水稻花后叶面锌和尿素配施对稻米锌营养的影响

2022-09-02陈晨张欣户少武顾珈名童楷程陈旺景立权王云霞杨连新

农业环境科学学报 2022年8期

陈晨，张欣，户少武，顾珈名，童楷程，陈旺，景立权，王云霞*，杨连新*

（1.江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省作物栽培生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心，扬州大学，江苏扬州 225009；2.扬州大学环境科学与工程学院，江苏扬州 225009）

锌是人体必需且较易缺乏的微量元素，缺锌可能会使身体发育异常，导致慢性疾病发生，进而危害全球30多亿人口的健康。人体锌营养主要从食物中摄取。大部分人群的膳食构成以谷类为主，而谷粒中的锌含量较低，人体对锌吸收利用不足会引起锌营养的缺乏。近20 年数据表明，随着空气中CO浓度持续升高，谷粒中本已较低的锌含量进一步下降，有关人类缺锌的健康问题日益严重。因此，探明如何有效增加稻米的锌营养水平是当前和未来必须面对的重要科学问题。目前，生物强化可有效提高稻米锌含量，增强锌生物有效性，是最具可持续发展的方法。从短期看，锌肥施用作为一种潜力较高的生物强化手段，主要包括土壤施锌和叶面施锌两种。与土施锌肥相比，叶面施锌因具有需肥少、吸收快、对环境友好、肥效高等优点而被公认为是一种便捷、速效的锌生物强化手段，能促进锌向籽粒转移，有效改善籽粒锌营养状况。

谷粒的锌生物有效性与植酸含量特别是植酸与锌摩尔比密切相关，且谷粒的锌营养水平由其和锌含量决定。面对人类锌缺乏的严重性，近年来学者们进行了大量叶面锌肥对稻米锌含量影响的研究，但很少同时研究与之相关的锌生物有效性，且研究对象多以一个或少数几个品种为主，局限性较大。糙米加工成精米会导致锌等微量元素的含量锐减，因此如何提高精米部位的锌含量显得更为重要。目前，稻米锌营养的研究主要针对糙米部位，而比较叶面施锌对糙米和精米锌营养影响差异的研究报道很少。已有少量研究表明，花后叶面施锌对糙米锌营养的影响总体大于精米。前期有研究表明，含氮有机物能促进小麦锌营养富集，但也有研究得到不同的结果。因此，氮、锌配合喷施对籽粒的富锌效果如何，仍需进一步的研究。此外，氮、锌叶面配施对籽粒锌营养的影响研究多集中于小麦，对水稻尚无相关报道。对于锌肥中添加尿素叶面喷施是否能促进籽粒的富锌效果是本试验的研究重点。

相关研究表明，水稻籽粒锌含量在叶面施锌后具有明显的品种差异，但叶面施锌效率高的品种特征报道较少。本课题组前期研究了6 个品种稻米锌含量对叶面施锌的响应，结果表明种子锌水平低、抽穗期叶片气孔导度大的水稻品种锌肥吸收效率更高，但该研究只观察了糙米部位，精米部位是否有相同趋势尚待验证，同时锌处理较为单一。因此本研究在前人试验基础上，于开花期、花后6 d和12 d对11个不同锌含量供试水稻品种进行叶面喷施0.5% ZnSO、0.5% ZnSO+1%尿素，测定水稻糙米和精米部位的锌元素含量、植酸含量、植酸与锌摩尔比，同时观察水稻花后剑叶的气孔特性。通过对这些指标的测定，比较糙米和精米的部位差异，探讨氮、锌配施对水稻籽粒锌营养的影响以及明确叶面吸肥效率与气孔特性的关系，为稻作生产上通过氮、锌配施增强锌生物有效性提供依据，为叶面锌肥吸收机制提供理论基础。主要研究假设：①花后叶面施锌对稻米锌营养的影响存在品种依赖，本身锌水平低且叶片气孔导度大的品种叶面吸锌效率更高；②相比于精米，花后叶面施锌对糙米锌营养的影响更大；③与单独叶面施锌相比，氮肥与锌肥配合喷施有利于增强稻米的锌营养水平。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验地点位于扬州大学农学院，以土培池培育水稻，土壤为灰潮土，背景值见文献[7]。本试验以清水为对照（CK）；0.5%ZnSO（0.5%为溶液中ZnSO浓度，用量为800 L·hm，并加入100 μL Tween-20 促进叶面浸润）和0.5%ZnSO+1%尿素（ZnSO-Urea）为施锌处理，叶面喷施。每个处理重复3 次。从水稻抽穗期开始第一次喷锌处理，共3 次，每次间隔6 d；整个喷锌处理水稻处于籽粒灌浆初期。喷施时用挡板将各处理植株隔开，防止污染。

