0 引言
【研究意义】锌是生物体必需的微量元素,在多种生理生化过程中发挥着重要作用[1]。在人体免疫、神经、生殖等系统中,锌是众多代谢酶和转录因子的重要组分[2]。在植物清除活性氧,维持生物膜结构和蛋白质稳定性等方面锌也发挥着重要作用[3]。然而,世界谷物产区约50%的土壤缺乏有效锌,导致谷物锌含量较低[4]。由于低锌谷物不能满足人体营养需求,人体缺锌广泛存在于以谷类作物为主食的国家和地区[4-6]。小麦是世界三大粮食作物之一,也是人体矿质养分的重要来源。在中国,小麦制品提供了人体约20%的锌[7]。从人体健康的角度,小麦籽粒全锌推荐含量为40—60 mg·kg-1[4]。中国北方小麦产区土壤全锌和有效态锌含量均低于全国平均水平,有效态锌多低于0.5 mg·kg-1的缺锌临界值[8]。LIU等[9]收集和研究中国各地的小麦样品发现,春小麦和冬小麦籽粒锌平均含量分别为30.4 和30.3 mg·kg-1,有88%和87%的样品低于推荐锌含量。ZHANG等[10]在华北的研究发现,种植在同一地点的265个冬小麦品种,籽粒锌含量均值为32.3 mg·kg-1。可见,中国小麦籽粒锌含量较低,提高小麦籽粒锌含量对于改善中国居民人体营养有着重要意义。【前人研究进展】作物锌强化有3个途径：遗传育种、基因工程和农艺措施。前两者优点是可持续,但见效慢且经济成本高[4]。农艺措施中,施锌的小麦籽粒锌强化效果明显,但由于农民对锌肥认识有限,其主要考虑小麦生产的经济效益,而施锌需要额外的经济和劳动力投入,因此在生产中尚难广泛应用。不少研究也表明,施用氮、磷等肥料及灌溉对小麦锌强化也有重要意义。ERENOGLU等[11-12]的水培和土培试验都发现施氮能够促进锌从营养器官向籽粒转移,提高小麦籽粒锌含量。河北的田间试验结果表明,与不施氮相比,施氮198 kg·hm-2的小麦籽粒锌含量从21.5 mg·kg-1提高到30.9 mg·kg-1[13]。江淮地区的田间试验也显示,与施氮180 kg·hm-2相比,施氮300 kg·hm-2能将小麦籽粒锌含量提高23%[14]。氮、锌之间存在协同作用,而磷与锌则存在拮抗作用。盆栽试验显示,小麦地上部锌含量随施磷量增加而显著降低,降幅甚至超过50%[15]。长期定位试验表明,与不施磷相比,施磷67.5和135 kg·hm-2的小麦籽粒锌含量分别减少27%和33%[16]。在陕西渭北的田间试验发现,小麦生育期灌水能不同程度提高小麦籽粒锌含量和锌肥利用率[17]。【本研究切入点】无论施肥还是灌溉,都必须以土壤为介质来调控作物锌营养,且目前的研究以单一或者少数因素与小麦籽粒锌含量的关系为主,对农户之间小麦籽粒锌含量变异及其与主要土壤性状之间的关系还鲜有报道。前期笔者在黄土高原旱地典型缺锌土壤区的田间调研发现,在气候、土壤等条件一致或者近似的一个区域或同一个村庄的不同田块,不施锌肥时同一品种小麦籽粒锌含量有明显变化,介于20—40 mg·kg-1（未发表）。这说明在缺锌的土壤上,即使不施锌肥,通过其他常规的栽培措施或是土壤因素的变化,也可以显著改变小麦籽粒锌含量,甚至达到推荐的锌含量标准。【拟解决的关键问题】基于这一发现,本研究在黄土高原旱地不同区域、多个地点实地调研,采集并测定分析土壤和小麦植株样品,研究小麦籽粒锌含量和土壤性状等因素的关系,旨在明确导致田块间小麦籽粒锌含量差异的原因,为有效提高缺锌或潜在缺锌土壤上小麦籽粒锌含量提供理论依据。1 材料与方法
1.1 研究地域概况
研究于2015和2016年在黄土高原旱作农业区进行,小麦种植均依靠天然降水、无灌溉。2015年的取样地点为山西省洪洞县东梁村、闻喜县邱家岭村、垣曲县鲁家坡村;陕西省合阳县七一村、耀州区杨家庄村、永寿县御中村;甘肃省通渭县常河村,共7县。2016年为山西省洪洞县西义村、闻喜县上院村、垣曲县鲁家坡村;陕西省合阳县白家庄村、永寿县永寿村、千阳县千塬村共6县的不同地块。研究区域东西横跨约600 km（东经105°11′8" — 111°43′1"）,南北间距约190 km（北纬34°44′14" — 36°23′2"）。冬小麦是当地主要粮食作物,播种时间为9月下旬至10月初,收获时间为6月初至6月底。该区域年均气温6.6 — 14.0℃,2015和2016年平均降雨量分别为573、494 mm（图1）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1采样地点2015和2016年夏闲期和小麦生育期降雨量
