长期施磷对水稻锌吸收、积累和转运的影响

刘彦伶，李 渝，白怡婧，黄兴成，张雅蓉，张 萌，张文安，蒋太明

（1.贵州省农业科学院土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006；2.农业农村部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站，贵州 贵阳 550006；3.贵州省农业科学院茶叶研究所，贵州 贵阳 550006）

锌是人体生长发育的必需微量元素，全球约1/3的人口正面临着锌营养缺乏，在经济不发达的发展中国家尤为严重［1］，提高作物特别是禾谷类作物籽粒中锌含量及其生物有效性，已成为全世界植物营养学、农学、人体营养等领域关注的热点。我国大约60%的居民以稻米为主，水稻对锌的吸收、累积和转运关系到水稻产量和品质形成，稻米的锌营养品质直接影响国民的身体健康状况。一般认为，水稻籽粒中绝大多数微量元素含量除受遗传因素影响外，还受气候、土壤和人为活动等因素的影响，而通过农学措施提高农产品中的微量元素含量则被认为是一种可持续的、安全的和经济的方案［2］。施肥作为农业生产的重要增产措施，必然会对土壤-作物系统中锌迁移转运产生影响，磷锌关系一直是研究的热点。大量研究认为施用磷肥会降低禾谷类作物籽粒锌的含量，磷锌之间呈拮抗作用［3-4］，关于磷锌拮抗作用有的推测发生在土壤中，过量施用磷肥会增加土壤磷酸盐对锌离子的吸附或沉淀（环境化学机制）；但也有研究认为磷锌拮抗作用发生在植物体内，锌离子与磷形成的磷酸锌盐在植物体细胞壁与液泡发生的沉淀作用，使锌离子在植物体内的木质部长距离输送减少，进而抑制了锌向地上部的运转代谢（生理生化机制）［5-6］。但是，以往的研究大多基于室内培养试验或短期田间试验，而长期施肥对土壤理化性质的影响较短期施肥更为深刻，近年来，关于长期施肥对土壤和作物锌吸收的影响在黄壤、棕壤、紫色土、红壤、黑土等土壤上开展了一些研究［7-10］，研究认为长期配施有机肥可提高土壤有效锌含量和籽粒锌含量，而长期施用化肥对土壤和籽粒锌含量的影响研究结果不一。水稻是贵州最重要的粮食作物，黄壤作为贵州面积最大的农业土壤类型，土壤磷有效性低是其主要障碍因子之一，因此合理施用磷肥是黄壤区实现作物高产的重要措施，目前关于长期施肥对黄壤磷素的影响已开展了一些研究［11-13］，但长期施肥对土壤锌有效性和农作物锌吸收影响的研究尚少，磷素长期供应不足或过量会如何影响农作物对锌的吸收或向籽粒的分配？目前黄壤上还鲜有相关报道。为此，本文以进行了22 年的黄壤（水田）长期定位试验为平台，开展长期施肥条件下不同磷肥用量和不同磷肥类型对土壤有效锌含量和植株锌吸收、积累及转运影响的研究，可为黄壤区合理施肥及作物高产优质提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验概况

