氮鋅肥配施對小麥籽粒不同類型混合粉鋅營養品質的影響

邵運輝，張盼盼，馬 耕，王晨陽，李向東，秦 峰，程紅建

(1.河南省農業科學院小麥研究所，河南鄭州 450002；2.河南省農業科學院糧食作物研究所，河南鄭州 450002； 3.河南農業大學農學院/國家小麥工程技術研究中心，河南鄭州 450046)

鋅是動植物和人體生長發育過程中必不可少的一種微量元素。鋅缺乏已成為威脅人類健康的第5大主要因素，中國約1億人口受到鋅缺乏的影響[1]。鋅缺乏會導致人體免疫力下降、代謝紊亂、生長緩慢與智力發育下降等[2]。鋅缺乏的主要原因是飲食中鋅攝入量不足或飲食結構單一，尤其是在以谷類作物為主要飲食來源的國家[3]。在中國，小麥及其制品是50%居民的主食，提供約20%的鋅源[4]。然而，我國冬小麥籽粒平均鋅含量僅為30.3 mg·kg-1，遠低于滿足人體健康的籽粒鋅目標值40～60 mg·kg-1[5]。小麥籽粒中鋅濃度及其生物有效性較低，很容易導致以其為主食的人群鋅攝取量不足。為滿足人體健康對鋅的需求，提高小麥籽粒鋅含量和生物有效性十分必要。

鋅生物強化可以提高糧食作物的籽粒鋅含量和生物有效性，強化措施主要包括選育富鋅小麥品種和采取有效的農藝措施。實施育種策略周期長、成本高，通過施用鋅肥等農藝措施則是提高小麥籽粒鋅營養品質的有效措施。研究發現，在缺鋅條件下，施用鋅肥能夠顯著促進小麥根系的發育，增加小麥的分蘗數，提高光合作用和呼吸作用關鍵酶的活性，增加小麥對鋅元素的吸收和累積，提高籽粒中鋅含量[6-7]；增加氮素供應可以促進小麥根際微生物活性和根系有機酸的分泌，使土壤中螯合的鋅得以釋放，從而促進根系對鋅的吸收；正常供鋅下增加氮素供應量可以增加鋅向地上部和籽粒的轉運[8-10]。鋅、氮或鋅、鉀配合施用，均可以通過增加營養器官對鋅的吸收及鋅向籽粒的轉移量，顯著降低小麥籽粒P/Zn摩爾比，提高籽粒鋅含量及小麥鋅的生物有效性[11-13]。施用磷肥可提高土壤植酸含量，促進植酸和鋅的結合，降低小麥對鋅的吸收與轉移，降低鋅的生物有效性[14-17]。鋅與生物刺激素、農藥配合噴施均可以提升小麥籽粒Zn含量及其生物有效性[18]。

前人對黃淮海地區氮、鋅肥配合施用下小麥植株對鋅的吸收、利用、轉移和在籽粒中的累積均有較多研究，但對小麥籽粒及其加工產品中的鋅含量及有效性尚不明確，尤其是對小麥不同類型面粉中鋅的營養品質尚不清楚。因此，本研究擬將大田試驗中氮、鋅肥配施下的籽粒進一步加工，研究氮、鋅肥配施下不同類型面粉中的氮、鋅含量及有效性，為小麥大田生產中提高籽粒鋅含量、改善籽粒鋅營養品質提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

大田試驗地位于河南省焦作市溫縣祥云鎮(34°92′N，112°99′E)，于2014-2016年度進行。供試土壤為褐土。采用裂區試驗設計，主區為2個施鋅水平，分別為0(Zn0)和9.60 kg·hm-2(Zn1)；副區為4個施氮水平，分別為0(N0)、180(N1)、240(N2)和300(N3) kg·hm-2。設5個重復，共40個小區，小區面積6.1 m×2.5 m。試驗區周圍設有保護行。

