膜下滴灌灌水定額對天津濱海鹽堿地玉米植株陽離子含量的影響研究

尹林萍，周青云，張寶忠，馬 波，王 航

（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）

土壤鹽堿化已經成為全球性的難題，制約著各國農業可持續發展。中國鹽堿地分布范圍廣，由于灌溉不當造成全國土地鹽堿化現象日益加劇，農業生產受到不同程度的影響。天津市地處華北平原北部，東臨渤海，受特殊氣候和水文地質的影響，已約有2/5 的土地鹽堿化，主要分布在渤海灣的濱海地區，土壤含鹽量大，嚴重制約天津的農業發展，故提高天津濱海鹽堿地區土地資源利用效率，對于改善生態環境、糧食安全及推動本地經濟可持續發展具有重要意義。膜下滴灌能夠較好的改善鹽堿地土壤環境，提高作物產量，朱擁軍等［1］、戈鵬飛等［2］、齊廣平等［3］、張志等［4］通過對不同地區的鹽堿地研究發現，膜下滴灌技術能有效地降低土壤鹽分，滴灌下方土壤的鹽度最低，且灌水量越大，土壤脫鹽效果越好；侯琨［5］、楊宏偉等［6］、唐光木等［7］對膜下滴灌玉米生長的研究結果表明，一定范圍內增加灌水量能較好地淋洗玉米根部土壤鹽分，有利于玉米健康生長，提高產量。鹽堿脅迫主要是通過滲透脅迫和離子脅迫兩方面影響作物生長，劉帆等［8］通過對天津鹽堿地的研究結果發現，滴灌條件下，增加灌水量可降低玉米體內的Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量；李樹華［9］對比寧夏地區2 種鹽濃度土壤春小麥生育期內各器官的K+、Na+含量，發現植株體內的K+、Na+含量隨鹽濃度升高而增加。目前研究主要集中在膜下滴灌技術對新疆、內蒙等其他地區鹽堿地土壤鹽分的影響，對天津地區研究較少，尤其對于天津濱海地區自然鹽分土壤狀態下覆膜滴灌對玉米體內陽離子變化的研究較少，因此，本文通過研究濱海地區不同灌水定額處理下玉米體內鹽離子的變化，揭示膜下滴灌條件下，濱海鹽堿地玉米體內Na+、K+、Ca2+、Mg2+的分布規律，為濱海鹽堿地的灌溉制度提供依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于天津市津南區葛沽鎮（117° 14′32″E～117°33′10″E，38°50′02″N～39°04′32″N），屬于暖溫帶半濕潤季風型大陸氣候，多年平均相對濕度為64%，多年平均降水量為556.4 mm，降水多集中在6-8月份，多年平均氣溫為11.9 ℃，多年平均無霜降206 d。試驗區土壤主要分為潮土和黑砂土，0～80 cm 為黃色壤土，80～100 cm 為黑色砂土，還有一部分是蚌螺貝克土，質屬鹽堿，試驗區面積為465 m2（50.0 m×9.3 m）。試驗前土壤0～60 cm土層中Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量如表1所示。

表1 試驗前土壤0～60 cm土層中Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量Tab.1 The content of Na+，K+，Ca2+，Mg2+in the soil of 0～60 cm before the test

1.2 試驗設計

試驗材料為玉米（鄭丹958），試驗時間為2018年5-9月，株距和行距分別為30、60 cm。采用一膜兩管兩行的種植方式，膜寬80 cm，滴灌帶間距為60 cm，滴頭間距30 cm，工作壓力0.1 MPa，滴頭流量1.38 L/h，灌溉水源為地下水。根據農戶經驗及天津作物灌水標準，試驗設置兩種不同灌水量處理以FI10、FI20表示，每個處理3 次重復，其中FI10灌水定額為10 mm，FI20灌水定額為20 mm。田間試驗設置如圖1所示，玉米全生育期內灌水時間如表2所示。

圖1 試驗設置圖Fig.1 Test setup diagram

表2 玉米全生育期內灌水時間 mmTab.2 Water irrigation time during the whole growth period of maize