1.2 材料培育

试验材料为11 个大田生产上广泛种植的高产优质水稻品种，包括常规籼稻、常规粳稻和杂交稻。分别为淮稻5 号（HD5，常规粳稻）、南粳46（NJ46，常规粳稻）、南粳5055（NJ5055，常规粳稻）、武运粳27（WYJ27，常规粳稻）、扬稻6 号（YD6，常规籼稻）、中早39（ZZ39，常规籼稻）、桂农占（GNZ，常规籼稻）、丰优香占（FYXZ，籼型三系杂交稻）、深两优136（SLY136，籼型两系杂交稻）、隆两优1988（LLY1988，籼型两系杂交稻）和甬优1540（YY1540，籼粳杂交稻，偏粳）。大田旱育秧，于5 月18 日播种，一个月后移栽。株行距分别为18、20 cm，粳稻1 穴2 株，其他品种1 穴1 株。水稻生长过程中共施氮22.5 g·m，基肥于6月中旬施用，间隔10 d施用分蘖肥，再间隔1个月施用穗肥，施氮量分别占40%、30%和30%。磷、钾肥为复合肥（有效成分N∶PO∶KO=15%∶15%∶15%），均作基肥施用，施用量为PO9 g·m、KO 9 g·m。水分管理：6 月19 日至8 月1 日保持浅水层，之后干湿交替（自然落干后保持3 d，灌水1 d，放干水保持4 d，灌水1 d，如此4 d 无水层1 d 浅水层循环至收获），控水搁田。

1.3 测定指标

水稻产量的测定：成熟期，每处理选取5 穴水稻，统计穗数，脱粒晒干。用FX-Ⅱ型风选仪保留饱粒（1 min）；用数粒板计数，并称质量，计算单穗籽粒产量（饱粒总质量/总穗数）。

糙米、精米锌及其他元素含量的测定详见文献[7]的方法：稻谷经出糙和出精后，分别磨成粉，称样0.5 g，分别加入5 mL 硝酸和3 mL 超纯水，滴加2～3 滴双氧水，高温下（180 ℃）消解，稀释过滤。用光谱仪（iCAP 6300，USA）测定Zn、Cu、Fe、Mn、P、K、Ca、Mg、S等元素的含量。

氮含量的测定参照张欣等的方法：将约0.2 g 样品置于50 mL 消化管中，加浓硫酸5 mL，在消煮炉370 ℃高温下消煮，中途滴加双氧水，稀释过滤后测定米粉含氮量。

植酸含量的测定方法：于0.25 g 样品中加入稀盐酸，振荡后离心，取一定量上清液。分别在上清液、植酸钠配制的标准溶液中加入显色剂（三氯化铁和磺基水杨酸），读取500 nm 下的吸光值，计算稻米的植酸含量。

光合测定方法：测定抽穗期、穂后20 d 剑叶光合数据。光强、气体流速、CO浓度设置见文献[7]。期间保持温度、湿度与环境一致。

叶面气孔观察参照文献[7]的方法：取抽穗期主茎剑叶（每品种3 次重复），在剑叶背面中部刷一层长1 cm，宽3 cm 的透明指甲油，并用透明胶带撕下该区域，反面朝上固定在载玻片上，用LeicaDM 2500 型号显微镜观察气孔密度和长度。

