李俊麗，錢干，李海星，張麗梅，葉祥盛，徐芳森，蔡紅梅

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/微量元素研究中心，武漢 430070

氮和鋅都是植物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素。氮是構(gòu)成蛋白質(zhì)和核酸的主要成分，是影響植物生長和作物產(chǎn)量的主要限制因子之一[1]。鋅是植物體內(nèi)多種酶的組成成分之一，參與植物光合作用、呼吸作用、蛋白質(zhì)代謝和生長素合成等多種生化進程[1]。

因此，無論是在養(yǎng)分的吸收運輸還是生命物質(zhì)的同化代謝方面，植物體內(nèi)的氮和鋅是相互聯(lián)系、不可分割的，氮鋅互作在植物的生長發(fā)育進程中是一個不容忽視的問題。相關(guān)研究表明，氮是影響小麥籽粒中鋅含量的重要因素，氮鋅配合施用能夠顯著提高小麥地上部生物量和產(chǎn)量，顯著增加小麥植株的鋅和氮含量[8-12]。施氮不僅促進了小麥根系對鋅的吸收，還促進了鋅從根向地上部轉(zhuǎn)移以及從葉片到籽粒的再利用[13-14]。段慶波等[15]和Ali等[16]在水稻中的研究結(jié)果也表明，氮鋅配施會顯著提高水稻產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)；同時，配施鋅肥還提高了水稻籽粒中氮含量和氮的累積量[17]。但是也有研究顯示，鋅肥的施用對水稻產(chǎn)量的增加并不顯著，但施鋅能顯著提高水稻各部位的鋅濃度和籽粒中的鋅累積量，提高施氮量也有利于水稻的增產(chǎn)及對鋅的吸收與累積[18-19]。然而，不同作物品種之間氮鋅互作效應(yīng)是否存在差異，其生理機制尚不十分明確。因此，本研究以秈型雜交水稻品種廣兩優(yōu)35和常規(guī)粳稻品種日本晴為對比研究材料，分析12種不同的氮鋅配施處理對水稻生長、產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收分配的影響，以期探明不同水稻品種中氮鋅互作效應(yīng)的差異及其最佳配比，并闡述其生理機制，為生產(chǎn)實踐中合理施用氮肥和鋅肥、提高肥料利用率、改善居民鋅營養(yǎng)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料種植

本研究在2016-2017年開展了2 a的大田小區(qū)試驗，供試材料為秈型雜交水稻品種廣兩優(yōu)35和常規(guī)粳稻品種日本晴，試驗地位于湖北省武漢市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗基地(E 114.3°， N 30.5°)。試驗前采集土壤樣品，自然風(fēng)干后過孔徑0.85 mm篩，測定土壤基本理化性質(zhì)。試驗基地土壤pH值為6.9，有機質(zhì)含量為11.26 g/kg，全氮含量為2.11 g/kg，堿解氮含量為141.75 mg/kg，速效磷含量為5.51 mg/kg，速效鉀含量為152.96 mg/kg，有效鋅含量為1.39 mg/kg。

試驗采用3因素隨機區(qū)組設(shè)計，試驗設(shè)3個因子，即2個水稻品種、3個鋅水平、4個氮水平。鋅肥施用量(ZnSO4·7H2O)為0、15、30 kg/hm2，氮肥施用量(N)為0、80、160、240 kg/hm2，共12組氮與鋅的交互處理。試驗小區(qū)面積為50 m2，3個生物學(xué)重復(fù)，株行距為20 cm × 25 cm，單株種植。試驗田種植外圍設(shè)1 m保護行。供試氮肥為尿素(含N 46.4%)，磷肥為過磷酸鈣(含P2O512%)，鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)，鋅肥為硫酸鋅(ZnSO4· 7H2O)。氮肥按基施-蘗-穗肥質(zhì)量比為 4∶3∶3 施用，磷肥、鉀肥和鋅肥均在基肥一次施用，磷肥施用量(P2O5)為80 kg/hm2，鉀肥施用量(K2O)為120 kg/hm2。在水稻移栽前3 d，分別將基施氮肥、磷肥、鉀肥和鋅肥均勻撒施于稻田后進行翻耕、灌水、打田。待水稻生長至分蘗期和抽穗期，對氮肥進行均勻撒施追肥。

1.2 指標(biāo)測定

分別在苗期、分蘗期、抽穗期和成熟期選取長勢較一致的水稻植株，每個小區(qū)取12穴植株，隨機將每4穴植株混合作為1份測定樣品，分為3個重復(fù)，70 ℃烘干至恒質(zhì)量后稱質(zhì)量。在成熟期將植株主分蘗分為新葉、老葉、葉鞘、莖、穗5個部位，烘干、稱質(zhì)量后測定氮和鋅的含量，并收獲水稻種子，考察產(chǎn)量、有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重及結(jié)實率。