每季小麥整地前，采用“S”曲線法分別采集 0～20 cm土壤樣品，混合后測定基礎肥力參數，結果如表1所示。

表1 土壤肥力參數

整地前將50%氮肥、過磷酸鈣(P2O512%)和硫酸鉀(K2O 52%)按150 kg·hm-2施用量均勻撒入土壤表面，翻耕施入土壤；另50%氮肥在小麥拔節期施入土壤。在小麥拔節期、抽穗期、開花期和灌漿期各噴施1次鋅肥(ZnSO4·7H2O，分析純)，噴施濃度為0.3%，每次噴施量為800 L·hm-2(2.4 kg·hm-2)。對照處理噴施相同量的蒸餾水。噴施避開陰雨天氣，時間選擇在傍晚，以保證噴施效果。

試驗材料為當地高產小麥品種豫麥49-198(河南平安公司)。試驗期間監測降雨量和溫度變化，并做好病蟲害防治和補灌水等管理措施。

1.2 測定項目與方法

小麥成熟期，收獲每個小區中央6 m2的小麥，脫粒后風干，稱重并測定含水量，折合13%含水量計產。

風干籽粒樣品按照四分法取樣，取約200 g籽粒進行潤麥(14%)，利用布勒常規磨(BúHLER，德國)將籽粒進行分層磨樣。常規條件下收集粗麩皮(DF)、細麩皮(XF)、3個皮磨粉(B1、B2和B3)和3個心磨粉(R1、R2和R3)共8種粉樣。其中DF、XF、B1、B2、B3、R1、R2和R3的占比分別約為15.3%、19.2%、7.3%、10.1%、2.3%、23.1%、17.2%和5.6%。

將得到的8種粉樣按照不同方式進行混合，得到精制粉、標準粉、通粉和全粉共4種類型混合粉。具體混合方式：精制粉=B1+B2+R1+R2；標準粉=B1+B2+B3+R1+R2+R3；通粉=XF+B1+B2+B3+R1+R2+R3；全粉=DF+XF+B1+B2+B3+R1+R2+R3。精制粉和標準粉為通常食用面粉。將各混合粉裝入自封袋中，做好相應標記。

混合粉中氮、鋅和植酸含量的測定：氮含量采用H2SO4-H2O2消解，用流動分析儀(AA3)測定；鋅含量采用HNO3-H2O2消解，用ICP-MS法測定；植酸采用TCA浸提，用分光光度計比色法測定。

1.3 數據分析

計算混合粉中氮、鋅和植酸含量及植酸與鋅的摩爾比(PA/Zn)，并根據Miller[19]模型計算鋅日吸收量(TAZ)。

在此模型中，以正常人日食300 g小麥為鋅的主要來源，進而模擬和計算人體的TAZ (mg·d-1)，其中，TDP代表植酸日食用量(mmol·d-1)，TDZ代表鋅日食用量 (mmol·d-1)，Amax、Kr和Kp則分別為此模型中的參數，其大小分別為0.091、0.680和 0.033(mmol·d-1)。

試驗數據采用Excel 2010 和SPSS 22進行統計與分析，用LSD法和Duncan多重比較法分析處理間差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 氮、鋅配施對小麥籽粒產量的影響

兩個年度間的籽粒產量無顯著差異，平均為7.51×103kg·hm-2。施鋅處理對籽粒產量無顯著影響。N0處理下，小麥籽粒產量平均為4.41×103kg·hm-2，施氮處理較N0處理平均提高了93.7%。除2015-2016年度Zn1條件下，N3處理的籽粒產量顯著高于N1外，其他相同鋅處理下，N1、N2和N3處理間的產量差異均不顯著，但均顯著高于N0處理(圖1)。

