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李文宗, 李有芳, 李卫华, 王磊
小麦叶面喷施微肥对籽粒中矿物元素的影响分析
生物技术通报, 2018, 34(6): 90-95

LI Wen-zong, LI You-fang, Li Wei-hua, WANG Lei
Effects of Leaf Spraying Fertilizer on Mineral Elements in Wheat Grain
Biotechnology Bulletin, 2018, 34(6): 90-95

文章历史

收稿日期:2017-12-14

小麦叶面喷施微肥对籽粒中矿物元素的影响分析
李文宗1,2, 李有芳1, 李卫华1, 王磊2     
1. 石河子大学农学院 新疆兵团绿洲生态农业重点实验室,石河子 832003;
2. 中国农业科学院生物技术研究所,北京 100081
摘要:在人体和动植物的生长发育过程中,铁(Fe)、锌(Zn)、硒(Se)3种微量元素起着重要的作用。为了提高小麦籽粒中Fe、Zn、Se元素的含量及进一步分析叶面喷施Fe、Zn、Se肥及其组合对籽粒中Fe、Zn、Se以及其他矿物元素含量的影响,并寻求生产上最适宜的叶面喷施组合,采用不同浓度的硫酸亚铁(Fe肥)、硫酸锌(Zn肥)和亚硒酸钠(Se肥)及其组合对小麦品种北京0045(BJ0045)进行叶面喷施处理。结果表明,叶面喷施Fe、Zn、Se肥均能显著提高BJ0045籽粒中Fe、Zn、Se元素的含量;Fe与Se能够相互促进吸收,Zn能够促进Se与Fe的吸收,Se对Zn有抑制作用;不同的叶面喷施组合处理中,Fe/Zn/Se三者混合肥的使用能显著提高籽粒中Fe、Zn、Se元素的含量,同时发现不同的叶面喷施组合的施用对籽粒中Ca、Mg、Cu、Mn、P矿物元素的吸收也有不同的影响。
关键词小麦    矿物元素    Fe    Zn    Se    
Effects of Leaf Spraying Fertilizer on Mineral Elements in Wheat Grain
LI Wen-zong1,2, LI You-fang1, Li Wei-hua1, WANG Lei2     
1. College of Agriculture, Shihezi University/Key Laboratory of Oasis Eco-agriculture of Xinjiang bingtuan, Shihezi 832003;
2. China Biotechnology Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081
Abstract: Iron (Fe), zinc (Zn) and selenium (Se) are essential trace mineral elements in the organism and play an important role in the growth and development of plants, animals and human body. This work is to increase the contents of Fe, Zn and Se in wheat grain and further analyze the effects of iron, zinc, selenium fertilizer and their combinations on the contents of iron, zinc, selenium and other mineral elements in wheat grain, meanwhile to explore the most appropriate combination of foliar spraying. We used different concentration of Fe (ferrous sulfate), Zn (zinc sulfate) and Se (sodium selenite) fertilizers and their combinations to be sprayed to the leaves of wheat cultivar BJ0045. The results showed that spraying Fe, Zn and Se fertilizers significantly increased the contents of Fe, Zn and Se in BJ0045 grain. Fe and Zn promoted each other's absorption. Zn enhanced the absorption of Se and Fe, whereas Se inhibited Zn absorption slightly. The mixed Fe/Zn/Se fertilizer significantly raised the content of Fe, Zn and Se in wheat grain among all combinations. we also found that the different combinations of foliar spray affected differently the absorptions of Ca, Mg, Cu, Mn, and P mineral elements in the grain.
Key words: wheat     mineral elements     iron     zinc     selenium    

