棕红壤区土壤中的锌及其生物利用途径.doc

文章编号：1008-181X (2000) 04-0330-03棕红壤区土壤中的锌及其生物利用途径胡学玉1, 2，李学垣1，谢振翅2（1：华中农业大学资源环境与农业化学系，湖北 武汉 430070；2：湖北省农科院土壤肥料研究所，湖北 武汉 430064）摘要：从改善人体锌营养状况的角度，阐述了棕红壤区土壤中的锌含量及其影响锌有效性的多种因素。指出棕红壤区土壤锌资源较为丰富。研究和培育富锌作物品种，提高作物可食部位含锌量，是缓解人类锌营养不良的有效途径之一。关键词：棕红壤；锌；生物利用中图分类号：S153.6=1 文献标识码：AZinc in Brown Red Soil and Its Bio-utilizationHU Xue-yu1, 2, LI Xue-yuan1, XIE Zhen-chi2( 1: Department of Resources Environment and Agro-chemistry, Huazhong Agricultural University, Wuhan 43007，China;2: Soil and Fertilizer Institute, Hubei Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430064, China )Abstract: This paper covered the zinc content and the factors affecting zinc availability in brown red soil from the angle of improving human Zn-nutrition, pointing out that the soil was rich in zinc element. It was a realistic and sustainable solution to the problem of human Zn-nutrition malnutrition by breeding of Zn-dense plant gene-types with better capacity to acquire zinc from soils.Key words: brown red soil; zinc; bio-utilization1 棕红壤丘陵区土壤中的锌含量 湖北省的棕红壤主要分布于鄂东南海拨500 m以下的低山、丘陵和岗地，处于黄壤与红壤间的过渡带，是鄂东南低山丘陵区典型的地带性土壤。 根据已有资料，棕红壤全锌量在4683 mg/g之间 ，有效锌量在0.51.44 mg/g之间，平均为0.86 mg/g。影响土壤锌含量的因素主要有下面几种。1.1 成土母质 土壤锌含量在很大程度上决定于成土母质的锌含量。鄂东南低山丘陵区棕红壤的成土母质主要包括花岗岩、片麻岩、砂岩、页岩、石灰岩及第四纪红色粘土等，其中以石灰岩发育的棕红壤锌含量较高，砂岩发育的棕红壤锌含量较低1。1.2 成土过程 成土过程是成土母质中化学元素重新组合的过程，它改变了母质中微量元素的初始含量，改变了它们的结合特性和在剖面中的分布。湖北省主要土壤类型49个典型剖面取样测定的结果显示，其有效锌平均含量表土层为1.01 mg/g，心土层为0.78 mg/g，底土层为0.60 mg/g，全剖面为0.8 mg/g，表现为耕作层心土层底土层。这说明锌的剖面分布除母质因素外，更多地决定于成土过程中锌元素在表土层中的生物积累。 成土过程对土壤锌含量影响的一个突出例子是石灰岩土。石灰岩中含质量分数为10%15%的酸不溶物，在石灰岩分解过程中，部分锌被溶解，并由碳酸盐溶液中沉淀出来，或吸附于粘粒矿物及氧化铁表面，当其它可溶成分被淋失时，锌则相对浓缩富集。所以，石灰岩发育的土壤全锌含量常高于石灰岩，这种情况存在于各种石灰岩土中2，由石灰岩发育而来的棕红壤亦不例外。1.3 土壤质地锌主要存在于火成岩中，沉积岩中锌含量较低。在火成岩中，锌在铁、镁质岩如辉石、角闪石、黑云母等中的平均含量高于长石类岩石中的平均含量。根据Bowem反应系列，含锌量较高的矿物如辉石等极易被风化，而含锌较少的长石类矿物抗风化能力较强，因此，缺锌的土壤多为质地较轻的土壤。1.4 土壤pH值 pH升高，土壤锌的有效性下降。鄂东南棕红壤丘陵区有施石灰的习惯，农作物常会出现诱发性缺锌症状。红壤微区试验结果表明，当施用石灰调节土壤pH值由5.4至7.1时，土壤有效锌降低12.0%13.6%，pH上升至8.0时，土壤有效锌降幅达45.5%47.1%，同时，施锌效果随pH值升高而增加3。