鹽堿地滴灌玉米體內Na+、K+、Ca2+、Mg2+的分布及運移特征

劉 帆，周青云，張寶忠，李松敏，葉瀾濤

(1.天津農學院水利工程學院，天津 300384；2.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100083；3.國家節水灌溉北京工程技術研究中心，北京 100083)

我國現有鹽漬化土壤面積約3 693.3 萬hm2，殘余鹽漬化土壤約4 486.7 萬hm2，潛在鹽漬化土壤為1 733.3 萬hm2，各類鹽堿地面積總計9 913.3 萬hm2[1]，主要分布在西北、華北、東北和沿海地區。土壤鹽漬化會對作物產生危害，這種危害來自于作物根際土壤較高的鹽分離子濃度，由于鹽分離子化學性質不同，作物對不同鹽分離子的響應也不同，因此，探求鹽堿地作物體內鹽分離子的分布情況及運移特征，可為鹽堿地作物種植管理提供依據，對生態環境、糧食安全和農業可持續發展等有重要意義。滴灌是改善次生鹽漬土比較成功的技術之一，是通過放在地面或地下毛管的滴頭，在低壓和較低流量下向土壤緩慢的滴水，形成土壤表面部分濕潤的一種灌溉系統[2]。大量研究表明：滴灌條件下，滴頭附近土壤含鹽量較少，土壤鹽分以滴頭為中心向滴灌帶兩側運移，土壤鹽分主要聚集在濕潤鋒邊緣[3-8]。

鹽分離子對作物的影響主要有2方面，即離子脅迫和滲透脅迫[9]，作物在適應土壤鹽分脅迫過程中，會對其脅迫產生耐受機制，能通過各種層次的膜系統限制根系對離子的吸收，限制根系離子向上運輸，以及限制離子運輸后在地上部分器官中的分布，因此鹽分離子在作物體內分布特征不一致。目前，關于作物體內鹽分離子運移特征的研究已有一些成果[10-15]，鹽堿化土壤中的陽離子主要是Na+、K+、Ca2+、Mg2+等，研究表明大多數作物對K+具有很強的運輸選擇性，K+對Na+進入作物體內有抑制作用且大于Ca2+、Mg2+的抑制作用。這些研究大多是通過人為控制單鹽濃度分析作物體內鹽分離子分布及運移特征，而自然鹽分生境下的作物還受灌溉和降雨等環境因素及各離子之間關系的影響，其對鹽分離子吸收運輸的研究少見報道，因此，本文研究鹽堿地玉米在不同灌水量處理下體內鹽分陽離子含量的變化，旨在揭示鹽堿地滴灌條件下玉米體內Na+、K+、Ca2+、Mg2+分布及運移特征。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于天津市津南區葛沽鎮，地理坐標為117°14′32′′E～117°33′10′′E，38°50′02′′N～39°04′32′′N。該區屬于暖溫帶半濕潤季風型大陸性氣候，光照充足，季風顯著，四季分明。年平均日照時數2 659 h，年平均風速3.0 m/s，年平均氣溫11.9 ℃，最熱在7月，平均氣溫為25.9 ℃，極端最低溫度為-20.5 ℃，年平均無霜降206 d，年平均地面溫度14.5 ℃，年平均降水量556.4 mm，多集中在6-7月，年平均相對濕度64 %，試驗地面積為50.0 m×9.3 m。農田灌溉水主要是地下水，表層0～20 cm土層土壤含鹽量為1.19 g/kg，土壤有效磷18.33 mg/kg，土壤硝態氮7.18 mg/kg，土壤容重1.62 g/cm3。試驗前土壤0～60 cm土層Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量見表1。