本研究依托于农业农村部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站进行黄壤（水田）肥力与肥效长期定位试验。试验地位于贵州省贵阳市花溪区贵州省农业科学院内（106°39′52″E，26°29′49″N），地处黔中丘陵区，属亚热带季风气候，平均海拔1071 m，年均气温15.3℃，年均日照时数1354 h 左右，相对湿度75.5%，全年无霜期270 d 左右，年降水量1100～1200 mm。试验地土壤类型为铁聚水耕人为土，成土母质为三叠系灰岩与砂页岩风化物。该长期定位试验于1994 年开始基础设施建设和匀地，1995 年开始连续监测。基础土壤理化性质为pH 6.75，有机质44.5 g·kg-1，全氮1.96 g·kg-1，碱解氮158.9 mg·kg-1，有效磷13.4 mg·kg-1，速效钾293.7 mg·kg-1，有效锌2.53 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验采用大区对比试验设计，小区面积201 m2（35.7 m×5.6 m），设置有10 个施肥处理，本研究选取其中能代表不同施磷量及不同磷肥类型的7 个施肥处理：不施肥（CK）、偏施氮肥（N）、偏施氮钾肥（NK）、平衡施用化肥（NPK）、单施有机肥（M）、1/2 有机肥替代1/2NP（0.5MNP）和全量有机肥化肥配施（MNPK）。供试化肥为尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O512%）和氯化钾（K2O 60%）；有机肥为牛厩肥，鲜基养分多年测试平均含N 2.7 g·kg-1、P2O51.3 g·kg-1、K2O 6.0 g·kg-1、Zn 21.6 mg·kg-1，本研究中锌肥为有机肥带入，并未施用化学锌肥。不同处理施肥量见表1。化学氮肥按返青肥、分蘖肥为40%、60%的比例分两次追施，有机肥及化学磷钾肥作基肥一次性施用。本研究中2016 年种植水稻品种为‘汕优108’，栽培密度为2.08×105株·hm-2，栽培方式为人工手插，于2016 年6 月5 日移栽，10 月9日收割，分蘖期取样日期为7 月4 日，开花期取样日期为8 月22 日；2018 年种植水稻品种为‘茂优601’，于2018 年6 月13 日移栽，9 月27 日收割，分蘖期取样日期为7 月14 日，开花期取样日期为8 月20 日，种植密度与2016 年一致。水稻生长期间采用前期淹水、中期烤田和后期干湿交替的水分管理模式，冬季翻耕炕田，不种植任何农作物。试验过程中不使用除草剂和杀虫剂等化学农药，所有处理除施肥差异外，其他农事活动均一致。

表1 各处理施肥量

1.3 测定项目与方法

长期定位试验由于小区面积较大未设置重复，本研究将试验地沿长边3 等分，设置3 个调查取样重复小区，分别于水稻分蘖期、开花期和成熟期采集水稻植株和0～20 cm 耕层土壤样品，生育时期土壤样品仅于2016 年采集，2018 年未采集。植株样品在105℃下杀青30 min，70℃烘干后称取干重，磨碎待用。土壤风干后磨碎过1 mm 筛待用。采用HNO3-HClO4消煮-原子吸收分光光度法测定全锌含量，DTPA 浸提-原子吸收分光光度法测定有效锌含量。具体测定方法参考《土壤农化分析》［14］。

1.4 相关参数计算

花后锌积累量（kg·hm-2）=成熟期锌积累量-开花期锌积累量；

营养器官锌转运量（kg·hm-2）=开花期锌积累量-成熟期营养器官锌积累量；

锌转运量对籽粒贡献率（%）=营养器官锌转运量/成熟期籽粒锌积累量×100；

花后锌积累量对籽粒贡献率（%）=花后锌积累量/成熟期籽粒锌积累量×100。

1.5 数据分析

试验数据均采用Excel 2010 软件进行计算处理，利用SPSS 20.0 软件进行统计分析和相关分析，差异显著性用Duncan 新复极差法进行分析，显著性水平设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 长期不同施肥模式对土壤有效锌的影响

不同施肥处理对土壤有效锌含量有显著影响（图1），分蘖期、开花期及收获后土壤有效锌含量分别为1.85～4.84、2.07～6.67、2.17～5.04 mg·kg-1，不同处理各生育期土壤有效锌含量趋势基本一致，大小顺序为MNPK ≥M＞0.5MNP＞NPK、CK＞N、NK，处理间差异达显著水平。与CK 相比，施用有机肥的各处理（MNPK、M、0.5MNP）不同时期土壤有效锌平均值显著提高了52.0%～130.0%，偏施氮肥（N）或氮钾肥（NK）处理则降低了14.4%～15.6%，而氮磷钾平衡配施（NPK）提高了7.2%，但差异均未达显著水平。与初始年份土壤有效锌相比，N 和NK 处理2016 年收获后土壤有效锌分别下降了9.7%和12.2%，CK、NPK、M、0.5MNP、MNPK 分别提高 了4.1%、13.7%、41.5%、69.2%、124.6%。可见施用有机肥可提高黄壤性水稻土有效锌含量，而偏施氮肥或氮钾肥则会降低土壤有效锌含量。

