锌氮互作对糯玉米籽粒营养品质及锌含量的影响

路博宇，张泽宇，宋鑫丽，杜天庆*，崔福柱，薛建福，高志强

（1.山西农业大学农学院，黄土高原特色作物优质高效生产省部共建协同创新中心，山西 太谷 030801；2.山西应用科技学院管理学院，太原 030062）

锌（Zn）是人体必需微量营养元素，仅次于铁的第二大微量元素，锌缺乏引起的“隐形饥饿”已成为发展中国家诱发疾病的重要因素[1-2]。缺锌导致儿童营养不良，易患呆小症，降低人体免疫力[3]。我国儿童微量元素中以锌缺乏最为严重[4]。锌元素主要通过“土壤-植物-人”系统对人体健康产生影响[5]。我国约有40%土壤缺锌[6]，导致作物及养殖产品缺锌，致使人体锌摄入不足。

我国鲜食玉米种植面积达134万hm2以上，是全球最大鲜食玉米生产国和消费国[7]。与普通玉米相比，糯玉米含有较高营养价值，其籽粒中含有人体所需脂肪、矿物质等多种营养成分，赖氨酸含量比普通玉米赖氨酸含量高30%以上[8-9]。研究表明，土施状况和叶面喷施锌肥均可提高主要粮食作物小麦、水稻和玉米籽粒锌含量，有效改善主要粮食作物籽粒部分缺锌[10-12]。氮素是影响玉米品质最重要矿质元素[13]。Shi等研究表明，与不施氮相比，施氮130 kg·hm-2显著提升小麦籽粒锌浓度[14]。Xue等研究表明，氮素供应提高玉米籽粒营养品质[15]。与单施锌肥或氮肥相比，锌氮配施可提高作物籽粒锌含量及累积量，改善籽粒营养品质[16]，被认为是解决籽粒锌营养缺乏最有效措施[19]。因此，利用锌氮配施提高糯玉米籽粒营养品质和锌含量十分必要。

目前，作物领域内锌生物强化研究对象涉及玉米、大豆、马铃薯、小麦、水稻等，对糯玉米研究多集中在锌肥施用对糯玉米富锌效果的影响方面，关于锌氮互作对糯玉米营养品质的影响研究较少。富锌措施多集中于土施锌肥或叶面喷施锌肥，土施和叶面喷施、锌肥和氮肥配施相结合对糯玉米锌含量影响的研究鲜见报道。本文研究锌氮互作对糯玉米籽粒营养品质及锌含量的影响，以期进一步实现糯玉米锌营养强化以及锌氮最佳施肥量与配比，为进一步栽培功能糯玉米提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验于2020年5~8月在山西农业大学农作站（112°48'E、37°36'N）完成。试验地土壤类型为褐土，基本理化性状为有机质含量17.73 g·kg-1、有效磷含量24.36 mg·kg-1、碱解氮含量86.32 mg·kg-1、速效钾含量122.42 mg·kg-1、有效锌含量0.46 mg·kg-1，pH 8.24。

供试品种为晋单糯41号，由山西省农业科学院玉米所提供，是山西省内主要种植品种。本试验所用锌肥为七水硫酸锌（ZnSO4·7H2O分析纯），由天津市凯通化学试剂有限公司提供。本试验所用氮肥为尿素（N 46%），由中国石油天然气股份有限公司提供。本试验所用磷肥为粉状过磷酸钙（P2O516%），由云南云天化股份有限公司提供。本试验所用钾肥为氯化钾（K2O 60%），由中化化肥有限公司提供。

1.2 试验设计

试验采用二因素裂区设计，主区为氮肥用量，设置4个水平，纯氮施加量分别为N0：0 kg·hm-2、N1：180 kg·hm-2、N2：240 kg·hm-2和N3：300 kg·hm-2；副区为ZnSO4·7H2O用量，设置5个水平，纯锌施加量分别为ZnO：0 kg·hm-2、Zn1：2.25 kg·hm-2、Zn2：4.5 kg·hm-2、Zn3：9 kg·hm-2、Zn4：18 kg·hm-2。共20个处理组合，重复3次，小区面积4 m×3 m=12 m2，共60个小区。种植行距60 cm、株距30 cm，种植密度为54 000株·hm-2。2020年5月11日播种，8月25日采收。

