鋅氮互作對糯玉米籽粒營養品質及鋅含量的影響

路博宇，張澤宇，宋鑫麗，杜天慶*，崔福柱，薛建福，高志強

（1.山西農業大學農學院，黃土高原特色作物優質高效生產省部共建協同創新中心，山西 太谷 030801；2.山西應用科技學院管理學院，太原 030062）

鋅（Zn）是人體必需微量營養元素，僅次于鐵的第二大微量元素，鋅缺乏引起的“隱形饑餓”已成為發展中國家誘發疾病的重要因素[1-2]。缺鋅導致兒童營養不良，易患呆小癥，降低人體免疫力[3]。我國兒童微量元素中以鋅缺乏最為嚴重[4]。鋅元素主要通過“土壤-植物-人”系統對人體健康產生影響[5]。我國約有40%土壤缺鋅[6]，導致作物及養殖產品缺鋅，致使人體鋅攝入不足。

我國鮮食玉米種植面積達134萬hm2以上，是全球最大鮮食玉米生產國和消費國[7]。與普通玉米相比，糯玉米含有較高營養價值，其籽粒中含有人體所需脂肪、礦物質等多種營養成分，賴氨酸含量比普通玉米賴氨酸含量高30%以上[8-9]。研究表明，土施狀況和葉面噴施鋅肥均可提高主要糧食作物小麥、水稻和玉米籽粒鋅含量，有效改善主要糧食作物籽粒部分缺鋅[10-12]。氮素是影響玉米品質最重要礦質元素[13]。Shi等研究表明，與不施氮相比，施氮130 kg·hm-2顯著提升小麥籽粒鋅濃度[14]。Xue等研究表明，氮素供應提高玉米籽粒營養品質[15]。與單施鋅肥或氮肥相比，鋅氮配施可提高作物籽粒鋅含量及累積量，改善籽粒營養品質[16]，被認為是解決籽粒鋅營養缺乏最有效措施[19]。因此，利用鋅氮配施提高糯玉米籽粒營養品質和鋅含量十分必要。

目前，作物領域內鋅生物強化研究對象涉及玉米、大豆、馬鈴薯、小麥、水稻等，對糯玉米研究多集中在鋅肥施用對糯玉米富鋅效果的影響方面，關于鋅氮互作對糯玉米營養品質的影響研究較少。富鋅措施多集中于土施鋅肥或葉面噴施鋅肥，土施和葉面噴施、鋅肥和氮肥配施相結合對糯玉米鋅含量影響的研究鮮見報道。本文研究鋅氮互作對糯玉米籽粒營養品質及鋅含量的影響，以期進一步實現糯玉米鋅營養強化以及鋅氮最佳施肥量與配比，為進一步栽培功能糯玉米提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

試驗于2020年5~8月在山西農業大學農作站（112°48'E、37°36'N）完成。試驗地土壤類型為褐土，基本理化性狀為有機質含量17.73 g·kg-1、有效磷含量24.36 mg·kg-1、堿解氮含量86.32 mg·kg-1、速效鉀含量122.42 mg·kg-1、有效鋅含量0.46 mg·kg-1，pH 8.24。

供試品種為晉單糯41號，由山西省農業科學院玉米所提供，是山西省內主要種植品種。本試驗所用鋅肥為七水硫酸鋅（ZnSO4·7H2O分析純），由天津市凱通化學試劑有限公司提供。本試驗所用氮肥為尿素（N 46%），由中國石油天然氣股份有限公司提供。本試驗所用磷肥為粉狀過磷酸鈣（P2O516%），由云南云天化股份有限公司提供。本試驗所用鉀肥為氯化鉀（K2O 60%），由中化化肥有限公司提供。

1.2 試驗設計

試驗采用二因素裂區設計，主區為氮肥用量，設置4個水平，純氮施加量分別為N0：0 kg·hm-2、N1：180 kg·hm-2、N2：240 kg·hm-2和N3：300 kg·hm-2；副區為ZnSO4·7H2O用量，設置5個水平，純鋅施加量分別為ZnO：0 kg·hm-2、Zn1：2.25 kg·hm-2、Zn2：4.5 kg·hm-2、Zn3：9 kg·hm-2、Zn4：18 kg·hm-2。共20個處理組合，重復3次，小區面積4 m×3 m=12 m2，共60個小區。種植行距60 cm、株距30 cm，種植密度為54 000株·hm-2。2020年5月11日播種，8月25日采收。

