刘露，杨新鑫，张丽梅，严玉鹏，叶祥盛，徐芳森，蔡红梅

华中农业大学资源与环境学院/微量元素研究中心，武汉 430070

磷和锌都是植物生长发育过程中的必需营养元素，在植物生命活动中不可或缺。磷是植物体内蛋白质、核酸和磷脂等生物大分子的组成成分，不仅可以通过ATP参与能量代谢，还能以蛋白质磷酸化方式参与多种信号转导[1]。锌是植物体内多种酶的组成成分，参与植物蛋白质代谢、光合作用、呼吸作用和生长素合成等多种生化进程[2]。

在土壤溶液中，磷与锌之间存在着强烈的拮抗效应。游离的PO43-可以和Zn2+发生化学反应生成难溶性化合物从而降低磷和锌的生物有效性，难以被植物根系吸收。过量施用磷肥会增加酸性土壤的负电荷，使得Zn2+更易被土壤胶体吸附，降低锌的有效性[3]。土壤中不同形态的磷对锌有效性的影响不同。HPO42-会通过改变土壤对锌的吸附方式降低锌的有效性，H2PO4-则会减少土壤对锌的吸附而提高锌的有效性[4]。土壤温度也会影响磷和锌的生物有效性。温度较低时，土壤中磷的移动性差，植物响应缺磷信号使根系分泌有机酸，活化根际土壤中难溶性磷的同时也提高了锌的有效性[5]。

磷与锌的相互作用也发生在植物体内，相关研究表明，锌缺乏会导致植物出现磷中毒现象[6]。对田间种植的小麦进行磷锌配施的研究结果显示，磷肥施用量的增加会显著抑制锌从根向地上部的转运，而叶面喷施锌肥则会提高叶片中的锌含量[7]。但是，随着植物吸收磷的增加，当植物生长速率超过锌积累速率时，也会产生一定的“稀释效应”，表现为地上部的锌含量显著降低[8]。此外，菌根真菌也会影响磷与锌的相互作用。菌根通过增加植物根系表面积提高植物对磷的吸收，同时截获更多的锌，避免了磷锌拮抗作用而出现高磷诱导缺锌的现象[9]。

同时，也有研究报道显示，植物中磷和锌除了存在拮抗作用以外，适宜的磷锌配比也可能对植物产生协同效应。作物中磷和锌的相互作用到底如何，拮抗作用和协同作用是否共存，在不同的生长环境下和不同的作物品种中是否存在差异，其生理机制是什么，目前仍然知之甚少。因此，本研究以常规粳稻品种日本晴和籼型杂交水稻品种广两优35为对比研究材料，分析12种不同的磷锌配施处理对水稻生长、产量和养分吸收分配的影响，以期探明不同水稻品种中磷和锌的互作效应及其是否存在差异性，并阐述其生理机制，为生产实践中合理施用磷肥和锌肥、提高肥料利用率、改善居民锌营养提供理论基础和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料种植

本课题组在2016-2017年开展了2 a的大田小区试验，供试材料为籼型杂交水稻品种广两优35和常规粳稻品种日本晴，广两优35生育期为140 d左右，日本晴生育期为90 d左右，试验地点位于湖北省武汉市华中农业大学试验基地(114.3°E，30.5°N)。试验前采集土壤样品，自然风干后过孔径0.85 mm筛，测定土壤基本理化性质。试验基地土壤pH值为6.9，有机质含量为11.26 g/kg，全氮含量为2.11 g/kg，碱解氮含量为141.75 mg/kg，速效磷含量为5.51 mg/kg，速效钾含量为152.96 mg/kg，有效锌含量为1.39 mg/kg。

试验设3个因子，包括4个磷水平、3个锌水平和2个水稻品种，采用3因素随机区组设计种植水稻，并设置3个生物学重复，试验田外围1 m宽种植水稻保护行。每个试验小区面积为50 m2，水稻单株种植，株行距为20 cm × 25 cm。试验所用肥料种类及用量分别为：氮肥(尿素，含N 46.4%)施用量(N)为160 kg/hm2，钾肥(氯化钾，含K2O 60%)施用量(K2O)为120 kg/hm2，磷肥(过磷酸钙，含P2O512%)施用量(P2O5)分别为0、40、80、120 kg/hm2，锌肥(硫酸锌)施用量(ZnSO4·7H2O)分别为0、15、30 kg/hm2。除氮肥按照4∶3∶3施用基-蘖-穗肥外，磷肥、钾肥和锌肥均在水稻种植前以基肥方式一次施用于土壤后翻耕。在水稻移栽之前3 d，分别将基施氮肥、磷肥、钾肥和锌肥均匀撒施于稻田后进行翻耕、灌水、打田。待水稻生长至分蘖期和抽穗期，对氮肥进行均匀撒施追肥。

