盐碱地滴灌玉米体内Na+、K+、Ca2+、Mg2+的分布及运移特征

刘 帆，周青云，张宝忠，李松敏，叶澜涛

(1.天津农学院水利工程学院，天津 300384；2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100083；3.国家节水灌溉北京工程技术研究中心，北京 100083)

我国现有盐渍化土壤面积约3 693.3 万hm2，残余盐渍化土壤约4 486.7 万hm2，潜在盐渍化土壤为1 733.3 万hm2，各类盐碱地面积总计9 913.3 万hm2[1]，主要分布在西北、华北、东北和沿海地区。土壤盐渍化会对作物产生危害，这种危害来自于作物根际土壤较高的盐分离子浓度，由于盐分离子化学性质不同，作物对不同盐分离子的响应也不同，因此，探求盐碱地作物体内盐分离子的分布情况及运移特征，可为盐碱地作物种植管理提供依据，对生态环境、粮食安全和农业可持续发展等有重要意义。滴灌是改善次生盐渍土比较成功的技术之一，是通过放在地面或地下毛管的滴头，在低压和较低流量下向土壤缓慢的滴水，形成土壤表面部分湿润的一种灌溉系统[2]。大量研究表明：滴灌条件下，滴头附近土壤含盐量较少，土壤盐分以滴头为中心向滴灌带两侧运移，土壤盐分主要聚集在湿润锋边缘[3-8]。

盐分离子对作物的影响主要有2方面，即离子胁迫和渗透胁迫[9]，作物在适应土壤盐分胁迫过程中，会对其胁迫产生耐受机制，能通过各种层次的膜系统限制根系对离子的吸收，限制根系离子向上运输，以及限制离子运输后在地上部分器官中的分布，因此盐分离子在作物体内分布特征不一致。目前，关于作物体内盐分离子运移特征的研究已有一些成果[10-15]，盐碱化土壤中的阳离子主要是Na+、K+、Ca2+、Mg2+等，研究表明大多数作物对K+具有很强的运输选择性，K+对Na+进入作物体内有抑制作用且大于Ca2+、Mg2+的抑制作用。这些研究大多是通过人为控制单盐浓度分析作物体内盐分离子分布及运移特征，而自然盐分生境下的作物还受灌溉和降雨等环境因素及各离子之间关系的影响，其对盐分离子吸收运输的研究少见报道，因此，本文研究盐碱地玉米在不同灌水量处理下体内盐分阳离子含量的变化，旨在揭示盐碱地滴灌条件下玉米体内Na+、K+、Ca2+、Mg2+分布及运移特征。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于天津市津南区葛沽镇，地理坐标为117°14′32′′E～117°33′10′′E，38°50′02′′N～39°04′32′′N。该区属于暖温带半湿润季风型大陆性气候，光照充足，季风显著，四季分明。年平均日照时数2 659 h，年平均风速3.0 m/s，年平均气温11.9 ℃，最热在7月，平均气温为25.9 ℃，极端最低温度为-20.5 ℃，年平均无霜降206 d，年平均地面温度14.5 ℃，年平均降水量556.4 mm，多集中在6-7月，年平均相对湿度64 %，试验地面积为50.0 m×9.3 m。农田灌溉水主要是地下水，表层0～20 cm土层土壤含盐量为1.19 g/kg，土壤有效磷18.33 mg/kg，土壤硝态氮7.18 mg/kg，土壤容重1.62 g/cm3。试验前土壤0～60 cm土层Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量见表1。

表1 试验前土壤0～60 cm土层Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量 g/kg

1.2 试验方案

田间试验供试作物为玉米(郑单958)，2017年4月22日播种，8月14日收获，全生育期115 d，株距25 cm，行距60 cm。滴灌采用1行1管设置，滴灌带间距60 cm，管径1.6 cm，滴头间距30 cm，工作压力0.1 MPa，滴头流量1.38 L/h。本试验设置2种不同灌水量处理，以IS、ID表示，其中IS灌溉定额为40 mm，ID灌溉定额为80 mm，每个处理3次重复。玉米全生育期内灌水时间与灌水定额见表2，玉米全生育期内降雨量及其分布见图1。