氮含量和鋅含量的測定參照文獻[20]中植物樣品氮含量和微量元素的測定方法。氮累積量=氮含量×干物質(zhì)量，氮分配比例=各部位氮累積量/植株主分蘗氮累積量；鋅累積量=鋅含量×干物質(zhì)量，鋅分配比例=各部位鋅累積量/植株主分蘗鋅累積量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel 2010 軟件和 SPSS PASW Statistics 18.0 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與作圖，采用Duncan’s新復(fù)極差法進行處理間差異性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮鋅配施對水稻生長的影響

如圖1所示，不同氮水平下，施鋅均能夠顯著提高苗期日本晴和廣兩優(yōu)35的生物量，15 kg/hm2的施鋅量對其生長最為適宜；但是，在日本晴施氮160 kg/hm2或是廣兩優(yōu)35施氮240 kg/hm2的條件下，施鋅對水稻生物量沒有顯著影響。隨著水稻的生長發(fā)育，施鋅對日本晴和廣兩優(yōu)35生物量的促進效應(yīng)逐漸降低，甚至出現(xiàn)對生長的抑制效應(yīng)，施鋅30 kg/hm2顯著降低了廣兩優(yōu)35在分蘗期和抽穗期的生物量。在成熟期，高氮(240 kg/hm2)和高鋅(30 kg/hm2)的配比施用又顯著提高了日本晴和廣兩優(yōu)35的生物量。

2.2 氮鋅配施對水稻產(chǎn)量的影響

如表1所示，不同氮鋅配比處理對日本晴每公頃穗數(shù)具有極顯著影響。增加鋅肥用量，顯著提高了日本晴的穗數(shù)；且在不施氮和低氮(80 kg/hm2)條件下，施用鋅肥顯著增加了日本晴的理論產(chǎn)量。在不施氮的條件下，與不施鋅相比，施用30 kg/hm2鋅肥使日本晴的理論產(chǎn)量提高了58%；在低氮(80 kg/hm2)條件下，與不施鋅相比，施用15、30 kg/hm2鋅肥使日本晴的理論產(chǎn)量分別提高了32%和42%；在中氮(160 kg/hm2)條件下，與不施鋅相比，施用鋅肥使日本晴的理論產(chǎn)量提高了2%～5%；在高氮(240 kg/hm2)條件下，與不施鋅相比，施用15、30 kg/hm2的鋅肥使日本晴的理論產(chǎn)量分別提高了7%和29%。

表1 氮鋅配施下水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Table 1 Yield and its components of rice under combined application of nitrogen and zinc

不同氮鋅配比處理對廣兩優(yōu)35每公頃穗數(shù)和結(jié)實率均具有顯著影響。隨著施鋅量的增加，廣兩優(yōu)35的理論產(chǎn)量呈增加趨勢。不施氮條件下，與不施鋅相比，施用15、30 kg/hm2鋅肥使廣兩優(yōu)35的理論產(chǎn)量分別提高了20%和28%；在低氮(80 kg/hm2)條件下，與不施鋅相比，施用15、30 kg/hm2鋅肥使廣兩優(yōu)35的理論產(chǎn)量分別提高了15%和28%；在中氮(160 kg/hm2)條件下，與不施鋅相比，施用鋅肥使廣兩優(yōu)35的理論產(chǎn)量提高了5%～6%；在高氮(240 kg/hm2)條件下，施用15、30 kg/hm2鋅肥使廣兩優(yōu)35的理論產(chǎn)量分別提高了78%和87%。

不同字母表示相同氮水平內(nèi)不同鋅處理下相比達到顯著差異(P<0.05)。Different letters indicated the significant difference (P<0.05) under different zinc treatments at the same nitrogen level.

綜上結(jié)果表明：與不施鋅相比，施用15、30 kg/hm2鋅肥均提高了日本晴和廣兩優(yōu)35的理論產(chǎn)量，與施用15 kg/hm2鋅肥相比，施用30 kg/hm2鋅肥下，水稻理論產(chǎn)量的增加幅度更大；并且，無論是日本晴還是廣兩優(yōu)35，在低氮(≤80 kg/hm2)或高氮(240 kg/hm2)條件下，施用鋅肥對水稻理論產(chǎn)量的促進效應(yīng)更大；對推廣品種廣兩優(yōu)35而言，高氮高鋅配施對產(chǎn)量的促進效應(yīng)最大。

