趙德勇

(濱州學(xué)院生物與環(huán)境工程學(xué)院,山東 濱州 256600)

氮是影響作物產(chǎn)量的重要因子[1]，作物高產(chǎn)依賴大量氮肥的投入，然而農(nóng)作物氮素利用效率較低[2]；我國(guó)典型農(nóng)業(yè)區(qū)氮肥使用量為500～600 kg/hm2[3]，是美國(guó)、歐盟等發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體的兩倍以上；過(guò)量的氮肥使用及過(guò)低的氮素利用效率會(huì)導(dǎo)致一系列環(huán)境問(wèn)題。小麥?zhǔn)鞘澜缛蠹Z食作物之一，約占全世界谷物消費(fèi)總量的30%。在減氮栽培模式下保持較高的小麥產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式具有重要意義。減少氮使用量同時(shí)保持小麥穩(wěn)定的產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)是重要的研究方向。前人研究表明，在不同氮肥水平下(0、50、100、200、350 kg/hm2)，氮利用效率在不同參試小麥品種間都存在顯著差異[4]。利用基因型間的差異挖掘優(yōu)異種質(zhì)資源并培育低氮高效小麥品種，從而保持穩(wěn)定的產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)是一條可行途徑。

鋅、鐵是人體必需的微量元素。鋅是生物體300多種酶和重要蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)輔助因子[5]；鐵是血紅蛋白的重要組分，缺鐵會(huì)導(dǎo)致貧血癥[6]。世界范圍內(nèi)受到鋅、鐵等微量元素缺乏困擾的人口約30億[7-8]。籽粒鋅、鐵含量是小麥營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的重要指標(biāo)。田間試驗(yàn)表明增施氮肥能提高小麥地上部鋅、鐵積累[9-11]。研究減氮栽培模式下小麥鋅、鐵吸收、運(yùn)輸及利用機(jī)制有助于定向改良并培育富含鋅、鐵的小麥品種，將為改善鋅、鐵缺乏癥狀提供可能。目前，在減氮栽培模式下，不同基因型間籽粒鋅、鐵等微量元素含量差異尚未充分探索。

本研究選用兩個(gè)中國(guó)品種(濟(jì)麥22和石4185)和兩個(gè)國(guó)外品種(Hatcher和Intrade)研究減氮模式下農(nóng)藝性狀、礦質(zhì)元素利用的變化規(guī)律，旨在為小麥栽培和育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用4個(gè)小麥材料，其中濟(jì)麥22和石4185為我國(guó)華北地區(qū)的兩個(gè)主栽品種，Hatcher和Intrade為美國(guó)品種。

1.2 溫室砂培試驗(yàn)

溫室實(shí)驗(yàn)于2016年10月至2017年6月在濱州學(xué)院(N37°23′，E117°59′)完成。首先向塑料盒(57 cm×40 cm×25 cm)中填充砂土基質(zhì)50 L，然后用相應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)液40 L將每盆砂土基質(zhì)澆透。設(shè)置4個(gè)氮素水平處理(N 100%、65%、30%、5%)，由營(yíng)養(yǎng)液中的Ca(NO3)2供應(yīng)硝態(tài)氮，每個(gè)處理對(duì)應(yīng)的Ca(NO3)2濃度分別為1、0.65、0.3、0.05 mmol/L，每盆對(duì)應(yīng)折合純氮為1.12、0.73、0.34、0.06 g；100% N處理營(yíng)養(yǎng)液中CaCl2濃度為1.5 mmol/L，其它處理減少的Ca2+含量通過(guò)增加適量CaCl2調(diào)節(jié)，分別為1.85、2.2、2.45 mmol/L，從而確保處理間Ca2+含量一致。其余營(yíng)養(yǎng)組分濃度在4個(gè)處理間保持一致，分別為1.5 mmol/L KCl、0.5 mmol/L MgSO4·7H2O、0.2 mmol/L KH2PO4、0.1 mmol/L FeNa-EDTA、1.0 μmol/L ZnSO4·7H2O、1.0 μmol/L H3BO3、1.0 μmol/L MnSO4·H2O、0.5 μmol/L CuSO4·5H2O、0.05 μmol/L (NH4)6Mo7O24·4H2O。