氮肥基追比为1：1（大喇叭口期追肥）。

各处理纯锌施加量总量1/3作基肥土施、纯锌施加量总量1/3在大喇叭口期叶面喷施、纯锌施加量总量1/3在抽雄期叶面喷施。土施锌肥：分别称取各处理1/3用量锌，加入适量细沙子（每小区用量1 000 g）混匀，在播种前均匀撒施于各小区表面，翻埋平整。叶面喷锌：大喇叭口期分别称取各个处理1/3用量锌，溶于3 L水中叶面喷施；抽雄期分别称取各处理1/3用量锌，溶于5 L水中叶面喷施。叶面喷施时间选择在晴朗无风17：00后。

各处理磷、钾肥用量相同，磷肥用过磷酸钙，钾肥用氯化钾。磷钾肥全部作基肥一次性施入。

1.3 测定项目及方法

在糯玉米授粉后25 d（采收期），从每个小区随机选取5穗，取中部籽粒脱粒、粉碎过0.18 mm筛后，制成干粉测定各指标含量。赖氨酸含量采用茚三酮比色法测定；可溶性糖、淀粉含量采用蒽酮法测定；蔗糖采用间苯二酚法测定；脂肪采用索氏法测定[18]。

锌含量测定：糯玉米籽粒干粉用HNO3-H2O2微波消解仪消解，用电感耦合等离子体质谱仪（iCAP Q）测定锌含量。

土壤基础肥力测定：酸度计测定土壤pH（2.5：1水溶液浸提），土壤有机质采用重铬酸钾容量法外加热法，土壤碱解氮测定采用碱解扩散法，有效磷采用钼锑抗显色法，速效钾采用乙酰胺提取-火焰光度计法，有效锌含量以DTPA（pH 7.3、液土比2：1）浸提，原子吸收分光光度法测定[19]。

1.4 锌氮互作对糯玉米籽粒功能性成分影响的综合评价

参考王艳青等[20]方法计算各指标隶属函数值，并综合评价，计算公式如下：

式中，U(ij)为i锌氮互作下j指标隶属函数值，U(ij)∈[0,1]，X(ij)为i锌氮互作下j指标测定值，X(jmin)和X(jmax)分别为j指标最小测定值和最大测定值；公式（1）为正相关指标隶属函数值计算公式，公式（2）为负相关指标隶属函数值计算公式。

1.5 数据处理与分析

采用Excel 2010对数据整理与制图，使用SPSS 20.0分析软件Duncan's新复极差法分析比较显著性。

2 结果与分析

2.1 锌氮互作对糯玉米籽粒赖氨酸含量的影响

赖氨酸在人体内无法自行合成，仅从体外摄取，是最易缺乏的必需氨基酸之一，有促进人体发育、增强免疫力，提高中枢神经组织的功效，被称为“第一限制性氨基酸”[21]。锌氮互作对糯玉米籽粒赖氨酸含量的影响见图1。

图1 锌氮互作对糯玉米籽粒赖氨酸含量的影响Fig.1 Effect of zinc and nitrogen interaction on lysine content in waxy corn grains

由图1可知，同一施氮量下，各处理下糯玉米籽粒赖氨酸含量随施锌量增加呈先升后降规律，且均在Zn3处理下达到最大值，并显著高于对照处理。各氮肥处理下糯玉米籽粒赖氨酸含量最大值相比对照处理分别提高40.59%、52.13%、67.58%、45.95%。在Zn3处理下，N2施氮量的赖氨酸含量显著高于其他氮肥处理，且其他氮肥处理之间赖氨酸含量差异未达显著水平。同一施锌量下，各处理随施氮量增加呈先升后降趋势，且均在N2处理下糯玉米籽粒赖氨酸含量达到最大，且显著高于对照处理。

2.2 锌氮互作对糯玉米籽粒可溶性糖含量的影响

可溶性糖含量是影响鲜食糯玉米甜度口感最为关键因素之一[22]，为作物生长发育提供能量，同时也是植株光合作用产物[23]。图2结果表明，同一施氮量下，糯玉米籽粒可溶性糖含量随施锌量增加呈先增后降规律，且均在Zn3处理下达到可溶性糖含量最大值。同一施锌量下，糯玉米籽粒可溶性糖含量随施氮量增加呈先增后降趋势，在N2处理下达到最大值，而后降低。除N0Zn1和N0Zn4处理，其余各处理均显著高于对照，相比对照糯玉米籽粒可溶性糖含量提高12.63%~317.81%。

