膜下滴灌灌水定额对天津滨海盐碱地玉米植株阳离子含量的影响研究

尹林萍，周青云，张宝忠，马 波，王 航

（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）

土壤盐碱化已经成为全球性的难题，制约着各国农业可持续发展。中国盐碱地分布范围广，由于灌溉不当造成全国土地盐碱化现象日益加剧，农业生产受到不同程度的影响。天津市地处华北平原北部，东临渤海，受特殊气候和水文地质的影响，已约有2/5 的土地盐碱化，主要分布在渤海湾的滨海地区，土壤含盐量大，严重制约天津的农业发展，故提高天津滨海盐碱地区土地资源利用效率，对于改善生态环境、粮食安全及推动本地经济可持续发展具有重要意义。膜下滴灌能够较好的改善盐碱地土壤环境，提高作物产量，朱拥军等［1］、戈鹏飞等［2］、齐广平等［3］、张志等［4］通过对不同地区的盐碱地研究发现，膜下滴灌技术能有效地降低土壤盐分，滴灌下方土壤的盐度最低，且灌水量越大，土壤脱盐效果越好；侯琨［5］、杨宏伟等［6］、唐光木等［7］对膜下滴灌玉米生长的研究结果表明，一定范围内增加灌水量能较好地淋洗玉米根部土壤盐分，有利于玉米健康生长，提高产量。盐碱胁迫主要是通过渗透胁迫和离子胁迫两方面影响作物生长，刘帆等［8］通过对天津盐碱地的研究结果发现，滴灌条件下，增加灌水量可降低玉米体内的Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量；李树华［9］对比宁夏地区2 种盐浓度土壤春小麦生育期内各器官的K+、Na+含量，发现植株体内的K+、Na+含量随盐浓度升高而增加。目前研究主要集中在膜下滴灌技术对新疆、内蒙等其他地区盐碱地土壤盐分的影响，对天津地区研究较少，尤其对于天津滨海地区自然盐分土壤状态下覆膜滴灌对玉米体内阳离子变化的研究较少，因此，本文通过研究滨海地区不同灌水定额处理下玉米体内盐离子的变化，揭示膜下滴灌条件下，滨海盐碱地玉米体内Na+、K+、Ca2+、Mg2+的分布规律，为滨海盐碱地的灌溉制度提供依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于天津市津南区葛沽镇（117° 14′32″E～117°33′10″E，38°50′02″N～39°04′32″N），属于暖温带半湿润季风型大陆气候，多年平均相对湿度为64%，多年平均降水量为556.4 mm，降水多集中在6-8月份，多年平均气温为11.9 ℃，多年平均无霜降206 d。试验区土壤主要分为潮土和黑砂土，0～80 cm 为黄色壤土，80～100 cm 为黑色砂土，还有一部分是蚌螺贝克土，质属盐碱，试验区面积为465 m2（50.0 m×9.3 m）。试验前土壤0～60 cm土层中Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量如表1所示。

表1 试验前土壤0～60 cm土层中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 试验设计

试验材料为玉米（郑丹958），试验时间为2018年5-9月，株距和行距分别为30、60 cm。采用一膜两管两行的种植方式，膜宽80 cm，滴灌带间距为60 cm，滴头间距30 cm，工作压力0.1 MPa，滴头流量1.38 L/h，灌溉水源为地下水。根据农户经验及天津作物灌水标准，试验设置两种不同灌水量处理以FI10、FI20表示，每个处理3 次重复，其中FI10灌水定额为10 mm，FI20灌水定额为20 mm。田间试验设置如图1所示，玉米全生育期内灌水时间如表2所示。

图1 试验设置图Fig.1 Test setup diagram

表2 玉米全生育期内灌水时间 mmTab.2 Water irrigation time during the whole growth period of maize

1.3 测定项目与方法

（1）土壤样品采集与离子含量测定。采用土钻法分层（0～20、20～40、40～60 cm）取样，取样点为各处理行向15 cm、行向30 cm、株向7.5 cm和株向15 cm处。将土样自然风干后过1 mm筛，取过筛后风干土按水土5∶1 制备待测样品溶液。采用火焰分光光度计（FP 640）法测定Na+含量、K+含量；采用EDTA 滴定法测定Ca2+含量、Mg2+含量。

