土壤锌素营养及绿肥对水稻锌素营养影响研究进展

李海露，褚飞，谢坚，饶中秀，李万明，董春华，杨曾平

(湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125)

锌是所有生命有机体所必需的重要微量元素，能对大量酶起到稳定、调节和催化的作用[1]。锌在高等植物的酶促反应中，不但可作为酶的金属组分，又可辅助酶的结构与调节功能，对植物体的核酸、蛋白质、光合以及呼吸作用和激素代谢是必需的。世界上约30 亿人口存在不同程度缺锌问题，人类健康与锌营养丰缺密切相关[2]，缺锌会导致人体代谢失调、免疫力降低和影响大脑功能等。西交利物浦大学的科研团队研究发现土壤锌浓度较低的县，新冠病死率的风险大幅增加。研究表明，对抗新冠病毒应避免人体锌营养缺乏[3]。人体本身不能合成元素锌，只能通过食物来提高人体对锌的摄入，但存在一定的局限性，难以满足庞大的锌缺乏人群特别是低收入群体的需求[4]。水稻是主要的粮食作物，全球有约一半的人口以稻米为主食[5]。稻米是人体向自然界摄取锌元素的重要途径之一[6]，缺锌在稻米和以稻米为生的人类中普遍存在[7]，因此，提高稻米锌含量和研究稻米锌营养强化对人体健康具有重要意义[8-9]。以稻米为途径，采用改进的农业措施来解决人类锌营养缺乏，是一个经济有效的方法[10]。

1 土壤锌含量

植物吸收的锌元素最主要来源于土壤，全球约50%的谷物产区土壤有效锌不足[11]，锌缺乏的程度在不同的土壤类型中差异很大[12]。我国缺锌土壤面积占总耕地面积的51.5%[13]，大部分缺锌土壤分布在人口密度大和农业产量高的地区。东北、长三角、长江中游、西南和华南，缺锌水稻土比例分别为75.0%、52.3%、31.9%、53.2%和10.4%，中国水稻土有效锌供应水平总体呈现南高北低，在区域上缺锌水稻土有上升的趋势，缺锌问题严重[14]。近年由于调整农业种植业结构、提高土地复种指数、大量施用氮肥、酸性土壤过量施用石灰等，土壤缺锌状况更加普遍和严重[15]。据研究资料统计，土壤的锌含量为痕迹到900 mg/g，平均含量在50～100 mg/g 之间。水稻土壤有效锌临界值为1.48 mg/kg[16]。根据全国第二次土壤普查结果，刘铮总结了中国土壤锌的分布情况，提出了石灰性土壤锌的丰缺指标:DTPA 溶液浸提Zn＜0.5 mg/kg[17]。湖南省南县由湖积物发育的紫潮泥，有效锌范围为0.005～0.277 mg/kg，均值为0.138 mg/kg[18]，参照相关研究[19]作为评价标准，为极低水平(＜0.30 mg/kg)。

土壤锌主要以矿物态存在，占总锌的91.5%～97.6%，其次为松结有机态锌(1.34%～5.53%)、碳酸盐结合态锌(0.47%～1.55%)。施入土壤的锌提高了交换态、松结有机态、碳酸盐结合态、氧化锰结合态锌含量，但大多转化为矿物态。交换态、松结有机态和碳酸盐结合态可以不同程度地反映土壤锌的有效性。石灰性土壤中碳酸盐结合态和有机结合态锌含量占比相当可观，因此提高这两种形态锌储备容量是调节和控制土壤锌营养状况的重要措施[20]。

2 影响土壤锌有效性的因子

土壤锌有效性低是造成植物锌不足的主要原因。稻谷中锌元素大部分来自水稻吸收的土壤中有效态锌。有研究发现，稻谷含锌量与土壤中有效态锌含量呈正相关关系[21]，因此，影响土壤中锌元素有效性的因素必将影响稻谷中锌元素含量。对土壤锌的有效性产生影响的因素很多[22]，主要有以下几点。

2.1 土壤pH 值

对土壤锌的有效性影响最为显著的是土壤pH值。pH＜7，锌的有效性较高，而pH＞7，锌的有效性较低。土壤pH 每增加一个单位，锌的溶解度就降低100 倍[23]，pH 6～7.85 之间，锌多呈Zn(OH)2沉淀。当pH＞7.8 时，锌呈锌酸状态与钙结合会生成溶解度很低的锌酸钙。石灰性土壤中，锌除转化成ZnCO3和2ZnCO3·3Zn(OH)2等溶解度低的化合物外，吸附在碳酸钙表面的锌也不易为作物吸收，导致作物常缺锌[24]。

