1.1 植物矿质营养与人体健康的关系
矿质元素在构建人体组织,维持正常生理功能方面起着十分重要的作用(郝志 2008)"矿质元素缺乏和过量,均会影响人体健康"然而,世界 60 亿人口中超过 60% 的人缺铁,30%的人缺锌,15%的人硒缺乏,钙!镁!铜的缺乏也很普遍 (White and Broadley 2005)"1990 年 Sillanp(Bran and Robin 2005)曾对世界重要农业土壤进行评估,发现 49%的土壤缺锌,14%的土壤缺铜,10%的土壤缺锰"在人们生活水平日益提高的当今,由于营养元素缺乏所导致的不健康或亚健康问题,在各国都陆续凸显"根据联合国粮农组织估计,2009 年全球有超过 10 亿人口因营养不良而导致/隐性饥饿0(FAO 2009: 12)" 人类膳食中最易缺乏的 7 种矿质元素包括钙!镁!铁!锌!铜!碘和硒(Philip and Broadley 2009)"钙能强化神经系统的传导功能!参与血液的凝固过程和肌肉收缩,人体缺钙将导致血压降低!免疫力低下;镁被为/生命之舟0,是酶的活动所需要的一种重要催化剂,对血糖转变为能量有重要作用,能防止身体软组织的钙化,保护动脉血管的内皮层"当人体内镁缺乏时,人失眠烦躁同时伴有糖尿病和多种心血管疾病"矿质元素中的微量元素,因其含量甚微,其重要性易被人们所忽视;铜是 30 多种酶的活性成分,协助维持铁的正常代谢,促进血红蛋白的合成,对机体防御机能!激素分泌等许多生理!生化和病理生理过程也有影响;锌对人体也有非常重要的生理功能,现已证实人体有二百多种酶活性依赖锌的存在"膳食中锌摄入量不足严重影响人们身心健康,造成免疫力降低,生长发育停滞,智力发育障碍等多种病症;锰被称为/寿元素0"具有促进生长发育!强壮骨骼,参与造血过程,促进维生素 B1 集蓄,提高蛋白质代谢率的作用"缺锰时,人易患皮肤瘙痒症,儿童生长发育迟滞,智力减退并多动;成年人易出疲劳乏力!腰酸背痛!牙齿早脱!发生骨骼畸形和不育症;并可导致贫血!动脉硬化及癌肿;铁缺乏是一个全球性问题,全球目前大约有 37 亿人缺铁,而发展中国家 40%~50%的 5 岁以下儿童和 50%以上孕妇患缺铁病"严重缺铁,可出现心脏扩大!心电图异常,甚至出现心力衰竭,有的还出现精神失常,严重威胁人类健康(Stein 2010)" 总额的 18.23 万亿元中因营养不良遭受的劳动力损失就达 5500~9000 亿元(范云六 2007)"Zhao 等(2007在英国对小麦进行硒强化研究表明人体所需的 22 种矿质元素均可通过膳食获取"目前,通过调节膳食平衡来提高人体的微量元素是一般人摄入微量元素的主要方式"2009 年 10 月在苏州召开的首届国际硒研究大会暨国际硒健康产业发展研讨会上,与会专家共同呼吁,要将微量元素与其他矿物质!维生素!纤维素等结合起来,使人们在膳食中得到充分!平衡!合理的营养"小麦是世界上种植面积最大!总产量最高的粮食作物,全世界约 35%~40%的人口以小麦为主食(周会喜 2008),是我仅次于水稻的第二大粮食作物,也是北方的主要粮食作物,尤其在微量养分缺乏症较为普遍的陕!甘!宁!青和新等西部地区,面食最主要的食物来源(刘正辉,刘大钧 2007)"因此,提高小麦籽粒的元素营养品质对维护我国人民健康具有重要意义" 陕西长武属典型的低硒!锌地区,缺素引起植物生长障碍及人畜缺素病症较为严重,但国内外至今对如何调节农产品的微量组分营养品质的研究报道主要集中于通过土壤施肥!拌种和喷施的方式,利用绿肥培肥地力改善土壤微量元素有效性从而提高作物微量元素品质的报道十分罕见".