-->Fig. 1Precipitation in the summer fallow and winter wheat growing season at sampling sites in 2015 and 2016
-->
1.2 调查取样
分别于2015和2016年的4—5月,对上述地点的农户进行了实地调研,其中2015年调研农户数为：山西洪洞、闻喜、垣曲分别36、35和31户,陕西合阳、耀州、永寿各25户,甘肃通渭22户;2016山西洪洞、闻喜、垣曲,陕西合阳、永寿、千阳均30户。调查内容包括小麦品种、肥料用量、栽培管理措施、病虫害防治等指标,并于冬小麦成熟期采集各调查农户相应田块的土壤及植株样品。本研究共涉及379个地块,30多个小麦品种,品种出现频数最少的1次,最多的74次,还有部分农户不清楚所种品种名称,但均为各地农技部门推广的主栽品种。部分农户接受过当地农技推广部门的施肥技术培训和肥料企业的施肥宣传,但最终施肥量还是由农户自己确定,不同农户间施肥差异较大,关于施肥与小麦产量、锌含量的关系,将另文分析。冬小麦收获时,在采样的农户地块中划出能代表该地块小麦长势的10 m×5 m采样区,首先在其中随机选择3个1 m×4行的样方,测定每个样方内的小麦穗数及行宽,计算公顷穗数。然后采用“盲抽法”随机采集约100个穗的小麦植株,即不看麦穗大小,直接从10—20个样点将小麦植株由基部连根拔起,同一地块的盲抽植株混合后用不锈钢剪刀于根茎结合处剪掉根系,地上部作为一个考种和化学分析样品。风干后,称量茎叶风干重、穗风干重后,穗脱粒,称量风干籽粒重,测定千粒重,计算穗粒数。取部分风干茎叶、颖壳、籽粒烘干测定含水量,进而计算小麦的产量、生物量。小麦的生物量、籽粒产量、千粒重均以烘干重表示。部分烘干的籽粒、茎叶、颖壳样品用去离子水轻轻洗去表面尘土等杂质,65℃烘干至恒重,用碳化钨球磨仪（RetschMM400,德国）磨细,塑料自封袋密封保存,用于锌含量测定,植物锌含量的单位以烘干重表示。
在取样区内随机选择3个样点,以20 cm为一层采集0—100 cm土层样品,同层土壤均匀混合,作为一个分析样品,迅速装入做好标记的塑料袋中带回实验室,鲜土及时测定土壤水分,剩余土样风干后分别过0.15 mm和1 mm筛子。过0.15 mm筛的土样用来测定有机质、全氮,过1 mm筛的土样用来测定硝铵态氮、有效磷、速效钾、pH、有效态铁锰铜锌。
1.3 样品测定方法
磨细的植物样用HNO3-H2O2微波消解仪（Anton- Paar,奥地利）消解,电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS,德国）测定消解液中的锌含量。土壤有机质用重铬酸钾外加热法测定;全氮用浓硫酸加混合催化剂法（K2SO4﹕CuSO4=10﹕1）消解、连续流动分析仪（AA3,德国）测定;硝、铵态氮用1 mol·L-1的KCl浸提,土水比为1﹕10,震荡1 h后过滤,连续流动分析仪测定。有效磷用0.5 mol·L-1的NaHCO3浸提,土水比为1﹕20,震荡30 min后过滤,连续流动分析仪测定;速效钾用1 mol·L-1的NH4OAc浸提,土水比为1﹕10,震荡30 min后过滤,火焰光度计测定。所有震荡浸提的转速均为120 r/min。土壤pH用pH计测定,土水比为1﹕2.5。土壤有效态铁锰铜锌用pH 7.30的二乙三胺五乙酸·氯化钙·三乙醇胺（DTPA-CaCl2-TEA）缓冲溶液浸提,土水比1﹕2,原子吸收分光光度计（日立Z-2000,日本）测定。
1.4 数据计算与统计分析
2015和2016年的调研样本量分别为 199和 180个,籽粒锌含量平均值分别为（29.0±7.4）和（28.1±7.1）mg·kg-1,且两年平均值无显著性差异（P=0.184）,因此将2015和2016年小麦籽粒全锌含量数据合并后从低到高排序,通过等样本容量分组的方法分成低锌、偏低、中锌、偏高、高锌5组（表1）。采用Microsoft Excel 2013整理数据,SPSS 22.0进行平均数的差异显著性检验和多重比较、Pearson相关分析,用SigmaPlot 12.5作图。Table 1
表1
表1调研样本的小麦籽粒锌含量分组