表2 玉米全生育期内灌水时间与灌水定额 mm

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

1.3 测定项目及方法

(1)样品采集与制备。采集玉米不同生育期的根、茎、叶样品，苗期、拔节期、大喇叭口期、灌浆期、成熟期采样日期分别为5月23日、6月18日、 7月13日、7月28日、8月14日。取样时每个处理选取6株长势均匀的玉米植株，带回实验室将根、茎、叶分开，各样品处理干净后，置烘箱105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，用粉碎机粉碎后过50目筛，保存于密封袋内，注意过程中把空气完全挤压出去。待测液采用硝酸-高氯酸消解的方法制备。准确称取样品粉末0.5 g，置250 mL锥形瓶中，加入8 mL硝酸-高氯酸(3∶1)混合液，摇匀，静置6 h，然后放置在电热板上加热消解，保持微沸，持续加热至消解液呈无色透明，冷却后加入去离子水配制的0.5 %稀硝酸5 mL，转入25 mL量瓶中，用去离子水洗涤锥形瓶，洗液合并于量瓶中，定容至量瓶刻度，作为供试品溶液。

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

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016处理数据，Origin 9.0软件绘图，SPSS 12.0统计软件中One-way ANOVA 法进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌水处理对玉米体内Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量的影响

(1)不同灌水处理对玉米体内Na+含量的影响。图2为不同灌水处理对玉米体内Na+含量的影响，玉米全生育期体内Na+含量都为IS>ID，拔节期、大喇叭口期、灌浆期、成熟期IS处理下玉米体内Na+含量分别比ID处理高24.44%、13.56%、13.26%、22.45%，说明玉米体内Na+含量受灌水影响较大，随灌水量增大而减少，2种灌水处理下拔节期、灌浆期、成熟期玉米体内Na+含量都有显著差异，大喇叭口期无显著差异。

图2 不同灌水处理对玉米体内Na+含量的影响Fig.2 Effect of different irrigation treatments on Na+ content in maize注:同一生育阶段不同字母表示处理间显著性差异(P<0.05)，下同。

(2)不同灌水处理对玉米体内K+含量的影响。图3为不同灌水处理对玉米体内K+含量的影响，玉米全生育期体内K+含量均为IS>ID，拔节期、大喇叭口期、灌浆期、成熟期IS处理下玉米体内K+含量分别比ID处理高2.60%、2.57%、12.22%、11.12%，玉米体内K+含量也随灌水量减少而增大，2种灌水处理下拔节期和大喇叭口期玉米体内K+含量无显著差异，灌浆期和成熟期有显著差异。

图3 不同灌水处理对玉米体内K+含量的影响Fig.3 Effect of different irrigation treatments on K+ content in maize

(3)不同灌水处理对玉米体内Ca2+含量的影响。图4为不同灌水处理对玉米体内Ca2+含量的影响，拔节期ID处理下玉米体内Ca2+含量高于IS处理20.79%，拔节期ID处理灌水40 mm，说明Ca2+含量随灌水量增大而增大，大喇叭口期和灌浆期IS处理下玉米体内Ca2+含量分别高于ID处理55.06%、19.60%，拔节期、大喇叭口期、灌浆期玉米体内Ca2+含量均有显著差异，成熟期玉米体内Ca2+含量相近且无显著差异。

图4 不同灌水处理对玉米体内Ca2+含量的影响Fig.4 Effect of different irrigation treatments on Ca2+ content in maize

(4)不同灌水处理对玉米体内Mg2+含量的影响。图5为不同灌水处理对玉米体内Mg2+含量的影响，拔节期玉米体内Mg2+含量相近且无显著差异，大喇叭口期、灌浆期、成熟期IS处理下玉米体内Mg2+含量分别高于ID处理8.73%、5.72%、6.69%，且2种灌水处理下玉米体内Mg2+含量均有显著差异。

图5 不同灌水处理对玉米体内Mg2+含量的影响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况

Na+是盐碱土中的主要盐分阳离子，由图6可以看出全生育期内玉米吸收的Na+主要积累在根中，向茎、叶运输比较少，茎、叶中Na+含量变化不明显。拔节期根中Na+含量上升到一个顶峰点，之后急剧下降，主要原因为7月10日玉米IS和ID处理分别灌水20、40 mm，拔节期到大喇叭口期降雨量为73.1 mm(见图1)，灌水和降雨对土壤盐分有淋洗作用。有研究表明Na+和Ca2+受淋洗影响差异显著，K+和Mg2+受淋洗影响差异不显著[16]，根从土壤中吸收Na+减少。大喇叭口期到成熟期根中Na+含量呈上升趋势，这个时期灌水和降雨量较少，且土壤中积累较多的Na+，根吸收Na+增多。