相同鋅處理圖柱上不同小寫字母表示不同氮處理間差異在0.05水平顯著。下同。

2.2 氮、鋅配施對不同類型混合粉中氮、鋅含量和累積量的影響

精制粉、標準粉、通粉和全粉的平均氮含量依次為17.89、18.15、20.05和21.27 g·kg-1。精制粉中，年度和施鋅處理對氮含量的影響不顯著；施氮處理的氮含量均顯著高于對照(N0)；兩個年度中，Zn0條件下均以N2處理的氮含量最高，分別是20.43 g·kg-1和20.29 g·kg-1，且顯著高于其他氮處理；在Zn1條件下，N1、N2和N3處理間氮含量無顯著差異(圖2A)；整體而言，不同施氮處理的氮含量表現為N2>N3、N1>N0，N2處理的氮含量平均為19.63 g·kg-1，較N0處理提高了36.7%。標準粉和通粉中，不同處理間氮含量的差異趨勢表現同精制粉(圖2B、2C)。圖2D顯示，兩個年度中，全粉的氮含量均表現為N1、N2、N3處理顯著高于N0處理；2014-2015年度Zn1條件下，N3處理的氮含量最高，為24.64 g·kg-1，其次是N1、N2處理；2015-2016年度Zn0條件下，N3與N1處理間差異不顯著，分別較N2和N0處理提高了9.1%和92.7%，差異顯著；整體而言，N1、N2和N3處理下全粉的氮含量之間差異不顯著，平均為23.61 g·kg-1，較N0處理提高了65.4%。

A、B、C和D分別代表精制粉、標準粉、通粉和全粉。下同。

精制粉中，鋅含量平均為4.23 mg·kg-1，年度間差異不顯著；Zn0處理的鋅含量平均為3.21 mg·kg-1，Zn1處理的鋅含量提高了63.1%，二者差異顯著(P<0.05)；N2處理的鋅含量平均為5.03 mg·kg-1，較N3和N1處理平均提高21.7%，較N0處理提高了39.6%；兩個年度中，Zn0條件下不同氮處理的鋅含量均表現為N2>N0、N1、N3，Zn1條件下各施氮處理間無顯著差異(圖3A)。標準粉和通粉中鋅含量平均分別為為4.53 mg·kg-1和17.90 mg·kg-1；兩個年度中，Zn0處理下均以N2處理鋅含量最高，Zn1條件下不同施氮處理間的差異未達顯著水平(圖3B、3C)。全粉中，鋅含量平均為29.76 mg·kg-1，Zn1處理的鋅含量平均為35.01 mg·kg-1，較Zn0處理提高了42.8%，二者差異顯著(P<0.05)；兩個年份中，Zn0條件下，N1、N2和N3處理的鋅含量均顯著高于N0處理，Zn1條件下，各施氮處理間無顯著差異(圖3D)。

圖3 氮、鋅配施對籽?；旌戏壑袖\含量的影響

精制粉、標準粉、通粉和全粉中氮累積量平均分別為79.55、91.76、131.32和166.00 kg·hm-2。年份和施鋅處理對小麥各混合粉的氮累積量均無顯著影響。精制粉中，兩個年度N0處理的氮累積量平均為36.57 kg·hm-2，施氮處理的氮累積量較N0處理顯著增加，N1、N2和N3處理間差異不顯著(表2)；2014-2015年度Zn0條件下，N2處理精制粉的氮累積量最高，為102.84 kg·hm-2，其次是N1和N3，N0處理最低，僅為39.88 kg·hm-2。2015-2016年Zn0條件下，N3處理的氮累積量最高，為96.96 kg·hm-2，顯著高于N1處理，N0處理最低，為 33.00 kg·hm-2。氮、鋅配施對標準粉的影響趨勢同精制粉。與N0相比，施氮處理的通粉和全粉中氮累積量均顯著提高，且N1、N2和N3處理間差異不顯著；兩個年度，Zn0和Zn1條件下，施氮處理的通粉和全粉的氮累積量均表現為N1、N2、N3顯著高于N0處理。

