论产量分别提高了20%和28%；在低氮(80 kg/hm2)条件下，与不施锌相比，施用15、30 kg/hm2锌肥使广两优35的理论产量分别提高了15%和28%；在中氮(160 kg/hm2)条件下，与不施锌相比，施用锌肥使广两优35的理论产量提高了5%～6%；在高氮(240 kg/hm2)条件下，施用15、30 kg/hm2锌肥使广两优35的理论产量分别提高了78%和87%。

不同字母表示相同氮水平内不同锌处理下相比达到显著差异(P<0.05)。Different letters indicated the significant difference (P<0.05) under different zinc treatments at the same nitrogen level.

综上结果表明：与不施锌相比，施用15、30 kg/hm2锌肥均提高了日本晴和广两优35的理论产量，与施用15 kg/hm2锌肥相比，施用30 kg/hm2锌肥下，水稻理论产量的增加幅度更大；并且，无论是日本晴还是广两优35，在低氮(≤80 kg/hm2)或高氮(240 kg/hm2)条件下，施用锌肥对水稻理论产量的促进效应更大；对推广品种广两优35而言，高氮高锌配施对产量的促进效应最大。

2.3 氮锌配施对水稻氮吸收分配的影响

如表2所示，氮锌互作处理对日本晴新叶、老叶和茎中的氮含量均具有显著影响，对广两优35新叶、老叶、茎和叶鞘中的氮含量均具有显著影响。缺氮和低氮(80 kg/hm2)条件下，施锌显著降低了日本晴新叶和老叶中的氮含量；中氮(160 kg/hm2)和高氮(240 kg/hm2)条件下，施锌显著提高了日本晴新叶中的氮含量。与日本晴不同的是，施用氮肥≤160 kg/hm2的条件下，施用锌肥显著提高了广两优35叶片中的氮含量；而在高氮(240 kg/hm2)条件下，施用锌肥反而降低了广两优35叶片中的氮含量。

表2 氮锌配施下水稻成熟期各组织部位的氮含量Table 2 N content in different tissues of rice at maturation stage under combined application of nitrogen and zinc mg/g

在施用氮肥≤80 kg/hm2的条件下，施锌反而降低了日本晴植株中的氮累积量；但在高氮(240 kg/hm2)条件下，施用30 kg/hm2锌肥仍能显著提高日本晴植株中的氮累积量(图2A)。对广两优35来说，只有在不施氮肥的条件下，施锌能够提高植株中的氮累积量(图2C)。

施锌对氮在日本晴和广两优35各部位的分配比例具有显著影响，并且在两品种之间存在一定的差异。在施用氮肥≤160 kg/hm2的条件下，施用锌肥促进了氮向日本晴小穗中的分配；但是在高氮(240 kg/hm2)条件下，施锌反而抑制了氮向日本晴小穗中的分配(图2B)。对于广两优35而言，在低氮(≤80 kg/hm2)条件下，施锌抑制了氮向小穗中的分配；而在中、高氮(≥160 kg/hm2)条件下，施用锌肥促进了氮向广两优35小穗中的分配(图2D)。由此可见，对于不同的水稻品种，适宜的氮锌配比能够促进水稻中氮从营养器官向生殖器官中分配，进而促进产量和籽粒蛋白质含量提高。

ST：茎；SH：叶鞘；OL：老叶；NL：新叶；SP：穗。下同。ST:Stems；SH:Sheaths；OL:Old leaves；NL:New leaves；SP:Spikelets.The same as below.

2.4 氮锌配施对水稻锌吸收分配的影响

如表3所示，氮锌互作对日本晴各部位的锌含量均有极显著影响，但仅对广两优35新叶和小穗中的锌含量具有极显著影响。对于日本晴，适宜施用氮肥能够提高各部位的锌含量。对于广两优35，不同的氮锌配比施用表现出不同的结果。在不施锌条件下，施用氮肥能够提高茎和小穗中的锌含量，而降低叶鞘中的锌含量；在施用锌肥的条件下，施氮显著提高新叶中的锌含量，而降低老叶中的锌含量。

表3 氮锌配施下水稻成熟期各组织部位的锌含量Table 3 Zn concentration in different tissues of rice at mature stage under combined application of nitrogen and zinc μg/g

当锌肥施用量为0 kg/hm2或15 kg/hm2时，随着施氮量的增加，日本晴植株中的锌累积量呈先上升后下降的趋势，在氮肥处理为80 kg/hm2时，锌累积量达到最高；当锌肥施用量为30 kg/hm2时，日本晴植株中的锌累积量随供氮水平的增加而升高(图3A)。施用氮肥对广两优35植株中的锌累积量影响并不大，仅在不施锌条件下，施氮能够提高锌在广两优35植株中的积累量(图3C)。