2.2 长期不同施肥模式对水稻植株磷锌含量及磷锌比的影响

水稻各生育期不同施肥处理对水稻植株磷和锌含量均有显著影响（表2）。茎叶中，与CK 处理相比，N、NK 处理2016 和2018 年茎叶磷含量分别降低了22.7%、45.5%和35.0%、12.5%；NPK、M、0.5MNP处理2016 和2018 年分别显著增加了54.5%～127.3%和50.0%～130.0%，各处理大小为M＞0.5MNP＞NPK；MNPK 处理2016 年和2018 年分别显著增加了188.6%和165.0%。籽粒中，与CK 处理相比，N 和NK 处理2016 年籽粒磷含量显著降低，但2018 年差异不显著；NPK、M、0.5MNP 处理2016 和2018 年分别增加了2.8%～22.8%和32.5%～50.5%，各处理大小为M＞0.5MNP＞NPK；MNPK 处理2016 年和2018 年分 别显著增加了33.1%和55.2%。

不同施肥处理对水稻成熟期不同器官锌含量有显著影响，且对茎叶的影响大于对籽粒的影响，2016 和2018 年规律基本一致（表2）。茎叶中，与CK 处理相比，N 和NK 处理茎叶锌含量均显著增加，2016 和2018 年增幅高 达14.4%和18.5%以上；NPK 处理2016 年显著降低，但2018 年差异不显著；施用有机肥处理（M、0.5MNP、MNPK）茎叶锌含量均有不同程度降低，2016 和2018 年降幅分别为28.2%～36.7%和17.1%～37.5%，各处理降幅大小顺序为MNPK＞M、0.5MNP。籽粒中，与CK 处理相比，2016 年N 和NK 处理籽粒锌含量略有提升，但差异不显著。2018 年N 处理显著提高了18.9%，NK 处理略有提升但差异不显著；NPK、M 和0.5 MNP 处理籽粒锌含量均有不同程度降低，但仅2018 年NPK 处理差异达显著水平；MNPK 处理各时期籽粒锌含量均最低，2016 和2018 年成熟期分别显著降低了24.0%和35.0%。

表2 水稻植株地上部成熟期不同器官的磷、锌含量和P/Zn

众多学者认为P/Zn 可作为衡量磷、锌营养的诊断指标，比锌含量更能表征植物体内锌活性。茎叶中，与NPK 处理相比，不施磷的各处理（CK、N、NK）不同时期P/Zn 均显著降低，2016 和2018 年分别显著降低了48.0%～74.8%和30.8%～64.5%，其中以N 和NK 处理降幅较大；施用有机肥的处理（M、0.5MNP、MNPK）2016 和2018 年分别显著增加了30.9%～139.4%和70.5%～187.2%，其中MNPK 处理增幅最大。籽粒中各处理P/Zn 与茎叶规律基本一致，表现为N、NK ≤CK＜NPK、M、0.5 MNP＜MNPK，处理间差异基本达显著水平。上述结果说明，水稻和籽粒磷、锌含量主要受磷肥施用量影响，在磷肥施用量一致条件下，施用有机肥较单施化肥更能提高水稻籽粒锌含量。

2.3 长期不同施磷模式对水稻植株锌积累和转运的影响

水稻移栽后，不同施肥处理水稻锌积累量持续增加，在收获期达最大（图2）。2016 和2018 年分蘖期、开花期和成熟期锌积累量分别为23.4～42.6、215.7～339.0、418.6～493.1 和56.8～127.3、252.9～316.0、369.3～461.0 g·hm-2，各处理间锌积累量基本无显著差异。2016 和2018年不同施肥处理水稻植株锌转运规律基本相似（表3），花后锌积累量对籽粒的贡献率基本高达60%以上，籽粒锌含量主要来源于花后锌积累。2016 和2018 年各处理锌转运量及其对籽粒的贡献率均以M 和0.5MNP 处理较高，N 和NK 处理较低，M 处理2016 和2018 年锌转运量分别是NPK处理的7.3 和4.3 倍，锌转运量对籽粒的贡献率分别提高了34.5 和53.4 个百分点。2016 和2018 年各处理花后锌积累量及其对籽粒贡献率均以N 和NPK 处理较高，M 处理最低。综上，0.5MNP 处理在提高花前锌向籽粒转运和促进花后锌吸收效果最佳。