1.2 指标测定

分别在苗期(广两优35秧龄为45 d，日本晴秧龄为30 d)、分蘖期(广两优35秧龄为75 d，日本晴秧龄为50 d)、抽穗期(广两优35秧龄为110 d，日本晴秧龄为70 d)和成熟期(广两优35秧龄为140 d，日本晴秧龄为90 d)在各小区随机选取长势较一致的水稻植株30株，70 ℃烘干至恒质量后称质量。其中，将成熟期收获的各水稻植株主分蘖各部位分离，包括：穗、茎、叶鞘、老叶和新叶共5个部位，70 ℃烘干至恒质量后称质量，测定各样品中氮、磷、钾和锌的含量，并收获水稻种子，考察产量、有效穗数、每穗粒数、千粒重及结实率。

参照文献[10]测定上述样品中氮、磷、钾和锌的含量并计算其累积量和分配比例。其中，氮和磷含量利用流动注射分析仪(FIAstar 5000,Sweden)进行测定，钾含量利用火焰分光光度计进行测定，锌含量利用WFX-ID 型原子吸收分光光度计进行测定。

1.3 数据处理

采用SPSS PASW Statistics 18.0软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 磷锌配施对水稻生长和产量的影响

由表1可见，在苗期，施用锌肥对广两优35地上部干质量没有显著影响，但是却降低了日本晴的地上部干质量。在分蘖期、抽穗期和成熟期，中磷(80 kg/hm2)、低磷(40 kg/hm2)和不施磷肥(0 kg/hm2)水平下，增施15 kg/hm2锌肥可以促进2个水稻品种地上部干质量的积累；而在高磷(120 kg/hm2)水平下，施锌则抑制地上部干质量的积累。可见，在中磷(80 kg/hm2)和低磷(40 kg/hm2)水平下，施锌对水稻地上部干质量的积累具有一定的促进作用，且施用15 kg/hm2锌肥比施用30 kg/hm2锌肥更加适宜；施用120 kg/hm2磷肥水平下，施锌对水稻地上部干质量的积累开始具有抑制作用。

由表1可见，在不施磷肥(0 kg/hm2)和低磷(40 kg/hm2)水平下，施用锌肥提高了广两优35的产量，在施用15 kg/hm2锌肥比施用30 kg/hm2的效果更加明显，与不施锌肥相比，由于水稻千粒重和结实率的增加而使产量分别增加了38.4%和6.8%。在高磷(120 kg/hm2)和中磷(80 kg/hm2)水平下，随着锌肥施用量的增加，广两优35产量也随之逐渐增加，在施用30 kg/hm2锌肥时，产量达到最高值，分别增加了24.9%和43.9%。在不施磷(0 kg/hm2)条件下，施锌肥15 kg/hm2使日本晴的产量增加了24.4%，在高磷(120 kg/hm2)、中磷(80 kg/hm2)和低磷(40 kg/hm2)水平下，施用锌肥反而会降低千粒重和结实率使产量降低；但在高磷(120 kg/hm2)水平下，施锌30 kg/hm2使结实率增加而提高产量。

表1 磷锌配施下各生育期广两优35和日本晴地上部的干质量及水稻产量Table 1 Shoot dry weight，yield and its components of rice of Gaungliangyou 35 and Nipponbare at different growth stages under combined application of phosphorus and zinc

2.2 磷锌配施对水稻磷吸收分配的影响

由表2可见，在不施磷(0 kg/hm2)和低磷(40 kg/hm2)水平下，广两优35新叶和穗中的磷含量均随锌肥的增施而增加，但是茎、叶鞘和老叶中的磷含量随锌肥的增施逐渐降低；可见，低磷水平下，施锌促进了磷从老叶、叶鞘和茎中向新叶和穗中转移。在中磷(80 kg/hm2)和高磷(120 kg/hm2)水平下，施锌提高了广两优35各部位的磷含量，除了茎以外，新叶、老叶、叶鞘和穗中的磷含量均随锌肥的增施而增加。磷锌交互处理下，日本晴各部位磷含量的变化没有明显的规律。

表2 磷锌配施下水稻成熟期各组织部位的磷含量Table 2 P content in different tissues of rice at mature stage under combined application of phosphorus and zinc

在中、低磷水平下，广两优35主分蘖的磷积累总量随锌肥的增施有所提高，但是日本晴则不同，主分蘖的磷积累总量随锌肥的增施呈下降趋势，但都没有达到显著性差异(图1A)。在低磷(40 kg/hm2)水平下，施用锌肥提高了2个水稻品种茎中磷的分配比例；在中磷(80 kg/hm2)和高磷(120 kg/hm2)水平下，施锌提高了广两优35穗中磷的分配比例(图1B)。