2.2 土壤有机质

微量元素的有效性随土壤有机质的增加而提高，土壤有机质分解产生了60%～80%的有效锌，而多种微量元素由于有机质的保护而避免了被固定和淋失[25]。周卫军等[18]研究发现，随土壤有机质含量的提高，湖南省几种水稻土有效锌的含量降低，也就是说土壤有效态锌含量与土壤有机质含量之间存在负相关关系。Mikkelsen 等[26]也认为:有效锌在有机质含量高的水稻土中含量较低，水稻对锌的吸收相应降低。在嫌气条件下，有机质分解产生大量的重碳酸根离子和二氧化碳，这些离子和化合物均会使水稻缺锌或加重水稻缺锌[27]；并且，有机质分解产生的有机酸也可使水稻缺锌[28]。腐殖质是有机质的主要组分，为一种复杂的高分子芳香族有机酸，在有机肥中大量存在。腐殖质是一种具有亲水性的可逆胶体，能够凝聚和胶溶，有大的内表面和强的吸附力。腐殖质的比表面积为337～340 m2/g，含氧活性基团存在于分子结构中，因而具有离子交换性能且能与金属离子形成鳌合物[29]。腐殖质与锌形成稳定的络合物，会降低锌的有效性，有机质＞1%的石灰性水稻土常会出现缺锌[30]。

2.3 淹水

对土壤进行淹水可使土壤pH 产生可逆变化，在酸性土壤中pH 升高，而在碱性土壤中pH 降低，从而使土壤中可溶态锌的平衡浓度发生变化。淹水会提高酸性土壤的pH，从而使溶液中锌浓度降低，导致水稻锌吸收量减少；淹水降低了碱性土壤的pH，提高了水稻对锌的吸收量。在旱地条件下的酸性土壤和在淹水条件下的碱性土壤，有利于水稻对锌的吸收；但是灌溉水中含有的大量重碳酸离子会降低锌的有效性，从而使作物缺锌状况加剧[31]。通过温室和室内对不同土壤水分条件下的pH 和氧化还原关系是否可通过增加Fe 和Mn 的增溶作用来解释淹水土壤中水稻缺锌的增加。研究发现，在实验室氧化还原条件下，pH 从14.99 降低到4.00，水稻植株Zn 含量从39 mg/kg 降低到9 mg/kg，Fe 含量从140 mg/kg 升高到339 mg/kg，Mn 含量从226 mg/kg 升高到919 mg/kg。HCO-3的增加也可能导致锌缺乏的增加。推测Fe 在还原微区溶解，随后在更多的氧化区被还原为氢氧化铁(Fe3[OH]8)，Fe3(OH)8保持较高的Fe 溶解度，可通过生成ZnFe2O4或类似富兰克林体的固体物质来降低Zn 的溶解度[32]。

2.4 土壤的吸附

土壤对锌的吸附是影响土壤溶液中锌浓度和有效性的重要因素，在较短的时间内，土壤可完全吸附外源锌，土壤中淋失的锌极少[28]。

2.5 其它元素

土壤中其它营养元素对锌的有效性也有明显的影响。研究表明，P 可以抑制植株对体内Zn 的运转，施用P2O5高于60 kg/hm2时，会使玉米缺锌严重。5 mg/kg 锌处理使小麦对镁的吸收增加，而10 mg/kg 锌则降低小麦对镁的吸收，同样，5 mg/kg 镁处理增加小麦对锌的吸收，而10 mg/kg 和20 mg/kg镁降低小麦对锌的吸收，可能是因为养分平衡吸收的影响[33]。

2.6 微生物与植物根系的影响

丛枝菌根的形成能促进植物吸收锌[34]，其机制与丛枝菌根促进对磷吸收可能类似。土壤锌含量不足，植物根系会增加分泌麦根酸等有机酸，以促进土壤难溶锌的溶解，供植物利用[35]。

3 水稻锌的来源

土壤为水稻植株提供了84.6%～96.1%的锌，肥料仅提供3.9%～15.4%[36]。将锌肥直接施入土壤，因锌用量少，施用不均匀，且很容易被土壤固定，有效性下降，利用率并不高[37-38]。在潜在缺锌的碱性土壤中，土壤对锌的固定作用很强[39]，锌肥利用效率较低。土施锌肥只会提高表层土壤中的DTPA可提取锌含量，而对稻谷锌含量的影响不大[8]。植物的吸锌量和介质中的锌浓度间呈良好的线性关系[40]。水稻籽粒、精米以及颖壳中锌的积累随供锌水平的提高而提高。土壤供锌能够显著提高精米、稻穗和剑叶对锌的积累，不同的水稻品种累积锌的能力有差异[41]。在一定范围内，稻谷锌含量随土壤供锌能力的提高而增加，当供锌达到一定量后，稻谷锌含量将不再明显提高。在具有高供锌能力土壤条件下，稻壳锌含量随供锌能力的提高而明显增加，可能是水稻本身的调节机制，使稻谷锌含量维持在特定范围。小麦籽粒里就具有防止锌过量累积的保护机制[42]，稻谷锌的累积也许有相似的机制。稻谷锌来自土壤，水稻吸收土壤中的锌并转移到稻谷，在不毒害水稻前提下累积并存储。决定稻谷锌含量的主要原因是向稻谷运输分配锌的能力，有足量的锌供应时，优先获得锌的营养器官往往是代谢活性较弱的。稻谷获得充足的锌源的前提是足量的锌素供给，这样能提高锌的累积。水稻植株锌累积量，繁殖器官低于营养器官，茎叶、根和稻谷的锌含量分别为35.4～41.5、65.2～80.7 和21.4～24.6 mg/kg，锌在植株体内主要积累在根部，然后是茎叶，稻谷含量最低[43]。