Fe、Zn、Se三种微量元素在人体与动植物的生长发育过程中起着重要的作用,与人体健康密不可分。Fe对于所有生物体几乎都是至关重要的,在成人体内含4-5 g,参与体内各种代谢过程,包括运输氧气、合成激素、促进身体发育、增强免疫力、合成DNA和电子运输等[1-3]。据报道,全世界1/4以上的人口患有贫血,其中大约一半是缺铁性贫血,缺Fe性贫血现已成为全球性健康问题,往往会导致患者生活质量恶化[4, 5]。缺铁性贫血在学龄前儿童和女性中发生率最高。在女性中,补Fe可改善身体机能和认知能力,提高工作效率和幸福感,在怀孕期间补充Fe可改善孕妇、新生儿和婴儿的健康状态[6, 7]。在儿童中,铁可以改善认知能力、精神运动能力和身体发育状况[8]

1963年,Dura等[9]报道了Zn在各种动物中存在的必要性,缺乏Zn可能导致严重的临床问题(发育迟缓、细胞介导的免疫功能障碍和认知障碍[10])。目前,约300种酶和约1 000种转录因子的活性需要Zn的参与,Zn是免疫细胞的第二信使,并且在这些细胞中的游离Zn能够参与信号传导途径,不仅调节细胞介导的免疫力,而且还是抗氧化剂和抗炎剂[11-12]。Zn已被成功用于治疗儿童急性腹泻、威尔逊病、普通感冒和预防与年龄相关的干燥型黄斑变性患者的失明[13]。尽管在过去的几十年中,人类在Zn代谢的临床和基础科学方面取得了巨大进展,然而目前全球还有将近20亿人可能缺Zn,在吸收不良综合征、肝脏疾病、慢性肾病、镰状细胞病和其他慢性疾病的患者中都观察到Zn的缺乏[14]

Se在人体内有非常重要的作用,是人体必需的微量营养元素之一,成人体内Se总量为3-20 mg。Se作为第21位氨基酸硒代半胱氨酸的组成部分,硒蛋白具有广泛的多效性,迄今为止,在人类蛋白质组中已鉴定了25种Se蛋白[15]。有机态Se具有提高免疫力和增强认知的能力,抗氧化、调节甲状腺激素代谢、治疗癌症、抗艾滋病和维持正常生育的功能[16-17]。人体的多种疾病都和缺Se有关,比如能量缺乏性营养不良、血溶性贫血、克山病、大骨节病、高血压、缺血性心脏病、肝硬化、胰腺炎、纤维瘤、癌症、肌瘤、不妊症、糖尿病、白内障等疾病[18-20]。目前,我国有一半以上地区的土壤处于缺Se或低Se状态,全球约10亿人处于Se缺乏状态,可见缺Se已成为一个世界性的问题[21]。植物性食品尤其是农作物植物中的Se是人体获取有效安全Se的重要来源,农作物植物可把土壤环境中无机态Se吸收转化为有生物活性的有机态Se,利于人体吸收且安全无副作用,在农业上使用Se肥对农作物进行Se的生物强化是解决人类体内Se缺乏问题的主要有效措施[22]

Fe、Zn、Se 3种微量元素在人体健康中具有极其重要的作用,通过叶面喷施在农作物中强化Fe、Zn、Se 3种重要的微量元素是一种安全且高效的微量元素补充措施[23]。已有相关的小麦叶面喷施微肥研究主要集中在叶面喷施Fe、Zn、Se肥对喷施作物产量及籽粒中Fe、Zn、Se元素的影响变化,但并未研究叶面喷施Fe、Zn、Se肥对籽粒中其他矿物元素的影响变化且叶面喷施处理单一[24-28]。因此,本研究采用不同浓度的硫酸亚铁、硫酸锌和亚硒酸钠及其不同组合对小麦品种北京0045(BJ0045)进行叶面喷施处理,并对样品籽粒中的矿物元素含量进行分析处理,旨在提高小麦籽粒中Fe、Zn、Se元素的含量及分析叶面喷施Fe、Zn、Se肥及其不同组合对小麦籽粒中Fe、Zn、Se以及Ca、Mg、Cu、Mn、P矿物元素含量的影响,为小麦籽粒Fe、Zn、Se的生物强化提供新的策略和科学依据。