1.4 统计分析方法

采用Excel 2013 进行试验数据处理和图表绘制；采用SPSS 19.0 进行数据完全随机方差分析，并采用SPSS提供的Duncan法（=0.05）进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同处理对籽粒产量和稻米元素含量的影响

供试品种间单穗籽粒产量存在显著差异，但同一品种花后施锌处理对水稻产量无影响，且不同品种表现一致（图1）。成熟糙米和精米部位的N、P、K、Ca、Mg、S、Cu、Fe 和Mn 等元素含量表明（表1），品种、部位及其互作对这些元素含量影响极显著（Cu 除外），但锌处理，包括品种、部位与其互作对各元素含量多无显著影响。说明花后叶面施锌对不同品种稻米元素含量多无显著影响，故下面主要分析供试品种糙米和精米锌营养的响应。

表1 锌处理、品种和部位对稻米元素含量影响的显著性检验（P值）Table 1 Significance test of the effects of zinc treatment，rice cultivar，grain part on the concentrations of elements in rice grains（P value）

图1 不同处理对供试品种单穗籽粒产量的影响Figure 1 Effects of different treatments on grain yield of tested cultivars

2.2 不同处理对糙米和精米锌含量的影响

叶面施锌对糙米和精米两部位锌含量的影响见图2和表2。糙米、精米品种间锌含量的差异较大（＜0.001），糙米平均锌含量较精米增加28.4%（＜0.01）。叶面施锌使两部位锌含量较对照分别增加7.9、5.3 mg·kg，增幅分别达29.9%（＜0.01）、24.9%（＜0.01）。从不同品种看，叶面施锌使对应部位锌含量增加的幅度分别为15.9%～37.3%和7.9%～39.8%，其中以扬稻6 号（糙米）、丰优香占（精米）增幅最大，甬优1540 增幅最小。从不同锌处理看，与对照相比，ZnSO处理使两部位锌含量平均分别增加28.2%、22.2%，ZnSO-Urea 处理下锌含量分别增加31.5%、27.6%，均达极显著水平；ZnSO-Urea 处理的两部位锌含量较ZnSO分别增加2.6%、4.4%，均达显著水平。方差分析表明，锌处理与品种、部位，以及品种与部位之间的互作对稻米锌含量的影响均达极显著水平。

图2 不同处理对供试品种锌含量的影响Figure 2 Effects of different treatments on grain zinc concentration of tested cultivars

2.3 不同处理对糙米和精米植酸含量及植酸与锌摩尔比的影响

如图3 所示，叶面施锌，糙米和精米植酸含量在品种间差异较大（＜0.001）。糙米植酸含量较精米植酸含量平均增加218%（＜0.01）。各品种的糙米、精米植酸含量叶面施锌后与对照无显著差异。方差分析显示，各锌处理间糙米和精米植酸含量均无显著差异（＞0.05），锌处理与品种或部位的互作对稻米植酸含量均无显著影响（表2）。

图3 不同处理对供试品种植酸含量的影响Figure 3 Effects of different treatments on grain phytic acid concentrations of tested cultivars

植酸与锌摩尔比通常作为稻米中锌有效性的重要指标，该参数的计算结果见图4 和表2。糙米和精米植酸与锌摩尔比的品种间差异较大（＜0.001）。平均而言，糙米植酸与锌摩尔比约为精米植酸与锌摩尔比的1.5倍（＜0.01）。叶面施锌使糙米和精米的植酸与锌摩尔比较对照平均分别降低24.3%（＜0.01）、18.8%（＜0.01）。各品种对应部位植酸与锌摩尔比在叶面施锌后均降低，品种间降幅最大差异均达两倍以上，其中以扬稻6 号（糙米）、甬优1540（精米）降幅最大，中早39（糙米）和南粳46（精米）降幅最小。从不同锌处理看，与对照相比，ZnSO处理使两部位的植酸与锌摩尔比平均分别下降24.3%、17.2%，ZnSO-Urea 处理使对应部位平均分别下降24.3%、20.3%，且均达极显著水平，但两个锌处理间该比值无显著差异。锌处理与部位以及锌处理与品种对该比值的互作均达极显著水平。