（2）玉米样品采集与离子含量测定。以6月11日、6月23日、8月5日、8月22日，即苗期、拔节期、抽穗期、成熟期为取样日期，每个处理分别取6株长势均匀的玉米，用清水将根、茎、叶分开洗净，杀青烘干至恒重，粉碎后过50目筛，将0.5 g粉末与8 mL 硝酸-高氯酸（3∶1）混合液置于250 mL 锥形瓶中进行消解，待溶液冷却，用5 mL 去离子水配制的0.5%稀硝酸溶解式样并定容至25 mL容量瓶中作为待测样品溶液。采用火焰原子吸收分光光度法测定（AA-6300C）玉米根、茎和叶中Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2016 对数据进行处理，Origin 9.0 软件进行绘图，LSD法比较数据之间的差异性。

玉米根系对土壤中离子的吸收选择系数计算公式为：

玉米根、茎、叶对离子的运输选择系数计算公式为：

式中：［X+］表示其他阳离子含量；［Na+］表示Na+含量［10］。

离子量计算公式如下：

式中：M为离子量，g/株；ω为离子含量，g/kg；m为干物质量，g/株。

2 结果与分析

2.1 灌水定额对玉米植株阳离子含量的影响

2.1.1 对玉米植株Na+含量的影响

由表3可知，2 种灌水处理下的玉米根部Na+含量均高于茎和叶，受灌水的影响，拔节期、抽穗期和成熟期玉米根部Na+含量差异显著，苗期和拔节期玉米茎中Na+含量差异显著，生育期内玉米叶中Na+含量无明显差异，拔节期至成熟期FI10处理玉米根、茎和叶中Na+含量均高于FI20处理，说明玉米体内Na+含量随灌水定额的增加而逐渐降低。FI10处理拔节期玉米根、叶和抽穗期茎中Na+含量达到最大值，分别为8.82、0.84 和1.39 g/kg，FI20处理苗期根、茎和拔节期叶中Na+含量达到最大值，分别为7.33、0.62 和0.72 g/kg，且拔节期玉米茎和叶中Na+含量受灌水影响降低幅度最大，抽穗期和成熟期玉米体内Na+含量降低幅度均为根＞茎＞叶。

表3 灌水定额对玉米根、茎、叶中Na+含量的影响Tab.3 Effect of irrigation quota on the content of Na+in root，stem and leaf of maize

2.1.2 对玉米植株K+含量的影响

表4可知，2 种灌水处理下玉米茎和叶中K+含量均高于根部，受灌水的影响，生育期内玉米根和茎中K+含量均存在差异，而叶中K+含量无明显差异。苗期、拔节期和成熟期FI20处理玉米根、茎和叶中K+含量均高于FI10处理，说明玉米体内K+含量随灌水定额的增加而升高，FI10处理苗期根、茎和拔节期叶中K+含量达到最大值，分别为25.58、46.53 和30.55 g/kg，FI20处理苗期根、茎和叶中K+含量达到最大值，分别为29.49、55.64和33.19 g/kg。苗期和成熟期玉米体内K+含量随灌水定额增加而升高的幅度为茎＞根＞叶，拔节期和抽穗期升高幅度为根＞茎。

表4 灌水定额对玉米根、茎、叶中K+含量的影响Tab.4 Effect of irrigation quota on the content of K+in root，stem and leaf of maize

2.1.3 对玉米植株Ca2+含量的影响

由表5可以看出，受灌水影响，生育期内玉米根部Ca2+含量存在差异，苗期、拔节期和抽穗期玉米茎中Ca2+含量存在差异，叶中Ca2+含量无明显差异，2种灌水处理下，生育期内玉米根、茎和叶中Ca2+含量变化规律不一致。生育期内，FI10处理下的玉米根中Ca2+含量变化规律为“降低-升高-降低”，与FI20处理变化规律相反，FI10处理下茎中Ca2+含量呈下降趋势，而FI20处理则呈“升高-降低”规律，与其根变化一致，2 种灌水处理下叶中Ca2+含量均呈上升趋势。FI10处理苗期玉米根、茎和成熟期叶中Ca2+含量达到最大值，分别为4.71、2.49 和4.85 g/kg，FI20处理玉米根、茎和叶中Ca2+含量分别在抽穗期、拔节期和成熟期达最大值：6.08、2.60 和4.79 g/kg，对比发现苗期和成熟期玉米茎和叶中Ca2+含量随灌水定额的增加而降低。