Table 1Grouping of samples based on winter wheat grain zinc concentrations
| 分组 Groups | 籽粒锌含量 Grain Zn (mg·kg-1) | 样本数 Sample size | 平均值 Mean (mg·kg-1) |
|---|---|---|---|
| 低锌Low Zn | 12.2-22.5 | 76 | 19.0 |
| 偏低Medium-low | 22.5-26.2 | 76 | 24.2 |
| 中锌Medium Zn | 26.2-30.3 | 76 | 28.1 |
| 偏高Medium-high | 30.3-34.7 | 76 | 32.4 |
| 高锌High Zn | 34.9-50.7 | 75 | 39.2 |
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2 结果
2.1 不同年份和地区小麦籽粒锌含量
两年的取样分析表明,不同地区的小麦籽粒锌含量有较大变异。小麦籽粒锌含量介于12.2—50.7 mg·kg-1,两年平均为28.6 mg·kg-1,锌含量最高值为最低值的4.2倍（表2）。统计结果显示,2015和2016年分别有9%和11%的小麦籽粒锌含量低于20 mg·kg-1,47%和49%的锌含量介于20—30 mg·kg-1,37%和34%的锌含量介于30—40 mg·kg-1,两年均有7%的样本超过40 mg·kg-1。Table 2
表2
表2不同采样年份和地点的小麦籽粒锌含量及变异情况
Table 2Wheat grain zinc concentrations and its variation among sampling year-sites
| 年份 Year | 地点 Site | 样本量 Sample size | 平均值 Mean (mg·kg-1) | 最大值 Maximum (mg·kg-1) | 最小值 Minimum (mg·kg-1) | 中位数 Median (mg·kg-1) | 标准差 Standard error (mg·kg-1) | 变异系数 Coefficient of variation (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2015 | 垣曲Yuanqu | 36 | 26.3 | 36.4 | 18.0 | 25.4 | 4.0 | 15.1 |
| 闻喜Wenxi | 35 | 33.0 | 48.0 | 19.9 | 33.1 | 5.3 | 15.9 | |
| 洪洞Hongtong | 31 | 33.6 | 44.8 | 25.8 | 33.2 | 5.2 | 15.6 | |
| 通渭Tongwei | 22 | 19.6 | 25.5 | 12.2 | 19.8 | 4.1 | 21.0 | |
| 合阳Heyang | 25 | 37.6 | 50.7 | 29.5 | 37.1 | 5.4 | 14.3 | |
| 耀州Yaozhou | 25 | 26.3 | 39.2 | 12.2 | 25.9 | 5.4 | 20.6 | |
| 永寿Yongshou | 25 | 24.2 | 36.5 | 14.7 | 23.9 | 5.2 | 23.3 | |
| 2016 | 垣曲Yuanqu | 30 | 26.6 | 43.5 | 13.5 | 25.8 | 6.4 | 24.2 |
| 闻喜Wenxi | 30 | 32.5 | 44.7 | 22.5 | 32.6 | 5.1 | 15.8 | |
| 洪洞Hongtong | 30 | 34.8 | 49.4 | 25.7 | 33.4 | 6.3 | 18.1 | |
| 合阳Heyang | 30 | 28.4 | 37.9 | 22.1 | 27.8 | 4.2 | 14.7 | |
| 永寿Yongshou | 30 | 22.6 | 41.1 | 15.2 | 20.4 | 6.4 | 28.2 | |
| 千阳Qianyang | 30 | 23.6 | 35.4 | 16.2 | 23.5 | 4.9 | 20.7 |