1.2 改变作物矿质营养的措施
目前,提高作物中微量元素含量以满足人们的健康需求的方法主要有施肥和生物强化(Bouis 2002; Brinch-Pedersen et al. 2007; Poletti et al. 2004)"施肥的方法是通过土壤施入或叶片喷施微量元素提高谷物中微量元素的浓度和生物有效性"生物强化,即通过常规育种或基因工程调节作物中的营养状况(Cakmak 2002: 16; Ortiz-Monasterio et al 007)"获得的微量元素强化品种需要考虑很因素,包括:生物有效性,粮食质量,最重要的是粮食产量" 国际上对生物强化的相关研究始于 1994 年,经过多年的发展,取得了一系列的成果"瑞士科学家 Ingo Potrykus 教授和德国科学家 Peter Beyer 教授提出并实施的/金稻米0项目,使稻米能够产生和积累 B -胡萝卜素即前体维生素 A"小麦生物强化研究起步虽然较晚,但进展较快,铁强化小麦品种 PBW343 中锌含量是 60mg/kg,是培育前的 2.4倍(范云六 2007),国际小麦玉米中心(CIMMYT)培育的优良小麦品系铁含量为47mg/kg!锌为 55mg/kg,比目前大面积种植的品种高出近一倍(张磊,张春义 2007;范云六 2007)"虽然生物强化具有生产简单,易于推广,食用方便的特点,但生物强化的转基因食品在国际上仍然存在争议,我国农民对于此类食品的接受能力也很有限"生物强化的转基因作物基因型要求性质稳定,既要微量元素含量高又要高产,作物强化的
基因型如果产量低于传统的基因型,农民是不会接受的",目前,施肥可以暂时缓解土壤和作物中的缺素问题,但存在一定的风险性"大部分微量元素虽然是作物生长的必需元素,但作物对微量元素的需求甚微,加之在土壤中的安全阈值和污染阈值界限很窄,在尚不明确不同土壤和环境条件安全剂量的条件下,通过施肥的增加作物矿质元素含量存在一定的安隐患全和环境风险" 已有一些研究证明,通过改善传统农艺措施,应用间作或其他种植体系,提高土壤矿质营养元素的有效利用率,调动土壤中对人体有益元素更多参与生物循环是一种有效和安全的途径"Zhang et al.(2007: 297)长期试验证明,玉米-燕麦-苜蓿-苜蓿轮作提高了玉米籽粒中的磷!钾含量,降低了镁!铁!锌含量"小麦与豆科间作的盆栽试验表明,小麦根系磷!钾!铁!锌!锰含量增加,小麦籽粒氮!磷!钾和铁含量增加(Gunes et al 2007: 84)"同时,间作小麦新叶叶绿素含量!地上部及根系铁含量均显著高于单作小麦 ,从而改善了小麦铁营养(宋亚娜等 2000)"在渭北旱塬地区,通过与不同豆科绿肥轮作,将为改善当地小麦潜在的矿质营养缺乏提供有价值的资料"
1.3 夏闲期翻压豆科绿肥对小麦产量和营养品质的影响
绿肥作物栽培在我国农业生产中发挥着重要作用"近 20 多年来,据专家测算,0.15亿公顷的绿肥每年的养分生产能力相当于 500 万吨尿素!410 万吨硫酸钾"/绿肥作物生产与利用技术集成研究及示范0首席专家))中国农业科学院曹卫东博士在接受记者采访时表示,几十年前,中国基本没有化肥工业,但养活了数亿人口,施肥依靠的主要是绿肥和农家肥"以紫云英为例,1 公顷绿肥可固氮(N)153 公斤,活化!吸收钾(K2O)126 公斤,替代化肥的效果明显(吴辉 2010)"种植和翻压绿肥后增产效果明显(毛泳渊 2007)"一般每 1000 千克绿肥可增加粮食产量 40~100 千克"在西藏(周春来 1991: 93)!新疆(朱军等 2008)!贵州(田飞等 2008: 29)地区小麦与绿肥轮作后,小麦亩产比单作分别平均增加了 18.0%!16.1%!38.0%"郑元红等 (2009: 80) 在贵州毕节(高原山区)通过马铃薯-小麦-油菜-绿肥-玉米的间!套作使玉米增产 102.5 kg/ 667m2,平均增产率为 23.05%"周开芳和何炎(2003:42)在遵义地区进行绿肥翻压试验结果表明,与对照玉米籽粒产量 555.8 kg/667m2 相比,绿肥翻压玉米籽粒产量 625.4kg/667m2, 较对照增加 69.6 kg/667m2,增产 12.5%"alantinia 等(2000: 139)在阿根廷通过 15 年的长期轮作试验比较了小麦!