2.3 氮鋅配施對水稻氮吸收分配的影響

如表2所示，氮鋅互作處理對日本晴新葉、老葉和莖中的氮含量均具有顯著影響，對廣兩優(yōu)35新葉、老葉、莖和葉鞘中的氮含量均具有顯著影響。缺氮和低氮(80 kg/hm2)條件下，施鋅顯著降低了日本晴新葉和老葉中的氮含量；中氮(160 kg/hm2)和高氮(240 kg/hm2)條件下，施鋅顯著提高了日本晴新葉中的氮含量。與日本晴不同的是，施用氮肥≤160 kg/hm2的條件下，施用鋅肥顯著提高了廣兩優(yōu)35葉片中的氮含量；而在高氮(240 kg/hm2)條件下，施用鋅肥反而降低了廣兩優(yōu)35葉片中的氮含量。

表2 氮鋅配施下水稻成熟期各組織部位的氮含量Table 2 N content in different tissues of rice at maturation stage under combined application of nitrogen and zinc mg/g

在施用氮肥≤80 kg/hm2的條件下，施鋅反而降低了日本晴植株中的氮累積量；但在高氮(240 kg/hm2)條件下，施用30 kg/hm2鋅肥仍能顯著提高日本晴植株中的氮累積量(圖2A)。對廣兩優(yōu)35來說，只有在不施氮肥的條件下，施鋅能夠提高植株中的氮累積量(圖2C)。

施鋅對氮在日本晴和廣兩優(yōu)35各部位的分配比例具有顯著影響，并且在兩品種之間存在一定的差異。在施用氮肥≤160 kg/hm2的條件下，施用鋅肥促進了氮向日本晴小穗中的分配；但是在高氮(240 kg/hm2)條件下，施鋅反而抑制了氮向日本晴小穗中的分配(圖2B)。對于廣兩優(yōu)35而言，在低氮(≤80 kg/hm2)條件下，施鋅抑制了氮向小穗中的分配；而在中、高氮(≥160 kg/hm2)條件下，施用鋅肥促進了氮向廣兩優(yōu)35小穗中的分配(圖2D)。由此可見，對于不同的水稻品種，適宜的氮鋅配比能夠促進水稻中氮從營養(yǎng)器官向生殖器官中分配，進而促進產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量提高。

ST：莖；SH：葉鞘；OL：老葉；NL：新葉；SP：穗。下同。ST:Stems；SH:Sheaths；OL:Old leaves；NL:New leaves；SP:Spikelets.The same as below.

2.4 氮鋅配施對水稻鋅吸收分配的影響

如表3所示，氮鋅互作對日本晴各部位的鋅含量均有極顯著影響，但僅對廣兩優(yōu)35新葉和小穗中的鋅含量具有極顯著影響。對于日本晴，適宜施用氮肥能夠提高各部位的鋅含量。對于廣兩優(yōu)35，不同的氮鋅配比施用表現(xiàn)出不同的結(jié)果。在不施鋅條件下，施用氮肥能夠提高莖和小穗中的鋅含量，而降低葉鞘中的鋅含量；在施用鋅肥的條件下，施氮顯著提高新葉中的鋅含量，而降低老葉中的鋅含量。

表3 氮鋅配施下水稻成熟期各組織部位的鋅含量Table 3 Zn concentration in different tissues of rice at mature stage under combined application of nitrogen and zinc μg/g

當(dāng)鋅肥施用量為0 kg/hm2或15 kg/hm2時，隨著施氮量的增加，日本晴植株中的鋅累積量呈先上升后下降的趨勢，在氮肥處理為80 kg/hm2時，鋅累積量達到最高；當(dāng)鋅肥施用量為30 kg/hm2時，日本晴植株中的鋅累積量隨供氮水平的增加而升高(圖3A)。施用氮肥對廣兩優(yōu)35植株中的鋅累積量影響并不大，僅在不施鋅條件下，施氮能夠提高鋅在廣兩優(yōu)35植株中的積累量(圖3C)。

適宜的氮鋅配比施用也能夠促進鋅從水稻莖向小穗中分配。在施用15 kg/hm2鋅肥的條件下，施用160 kg/hm2氮肥降低了鋅在日本晴和廣兩優(yōu)35莖中的分配比例(分別為17%、3%)，提高了鋅在日本晴和廣兩優(yōu)35小穗中的分配比例(分別為9%、4%)。在30 kg/hm2的施鋅條件下，施用80 kg/hm2的氮肥提高了鋅在日本晴穗中的分配比例(5%)；施用160 kg/hm2的氮肥提高了鋅在廣兩優(yōu)35穗中的分配比例(6%)(圖3B、3D)。由此可見，適宜的氮鋅配比同樣能夠促進鋅向水稻生殖器官分配，進而促進產(chǎn)量和籽粒微量元素含量提高。