表3 不同施肥模式水稻锌积累、转运及对籽粒的贡献率

2.4 水稻植株锌含量与植株磷含量及土壤养分的相关性

对成熟期水稻植株锌营养及植株氮磷钾养分含量和土壤养分进行相关分析（表4），结果表明，水稻籽粒和茎叶锌含量与磷含量均呈显著或极显著负相关，P/Zn 则与磷含量呈极显著正相关。水稻茎叶和籽粒锌含量与土壤有效锌和有效磷均呈显著或极显著负相关，P/Zn 与土壤有效锌、有机质、全氮、有效磷和速效钾均显著或极显著正相关，其中与有效磷的相关系数最大。可见，水稻茎叶和籽粒锌含量主要与磷含量和土壤有效磷含量有关。

表4 水稻植株锌含量与植株磷含量及土壤养分的相关性

由于长期不同施肥模式受多种因素共同影响，上述研究表明磷肥施用量和有机肥用量对土壤和水稻植株锌含量有重要影响，为进一步比较两者对土壤有效锌和水稻植株锌吸收的影响，分析了磷肥用量和有机肥用量对土壤有效锌和成熟期籽粒锌含量的主效应（表5）。结果表明，有机肥施用量和磷肥用量对土壤有效锌影响的主效应均达极显著水平，有机肥用量影响较大。不同有机肥和磷肥施用量对土壤有效锌的影响表现为高量有机肥＞中量有机肥＞不施有机肥，高量施磷＞中等施磷＞不施磷（图3）；有机肥施用量对水稻籽粒锌含量影响未达显著水平，而施磷量对籽粒锌含量的影响在2016和2018 年均达极显著水平，大小为不施磷＞中等施磷＞高量施磷（图4）。可见，土壤有效锌含量主要受有机肥用量即锌肥用量的影响，而水稻籽粒锌含量则主要受施磷水平影响。

表5 磷肥和有机肥用量对土壤有效锌和水稻籽粒锌含量的影响

3 讨论

3.1 长期施肥对土壤有效锌的影响

土壤中锌是植物吸收锌最重要的来源，常用DTPA-Zn 来表征土壤中有效锌的含量作为土壤供锌能力的衡量指标，国际水稻所提出0.8 mg·kg-1为土壤有效锌的最低临界指标［15］。本研究中各处理水稻不同生育期土壤有效锌含量均高于1.85 mg·kg-1，土壤并不缺锌。不同施肥处理各时期土壤有效锌含量基本表现为MNPK ≥M＞0.5MNP＞NPK、CK＞N、NK，说明长期施用有机肥可提高土壤有效锌含量，这与黑土［16］、棕壤［8］、褐土［17］、黄泥田［2］等土壤上的研究结果一致，其原因一方面是长期施用有机肥为土壤带入的锌高于植物带走的锌，因此土壤中锌处于盈余状态；另一方面有机质可以增加锌的溶解度进而提高土壤有效锌含量。而关于长期不施肥及施用化肥对土壤有效锌影响的研究结果不尽一致，本研究中长期不施肥土壤有效锌含量略低于或与平衡施用化肥处理相当，与黑土和棕壤等研究结果相似，而长期不平衡施肥（缺磷）则比平衡施用化肥显著降低了土壤有效锌含量，这与褐土上研究结果相似，但与黄土上［6］研究结果相反，说明黄壤稻田长期偏施氮肥或氮钾肥对土壤有效锌影响较大。长期偏施氮肥或氮钾土壤中有效锌含量下降的原因可能是植物连续生长从土壤中带走了锌，却没有为土壤补充锌而造成的，而平衡施用化肥虽然植物也吸收带走了锌，但施用磷肥可能活化了土壤中原有的锌［9］，进而提高了有效锌的含量。