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小麦籽粒锌含量的年际变化较小,2015和2016年平均含量分别为29.0和28.1 mg·kg-1,无显著差异。2015年山西、陕西、甘肃平均锌含量分别为30.8,29.4和19.6 mg·kg-1,2016年山西、陕西分别为31.3和24.9 mg·kg-1。从不同地点来看,以甘肃通渭最低。同一地点,锌含量极差（最高值与最低值的差值）介于13.3—30.0 mg·kg-1。可见,在不施锌肥条件下,同一地点不同田块间的籽粒锌含量存在较大差异。
对两年379个籽粒锌含量数据分组发现,低锌、偏低、中锌、偏高、高锌的5组中,锌含量平均值分别为19.0、24.2、28.1、32.4、39.2 mg·kg-1（表1）。
2.2 小麦籽粒锌含量与土壤性质的相关关系
从两年的总体情况（表3）来看,0—100 cm各土层水分含量和有效铁、多数土层的pH和有效磷、表层0—40 cm的有效锰和有效铜均与小麦籽粒锌含量呈显著负相关;表土层（0—20 cm）土壤硝态氮、速效钾、有效锌与籽粒锌含量呈极显著正相关;各土层土壤有机质和全氮含量、多数土层的铵态氮含量均与籽粒锌含量没有显著相关关系。从相关系数绝对值来看,0—100 cm各土层水分含量和0—80 cm土层有效铁含量与籽粒锌含量的相关系数都介于0.31—0.44,仅80—100 cm有效铁低于0.30,故从相关系数角度来看,水分和有效铁对籽粒锌含量影响最大。Table 3
表3
表3小麦籽粒锌含量与土壤主要理化性状的相关系数 (n=379)
Table 3Pearson coefficients of correlation between wheat grain zinc concentration and the main soil properties
| 土层 Depth (cm) | 水分 Moisture | pH | 有机质 Soil organic matter | 全氮 Total N | 铵态氮 NH4+-N | 硝态氮 NO3--N | 有效磷 Oslen-P | 速效钾 Available K | 有效铁 DTPA-Fe | 有效锌 DTPA-Zn | 有效锰a) DTPA-Mn | 有效铜a) DTPA-Cu |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0-20 | -0.38** | -0.20** | 0.06 | 0.01 | 0.05 | 0.21** | -0.08 | 0.25** | -0.39** | 0.16** | -0.17* | -0.17* |
| 20-40 | -0.38** | -0.03 | 0.04 | -0.06 | -0.00 | 0.01 | -0.12* | 0.05 | -0.44** | 0.08 | -0.19* | -0.18* |
| 40-60 | -0.32** | -0.12* | 0.00 | -0.07 | -0.10 | 0.01 | -0.20** | -0.05 | -0.39** | -0.10 | -0.08 | -0.14 |
| 60-80 | -0.33** | -0.16** | -0.03 | -0.03 | -0.15** | 0.08 | -0.25** | -0.05 | -0.34** | -0.13** | -0.14 | -0.11 |
| 80-100 | -0.31** | -0.20** | -0.01 | -0.04 | -0.09 | 0.11* | -0.26** | -0.01 | -0.25** | -0.09 | -0.10 | -0.23** |
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2.3 小麦籽粒锌含量与土壤水分、pH的关系