氮肥基追比為1：1（大喇叭口期追肥）。

各處理純鋅施加量總量1/3作基肥土施、純鋅施加量總量1/3在大喇叭口期葉面噴施、純鋅施加量總量1/3在抽雄期葉面噴施。土施鋅肥：分別稱取各處理1/3用量鋅，加入適量細沙子（每小區用量1 000 g）混勻，在播種前均勻撒施于各小區表面，翻埋平整。葉面噴鋅：大喇叭口期分別稱取各個處理1/3用量鋅，溶于3 L水中葉面噴施；抽雄期分別稱取各處理1/3用量鋅，溶于5 L水中葉面噴施。葉面噴施時間選擇在晴朗無風17：00后。

各處理磷、鉀肥用量相同，磷肥用過磷酸鈣，鉀肥用氯化鉀。磷鉀肥全部作基肥一次性施入。

1.3 測定項目及方法

在糯玉米授粉后25 d（采收期），從每個小區隨機選取5穗，取中部籽粒脫粒、粉碎過0.18 mm篩后，制成干粉測定各指標含量。賴氨酸含量采用茚三酮比色法測定；可溶性糖、淀粉含量采用蒽酮法測定；蔗糖采用間苯二酚法測定；脂肪采用索氏法測定[18]。

鋅含量測定：糯玉米籽粒干粉用HNO3-H2O2微波消解儀消解，用電感耦合等離子體質譜儀（iCAP Q）測定鋅含量。

土壤基礎肥力測定：酸度計測定土壤pH（2.5：1水溶液浸提），土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法外加熱法，土壤堿解氮測定采用堿解擴散法，有效磷采用鉬銻抗顯色法，速效鉀采用乙酰胺提取-火焰光度計法，有效鋅含量以DTPA（pH 7.3、液土比2：1）浸提，原子吸收分光光度法測定[19]。

1.4 鋅氮互作對糯玉米籽粒功能性成分影響的綜合評價

參考王艷青等[20]方法計算各指標隸屬函數值，并綜合評價，計算公式如下：

式中，U(ij)為i鋅氮互作下j指標隸屬函數值，U(ij)∈[0,1]，X(ij)為i鋅氮互作下j指標測定值，X(jmin)和X(jmax)分別為j指標最小測定值和最大測定值；公式（1）為正相關指標隸屬函數值計算公式，公式（2）為負相關指標隸屬函數值計算公式。

1.5 數據處理與分析

采用Excel 2010對數據整理與制圖，使用SPSS 20.0分析軟件Duncan's新復極差法分析比較顯著性。

2 結果與分析

2.1 鋅氮互作對糯玉米籽粒賴氨酸含量的影響

賴氨酸在人體內無法自行合成，僅從體外攝取，是最易缺乏的必需氨基酸之一，有促進人體發育、增強免疫力，提高中樞神經組織的功效，被稱為“第一限制性氨基酸”[21]。鋅氮互作對糯玉米籽粒賴氨酸含量的影響見圖1。

圖1 鋅氮互作對糯玉米籽粒賴氨酸含量的影響Fig.1 Effect of zinc and nitrogen interaction on lysine content in waxy corn grains

由圖1可知，同一施氮量下，各處理下糯玉米籽粒賴氨酸含量隨施鋅量增加呈先升后降規律，且均在Zn3處理下達到最大值，并顯著高于對照處理。各氮肥處理下糯玉米籽粒賴氨酸含量最大值相比對照處理分別提高40.59%、52.13%、67.58%、45.95%。在Zn3處理下，N2施氮量的賴氨酸含量顯著高于其他氮肥處理，且其他氮肥處理之間賴氨酸含量差異未達顯著水平。同一施鋅量下，各處理隨施氮量增加呈先升后降趨勢，且均在N2處理下糯玉米籽粒賴氨酸含量達到最大，且顯著高于對照處理。

2.2 鋅氮互作對糯玉米籽粒可溶性糖含量的影響

可溶性糖含量是影響鮮食糯玉米甜度口感最為關鍵因素之一[22]，為作物生長發育提供能量，同時也是植株光合作用產物[23]。圖2結果表明，同一施氮量下，糯玉米籽粒可溶性糖含量隨施鋅量增加呈先增后降規律，且均在Zn3處理下達到可溶性糖含量最大值。同一施鋅量下，糯玉米籽粒可溶性糖含量隨施氮量增加呈先增后降趨勢，在N2處理下達到最大值，而后降低。除N0Zn1和N0Zn4處理，其余各處理均顯著高于對照，相比對照糯玉米籽粒可溶性糖含量提高12.63%~317.81%。

