纳米锌和离子锌对水稻产量形成及籽粒锌含量的影响

陈士勇 王 锐 陈志青 张海鹏 王娟娟 单玉华 杨艳菊

（1扬州大学环境科学与工程学院，225009，江苏扬州；2农业农村部长江流域稻作技术创新中心/江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心，225009，江苏扬州）

锌是植物生长发育所必需的17种元素之一，在植物体内非常活跃，不仅能促进水稻光合作用、碳水化合物和磷的代谢，而且能促进籽粒的发育[1]。锌也与人体健康密切相关，缺锌会使人体生长发育迟缓和免疫力低下[2-3]。人体自身不能合成锌元素，只能通过食物来补充，因此提高食物中的锌含量以满足人体健康所需至关重要。我国65%以上人口以稻米为主食[4]，随着人口的逐渐增加和人们对健康的更高追求[5]，研究如何提高稻米中的锌含量具有重要意义。

在水稻锌营养生物强化方面已有不少研究[6-7]。锌肥的施用对于水稻生长有一定影响，适量的锌有利于水稻产量的提升，在缺锌土壤中施用锌肥往往会达到极为明显的增收效果[8]。叶面喷施锌肥能有效提高水稻植株各器官的锌含量[9-10]。刘琦等[11]研究表明，水稻扬花期通过叶面喷施锌可显著增加植株中锌含量。然而锌离子难以粘附在水稻叶片表面，喷施的锌溶液易从叶面滴落或被雨水淋失，影响水稻对锌的吸收。

与叶面喷施锌肥相比，基施锌肥的增产效果更佳[7,12-13]。但土壤中的铁铝氧化物、粘土矿物及腐殖质等都可吸附和固定锌离子，降低锌的有效性。纳米微粒具有不饱和性，易与其他原子结合而稳定下来，表现出很高的化学活性，随着粒径的减小，纳米微粒的表面积、表面能及表面结合能均迅速增大[14]。因此，与传统肥料相比，纳米肥料受土壤质地、结构和胶体等影响较小，易被植物吸收利用，具有广阔的研究前景。

施用纳米锌肥料除了能提高籽粒锌含量，还能促进根系发育，在水稻关键生长期缓慢而稳定地释放营养物质，从而改善水稻的生长[15]。本研究设置了纳米锌与离子锌2种锌形态，研究锌肥类型及用量对水稻产量形成和成熟期籽粒锌浓度及积累量的影响，为通过现代农艺措施提高稻米产量和营养品质（富锌）提供理论与实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018和2019年5-10月在扬州大学环境科学与工程学院土壤肥料实验室盆栽场进行。该地属北亚热带湿润气候区，四季分明，气候温和，日照充足，雨量丰沛。

供试土壤于2018年3月采自扬州大学农学院试验农场耕层（0～20cm），为沙壤土。土壤pH 7.86、有机质12.6g/kg、全氮9.4g/kg、速效磷85.6g/kg、速效钾103.1mg/kg、碱解氮73.3mg/kg、铵态氮29.7mg/kg、硝态氮16.3mg/kg、有效锌0.98mg/kg。2018年试验结束后，各试验盆土壤于2019年5月10日前更换25cm表层新土，新土与2018年所用土壤为同一田块同时取的耕层土壤。

供试水稻品种为南粳9108（迟熟中粳稻），生育期150d。2018和2019年均在5月15日播种，湿润育秧，30d秧龄后，挑选发育进程与长势一致的秧苗，于6月15日移栽至试验塑料箱，试验塑料箱尺寸为0.8m×0.5m×0.5m（长×宽×高），每箱面积计0.4m2。每箱插栽水稻16穴，栽植密度为4.0×105穴/hm2（12.5cm×25cm），每穴 4苗。

供试离子锌为硫酸锌（分析纯），购自国药集团化学试剂有限公司；纳米锌为平均粒径50nm的球状纳米氧化锌（纯度＞99.9%），购自上海超威纳米科技有限公司。氮肥为尿素（含N 40%），磷肥为过磷酸钙（含P2O512%），钾肥为氯化钾（含K2O 60%）。