图4 不同处理对供试品种植酸与锌摩尔比的影响Figure 4 Effects of different treatments on the molar ratio of phytic acid to zinc of tested cultivars

表2 锌处理、品种和部位对稻米锌营养的影响（P值）Table 2 ANOVA results for effects of zinc treatment，rice cultivar，grain part on zinc nutrition of rice grains（P value）

2.4 供试品种结实期剑叶的气孔特性

表3 为对照水稻（未进行叶面施锌的水稻）结实期剑叶的净光合速率（Pn）和气孔导度（Gs）。所有品种平均，开花期和花后20 d 的Pn 分别为20.3、17.4 μmol·m·s，Gs 分别为0.83、0.40 mol·m·s，开花期极显著大于花后20 d。水稻两期叶片Pn和Gs的品种间差异均达极显著水平：不同品种开花期Pn 的变幅为17.7～24.0 μmol·m·s，Gs 的变幅为0.44～1.42 mol·m·s。方差结果显示，时期和品种对叶片Pn和Gs 的互作达极显著水平，说明因测定时期不同，这两个参数品种间的差异也不同。

表3 开花期和花后20 d对照水稻剑叶的净同化率（Pn）和气孔导度（Gs）Table 3 Net assimilation rate（Pn）and stomatal conductance（Gs）of flag leaves of cultivars at anthesis and DAA 20 under control conditions

图5 为抽穗期对照水稻剑叶气孔数据。品种间气孔长度的差异达极显著水平，其中南粳5055 最大（平均23.5 μm），丰优香占最小（20.1 μm）。气孔密度也存在极显著的品种差异，其中以深两优136 最大（928 mm），南粳5055最小（617 mm）。

图5 对照条件下供试品种开花期剑叶的气孔性状Figure 5 Stomatal characters of tested cultivars at anthesis under controlled conditions

2.5 叶面施锌水稻稻米锌营养差异相关性分析

水稻叶面施锌后籽粒锌营养差异相关分析见表4。两部位锌含量的增幅与其对照水稻的糙米锌含量均呈显著负相关（糙米=-0.340，精米=-0.391），与精米锌含量亦呈显著负相关（糙米=-0.452，精米=-0.615），说明水稻叶面施锌效率与本身种子锌含量有关，种子锌含量低，富锌效果好。表4还表明稻米锌含量的增幅与抽穗期Gs显著正相关（糙米=0.354，精米=0.413），与抽穗期气孔性状无显著相关；水稻抽穗期和灌浆期Gs与气孔长度均呈显著正相关，而与气孔密度均呈负相关，其中灌浆期达极显著水平；叶片气孔密度与气孔长度呈极显著线性负相关。

表4 叶面施锌对稻米锌营养的影响与对照水稻的稻米和剑叶气孔性状的相关性分析（n=33）Table 4 Correlation analysis of the responses of grain zinc nutrition to foliar zinc application and the grain zinc concentration and stomatal characteristics of flag leaves of control rice（n=33）

3 讨论

大量研究表明，在土壤不缺锌条件下，水稻花后叶面施用锌肥对水稻产量多无显著影响。本试验以高产优质的11 个不同水稻品种为供试材料，结果表明，水稻花后叶面喷施ZnSO或ZnSO-Urea 对单穗籽粒产量均无显著影响，各品种趋势一致（图1）。由于花后叶面施锌对水稻分蘖发生无明显影响，且最终穗数无显著变化，因此单位面积籽粒产量亦无明显变化。除此之外，花后叶面施锌对成熟稻米Cu、Fe、Mn、N、P、K、Ca、Mg、S 等元素含量亦无明显影响，且不同品种、不同测定部位（糙米和精米）对其响应一致，表现在锌处理及其与品种或部位的互作对这些元素含量多无显著影响（表1）。