表2 氮、鋅配施對籽?；旌戏壑械鄯e量的影響

精制粉、標準粉、通粉和全粉中鋅累積量分別為18.67、22.73、114.59和 200.79 g·hm-2。年份對4種類型混合粉的鋅累積量均無顯著影響。從表3可見，精制粉中鋅累積量，Zn1處理較Zn0處理提高了63.3%；施氮處理間比較，以N2處理最高，其次是N1處理、N3，N0處理最低；兩個年度中，Zn0條件下表現為N2>N1、N3>N0，Zn1條件下表現為N2和N3處理之間無顯著差異，但二者顯著高于N0處理。兩個年度中，施鋅處理的標準粉、通粉和全粉中鋅累積量平均分別提高58.0%、48.6%和50.9%；與N0相比，施氮處理的這3種混合粉中鋅累積量均顯著提高；2014-2015年度Zn0和Zn1與2015-2016年度Zn0條件下，施氮處理均表現為N2>N1、N3>N0，在2015-2016年度Zn1條件下，則表現為N2和N3處理之間無顯著差異，但二者顯著高于N1處理。

表3 氮、鋅配施對籽?；旌戏壑袖\累積量的影響

2.3 氮、鋅配施對不同類型混合粉中植酸及 PA/Zn的影響

年份對4種類型混合粉的植酸含量均無顯著影響。精制粉中，Zn1植酸含量較Zn0處理明顯提高(15.4%)(圖4A)；N0處理的植酸含量約為0.75 g·kg-1，施氮后平均下降7.5%。兩個年份中，Zn0條件下，施氮顯著降低了植酸含量，而在Zn1條件下施氮則增加了植酸含量。

標準粉中，Zn0處理的植酸含量平均為0.77 g·kg-1，以N1處理最高，為0.93 g·kg-1；Zn1處理較Zn0處理平均提高了14.4%，施氮處理的植酸含量平均為0.85 g·kg-1，較N0處理提高了 16.0%，以N2處理最高，平均為0.96 g·kg-1(圖4B)。通粉中植酸含量為7.18 g·kg-1(圖4C)，施鋅對其無顯著影響，而施氮后則平均降低了7.9%。全粉中植酸含量為 11.21 g·kg-1，與Zn0相比，Zn1處理下全粉植酸含量提高13.0%，施氮較N0處理則降低了 6.2%；兩年度中，Zn0條件下以N2處理最高，而Zn1條件下氮肥處理間無顯著差異(圖4D)。

圖4 氮、鋅配施對籽?；旌戏壑兄菜岷康挠绊?/p>

從圖5可見，精制粉、標準粉、通粉和全粉的PA/Zn分別為17.05、18.98、40.03和41.75，年份對其無顯著影響。Zn0處理下精制粉的PA/Zn約為20.36，施鋅后降低了32.5%。與N0處理相比，施氮后精制粉中PA/Zn平均降低約 20.9%，以N2處理降幅最大(圖5A)；兩個年份中，Zn1條件下施氮處理間PA/Zn差異均不顯著，Zn0條件下N0和N3處理的PA/Zn顯著高于N1和N2處理，這可能與兩年的氣象條件有關。標準粉中，Zn1處理的PA/Zn為15.01，較Zn0處理降低 34.7%，N0處理的PA/Zn為23.74，與之相比，N1、N2和N3處理分別降低了27.6%、 36.7%和15.9%(圖5B)。Zn0條件下，通粉和全粉中PA/Zn分別為46.6和47.4，施鋅后分別降低了 28.1%和23.8%；N0處理下通粉和全粉中PA/Zn分別為43.71和44.47，與之相比，施氮后平均分別降低了11.2%和8.2%(圖5C和圖5D)。