2.3 磷锌配施对水稻锌吸收分配的影响

在各锌肥水平下，磷肥的施用提高了广两优35各部位的锌含量；在施用40 kg/hm2磷肥时，各部位锌含量达到最高；但随磷肥施用增多，锌含量呈下降趋势。在施用80 kg/hm2磷肥不施锌肥、施用40 kg/hm2磷肥与15 kg/hm2锌肥、不施磷肥施用30 kg/hm2锌肥时，日本晴各部位的锌含量显著高于其他处理(表3)。

表3 磷锌配施下水稻成熟期各组织部位的锌含量Table 3 Zn concentration in different tissues of rice at mature stage under combined application of phosphorus and zinc

锌在水稻植株中的累积与磷的累积不同，施磷能够促进锌在植株中的累积量(图2A)。不同磷水平下，锌的分配比例在两水稻品种中存在显著差异。在广两优35中，随着磷肥施用量的增加，锌在穗中的分配比例下降，而在新叶和老叶中的分配比例增加，说明施磷会抑制广两优35中锌从叶片向穗中分配；而在日本晴中，随着磷肥施用量的增加，锌在穗和叶鞘中的分配比例增加，但是在新叶、老叶和茎中的分配比例降低，说明施磷会促进日本晴中锌从叶片和茎向叶鞘和穗中转移(图2B)。

NL：新叶; OL：老叶; SP：穗; SH：叶鞘; ST：茎; FL：旗叶。下同。NL:New leaves; OL:Old leaves; SP:Spikelets; SH:Sheath; ST:Stem; FL:Flag leaves. The same as below.图1 磷锌配施下成熟期广两优35和日本晴的磷累积量(A)和磷在各部位的分配比例(B)Fig.1 P accumulation (A) and distribution (B) of Guangliangyou 35 and Nipponbare at mature stage under combined application of phosphorus and zinc

图2 磷锌配施下成熟期广两优35和日本晴的锌累积量(A)和锌在各部位的分配比例(B)Fig.2 Zn accumulation (A) and distribution (B) of Guangliangyou 35 and Nipponbare at mature stage under combined application of phosphorus and zinc

2.4 磷锌配施对水稻氮和钾吸收分配的影响

由表4可见，在不施锌肥的条件下，随着磷肥施用的增加，广两优35各部位氮含量和钾含量显著增加；日本晴各部位的钾含量与广两优35相似，会随着磷肥施用的增加而升高，但是其氮含量却与广两优35相反，它随着磷肥施用的增加反而降低。但是，在施用30 kg/hm2锌肥时，磷肥施用水平的变化对2个水稻品种各部位的氮含量和钾含量不能产生显著的影响。可见，在外界低锌水平下，磷与氮和钾之间也会产生显著的互作效应，但是，外界高水平锌的供应却会消除这种磷与氮、钾之间的互作效应。

表4 磷锌配施下水稻成熟期各组织部位的氮和钾含量Table 4 N and K concentrations in different tissues of rice at mature stage under combined application of phosphorus and zinc

续表4 Continued Table 4

由图3可见，广两优35氮、钾积累量显著高于日本晴，随着磷水平的提高，广两优35各部位的氮、钾积累量逐渐增加，而日本晴的氮、钾累积量则表现平稳，受磷肥施用量的影响不大。中、低磷(40 kg/hm2、80 kg/hm2)水平下，施用锌肥可以提高广两优35的氮、钾积累量；而在高磷(120 kg/hm2)水平下，施用锌肥对广两优35的氮、钾积累量产生抑制作用。氮、钾在各组织部位中的分配比例如图3B和图3D所示。在广两优35中，施用30 kg/hm2锌肥会显著提高氮在穗中的分配比例，但是锌肥的施用对日本晴穗中氮的分配比例却没有显著影响；同时，磷肥与锌肥的配合施用对钾在水稻植株中的分配没有显著影响。

图3 磷锌配施下成熟期广两优35和日本晴的氮、钾累积量(A,C)和氮、钾在各部位的分配比例(B,D)Fig.3 N,K accumulation (A,C) and distribution (B,D) of Guangliangyou 35 and Nipponbare at mature stage under combined application of phosphorus and zinc

3 讨 论

随着对植物单一养分作用机制研究的逐步深入，近年来矿质养分间相互作用的研究开始受到植物营养学家和作物育种家的关注和重视；相关研究表明养分间的相互作用是影响作物养分高效利用及产量、品质形成的一个重要因素。