將種子萌發(fā)后移栽至盛有砂土基質(zhì)的塑料盒中，每盆種植4行(行距15 cm)，每行種植8株(株距5 cm)，共32株。隨后將塑料盒放置于4℃春化(每天光照處理16 h，黑暗處理8 h)30 d，然后將塑料盒轉(zhuǎn)移至溫室培養(yǎng)，等幼苗生長(zhǎng)至拔節(jié)期、抽穗期時(shí)，每個(gè)試驗(yàn)處理再次澆灌營(yíng)養(yǎng)液20 L，每盆折合供應(yīng)純氮為0.56、0.36、0.17、0.03 g。平時(shí)根據(jù)砂土墑情澆灌適量自來(lái)水。試驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)。在生育期內(nèi)參照Z(yǔ)adoks等的標(biāo)準(zhǔn)[12]記錄發(fā)育進(jìn)程，成熟后每個(gè)品種選取10株進(jìn)行農(nóng)藝性狀考查。將樣品收獲后磨成粉末,以備樣品消解和元素測(cè)定分析。

1.3 元素測(cè)定分析

稱取0.5 g樣品置于消解管中，加入13 mL硝酸、2 mL雙氧水，然后將消解管置于微波消解爐中，150℃消解80 min。消解完成后利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)進(jìn)行元素含量測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 16.0進(jìn)行方差分析(ANOVA)和多重比較(LSD法)。

2 結(jié)果與分析

2.1 供氮水平對(duì)農(nóng)藝性狀的影響

選取拔節(jié)初期(Zadoks GS31)、孕穗期(Zadoks GS45)、抽穗期(Zadoks GS55)和成熟期(Zadoks GS87)4個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)每個(gè)品種分別取樣調(diào)查。在每個(gè)取樣時(shí)間點(diǎn)降低氮供應(yīng)量都導(dǎo)致小麥地上生物量顯著下降(圖1，表1)。在100%N和65%N水平下，品種Hatcher成熟期單株生物量最大；在30%N和5%N水平下，石4185成熟期單株生物量最大。隨著氮素供應(yīng)量減少，4個(gè)小麥品種的小穗數(shù)明顯減少，不結(jié)實(shí)小穗數(shù)增加(表1)。圖2為濟(jì)麥22在4個(gè)氮素供應(yīng)水平下的抽穗后期(Zadoks GS59)穗部和莖稈表型。減氮處理?xiàng)l件，尤其在30%N和5%N條件下，無(wú)論多分蘗類型還是少分蘗類型小麥地上生物量、有效穗數(shù)、籽粒產(chǎn)量都明顯下降。表明在氮極度虧缺條件下，小麥產(chǎn)量下降不可避免。

圖1 不同時(shí)期不同氮供應(yīng)水平下4個(gè)品種小麥生物量

品種氮用量單株有效穗數(shù)單株地上干重(g)單株籽粒重(g)主穗小穗數(shù)不結(jié)實(shí)小穗數(shù)單株穗粒數(shù)濟(jì)麥22100%N1.5 a3.06 a1.16 a14.0 a0.0 d42 a65%N1.2 b1.75 b0.72 b11.0 b0.5 c33 b30%N1.1 bc1.55 c0.58 c9.0 c1.0 b27 c5%N1.0 c1.35 d0.32 d8.0 d2.0 a24 c石4185100%N1.7 a3.36 a1.49 a16.0 a0.0 d48 a65%N1.4 b2.60 b1.24 b14.0 b0.4 c42 b30%N1.2 c2.00 c0.80 c14.0 b2.0 b40 b5%N1.1 d1.53 d0.73 c14.0 b3.0 a35 cHatcher100%N3.1 a4.80 a1.77 a14.0 a0.0 d43 a65%N1.6 b3.70 b1.54 b13.0 b1.0 c39 b30%N1.0 c1.77 c0.75 c12.0 c2.0 b35 c5%N1.0 c1.50 d0.55 d11.0 d3.0 a34 cIntrade100%N2.7 a3.06 a0.63 a12.0 a0.0 c36 a65%N1.2 b1.73 b0.59 a11.0 b1.0 b33 b30%N1.0 c1.10 c0.27 b11.0 b2.0 a30 c5%N1.0 c0.72 d0.19 c9.0 c2.0 a26 d

注：不同小寫字母代表在0.05水平差異顯著。下同。

圖2 不同氮供應(yīng)水平下濟(jì)麥22穗部

2.2 供氮水平對(duì)鋅、鐵利用的影響

總體而言，4個(gè)品種拔節(jié)期地上鋅含量隨著氮供應(yīng)量降低而減少(圖3)。石4185在65%和30%氮供應(yīng)水平下孕穗期鋅含量高于拔節(jié)期100%供氮水平，這可能是由于該品種在65%和30%供氮水平孕穗期仍能維持較高生物量，導(dǎo)致鋅需求量增加造成的；然而到抽穗期時(shí)，在65%和30%兩個(gè)供氮水平下鋅含量相對(duì)于孕穗期明顯下降。這表明供氮水平顯著影響地上部鋅的最終積累。