3.2 长期施肥对水稻锌吸收的影响

本研究结果显示，不同施肥处理籽粒和茎叶中锌含量均表现为CK、N、NK＞NPK、M、0.5MNP＞MNPK，与惠晓丽等［18］在冬小麦中得出的营养器官和籽粒锌含量不施磷处理（CK、N）大于施磷处理（P、NP）一致，但与王飞等［2］和刘候俊等［8］在水稻和玉米上得出的施用有机肥可提高籽粒锌含量相反。相关分析和多因素方差分析结果表明水稻植株籽粒锌含量与磷含量和土壤有效磷均呈显著负相关关系，籽粒锌含量随磷肥用量增加不断降低，有机肥用量对籽粒锌含量影响不显著，说明黄壤稻田上水稻锌含量主要受土壤和植株磷含量的影响，水稻植株磷锌之间存在拮抗作用，这与大多研究得出的“高磷会诱导作物缺锌”结果一致。本研究中，土壤有效锌和有效磷之间呈极显著正相关，施磷量越高有效锌含量越高。说明磷锌之间的拮抗作用发生在植物体内，有可能高磷抑制了作物根系对锌的吸收，导致各施肥处理间地上部植株锌积累量基本无显著差异，而施用磷肥可提高水稻植株生物量和产量［19］，所以由水稻生物量和籽粒产量增加引起的养分稀释效应可能是施磷处理水稻植株锌含量降低的主要原因［20-21］，这与赵荣芳等［22］和Zhang 等［23］研究结果一致。需要说明的是，本研究中磷梯度设置较少且各施肥处理间变量因素较多，故关于黄壤稻田土壤-植株系统中更加明确的磷锌关系需要盆栽试验或室内培养试验辅助作进一步明确。

水稻籽粒锌一方面来源于营养器官的转运，另一方面来源于花后锌的吸收，本研究中各施肥处理基本60%以上来自于花后锌积累量，这与冯绪猛等［24］的研究结果一致，不同施肥处理中M 处理花后锌积累量及其对籽粒的贡献率均最低，N 和NPK处理则锌转运量和对籽粒的贡献率最低，因此农业生产中有机肥应和化肥合理配施才更有利于促进水稻籽粒锌含量的提高。施磷量基本一致条件下，M和0.5MNP 处理茎叶锌含量均低于NPK 处理，但籽粒锌含量却高于NPK 处理，分析不同施肥处理对锌转移和分配的影响发现，M 和0.5MNP 处理锌转运量均较高，而NPK 处理则较低，可见，促进茎叶中锌向籽粒的转运是M 和0.5MNP 处理籽粒锌含量提高的主要原因。

3.3 黄壤稻田上锌肥管理对策

本研究中，籽粒锌含量为13.4～29.5 mg·kg-1，低于赵强［25］在我国主要农作物微量元素含量状况分析中得到的水稻糙米平均锌含量45.65 mg·kg-1，因此黄壤稻田应重视锌肥的施用。而综合前文研究结果来看，水稻籽粒锌含量主要受施磷量的影响，不施磷或过量施磷均不利于籽粒产量和锌营养品质的协同提升，而在适当施磷量下合理配施有机肥（含锌）既可实现作物高产又可一定程度上提高籽粒锌含量，是黄壤稻田上实现作物高产优质的有效途径。值得注意的是，由于本研究中施用有机肥可同时提高土壤有效磷和有效锌含量，所以水稻籽粒锌含量并不随土壤有效锌含量的增加而增加，而是呈负相关关系，这说明在土壤并不缺锌的条件下通过土施锌肥（尤其是同时含有磷和锌的肥料）来提高水稻籽粒锌含量的效果是有限的，还应结合叶面肥喷施［26］。

4 结论

不同施肥模式中，N、NK、CK 处理水稻植株茎叶和籽粒锌含量最高，P/Zn 最低；MNPK 处理水稻植株茎叶和籽粒锌含量最低，P/Zn 最高；NPK 处理成熟期茎叶锌含量略高于M 和0.5MNP 处理，但籽粒锌含量则略低于M 和0.5MNP 处理。

水稻植株茎叶和籽粒锌含量与磷含量及土壤有效磷之间均呈显著或极显著负相关，施磷量对水稻籽粒锌含量的影响大于锌肥用量（即有机肥用量），黄壤稻田上施用磷肥对水稻植株锌营养的拮抗作用不可忽视。

适宜施磷量下，有机无机配施既可促进花前积累的锌向籽粒转运又可促进花后锌的吸收，更有利于提高籽粒锌含量。

在土壤不缺锌的情况下土施锌肥对提高水稻籽粒锌含量效果有限，为提高水稻籽粒锌含量，黄壤稻田上应重视锌肥尤其是叶面锌肥的施用。