图2 锌氮互作对糯玉米籽粒可溶性糖含量的影响Fig.2 Effect of zinc and nitrogen interaction on the soluble sugar content of waxy corn kernels

2.3 锌氮互作对糯玉米籽粒蔗糖含量的影响

蔗糖是高等植物光合作用主要产物，是碳水化合物贮藏和积累主要形式，也是植物体内碳水化合物运输主要形式，在植物体内同化物运输中占有举足轻重的地位[24]。图3结果表明，同一氮肥处理下，Zn3施锌量优于其余施锌量。同一锌肥处理下，N2施氮量优于其余施氮量。与锌氮互作对糯玉米赖氨酸和可溶性糖含量的影响一致，但较可溶性糖含量增加效果较差。N0Zn1和N0Zn2处理下糯玉米蔗糖含量较对照分别提高2.58%、8.21%，但差异不显著，其余各处理均显著高于对照。在N2Zn3处理下糯玉米蔗糖含量达到最大值，为26.75 mg·g-1，较对照显著提高78.28%。

图3 锌氮互作对糯玉米籽粒蔗糖含量的影响Fig.3 Effect of zinc and nitrogen interaction on sucrose content in waxy corn grains

2.4 锌氮互作对糯玉米籽粒脂肪含量的影响

鲜食糯玉米粗脂肪中含大量不饱和脂肪酸，具有降血脂、抗癌症、预防心血管疾病等生理作用[25]。图4结果表明，在N0处理下，N0Zn3糯玉米脂肪含量相比对照显著降低7.59%，N0Zn2、N0Zn1和N0Zn4相比对照显著增加21.39%、19.53%、13.93%，N0Zn1和N0Zn2之间无显著差异。在N1处理下，糯玉米脂肪含量随锌肥用量增加呈先减后增趋势，N1Zn0处理下糯玉米脂肪含量显著高于其他各处理，N1Zn1处理下糯玉米脂肪较对照无显著差异，其他各处理较对照显著降低46.84%、52.22%、5.97%。N2处理下糯玉米脂肪无明显变化规律，N2Zn4处理下糯玉米脂肪含量显著高于其他各处理，较对照显著增加26.47%，N2Zn0较对照无显著差异，其余各处显著低于对照45.94%、37.86%、50.99%。在N3处理下，糯玉米脂肪含量随锌肥用量增加呈先增后减趋势，在N3Zn2处理下达到最大值72.84 mg·g-1，各处理之间差异显著。在同一施锌量下，不施用锌肥糯玉米脂肪含量随氮肥施入量增加先增后减。Zn1、Zn2、Zn3处理下，随氮肥施入量增加糯玉米脂肪含量先减后升。Zn4处理下糯玉米脂肪含量无明显变化规律。根据偏Eta2锌×氮=0.99＞Eta2氮=0.953＞Eta2锌=0.931，判断锌氮互作对总变异贡献最大。

图4 锌氮互作对糯玉米籽粒脂肪含量的影响Fig.4 Effect of zinc and nitrogen interaction on the fat content of waxy corn kernels

2.5 锌氮互作对糯玉米籽粒淀粉含量的影响

淀粉是玉米籽粒中主要成分，籽粒淀粉含量高低直接影响玉米品质[26]。图5为4个供氮水平和5个供锌水平下共20个处理间糯玉米籽粒淀粉含量比较。锌氮互作下提高糯玉米籽粒淀粉含量，在N2Zn3处理下最高值716.73 mg·g-1，相比对照N0Zn0显著提高12.42%。进一步分析表明，同一氮肥处理下，糯玉米籽粒淀粉含量随施锌量增加先增后减，Zn3与Zn4间差异性显著，其余相邻各处理间差异不显著。同一锌肥处理下，随施氮量增加糯玉米籽粒淀粉含量先增后减，N2处理优于其余施氮量，且显著高于N0、N1处理，与N3不显著。