这可能与不同pH值条件下，锌的吸附固定特性不同有关，例如，pH5.4时，土壤最大吸附量和锌的固定率分别为0.88 mg/g和58.9%；pH 8.0时，为4.18 mg/g和75.8%4。1.5 土壤有机质60%80%的土壤有效锌来自有机物的分解，因此，有些土壤缺锌，还与土壤有机质含量偏低有关。在湖北省一些地方，当有机质含量高的表土被移走后，心土外露，常表现出缺锌，大量施用厩肥和其它有机物质常可以有效地矫正缺锌。另外，在微生物活动较弱的早春季节，土壤有机质分解缓慢，土壤中可给态锌减少而致缺锌的状况在湖北省各地早、中稻生产中亦较常见。1.6 土壤碳酸钙土壤碳酸钙含量对土壤锌的有效性影响较大，45Ca、65Zn示踪试验显示，碳酸钙含量明显抑制水稻对锌的吸收（表1）。土壤碳酸盐含量从0.2%（本底值）增至0.4%时，水稻吸锌量减少4%，土壤碳酸钙含量增至1.0%时，水稻吸锌量锐减36%。这主要源于形成了溶解度很小的碳酸锌和氢氧化锌的复合物2ZnCO33Zn(OH)2，也可能存在锌与其它元素（如镁）间的同晶置换。此外，Zn2+也可能进入碳酸盐胶体双电层内层，不参与离子交换，不易为植物利用。1.7 其它因素土壤氧化还原电位、水分、温度、有效磷含量等均影响土壤锌的含量及供应。2 棕红壤丘陵区土壤锌的利用途径及意义2.1 利用作物种质资源优势及棕红壤锌资源，筛选富锌基因型作物鄂东南棕红壤丘陵区光照充足，水热丰沛，农业气候资源优势突出，适种作物种类繁多。形成了粮、经、饲、果、菜等多种作物不同品种在时空上合理搭配的农田生产系统，为筛选锌高效的基因型作物种或品种提供了物质基础。表1 土壤碳酸钙含量与水稻锌营养5硫酸锌/mg盆-1碳酸钙占土壤质量/%植株含锌量/mgg-1植株干质量/g盆-1植株吸收硫酸锌量/mg盆-1植物吸收锌相对百分率/%500.27.6310.63352.70100.0500.48.599.64339.1196.1501.05.958.75227.2664.4根据微量元素肥料研究与应用中对湖北省主要土壤有效锌含量的丰缺划分标准，棕红壤丘陵区土壤的低锌样点出现频率在20%以下，有效锌水平居于中量区或缺锌边缘值区，土壤锌资源较为丰富。更值得一提的是，即使是有效锌含量很低的土壤，其全锌含量并不低。另外，由于土壤组分对外源锌的吸附固定，施肥的方法难以真正提高土壤有效锌的水平，需锌较多的作物仍会表现出缺锌，这被称为“遗传学缺乏”6，它受制于作物锌营养的基因型差异。因此，选育和培植锌效率较高的作物品种，充分发掘土壤和肥料中养分的利用潜力，是一条低耗高效的有利途径，有利于土壤资源的持续利用。 20世纪90年代以来，富锌作物遗传改良和富锌作物品种选育的研究受到关注，有关的学术会议相继召开，一系列研究计划得以立项实施7。Adelaide大学的Waite 农业研究所在广泛种质评价与筛选基础上，已培育出富锌小麦品种并在澳大利亚推广种植，相同的工作在其它作物如水稻、玉米、木薯上也已展开8,9。笔者的研究亦发现十字花科油菜属的部分蔬菜类作物对土壤锌有较强的积聚力，并且，同种作物不同品种之间对锌的富集能力存有很大差异10。这种差异的客观存在使筛选和利用高效吸收锌的品种成为可能。因此，充分利用不同作物以及品种间对土壤锌营养吸收、利用程度的差异，生产或培育具有较强富锌能力的作物品种，提高作物可食部位的含锌量，既是开发、利用棕红壤丘陵区土壤锌资源的有效途径，也是经济、安全地改善人体锌营养的有效措施。2.2 筛选富锌作物的意义2.2.1 富锌作物的农业优势 富锌作物的农业优势主要体现在富锌种子在有效锌含量较低的土壤中有获得较高产量的潜力11。锌贮量较高的种子在孕育及生长过程中，其苗期长势、叶面积、根系生产状况明显优于低锌种子发育而来的植株，并且，新生叶中叶绿素含量较高12。Z. Rengel 和 R. D. Graham 的盆栽试验证实，小麦种子中高的锌贮量与幼苗期施用锌肥有异曲同工之妙13。另外，富锌种子活力旺盛，能供给幼苗足量养分使之生长健壮，从而对各种土传病害以及其它致病菌有很强的抵抗力14。富锌种子的植物根系发达，扎于土壤深层，能有效吸收亚表层土壤中的养分和水分，可降低肥料投入和减少灌溉用水13。土耳其一位小麦育种学家提供的数据极好地诠释了富锌种子在农业生产中的优势。土耳其的小麦种植面积约500万hm2，土壤缺锌严重，若全部种植富锌小麦品种，播种量即可由250 kg/hm2减至150 kg/hm2，按国际市场上小麦价格约为150美元/t计算，仅播种量一项，就可为麦农减少7500万美元的支出15。2.2.2 富锌作物改善人体锌营养的潜力锌是人体健康所必需的重要微量营养元素。成人体内含锌约为20003000 mg，含锌量最高的组织是眼色素层和前列腺，可达到500 mg/g，所以，人体缺锌易导致视力下降、性发育受阻等。