0 引言
【研究意义】人类锌营养元素缺乏是全球普遍存在的问题[1]。锌可以促进生长发育,协调身体免疫功能,同时还参与多种酶合成,是人类必需的微量营养元素。缺锌会引发一系列疾病,如侏儒症、食欲不良、消化系统癌、溃疡、腹泻、视力下降等[2-4]。在中国约有1亿人缺锌[5]。小麦是世界主要的粮食作物之一,在发展中国家,提供人体50%日常热量摄入[6]。小麦籽粒产量和品质非常重要,它不仅决定了农民的收入,而且影响着以面食为主人群的营养健康。中国是小麦主产国之一,小麦总产达到1.30亿吨[7]。中国居民尤其是农村人群,主要通过食用小麦制品来获取锌营养元素[8]。LIU等对中国320个小麦品种,655份籽粒样品调查发现,中国小麦籽粒锌含量平均为30.4 mg·kg-1,其中88%的小麦籽粒锌含量低于人体营养健康推荐量（40—60 mg·kg-1）[9],说明中国小麦籽粒锌含量普遍较低。因此,不仅要增加产量,提高籽粒锌含量也是中国小麦生产的重点。【前人研究进展】一些****认为,产量高时由于稀释作用,小麦籽粒锌含量降低,产量低时由于养分富集效应,籽粒锌含量增加[10-12]。氮磷肥施用是影响小麦籽粒产量的重要因素之一,农业生产中合理的氮肥和磷肥施用,可以增加小麦产量,使产量保持在较高的水平[13-14]。但对小麦锌营养的影响却不一致。多数研究认为,施用氮肥的小麦籽粒锌含量提高,与施氮量呈正显著相关,而施用磷肥的籽粒锌含量却降低,与施磷量呈负显著相关[15-20]。【本研究切入点】目前,对小麦氮、磷、锌营养方面的研究,主要基于氮与锌肥配施、磷与锌肥配施,或只考虑氮肥或磷肥用量变化,引起的作物锌吸收、转移与含量变化。然而,长期氮磷肥单施、配施对小麦产量和锌营养累积影响的报道缺乏。【拟解决的关键问题】本研究利用从2004年起在中国西北旱地潜在缺锌石灰性土壤上开展的长期定位试验,分析了氮磷肥单施、配施对小麦各器官锌含量和锌吸收的影响,并从籽粒产量的变化,探讨了长期施用氮磷肥料对小麦产量和籽粒锌累积的影响,以期为旱地石灰性土壤上小麦锌营养调控提供理论依据。1 材料与方法
1.1 试验设计
长期定位试验始于2004年10月,位于陕西杨凌西北农林科技大学农作一站（34°16′ N, 108°04′ E）。该地区地处渭河三级阶地,海拔525 m,属于温带大陆性季风气候,冬春易旱,属典型的旱作雨养农业区。多年平均气温12.9℃,年蒸发量1 400 mm,60年（1957—2016）年均降水量579 mm,约60%的降水集中在小麦收获后的7—9月份的休闲期（图 1）。试验区地势平坦,土壤类型是黄土母质上发育的土垫旱耕人为土（红油土属）,土壤基础肥力见表1。Table 1
表1
表12004年和2013年0—20 cm土层的基本理化性质
Table 1Physical and chemical properties of the top 0-20 cm soil layer in 2004 and 2013
| 处理 Treatment | 有机质 Organic matter (g·kg-1) | 全氮 Total N (g·kg-1) | 速效磷 Olsen-P (mg·kg-1) | 速效钾 NH4OAc-K (mg·kg-1) | 有效锌 DTPA-Zn (mg·kg-1) | 碳酸钙 CaCO3 (g·kg-1) | pH | 矿质氮Inorganic nitrogen | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| NO3--N (mg·kg-1) | NH4+-N (mg·kg-1) | ||||||||
| 原点 Origin | 13.8 | 1.1 | 15.0 | 182.4 | 0.52 | 45.7 | 8.3 | 5.4 | 2.4 |
| 不施肥CK | 15.5 | 0.9 | 2.5 | 127.9 | 0.51 | 45.3 | 8.4 | 16.1 | - |
| 单施氮肥 N160 | 14.7 | 1.1 | 1.8 | 116.9 | 0.41 | 46.5 | 8.3 | 12.9 | - |
| 单施磷肥P100 | 14.4 | 1.0 | 12.0 | 122.0 | 0.49 | 46.6 | 8.4 | 9.8 | - |