图5 锌氮互作对糯玉米籽粒淀粉含量的影响Fig.5 Effect of zinc and nitrogen interaction on starch content of waxy corn grains

2.6 锌氮互作对糯玉米籽粒锌含量的影响

锌氮互作对糯玉米籽粒锌含量的影响见表1。

表1 锌氮互作对糯玉米籽粒锌含量的影响Table 1 Effect of zinc and nitrogen interaction on the grain zinc content of waxy corn

由表1可知，相同氮肥不同锌肥处理下籽粒锌含量差异显著。同一氮肥处理下，籽粒锌含量随锌肥用量升高先增后减，且均在Zn3处理达到最大值，相比对照分别显著提高籽粒锌含量34.12%、41.99%、55.65%、39.31%。相同锌肥不同氮肥处理下，各锌处理随氮肥施加量增加，籽粒锌含量先增后减。Zn2、Zn4在N1处理下达到最大值，其余各处理在N2处理下达到最大值，且均显著高于对照组。N3Zn4处理显著低于对照，相比对照降低15.82%，N0Zn4、N2Zn4和N3Zn0与对照无显著差异，其余各处理均显著高于对照，较对照显著提高16.13%~55.65%。不同锌肥及氮肥之间籽粒锌含量均存在显著差异，锌肥和氮肥之间籽粒锌含量交互效应显著。根据偏Eta2锌=0.796>Eta2锌*氮=0.603>Eta2氮=0.592，判断各因素对总变异贡献为锌肥>锌×氮>氮肥。

氮肥、锌肥单一作用对籽粒锌含量的影响见表2。

表2 氮肥、锌肥单一作用对籽粒锌含量的影响Table 2 Effect of grain zinc content under the single action of nitrogen fertilizer and zinc fertilizer

表2 结果表明，4个氮肥处理籽粒锌平均含量存在显著差异。相同栽培条件下N1和N2处理下对糯玉米籽粒锌含量的提高优于N3。与N0相比，N1、N2、N3处理籽粒锌平均含量分别提高12.41%、12.63%、0.50%，表明氮肥用量为240 kg·hm-2对籽粒富锌最佳，其次是180 kg·hm-2。分析5个锌肥处理对籽粒锌含量的影响，随施锌量增加，籽粒中锌平均含量先增后减，在施锌量为18 kg·hm-2时，籽粒中锌平均含量低于不施锌处理。Zn1、Zn2、Zn3籽粒锌平均含量较不施锌处理分别提高3.333、4.352和7.875 mg·kg-1，且Zn1和Zn2处理间差异不显著，显著低于Zn3处理。

2.7 锌氮互作对糯玉米籽粒功能性成分含量影响的综合评价

氮肥处理下，糯玉米脂肪在N0处隶属函数值最大，其余各指标在N2处隶属函数值最大。锌肥处理下，糯玉米脂肪在Zn4处隶属函数值最大，其余各指标在Zn3处隶属函数值最大。通过计算均值可得，单一氮肥N2、单一锌肥Zn3处理下隶属函数值最大（见表3）。锌氮互作下，糯玉米脂肪隶属函数值在N1Zn0处理下最大，其余均在N2Zn3处达到峰值，计算均值可得N2Zn3下隶属函数值最大（见表4）。综合分析糯玉米籽粒各项功能性成分指标可知，单一氮肥N2、单一锌肥Zn3及锌氮互作N2Zn3处理最佳。

表3 锌肥、氮肥单一作用下糯玉米籽粒营养品质及锌含量隶属函数值Table 3 Membership function values of grain nutritional quality and zinc content of waxy corn under the single action of zinc fertilizer and nitrogen fertilizer

表4 锌氮互作下糯玉米籽粒营养品质及锌含量隶属函数值Table 4 Membership function values of grain nutritional quality and zinc content of waxy corn under the interaction of zinc and nitrogen