表5 灌水定额对玉米根、茎、叶中Ca2+含量的影响Tab.5 Effect of irrigation quota on the content of Ca2+in root，stem and leaf of maize

2.1.4 对玉米植株Mg2+含量的影响

表6可以看出，2 种灌水处理下，生育期内叶中Mg2+含量差异显著，抽穗期玉米根和茎中Mg2+含量出现差异。生育期内，2种灌水处理下玉米茎中Mg2+含量均为“降低-升高-降低”，叶中Mg2+含量均为“降低-升高”规律，且FI10处理和FI20处理苗期茎中Mg2+含量达最大分别为3.80 和3.90 g/kg，成熟期叶中Mg2+含量达最大值分别为4.92 和4.34 g/kg，说明苗期的茎和成熟期的叶中Mg2+含量随灌水定额增加而升高，FI10处理和FI20处理玉米根中Mg2+含量变化规律分别为“降低-升高”和“降低-升高-降低”，FI10处理苗期根中Mg2+含量最高为3.38 g/kg，而FI20处理的根中Mg2+含量抽穗期值最大为4.51 g/kg。

表6 灌水定额对玉米根、茎、叶中Mg2+含量的影响Tab.6 Effect of irrigation quota on the content of Mg2+in root，stem and leaf of maize

2.2 灌水定额对玉米植株阳离子质量的影响

灌水定额对玉米根、茎和叶干物质量的影响如表7所示，FI10处理玉米根、茎和叶的干物质量均低于FI20处理。

表7 灌水定额对玉米根、茎、叶干物质量的影响 g/株Tab.7 Effect of irrigation quota on dry matter quality of maize

2.2.1 对玉米植株Na+质量的影响

由图2（a）所示，2种灌水处理下玉米体内Na+质量排列顺序均为根＞茎＞叶，根、茎、叶中Na+质量均呈上升趋势，且FI10处理和FI20处理成熟期玉米体内Na+质量最高分别为0.42 g/株和0.39 g/株。FI20处理苗期至抽穗期玉米体内Na+质量均高于FI10处理，说明高额灌水通过降低体内Na+含量促进干物质积累，同时增加了玉米植株Na+质量。

2.2.2 对玉米植株K+质量的影响

由图2（b）所示，2 种灌水处理下玉米根和茎中K+质量呈上升趋势，叶中K+质量呈波浪形规律，生育期内FI10处理玉米体内K+质量均低于FI20处理。生育期内FI10处理玉米根部K+质量高于FI20处理，而FI10处理茎中K+质量则低于FI20处理，说明高额灌水将根部较多的营养转移到茎，使茎积累较多的K+，苗期至抽穗期FI10处理玉米叶中K+质量低于FI20处理，说明叶中K+质量随灌水定额的增加而升高。

2.2.3 对玉米植株Ca2+质量的影响

由图2（c）所示，生育期内玉米根、茎和叶中Ca2+质量均为逐渐升高，FI10处理根部Ca2+质量高于FI20处理（除拔节期），生育期内FI10处理茎和叶中Ca2+质量均低于FI20处理，与根部Ca2+质量变化相反，说明提高灌水定额利于茎和叶对Ca2+的吸收，从而促进玉米营养生长，2种灌水处理下玉米植株在成熟期Ca2+质量均达到最高且相近，分别为0.45和0.40 g/株，说明不同灌水定额影响玉米根、茎和叶中Ca2+质量分布，但对整株玉米Ca2+质量影响较小。