| 氮磷配施N160P100 | 16.1 | 1.0 | 8.9 | 130.1 | 0.48 | 46.1 | 8.3 | 17.9 | - |
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1小麦休闲期、生长季和2004—2016年杨凌的平均月降水量
-->Fig. 1Monthly precipitation during the fallow and growing seasons of wheat in 2012-2016 and its average from 2004 to 2016 in Yangling
-->
本文在试验进行的2012—2016年连续取样测定。试验采用完全随机区组设计,重复4次,小区面积40 m2（4 m×10 m）。参考当地施肥量（纯N 160 kg·hm-2,P2O5 100 kg·hm-2）,设置的4个氮磷肥处理组合如表1。氮肥用尿素（含N 46%）,磷肥用重过磷酸钙（含P2O5 46%）,两者均作为基肥,于冬小麦播种前一次性撒施地表,旋耕翻入耕层土壤。由于当地土壤不缺钾,故不施用钾肥。供试小麦为当地常规品种小偃22,2012—2016四年的播量依次分别是150、195、135和135 kg·hm-2,行距15 cm,播种深度5 cm。耕作制度为冬小麦-夏季休闲,每年10月上、中旬播种,来年5月末或6月初收获。全生育期无灌溉,按当地农户习惯进行田间管理。
1.2 样品采集与测定指标
小麦收获时,每小区随机均匀选4个1 m2（1 m×1 m）样方,收割地上部,自然风干,脱粒机脱粒,称籽粒的风干重。取部分籽粒于65℃烘干至恒重,测定含水量,计算籽粒产量,以干重表示。同时采用盲抽法,在每小区随机均匀选100穗小麦,连根拔起,用不锈钢剪刀在根茎结合处剪去根系,植株地上部分为茎叶和穗,混合后作为该小区的植物分析样品。样品自然风干,穗手工脱粒,分为籽粒和颖壳（含穗轴）。取部分茎叶、颖壳和籽粒样品,用去离子水清洗3次,于90℃预烘30 min,65℃烘干至恒重,测定风干样品的含水量。烘干样品用碳化钨球磨仪（Retsch MM400,德国）粉碎,密封保存,备用。
植物全氮和全磷含量,用H2SO4-H2O2消解,连续流动分析仪（AA3,德国）测定;全锌含量,用HNO3-H2O2微波消解仪（Anton Paar Multiwave Pro Microwave Reaction System,奥地利）消解,电感耦合等离子体质谱仪（Thermo Fisher ICAP Q ICP-MS,美国）测定,氮、磷、锌含量均以干重表示。
锌吸收量（g·hm-2）= 生物量（kg·hm-2）× 锌含量（mg·kg-1）/ 1000 [18];
锌收获指数（%） = 籽粒锌吸收量（g·hm-2）/ 地上部锌吸收量（g·hm-2）× 100 [17,20];
氮（磷）锌比 = 氮（磷）含量（g·kg-1）/ 锌含量（mg·kg-1）× 1000 [21-23]。
1.3 统计分析
用DPS 7.05软件进行方差分析,采用最小极差法（Least Significant Difference,LSD）进行多重比较,显著性水平为5%。2 结果
2.1 长期施用氮磷肥对冬小麦产量和生物量的影响
从4年试验的平均结果（表2）看,与不施肥相比,单施氮肥会降低小麦籽粒产量,4年平均降幅为12%,表明在黄土高原旱地长期单施氮肥,会导致土壤养分不平衡,不利于小麦产量形成,导致产量下降。而单施磷肥和氮磷配施较不施肥,却使籽粒产量提高,4年平均分别提高15%和46%。其中,单施磷肥的小麦籽粒产量相对于氮磷配施处理,2012—2013年略高,但未达到显著水平,此后3年均显著低于氮磷配施处理,且产量逐年下降。说明在该地区土壤供磷能力是一个重要的养分限制因子,磷和氮的不平衡是严重影响作物产量的一个重要因素。Table 2
表2
表2长期施用氮磷肥对小麦产量、产量构成、生物量和收获指数的影响
Table 2Effects of long-term application of N and P fertilizers on grain yield, yield components, biomass, and harvest index of wheat