3 讨论与结论

研究发现，锌氮互作对糯玉米籽粒中赖氨酸、蔗糖和可溶性糖含量的提高有显著促进作用。李秋杰研究表明，锌肥有效提高小麦籽粒中Zn含量，进而提高小麦品质，且同时施用氮肥和锌肥对籽粒可溶性糖含量产生显著影响，同一施氮水平下喷施锌肥可溶性糖含量提高1.93%~4.58%[27]。付钰研究表明，随氮肥量增加，玉米籽粒中可溶性糖含量持续上升，在施氮量为315 kg·hm-2时，籽粒中可溶性糖含量最大为1.28%，其中玉米籽粒粗脂肪含量不易受氮肥影响[28]，与本研究结果相似。姚倩研究表明，在相同施氮量条件下，低锌提高蛋白酶活性，高锌提高脲酶活性，高锌处理的蔗糖酶活性低于低锌处理[29]。本试验糯玉米籽粒中蔗糖含量随施锌量增加先增后降；在相同施锌量下，本试验糯玉米籽粒中蔗糖含量随施氮量增加先增后降，可能是因为蔗糖酶直接参与土壤碳代谢，土壤中施氮量低使C/N比提高，碳代谢增强，引起蔗糖酶活性增强。本研究发现氮肥对糯玉米籽粒中赖氨酸含量影响显著且对总变异贡献大于锌氮互作，与王洋等研究结果相似[30]。随施氮量增加，氨基酸作为蛋白质基本组成单位，总量也随之增加，各氨基酸含量有不同幅度增加[31]。同氮梯度培养下，氮水平升高促进植株生长发育，但过量氮也对植株生长产生抑制作用；不同锌梯度培养下，高锌抑制植株生长发育[32]，降低糯玉米籽粒赖氨酸含量。

本试验结果表明，锌氮互作可提高籽粒中脂肪和淀粉含量。宋海霞等研究发现，玉米籽粒脂肪含量表现为施氮量200 kg·hm-2>100 kg·hm-2>300 kg·hm-2>不施氮[33]。王洋等研究发现，在一定范围内，玉米籽粒脂肪含量随氮肥施用量的增加而增加[30]，但本试验中随氮肥施用量增加糯玉米籽粒中脂肪含量在不同锌肥施用量处理下表现不同变化趋势，可能与玉米品种、土壤环境、施肥量等不同有关，因此关于锌氮互作对糯玉米籽粒脂肪含量的影响有待进一步探讨。甘万祥等研究发现，施用锌肥增加夏玉米籽粒中淀粉含量[34]。本试验也发现，籽粒中淀粉含量随施氮量增加先增后减。研究表明，施氮量较低情况下，可促进部分基因表达，酶活性增加，使淀粉含量增加[35]；施氮量较高时，ADPGPPase、SSS和GBSS酶活显著降低，可导致淀粉含量减少，也可能因植株体内同化氮素和合成氨基酸能源需求量增加，碳水化合物分解释放能量比例提高，转运到籽粒中碳水化合物减少，淀粉含量减少[36]。

研究表明，增施氮肥促进植物对锌的吸收，可能因氮肥增加提高植物体内转运蛋白活性，促进锌在木质部和韧皮部转运和再转运[14]。韩金玲等研究也表明，施锌促进小麦开花前后氮素吸收积累及开花后向籽粒运转，增加各器官尤其是籽粒锌含量和锌累积量[37]。Naeem等研究发现，施用锌肥促进玉米锌积累[38]。陆欣春研究小麦中锌氮配合施用发现，单施氮肥显著增加小麦锌吸收，且氮锌肥配施可取得较好效果，籽粒锌含量增幅达7.3%~54.7%[39]。本试验发现，锌氮互作显著提高糯玉米籽粒锌含量，且单施氮肥、锌肥及其锌氮互作均显著提高糯玉米籽粒锌含量，各因素对总变异贡献为锌肥>锌×氮>氮肥，且在锌氮互作N2Zn3条件下糯玉米锌含量达到40.12 mg·kg-1，满足人体正常生命活动对粮食作物可食部分Zn含量需求[40]，与前人研究结果一致。研究表明低氮条件下氮和锌有协同作用，氮有利于植物对锌的吸收运转，而高氮营养条件下易造成缺锌[41]。本试验中N3、Zn4处理下糯玉米籽粒锌含量下降，可能是氮肥、锌肥施用量过大，抑制糯玉米生长发育，降低糯玉米籽粒锌含量。

根据锌氮互作下糯玉米籽粒功能性成分含量隶属函数值，综合考虑糯玉米籽粒营养品质及锌含量，建议以氮肥240 kg·hm-2，锌肥9 kg·hm-2配施为宜。