新型保水剂与氮肥互作对玉米生理特性的影响

李明蔚，崔晨晖，夏竹青，胡昌芹，姜澳生，张振玉，刘树堂

（青岛农业大学资源与环境学院，山东 青岛 266109）

玉米在我国农业生产中占有重要地位，继水稻和小麦之后居我国粮食作物产量第3位，对我国农业生产发展有巨大影响［1］。玉米产量高、用途广、种类多、分布广泛，不仅是重要的粮食作物，还是高效经济作物［2］。就我国目前对玉米的需求看，今后很长一段时间内还有很大缺口，还远远满足不了需求，因此必须大力促进玉米生产、提高产量［3］。

制约玉米产量的因素很多，其中肥水即为重要因素。不合理施肥，会造成肥料利用率不高、资源浪费和环境污染，还会提高玉米的空秆率、降低粒重。玉米开花期需水量大，若遇干旱或者灌溉不及时会导致田间持水量低，造成花粉少、发育延缓、无法正常授粉，也会增加玉米空秆率［4］。我国华北（半干旱）地区全年降水量少且时间分布不均衡，干旱频发，同时土壤保水保肥性能差，严重制约着玉米产量的提升［5］。因此研究玉米的水肥高效利用具有重要意义。

应用保水剂是农业生产中保水节肥的一项重要措施，能够提高作物的水分利用率和抗旱性［6，7］。研究者预言，继化肥、农药、塑料薄膜之后保水剂将成为第四大农用化学品［8］。保水剂是一系列高吸水性树脂，它能吸收高于自身几百倍到几千倍的水，并且能够重复吸释土壤中的水分供植物生长利用［9］，同时还能够改善土壤的物理特性，促进种子萌发、提高存活率，降低灌溉需求［10，11］。

适量施氮能明显提高作物产量和水肥利用率，促进作物的光合作用。加入肥料后，保水剂的吸水率会因加入较低浓度的电解质肥料而显著降低［12-14］；另一方面，肥料可以被吸入保水剂分子网状交联的结构空间内，随时间的延长缓慢释放，从而提高肥料利用率，也对土壤养分有明显的保蓄作用［15］。因此，保水剂在吸水的同时也会吸持肥料和土壤中的养分分子或离子，能够防止养分流失，起到保肥蓄水的作用［16，17］。与氮肥配施后，保水剂一定程度上能够将施入玉米根际周围的水肥进行调控，使玉米的水肥利用率明显提高，减少肥料损失，改善玉米受到干旱胁迫时的水肥条件，促进生长同时减少引起面源污染的可能性［18，19］。因此，研究保水剂与氮肥互作对玉米生长的影响对旱作条件下节水增产和可持续发展具有重要意义。

本试验根据华北（半干旱）地区夏玉米种植特点，采用盆栽法，研究不同保水剂和氮肥互作对玉米生长形态、酶活性和抗逆性的影响，以期为玉米抗旱节水和水氮高效利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

盆栽试验于2018年7—10月在青岛农业大学日光温室内完成。供试玉米品种：郑单958。试验设保水剂和氮肥2个因素，其中保水剂设2个水平，即每千克干土分别施0、0.07 g；氮素设3个水平，即每千克干土分别施0（不施氮）、0.326 g（中量氮）、0.652 g（高量氮）。以不施保水剂和氮肥为对照，共设置6个处理，重复6次。

保水剂：本课题组研制。氮肥用尿素（N≥46%），磷肥用过磷酸钙（P2O5≥18%），钾肥用氯化钾（K2O≥60%）。磷钾肥全部作基肥，每千克干土分别施1.34、0.172 g。塑料盆规格：高23 cm，上口直径29 cm。每盆装风干土3.5 kg。装盆时先把保水剂与少量细土混匀，再与其余土壤混合，最后再将氮磷钾肥混合施入。每盆播4粒发芽种子，留长势均匀苗2株。为体现保水剂的作用，要对水分进行控制，每次每盆浇水250 mL。