| 处理Treatment | 2012—2013 | 2013—2014 | 2014—2015 | 2015—2016 | 平均Mean |
|---|---|---|---|---|---|
| 籽粒产量Grain yield (kg·hm-2) | |||||
| 不施肥 CK | 2739b | 3537c | 5362b | 3114bc | 3688c |
| 单施氮肥 N160 | 2120c | 3092d | 4983b | 2856c | 3263d |
| 单施磷肥 P100 | 3945a | 4183b | 5053b | 3740b | 4230b |
| 氮磷配施 N160P100 | 3766a | 5027a | 6919a | 5838a | 5387a |
| 穗粒数Grain numbers per spike ear (grains/ear) | |||||
| 不施肥 CK | 27bc | 34ab | 30b | 35ab | 31b |
| 单施氮肥 N160 | 26c | 32b | 30b | 33bc | 30b |
| 单施磷肥 P100 | 28b | 34ab | 27c | 30c | 30b |
| 氮磷配施 N160P100 | 31a | 35a | 35a | 37a | 34a |
| 千粒重1000-grain weight (g) | |||||
| 不施肥 CK | 39a | 40bc | 39a | 39a | 39b |
| 单施氮肥 N160 | 39a | 39c | 40a | 40a | 39b |
| 单施磷肥 P100 | 40a | 41ab | 41a | 40a | 40a |
| 氮磷配施 N160P100 | 36b | 42a | 33b | 40a | 38c |
| 穗数Spike numbers (×104·hm-2) | |||||
| 不施肥 CK | 264b | 263b | 457b | 226c | 303c |
| 单施氮肥 N160 | 215c | 252b | 416b | 216c | 275d |
| 单施磷肥 P100 | 355a | 309a | 450b | 314b | 357b |
| 氮磷配施 N160P100 | 331a | 348a | 622a | 393a | 423a |
| 地上部生物量Shoot biomass (kg·hm-2) | |||||
| 不施肥 CK | 6098b | 7726bc | 13114b | 6833c | 8442c |
| 单施氮肥 N160 | 4833c | 6926c | 11813c | 6080c | 7413d |
| 单施磷肥 P100 | 8802a | 8776ab | 13058bc | 8527b | 9791b |
| 氮磷配施 N160P100 | 8150a | 10277a | 16513a | 11571a | 11628a |
| 收获指数Harvest index (%) | |||||
| 不施肥 CK | 45b | 46b | 41a | 46bc | 44b |
| 单施氮肥 N160 | 44b | 45b | 42a | 47b | 45b |
| 单施磷肥 P100 | 45b | 48a | 39b | 44c | 44b |
| 氮磷配施 N160P100 | 46a | 49a | 42a | 50a | 47a |
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与不施肥相比,长期单施氮肥的小麦穗粒数和千粒重无显著差异,但穗数却平均降低9%。单施磷肥的小麦千粒重、穗数平均分别提高3%和18%。氮磷配施的穗粒数、穗数平均分别提高10%和40%,千粒重年际间存在差异,但平均降低4%。表明在该地区氮肥和磷肥的施用主要通过影响穗数来影响产量。
长期单施氮肥可以降低小麦生物量,4年平均较不施肥低12%,2012—2013、2014—2015年达到显著。长期单施磷肥和氮磷配施能提高小麦生物量,4年平均与不施肥相比分别提高16%和38%。其中,单施磷肥的小麦生物量相对氮磷配施处理,2012—2013年略高,此后3年降低,2014—2015、2015—2016年降低达到显著水平。进一步说明在该地区长期单施氮肥不利于小麦生物量的形成,土壤供磷能力是该地区作物生长的关键养分限制因子,施用磷肥能够增加小麦生物量,并且氮磷配施相对于单施磷肥更有利于小麦生物量形成。