表1 試驗前土壤0～60 cm土層Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量 g/kg

1.2 試驗方案

田間試驗供試作物為玉米(鄭單958)，2017年4月22日播種，8月14日收獲，全生育期115 d，株距25 cm，行距60 cm。滴灌采用1行1管設置，滴灌帶間距60 cm，管徑1.6 cm，滴頭間距30 cm，工作壓力0.1 MPa，滴頭流量1.38 L/h。本試驗設置2種不同灌水量處理，以IS、ID表示，其中IS灌溉定額為40 mm，ID灌溉定額為80 mm，每個處理3次重復。玉米全生育期內灌水時間與灌水定額見表2，玉米全生育期內降雨量及其分布見圖1。

表2 玉米全生育期內灌水時間與灌水定額 mm

圖1 玉米全生育期內降雨量及其分布Fig.1 Rainfall and distribution during the whole growth period of maize

1.3 測定項目及方法

(1)樣品采集與制備。采集玉米不同生育期的根、莖、葉樣品，苗期、拔節期、大喇叭口期、灌漿期、成熟期采樣日期分別為5月23日、6月18日、 7月13日、7月28日、8月14日。取樣時每個處理選取6株長勢均勻的玉米植株，帶回實驗室將根、莖、葉分開，各樣品處理干凈后，置烘箱105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，用粉碎機粉碎后過50目篩，保存于密封袋內，注意過程中把空氣完全擠壓出去。待測液采用硝酸-高氯酸消解的方法制備。準確稱取樣品粉末0.5 g，置250 mL錐形瓶中，加入8 mL硝酸-高氯酸(3∶1)混合液，搖勻，靜置6 h，然后放置在電熱板上加熱消解，保持微沸，持續加熱至消解液呈無色透明，冷卻后加入去離子水配制的0.5 %稀硝酸5 mL，轉入25 mL量瓶中，用去離子水洗滌錐形瓶，洗液合并于量瓶中，定容至量瓶刻度，作為供試品溶液。

(2)離子測定方法。Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量采用火焰原子吸收分光光度法測定(AA-6300C，日本)。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2016處理數據，Origin 9.0軟件繪圖，SPSS 12.0統計軟件中One-way ANOVA 法進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同灌水處理對玉米體內Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量的影響

(1)不同灌水處理對玉米體內Na+含量的影響。圖2為不同灌水處理對玉米體內Na+含量的影響，玉米全生育期體內Na+含量都為IS>ID，拔節期、大喇叭口期、灌漿期、成熟期IS處理下玉米體內Na+含量分別比ID處理高24.44%、13.56%、13.26%、22.45%，說明玉米體內Na+含量受灌水影響較大，隨灌水量增大而減少，2種灌水處理下拔節期、灌漿期、成熟期玉米體內Na+含量都有顯著差異，大喇叭口期無顯著差異。

圖2 不同灌水處理對玉米體內Na+含量的影響Fig.2 Effect of different irrigation treatments on Na+ content in maize注:同一生育階段不同字母表示處理間顯著性差異(P<0.05)，下同。

(2)不同灌水處理對玉米體內K+含量的影響。圖3為不同灌水處理對玉米體內K+含量的影響，玉米全生育期體內K+含量均為IS>ID，拔節期、大喇叭口期、灌漿期、成熟期IS處理下玉米體內K+含量分別比ID處理高2.60%、2.57%、12.22%、11.12%，玉米體內K+含量也隨灌水量減少而增大，2種灌水處理下拔節期和大喇叭口期玉米體內K+含量無顯著差異，灌漿期和成熟期有顯著差異。

圖3 不同灌水處理對玉米體內K+含量的影響Fig.3 Effect of different irrigation treatments on K+ content in maize

(3)不同灌水處理對玉米體內Ca2+含量的影響。圖4為不同灌水處理對玉米體內Ca2+含量的影響，拔節期ID處理下玉米體內Ca2+含量高于IS處理20.79%，拔節期ID處理灌水40 mm，說明Ca2+含量隨灌水量增大而增大，大喇叭口期和灌漿期IS處理下玉米體內Ca2+含量分別高于ID處理55.06%、19.60%，拔節期、大喇叭口期、灌漿期玉米體內Ca2+含量均有顯著差異，成熟期玉米體內Ca2+含量相近且無顯著差異。

