喷施铁肥对谷子不同器官铁元素分配的影响

陈向阳 ，夏杜菲 ，李香宇 ，赵 磊 ，张国斌 ，刘仕金 ，文新亚 ，陈 阜

（1.中国农业大学农学院/农业农村部农作制度重点实验室，北京 100193；2.永定河流域投资有限公司大同分公司，山西 大同 037000）

铁是植物生长所必需的微量元素之一，也是维持人体正常生命活动的必需微量元素。铁是血红蛋白的重要组成成分，缺铁会导致贫血等一系列疾病[1]。铁参与植物光合作用、呼吸作用等多种生物代谢过程[2]，缺铁会引起植物叶绿素合成受阻，导致缺绿症等[3]。植物中的铁是人获取铁的主要来源之一，植物中的铁含量主要来自于土壤，其含量多少取决于土壤中铁的含量。自然界中，土壤中全铁含量比较高，但大部分以比较稳定的氧化态形式存在，植物很难吸收利用。世界上约有40%的土地存在严重缺铁现象[4]，铁成为限制作物产量和品质提高的一个重要因素[5]。谷子起源于我国，享有“百谷之长”美誉。谷子抗旱、耐贫瘠，具有良好的稳产性，常被称为“减灾作物”[6]。谷粒脱壳后米粒富含粗纤维、蛋白质、丰富的维生素和人体必需的多种氨基酸，兼具粮食和保健作用；谷子秸秆同时是良好的饲料。

山西省土壤有效铁含量普遍较低，提高谷子铁含量具有重要意义[7]。提高作物中铁含量途径主要包括2 类，一是育种手段，通过基因改良改善作物铁吸收转运系统，培育高铁含量品种[8]；二是栽培手段，改变作物生长的环境因子或栽培措施提高作物对铁的吸收，从而提高作物中的铁含量[9-12]。有研究表明，叶面喷施铁肥是提高作物收获部位铁元素含量的一种有效措施[13-14]；此外，叶面喷施铁肥使得水稻单株穗数、穗粒数、千粒质量及产量均较对照有所增加，也能够改善稻米营养品质，提高水稻的产量及产量构成要素[15-18]。但这些研究普遍集中在园艺作物或水稻、小麦等主粮作物上，而叶面喷施铁肥对谷子铁元素吸收，特别是对铁元素在谷子各个器官积累分配的影响研究鲜有报道。

本研究通过设置田间试验，确定在谷子灌浆期叶面喷施铁肥对谷子不同器官铁元素分布的影响，旨在为铁肥在谷子上的合理施用并提高铁元素在谷子籽粒中的积累提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2021年在中国农业大学大同有机旱作试验站（东经113°20′～113°55′，北纬39°43′～40°16′）进行。该地平均海拔1 347 m，属温带季风型大陆性气候，年平均气温6.4 ℃，年平均降水量389 mm，无霜期125 d。

1.2 试验材料

供试材料为谷子常规种8311-14 和谷子杂交种长杂2 号。

供试土壤类型为沙壤土，pH 值为8.41，有机质含量为8.72 g/kg，全氮含量为0.732 g/kg，有效磷含量为8.02 mg/kg，有效钾含量为119 mg/kg，土壤有效铁含量为6.24 mg/kg。

1.3 试验方法

采用随机区组试验设计，小区面积为25 m2（5 m×5 m）。试验共设铁浓度梯度5 个水平，其中，T0 为对照（CK），喷施纯净水，详细情况如表1 所示。于8月11日灌浆前期晴朗无风的白天进行喷施。

表1 叶面喷施铁浓度梯度Tab.1 Concentration gradient of iron sprayed on leaves

试验地于5月中旬进行播种，10月中旬进行收获。田间管理与当地常规种植方式保持一致，种植密度为30 万株/hm2，播种前对试验田进行机械翻耕、机械覆膜。从种植到收获进行2 次人工除草；在播前灌底墒水，生育期进行3 次灌溉。整个生育期只在播种前施一次复合肥：氮（N）180 kg/hm2，磷（P2O5）105 kg/hm2，钾（K2O）60 kg/hm2。

在谷子成熟后用不锈钢剪刀剪下谷子的地上部分，使用根钻取出谷子0～20 cm 的根系部分，先用自来水冲洗掉茎叶和根系上的灰尘和污物，再用去离子水冲洗茎叶和根系，并分为籽粒、顶三叶、下部叶、茎和根系5 个部分；使用小米精米机（型号MLGQ，鱼台金利粮油机械有限公司）将谷子籽粒分为米粒和谷糠2 个部分。所有样品在105 ℃下杀青30 min，后在70 ℃条件下烘干至恒质量，称质量后用不锈钢磨样机（型号DFT50，温岭市大德中药机械有限公司生产）粉碎。