2.2.4 对玉米植株Mg2+质量的影响

由图2（d）所示，FI20处理苗期和拔节期根中Mg2+质量均高于FI10处理，在抽穗期和成熟期则均低于FI10处理；FI20处理苗期至抽穗期茎和叶中Mg2+质量均高于FI10处理，但成熟期则低于FI10处理，说明高额灌水处理利于茎和叶在抽穗期以前吸收养分提高干物质量，从而导致Mg2+质量有所增加；FI20处理苗期至抽穗期玉米体内Mg2+质量均高于FI10处理，说明营养生长阶段提高灌水定额利于玉米积累更多干物质，从而导致Mg2+质量增加。

图2 灌水定额对玉米根、茎、叶中阳离子质量影响Fig.2 Effect of irrigation quota on the ion quality in root，stem and leaf of maize

2.3 灌水定额对玉米植株阳离子的吸收与运输选择性的影响

2.3.1 对玉米植株阳离子的吸收选择性的影响

RS 反映了玉米根部对土壤中K+、Ca2+和Mg2+吸收选择性，RS值越大，玉米对K+、Ca2+和Mg2+的吸收选择能力越高。图3所示，生育期内玉米根的RSK，Na和RSMg，Na值均高于RSCa，Na的值，说明玉米根对K+和Mg2+的吸收选择能力强于Ca2+。FI20处理苗期、拔节期和成熟期玉米RSK，Na和RSMg，Na值均大于FI10处理，说明玉米根部对K+和Mg2+的吸收选择能力随灌水定额的增加逐渐增强，FI20处理拔节期、成熟期玉米根部的RSCa，Na值大于FI10处理，说明拔节期和成熟期玉米根部对Ca2+的吸收选择能力随灌水定额的增加而逐渐增加，且拔节期玉米根部对Ca2+的吸收选择能力最大。

2.3.2 对玉米植株阳离子的运输选择性的影响

TS反映了玉米根向地上部分对K+、Ca2+和Mg2+运输选择性，TS 值越大，玉米对K+、Ca2+和Mg2+的运输选择能力越强。由图3所示，2 种灌水处理下，根向茎的TSK，Na、TSMg，Na、TSCa，Na值均随生育期逐渐减小，说明随玉米的生长对K+、Ca2+和Mg2+运输选择能力逐渐降低，2 种灌水处理下玉米根向茎的运输选择性系数的值均表现为TSK，Na＞TSMg，Na＞TSCa，Na，说明玉米抑制Na+向地上部分运输主要是通过吸收更多的K+。FI20处理苗期、抽穗期根向茎的TSMg，Na和TSCa，Na值高于FI10处理，说明TSMg，Na和TSCa，Na随灌水定额的增加而增加，苗期至抽穗期，FI20处理根向茎TSK，Na值低于FI10处理，说明根部较高含量的Na+抑制K+向茎的运输。

图3 灌水定额对离子吸收（RS）与运输（TS）选择性的变化Fig.3 Change of irrigation quota on selectivity of ion absorption（RS）and transport（TS）

2种灌水处理下玉米茎向叶对K+、Ca2+和Mg2+的运输选择能力表现为TSCa，Na＞TSMg，Na＞TSK，Na，茎向叶的TSMg，Na和TSCa，Na值随玉米生长逐渐升高，TSK，Na值逐渐降低（图3所示）。苗期FI20处理玉米茎向叶的TSK，Na、TSMg，Na和TSCa，Na值大于FI10处理，拔节期至成熟期FI20处理玉米茎向叶的TSK，Na、TSMg，Na、TSCa，Na值均小于FI10处理，说明玉米生长过程中茎向叶对K+、Ca2+和Mg2+的运输选择能力随灌水定额的增加而逐渐降低。FI10处理下成熟期TSCa，Na值最大为5.38，说明玉米通过茎向叶运输大量的Ca2+来抑制Na+对叶片的危害。