1.3 測定項目與方法

（1）土壤樣品采集與離子含量測定。采用土鉆法分層（0～20、20～40、40～60 cm）取樣，取樣點為各處理行向15 cm、行向30 cm、株向7.5 cm和株向15 cm處。將土樣自然風干后過1 mm篩，取過篩后風干土按水土5∶1 制備待測樣品溶液。采用火焰分光光度計（FP 640）法測定Na+含量、K+含量；采用EDTA 滴定法測定Ca2+含量、Mg2+含量。

（2）玉米樣品采集與離子含量測定。以6月11日、6月23日、8月5日、8月22日，即苗期、拔節期、抽穗期、成熟期為取樣日期，每個處理分別取6株長勢均勻的玉米，用清水將根、莖、葉分開洗凈，殺青烘干至恒重，粉碎后過50目篩，將0.5 g粉末與8 mL 硝酸-高氯酸（3∶1）混合液置于250 mL 錐形瓶中進行消解，待溶液冷卻，用5 mL 去離子水配制的0.5%稀硝酸溶解式樣并定容至25 mL容量瓶中作為待測樣品溶液。采用火焰原子吸收分光光度法測定（AA-6300C）玉米根、莖和葉中Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量。

1.4 數據處理

利用Microsoft Excel 2016 對數據進行處理，Origin 9.0 軟件進行繪圖，LSD法比較數據之間的差異性。

玉米根系對土壤中離子的吸收選擇系數計算公式為：

玉米根、莖、葉對離子的運輸選擇系數計算公式為：

式中：［X+］表示其他陽離子含量；［Na+］表示Na+含量［10］。

離子量計算公式如下：

式中：M為離子量，g/株；ω為離子含量，g/kg；m為干物質量，g/株。

2 結果與分析

2.1 灌水定額對玉米植株陽離子含量的影響

2.1.1 對玉米植株Na+含量的影響

由表3可知，2 種灌水處理下的玉米根部Na+含量均高于莖和葉，受灌水的影響，拔節期、抽穗期和成熟期玉米根部Na+含量差異顯著，苗期和拔節期玉米莖中Na+含量差異顯著，生育期內玉米葉中Na+含量無明顯差異，拔節期至成熟期FI10處理玉米根、莖和葉中Na+含量均高于FI20處理，說明玉米體內Na+含量隨灌水定額的增加而逐漸降低。FI10處理拔節期玉米根、葉和抽穗期莖中Na+含量達到最大值，分別為8.82、0.84 和1.39 g/kg，FI20處理苗期根、莖和拔節期葉中Na+含量達到最大值，分別為7.33、0.62 和0.72 g/kg，且拔節期玉米莖和葉中Na+含量受灌水影響降低幅度最大，抽穗期和成熟期玉米體內Na+含量降低幅度均為根＞莖＞葉。

表3 灌水定額對玉米根、莖、葉中Na+含量的影響Tab.3 Effect of irrigation quota on the content of Na+in root，stem and leaf of maize

2.1.2 對玉米植株K+含量的影響

表4可知，2 種灌水處理下玉米莖和葉中K+含量均高于根部，受灌水的影響，生育期內玉米根和莖中K+含量均存在差異，而葉中K+含量無明顯差異。苗期、拔節期和成熟期FI20處理玉米根、莖和葉中K+含量均高于FI10處理，說明玉米體內K+含量隨灌水定額的增加而升高，FI10處理苗期根、莖和拔節期葉中K+含量達到最大值，分別為25.58、46.53 和30.55 g/kg，FI20處理苗期根、莖和葉中K+含量達到最大值，分別為29.49、55.64和33.19 g/kg。苗期和成熟期玉米體內K+含量隨灌水定額增加而升高的幅度為莖＞根＞葉，拔節期和抽穗期升高幅度為根＞莖。

表4 灌水定額對玉米根、莖、葉中K+含量的影響Tab.4 Effect of irrigation quota on the content of K+in root，stem and leaf of maize

2.1.3 對玉米植株Ca2+含量的影響

由表5可以看出，受灌水影響，生育期內玉米根部Ca2+含量存在差異，苗期、拔節期和抽穗期玉米莖中Ca2+含量存在差異，葉中Ca2+含量無明顯差異，2種灌水處理下，生育期內玉米根、莖和葉中Ca2+含量變化規律不一致。生育期內，FI10處理下的玉米根中Ca2+含量變化規律為“降低-升高-降低”，與FI20處理變化規律相反，FI10處理下莖中Ca2+含量呈下降趨勢，而FI20處理則呈“升高-降低”規律，與其根變化一致，2 種灌水處理下葉中Ca2+含量均呈上升趨勢。FI10處理苗期玉米根、莖和成熟期葉中Ca2+含量達到最大值，分別為4.71、2.49 和4.85 g/kg，FI20處理玉米根、莖和葉中Ca2+含量分別在抽穗期、拔節期和成熟期達最大值：6.08、2.60 和4.79 g/kg，對比發現苗期和成熟期玉米莖和葉中Ca2+含量隨灌水定額的增加而降低。