对籽粒锌含量不同的田块土壤水分（图2-a）分析表明,0—100 cm土层剖面各层的水分含量均是低锌组>中锌组>高锌组。低锌组各层土壤水分均高于10%,介于10.3%—11.2%,平均为10.6%。中锌、高锌组各层水分含量均低于10%,分别介于8.6%—9.6%和7.8%—8.9%,平均为9.1%和8.2%。水分的剖面分布也因籽粒锌含量不同而有差异。低锌组0—20 cm土层水分高于20—100 cm土层,高锌组0—40 cm土层水分低于40—60 cm土层。可见,土壤表层水分消耗多、收获期土壤水分含量低的田块,小麦籽粒锌含量高,反之则籽粒锌含量低。对土壤的pH（图2-b）分析表明,0—100 cm各土层的土壤pH均以低锌组最高。0—20 cm土层也是高锌组<中锌组,其他土层则是高锌组>中锌组。0—20 cm土层,高、中、低锌组土壤的pH分别为8.33、8.36和8.45,20—100 cm土层各组的平均值分别为8.43、8.41和8.52。从表层至深层,中、高锌组pH均先升高再逐渐降低,以20—40 cm最高,分别为8.44和8.46,低锌组0—60 cm的土壤pH随深度增加而逐渐增加,60 cm以下pH基本保持稳定,平均为8.52。由此可见,土壤pH高的田块小麦籽粒锌含量较低,较低的土壤pH,特别是表层土壤pH降低有利于小麦籽锌含量提高。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2小麦籽粒锌高、中、低含量组的0—100 cm土层水分含量和pH(图中误差线均为均数标准误。*和**分别表示同一土层各组平均值间差异达0.05和0.01显著水平。下同)
-->Fig. 2The distribution of soil moisture and pH in 0-100 cm soil profile of high, medium and low grain zinc groups(Error bars represent standard error of means. * and ** indicate the difference among means at the same soil layers is significant at 0.05 and 0.01 level, respectively. The same as below)
-->
2.4 小麦籽粒锌含量与土壤硝态氮、有效磷、速效钾的关系
对土壤硝态氮（图3-a）的分析表明,0—20 cm土层硝态氮含量高的麦田,籽粒锌含量较高。高、中、低锌3组0—20 cm土层硝态氮含量分别为23.4、14.8和6.8 mg·kg-1。在20—100 cm土层,低锌组的硝态氮含量仍较低,高、中、低锌3组的土壤硝态氮含量平均分别为6.6、7.4和5.0 mg·kg-1。从剖面分布来看,硝态氮含量均呈随土层深度增加而降低的趋势。可见,土壤中充足的氮素供应有利于小麦籽粒锌的累积和含量提高。对土壤有效磷（图3-b）的分析表明,土壤有效磷主要集中在0—20 cm土层,由表层向深层依次降低,且各层土壤有效磷呈现出低锌组>中锌组>高锌组的趋势。高、中、低锌组0—20 cm土层有效磷分别为12.1、12.7和15.4 mg·kg-1,20—40 cm土壤分别为4.0、5.7和6.0 mg·kg-1,40—100 cm土层的平均值分别为1.1、1.4和2.7 mg·kg-1。可见,过高的有效磷水平不利于小麦籽粒锌积累。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3小麦籽粒锌高、中、低含量组的0-100 cm土层硝态氮、有效磷、速效钾含量
-->Fig. 3The distribution of soil nitrate-N, Oslen-P and available potassium concentrations in 0-100 cm soil profile of high, medium and low grain zinc groups
-->
对土层速效钾（图3-c）的分析表明,0—20 cm土壤速效钾较高的土壤小麦籽粒锌含量较高。由表层向深层,速效钾逐渐降低。表层土壤速效钾为高锌组（150 mg·kg-1）>中锌组（129 mg·kg-1）>低锌组（118 mg·kg-1）;20—40 cm各组速效钾没有显著差异,都在100 mg·kg-1左右;40 cm以下土层都以低锌组最高,中锌组最低,且二者有极显著差异。可见,提高表层土壤速效钾含量有助于提高小麦籽粒锌含量。
2.5 小麦籽粒锌含量与土壤有效态铁锰铜锌的关系