大量研究表明，花后叶面施锌使谷粒包括稻米的锌含量明显增加。本研究证实，与不喷施锌的对照相比，花后连续喷施3 次锌肥使稻米锌含量显著增加（图2）。本试验同时测定了糙米和精米部位的锌含量，所有品种平均，糙米部位锌含量较精米增加约30%（增加7 mg·kg），这主要与糙米外层的糊粉层富含蛋白质和植酸有关，这些物质可以螯合锌等微量元素。这一结果亦说明稻米精加工过程中会造成锌的损失，导致精米锌含量明显减少，因此如何增加精米锌含量显得尤为重要。迄今为止，叶面施锌对糙米和精米锌含量影响的比较研究较少，多品种研究更为少见。本研究中11个品种的测定结果表明，花后叶面施锌使两部位锌含量较对照平均分别增加29.9%、24.9%（图2），糙米响应更大，锌处理与部位间存在显著的互作效应，说明叶面施锌对两部位锌含量的影响存在显著差异，与前人报道一致。这种部位差异在小麦上亦有报道：叶面施锌下小麦粒锌含量的增幅通常为麸皮＞次粉＞面粉。这些部位差异说明外源锌从表皮和糊粉层再转运到胚乳的过程中可能存在某种障碍，破解这些障碍有利于从根本上增加胚乳（精米）的锌含量。

前人研究表明，花后叶面施锌对稻米锌含量的影响与供试品种有关。本研究证实，花后叶面施锌对稻米锌含量的影响存在明显的品种差异，即锌处理与品种间互作显著。所有供试品种比较，叶面施锌使扬稻6号糙米（37%）和丰优香占精米（40%）的锌含量增幅最大，使甬优1540的增幅（糙米16%、精米8%）最小，其中精米锌含量的增幅品种间最大相差达5倍（图2）。进一步将供试材料分为籼型（扬稻6 号等6 个品种）和粳型（淮稻5号等5个品种）两类水稻，总体而言，叶面施锌对籼型水稻糙米锌含量的影响（32%）大于粳型水稻（27%），精米锌含量的增幅两类水稻差异更大：籼稻（33%）的增幅接近粳稻（18%）的两倍（图2）。上述品种差异说明，通过品种选育尤其是籼型水稻可以增强稻米特别是精米的富锌效果，进而改善人类的锌营养状况。

与叶面喷施ZnSO相比，氮、锌配施对籽粒锌含量的影响存在两种观点，一种是不会增加锌含量，另一种认为可显著提高籽粒锌含量，而目前已有研究多针对小麦，对水稻研究较少。水稻花后叶面施锌会增加稻米锌含量，关于氮、锌叶面配施是否能进一步增加稻米锌的积累，本研究表明，与单独叶面施锌相比，水稻花后叶面氮、锌配施对增加稻米锌含量有显著效果，且精米部位更为明显。所有品种的糙米锌含量在ZnSO、ZnSO-Urea 处理下较对照分别增加28.2%、31.5%，精米锌含量分别增加22.2%、27.6%（图2），与ZnSO相比，ZnSO-Urea 处理下糙米、精米增幅分别为2.6%、4.4%；方差结果表明两个锌处理间的差异均达显著水平（糙米：=0.042，精米：=0.014）。这一结果表明叶面所施锌肥中添加一定浓度尿素对增加籽粒锌含量的效果好于单独施锌，尤其是精米锌含量的增加更明显。稻米在氮、锌配施下富锌效果增强，可能与锌离子在尿素作用下进一步渗透表皮，从而进入叶片组织有关；经由韧皮部转运，再到达籽粒胚乳（精米）中，稻米的锌含量因此增大，但其深层的生理机制还有待探明。