小麦牧草轮作!小麦豆科轮作的施肥和不施肥处理,发现与豆科轮作的麦不仅产量高,小麦的蛋白质含量和产量各要素都优于他轮作处理"刘更另(1991)指出在瘠薄土壤上与绿肥轮作的增产效果高于肥沃土壤"Huang 等(2003: 96)在长武通过棉花-小麦-高梁-豌豆的轮作试验表明,小麦籽粒产量和土壤水分利用率有显著提高,同时提出 3 年的轮作对于提高作物产量有最大潜能" 樊虎林等(2007)在长武进行长期小麦-苜蓿-马铃薯轮作定位实验,苜蓿-小麦轮作能提高小麦氨基酸营养品质和加工品质,连续轮作三年中,在苜蓿茬后第 2 年小麦的氨基酸含量和加工品质最优"周开芳和何炎(2003: 43)在遵义地区进行绿肥翻压试验结果表明,绿肥翻压后玉米籽粒蛋白质!淀粉!全氮!全钾等指标含量较对照增加0.01%~0.8%"长期试验证明,玉米-燕麦-苜蓿-苜蓿轮作提高了玉米籽粒中的磷!钾含量,降低了镁!铁!锌含量(Zhang et al 2007: 298)"与豆科绿肥轮作对小麦营养元素含量影响的报道还很罕见"Gunes(2007: 86)小麦与豆科间作盆栽试验表明,小麦根系磷!钾!铁!锌!锰含量增加,小麦籽粒氮!磷!钾和铁含量增加"干旱环境下,作物对养分的吸收受到限制,导致作物可食部位氮!铁!锰等元素含量降低(Baligar 2001: 927)"2009年对全国主要麦区小麦的测定(资料另文发表)表明,黄土高原旱地小麦籽粒铁!锰!铜!锌含量分别比全国平均水平低 7.7%!9.2%!42.9%和 6.3%"因此,提高黄土高原旱地土壤养分有效性和作物营养元素含量,显得十分迫切".
1.4 夏闲期翻压豆科绿肥对小麦产量及营养品质影响的机制
绿肥作物根系发达,生长过程中吸收和活化土壤深层营养元素,而翻压还田的过程能有效提高土壤养分"同时,绿肥在生长和翻压过程将消耗土壤水分,易引起作物缺水,影响后茬作物种子发芽及幼苗根系的生长(钱晓刚 1999: 7),因此,绿肥生长周期内水分的补给和损失决定了土壤水分的盈亏"赵娜(2010)等在黄土高原研究表明,在干旱年份,夏闲期种植绿肥消耗土壤水分较多, 影响了冬小麦单株分蘖数返青期总茎数,导致后期成穗数显著低于休闲处理,是冬小麦产量和养分累积量均显著下降的重要原因" 土壤有机质是土壤肥力的主要物质基础之一"绿肥翻入土壤后,增加了新鲜有机能源物质,促进微生物繁殖,提高了土壤有机质含量(何录秋等 2009)"姜培坤(2007)等对黑麦草,白三叶,大绿豆在浙江省试验发现所有播种绿肥处理的有机质含量均显著高于对照"周开芳和何炎(2003: 42)等的绿肥翻压试验结果表明,土壤肥力指标都有所提高,土壤容重降低 0.05 g/cm3, 孔隙度增加 1.9%"土壤有机质也显著高于对照" 种植和翻压绿肥对土壤 pH 的影响报道不一"栾书荣等(2005: 63)将大豆翻压 14d后发现酸性红壤和中性黄棕壤的 pH 有所升高, 而盐土的 pH 有一定程度下降"周开芳和何炎(2003: 43)在贵州的黄泥土地区研究表明,箭舌豌豆翻压后土壤酸碱度 pH 值由 5.5 变化为 6.0"可见,种植绿肥对土壤 pH 的影响可能与土壤本身的性质有关" 豆科绿肥根瘤固氮作用可增加土壤矿质氮含量;绿肥作物如草木樨!荞麦!商陆科!英科!菊科等(张雷 2007)的根系能将土壤中下层难以利用的磷和钾提升至土壤表层,同时,绿肥翻压腐解过程进一步促进了耕层土壤中难溶态磷和缓效钾的释放(钱晓刚 1999: 9;刘荣乐等 2000)"黄平娜等(2010)研究表明,烟田种植并翻压黑麦草后,土壤速效钾含量显著提高;西和贵州(周开芳和何炎 2003: 43)的绿肥试验表明,种植不同品种绿肥,使土壤速效氮!速效磷和速效钾均有所提高"而曾胜河等(1996)在棉田土壤取得了不一样的结果,他们认为土壤速效钾含量与绿肥种有关,种植草木樨!油菜和油葵使土壤速效钾含量提高显著,而大豆则使土壤速效钾含量降低明显"另外,一些绿肥植物对某些微量元素具有特殊的活化和富集能力,如云南光叶苕子种植三年后,使 0~10cm 土壤的有效锌增加了 2.0 mg/kg(陈礼智等 1992:24)"然而,目前关于绿肥作物种植和翻压对后茬作物营养元素含量影响的研究还很罕见".