土壤有效态铁锰铜锌的测定表明,随着土层深度增加,土壤有效锌（图4-a）逐渐降低,0—20 cm表层土壤有效锌含量为高锌组>中锌组>低锌组,分别为0.54、0.51和0.40 mg·kg-1,40 cm以下土层,低锌组麦田土壤有效锌含量反而有偏高的趋势,60—100 cm土层高、中、低锌组的土壤有效锌含量平均分别为0.07、0.07和0.09 mg·kg-1。与有效锌的情况相反,深层土壤有效铁（图4-b）有增加趋势,特别是低锌和高锌组的土壤,而且各层土壤有效铁均以低锌组>中锌组>高锌组,0—20 cm 土壤有效铁3组平均分别为5.09、4.27和3.20 mg·kg-1,20—100 cm土层3组平均分别为5.15、4.05和3.26 mg·kg-1。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4小麦籽粒锌高、中、低含量组的0—100 cm土层DTPA-Zn、Fe、Mn、Cu含量与分布
-->Fig. 4The distribution of soil DTPA-extractable Zn, Fe, Mn and Cu in 0-100 cm soil profile of high, medium and low grain zinc groups
-->
土壤有效锰（图4-c）和有效铜（图4-d）的情况与有效铁类似,高锌组土壤有效锰和铜较低,而低锌组较高。0—20 cm土层中,高、中、低锌组的土壤有效锰分别为10.58、10.38和11.28 mg·kg-1,有效铜分别为1.03、1.38和1.53 mg·kg-1,20—100 cm土层有效锰分别为5.78、5.51和6.31 mg·kg-1,有效铜分别为0.79、0.87和0.99 mg·kg-1。与有效铁不同的是,随着土层深度增加,土壤有效锰和有效铜逐渐降低。
因此,在研究区域提高土壤表层的有效锌含量有助于提升小麦籽粒锌含量,而土壤中较高的铁、锰、铜含量不利于小麦籽粒锌的含量提高。
3 讨论
3.1 不同农户麦田的小麦籽粒锌含量差异
对黄土高原旱地不同农户麦田的多点调研发现,在潜在性缺锌土壤上,即使不施锌肥,不同区域农户田块的小麦籽粒锌含量变异也可达到38.5 mg·kg-1,介于12.2—50.7 mg·kg-1。特别是在山西垣曲,虽为同一地点、同一品种,不同地块间籽粒锌含量变异仍相当明显,介于13.5—43.5 mg·kg-1。在塞尔维亚93个地点的调查也发现,田间小麦籽粒锌含量变异可超过30 mg·kg-1,介于10.7—42.8 mg·kg-1[18]。法国的研究也发现即使同一品种小麦不同地点间籽粒锌含量变化也很大,介于14—43 mg·kg-1[19]。说明在基因型之外,因为种植条件不同,小麦籽粒锌含量变异广泛存在。这种变异可能与品种间的锌吸收利用能力有关[20],但同一品种在相同的气候和田间管理条件下种植,不同地块间籽粒锌含量仍有明显变异,只能说明这种变异与土壤条件有着更密切的关系。就土壤锌研究而言,以往的研究主要限于0—40 cm表层土壤,观测指标主要为有效磷、DTPA浸提态铁锰铜锌等。小麦是一种深根系作物,特别是在旱地,其生育时期通常处于一年之中的旱季,不仅从表层吸收养分和水分,也能深入深层土壤吸收大量养分和水分。因此,本文不仅研究表层土壤,同时还分析了深层土壤水分、pH、大量和微量养分与小麦籽粒锌的关系。3.2 小麦籽粒锌含量差异与土壤水分与pH的关系
研究表明,在黄土高原旱地麦田,土壤水分含量和pH是影响小麦籽粒锌含量的重要因素。小麦籽粒锌含量与成熟期土壤水分呈显著负相关,0—100 cm土层水分含量平均低于7.7%时,籽粒锌含量平均可达39.2 mg·kg-1,即在相同的气候、土壤条件下,小麦生长期消耗的水分多,则有利于籽粒锌累积和含量提高。原因可能是土壤锌主要通过扩散从土壤向根系运输,在有效锌缺乏的情况下,土壤水分对于土壤锌向根系转运至关重要[21]。在西北旱地小麦的补充灌溉试验发现,越冬期灌水能显著提高籽粒锌含量[22],在返青和孕穗期灌水也有增加籽粒锌含量的趋势[17],还有研究发现小麦蒸散量与籽粒锌含量正相关[23]。小麦生长过程中从土壤中吸收和消耗的水分多,就能为非根际土壤中的锌向根际土壤移动和促进作物吸收创造更有利的条件。由于研究区域为中国西北旱作农业区,降水主要集中在小麦播种前的夏闲季,小麦生长季干旱少雨,水分消耗主要来自土壤中贮存的夏闲期降水（图1）,生长期作物消耗的土壤水分越多,收获期土壤残留的水分就越少,因此结果表现为成熟期土壤水分含量越低,小麦籽粒锌含量越高。