1.2 试验设计

采用盆栽试验，以不施锌肥为对照，设置纳米锌、离子锌各3个施用量处理，锌肥施用量依据本试验室前期研究确定，栽种盆的面积按0.4m2折算田间施用量，共7个处理组合，分别为不施锌肥（CK）、施离子锌肥 7.5（T1）、30（T2）、60kg Zn/hm2（T3），施纳米锌肥7.5（T4）、30（T5）和60kg Zn/hm2（T6）。锌肥在水稻移栽前一次性施用。各处理氮肥施用量为270kg N/hm2，基肥:分蘖肥:穗肥=4:3:3，其中基肥撒施于土表后翻入土中，深度为5～8cm，追肥均采用撒施；磷肥施用量为135kg P2O5/hm2，全部作基肥施用；钾肥施用量为270kg K2O/hm2，基肥:穗肥=1:1。各处理施肥量和施肥方法2年保持一致。每个试验处理设置10盆重复，试验期间水分与病虫害防治等管理措施按高产栽培要求统一实施。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 干物质量和叶面积指数（LAI） 分别在拔节期、齐穗期和成熟期，每个处理取3穴代表性样本，拔节期分解为茎鞘和叶片，齐穗期和成熟期分为茎鞘、叶片和穗部，将各器官在105℃下杀青30min，75℃下烘干至恒重后，测定干物质质量。同时在各时期每个处理选取8片代表性叶片，采用长宽系数法测定其单叶叶面积，叶面积=长×宽×校正系数，并称取其鲜重以及总叶片鲜重，通过折算，计算出LAI。

1.3.2 叶片相对叶绿素含量（SPAD值）及光合指标 每处理选取代表性植株6株，每株选取2片代表性叶片（顶1叶），每张叶片测定叶尖、中部和根部3个位置，计算得出该叶的SPAD值，自移栽后14d起，每隔1周左右测量1次，连续进行10次左右，直至成熟期前。在水稻孕穗期和齐穗期分别随机选取各处理主分蘖的新完全展开叶作为代表性样品，使用Li-6400光合仪测定光合参数，包括净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr），每箱3个重复。

1.3.3 产量及其构成因素 各处理将采样后剩余的水稻全部收获，计算和统计每穴水稻的穗数、穗粒数、总粒数以及空瘪粒数。各箱收获的籽粒以1000粒实粒样本称重，重复3次（误差不超过0.05g），求得千粒重，计算理论产量。

1.3.4 氮素累积量和籽粒锌累积量 在成熟期各处理分别取3穴代表性样品，风干磨细后采用凯氏定氮法测定植株氮素含量。成熟期样品分解出穗部，风干磨细后采用AAS法测定籽粒锌含量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016软件进行数据整理和图表绘制，使用SPSS 19.0软件进行数据统计分析，采用单因素方差分析（Univariate-way ANOVA）和最小显著差异法（LSD）比较不同处理的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 纳米锌和离子锌对水稻产量及其构成因素的影响

由2018与2019年各处理产量（表1）可知，与CK处理相比，施用锌肥能显著增加水稻产量，增产幅度在1.3%～11.9%。纳米锌和离子锌对水稻产量的增益效果存在一定差异。随着纳米锌和离子锌用量的增加，水稻产量较CK处理均显著增加，但离子锌处理的水稻产量增幅为1.3%～7.0%，纳米锌处理的水稻产量增幅为2.5%～11.9%。相同锌施用量条件下，纳米锌处理增产效果明显高于离子锌处理，且用量越高，提升幅度越大。与2018年水稻产量相比，2019年相同处理的水稻产量也均有增加，增幅在2.0%～6.3%。

表1 纳米锌和离子锌对水稻产量及其构成因素的影响Table 1 Effects of nano-zinc and ion-zinc on the yield and its components of rice

进一步分析2年的产量构成因素发现，与CK处理相比，锌肥施用可以增加水稻有效穗数和穗粒数，增幅分别为2.4%～9.8%和4.0%～18.0%，施锌量为60kg Zn/hm2时与CK处理的差异达显著水平。纳米锌和离子锌也可以增加水稻千粒重，但效果不显著。随着锌施用量的增加，离子锌和纳米锌各处理的水稻有效穗数、穗粒数和结实率均呈上升趋势。在相同锌施用量条件下，各纳米锌处理的水稻有效穗数、穗粒数、千粒重和结实率分别较相应的离子锌处理高1.3%～4.0%、6.1%～11.9%、0.6%～1.0%和0.1%～0.6%。