各器官样品中铁元素的测定方法按照GB 5009.90—2016 进行测定。

1.4 数据分析

所有数据使用R 软件（4.1.3）进行分析；在验证了方差齐次性（Levenez’s test）后，对数据进行方差分析；使用Tukey 检验以确定处理间的显著性差异。

2 结果与分析

2.1 喷施铁肥对谷子各器官生物量的影响

从图1 可以看出，灌浆期叶面喷施七水硫酸亚铁能够显著提高8311-14 的米粒和顶三叶生物量（P<0.05），对谷糠、下部叶、茎秆和根系的生物量均无显著性影响。

由图2 可知，灌浆期叶面喷施七水硫酸亚铁能够显著提高长杂2 号的米粒和顶三叶生物量含量（P<0.05），但对谷糠、下部叶、茎秆和根系的生物量均无显著性影响；长杂2 号米粒和上三叶生物量含量均随着七水硫酸亚铁喷施浓度的增加而升高，在T4 处 理（FeSO4·7H2O 用量为5 560.3 g/hm2）达到最大值。

图2 长杂2 号各器官单株生物量Fig.2 Biomass per plant of organs of the variety Changza 2

2.2 喷施铁肥对谷子各器官铁含量的影响

由图3 可知，灌浆期叶面喷施七水硫酸亚铁能够显著提高8311-14 米粒、谷糠、顶三叶和茎秆中铁元素含量（P<0.05），但对下部叶和根系中铁元素含量无显著性影响。8311-14 顶三叶中铁元素含量随着七水硫酸亚铁喷施浓度的增加呈现上升趋势，在T4 处理（FeSO4·7H2O 用量为5 560.3 g/hm2）达到最大值1 415.74 mg/kg，显著高于其余3 个七水硫酸亚铁浓度处理（P<0.05）。

图3 8311-14 各器官铁元素含量Fig.3 Fe content in each organ of the variety 8311-14

由图4 可知，灌浆期叶面喷施七水硫酸亚铁能够显著提高长杂2 号米粒、谷糠、顶三叶和茎秆中铁元素含量（P<0.05），但对下部叶和根系中铁元素含量无显著性影响。长杂2 号米粒、谷糠、顶三叶和茎秆中铁元素含量均随着七水硫酸亚铁喷施浓度的增加呈现上升趋势，在T4 处理（FeSO4·7H2O 用量为5 560.3 g/hm2）达到最大值，显著高于其余3 个七水硫酸亚铁浓度处理（P<0.05）。

图4 长杂2 号各器官铁元素含量Fig.4 Fe content in each organ of the variety Changza 2

2.3 喷施铁肥对谷子各器官铁积累量和回收率的影响

从表2 可以看出，灌浆期叶面喷施七水硫酸亚铁能显著提高8311-14 和长杂2 号米粒、谷糠和茎秆中铁元素的积累量，能够显著提高长杂2 号顶三叶中铁元素的积累量（P<0.05），但对8311-14 顶三叶中铁元素的积累量无显著影响。8311-14 米粒中铁元素的积累量在T2 处理（FeSO4·7H2O 用量为2 224.1 g/hm2）达到最大值，长杂2 号米粒中铁元素的积累量则在T4 处理（FeSO4·7H2O 用量为5 560.3 g/hm2）达 到 最 大 值。8311-14 和 长 杂2 号谷糠、顶三叶和茎秆中铁元素的积累量均随着七水硫酸亚铁喷施浓度的提高而增高，其中8311-14的茎秆，长杂2 号的谷糠、顶三叶和茎秆中铁元素 的 积 累 量 均 在T4 处 理（FeSO4·7H2O 用 量 为5 560.3 g/hm2）达到最大值，并显著高于七水硫酸亚铁其他浓度处理（P<0.05）。

表2 叶面喷施七水硫酸亚铁对谷子不同器官铁元素积累量和回收率的影响Tab.2 Effects of foliar application of FeSO4·7H2O on iron accumulation and recovery rate in different organs of millet