不同施肥处理对小麦收获指数的影响存在差异。就4年平均结果看,与不施肥相比,单施氮肥和单施磷对小麦收获指数无显著影响,但单施磷肥2013—2014年显著提高,2014—2015年显著降低;氮磷配施的平均值及2012—2013、2014—2015、2015—2016年的收获指数均显著提高。表明氮磷配施能够提高小麦干物质向籽粒的分配比例,有利于干物质向籽粒的累积,因而提高产量。
此外,4年中2012—2013年各处理的穗粒数、生物量和籽粒产量相对偏低。主要原因是2012—2013年小麦生育期降雨少（162 mm）,仅占生育期平均降雨的61%,且分布不均,特别是孕穗期（4月）,降雨量仅有13.2 mm,而灌浆期（5月）降雨量多达136.4 mm,占整个生育期降雨的84%,不利于籽粒灌浆和产量形成。说明在西北旱地,不仅充足的降水是保证小麦高产和稳产的主要因子,降水的生育期分布对小麦生物量、籽粒产量也会产生重要影响。
2.2 长期施用氮磷肥对冬小麦锌含量的影响
4年的平均结果（表3）表明,与不施肥相比,长期单施氮肥能显著提高小麦营养器官和籽粒的锌含量,4年平均分别提高63%和46%;长期单施磷肥可以降低小麦营养器官和籽粒的锌含量,4年平均分别降低27%和31%。与不施肥相比,氮磷配施处理的营养器官锌含量和籽粒锌含量虽然4年平均降低12%和8%,但营养器官的锌含量2012—2013、2013—2014年显著降低,2014—2015年却显著提高,籽粒的锌含量2012—2013、2013—2014年显著降低,2014—2015、2015—2016年却无显著变化。此外,与单施磷肥处理相比,氮磷配施的营养器官和籽粒锌含量,4年平均分别提高21%和32%,且除2012—2013年营养器官外,其余均达到显著。可见,施用氮肥能提高小麦籽粒的锌含量,施用磷肥却降低籽粒锌含量,而氮磷配施时氮肥能够减缓磷肥对小麦籽粒锌含量的不利影响。Table 3
表3
表3长期施用氮磷肥对小麦锌含量的影响
Table 3Effects of long-term application of N and P fertilizers on wheat Zn concentration
| 处理Treatment | 2012—2013 | 2013—2014 | 2014—2015 | 2015—2016 | 平均Mean |
|---|---|---|---|---|---|
| 营养器官锌含量Zn concentration in vegetative organs (mg·kg-1) | |||||
| 不施肥 CK | 11.1a | 10.9b | 4.9c | 7.2b | 8.5b |
| 单施氮肥 N160 | 10.9a | 19.5a | 13.1a | 12.2a | 13.9a |
| 单施磷肥 P100 | 9.3b | 6.3d | 4.0c | 5.4c | 6.2d |
| 氮磷配施 N160P100 | 8.6b | 7.8c | 6.9b | 6.8bc | 7.5c |
| 籽粒锌含量Grain Zn concentration (mg·kg-1) | |||||
| 不施肥 CK | 33.1b | 41.0b | 22.6bc | 20.9bc | 29.4b |
| 单施氮肥 N160 | 46.5a | 49.9a | 37.7a | 37.1a | 42.8a |
| 单施磷肥 P100 | 21.0d | 22.5d | 20.2c | 17.9c | 20.4d |
| 氮磷配施 N160P100 | 25.6c | 33.8c | 25.6b | 22.7b | 26.9c |
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2.3 长期施用氮磷肥对冬小麦锌吸收量及锌分配的影响