相关研究表明，过量的磷与锌配比在不同作物中会表现出拮抗效应。施用过量的磷肥会显著降低土壤中有效锌的含量，从而降低小麦对锌的吸收以及锌向地上部的转运和积累，显著降低小麦籽粒中锌的含量和生物有效性[6,11]。无论是在苗期，还是拔节期或抽穗期，施用磷肥会显著降低小麦地上部的锌含量，且随着施磷水平的提高，其抑制效果更加显著[12]。在烟草中的研究结果也显示，施用磷显著抑制烟草对锌的吸收[13]。但在玉米的营养液试验结果中发现，玉米根系中的锌含量会随着供磷水平的提高而显著增加，但是地上部的锌含量变化不显著，最终导致供磷降低了锌向地上部的运输效率[14]。此外，在小麦和玉米中的研究结果显示，施用锌肥会显著抑制磷从根向地上部的转运，且供磷水平越高，锌对磷转运的抑制幅度越大[15]。

本研究分析了12种不同的磷锌配比处理下籼型杂交水稻品种广两优35和常规粳稻品种日本晴的生物量和产量以及对磷、锌和氮、钾的吸收分配，结果表明不同水平的磷肥与锌肥配施对水稻的生长和产量形成以及养分的吸收分配可能具有协同效应或是拮抗效应。在中、低磷水平下，增施锌肥可以提高水稻的地上部生物量，提高植株中氮和钾的积累量；但在高磷水平下，增施锌肥反而降低地上部生物量，降低植株中氮和钾的积累量，且施用15 kg/hm2的锌肥比施用30 kg/hm2的锌肥对生物量的促进效应更佳。相关研究也表明，小麦磷与锌存在的拮抗作用只发生在小麦生长的特定生育时期。在苗期、拔节期和成熟期，施磷会显著降低小麦地上部的锌含量，同时，施锌也会降低小麦地上部的磷含量；但是，在抽穗期和灌浆期，施锌反而会提高小麦地上部的磷含量，表现出磷与锌之间的协同效应[11]。同时，适宜的磷锌配比还可以提高小麦籽粒中磷和锌的含量[16]。在水稻的研究中也发现，适宜地增施磷肥可以提高稻米中锌的生物有效性以及生物可利用总量，而过量施用磷肥或者不施磷肥均会降低稻米中锌的生物有效性和生物可利用总量[17]。

本研究结果发现，磷锌配施不仅显著影响了水稻植株中磷和锌的含量、累积量以及分配比例，同时对氮和钾的含量、累积量以及分配比例也产生了显著的影响。在中、低磷条件下，虽然施锌降低了日本晴对磷和氮的积累，但是提高了广两优35新叶和穗中的磷含量，还显著提高了植株中的氮含量和钾含量，促进了氮和磷从叶片向穗中的分配，有利于产量的提高。增施磷肥会快速促进水稻植株的生长和生物量的积累，当植株生长速率超过养分积累速率时，容易对植株体内的养分形成“稀释效应”而降低养分含量[8]。本研究中增施磷肥显著降低了植株体内的锌含量，但是由于生物量的增加，锌积累量显著增加，同时氮和钾的积累量也显著增加。氮、磷、钾是植物生长发育所需的大量营养元素，也是农业生产实践中的“肥料三要素”，对作物产量形成至关重要。磷锌配施对水稻植株中氮、磷、钾吸收和分配的影响直接决定了水稻产量，本研究中施锌促进氮和磷从叶片向穗中分配是水稻产量提升的主要原因之一。

本研究的结果同时表明，不同水稻品种表现出不同的磷锌互作效应。在低磷水平下，配施15 kg/hm2的锌肥提高了广两优35的千粒重和结实率，进而提高籽粒产量；而在中、高磷水平下，配施30 kg/hm2的锌肥提高了广两优35的穗数和每穗粒数，进而提高籽粒产量。不施磷肥条件下配施15 kg/hm2的锌肥，或者高磷水平下配施30 kg/hm2的锌肥可以提高日本晴的产量；但是在中、低磷水平下，配施锌肥反而降低了日本晴的产量。增施锌肥提高了广两优35各部位中磷的含量和累积量以及钾在穗中的分配比例，但在日本晴中，施锌对磷含量和累积量、钾在穗中的分配比例均没有显著影响。施磷会抑制广两优35中的锌向穗中分配，但是会促进日本晴中的锌向穗中分配。在莴苣的研究中同样发现了类似的研究结果，由于不同品种莴苣对磷和锌的需求不同，磷与锌之间的关系在不同品种莴苣中也存在着显著差异[18]。比如，在Kordaat莴苣品种中，根和地上部中的磷含量和锌含量之间均无显著相关性；但是对Paris Island Cos莴苣品种，无论是在根中还是地上部，磷含量和锌含量均存在显著的负相关关系[18]。可见，在生产实践中，需要根据不同的作物品种与土壤肥力水平，选择适宜的磷肥与锌肥配比施用，才能发挥磷与锌的协同增效效应。