表5 灌水定額對玉米根、莖、葉中Ca2+含量的影響Tab.5 Effect of irrigation quota on the content of Ca2+in root，stem and leaf of maize

2.1.4 對玉米植株Mg2+含量的影響

表6可以看出，2 種灌水處理下，生育期內葉中Mg2+含量差異顯著，抽穗期玉米根和莖中Mg2+含量出現差異。生育期內，2種灌水處理下玉米莖中Mg2+含量均為“降低-升高-降低”，葉中Mg2+含量均為“降低-升高”規律，且FI10處理和FI20處理苗期莖中Mg2+含量達最大分別為3.80 和3.90 g/kg，成熟期葉中Mg2+含量達最大值分別為4.92 和4.34 g/kg，說明苗期的莖和成熟期的葉中Mg2+含量隨灌水定額增加而升高，FI10處理和FI20處理玉米根中Mg2+含量變化規律分別為“降低-升高”和“降低-升高-降低”，FI10處理苗期根中Mg2+含量最高為3.38 g/kg，而FI20處理的根中Mg2+含量抽穗期值最大為4.51 g/kg。

表6 灌水定額對玉米根、莖、葉中Mg2+含量的影響Tab.6 Effect of irrigation quota on the content of Mg2+in root，stem and leaf of maize

2.2 灌水定額對玉米植株陽離子質量的影響

灌水定額對玉米根、莖和葉干物質量的影響如表7所示，FI10處理玉米根、莖和葉的干物質量均低于FI20處理。

表7 灌水定額對玉米根、莖、葉干物質量的影響 g/株Tab.7 Effect of irrigation quota on dry matter quality of maize

2.2.1 對玉米植株Na+質量的影響

由圖2（a）所示，2種灌水處理下玉米體內Na+質量排列順序均為根＞莖＞葉，根、莖、葉中Na+質量均呈上升趨勢，且FI10處理和FI20處理成熟期玉米體內Na+質量最高分別為0.42 g/株和0.39 g/株。FI20處理苗期至抽穗期玉米體內Na+質量均高于FI10處理，說明高額灌水通過降低體內Na+含量促進干物質積累，同時增加了玉米植株Na+質量。

2.2.2 對玉米植株K+質量的影響

由圖2（b）所示，2 種灌水處理下玉米根和莖中K+質量呈上升趨勢，葉中K+質量呈波浪形規律，生育期內FI10處理玉米體內K+質量均低于FI20處理。生育期內FI10處理玉米根部K+質量高于FI20處理，而FI10處理莖中K+質量則低于FI20處理，說明高額灌水將根部較多的營養轉移到莖，使莖積累較多的K+，苗期至抽穗期FI10處理玉米葉中K+質量低于FI20處理，說明葉中K+質量隨灌水定額的增加而升高。

2.2.3 對玉米植株Ca2+質量的影響

由圖2（c）所示，生育期內玉米根、莖和葉中Ca2+質量均為逐漸升高，FI10處理根部Ca2+質量高于FI20處理（除拔節期），生育期內FI10處理莖和葉中Ca2+質量均低于FI20處理，與根部Ca2+質量變化相反，說明提高灌水定額利于莖和葉對Ca2+的吸收，從而促進玉米營養生長，2種灌水處理下玉米植株在成熟期Ca2+質量均達到最高且相近，分別為0.45和0.40 g/株，說明不同灌水定額影響玉米根、莖和葉中Ca2+質量分布，但對整株玉米Ca2+質量影響較小。