1.2 植物样品采集与测定

玉米生理生化指标测定时间与样品采集：拔节期取植株最上部第一片完全展开叶，抽穗期选取穗位叶。

1.2.1 叶绿素含量测定 用KONICA MINOLTA SPAD-502便携式叶绿素仪测定叶绿素SPAD值，读数3次，取平均值。

1.2.2 光合特性测定 用American li6400便携式光合作用分析器从上午9时到11时选择晴朗无风天气测定净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）。

1.2.3 过氧化物酶测定 称取材料0.2000 g于研钵中，加入0.1 mo1／L磷酸缓冲液（pH 7.0）6 mL，研磨成匀浆、过滤，以8 000 r／min离心15 min，上清液为酶提取液。向1mL 0.3%愈创木酚反应液中加磷酸缓冲液0.8 mL、0.1 mo1／L过氧化氢2 mL，最后加酶液200μL摇匀，立即用分光光度计于波长470 nm处测吸光度。从加入酶液起立即开启秒表记录时间，以每分钟吸光度变化0.01为一个酶活力单位，1 min读数1次。根据计算公式求得过氧化氢酶含量。

1.2.4 硝酸还原酶测定 采用磺胺比色法。称取剪碎新鲜叶片0.5000 g于硬质试管中，加入0.1 mol／L磷酸缓冲液5 mL和0.2 mol／L KNO3溶液5 mL并置于真空干燥器中，抽气10 min后将试管置于30℃温箱中保温30 min，之后分别取溶液1 mL分别加入磺胺2 mL、α-奈氨2 mL，摇匀静置30 min，在520 nm处比色。根据标准曲线和计算公式求得硝酸还原酶含量。

1.2.5 根系活力测定 将地下部冲洗干净，用吸水纸擦干，称取根尖样品0.5000 g，放入烧杯中，加入0.4%TTC溶液和磷酸缓冲液的等量混合液10 mL，使根充分浸没在溶液内，在37℃下暗保温1～3 h，此后加入1 mol／L硫酸2 mL，以停止反应（与此同时做一空白试验，先加硫酸，再加根样品，其它操作同上）。取出根，吸干水分后，与3～4 mL乙酸乙酯和少量石英砂一起在研钵内磨碎，以提取甲月替。红色提取液移入试管，并用少量乙酸乙酯把残渣洗涤二三次，皆移入试管，最后加乙酸乙酯使总量为10 mL，用分光光度计在波长485 nm处比色，以空白试验作对照测出吸光度。之后查标准曲线，即可求出四氮唑还原量。以四氮唑还原强度代表根系活力，然后将两个时期6组处理的指标进行对比分析，验证保水剂与氮肥互作对玉米生长的效应。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010进行数据初步处理和制图，用DPS 2005软件进行数据显著性检验。

2 结果与分析

2.1 新型保水剂与氮肥互作对玉米叶绿素含量的影响

由图1可以看出，不同处理方式对不同生长时期玉米叶绿素含量的影响差异显著。拔节期，中量氮处理的叶绿素含量最高，空白最低，次序为中量氮＞高量氮＞中量氮+保水剂＞高量氮+保水剂＞保水剂＞空白，各处理间差异显著。抽穗期，中量氮+保水剂处理的叶绿素含量最高，保水剂组最低，次序为中量氮+保水剂＞中量氮＞高量氮＞高量氮+保水剂＞空白＞保水剂，各处理间差异显著。

空白和只施用保水剂处理下玉米拔节期的叶绿素含量高于抽穗期，而其它处理下抽穗期高于拔节期，说明空白和只施用保水剂处理抽穗期营养缺乏，生长不良。无论是拔节期还是抽穗期，无论是否施用保水剂，施用中量氮的叶绿素含量都高于高量氮。

综上说明，施用保水剂能够对氮素的释放起缓释作用：拔节期不施保水剂情况下氮素释放速度快，叶绿素含量高；抽穗期施保水剂处理氮素逐渐释放，可以提高氮肥利用率，氮素供应充足，叶绿素含量高于拔节期。