圖5 氮、鋅配施對籽?；旌戏壑袖\有效性的影響

2.4 氮、鋅配施對不同類型混合粉中鋅日吸收量(TAZ)的影響

從表4可見，精制粉的TAZ含量平均為 0.22 mg·d-1，年份對其無顯著影響，與Zn0處理相比，Zn1處理精制粉的TAZ提高61.0%，N0處理下TAZ為0.16 mg·d-1，施氮后提高至 0.24 mg·d-1，且N2>N1、N3；兩個年份中，Zn0條件下均以N2處理最高，其次是N1和N3處理，N0處理最低；Zn1條件下，N2和N3處理間無顯著差異，但均顯著高于N0處理。標準粉的TAZ為 0.36 mg·d-1，Zn1處理為0.44 mg·d-1，較Zn0處理提高59.3%；施氮肥處理中以N2處理最高，為 0.45 mg·d-1，其次是N1和N3處理，N0處理最低，僅為 0.26 mg·d-1；各處理對標準粉中TAZ的影響趨勢同精制粉。通粉中TAZ為0.57 mg·d-1，年份對其無顯著影響，與Zn0處理相比，Zn1處理TAZ提高約44.9%；N0處理下通粉的TAZ為0.47 mg·d-1，施氮后提高27.8%。全粉中TAZ為0.98 mg·d-1；Zn0處理為0.83 mg·d-1，施鋅后提高35.9%；不同施氮處理間，以N2處理的TAZ最高，為1.09 mg·d-1，其次是N1和N3處理，N0處理最低，僅0.82 mg·d-1。兩個年份Zn0條件下，各施氮處理間通粉的TAZ表現為N2>N1>N0，Zn1條件下則表現為N1、N2、N3>N0。

表4 氮、鋅配施對籽?；旌戏壑袖\日吸收量的影響

3 討論與結論

3.1 氮、鋅配施對小麥籽?；旌戏垆\含量的影響

小麥植株吸收鋅元素后，將大多鋅運輸至籽粒，再在籽粒中將鋅轉運到籽粒的各個部位。這個過程存在兩個障礙，分別位于小穗軸與籽粒連接點以及籽粒腹溝微觀組織與胚乳之間[20]。小麥籽粒結構顯示，腹部維管束內側的珠心突起與胚乳之間沒有共質體，只存在胚乳腔，因此來自腹部維管束的鋅首先卸至胚乳腔，再通過胚乳腔進入胚乳。胚乳腔附近的厚壁糊粉層是鋅卸載和轉運的關鍵部位。珠心突起中轉移細胞的鋅轉運蛋白表達水平不均衡，最終會導致小麥籽粒中鋅分布不均勻[21]。研究表明，小麥籽粒從外向內鋅濃度逐漸遞減，內胚乳鋅含量最低，鋅主要分布在糊粉層、盾片、珠心突起和維管束中，而胚乳和胚中的鋅濃度相對較低[22-26]。小麥籽粒磨粉后，根據粉路樣品不同組合方式，得到不同的混合粉，其鋅含量也不一致。張 慶等[27]研究表明，小麥籽粒磨粉混合后得到麩皮、次粉和面粉，鋅濃度表現為麩皮>次粉>面粉。各粉路樣品混合后，鋅含量表現為麩皮>皮粉>心粉[28-29]，全粉和粗粉中鋅含量顯著高于標準粉和精粉[30]。本研究結果也證實此結論(圖3)，全粉中鋅含量為29.76 mg·kg-1，通粉中為17.90 mg·kg-1，而精制粉和標準粉僅為4.23和4.53 mg·kg-1。

氮、鋅肥施用對小麥籽?；旌戏壑袖\含量有顯著影響。在本試驗條件下，噴鋅處理顯著提高了精制粉、標準粉、通粉和全粉的鋅含量，其中，精制粉和全粉分別提高了63.1%和42.8%(圖3)，這與前人的研究結果基本一致[31-33]。與不施氮相比，施氮后小麥籽粒各混合粉的鋅含量也均有不同程度的提高。這與Kutman等[34]的研究結果相似。在本研究中，施氮量為240 kg·hm-2時各混合粉的鋅含量達最高(圖3)，表明在氮肥施用量為240 kg·hm-2時，鋅在籽粒中的累積已達最大量，持續增施氮肥并不能達到“以氮促鋅”的效果，這時鋅的轉運和累積可能受到庫容或鋅轉運蛋白表達量等的限制。Shi等[35]的研究也表現出類似結果。