K+比较集中分布在玉米的幼嫩组织茎叶中，玉米全生育期内K+含量整体呈下降趋势，随着玉米的成熟，对K+需求量减小。但K+相对其他3种阳离子在玉米体内含量最高，因为K+是植物正常代谢的关键离子，同时K+在玉米体内有抑制Na+进入地上部分的作用。

Ca2+在玉米体内的含量仅次于K+。Ca2+含量在根中变化趋势和Na+相近，苗期到拔节期根和茎中Ca2+含量呈上升趋势，因为这个时期根吸收较多Na+，在增强运输Na+的同时也增强了Ca2+的运输，一部分Ca2+用来抑制Na+，最终运输到叶中Ca2+较少，叶中Ca2+含量下降。大喇叭口期是玉米抽穗生长关键时期，需要大量营养元素，所以根吸收大量Ca2+向地上部分运输，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叶中Ca2+含量开始上升，茎中Ca2+含量下降。

图6 灌水处理下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个器官中Mg2+含量变化趋势基本一致，主要原因为6月下旬多呈阴天，玉米对光的吸收能力下降，Mg2+在3个器官中含量明显都上升，以增强植株的光合作用，提高光能利用率，保证玉米正常生长。拔节期到大喇叭口期植株生长较快，代谢速率增强，大量消耗Mg2+，根、茎、叶中Mg2+含量都下降，随后玉米进入灌浆期，植株生长缓慢，代谢速率减小，3个器官中Mg2+含量逐步上升最后近水平。

2.3 玉米对Na+、K+、Ca2+、Mg2+的运输选择性

进入玉米根中的盐分离子随水分代谢运输到地上部分，同时地上部分的器官对离子有选择性，选择调控分配到各个器官中，运输选择性系数[17]体现了这一点，即：TSK，Na=(库器官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，玉米对K+、Ca2+、Mg2+向库器官运输的选择性越大，留在源器官中的Na+越多。

(1)玉米对Na+、K+、Ca2+、Mg2+从根向茎的运输选择性。图7为IS、ID处理下玉米从根向茎的TSK，Na、TSCa，Na、TSMg，Na，2种灌水处理下均为TSK，Na>TSMg，Na>TSCa，Na，说明玉米主要通过K+限制过多的Na+向上运输，将较多的Na+积累在根中，使茎中Na+含量减小。3个系数中TSCa，Na最小，在同等机会竞争条件下，Ca2+的竞争性没有K+和Mg2+的竞争性强[18]，或者是玉米叶片进行光合作用，自身对Mg2+需求大，增强对Mg2+运输。

拔节期到大喇叭口期降雨较多，2种灌水处理下的TSK，Na、TSCa，Na、TSMg，Na大小相近，灌浆期IS处理下3个运输选择性系数远大于ID处理，说明TSK，Na、TSCa，Na、TSMg，Na随灌水量减少而增大，IS处理下玉米吸收较多的Na+，同时也吸收较多的K+、Ca2+、Mg2+，进一步说明玉米通过增强对K+、Mg2+、Ca2+的运输抑制Na+运输，使Na+积累在根部，减小对玉米地上部分的伤害。2种灌水处理下，拔节期TSMg，Na及灌浆期TSK，Na、TSCa，Na、TSMg，Na均有显著差异(P<0.05),其余运输选择性系数无显著差异(P>0.05)。

图7表明2种灌水处理下全生育期内玉米从根向茎的TSK，Na、TSCa，Na、TSMg，Na变化规律相似。拔节期到大喇叭口期TS呈减小趋势，6月下旬降雨较多且进行灌水，玉米吸收的盐分离子减少，TS减小；灌浆期TS增大，该生育期玉米生长发育需要大量的营养元素供自身消耗，增强了对K+、Mg2+、Ca2+等营养元素的运输，抑制了Na+运输；成熟期TS又逐渐减小，因为此时玉米停止生长，不需要大量营养元素，对Na+的抑制作用减小。

图7 IS、ID处理下玉米从根向茎的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)玉米对Na+、K+、Ca2+、Mg2+从茎向叶的运输选择性。图8为玉米对Na+、K+、Ca2+、Mg2+从茎向叶的TSK，Na、TSMg，Na、TSCa，Na，2种灌水处理下均为TSCa，Na>TSMg，Na>TSK，Na。2种灌水处理下，灌浆期TSK，Na、TSCa，Na、TSMg，Na及成熟期TSMg，Na均有显著差异(P<0.05)，其余均无显著差异(P>0.05)。拔节期和大喇叭口期2种灌水处理下TSK，Na、TSMg，Na、TSCa，Na大小相近，灌浆期TSK，Na、TSMg，Na、TSCa，Na均明显增大，该生育期3个系数均表现为ID