圖3 不同氮供應(yīng)水平下4個(gè)品種小麥地上部鋅含量

100%氮供應(yīng)水平下，Hatcher和Intrade在拔節(jié)期地上部鐵含量比濟(jì)麥22和石4185高近1倍(圖4)。抽穗期時(shí)，在100%、65%和30%氮供應(yīng)水平下Hatcher地上部鐵含量仍高于濟(jì)麥22和石4185。不同氮供應(yīng)量對(duì)成熟期籽粒鋅、鐵含量有顯著影響,表2為4個(gè)品種在不同氮供應(yīng)水平下最終籽粒鋅、鐵含量?？傮w而言，氮供應(yīng)量越充足，最終籽粒鋅、鐵含量越高。兩個(gè)美國(guó)品種籽粒鐵含量顯著高于中國(guó)品種。

圖4 不同氮供應(yīng)水平下4個(gè)品種小麥地上部鐵含量

品種氮用量籽粒鋅含量(mg/kg)籽粒鐵含量(mg/kg)濟(jì)麥22100%N11.2 a64.6 a65%N7.6 c59.8 b30%N9.3 b53.6 c5%N7.8 c50.1 d石4185100%N14.5 a59.8 a65%N9.6 b57.1 b30%N10.2 b58.5 a5%N6.9 c50.2 cHatcher100%N11.6 a86.7 a65%N7.7 b79.5 b30%N6.5 c72.4 c5%N7.3 b59.5 dIntrade100%N12.3 a85.9 a65%N8.9 b80.3 b30%N7.5 c69.2 c5%N6.6 d60.4 d

3 小結(jié)與討論

氮供應(yīng)顯著影響小麥分蘗和地上部形態(tài)建成[13]，不同分蘗類型小麥分蘗形成和地上部形態(tài)建成對(duì)低氮處理的響應(yīng)規(guī)律是否一致，尚未充分探索。本研究中兩個(gè)中國(guó)品種和兩個(gè)美國(guó)品種田間分蘗數(shù)存在較大差異，濟(jì)麥22和石4185為分蘗力中等品種，田間分蘗數(shù)可達(dá)3～8個(gè)；Hatcher和Intrade分蘗數(shù)較多，田間分蘗數(shù)可高達(dá)40個(gè)。然而在溫室環(huán)境中4個(gè)品種分蘗數(shù)相對(duì)于田間表現(xiàn)都大幅減少，這可能是由于幼苗春化后尚處于兩葉期(Zadoks GS12)，隨即轉(zhuǎn)入溫度較高的環(huán)境，使幼苗快速進(jìn)入拔節(jié)期而導(dǎo)致分蘗不充分。由于溫室環(huán)境和大田環(huán)境存在較大差異，在溫室環(huán)境篩選出的優(yōu)良種質(zhì)還需進(jìn)一步通過(guò)田間試驗(yàn)檢驗(yàn)。

由于田間土壤中養(yǎng)分含量尤其是微量元素含量存在空間異質(zhì)性，為消除田間養(yǎng)分空間異質(zhì)性對(duì)籽粒礦質(zhì)養(yǎng)分含量的影響，本研究選擇在溫室環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)分控制試驗(yàn)。同一品種在不同取樣時(shí)期微量元素含量存在較大差異，例如本研究中石4185在65%N和30%N水平孕穗期鋅含量高于拔節(jié)期100%N。這提示在今后篩選微量元素富集能力較高的種質(zhì)資源時(shí)不能僅憑某個(gè)生育時(shí)期的微量元素含量，而要綜合全生育期農(nóng)藝表現(xiàn)和元素利用特性。

籽粒微量元素含量與栽培土壤中微量元素含量關(guān)系極其密切，文獻(xiàn)中不同研究報(bào)道的微量元素含量差異較大，例如李峰等[11]報(bào)道小麥籽粒鐵含量范圍為75.4～107.2 mg/kg，樊慶琦等[14]報(bào)道了426個(gè)山東小麥地方品種鐵含量范圍為5.2～44.1 mg/kg。本研究中小麥籽粒鐵含量變化范圍為50.1～86.7 mg/kg，并且總體上隨著氮供應(yīng)量下降而降低。兩個(gè)美國(guó)品種籽粒鐵含量明顯高于中國(guó)品種，提示今后育種工作需要注重利用國(guó)外優(yōu)良種質(zhì)資源。

不同品種間鋅、鐵含量存在顯著差異，并且同一品種在不同氮供應(yīng)水平下鋅、鐵含量也存在較大差異。在減氮栽培條件下大規(guī)模篩選高鋅、鐵含量的小麥種質(zhì)資源并用于育種是今后亟待開(kāi)展的一項(xiàng)工作。