1 材料与方法 1.1 材料

叶面喷施小麦品种为北京0045(BJ0045),种植于中国农业科学院生物技术研究所试验基地(河北廊坊),田间管理按常规方法进行,本试验土壤中Fe、Zn、Se元素的含量分别为26.2 mg/kg、58.4 μg/kg和1.2 μg/kg。

1.2 方法 1.2.1 试验设计

试验按照随机区组法设计,3次重复且将不同喷施处理小区有效分离,小区面积为7.5 m×4 m=30 m2,共30个小区。每个处理在相应小区的拔节中期(2017年4月15日)和抽穗前期(2017年4月25日)各喷施1次,共喷施2次。喷施时间为下午5:00-6:00,叶面喷施均匀且喷施前后两天天气晴朗无降雨。

叶面喷施试验设计T1(叶面喷施0.2% FeSO4·7H2O)、T2(叶面喷施0.5% FeSO4·7H2O)、T3(叶面喷施0.2% ZnSO4·7H2O)、T4(叶面喷施0.5% ZnSO4·7H2O)、T5(叶面喷施0.01%Na2SeO3)、T6(叶面喷施0.2% FeSO4·7H2O+0.2% ZnSO4·7H2O混合肥)、T7(叶面喷施0.2% FeSO4·7H2O+0.02% Na2SeO3)、T8(叶面喷施0.2% ZnSO4·7H2O+0.02% Na2SeO3)、T9(叶面喷施0.2% FeSO4·7H2O+0.2% ZnSO4·7H2O+0.02% Na2SeO3)和CK(叶面喷施清水)。

1.2.2 样品采集与处理

2016年10月10日播种,2017年6月26日成熟收获。在各个小区随机取3片长势一致的2 m2区域的小麦,晒干脱粒后用去离子水清洗2次,将清洗后的籽粒样品置于60℃烘干箱,烘干至恒重后用样品研磨仪(上海净信实业发展有限公司)研磨成粉末过筛,进行元素测定。

1.2.3 测定项目与方法

使用CEM微波消解仪(青岛迈可威微波创新科技有限公司)、聚四氟乙烯消解罐(上海新诺仪器设备有限公司)、电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS,赛默飞SeriesⅫ)和电感耦合等离子体发射光谱仪(安捷伦ICP-OES 5100),测定籽粒样品中Fe、Zn、Se、Ca、Cu、Mg、Mn、P元素的含量。

配制不同浓度的Cu、Mg、Mn、Fe、Zn、Ca、P、Mg元素混合标准溶液(0.1、0.5、1.0、2.0、10.0和40 mg/L),配制不同浓度的Se元素标准溶液(0.1、1.0、5.0、10.0、50.0和100.0 μg/L),建立标准工作曲线。

称取各样品粉末0.250 g于消解管中,加3 mL硝酸,浸泡过夜,加入2 mL双氧水,盖上盖,再放入微波消解仪内,设置微波系统消解程序(步骤1:设置温度120℃,升温时间5 min,保持时间2 min;步骤2:设置温度160℃,升温时间5 min,保持时间5 min;步骤3:设置温度180℃,升温时间5 min,保持时间5 min;步骤4:设置温度190℃,升温时间5 min,保持时间35 min)开始消解。消解完全结束后,取出消解管,放置于赶酸仪上,以140℃加热赶酸至溶液剩余1 mL,取下冷却至室温,用水转移入25 mL容量瓶中,定容,混匀备用,测定各元素含量。

2 结果 2.1 小麦叶面喷施Fe、Zn、Se及其组合对籽粒中Fe、Zn、Se元素含量的影响 2.1.1 叶面喷施不同处理对籽粒中Fe元素含量的影响

图 1可见,各处理籽粒中的Fe元素含量相对于CK均显著升高,T1-T9样品籽粒中Fe元素含量相对于CK分别升高164.9%、172.7%、198.7%、184.4%、154.0%、155.4%、173.1%、146.1%和189.6%。表明叶面单独喷施Fe、Zn、Se 3种微肥及其组合都能显著的提高籽粒中Fe元素的含量。