图1 不同处理对不同生长时期玉米 叶绿素含量的影响

2.2 新型保水剂与氮肥互作对玉米净光合速率的影响

由图2可以看出，不同处理对不同生长时期玉米净光合速率的影响差异显著。拔节期，保水剂处理的净光合速率最高，高量氮处理最低，次序为保水剂＝中量氮＞中量氮+保水剂＞空白＞高量氮+保水剂＞高量氮，保水剂和中量氮处理差异不显著，其它处理之间差异显著。抽穗期，高量氮处理的净光合速率最高，保水剂处理最低，次序为高量氮＞中量氮+保水剂＞高量氮+保水剂＞中量氮＞空白＞保水剂，各处理间差异显著。

高量氮、中量氮+保水剂、高量氮+保水剂处理下抽穗期的净光合速率高于拔节期，而其它处理拔节期高于抽穗期，说明抽穗期供氮充足下净光合作用更强。拔节期高量氮处理的玉米净光合速率最低，主要是由于拔节期该处理的玉米生长状况不良，植株瘦弱矮小，但叶色浓绿，氮素过量出现缺磷症状，影响生长，抑制植株的净光合作用，到抽穗期生长状况得到明显改善后，净光合速率也得到明显提升。

图2 不同处理对不同生长时期玉米 净光合速率（Pn）的影响

2.3 新型保水剂与氮肥互作对玉米胞间CO2浓度的影响

由图3可以看出，不同处理方式对不同生长时期玉米胞间CO2浓度的影响差异显著。拔节期和抽穗期，中量氮+保水剂处理的胞间CO2浓度最高，空白最低，次序为中量氮+保水剂＞高量氮+保水剂＞中量氮＞高量氮＞保水剂＞空白。拔节期中量氮和高量氮处理差异不显著，其它处理之间差异显著；抽穗期各处理间差异显著。

空白和保水剂处理下拔节期的胞间CO2浓度高于抽穗期，而其它处理抽穗期高于拔节期，说明抽穗期空白和单施保水剂处理玉米生长不良，光合作用较弱。相同保水剂条件下，中量氮处理更利于光合作用；相同氮素水平下，添加保水剂处理的玉米胞间CO2浓度大于不施保水剂，可见保水剂能够提高玉米水肥利用率，增加胞间CO2浓度，促进有机物质的积累。

图3 不同处理对不同生长时期玉米胞间CO2浓度（Ci）的影响

2.4 新型保水剂与氮肥互作对玉米蒸腾速率的影响

由图4可以看出，不同处理对不同生长时期玉米蒸腾速率的影响存在显著性差异。拔节期，中量氮+保水剂处理的蒸腾速率最高，空白最低，次序为中量氮+保水剂＞中量氮＞高量氮＞高量氮+保水剂＞保水剂＞空白，中量氮+保水剂和中量氮处理差异不显著，中量氮、高量氮、高量氮+保水剂、保水剂、空白各处理之间差异均不显著。抽穗期，中量氮+保水剂处理的蒸腾速率最高，空白最低，次序为中量氮+保水剂＞中量氮＞高量氮+保水剂＞高量氮＞保水剂＞空白，各处理间差异显著。

中量氮、中量氮+保水剂、高量氮+保水剂处理下抽穗期的蒸腾速率高于拔节期，而其它处理拔节期高于抽穗期。相同保水剂条件下，中量氮处理的蒸腾速率大于高量氮，说明适宜的氮素水平更有利于蒸腾作用。抽穗期，相同氮素水平下，添加保水剂的蒸腾速率要大于不施处理，可见保水剂的添加对玉米抽穗期的蒸腾作用具有积极作用。

图4 不同处理对不同生长时期玉米蒸腾速率（Tr）的影响

2.5 新型保水剂与氮肥互作对玉米根系活力的影响

由图5可以看出，不同处理对不同生长时期玉米根系活力的影响存在显著性差异。拔节期，中量氮+保水剂处理的根系活力最高，高量氮最低，次序为中量氮+保水剂＞空白、保水剂＞中量氮＞高量氮+保水剂＞高量氮，空白和保水剂处理差异不显著，高量氮+保水剂和高量氮处理差异不显著。抽穗期，同样也是中量氮+保水剂处理的根系活力最高，高量氮最低，次序为中量氮+保水剂＞保水剂＞空白＞中量氮＞高量氮+保水剂＞高量氮，各处理间差异显著。