由表4可知,单施氮肥和氮磷配施还能提高小麦籽粒锌吸收量,与不施肥相比,4年平均分别提高29%和36%。单施氮肥在2014—2015、2015—2016年提高显著,配施磷肥在2013—2014、2014—2015、2015—2016年提高显著。单施磷肥也使小麦籽粒锌吸收量降低,4年平均较不施肥低19%,2013—2014、2014—2015年降低作用显著。说明氮肥不论是单施还是与磷肥配施均能够提高小麦籽粒锌吸收量,促进小麦籽粒锌的累积,而单施磷肥却不利于小麦籽粒锌的累积。Table 4
表4
表4长期施用氮磷肥对小麦锌吸收量和锌收获指数的影响
Table 4Effects of long-term application of N and P fertilizers on Zn uptake and Zn harvest index of wheat
| 处理Treatment | 2012—2013 | 2013—2014 | 2014—2015 | 2015—2016 | 平均Mean |
|---|---|---|---|---|---|
| 籽粒锌吸收量Grain Zn uptake (g·hm-2) | |||||
| 不施肥 CK | 91ab | 145b | 121b | 65c | 106b |
| 单施氮肥 N160 | 99a | 154ab | 188a | 106b | 137a |
| 单施磷肥 P100 | 83b | 93c | 102c | 67c | 86c |
| 氮磷配施 N160P100 | 97ab | 169a | 177a | 132a | 144a |
| 地上部锌吸收量Shoot Zn uptake (g·hm-2) | |||||
| 不施肥 CK | 128a | 191b | 159b | 92b | 143b |
| 单施氮肥 N160 | 128a | 229a | 278a | 145a | 195a |
| 单施磷肥 P100 | 127a | 122c | 134b | 92b | 119c |
| 氮磷配施 N160P100 | 134a | 211ab | 245a | 171a | 190a |
| 锌收获指数Zn harvest index (%) | |||||
| 不施肥 CK | 71b | 76b | 76a | 71b | 74ab |
| 单施氮肥 N160 | 77a | 68c | 68b | 73ab | 71b |
| 单施磷肥 P100 | 65c | 76b | 76a | 72b | 72b |
| 氮磷配施 N160P100 | 72b | 80a | 73a | 77a | 76a |
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同样,单施氮肥和氮磷配施也提高了小麦地上部锌吸收量,与不施肥相比,4年平均分别提高37%和34%,而且单施氮肥在2013—2014、2014—2015、2015—2016年提高达到显著,配施磷肥在2014—2015、2015—2016年提高达到显著（表4）。单施磷肥小麦地上部锌吸收量也降低,4年平均较不施肥低17%,2013—2014年达到显著。说明氮肥不论是单施还是与磷肥配施均可以提高小麦地上部锌吸收量,促进小麦地上部锌累积,减缓磷肥对小麦地上部锌累积的不利影响。
尽管单施氮肥的小麦锌收获指数2012—2013年显著提高（表4）,2013—2014、2014—2015年显著降低,单施磷肥处理的2012—2013年显著降低,氮磷配施处理的2013—2014、2015—2016年显著提高,但从4年的平均结果看,与不施肥相比,长期施氮磷肥对小麦锌收获指数无显著影响,与单施磷肥相比,氮磷配施可以提高小麦锌收获指数,促进锌由小麦营养体向籽粒的转移。
2.4 长期施用氮磷肥对冬小麦氮锌比和磷锌比的影响
氮锌比、磷锌比是植物体内氮锌、磷锌营养平衡的重要指标[21-23],可以说明是氮与锌或磷与锌相互作用,反映作物氮磷锌养分相对吸收的情况。4年平均的结果（表5）表明,与不施肥相比,单施氮肥能降低小麦地上部氮锌比和磷锌比,4年平均分别降低13%和45%;单施磷肥和氮磷配施可以提高地上部氮锌比、磷锌比,单施磷肥处理的平均分别提高19%和83%,氮磷配施处理的平均分别提高43%和27%。但与单施磷肥处理相比,氮磷配施的地上部磷锌比4年平均却降低31%。说明单施氮肥可以促进小麦地上部锌相对氮、磷的吸收,而磷肥不论是单施还是与氮肥配施,均抑制了小麦地上部锌相对氮、磷的吸收,但氮磷配施能够减缓单施磷肥对小麦锌吸收的不利影响。Table 5