人体锌含量较植物和动物分别高几十倍和上百倍，这意味着人体很容易发生锌营养问题。儿童和孕妇是需锌量较多的群体，也是锌缺乏病的高发生群。Cakmak 对2000名学龄儿童进行了为期两年的跟踪调查，结果显示，儿童的生长发育状况与其体内血液锌水平呈显著正相关16。口服或注射锌制剂以及食用锌强化食品是目前广泛采用的补锌措施，但其效果却非一蹴而就，必须长期连续服用，补锌费用往往不堪负担。因此，通过作物育种的方法，培植那些具有富锌能力（Self-fortification）的植物种或品种，提高作物可食部位含锌量，是一条极具潜力的途径，它为人类低成本无危害改善锌营养展示出诱人前景。食用富锌蔬菜可显著提高动物血清含锌量，其补锌效果优于无机锌制剂（硫酸锌）17。3 结语 鄂东南棕红壤丘陵区气候温和，雨量充沛，植物种类繁多，土壤锌资源较为丰富，研究和培育富锌作物种或品种，是综合利用棕红壤丘陵区自然资源的有效途径之一。锌是植物生长、动物生产及人类健康必需的营养元素。人所需要的锌主要由植物直接或间接供给，通过锌高效基因型作物的培育和生产，可将更多的土壤锌经由食物链（环境-植物-动物-人）富集于食物系统中，满足人类营养需求，这是一种新的生产效益型、资源节约型、环境保护型、食物安全型的农业生产模式。参考文献：1 谢振翅，马朝红. 湖北省土壤中锌的含量分布及锌肥施用 A. 见：农业部编. 微量元素肥料研究与应用C. 武汉：湖北科学技术出版社，1986. 155-171.2 刘铮，唐丽华，朱其清，等. 红壤区土壤微量元素 A. 见：李庆逵主编. 中国红壤 C. 北京：科学出版社，1983. 171.3 XIE ZHEN-CHI, DENG KAI-YU, YANG HAIQING， et al. On zine deficieney of paddy soils A. In: Prceedings of Symposium on Paddy Soils C. Beijing: Science Press, 1981. 671-677.4 钱金红，谢振翅. 湖北省主要水稻土供锌特性与施锌效应的研究 J. 中国农业科学，1989. 22（6）：59-65.5 谢振翅, 邓开宇. 湖北省水稻土施用锌肥的肥效 J. 土壤通报，1981 (2)：1-3.6 EPSTEIN E. Crop tolerance to salinity and other mineral stresses A. In: Better Crops for Food C. London: Pitman, 1983. 61-68.7 胡学玉, 李学恒, 谢振翅. 富锌作物: 植物营养遗传资源研究的新视点 J. 湖北农业科学，1999（6）：31-33. 8 GRAHAM R D. CGIAR Micronutrients project: results of initial germplasm screening for food staples J. Micronutrients and Agriculture, 1996(1): 15-16.9 CAKMAK I. A NATO-Funded project: Improvement of Zinc nutritional status of plants and humans in Turkey through plant breeding J. Micronutrients and Agriculture, 1996(1): 27-28.10 胡学玉, 李学恒, 谢振翅. 不同小白菜品种吸锌能力的差异及原因 J. 华中农业大学学报，2000，19（6）：待刊.11 GRAHAM R D， ASCHER J S，HYNES S C. Selecting zinc-efficient cereal genotypes for soils of low zinc status J. Plant and Soil, 1992, 146:241-250.12 GREWAL H S，GRAHAM R D. Seed zinc content influences early vegetative growth and zinc uptake in oilseed rape (Brassica napus and Brassica juncea) genotypes on zinc-deficient soil J. Plant and Soil, 1997, 192:191-197.13 RENGEL Z, GRAHAM R D. Importance of seed Zn content for wheat growth on Zn-deficient soil: I. Vegctative growt