圖4 不同灌水處理對玉米體內Ca2+含量的影響Fig.4 Effect of different irrigation treatments on Ca2+ content in maize

(4)不同灌水處理對玉米體內Mg2+含量的影響。圖5為不同灌水處理對玉米體內Mg2+含量的影響，拔節期玉米體內Mg2+含量相近且無顯著差異，大喇叭口期、灌漿期、成熟期IS處理下玉米體內Mg2+含量分別高于ID處理8.73%、5.72%、6.69%，且2種灌水處理下玉米體內Mg2+含量均有顯著差異。

圖5 不同灌水處理對玉米體內Mg2+含量的影響Fig.4 Effect of different irrigation treatments on Mg2+ content in maize

2.2 Na+、K+、Ca2+、Mg2+在玉米器官中分布情況

Na+是鹽堿土中的主要鹽分陽離子，由圖6可以看出全生育期內玉米吸收的Na+主要積累在根中，向莖、葉運輸比較少，莖、葉中Na+含量變化不明顯。拔節期根中Na+含量上升到一個頂峰點，之后急劇下降，主要原因為7月10日玉米IS和ID處理分別灌水20、40 mm，拔節期到大喇叭口期降雨量為73.1 mm(見圖1)，灌水和降雨對土壤鹽分有淋洗作用。有研究表明Na+和Ca2+受淋洗影響差異顯著，K+和Mg2+受淋洗影響差異不顯著[16]，根從土壤中吸收Na+減少。大喇叭口期到成熟期根中Na+含量呈上升趨勢，這個時期灌水和降雨量較少，且土壤中積累較多的Na+，根吸收Na+增多。

K+比較集中分布在玉米的幼嫩組織莖葉中，玉米全生育期內K+含量整體呈下降趨勢，隨著玉米的成熟，對K+需求量減小。但K+相對其他3種陽離子在玉米體內含量最高，因為K+是植物正常代謝的關鍵離子，同時K+在玉米體內有抑制Na+進入地上部分的作用。

Ca2+在玉米體內的含量僅次于K+。Ca2+含量在根中變化趨勢和Na+相近，苗期到拔節期根和莖中Ca2+含量呈上升趨勢，因為這個時期根吸收較多Na+，在增強運輸Na+的同時也增強了Ca2+的運輸，一部分Ca2+用來抑制Na+，最終運輸到葉中Ca2+較少，葉中Ca2+含量下降。大喇叭口期是玉米抽穗生長關鍵時期，需要大量營養元素，所以根吸收大量Ca2+向地上部分運輸，一部分抑制Na+,一部分供自身消耗，大喇叭口期到成熟期根和葉中Ca2+含量開始上升，莖中Ca2+含量下降。

圖6 灌水處理下Na+、K+、Ca2+、Mg2+在玉米器官中的分布Fig.6 Distribution of Na+, K+, Ca2+ and Mg2+ in maize organs under irrigation treatments

苗期到大喇叭口期3個器官中Mg2+含量變化趨勢基本一致，主要原因為6月下旬多呈陰天，玉米對光的吸收能力下降，Mg2+在3個器官中含量明顯都上升，以增強植株的光合作用，提高光能利用率，保證玉米正常生長。拔節期到大喇叭口期植株生長較快，代謝速率增強，大量消耗Mg2+，根、莖、葉中Mg2+含量都下降，隨后玉米進入灌漿期，植株生長緩慢，代謝速率減小，3個器官中Mg2+含量逐步上升最后近水平。

2.3 玉米對Na+、K+、Ca2+、Mg2+的運輸選擇性

進入玉米根中的鹽分離子隨水分代謝運輸到地上部分，同時地上部分的器官對離子有選擇性，選擇調控分配到各個器官中，運輸選擇性系數[17]體現了這一點，即：TSK，Na=(庫器官K+含量/Na+含量)/(源器官K+含量/Na+含量)，TSCa，Na、TSMg，Na同理。TSK，Na、TSCa，Na、TSMg，Na其值越大，玉米對K+、Ca2+、Mg2+向庫器官運輸的選擇性越大，留在源器官中的Na+越多。