4 绿肥对土壤锌和水稻锌素营养的影响

4.1 绿肥自身累积锌对土壤锌的影响

不同绿肥来源显著影响水稻对锌的吸收[44]。Singh 等[45]发现，与芥菜、豇豆和夏季休闲处理相比，翻压田菁后，稻谷和秸秆的锌总吸收量显著增加。施用绿肥提供了大量易于分解的有机物质，改善了土壤有机质和锌状况[46]。绿肥导致锌再循环到土壤中，增加了锌的有效性，从而提高了水稻对锌的吸收。与其他绿肥相比，田菁将更多的锌回收到土壤中。

紫云英—水稻轮作可有效增加土壤有效锌含量[47-48]。绿肥将自身累积的锌通过翻压还田，显著增加土壤溶解性有机碳(DOC)含量，绿肥收获期黑麦豆使土壤DOC 含量提高了17.0%，土壤有效锌含量显著增加[49-50]。因此，绿肥自身锌吸收能力是其活化土壤锌、提高后茬作物锌含量的关键。

4.2 绿肥根系分泌物对土壤锌的活化效应

绿肥种类及供锌水平不同，显著影响其对锌的吸收[51]。根系总有机酸和溶解性有机碳分泌量最高的绿肥，其地上部锌含量最高。根系分泌的有机酸中草酸最高，其次为琥珀酸和柠檬酸，富马酸较低，都能降低土壤pH 值和提高土壤Zn2＋含量，草酸作用最强。相比其他两种绿肥，黑麦豆根系分泌的总有机酸最多，这可能是其活化土壤有效锌、吸收锌能力强的重要机制。

4.3 增加氮供应下绿肥对水稻锌的影响

Sarkar 等[52]研究发现，50%刺田菁绿肥和50%尿素配合施用，有利于保持土壤中较高的锌有效性，显著提高稻谷和秸秆对锌的吸收。不同绿肥中，刺田菁的效果比甘草叶和马缨丹更好。不同氮源处理对锌的总吸收量高于对照，这是由于无机肥、有机肥及有机肥和无机肥配合施用产生了更高的稻谷和秸秆产量。

Singh 等[45]研究发现，豆科绿肥作物秸秆还田下增加氮供应对稻谷和秸秆锌浓度产生积极影响。通过影响根系生长和刺激有机化合物的根系分泌[53-54]，氮可能会影响锌的迁移和根系的吸收。土壤氮素状况对胚乳锌浓度的影响大于对全粒锌浓度的影响。高氮对胚乳锌浓度的影响对人类营养具有重要意义[55]。

4.4 紫云英和化肥配施对水稻土和水稻锌含量的影响

长期紫云英与化肥配合施用能提高土壤中的总锌和EDTA-Zn 含量，能显著提高水稻中锌的含量，增加水稻籽粒中锌的积累[56]。长期无机肥和紫云英配施后，水稻籽粒中Zn 的积累是由于土壤中总Zn 和EDTA 可提取态Zn 浓度增加和土壤性质变化共同作用的结果。无机肥和绿肥配施处理较高的土壤总锌含量与较高的绿肥翻压量有关。

施肥显著增加了锌的相对活性，因为肥料可促进土壤pH 和有机质(SOM)，从而通过络合作用激活锌。紫云英的根系分布广泛，延伸到下层土壤中，能广泛吸收锌[57]。由于紫云英根瘤中的三肽谷胱甘肽(GSH)，Zn2＋在根瘤中积累[58]。GSH 是植物螯合素的前体，含有锌结合肽，可与Zn2＋形成键，并参与锌螯合[59]。因此，土壤中可能释放出高水平的锌，从而使水稻植株更容易吸收。在另一项研究中，绿肥红三叶草和向日葵提高了土壤中的DTPA-Zn，这可能是因为绿肥释放的有机碳和氨基酸与锌和其他金属形成了螯合物[60]。