3.2 氮、鋅配施對小麥籽?；旌戏壑菜岷亢弯\有效性的影響

植酸在小麥籽粒中多分布于盾片和糊粉層中，少量分布于胚乳中心層，金屬元素如鐵和鋅與其結合較多。籽?；旌戏壑兄菜岷勘憩F為面粉小于麩皮和次粉部位[36-37]。本研究將籽粒不同粉路樣品混合為精制粉、標準粉、通粉和全粉后也發現，全粉中植酸含量(11.21 g·kg-1)顯著高于通粉(7.18 g·kg-1)，精制粉和標準粉的植酸含量明顯較低，分別為0.71和0.82 g·kg-1(圖4)。全粉或通粉中植酸含量高是因為與皮磨粉和心磨粉相比，粗麩和細麩中含量較多的植酸，混合后導致植酸含量明顯較高。Li等[38]發現，噴施氮、鋅肥或土壤施氮處理均能顯著降低籽粒、面粉和麩皮中植酸含量，齊義濤等[39]則發現，噴鋅肥處理能夠提高籽粒鋅含量，但對籽粒植酸含量無影響。本研究發現(圖4)，噴施鋅肥能夠顯著提高精制粉、標準粉和全粉中的植酸含量，但對通粉無顯著影響，施氮后精制粉、通粉和全粉中植酸含量顯著下降。結果差異可能與各研究中試驗材料、小麥生長的氣候條件、鋅肥或氮肥的施用方式等不同有關。

一般認為，在小麥中植酸和鋅素的摩爾比代表鋅的生物有效性，比值越小則鋅的生物有效性越高。研究發現，小麥面粉的植酸與鋅摩爾比顯著小于麩皮和次粉[36-37]。本試驗條件下，全粉和通粉中植酸和鋅的摩爾比分別是41.75和 40.03，顯著高于精制粉和標準粉中的17.05和 18.98(圖5)，這表明，雖然全粉和通粉中鋅含量顯著高于標準粉和精制粉，但鋅的生物有效性卻不如標準粉和精制粉高。噴施鋅肥或施氮處理均能夠顯著降低精制粉、標準粉、通粉和全粉中植酸與鋅的摩爾比，這表明在小麥生產中，可通過氮、鋅配施等農藝措施提高小麥籽?；旌戏壑袖\的生物有效性。

3.3 氮、鋅配施對小麥籽?；旌戏壑袖\日吸收量的影響

目前常用三變量模型來評價鋅在人體中的生物有效性，此模型能夠充分考慮到人體小腸內的鋅平衡，其代表指標是鋅日吸收量TAZ。本研究發現，全粉、通粉、標準粉和精制粉的TAZ值分別是0.98、0.57、0.36和0.22。因此對人體來說，食用全麥粉是補鋅最科學的選擇。在小麥生長過程中，噴鋅處理分別能提高精制粉、標準粉、通粉和全粉TAZ約61.0%、59.3%、44.9%和35.9%，施氮也能不同程度的提高各混合粉的TAZ。這與劉敦一等[30]的研究結果基本一致。這表明，在小麥生長過程中，適宜的氮、鋅肥配施措施是一種提高小麥籽粒及混合粉鋅營養品質的有效途徑。盡管如此，小麥各混合粉的TAZ值，仍遠遠低于國際參考標準值[40]。這就迫切要求篩選和培育富鋅小麥品種，進一步優化和完善小麥栽培技術，通過更深一步的生物強化措施增加小麥混合粉中鋅含量及人體對鋅的吸收量，進而緩解人體缺鋅問題。

綜合分析，在我國小麥生產中，氮鋅肥配施能夠顯著提高籽粒及其各混合粉中氮、鋅含量及累積量，同時提高精制粉、標準粉、通粉和全粉中鋅生物有效性，增加鋅日吸收量，因此，氮、鋅肥配施是提高小麥籽粒鋅營養品質有效措施。