圖2 鋅氮互作對糯玉米籽粒可溶性糖含量的影響Fig.2 Effect of zinc and nitrogen interaction on the soluble sugar content of waxy corn kernels

2.3 鋅氮互作對糯玉米籽粒蔗糖含量的影響

蔗糖是高等植物光合作用主要產物，是碳水化合物貯藏和積累主要形式，也是植物體內碳水化合物運輸主要形式，在植物體內同化物運輸中占有舉足輕重的地位[24]。圖3結果表明，同一氮肥處理下，Zn3施鋅量優于其余施鋅量。同一鋅肥處理下，N2施氮量優于其余施氮量。與鋅氮互作對糯玉米賴氨酸和可溶性糖含量的影響一致，但較可溶性糖含量增加效果較差。N0Zn1和N0Zn2處理下糯玉米蔗糖含量較對照分別提高2.58%、8.21%，但差異不顯著，其余各處理均顯著高于對照。在N2Zn3處理下糯玉米蔗糖含量達到最大值，為26.75 mg·g-1，較對照顯著提高78.28%。

圖3 鋅氮互作對糯玉米籽粒蔗糖含量的影響Fig.3 Effect of zinc and nitrogen interaction on sucrose content in waxy corn grains

2.4 鋅氮互作對糯玉米籽粒脂肪含量的影響

鮮食糯玉米粗脂肪中含大量不飽和脂肪酸，具有降血脂、抗癌癥、預防心血管疾病等生理作用[25]。圖4結果表明，在N0處理下，N0Zn3糯玉米脂肪含量相比對照顯著降低7.59%，N0Zn2、N0Zn1和N0Zn4相比對照顯著增加21.39%、19.53%、13.93%，N0Zn1和N0Zn2之間無顯著差異。在N1處理下，糯玉米脂肪含量隨鋅肥用量增加呈先減后增趨勢，N1Zn0處理下糯玉米脂肪含量顯著高于其他各處理，N1Zn1處理下糯玉米脂肪較對照無顯著差異，其他各處理較對照顯著降低46.84%、52.22%、5.97%。N2處理下糯玉米脂肪無明顯變化規律，N2Zn4處理下糯玉米脂肪含量顯著高于其他各處理，較對照顯著增加26.47%，N2Zn0較對照無顯著差異，其余各處顯著低于對照45.94%、37.86%、50.99%。在N3處理下，糯玉米脂肪含量隨鋅肥用量增加呈先增后減趨勢，在N3Zn2處理下達到最大值72.84 mg·g-1，各處理之間差異顯著。在同一施鋅量下，不施用鋅肥糯玉米脂肪含量隨氮肥施入量增加先增后減。Zn1、Zn2、Zn3處理下，隨氮肥施入量增加糯玉米脂肪含量先減后升。Zn4處理下糯玉米脂肪含量無明顯變化規律。根據偏Eta2鋅×氮=0.99＞Eta2氮=0.953＞Eta2鋅=0.931，判斷鋅氮互作對總變異貢獻最大。

圖4 鋅氮互作對糯玉米籽粒脂肪含量的影響Fig.4 Effect of zinc and nitrogen interaction on the fat content of waxy corn kernels

2.5 鋅氮互作對糯玉米籽粒淀粉含量的影響

淀粉是玉米籽粒中主要成分，籽粒淀粉含量高低直接影響玉米品質[26]。圖5為4個供氮水平和5個供鋅水平下共20個處理間糯玉米籽粒淀粉含量比較。鋅氮互作下提高糯玉米籽粒淀粉含量，在N2Zn3處理下最高值716.73 mg·g-1，相比對照N0Zn0顯著提高12.42%。進一步分析表明，同一氮肥處理下，糯玉米籽粒淀粉含量隨施鋅量增加先增后減，Zn3與Zn4間差異性顯著，其余相鄰各處理間差異不顯著。同一鋅肥處理下，隨施氮量增加糯玉米籽粒淀粉含量先增后減，N2處理優于其余施氮量，且顯著高于N0、N1處理，與N3不顯著。

圖5 鋅氮互作對糯玉米籽粒淀粉含量的影響Fig.5 Effect of zinc and nitrogen interaction on starch content of waxy corn grains