图8 IS、ID处理下玉米从茎向叶的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 讨 论

有研究表明，玉米受到盐胁迫后生长缓慢，植株干物质积累速度变慢，叶面积指数变小，黄叶指数增大，根变短变粗，侧根及根毛减少[19]。本文对盐碱地滴灌下玉米不同生育期内根、茎、叶等器官中盐分阳离子的含量进行了测定，发现玉米体内盐分阳离子含量受灌水和降雨影响，灌溉期和降雨量较多时玉米体内盐分阳离子含量较小，非灌溉期体内盐分阳离子含量较高，这与以往盐胁迫下试验结果一致，土壤盐分含量越高，作物体内盐分离子含量越大。

植株的叶片拒盐机制能使更多的K+转移至木质部，将Na+保留在根的上部或茎的下部[20]。本研究表明玉米体内Na+含量表现为根>茎>叶，玉米主要将Na+积累在根、茎等成熟器官中，阻止其向叶运输Na+，这与杨劲松等[21]、Karl等[22]、Isla等[10]、彭云玲等[11]研究小麦、玉米等作物一致。由于Na+和K+有相似的离子半径和水合能，2者之间会相互竞争转运体的同一结合位，所以K+有抑制Na+的作用，玉米能通过选择性吸收运输较多K+，利用较高的K+浓度，维持平衡K+含量/Na+含量来进行渗透调节，提高抗盐性。2种灌水处理下根向茎的运输选择性系数均表现为TSK，Na>TSMg，Na>TSCa，Na，说明玉米K+是抑制Na+的主要离子，与大多作物抗盐机制一致。本研究TSK，Na表现为IS>ID，说明灌水量减小，根吸收Na+增多，但能通过保持较高的K+含量/Na+含量值来保证自身正常生长发育，这与小黑麦[12]、棉花[13]、燕麦[14]、大豆[15]等作物抗盐机制一致。Ca2+在盐胁迫下能保持细胞的膜结构稳定，因此在土壤盐分较多的情况下，体内保持较高的Ca2+含量对玉米抗盐有一定的意义。本研究表明Ca2+含量在玉米地上部分叶>茎，根中变化趋势和Na+相近，说明Ca2+也有抑制Na+的作用，充分表现在茎向叶运输离子的过程中，Ca2+为抑制Na+的主要离子，玉米的这一抗盐特性目前研究较少，大多研究没有考虑作物茎向叶运输离子的过程，但这与小美旱杨[18]的研究一致。Mg2+是叶绿素的中心离子，参与能量代谢，在光合作用中起重要作用，灌浆期TSMg，Na表现为IS>ID，IS处理下根区土壤盐分含量较高，根吸收Na+增多，同时也吸收较多Mg2+，有利于增强植株的光合作用，提高抗盐性。 本文只对盐碱地滴灌条件下玉米体内盐分阳离子的分布及运移特征进行了研究，未研究土壤中盐分阳离子含量的变化，在以后的研究中应综合分析土壤与作物系统盐分离子的相关性，为开发利用盐碱地提供理论依据。

4 结 论

通过对盐碱地滴灌条件下玉米根、茎、叶等器官中盐分阳离子含量的测定，研究不同灌水处理下玉米根、茎、叶在不同生育期内盐分阳离子含量的变化，分析了玉米体内盐分阳离子的分布情况及运移特征，得到如下结论。

(1)随着灌水量增大，玉米吸收运输离子减少，玉米体内盐分阳离子含量为IS>ID，对于盐渍化土壤种植玉米，可以适当增大灌水量，减少玉米对盐分阳离子的吸收。

(2)玉米将Na+积累在根、茎等成熟器官中，阻止其向叶运输，体内吸收运输较多Na+时，也能吸收运输较多K+，维持K+含量/Na+含量平衡。玉米体内K+含量最大，主要分布在茎叶中，其次是Ca2+，Na+含量最小。

(3)在根向茎运输离子的过程中，2种处理下运输选择性系数都表现为TSK，Na>TSMg，Na>TSCa，Na，K+是抑制Na+进入地上部分的主要离子；在茎向叶运输离子的过程中，2种处理下运输选择性系数都表现为TSCa，Na>TSMg，Na>TSK，Na，Ca2+是抑制Na+的主要离子。但根向茎的TSK，Na最大，玉米主要通过K+抑制Na+，玉米体内保持较高K+含量/Na+含量值。