有研究发现，由于土壤pH 值降低和可溶性有机质(DOM)增加，锌在土壤中的迁移率增加，从而增加了可溶于DOM 的锌络合物[61-62]。由于官能团或配体的存在，土壤中的有机成分可与锌形成螯合物。醇、酚、羰基和羧基官能团通过增加土壤pH 值而解离，因此，配体离子对锌的亲和力增加[63-64]。土壤pH 值降低会增加锌的解吸，并在土壤溶液中溶解[65]。因此，土壤中添加有机质会对锌迁移率产生影响，具体取决于材料和土壤特性(土壤pH 值、有机质和黏土含量)[57]。由于有机质的分解，锌形成了不稳定的有机矿物复合体，因此，土壤中的锌含量增加，植物对锌的吸收也增加[66-67]。据报道，绿肥分解释放的大量溶解有机物可能会导致镉的迁移和活化，从而作为镉的载体，增加土壤中镉的生物有效性和迁移率，进而促进水稻吸收镉[57]。这也可能是化肥和绿肥联合施用增加锌吸收的原因。

4.5 绿肥对碱性水稻土水稻锌含量的影响

有研究表明，在碱性水稻土上种植并翻压夏季绿肥刺田菁、猪屎豆和豇豆再移栽水稻，可提高土壤有效锌和稻谷及稻草中的锌含量[68]。种植并翻压夏季绿肥，在移栽水稻后30 d DTPA 可提取锌增加，此后两年中有效锌减少。DTPA 可提取Zn 在30 d内增加可能是由于根际的酸化导致H＋从根部释放以平衡阴离子上阳离子的过量摄入以及由根部释放的O2氧化Fe2＋所产生的H＋。Kirk 等[69]指出:Fe 氧化作用释放出Zn，并且这种Zn 重新吸附在Fe(OH)3和有机物上，形式为酸溶性，因此可被植物接触。移栽水稻30 d 后土壤中锌含量的降低可能是由于淹水和水稻消耗的结果。一些研究报道稻田土壤中Zn 有效性随时间推移而下降[70]。在淹水状态下，由于其较高价态的氧化物的还原，会形成大量的Fe2＋和Mn2＋。由于部分还原Fe 扩散到土壤中更富含氧的区域，会被氧化，导致Fe3(OH)8(水合磁铁矿)和Zn2＋吸附在铁的水合氧化物上而沉淀，因此Zn 对植物的有效性降低[71]。Brar 等[72]总结了淹水土壤中Zn 有效性的下降是因为:在淹水土壤中形成不溶性锌铁矿(ZnFe2O4)化合物，在剧烈还原条件下形成非常难溶的锌化合物ZnS，在土壤淹水后期形成不溶性Zn 化合物ZnCO3，在相对较高的pH下形成Zn(OH)2，这降低了Zn 的有效性和氧化物矿物对可溶性Zn2＋的吸附。无论翻压哪种夏季绿肥，在所有水稻生长阶段，翻压绿肥处理的DTPA 可提取锌均显著高于不翻压绿肥处理。绿肥翻压显著提高了易分解有机物质的量，改善了土壤有机质状况。在水稻移栽前翻压绿肥可以提高土壤中的有机质含量。由于添加有机物质，施用的锌可能与土壤中腐殖质复合，并可能由于形成不溶性锌配合物而导致锌固定减少，从而导致土壤中DTPA 可提取的锌含量增加。翻压夏季绿肥显著影响了所有生长阶段水稻干物质和收获时稻谷和稻草中的锌含量，水稻干物质中的锌浓度在初始生长期逐渐增加(移栽30 d 以内)后降低。这是由于土壤中有效锌随时间的推移而减少，因为水稻在移栽后最初30 d 吸收量高。在淹水土壤中，由于Zn 以ZnCO3或ZnS 的形式沉淀，因此土壤中的锌以及施用的Zn 通常会降低[73]。这可能是水稻植株锌吸收随时间的推移而减少的原因。无论绿肥的种类如何，在所有水稻生长阶段，绿肥翻压处理的稻谷中锌浓度都显著高于不翻压绿肥处理。

5 小结与展望

本文总结了锌对生物体的重要性，提高稻米锌含量对人体健康的意义，我国土壤及湖南省典型石灰性水稻土紫潮泥的缺锌状况，影响土壤锌的因素、水稻锌来源以及绿肥对水稻锌含量的影响。但是，关于紫云英绿肥轮作后水稻对锌的吸收、转运及再分配过程的变化和紫云英绿肥下紫潮泥锌形态与生物有效性的响应相关报道较少，可重点深入研究，研究结果将为以种植紫云英绿肥作为生物强化手段提高湖南省石灰性水稻土地区水稻籽粒锌含量、改善作物和居民锌营养提供科学参考。