圖3 氮鋅配施下成熟期日本晴和廣兩優(yōu)35的鋅累積量(A、 C)以及鋅在各部位的分配比例(B、 D)Fig.3 Zn accumulation (A,C) and distribution (B,D) of Nipponbare and Guangliangyou 35 at maturation stage under combined application of nitrogen and zinc

3 討 論

本研究分析了12組不同氮鋅配比處理下秈型雜交水稻品種廣兩優(yōu)35和常規(guī)粳稻品種日本晴的生物量和產(chǎn)量以及對氮、鋅的吸收分配的影響，結(jié)果表明氮鋅配施對水稻早期的生長和后期的產(chǎn)量形成均具有協(xié)同增效效應(yīng)。

本研究結(jié)果還顯示，氮和鋅的協(xié)同增效效應(yīng)在不同水稻品種中具有一定的差異性。雖然與不施鋅相比，施用鋅肥(15 kg/hm2和30 kg/hm2)均提高了日本晴和廣兩優(yōu)35的籽粒產(chǎn)量，但是對日本晴而言，低氮高鋅配施對產(chǎn)量的促進效應(yīng)最大，而對推廣品種廣兩優(yōu)35而言，高氮高鋅配施對產(chǎn)量的促進效應(yīng)最大。在日本晴中，中、低氮條件下，配施鋅肥更加有利于氮向小穗中分配；而在廣兩優(yōu)35中，中、高氮條件下，配施鋅肥更加有利于氮向小穗中分配。因此，對于不同水稻品種而言，只有適宜的氮鋅配比施用才能達到最佳的協(xié)同增效效應(yīng)，使作物充分利用養(yǎng)分，獲得最高的生物量和產(chǎn)量。趙鵬等[21]在冬小麥中研究發(fā)現(xiàn)，中氮高鋅配施能顯著提高冬小麥氮素利用效率。通過優(yōu)化土壤氮水平和葉面鋅處理，結(jié)合適宜的品種，在低氮投入下也可以提高小麥鋅濃度并保持小麥高產(chǎn)[22]。扶海超等[23]在玉米中研究發(fā)現(xiàn)，氮鋅互作對其生長、養(yǎng)分含量方面并不表現(xiàn)出持續(xù)促進或持續(xù)抑制，而是在適宜的氮濃度范圍內(nèi)，施鋅才能促進植株對氮的吸收。可見，在生產(chǎn)實踐中，需要根據(jù)不同的作物品種與土壤肥力水平，選擇適宜的氮肥與鋅肥配比施用，才能發(fā)揮氮與鋅最佳的協(xié)同增效效應(yīng)。

綜上，本研究結(jié)果表明，氮鋅配施提高了植株中的氮和鋅含量，促進氮和鋅向生殖器官(小穗)中分配是提高產(chǎn)量的主要生理機制。氮和鋅的協(xié)同增效效應(yīng)在不同水稻品種中具有一定的差異性，針對不同的水稻品種需要使用不同的氮鋅配比才能達到最佳的協(xié)同增效效應(yīng)。

磷是植物生長發(fā)育所必需的大量營養(yǎng)元素之一，也是肥料三要素之一，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的作用。土壤中磷與鋅之間存在著強烈的拮抗作用，稱之為“磷誘導(dǎo)的鋅缺乏”；同時，磷與鋅在植物根部也存在明顯的交互作用，鋅缺乏可導(dǎo)致植物出現(xiàn)磷中毒現(xiàn)象，磷缺乏則會使植物體內(nèi)的鋅含量上升[24-28]。有研究表明，不同的磷鋅配比對水稻的生長和產(chǎn)量等有不同的影響，或是協(xié)同增效或是拮抗作用[29]。磷與氮之間的相互作用則更加傾向為協(xié)同效應(yīng)。在缺磷條件下，施氮顯著提高磷缺乏響應(yīng)基因及磷轉(zhuǎn)運基因的表達水平，從而增強植物根系對磷的吸收；同樣，缺磷會顯著降低硝酸根轉(zhuǎn)運基因的表達水平，從而抑制植物根系對氮的吸收[30]。此外，缺磷會顯著影響植物根系的生長，從而影響植物根系對氮、鋅及其他營養(yǎng)元素的吸收[31]。在本研究供試土壤的基礎(chǔ)理化指標(biāo)的測定結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)其土壤速效磷含量較低，僅5.51 mg/kg，為磷缺乏土壤。磷與氮和鋅之間又存在著明顯不同的交互作用，土壤中不同水平的磷含量必然會對水稻吸收氮和鋅造成一定的影響。本研究結(jié)果是在磷相對缺乏的條件下獲得的，因此，后期針對不同磷水平下開展氮鋅互作的研究結(jié)果更能為“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)施肥”提供更高價值的理論參考。