表5
表5长期施用氮磷肥对小麦地上部氮锌比和磷锌比的影响
Table 5Effects of long-term application of N and P fertilizers on N/Zn and P/Zn ratio in shoot of wheat
| 处理Treatment | 2012—2013 | 2013—2014 | 2014—2015 | 2015—2016 | 平均Mean |
|---|---|---|---|---|---|
| 地上部氮锌比 Shoot N/Zn ratio | |||||
| 不施肥 CK | 530c | 450b | 641b | 627b | 562c |
| 单施氮肥 N160 | 483d | 382c | 539c | 554c | 489d |
| 单施磷肥 P100 | 698b | 641a | 665b | 667b | 668b |
| 氮磷配施 N160P100 | 751a | 661a | 899a | 894a | 801a |
| 地上部磷锌比 Shoot P/Zn ratio | |||||
| 不施肥 CK | 56c | 58c | 87c | 77c | 70c |
| 单施氮肥 N160 | 38d | 35d | 40d | 39d | 38d |
| 单施磷肥 P100 | 94a | 140a | 137a | 140a | 128a |
| 氮磷配施 N160P100 | 76b | 89b | 98b | 90b | 88b |
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3 讨论
3.1 长期施用氮磷肥与冬小麦产量
氮是限制小麦生长的主要营养因子,合理施用氮肥可以提高小麦的光合能力,增加有效分蘖,从而提高小麦产量[24]。但本研究发现,长期单施氮肥的冬小麦产量显著降低。主要原因是长期单施氮肥作物带走了土壤中的磷,引起土壤供磷不足,如2013年该处理播前0—20 cm土层土壤速效磷含量仅有1.8 mg·kg-1（表1）,导致小麦分蘖减少,分蘖成穗率低,穗数和生物量下降,从而籽粒产量降低。南方红壤土上1990年开始的长期定位试验显示,连续单施氮肥10年后的小麦产量较不施肥显著降低,甚至绝收[25]。黄土高原黑垆土上1978年开始的定位试验也表明,在连续单施氮肥22年后（2001年）的小麦产量与不施肥相比显著降低[26]。此外,黄土高原石灰性土壤上1984年开始的定位试验显示,单施氮肥（120 kg N·hm-2）的小麦产量,1991年和2001年较不施肥分别高80%和9%,而2011年却低12%,比氮磷配施的3年依次低58%、51%和66%[27]。说明长期单施氮肥导致的土壤磷素过度消耗、氮磷营养不平衡是制约小麦产量提高的主要原因。小麦是对磷反应较敏感的作物,在土壤速效磷含量低的土壤或重施氮肥轻施磷肥的地区,合理配施磷肥能有效促进作物根系生长,提高作物对土壤水分和养分的利用,增强光合作用能力,增加干物质累积量,提高穗粒数、千粒重和穗数,从而增加其产量[28-30]。在本研究中,长期单施磷肥与不施肥相比可以提高冬小麦的产量,并且增产效应在2012—2013、2013—2014年达到显著。长期单施磷肥的小麦表现出增产,主要是施磷提高了小麦穗数,但其并不稳产,在有些年份增产效应并未达到显著。在淮北平原的砂姜黑土、白散土和灰潮土上,长期单施磷肥（60 kg P2O5·hm-2）,冬小麦14年的平均产量也较不施肥分别提高49%、57%和39%[25]。但在黄土高原石灰性土壤上1984年开始的定位试验显示,单施磷肥（60 kg P2O5·hm-2）的小麦产量,在1991和2001年与不施肥无显著差异,而在2011年却降低了29%[27]。说明要维持作物长期高产稳产必须平衡施肥,连续偏施任何一种养分都会对作物产量造成不利影响。
本试验条件下,氮磷配施与不施肥相比显著提高了小麦产量,4年的增产效应均达到显著,主要原因是氮磷配施不仅增加了穗数、穗粒数,还提高了收获指数,有利于干物质向籽粒的累积,与单施磷肥相比,能更好的增产和稳产。在该地区1990— 2002年的定位研究也显示,氮磷配施（165 kg N·hm-2,132 kg P2O5·hm-2）的小麦持续增产,且年际间波动较小[31]。与此类似,对中国1981年来70多个长期定位研究总结发现,氮磷肥配施和氮磷钾肥配施相对不施肥均可增产,并且氮磷钾肥配施相对氮磷肥配施能更好的增产和稳产[32]。可见,在土壤不缺钾的黄土高原旱地,氮磷配施是保证高产和稳产的重要措施。