图 1 不同微肥处理条件下BJ0045籽粒中Fe元素的含量 CK:叶面喷施清水;T1:叶面喷施0.2% FeSO4·7H2O;T2:叶面喷施0.5% FeSO4·7H2O;T3:叶面喷施0.2% ZnSO4·7H2O;T4:叶面喷施0.5% ZnSO4·7H2O;T5:叶面喷施0.01% Na2SeO3;T6:叶面喷施0.2% FeSO4·7H2O+0.2% ZnSO4·7H2O混合肥;T7:叶面喷施0.2% FeSO4·7H2O+0.02% Na2SeO3混合肥;T8:叶面喷施0.2% ZnSO4·7H2O+0.02% Na2SeO3混合肥;T9:叶面喷施0.2%FeSO4·7H2O+0.2% ZnSO4·7H2O+0.02% Na2SeO3混合肥。*P≤0.05,**P≤0.01,n=9,下同
2.1.2 叶面喷施不同处理的微肥对籽粒中Zn元素含量的影响

图 2可见,T1和T5籽粒中的Zn元素含量相对于CK均有所降低,分别降低4.7%和7.4%;T2、T3、T4、T6、T7、T8、T9样品籽粒中的Zn元素含量相对于CK都有所升高,分别升高12.8%、2.1%、26.7%、8.4%、8.7%、9.8%和6.8%。说明叶面喷施矿物肥对籽粒中Zn的含量影响不明显,仅仅提高12.8%(0.5% ZnSO4),表明仅采用叶面喷施还不能够大幅度的提高籽粒中Zn的含量。

图 2 不同微肥处理条件下BJ0045籽粒中Zn元素的含量
2.1.3 叶面喷施不同处理的微肥对籽粒中Se元素含量的影响

图 3可见,各处理籽粒中Se元素的含量相对于CK都有显著升高,T1-T9样品籽粒中Se元素含量相对于CK分别升高39.4%、124.2%、33.3%、33.3%、1633.3%、45.5%、627.3%、663.6%和1172.7%,说明叶面单独喷施Fe、Zn、Se 3种微肥及其组合都能显著的提高籽粒中Se元素的含量。Fe、Zn肥均有利于小麦籽粒中Se的吸收与积累。叶面喷施Se肥后,小麦籽粒中Se元素的含量大大提高,最大升高16.3倍,表明小麦对叶面喷Se很敏感且有很强的吸收能力。

图 3 不同微肥处理下BJ0045籽粒中Se元素的含量
2.2 小麦叶面喷施Fe、Zn、Se肥对籽粒中其他矿物元素含量的影响

为了分析叶面喷施Fe、Zn、Se肥对籽粒中其他矿物元素是否存在影响,对不同处理后小麦BJ0045籽粒样品中Ca、Cu、Mn、Mg、P元素的含量进行测定。

经微肥喷施处理后的样品籽粒中Ca元素的含量相对于对照(CK)有所不同(图 4-A),T1、T2、T3、T4、T6、T7、T8和T9样品籽粒中Ca元素的含量相对于CK都有所升高,T5样品降低,说明叶面喷施Fe、Zn、Se,除了单独喷Se对籽粒中Ca含量有所抑制,其他处理对籽粒中Ca含量的吸收转运都有促进作用。

图 4 不同微肥处理对BJ0045籽粒中微量元素含量的影响 A:Ca元素的含量;B:Cu元素的含量;C:Mg元素的含量;D:Mn元素的含量;E:P元素的含量

经微肥喷施处理后的样品籽粒中Cu元素的含量相对于对照(CK)都显著升高(图 4-B),说明叶面喷施Fe、Zn、Se及其组合能够促进小麦籽粒中Cu元素的吸收与积累,对小麦籽粒营养品质的提升有一定的促进作用。