适宜的氮锌配比施用也能够促进锌从水稻茎向小穗中分配。在施用15 kg/hm2锌肥的条件下，施用160 kg/hm2氮肥降低了锌在日本晴和广两优35茎中的分配比例(分别为17%、3%)，提高了锌在日本晴和广两优35小穗中的分配比例(分别为9%、4%)。在30 kg/hm2的施锌条件下，施用80 kg/hm2的氮肥提高了锌在日本晴穗中的分配比例(5%)；施用160 kg/hm2的氮肥提高了锌在广两优35穗中的分配比例(6%)(图3B、3D)。由此可见，适宜的氮锌配比同样能够促进锌向水稻生殖器官分配，进而促进产量和籽粒微量元素含量提高。

图3 氮锌配施下成熟期日本晴和广两优35的锌累积量(A、 C)以及锌在各部位的分配比例(B、 D)Fig.3 Zn accumulation (A,C) and distribution (B,D) of Nipponbare and Guangliangyou 35 at maturation stage under combined application of nitrogen and zinc

3 讨 论

本研究分析了12组不同氮锌配比处理下籼型杂交水稻品种广两优35和常规粳稻品种日本晴的生物量和产量以及对氮、锌的吸收分配的影响，结果表明氮锌配施对水稻早期的生长和后期的产量形成均具有协同增效效应。

本研究结果还显示，氮和锌的协同增效效应在不同水稻品种中具有一定的差异性。虽然与不施锌相比，施用锌肥(15 kg/hm2和30 kg/hm2)均提高了日本晴和广两优35的籽粒产量，但是对日本晴而言，低氮高锌配施对产量的促进效应最大，而对推广品种广两优35而言，高氮高锌配施对产量的促进效应最大。在日本晴中，中、低氮条件下，配施锌肥更加有利于氮向小穗中分配；而在广两优35中，中、高氮条件下，配施锌肥更加有利于氮向小穗中分配。因此，对于不同水稻品种而言，只有适宜的氮锌配比施用才能达到最佳的协同增效效应，使作物充分利用养分，获得最高的生物量和产量。赵鹏等[21]在冬小麦中研究发现，中氮高锌配施能显著提高冬小麦氮素利用效率。通过优化土壤氮水平和叶面锌处理，结合适宜的品种，在低氮投入下也可以提高小麦锌浓度并保持小麦高产[22]。扶海超等[23]在玉米中研究发现，氮锌互作对其生长、养分含量方面并不表现出持续促进或持续抑制，而是在适宜的氮浓度范围内，施锌才能促进植株对氮的吸收。可见，在生产实践中，需要根据不同的作物品种与土壤肥力水平，选择适宜的氮肥与锌肥配比施用，才能发挥氮与锌最佳的协同增效效应。

综上，本研究结果表明，氮锌配施提高了植株中的氮和锌含量，促进氮和锌向生殖器官(小穗)中分配是提高产量的主要生理机制。氮和锌的协同增效效应在不同水稻品种中具有一定的差异性，针对不同的水稻品种需要使用不同的氮锌配比才能达到最佳的协同增效效应。

磷是植物生长发育所必需的大量营养元素之一，也是肥料三要素之一，在农业生产中具有十分重要的作用。土壤中磷与锌之间存在着强烈的拮抗作用，称之为“磷诱导的锌缺乏”；同时，磷与锌在植物根部也存在明显的交互作用，锌缺乏可导致植物出现磷中毒现象，磷缺乏则会使植物体内的锌含量上升[24-28]。有研究表明，不同的磷锌配比对水稻的生长和产量等有不同的影响，或是协同增效或是拮抗作用[29]。磷与氮之间的相互作用则更加倾向为协同效应。在缺磷条件下，施氮显著提高磷缺乏响应基因及磷转运基因的表达水平，从而增强植物根系对磷的吸收；同样，缺磷会显著降低硝酸根转运基因的表达水平，从而抑制植物根系对氮的吸收[30]。此外，缺磷会显著影响植物根系的生长，从而影响植物根系对氮、锌及其他营养元素的吸收[31]。在本研究供试土壤的基础理化指标的测定结果中可以发现其土壤速效磷含量较低，仅5.51 mg/kg，为磷缺乏土壤。磷与氮和锌之间又存在着明显不同的交互作用，土壤中不同水平的磷含量必然会对水稻吸收氮和锌造成一定的影响。本研究结果是在磷相对缺乏的条件下获得的，因此，后期针对不同磷水平下开展氮锌互作的研究结果更能为“精准农业、精准施肥”提供更高价值的理论参考。