2.6 鋅氮互作對糯玉米籽粒鋅含量的影響

鋅氮互作對糯玉米籽粒鋅含量的影響見表1。

表1 鋅氮互作對糯玉米籽粒鋅含量的影響Table 1 Effect of zinc and nitrogen interaction on the grain zinc content of waxy corn

由表1可知，相同氮肥不同鋅肥處理下籽粒鋅含量差異顯著。同一氮肥處理下，籽粒鋅含量隨鋅肥用量升高先增后減，且均在Zn3處理達到最大值，相比對照分別顯著提高籽粒鋅含量34.12%、41.99%、55.65%、39.31%。相同鋅肥不同氮肥處理下，各鋅處理隨氮肥施加量增加，籽粒鋅含量先增后減。Zn2、Zn4在N1處理下達到最大值，其余各處理在N2處理下達到最大值，且均顯著高于對照組。N3Zn4處理顯著低于對照，相比對照降低15.82%，N0Zn4、N2Zn4和N3Zn0與對照無顯著差異，其余各處理均顯著高于對照，較對照顯著提高16.13%~55.65%。不同鋅肥及氮肥之間籽粒鋅含量均存在顯著差異，鋅肥和氮肥之間籽粒鋅含量交互效應顯著。根據偏Eta2鋅=0.796>Eta2鋅*氮=0.603>Eta2氮=0.592，判斷各因素對總變異貢獻為鋅肥>鋅×氮>氮肥。

氮肥、鋅肥單一作用對籽粒鋅含量的影響見表2。

表2 氮肥、鋅肥單一作用對籽粒鋅含量的影響Table 2 Effect of grain zinc content under the single action of nitrogen fertilizer and zinc fertilizer

表2 結果表明，4個氮肥處理籽粒鋅平均含量存在顯著差異。相同栽培條件下N1和N2處理下對糯玉米籽粒鋅含量的提高優于N3。與N0相比，N1、N2、N3處理籽粒鋅平均含量分別提高12.41%、12.63%、0.50%，表明氮肥用量為240 kg·hm-2對籽粒富鋅最佳，其次是180 kg·hm-2。分析5個鋅肥處理對籽粒鋅含量的影響，隨施鋅量增加，籽粒中鋅平均含量先增后減，在施鋅量為18 kg·hm-2時，籽粒中鋅平均含量低于不施鋅處理。Zn1、Zn2、Zn3籽粒鋅平均含量較不施鋅處理分別提高3.333、4.352和7.875 mg·kg-1，且Zn1和Zn2處理間差異不顯著，顯著低于Zn3處理。

2.7 鋅氮互作對糯玉米籽粒功能性成分含量影響的綜合評價

氮肥處理下，糯玉米脂肪在N0處隸屬函數值最大，其余各指標在N2處隸屬函數值最大。鋅肥處理下，糯玉米脂肪在Zn4處隸屬函數值最大，其余各指標在Zn3處隸屬函數值最大。通過計算均值可得，單一氮肥N2、單一鋅肥Zn3處理下隸屬函數值最大（見表3）。鋅氮互作下，糯玉米脂肪隸屬函數值在N1Zn0處理下最大，其余均在N2Zn3處達到峰值，計算均值可得N2Zn3下隸屬函數值最大（見表4）。綜合分析糯玉米籽粒各項功能性成分指標可知，單一氮肥N2、單一鋅肥Zn3及鋅氮互作N2Zn3處理最佳。

表3 鋅肥、氮肥單一作用下糯玉米籽粒營養品質及鋅含量隸屬函數值Table 3 Membership function values of grain nutritional quality and zinc content of waxy corn under the single action of zinc fertilizer and nitrogen fertilizer

表4 鋅氮互作下糯玉米籽粒營養品質及鋅含量隸屬函數值Table 4 Membership function values of grain nutritional quality and zinc content of waxy corn under the interaction of zinc and nitrogen