2.2 纳米锌和离子锌对水稻干物质积累量的影响

不同处理各生育时期的干物质积累量如表2所示。与CK处理相比，施用锌可以增加水稻拔节期、齐穗期和成熟期水稻干物质量，增幅分别为26.5%～47.7%、7.9%～15.9%和17.4%～24.0%。相同锌施用量条件下，纳米锌对水稻各生育期干物质积累量的增加效果优于离子锌，但仅有拔节期差异达到显著水平。不同锌施用量比较可发现，中、高用量离子锌和纳米锌均可增加水稻各生育期的干物质积累量，增幅分别为1.9%～9.5%和2.2%～6.9%，但仅拔节期增加效果显著，齐穗期和成熟期差异不显著。

表2 纳米锌和离子锌对水稻干物质积累量的影响（2018）Table 2 Effects of nano-zinc and ion-zinc on rice dry matter accumulation amount in 2018 t/hm2

从表3中可以看出，播种-拔节和齐穗-成熟这2个阶段，增施外源锌的处理干物质积累量显著高于CK处理，表明锌的施用促进了水稻后期光合产物的合成和积累。相同锌施用量条件下，纳米锌处理光合产物的积累量显著高于离子锌处理。在相同处理的不同锌施用量比较发现，干物质积累量和施用量呈正相关关系，中、高用量处理的干物质积累量均显著高于低用量处理。拔节-齐穗时期，各处理间干物质积累量差异不显著，最高的是T3处理，为5.53t/hm2，最低的是T4处理，为5.26t/hm2，在这一阶段，CK处理的干物质积累量所占其总积累量的比例最高，达到了43.69%。

表3 纳米锌和离子锌对水稻各生育期干物质积累量的影响（2018）Table 3 Effects of nano-zinc and ion-zinc on rice dry matter accumulation and proportion in different growth stage in 2018

2.3 纳米锌和离子锌对水稻SPAD值和光合作用的影响

随水稻生育进程的延长，各处理水稻叶片的SPAD值呈先增加后下降的趋势（图1）。移栽后14d到拔节期（7月16日）各处理水稻叶片SPAD值随时间延长而增加并达到最大值，之后各处理水稻叶片SPAD值呈下降趋势。与CK处理相比，施用离子锌和施纳米锌均明显增加水稻叶片的SPAD值，这一增加效果在拔节期之后逐渐消失。说明施用离子锌和纳米锌在拔节前均能很好地维持群体冠层叶片的SPAD值。相同锌施用量条件下，2种锌肥对水稻叶片SPAD值影响差异不明显，仅在中、低锌施用量条件下，纳米锌处理的水稻叶片SPAD值略高于离子锌处理。

图1 纳米锌和离子锌对水稻叶片SPAD值的影响（2018）Fig.1 Effects of nano-zinc and ion-zinc on SPAD value of rice in 2018

以齐穗期水稻叶片光合参数（表4）为例，与CK处理相比，施锌显著提高水稻Pn，增幅在37.4%～64.5%；随着施用锌量的增加，水稻Pn呈增加趋势，离子锌处理增幅在37.4%～59.5%，纳米锌处理增幅在52.3%～64.5%。相同用量下，纳米锌增加水稻Pn的效果优于离子锌处理，增幅在3.2%～10.9%。3个不同纳米锌用量的处理比较发现，T6处理的Pn最大，但是与T5处理差异不大。T3处理的Pn显著高于T1和T2处理。

表4 纳米锌和离子锌对水稻齐穗期剑叶光合作用的影响（2018）Table 4 Effects of nano-zinc and ion-zinc on leaf photosynthetic parameters of rice in 2018

与CK处理相比，施锌同样可以显著增加水稻叶片Gs、Ci和Tr，增幅分别在 39.7%～67.2%、12.3%～16.8%和27.7%～42.8%。除离子锌处理的Ci外，其余指标均随离子锌和纳米锌施用量的增加而增加，且增加的幅度在相同锌用量条件下，纳米锌处理优于离子锌处理。比较不同离子锌用量的3个处理发现，T3处理的Ci显著低于T1处理；T3处理的Tr和Gs显著高于T1和T2处理。从不同纳米锌用量处理结果可以看出，随着纳米锌施用量的增加，水稻叶片Gs显著增加，Ci和Tr呈增加趋势，但处理间差异不显著。