小麦籽粒锌含量与成熟期土壤pH呈负相关,当0—20 cm表层土壤pH平均值由8.45降低到8.33时,小麦籽粒锌含量可由19.0平均提高到39.2 mg·kg-1。Zn2+是土壤有效锌的主要形式,其活性与土壤溶液中质子活性的平方呈正比,因此pH越高Zn2+溶解度越低[24]。在较高的pH条件下,土壤固相表面可变负电荷的增加会引起Zn2+沉淀以及被矿物吸附,从而降低其有效性,石灰性土壤典型的特征是较高的碳酸钙含量,其pH往往大于8.0,随着pH升高,碳酸钙矿物表面会形成具有更强吸附能力的含铁氧化物包膜,从而加剧对土壤有效锌的吸附,导致锌有效性降低[25]。pH从8.0升高至8.3,碳酸钙和含铁氧化物对锌的吸附强度会分别增加2和7倍[26]。本研究中90%以上田块的表层土壤pH在8.00—8.86范围,20—40 cm土层 pH往往更高,而低锌组土壤pH以40—60 cm土层最高,故较高的pH对土壤锌有效性的影响不可低估。
3.3 小麦籽粒锌含量差异与土壤硝态氮、有效磷、速效钾的关系
不同农户田块的土壤分析表明,土壤硝态氮、有效磷、速效钾也影响籽粒锌含量。氮、钾与锌之间存在协同作用,而磷和锌之间存在拮抗。当表层0—20 cm土层硝态氮、速效钾分别由6.8 mg·kg-1提高至23.4 mg·kg-1,118 mg·kg-1提高至150 mg·kg-1时,小麦籽粒锌含量可由平均19.0 mg·kg-1提高到39.2 mg·kg-1。当0—20 cm表层有效磷由平均15.4 mg·kg-1降低到12.1 mg·kg-1,或20—40 cm有效磷由6.0 mg·kg-1降低至4.0 mg·kg-1,也可导致上述籽粒锌含量提高。华北平原的长期定位研究发现,与不施氮相比,施氮130 kg·hm-2小麦籽粒锌含量能提高10 mg·kg-1左右[27],籽粒锌含量随施氮量增加而提高,优化施氮量可将籽粒锌含量提高44%[13]。陕西关中地区,施氮量每增加100 kg·hm-2,小麦籽粒锌含量平均提高4 mg·kg-1[28]。不仅如此,在土壤锌水平较高的条件（5.0 mg·kg-1）下,施氮对小麦籽粒及胚乳的锌含量提高幅度分别50%和80%[29]。氮素供应水平影响锌从土壤到小麦籽粒的各个环节,包括根系吸收、木质部运输、韧皮部转移过程[12]。高铁载体能够促进小麦根系对锌的吸收[30],其分泌受植物氮素营养调控[31]。籽粒锌与蛋白质含量关系密切,即氮素能通过蛋白质影响籽粒锌累积,二者在籽粒中分布也具有很高的空间协同性,因此籽粒对锌的累积能力也受籽粒蛋白含量影响[32]。旱地中硝态氮是植物氮素吸收的主要形式,其来源主要是氮肥施用。作物在吸收和同化硝态氮的同时,根系需要同时吸收阳离子以平衡电荷,而且硝态氮的吸收也能提高调控锌吸收、运输、转运相关的转运蛋白（如YS1）和含氮化合物（如烟酰胺,烟酰胺合成酶）的活性[31]。以硝酸钙为氮源的土培试验表明,施氮能将小麦籽粒锌含量从不施氮的27 mg·kg-1提高到了50 mg·kg-1[33]。因此,硝态氮能够促进锌等矿质元素在小麦体内的吸收和运输。农户撒施的氮肥主要分布在表层,施氮量高的麦田成熟期土壤中仍残留较高的硝态氮,故籽粒锌含量与成熟期麦田0—20 cm土层硝态氮正相关,也表明充足的氮素供应有利于小麦吸收土壤中的锌,提高籽粒锌含量。
随着施磷量从0增加到400 kg·hm-2,籽粒锌含量从25 mg·kg-1降低至11 mg·kg-1,但对土壤有效锌没有影响[34]。类似地,在关中地区的研究显示施磷量每增加100 kg·hm-2,籽粒锌平均降低9.2 mg·kg-1[28]。塞尔维亚的研究也发现过量施磷的地区籽粒锌含量普遍很低[18]。施磷不影响籽粒锌收获指数,但过高的施磷量（100—400 kg·hm-2）会通过改变根系形态、降低菌根侵染进而降低开花期和成熟期的锌吸收[35]。旱地土壤有效磷的主要来源是磷肥,锌含量低的麦田在小麦收获期具有较高的有效磷残留,这主要是由于施磷量较高引起的[36]。对于小麦产量而言,最适土壤有效磷临界值介于10.9—21.4 mg·kg-1[37],本试验中各锌含量组0—20 cm土层有效磷（12—15 mg·kg-1）均在此范围内,说明农户田块磷素营养对于产量形成相对合理,但会影响锌的吸收。土壤有效磷含量以0—20 cm表层最高,该层土壤的磷水平对籽粒锌含量影响最明显。