2.2.4 對玉米植株Mg2+質量的影響

由圖2（d）所示，FI20處理苗期和拔節期根中Mg2+質量均高于FI10處理，在抽穗期和成熟期則均低于FI10處理；FI20處理苗期至抽穗期莖和葉中Mg2+質量均高于FI10處理，但成熟期則低于FI10處理，說明高額灌水處理利于莖和葉在抽穗期以前吸收養分提高干物質量，從而導致Mg2+質量有所增加；FI20處理苗期至抽穗期玉米體內Mg2+質量均高于FI10處理，說明營養生長階段提高灌水定額利于玉米積累更多干物質，從而導致Mg2+質量增加。

圖2 灌水定額對玉米根、莖、葉中陽離子質量影響Fig.2 Effect of irrigation quota on the ion quality in root，stem and leaf of maize

2.3 灌水定額對玉米植株陽離子的吸收與運輸選擇性的影響

2.3.1 對玉米植株陽離子的吸收選擇性的影響

RS 反映了玉米根部對土壤中K+、Ca2+和Mg2+吸收選擇性，RS值越大，玉米對K+、Ca2+和Mg2+的吸收選擇能力越高。圖3所示，生育期內玉米根的RSK，Na和RSMg，Na值均高于RSCa，Na的值，說明玉米根對K+和Mg2+的吸收選擇能力強于Ca2+。FI20處理苗期、拔節期和成熟期玉米RSK，Na和RSMg，Na值均大于FI10處理，說明玉米根部對K+和Mg2+的吸收選擇能力隨灌水定額的增加逐漸增強，FI20處理拔節期、成熟期玉米根部的RSCa，Na值大于FI10處理，說明拔節期和成熟期玉米根部對Ca2+的吸收選擇能力隨灌水定額的增加而逐漸增加，且拔節期玉米根部對Ca2+的吸收選擇能力最大。

2.3.2 對玉米植株陽離子的運輸選擇性的影響

TS反映了玉米根向地上部分對K+、Ca2+和Mg2+運輸選擇性，TS 值越大，玉米對K+、Ca2+和Mg2+的運輸選擇能力越強。由圖3所示，2 種灌水處理下，根向莖的TSK，Na、TSMg，Na、TSCa，Na值均隨生育期逐漸減小，說明隨玉米的生長對K+、Ca2+和Mg2+運輸選擇能力逐漸降低，2 種灌水處理下玉米根向莖的運輸選擇性系數的值均表現為TSK，Na＞TSMg，Na＞TSCa，Na，說明玉米抑制Na+向地上部分運輸主要是通過吸收更多的K+。FI20處理苗期、抽穗期根向莖的TSMg，Na和TSCa，Na值高于FI10處理，說明TSMg，Na和TSCa，Na隨灌水定額的增加而增加，苗期至抽穗期，FI20處理根向莖TSK，Na值低于FI10處理，說明根部較高含量的Na+抑制K+向莖的運輸。

圖3 灌水定額對離子吸收（RS）與運輸（TS）選擇性的變化Fig.3 Change of irrigation quota on selectivity of ion absorption（RS）and transport（TS）

2種灌水處理下玉米莖向葉對K+、Ca2+和Mg2+的運輸選擇能力表現為TSCa，Na＞TSMg，Na＞TSK，Na，莖向葉的TSMg，Na和TSCa，Na值隨玉米生長逐漸升高，TSK，Na值逐漸降低（圖3所示）。苗期FI20處理玉米莖向葉的TSK，Na、TSMg，Na和TSCa，Na值大于FI10處理，拔節期至成熟期FI20處理玉米莖向葉的TSK，Na、TSMg，Na、TSCa，Na值均小于FI10處理，說明玉米生長過程中莖向葉對K+、Ca2+和Mg2+的運輸選擇能力隨灌水定額的增加而逐漸降低。FI10處理下成熟期TSCa，Na值最大為5.38，說明玉米通過莖向葉運輸大量的Ca2+來抑制Na+對葉片的危害。