经微肥喷施处理后的样品籽粒中Mg元素的含量相对于对照(CK)有不同的变化(图 4-C),T1和T9样品籽粒中Mg元素的含量相对于CK有所降低,T2、T3、T4、T5、T6、T7和T8样品籽粒中Mg元素的含量相对于CK普遍升高,说明叶面喷施Fe、Zn、Se对籽粒中Mg元素含量影响不显著。

经微肥喷施处理后的样品籽粒中Mn和P元素的含量相对于对照(CK)都显著性降低(图 4-D图 4-E),说明叶面喷施Fe、Zn、Se肥及其组合对小麦籽粒中Mn和P元素的吸收与积累有所抑制。

3 讨论

目前,已有小麦叶面喷施Fe、Zn、Se肥对籽粒中矿物元素影响的研究报道,但结果不完全相同。张晓等[24]研究发现叶面喷施Fe、Zn、Se 3种微肥均能明显提高籽粒中相应微量元素的含量。张纪元等[25]研究发现喷施Fe、Zn、Se 3种微肥显著提高了小麦籽粒中Zn和Se含量但对籽粒中Fe含量无显著影响。刘敦一等[26]研究发现叶面喷施锌肥能显著提高小麦籽粒锌含量,最大升高66.3%。孟丽梅等[27]研究发现通过叶面喷施Fe、Zn、Se后小麦籽粒中这3种微量元素的含量均有较显著提高,对籽粒Se含量提高最为明显。本研究结果显示,通过小麦叶面喷施Fe、Zn、Se肥均能显著提高籽粒中Fe、Zn、Se含量且相对于CK最高分别增加了198.7%、26.7%和1633.3%,其中对籽粒中Fe、Se元素的强化效果最为明显。推测可能是由于不同的小麦品种对矿物元素的吸收效率不同所致,同时土壤中的矿物元素含量的不同也可能会影响叶片喷施的效果。

已有研究结果显示小麦籽粒中Fe、Zn、Se 3种元素的吸收是相互影响的,但相关机制还不清楚。鲁璐等[28]研究发现小麦籽粒中Zn、Fe 2种元素互相促进吸收,Zn、Fe与Se则相互拮抗。王丽等[29]研究结果显示,籽粒中Fe对Zn单向拮抗,Zn与Se,Fe与Se相互促进。本研究结果显示,叶面喷施不同处理后小麦籽粒中Fe、Zn、Se 3种元素的吸收也是相互影响的,Fe与Se相互促进吸收,Zn能够促进Se与Fe的吸收,Se对Zn有抑制作用。

目前小麦叶面喷施Fe、Zn、Se肥及其不同组合对籽粒中Ca、Cu、Mg、Mn、P元素含量影响的研究少有报道。杨习文等[30]研究结果显示,小麦拔节期和扬花期喷Zn对小麦籽粒Cu含量无明显影响,但灌浆前期和灌浆后期喷Zn会降低其Cu含量,而籽粒Mn含量对喷Zn则无明显反应。刘庆等[31]研究结果显示叶面喷Se促进了小麦籽粒P、Fe、Mn、Zn等4种元素的积累,降低了Na在籽粒中的累积,对K、Mg、Cu元素的含量影响不显著。孙发宇等[32]研究结果显示,叶面喷施高浓度Se处理降低了小麦籽粒中Ca、Mg、Cu、Fe、Mn和S的含量,但提高了Zn的含量。本研究结果显示,叶面喷施Fe、Zn、Se肥及其组合能促进小麦籽粒中Cu元素的吸收与积累,对小麦籽粒中Ca和Mg的影响不大,对Mn和P元素的吸收与积累略有抑制。

4 结论

叶面喷施Fe、Zn、Se及其组合能显著增加小麦品种BJ0045籽粒中Fe、Zn、Se元素的含量。Fe/Zn/Se混合肥的使用能显著提高小麦籽粒中Fe、Zn、Se元素的含量。叶面喷施Fe、Zn、Se元素后对小麦籽粒中Ca、Cu、Mg、Mn、P矿物元素有不同的影响。

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