(1)玉米對Na+、K+、Ca2+、Mg2+從根向莖的運輸選擇性。圖7為IS、ID處理下玉米從根向莖的TSK，Na、TSCa，Na、TSMg，Na，2種灌水處理下均為TSK，Na>TSMg，Na>TSCa，Na，說明玉米主要通過K+限制過多的Na+向上運輸，將較多的Na+積累在根中，使莖中Na+含量減小。3個系數中TSCa，Na最小，在同等機會競爭條件下，Ca2+的競爭性沒有K+和Mg2+的競爭性強[18]，或者是玉米葉片進行光合作用，自身對Mg2+需求大，增強對Mg2+運輸。

拔節期到大喇叭口期降雨較多，2種灌水處理下的TSK，Na、TSCa，Na、TSMg，Na大小相近，灌漿期IS處理下3個運輸選擇性系數遠大于ID處理，說明TSK，Na、TSCa，Na、TSMg，Na隨灌水量減少而增大，IS處理下玉米吸收較多的Na+，同時也吸收較多的K+、Ca2+、Mg2+，進一步說明玉米通過增強對K+、Mg2+、Ca2+的運輸抑制Na+運輸，使Na+積累在根部，減小對玉米地上部分的傷害。2種灌水處理下，拔節期TSMg，Na及灌漿期TSK，Na、TSCa，Na、TSMg，Na均有顯著差異(P<0.05),其余運輸選擇性系數無顯著差異(P>0.05)。

圖7表明2種灌水處理下全生育期內玉米從根向莖的TSK，Na、TSCa，Na、TSMg，Na變化規律相似。拔節期到大喇叭口期TS呈減小趨勢，6月下旬降雨較多且進行灌水，玉米吸收的鹽分離子減少，TS減??；灌漿期TS增大，該生育期玉米生長發育需要大量的營養元素供自身消耗，增強了對K+、Mg2+、Ca2+等營養元素的運輸，抑制了Na+運輸；成熟期TS又逐漸減小，因為此時玉米停止生長，不需要大量營養元素，對Na+的抑制作用減小。

圖7 IS、ID處理下玉米從根向莖的TSK，Na、TSCa，Na、TSMg，NaFig.7 TSK，Na、TSCa，Na、TSMg，Na from root to stem of maize under IS and ID treatments

(2)玉米對Na+、K+、Ca2+、Mg2+從莖向葉的運輸選擇性。圖8為玉米對Na+、K+、Ca2+、Mg2+從莖向葉的TSK，Na、TSMg，Na、TSCa，Na，2種灌水處理下均為TSCa，Na>TSMg，Na>TSK，Na。2種灌水處理下，灌漿期TSK，Na、TSCa，Na、TSMg，Na及成熟期TSMg，Na均有顯著差異(P<0.05)，其余均無顯著差異(P>0.05)。拔節期和大喇叭口期2種灌水處理下TSK，Na、TSMg，Na、TSCa，Na大小相近，灌漿期TSK，Na、TSMg，Na、TSCa，Na均明顯增大，該生育期3個系數均表現為ID

圖8 IS、ID處理下玉米從莖向葉的TSK，Na、TSCa，Na、TSMg，NaFig.8 TSK，Na，TSCa，Na，TSMg，Na from stem to leaf of maize under IS and ID treatments

3 討 論

有研究表明，玉米受到鹽脅迫后生長緩慢，植株干物質積累速度變慢，葉面積指數變小，黃葉指數增大，根變短變粗，側根及根毛減少[19]。本文對鹽堿地滴灌下玉米不同生育期內根、莖、葉等器官中鹽分陽離子的含量進行了測定，發現玉米體內鹽分陽離子含量受灌水和降雨影響，灌溉期和降雨量較多時玉米體內鹽分陽離子含量較小，非灌溉期體內鹽分陽離子含量較高，這與以往鹽脅迫下試驗結果一致，土壤鹽分含量越高，作物體內鹽分離子含量越大。