3 討 論

鹽脅迫對作物生長有明顯的抑制作用，一般情況下，玉米幼苗具有較高的耐鹽性。李峰等［11］人研究表明，作物受鹽分脅迫時，最先受到影響的是根部，通過根的適應以調整植株對脅迫環境的適應能力。高濃度的鹽離子改變植物膜結構和功能，從而導致細胞內積累過量的Na+［13］。本文通過分析天津濱海鹽堿地膜下滴灌玉米植株陽離子含量的變化，發現高灌水定額處理下玉米體內Na+含量較低，K+含量相對較高，更有利于玉米干物質量的積累，但灌水定額對玉米體內Ca2+和Mg2+含量影響較小。隨灌水定額增加，玉米根部Na+含量逐漸降低，高額灌水加大對土壤鹽離子淋洗程度從而導致玉米吸收較少Na+［14］，鮑懷寧［15］在甘肅地區的研究和趙波等［16］在新疆地區的研究均說明提高灌水定額利于加大對土壤鹽分的淋洗效果，與本文研究結果一致，根部K+含量與Na+含量變化趨勢相反，由于K+和Na+存在拮抗作用，故灌水定額增加，根部Na+含量逐漸降低，K+含量逐漸升高；苗期和抽穗期根部Ca2+和Mg2+含量均隨灌水定額增加而降低，由于小額灌水對玉米根部周圍生長環境的Na+淋洗較弱，根部較高的Na+含量顯著降低Ca2+和Mg2+的離子活度。玉米根部Na+、K+、Ca2+和Mg2+質量與其對應的離子含量變化規律不同，根部K+、Ca2+和Mg2+質量隨灌水定額增加逐漸降低，而Na+則相反，低灌水定額時根部Na+含量較高，抑制玉米根的生長，導致根部干物質量較小，造成根部Na+質量較低。

2種處理下玉米莖和葉中的Na+含量均低于根部，玉米將大量的Na+截留于根中，從而減少其對地上部的干擾［17］。2種處理下玉米莖和葉中K+、Ca2+和Mg2+含量均高于Na+含量，玉米作為耐鹽植物對K+、Ca2+和Mg2+選擇性吸收高于對Na+的吸收。K+作為鹽堿地作物耐鹽的關鍵因素［18］，較高的K+含量有利于玉米正常生長，促進干物質量積累，與本研究結果一致。由于K+最易移動，故K+向作物上部運輸的能力較強，與李欣衛等［19］對南瓜幼苗離子含量和李旭等［17］對小麥幼苗的研究結果一致，K+主要在莖中積累，與趙旭［18］研究結果一致。葉與根和莖相比生長較旺盛，需要吸收大量養分進行光合作用，Ca2+和Mg2+隨蒸騰作用向葉片運輸能力較強，故葉中Ca2+和Mg2+含量高于根和莖［19］。玉米莖中Na+質量隨灌水定額增加而降低，葉中Na+質量受灌水定額影響變化不明顯，莖、葉中K+、Ca2+和Mg2+質量與其對應的離子含量變化規律一致，均隨灌水定額增加而升高，高額灌水促進玉米植株對K+、Ca2+和Mg2+的吸收，利于作物干物質積累，從而提高莖、葉中K+、Ca2+和Mg2+質量，增強耐鹽性。

4 結 語

本文通過對天津濱海地區膜下玉米根、莖和葉中陽離子含量的測定，研究灌水定額對玉米根、莖和葉中離子含量及離子質量的影響，分析不同生育期玉米體內陽離子變化情況，得出以下結論。

（1）玉米根、莖和葉中Na+含量隨著灌水定額增加而降低，2種處理下玉米體內Na+含量表現為根＞莖＞葉，其中FI10處理拔節期根部Na+含量最高，為8.82 g/kg，Na+質量表現形式與其含量一致。

（2）FI20處理下玉米根、莖和葉內K+、Ca2+和Mg2+含量均較高，其中K+含量最高，苗期莖中K+含量達到最大，為55.64 g/kg；FI10處理苗期根部Ca2+含量達到最大，為4.71 g/kg；FI10處理成熟期葉中Mg2+含量達到最大，為4.92 g/kg。玉米成熟期以前，其根、莖和葉中K+、Ca2+和Mg2+質量隨灌水定額的增加而升高。

（3）膜下不同灌水處理玉米根對K+和Mg2+的吸收選擇能力均強于Ca2+，拔節期和成熟期玉米根對K+、Ca2+和Mg2+的吸收選擇能力隨灌水定額的增加而升高；不同灌水處理下根向莖的離子運輸過程中均表現為TSK，Na＞TSMg，Na＞TSCa，Na，主要通過K+抑制Na+的運輸；不同灌水處理下莖向葉的離子運輸過程中均表現為TSCa，Na＞TSMg，Na＞TSK，Na，主要是通過Ca2+抑制Na+的運輸。 □