灌浆期叶面喷施七水硫酸亚铁，随着七水硫酸亚铁喷施浓度的升高，8311-14 和长杂2 号米粒的铁元素回收率均降低，在T4 处理（FeSO4·7H2O 用量为5 560.3 g/hm2）达到最低值，分别为5.10%和6.01%，并显著低于七水硫酸亚铁其他浓度处理（P<0.05）。8311-14 谷糠、茎秆，长杂2 号顶三叶、茎秆的铁元素回收率同样随着七水硫酸亚铁喷施浓度的升高而呈现下降的趋势，但8311-14 顶三叶和长杂2 号谷糠的铁回收率则不受七水硫酸亚铁喷施浓度变化的影响。

2.4 喷施铁肥对谷子各器官铁分配的影响

由图5 可知，谷子根系中铁元素的积累量占比最高，灌浆期叶面喷施七水硫酸亚铁会提高8311-14 和长杂2 号米粒、谷糠、顶三叶、和茎秆中铁元素积累量的分配比例，降低下部叶和根系中铁元素积累量的分配比例。喷施七水硫酸亚铁处理下，8311-14 各器官铁元素分配比例由大到小分别为根系>顶三叶>下部叶>茎秆>米粒>谷糠，长杂2 号各器官铁元素分配比例由大到小分别为根系>下部叶>顶三叶>茎秆>谷糠>米粒。

图5 铁元素在各器官的分配比例Fig.5 Distribution proportion of Fe in various organs

3 结论与讨论

叶面喷施铁肥能够显著增加谷子各器官的生物量。杨静[19]研究发现，喷施铁肥能够增加各生育时期冬小麦干物质累积，提高小麦抽穗期至成熟期的干物质累积速率，提高籽粒产量。李春霞[20]研究表明，叶面喷施铁肥能够增加小麦灌浆期的叶片干质量、茎鞘干质量和穗质量，提高小麦的籽粒产量、千粒质量。本研究结果表明，灌浆期叶面喷施七水硫酸亚铁溶液能够显著提高谷子顶三叶和米粒中干物质的积累，这与前人研究结果一致。

叶面喷施铁肥能够提升作物铁元素含量。孟丽梅等[21]以2 个小麦品种为材料，在小麦拔节中期、抽穗前（拔节末期）叶面喷施铁肥，结果表明，小麦籽粒铁含量分别较对照提高了1.4%、5.9%。李凯等[22]对马铃薯叶面喷施铁肥发现，马铃薯块茎中Fe元素含量增加33.77%。王丽等[23]试验表明，小麦的地上器官中铁元素主要分配在茎秆中，叶面喷施铁肥可以显著提高小麦茎叶中的铁含量。本研究结果表明，灌浆期叶面喷施七水硫酸亚铁溶液能够显著提高谷子米粒、谷糠、顶三叶和茎秆中的铁元素含量，且顶三叶中铁含量的提升水平最高，但对下部叶和根系中的铁含量无显著影响。

本研究结果表明，谷子对铁元素的吸收存在品种差异，相比于清水对照，叶面喷施七水硫酸亚铁溶液均能够显著提高8311-14 和长杂2 号米粒中的铁含量，但在T1～T4 处理下，8311-14 米粒中的铁元素含量保持在20.72～22.01 mg/kg，无明显变化；长杂2 号米粒则随着铁元素喷施浓度的升高呈现升高的趋势，并在T4 处理下达到最高值24.16 mg/kg。说明8311-14 对铁元素的吸收上限较低，在试验中的最低七水硫酸亚铁溶液喷施浓度（FeSO4·7H2O用量为1 112.0 g/hm2）下米粒中的铁含量就达到了最高。HOSSAIN 等[24]研究也认为，作物对铁的吸收有一定限度，并且籽粒中植酸积累也降低了铁的有效性。尽管长杂2 号米粒中的铁含量会随着外源铁元素浓度的升高而提高，但在本试验中的最高喷施浓度（FeSO4·7H2O 用量为5 560.3 g/hm2）下，长杂2 号米粒中的铁含量相比于8311-14 的提高效果有限，表明长杂2 号对于铁元素的吸收上限要远高于8311-14，但其吸收利用效率却低于8311-14。另外，8311-14 顶三叶中的铁元素含量在T4 处理下显著高于其他处理，但其茎秆和籽粒中的铁元素含量却没有升高。

谷子米粒对铁元素的吸收利用效率随着叶面铁元素喷施量的升高显著下降，4 个处理下，8311-14 和长杂2 号米粒的铁回收率分别从27.18%和24.98%下降到5.10%和6.01%。增加七水硫酸亚铁的喷施浓度在一定程度上能够提高谷子米粒中的铁含量和铁积累量，但却大幅降低了谷子米粒中铁元素的利用效率。因此，施用较低浓度的七水硫酸亚铁溶液更为经济有效。