通常认为,中国北方土壤不缺钾,但高产作物对钾的持续携出也可能会造成潜在的土壤缺钾,即使没有抑制生长或降低产量,也可能会影响作物的营养平衡。本研究发现,0—20 cm表层土壤较低的速效钾含量不利于籽粒锌含量提高,所以适当施钾可能有助于小麦籽粒锌含量提高。施钾有提高小麦旗叶和籽粒锌含量的趋势,能显著增加籽粒、秸秆锌吸收量[38]。但也有研究发现,施钾还会降低籽粒锌含量,主要是由于施钾增产诱导的锌稀释效应[39]。施钾对小麦锌营养的影响可能是间接的,合理的钾水平能提高植物对干旱的抗逆能力,钾也影响植物氮素生理过程,如氮素吸收及同化、硝态氮吸收和转运[40]、蛋白质合成[41]等过程。关于钾对小麦籽粒锌含量的影响尚无一致结论,需进一步研究来揭示其关系。可见,合理施用氮磷钾肥,优化土壤氮磷钾供应对提高小麦籽粒锌含量有重要意义。
3.4 小麦籽粒锌含量差异与土壤有效态铁锰铜锌的关系
研究表明,高锌和低锌组麦田0—20 cm土层 DTPA-Zn分别是0.54和0.40 mg·kg-1,虽然均接近锌缺乏的临界值（0.5 mg·kg-1）,但小麦籽粒锌平均含量分别为39.2 和28.1 mg·kg-1,而60—80 cm土层DTPA-Zn与籽粒锌的关系与表层正好相反,可能的原因是种植时间不同,作物根系对深层养分吸收和表聚的差异造成的,同时也说明,在研究区域表层土壤中的锌对小麦锌吸收和籽粒锌的贡献更重要。也有研究表明,温室栽培条件下,与0—20 cm表层施锌相比,0—100 cm土层施锌能同时提高小麦植株锌吸收量和锌在籽粒的分配比例[42],说明表层以下土壤有效锌对小麦锌营养也有贡献,但田间条件下深层土壤锌有效性很低,多低于0.10 mg·kg-1,贡献相对较小。伊朗的研究也发现,籽粒锌含量与0—20 cm土层DTPA-Zn呈极显著正相关（R2=0.25,n=137）,而与铁、铜没有显著相关性,锰未测定,与本研究的结果一致[23]。0—100 cm土层DTPA-Fe与籽粒锌含量极显著负相关,低锌、中锌、高锌组麦田0—100 cm各层土壤DTPA-Fe平均值介于5.1、4.1和3.3 mg·kg-1,均高于铁缺乏的临界值（2.5 mg·kg-1）,低锌组小麦籽粒锌含量平均仅为19.0 mg·kg-1,高锌组籽粒锌含量平均为39.2 mg·kg-1。可见,在黄土高原地区,由于土壤有效锌含量很低,有效铁含量偏高反而不利于小麦对锌的吸收,两者呈现出拮抗关系,这可能和它们在根系吸收中竞争同一转运载体有关[43]。但土壤铁、锌缺乏都能促进小麦根系高铁载体分泌,在根系向地上部运输过程中二者有相互促进的作用[43]。因此,土壤中锌和铁之间是拮抗,还是互助作用,可能和它们在土壤中的浓度或相对浓度高低有关。在本研究中,土壤有效锌多在0.50 mg·kg-1临界值以下,而有效铁只有个别低于2.50 mg·kg-1临界值,说明该地区土壤缺锌严重,基本不缺铁。同时,与有效锌相比,有效铁有较大的变幅,因此更能显著地影响籽粒锌。与铁和籽粒锌的关系类似,表层0—40 cm土层DTPA-Mn和DTPA-Cu都与籽粒锌含量呈显著负相关。但有研究表明,土壤较高的锰水平可促进锰吸收,但不影响铁、锌、铜吸收[44]。盆栽条件下土壤施铜不影响DTPA-Zn水平[45],高量施铜仅降低小麦叶片锌含量,对籽粒锌含量无显著影响[46]。本研究中,0—20 cm 土层DTPA-Mn和Cu分别为7.3和1.1 mg·kg-1,均高于它们缺乏的临界值（2和0.1 mg·kg-1）。因此,研究区域土壤中锰和铜与锌之间的拮抗关系,可能也与它们在土壤中的有效浓度相差较大有关。因此,土壤微量元素养分的平衡也是影响作物籽粒锌含量的重要原因。4 结论
黄土高原旱地田块间小麦籽粒锌含量存在较大的变异。0—100 cm各土层水分含量和有效铁、多数土层的铵态氮和有效磷、表土层的有效锰和有效铜均与小麦籽粒锌含量呈显著负相关;0—20 cm表层土壤硝态氮、速效钾、有效锌与籽粒锌含量呈极显著正相关。土壤水分、pH、硝态氮、有效磷、速效钾和有效态铁锰铜锌含量是引起籽粒锌含量差异的原因,其中以水分和有效铁影响最大。优化农田水分和养分管理措施以提高土壤水分、氮、钾、锌供应能力,在不影响作物产量的情况下适当调控土壤磷、铁、锰、铜供应能力,有利于提高黄土高原旱地小麦籽粒锌含量。The authors have declared that no competing interests exist.