无论是拔节期还是抽穗期，中量氮+保水剂处理的根系活力最高，说明该处理方式最适宜根系生长；高量氮处理的根系活力最差，说明当养分在根际周围聚集时不利于根系生长，使根系活力下降。每个处理抽穗期的根系活力均大于拔节期，说明为了满足生长发育的需要根系活力会随着玉米生长而有不同程度的提高。同一氮素水平下，添加保水剂能够明显提高根系活力。

图5 不同处理对不同生长时期玉米根系活力的影响

2.6 新型保水剂与氮肥互作对玉米过氧化物酶活性的影响

由图6可以看出，不同处理对不同生长时期玉米过氧化物酶活性的影响存在差异，但差异程度相对较小。拔节期和抽穗期，中量氮+保水剂处理的过氧化物酶活性均为最高，空白最低。拔节期次序为中量氮+保水剂＞中量氮＞高量氮＞高量氮+保水剂＞保水剂＞空白，中量氮+保水剂和中量氮处理之间的过氧化物酶活性差异显著，保水剂、高量氮+保水剂、高量氮处理之间差异不显著，高量氮+保水剂、保水剂、空白处理之间差异不显著；抽穗期次序为中量氮+保水剂＞中量氮、高量氮、高量氮+保水剂＞保水剂＞空白，中量氮、高量氮、高量氮+保水剂处理之间过氧化物酶活性差异不显著，三者显著高于保水剂、空白处理。

图6 不同处理对不同生长时期玉米 过氧化物酶活性的影响

单施保水剂和空白处理的过氧化物酶活性拔节期大于抽穗期，其它各处理均为抽穗期大于拔节期。同一氮素水平下，施用中量氮再施保水剂处理的过氧化物酶活性大于不施用保水剂，高量氮状况下则相反，说明施用适宜的氮素水平和保水剂会促进过氧化物酶活性的提升。

2.7 新型保水剂与氮肥互作对玉米硝酸还原酶活性的影响

由图7可以看出，不同处理对不同生长时期玉米硝酸还原酶活性的影响存在显著性差异。拔节期，中量氮+保水剂处理的硝酸还原酶活性最高，空白最低，次序为中量氮+保水剂＞高量氮+保水剂、高量氮＞中量氮＞保水剂＞空白，中量氮+保水剂与高量氮+保水剂、高量氮处理硝酸还原酶活性差异不显著，高量氮和中量氮处理之间差异显著，中量氮、保水剂、空白处理之间差异不显著；抽穗期，同样是中量氮+保水剂处理的硝酸还原酶活性最高，空白处理最低，次序为中量氮+保水剂＞中量氮＞高量氮+保水剂＞高量氮＞保水剂＞空白，中量氮+保水剂和中量氮处理的硝酸还原酶活性差异显著，中量氮和高量氮+保水剂处理之间差异不显著，高量氮+保水剂和高量氮处理之间差异不显著，高量氮和保水剂处理之间差异不显著，保水剂和空白处理之间差异显著。

各处理拔节期的硝酸还原酶活性均大于抽穗期。同一氮素水平下，添加保水剂的处理硝酸还原酶活性大于不添加保水剂处理，说明保水剂对硝酸还原酶活性有间接促进作用；同一保水剂水平下，中量氮处理的硝酸还原酶活性最高，说明适宜的氮素水平对硝酸还原酶活性的提升具有积极作用。

图7 不同处理对不同生长时期玉米 硝酸还原酶活性的影响

3 讨论

保水剂和氮肥的施用对玉米的生长发均有重要作用。氮素是影响作物生长发育最重要的因素之一，在适度范围内增施氮肥可促进玉米生长发育并提高玉米产量、品质和商品率。保水剂具有吸水、保水和保肥的功能，可改善土壤水分和养分环境，促进作物生长［20］。本研究通过盆栽试验分析比较不同保水剂和氮素水平互作对不同生长时期玉米各项生理生化指标影响的差异性。