3.2 长期施用氮磷肥与冬小麦锌含量
近年来,施用氮肥提高小麦籽粒锌含量的作用引起了人们的重视,认为主要原因是施用氮肥能够促进小麦根系锌吸收,增强根系锌向地上部转移,提高地上部锌吸收量,促进营养器官中更多的锌向籽粒再转移,从而使籽粒锌含量提高[33-36]。本研究也显示,单施氮肥可以提高小麦籽粒锌含量。但从研究结果总体来看,长期单施氮肥并没有提高小麦锌的收获指数、促进地上部锌向籽粒的分配,而是通过增强锌相对于氮、磷的吸收,提高地上部锌吸收总量,才使籽粒锌含量得以提高。另外,单施氮肥的小麦产量4年平均降低12%,产量降低引起的养分富集效应,也应是籽粒锌含量提高的重要原因。此外,2012—2013年单施氮肥的小麦地上部锌吸收量并没有提高,可能与这一年生育期降雨严重偏少有关,特别是孕穗期（4月）,降雨量仅有13.2 mm,降水少影响了小麦对锌的吸收。这与我们在旱地小麦孕穗期补充灌水,提高籽粒锌含量的试验结果一致[37],表明在旱地石灰性土壤上,改善小麦生育期土壤水分供应情况对提高小麦锌营养水平也具有重要意义。在本研究中,单施磷肥使小麦籽粒锌含量降低,与其他多数小麦试验的结果一致[18-20,23,39],但也有一些研究发现施磷肥提高了小麦籽粒锌含量[40]。关于施用磷肥降低小麦籽粒锌含量的原因和机制,可能与施用磷肥引起的作物根系形态变化有关,也可能是施磷导致与作物根系共生的菌根数量减少,影响了根系对锌的吸收能力[40-41]。还有研究发现施磷可以降低根系分泌活化土壤锌的低分子有机酸,从而减少了作物的锌吸收[42]。此外,也有研究认为是因为施磷促进了作物生长,小麦籽粒产量显著提高,引起了养分稀释效应,导致籽粒锌含量降低[39]。从本试验的结果可知,单施磷肥尽管没有显著降低小麦锌收获指数、不影响地上部锌向籽粒的分配,但地上部锌相对于氮、磷的吸收却受到抑制,地上部锌吸收量、籽粒锌吸收量显著降低。而且籽粒产量,与不施肥相比4年平均提高15%。说明单施磷肥一方面通过抑制锌的吸收降低小麦籽粒锌含量,另一方面也会因产量提高引起的养分稀释效应降低小麦籽粒的锌含量。
与单施磷肥一样,氮磷配施与不施肥处理相比,也使小麦籽粒锌含量显著降低。主要原因是氮磷配施不仅抑制了小麦地上部锌相对于氮、磷的吸收,而且还显著提高了籽粒产量,引起了养分的稀释效应。但与单施磷肥处理相比,氮磷配施能显著降低地上部磷锌比,提高地上部锌吸收量、锌收获指数,从而显著提高小麦籽粒锌含量。说明氮磷肥配施能够减缓单施磷肥引起的小麦锌相对于磷吸收受到的抑制,减缓磷肥对小麦锌累积的不利影响。因此,在西北黄土高原旱地农业生产中,为实现高产、稳产和优质的目标,应该考虑氮磷肥配施,以减少磷肥对作物锌含量的不利影响。华北地区的田间试验发现,施198 kg N·hm-2、120 kg P2O5·hm-2时,小麦籽粒锌含量和产量显著增加,进一步提高氮肥用量,产量和籽粒锌含量增加不显著[15]。在黄土高原旱地的研究表明,降水正常的年份,氮磷用量为160 kg N·hm-2、50—100 kg P2O5·hm-2 时,小麦籽粒产量可维持在5 900—6 400 kg·hm-2、锌含量32—35 mg·kg-1的较高水平,再增加氮肥量,籽粒锌含量虽可提高,但产量增加不明显[18]。因此,为实现高产、稳产和优质的目标,该地区小麦施氮量应保持在160 kg N·hm-2左右,施磷量保持在50—100 kg P2O5·hm-2。
4 结论
在本试验条件下,长期施用氮磷肥显著影响小麦籽粒的产量和锌累积量。单施氮肥可以促进小麦锌吸收,提高籽粒锌含量,但它却降低小麦穗数,不利于籽粒产量形成。单施磷肥虽然提高了籽粒产量,却抑制了小麦锌吸收,不利于籽粒锌累积,降低籽粒锌含量。氮磷配施与单施磷肥相比,不仅提高了籽粒产量,还提高了籽粒锌含量,减少了磷肥对作物锌含量的不利影响。因此,黄土高原旱地小麦生产中为保证高产、优质,需氮磷肥合理配施以改善籽粒锌营养。The authors have declared that no competing interests exist.