2.4 纳米锌和离子锌对水稻LAI的影响

LAI能直接影响植物群体对光能的截获与利用，进而影响植株的生长发育[16]。离子锌和纳米锌处理的水稻在关键生育时期的LAI如表5所示，与CK处理相比，施用锌肥可以显著增加拔节期、齐穗期和成熟期水稻LAI，增幅分别在5.4%～13.1%、3.5%～6.9%和4.9%～15.2%。相同锌用量条件下，纳米锌处理增加水稻LAI的效果在齐穗期和成熟期优于离子锌处理，分别高出相同浓度离子锌处理的0.5%～2.4%和1.1%～4.0%。随着纳米锌和离子锌用量的增加，水稻LAI均呈增加趋势，与T4处理相比，T5和T6处理水稻LAI分别增加0.1%～0.8%和2.7%～5.6%；与T1处理相比，T2和T3处理分别增加0～4.7%和0.8%～6.7%。

表5 纳米锌和离子锌对水稻LAI的影响（2018）Table 5 Effects of nano-zinc and ion-zinc on rice LAI in 2018

2.5 纳米锌和离子锌对水稻籽粒锌含量和积累量的影响

如表6所示，2018年水稻籽粒锌含量与积累量规律相同，锌的施用使籽粒锌含量及积累量显著高于CK处理，增幅分别为8.2%～31.4%和9.5%～42.2%。随着离子锌和纳米锌施用量的增加，籽粒锌含量和积累量也逐渐增加，其中，T2和T3处理的籽粒锌含量和积累量分别较低T1处理增加了8.4%～15.2%和9.9%～18.3%；T5和T6处理的籽粒锌含量和积累量分别较T4处理增加了9.6%～13.6%和11.6%～20.0%。相同锌用量条件下，纳米锌对籽粒锌含量及累积量的促进作用显著高于离子锌处理，以T6处理最高，分别为22.62mg/kg和229.15g/hm2。2019年的试验结果与2018年基本一致。

表6 纳米锌和离子锌对水稻籽粒锌含量及锌积累量的影响Table 6 Effects of nano-zinc and ion-zinc on zinc content and accumulation in rice grains

将2年籽粒锌积累量与锌施用量进行线性拟合分析，拟合线的斜率k可以反映在一定浓度范围内，处理浓度对于籽粒锌积累量的影响，从拟合结果（图2）可以看出，纳米锌处理拟合线的k值高于离子锌，表明纳米锌对水稻籽粒锌积累的促进作用优于离子锌。

图2 锌肥用量对水稻籽粒锌积累量的影响Fig.2 Effects of zinc fertilizer application amount on zinc accumulation in rice grains

3 讨论

锌是动植物的必需营养元素。我国有40%土壤缺锌，在缺锌的土壤中补充锌肥可以提高作物产量，可增产10%～15%[16-18]，主要是因为锌是植株体内上百种酶的组成成分，参与叶绿素和生长素的合成及碳水化合物的合成和转化，促进叶片光合作用和光合效率，进而增产。本研究中供试土壤有效锌含量为0.98mg/kg，根据刘铮[19]对土壤和作物对锌肥应用的划分等级判断，供试土壤属于锌肥有效区（0.5～1.0mg/kg），因此，在本研究供试土壤上增施锌肥可以提高水稻产量。

前人的研究表明，锌肥的种类、施用方法和用量等对作物增产的效果均有所不同。冯绪猛等[6]和郭九信等[7]研究表明，相同锌施用量条件下，锌肥基施对水稻增产的效果优于叶面喷施，主要是由于锌肥基施可以在早期促进水稻苗生长，增加分蘖数和成穗率，虽然锌在土壤中可能被吸附转化暂时失去有效性，但后期仍可在一定程度上满足水稻对锌的需求，叶面喷施仅能保证水稻某一生育时期对锌的需求，不能持续有效地供应。本研究中基施锌肥增产的效果最好，比对照增产11.9%。此外，锌肥基施配合水稻中、后期叶面喷施锌肥更能保证各生育时期锌的供应，增加产量[7]。