徐刚等［21］研究发现，保水剂可以通过对水肥的调控而对作物的光合作用产生影响。杨永辉等［22］研究表明，施用保水剂和氮肥可有效调节叶片叶绿素含量、光合速率、胞间CO2浓度及蒸腾速率等参数，从而提高叶片水分利用效率；氮肥及其与保水剂配施，均可显著提高小麦灌浆期的光合速率和叶片水分利用效率，但施氮量过高光合速率和叶片水分利用效率有所降低。本试验通过比较玉米叶片叶绿素含量、净光合速率、胞间CO2浓度的测定值发现：拔节期，同一氮素水平下不施保水剂处理的叶片叶绿素含量要高于施用处理，而胞间CO2浓度则低于施用保水剂处理，另中量氮条件下不施保水剂处理的净光合速率更高，高量氮条件下施用保水剂处理更高；抽穗期，同一氮素水平下胞间CO2浓度施用保水剂处理更高，中量氮处理下叶绿素含量和净光合速率施用保水剂的数值更高，高量氮处理下不施用保水剂的数值更高。总体来看，拔节期施用保水剂对玉米的光合作用影响不大，而到了生长后期（抽穗期）保水剂的作用逐渐显现出来，并且中量氮对光合的促进作用更大，而高量氮下保水剂的作用较弱。同时还发现，生长前期（拔节期）同一氮素水平下，中量氮处理的蒸腾速率施用保水剂要高于不施用处理，高量氮处理相反；抽穗期中量氮、高量氮处理下施用保水剂蒸腾速率要高于不施用保水剂。但是无论是拔节期还是抽穗期，无论是否施用保水剂，中量氮处理的蒸腾速率都要高于高量氮处理。综上可以得出，保水剂和适量氮肥互作对玉米光合有促进作用，能够明显提高玉米的水分利用效率。

根系是玉米吸收养分的重要场所，其活力越强，养分吸收量就越多，且直接影响到玉米的生长发育和产量。苟春林等［18］研究表明，在相同灌水和供氮水平条件下，保水剂和不同氮肥配施均可显著提高玉米生物学产量，尤其是对根系发育有很大促进作用。本试验发现，中量氮+保水剂处理的根系活力最高，各处理间差异较显著，并且中量氮要大大高于高量氮处理；同一氮素水平下，施加保水剂的植株根系活力也高于不施保水剂。这说明高量氮处理会导致土壤渗透压太高、水势太低，根系吸水困难，所以中量氮条件更适宜根系生长。保水剂和适量氮肥互作对玉米根系活力的提高最有利。

过氧化物酶是植物膜系统内重要的保护酶，它可以避免由于干旱等逆境累积活性氧所造成的膜伤害［23］。本研究表明，中量氮+保水剂处理的过氧化物酶活性较高。同一氮素水平中量氮下施加保水剂处理的过氧化物酶活性要高于不施保水剂，高量氮处理则相反，说明保水剂和适量氮肥互作对过氧化物酶活性具有促进作用，使其清除活性氧能力增强。这与荣俊冬等［24］对麻竹的研究结果基本一致。

郭利伟［25］研究表明，尿素和保水剂耦合能够显著提高玉米穗位叶硝酸还原酶活性，促进籽粒氮素的积累。本试验，同一氮素水平下，施用保水剂的玉米硝酸还原酶活性要高于不施处理，且中量氮处理下活性最高。这说明保水剂和适量氮肥互作对硝酸还原酶活性有积极作用，能够促进作物的氮素吸收。

4 结论

从促进玉米生长和水氮资源高效利用的角度考虑，中量氮（0.326 g／kg）和保水剂（0.07 g／kg）互作为最优试验处理。适宜的氮肥用量和保水剂互作可不同程度地提高光合速率和水分利用率，从而提高植株的有机物质积累；同时能提高根系活力和对养分和水分的吸收，增强玉米在干旱条件下的抗逆性，提高肥料的利用率。