作物籽粒中的植酸容易与锌等金属离子在人体内螯合并生成难溶性物质，从而影响人体对锌的吸收和利用。植酸盐的存在大幅降低了锌的生物有效性，而发展中国家的居民对植酸含量较高谷物的大量吸收也是锌缺乏的主要原因。水稻中植酸多存在于糠层中，在水稻籽粒中的分布通常为稻谷＞糙米＞糠层＞精米。研究表明，水稻花后叶面施锌对其籽粒植酸含量有显著影响。相似地，本研究发现尽管各品种及其部位植酸含量差异很大，但对ZnSO、ZnSO-Urea 处理均无显著响应，且糙米和精米部位趋势一致（图3）。方差分析亦显示锌处理与品种、部位间的互作对稻米植酸含量均无显著影响。

人体对锌的摄入量除了与植酸绝对含量有关，更与植酸与锌摩尔比相关，后者常被用来评价锌的生物有效性。本研究表明，与锌含量相同，糙米植酸与锌摩尔比显著大于精米（表2），说明虽然精米的锌含量显著低于糙米，但锌的生物有效性显著高于糙米。叶面施锌使稻米锌含量大幅增加，但植酸含量没有变化，因而植酸与锌摩尔比即生物有效性显著下降（图4），这与有关水稻、小麦的报道相同。叶面施锌导致植酸与锌摩尔比的降幅品种间存在较大差异（最大相差2 倍以上），且籼型水稻比粳型水稻的响应更大（图4）。研究还发现，叶面施锌对稻米植酸与锌摩尔比的影响存在显著的部位差异：糙米部位的平均降幅（24.3%）明显大于精米（18.8%）。目前有关尿素溶于叶面锌肥中配施对稻米锌有效性的影响未见报道。本研究表明，尽管糙米植酸与锌摩尔比对ZnSO和ZnSO-Urea 处理的响应相同（24.3%），但后者对精米植酸与锌摩尔比的影响（20.3%）大于前者（17.2%）（图4）。综上可知，花后叶面施锌显著增加籽粒，特别是糙米部位锌的生物有效性；与单独施锌相比，叶面施锌配施尿素有利于增加精米锌的生物有效性。

如前所述，稻米锌含量对花后叶面施锌的响应存在显著的品种差异，但较少研究报道这种差异的原因。张欣等对6 个品种糙米锌含量分析发现，与对照相比，叶面施锌对水稻糙米锌含量的增幅与叶片气孔长度和密度均无显著关联，但与花后Gs 呈显著正相关。本研究以更多的品种验证了这一结果，同时发现施锌导致精米锌含量的增幅亦与Gs呈显著或极显著正相关。结合前人研究可知，水稻气孔大小是衡量叶面施锌效果的重要参数。本研究观察到籼稻叶面施锌的效果优于粳稻，这与籼稻叶片Gs 明显大于粳稻相吻合：籼型和粳型水稻开花期平均Gs 分别为0.88 mol·m·s和0.77 mol·m·s（根据表3 计算所得），说明气孔张开变大，气孔壁上附着的颗粒增加，更易于极性液体通过，增加对叶面锌肥的吸收。

除了气孔性状，稻米的富锌效果可能还与植株本身锌含量的高低有关。JAKSOMSAK 等通过品种比较试验发现，叶面施锌对2 个低锌品种稻米锌含量的影响明显大于2 个高锌品种；张欣等对6 个水稻品种的观察表明，花后叶面施锌对低锌品种糙米锌含量的影响显著大于高锌品种。本研究在增加品种的基础上，同时观察了糙米和精米锌含量对叶面施锌的响应，相关分析显示，水稻植株本身的锌含量与稻米锌含量的增幅显著负相关，进一步表明种子锌含量较低的品种富锌效果更好。