从本研究结果中可以看出，离子锌肥和纳米锌肥对于水稻产量均具有促进作用，离子锌肥主要是通过提高水稻有效穗数进而提高水稻产量，增产达1.3%～7.0%，这与前人[9,17,20]研究结果类似。纳米锌肥对水稻的增产性能优于离子锌，纳米锌肥不仅显著提高了水稻有效穗数，还有效提高了水稻的穗粒数，增产2.5%～11.9%。物质生产是产量形成的基础。许多学者[18,21]认为，较高的物质生产量是水稻高产的重要特征之一。本研究表明，纳米锌肥的施用对水稻LAI的提升显著，特别是生育前期，较大的叶面积有利于水稻的光合作用，齐穗期的光合参数也表明纳米锌显著提高了叶片的Pn，有效提高了光合物质生产。据报道[22]，锌在光合电子传递中起着重要作用，可作用于光合电子传递链上的2个作用位点，缺锌导致Pn和Gs降低。锌还是植物碳酸酐酶的组成成分，可作为光合作用中核酮糖1,5-二磷酸羧化酶的组成成分参与催化光合过程中CO2固定的初始反应[23]。在相同锌施用量条件下，纳米锌与离子锌相比，锌离子的释放速度不同，纳米锌可逐步溶解出Zn2+，持续满足植株对锌的需求，减少锌被土壤固定[24-26]，保障水稻整个生育期对锌的吸收利用。纳米锌除释放Zn2+满足作物对锌的需求外，植株还可以通过根部直接吸收纳米锌[27]。从籽粒锌含量和锌积累量结果可以看出，纳米锌的促进作用高于同用量的离子锌，且籽粒锌含量随纳米锌施用量的增加而增加。因此，纳米锌能够持续有效地为水稻供应锌元素，这可能是水稻在整个生育期保持较高光合参数和干物质积累量的主要原因，这也促进了最终产量的形成。

纳米锌对水稻产量的促进效果还可能是由于其对土壤理化性质的影响，促进了水稻生长发育和土壤中吸收获取养分的能力。有研究[28-31]表明，纳米材料可以显著增加土壤中碱解氮、速效磷和速效钾的养分含量，增加作物从土壤中吸收养分，促进增产。这主要是因为纳米锌具有较强的自由基，这些自由基化学活性强，能够与很多有机物反应，促进有机物质的分解，促进养分的释放。与传统锌肥相比，纳米锌可间接促进植物对养分元素的吸收，进而增加产量[32]。纳米锌可以增加植株对磷元素的吸收，主要是由于纳米锌可以吸附磷酸根离子，形成磷酸锌团聚体，团聚体的形成，一方面减少磷酸根被固定而失去有效性；另一方面可以降低纳米锌对植株的毒害作用[33]。纳米锌促进水稻对氮素的吸收，可能是由于纳米锌改善了水稻根际微环境，促进肥料氮更易被根系吸收利用[34]。纳米锌还可以改变作物体内及土壤酶活性。研究[35]表明，高浓度的纳米锌可能会对植物产生毒性，这主要是由纳米锌对植物造成氧化胁迫引起的，但低浓度的纳米锌可以促进植株体内过氧化物酶（POD）活性的提高，帮助清除植物体内的活性氧，提高植物抗逆性。此外，纳米锌可能通过影响叶绿素合成中谷氨酰-tRNA还原酶和原卟啉原氧化酶活性，来影响叶绿素合成。但纳米锌促进叶绿素合成的适宜浓度和直径的大小还需要进一步研究[36]。纳米锌可以显著影响土壤POD、磷酸酶和脲酶的活性，但不同浓度或不同粒径大小的纳米锌对这些酶活性影响不同[37]，还需进一步研究。

4 结论

离子锌和纳米锌均能显著提高水稻产量及籽粒锌含量。相同锌施用量条件下，纳米锌对水稻产量的提升效果显著高于离子锌，同时纳米锌对水稻籽粒锌含量和锌积累量的促进效果也优于离子锌。在水稻生长过程中，特别是水稻生育前期，纳米锌处理的水稻叶片一直保持着较高的SPAD值和LAI，这对水稻早期干物质积累和产量形成具有促进作用。综上，施用纳米锌可以作为提高水稻产量和籽粒锌含量的有效手段。