植株的葉片拒鹽機制能使更多的K+轉移至木質部，將Na+保留在根的上部或莖的下部[20]。本研究表明玉米體內Na+含量表現為根>莖>葉，玉米主要將Na+積累在根、莖等成熟器官中，阻止其向葉運輸Na+，這與楊勁松等[21]、Karl等[22]、Isla等[10]、彭云玲等[11]研究小麥、玉米等作物一致。由于Na+和K+有相似的離子半徑和水合能，2者之間會相互競爭轉運體的同一結合位，所以K+有抑制Na+的作用，玉米能通過選擇性吸收運輸較多K+，利用較高的K+濃度，維持平衡K+含量/Na+含量來進行滲透調節，提高抗鹽性。2種灌水處理下根向莖的運輸選擇性系數均表現為TSK，Na>TSMg，Na>TSCa，Na，說明玉米K+是抑制Na+的主要離子，與大多作物抗鹽機制一致。本研究TSK，Na表現為IS>ID，說明灌水量減小，根吸收Na+增多，但能通過保持較高的K+含量/Na+含量值來保證自身正常生長發育，這與小黑麥[12]、棉花[13]、燕麥[14]、大豆[15]等作物抗鹽機制一致。Ca2+在鹽脅迫下能保持細胞的膜結構穩定，因此在土壤鹽分較多的情況下，體內保持較高的Ca2+含量對玉米抗鹽有一定的意義。本研究表明Ca2+含量在玉米地上部分葉>莖，根中變化趨勢和Na+相近，說明Ca2+也有抑制Na+的作用，充分表現在莖向葉運輸離子的過程中，Ca2+為抑制Na+的主要離子，玉米的這一抗鹽特性目前研究較少，大多研究沒有考慮作物莖向葉運輸離子的過程，但這與小美旱楊[18]的研究一致。Mg2+是葉綠素的中心離子，參與能量代謝，在光合作用中起重要作用，灌漿期TSMg，Na表現為IS>ID，IS處理下根區土壤鹽分含量較高，根吸收Na+增多，同時也吸收較多Mg2+，有利于增強植株的光合作用，提高抗鹽性。 本文只對鹽堿地滴灌條件下玉米體內鹽分陽離子的分布及運移特征進行了研究，未研究土壤中鹽分陽離子含量的變化，在以后的研究中應綜合分析土壤與作物系統鹽分離子的相關性，為開發利用鹽堿地提供理論依據。

4 結 論

通過對鹽堿地滴灌條件下玉米根、莖、葉等器官中鹽分陽離子含量的測定，研究不同灌水處理下玉米根、莖、葉在不同生育期內鹽分陽離子含量的變化，分析了玉米體內鹽分陽離子的分布情況及運移特征，得到如下結論。

(1)隨著灌水量增大，玉米吸收運輸離子減少，玉米體內鹽分陽離子含量為IS>ID，對于鹽漬化土壤種植玉米，可以適當增大灌水量，減少玉米對鹽分陽離子的吸收。

(2)玉米將Na+積累在根、莖等成熟器官中，阻止其向葉運輸，體內吸收運輸較多Na+時，也能吸收運輸較多K+，維持K+含量/Na+含量平衡。玉米體內K+含量最大，主要分布在莖葉中，其次是Ca2+，Na+含量最小。

(3)在根向莖運輸離子的過程中，2種處理下運輸選擇性系數都表現為TSK，Na>TSMg，Na>TSCa，Na，K+是抑制Na+進入地上部分的主要離子；在莖向葉運輸離子的過程中，2種處理下運輸選擇性系數都表現為TSCa，Na>TSMg，Na>TSK，Na，Ca2+是抑制Na+的主要離子。但根向莖的TSK，Na最大，玉米主要通過K+抑制Na+，玉米體內保持較高K+含量/Na+含量值。