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摘要...........5-6
ABSTRACT...........6-7
第一章 文献综述...........10-18
1.1 植物矿质营养与人体健康的关系...........10-11
1.2 改变作物矿质营养的措施...........11-12
1.3 夏闲期翻压豆科绿肥对小麦产量和营养品质的影响...........12-13
1.4 夏闲期翻压豆科绿肥对小麦产量及营养品质影响的机制...........13
1.5 施氮对小麦产量和营养品质的影响...........13-15
1.6 施氮对小麦产量和营养品质影响的机制...........15-17
1.7 研究思路...........17-18
第二章 黄土高原旱地与豆科绿肥轮作和施氮对小麦产量及籽粒养分的影响...........18-26
2.1 引言...........18-19
2.2 材料与方法...........19-20
2.2.1 试验地点...........19-20
2.2.2 试验设计...........20
2.2.3 样品采集与测定...........20
2.3 结果分析...........20-23
2.3.1 与豆科绿肥轮作对小麦产量和生物量的影响...........20-21
2.3.2 与豆科绿肥轮作对小麦籽粒大、中量营养元素含量的影响...........21-22
2.3.3 与豆科绿肥轮作对小麦微量元素含量的影响...........22-23
2.4 讨论与结论...........23-26
第三章 夏闲期翻压豆科绿肥对小麦籽粒营养元素含量影响的土壤营养机制...........26-42
3.1 引言...........26-27
3.2 材料与方法...........27
3.2.1 试验地点...........27
3.2.2 试验设计...........27
3.2.3 样品采集与测定...........27
3.3 结果分析...........27-39
3.3.1 夏闲期翻压豆科绿肥对旱地土壤水分的影响...........27-29
3.3.2 夏闲期翻压豆科绿肥对旱地土壤理化性状的影响...........29-30
3.3.3 夏闲期翻压豆科绿肥对土壤大量营养元素含量影响...........30-34
3.3.4 夏闲期翻压豆科绿肥对土壤中量营养元素含量影响...........34-36
3.3.5 夏闲期翻压豆科绿肥对土壤微量营养元素含量影响...........36-39
3.4 讨论与结论...........39-42
第四章 施氮对小麦籽粒营养元素含量影响的土壤营养机制...........42-54
4.1 引言...........42-43
4.2 材料与方法...........43
4.2.1 试验地点...........43
4.2.2 试验设计...........43
4.2.3 样品采集与测定...........43
4.3 结果分析...........43-51
4.3.1 施氮对土壤理化性状的影响...........43
4.3.2 施氮对土壤大量营养元素含量的影响...........43-46
4.3.3 施氮对土壤中量营养元素含量的影响...........46-48
4.3.4 施氮对土壤微量营养元素含量的影响...........48-51
4.4 讨论与结论...........51-54
参考文献...........54-60
致谢...........60-61