3 討論與結論

研究發現，鋅氮互作對糯玉米籽粒中賴氨酸、蔗糖和可溶性糖含量的提高有顯著促進作用。李秋杰研究表明，鋅肥有效提高小麥籽粒中Zn含量，進而提高小麥品質，且同時施用氮肥和鋅肥對籽粒可溶性糖含量產生顯著影響，同一施氮水平下噴施鋅肥可溶性糖含量提高1.93%~4.58%[27]。付鈺研究表明，隨氮肥量增加，玉米籽粒中可溶性糖含量持續上升，在施氮量為315 kg·hm-2時，籽粒中可溶性糖含量最大為1.28%，其中玉米籽粒粗脂肪含量不易受氮肥影響[28]，與本研究結果相似。姚倩研究表明，在相同施氮量條件下，低鋅提高蛋白酶活性，高鋅提高脲酶活性，高鋅處理的蔗糖酶活性低于低鋅處理[29]。本試驗糯玉米籽粒中蔗糖含量隨施鋅量增加先增后降；在相同施鋅量下，本試驗糯玉米籽粒中蔗糖含量隨施氮量增加先增后降，可能是因為蔗糖酶直接參與土壤碳代謝，土壤中施氮量低使C/N比提高，碳代謝增強，引起蔗糖酶活性增強。本研究發現氮肥對糯玉米籽粒中賴氨酸含量影響顯著且對總變異貢獻大于鋅氮互作，與王洋等研究結果相似[30]。隨施氮量增加，氨基酸作為蛋白質基本組成單位，總量也隨之增加，各氨基酸含量有不同幅度增加[31]。同氮梯度培養下，氮水平升高促進植株生長發育，但過量氮也對植株生長產生抑制作用；不同鋅梯度培養下，高鋅抑制植株生長發育[32]，降低糯玉米籽粒賴氨酸含量。

本試驗結果表明，鋅氮互作可提高籽粒中脂肪和淀粉含量。宋海霞等研究發現，玉米籽粒脂肪含量表現為施氮量200 kg·hm-2>100 kg·hm-2>300 kg·hm-2>不施氮[33]。王洋等研究發現，在一定范圍內，玉米籽粒脂肪含量隨氮肥施用量的增加而增加[30]，但本試驗中隨氮肥施用量增加糯玉米籽粒中脂肪含量在不同鋅肥施用量處理下表現不同變化趨勢，可能與玉米品種、土壤環境、施肥量等不同有關，因此關于鋅氮互作對糯玉米籽粒脂肪含量的影響有待進一步探討。甘萬祥等研究發現，施用鋅肥增加夏玉米籽粒中淀粉含量[34]。本試驗也發現，籽粒中淀粉含量隨施氮量增加先增后減。研究表明，施氮量較低情況下，可促進部分基因表達，酶活性增加，使淀粉含量增加[35]；施氮量較高時，ADPGPPase、SSS和GBSS酶活顯著降低，可導致淀粉含量減少，也可能因植株體內同化氮素和合成氨基酸能源需求量增加，碳水化合物分解釋放能量比例提高，轉運到籽粒中碳水化合物減少，淀粉含量減少[36]。

研究表明，增施氮肥促進植物對鋅的吸收，可能因氮肥增加提高植物體內轉運蛋白活性，促進鋅在木質部和韌皮部轉運和再轉運[14]。韓金玲等研究也表明，施鋅促進小麥開花前后氮素吸收積累及開花后向籽粒運轉，增加各器官尤其是籽粒鋅含量和鋅累積量[37]。Naeem等研究發現，施用鋅肥促進玉米鋅積累[38]。陸欣春研究小麥中鋅氮配合施用發現，單施氮肥顯著增加小麥鋅吸收，且氮鋅肥配施可取得較好效果，籽粒鋅含量增幅達7.3%~54.7%[39]。本試驗發現，鋅氮互作顯著提高糯玉米籽粒鋅含量，且單施氮肥、鋅肥及其鋅氮互作均顯著提高糯玉米籽粒鋅含量，各因素對總變異貢獻為鋅肥>鋅×氮>氮肥，且在鋅氮互作N2Zn3條件下糯玉米鋅含量達到40.12 mg·kg-1，滿足人體正常生命活動對糧食作物可食部分Zn含量需求[40]，與前人研究結果一致。研究表明低氮條件下氮和鋅有協同作用，氮有利于植物對鋅的吸收運轉，而高氮營養條件下易造成缺鋅[41]。本試驗中N3、Zn4處理下糯玉米籽粒鋅含量下降，可能是氮肥、鋅肥施用量過大，抑制糯玉米生長發育，降低糯玉米籽粒鋅含量。

根據鋅氮互作下糯玉米籽粒功能性成分含量隸屬函數值，綜合考慮糯玉米籽粒營養品質及鋅含量，建議以氮肥240 kg·hm-2，鋅肥9 kg·hm-2配施為宜。