3 讨 论

盐胁迫对作物生长有明显的抑制作用，一般情况下，玉米幼苗具有较高的耐盐性。李峰等［11］人研究表明，作物受盐分胁迫时，最先受到影响的是根部，通过根的适应以调整植株对胁迫环境的适应能力。高浓度的盐离子改变植物膜结构和功能，从而导致细胞内积累过量的Na+［13］。本文通过分析天津滨海盐碱地膜下滴灌玉米植株阳离子含量的变化，发现高灌水定额处理下玉米体内Na+含量较低，K+含量相对较高，更有利于玉米干物质量的积累，但灌水定额对玉米体内Ca2+和Mg2+含量影响较小。随灌水定额增加，玉米根部Na+含量逐渐降低，高额灌水加大对土壤盐离子淋洗程度从而导致玉米吸收较少Na+［14］，鲍怀宁［15］在甘肃地区的研究和赵波等［16］在新疆地区的研究均说明提高灌水定额利于加大对土壤盐分的淋洗效果，与本文研究结果一致，根部K+含量与Na+含量变化趋势相反，由于K+和Na+存在拮抗作用，故灌水定额增加，根部Na+含量逐渐降低，K+含量逐渐升高；苗期和抽穗期根部Ca2+和Mg2+含量均随灌水定额增加而降低，由于小额灌水对玉米根部周围生长环境的Na+淋洗较弱，根部较高的Na+含量显著降低Ca2+和Mg2+的离子活度。玉米根部Na+、K+、Ca2+和Mg2+质量与其对应的离子含量变化规律不同，根部K+、Ca2+和Mg2+质量随灌水定额增加逐渐降低，而Na+则相反，低灌水定额时根部Na+含量较高，抑制玉米根的生长，导致根部干物质量较小，造成根部Na+质量较低。

2种处理下玉米茎和叶中的Na+含量均低于根部，玉米将大量的Na+截留于根中，从而减少其对地上部的干扰［17］。2种处理下玉米茎和叶中K+、Ca2+和Mg2+含量均高于Na+含量，玉米作为耐盐植物对K+、Ca2+和Mg2+选择性吸收高于对Na+的吸收。K+作为盐碱地作物耐盐的关键因素［18］，较高的K+含量有利于玉米正常生长，促进干物质量积累，与本研究结果一致。由于K+最易移动，故K+向作物上部运输的能力较强，与李欣卫等［19］对南瓜幼苗离子含量和李旭等［17］对小麦幼苗的研究结果一致，K+主要在茎中积累，与赵旭［18］研究结果一致。叶与根和茎相比生长较旺盛，需要吸收大量养分进行光合作用，Ca2+和Mg2+随蒸腾作用向叶片运输能力较强，故叶中Ca2+和Mg2+含量高于根和茎［19］。玉米茎中Na+质量随灌水定额增加而降低，叶中Na+质量受灌水定额影响变化不明显，茎、叶中K+、Ca2+和Mg2+质量与其对应的离子含量变化规律一致，均随灌水定额增加而升高，高额灌水促进玉米植株对K+、Ca2+和Mg2+的吸收，利于作物干物质积累，从而提高茎、叶中K+、Ca2+和Mg2+质量，增强耐盐性。

4 结 语

本文通过对天津滨海地区膜下玉米根、茎和叶中阳离子含量的测定，研究灌水定额对玉米根、茎和叶中离子含量及离子质量的影响，分析不同生育期玉米体内阳离子变化情况，得出以下结论。

（1）玉米根、茎和叶中Na+含量随着灌水定额增加而降低，2种处理下玉米体内Na+含量表现为根＞茎＞叶，其中FI10处理拔节期根部Na+含量最高，为8.82 g/kg，Na+质量表现形式与其含量一致。

（2）FI20处理下玉米根、茎和叶内K+、Ca2+和Mg2+含量均较高，其中K+含量最高，苗期茎中K+含量达到最大，为55.64 g/kg；FI10处理苗期根部Ca2+含量达到最大，为4.71 g/kg；FI10处理成熟期叶中Mg2+含量达到最大，为4.92 g/kg。玉米成熟期以前，其根、茎和叶中K+、Ca2+和Mg2+质量随灌水定额的增加而升高。

（3）膜下不同灌水处理玉米根对K+和Mg2+的吸收选择能力均强于Ca2+，拔节期和成熟期玉米根对K+、Ca2+和Mg2+的吸收选择能力随灌水定额的增加而升高；不同灌水处理下根向茎的离子运输过程中均表现为TSK，Na＞TSMg，Na＞TSCa，Na，主要通过K+抑制Na+的运输；不同灌水处理下茎向叶的离子运输过程中均表现为TSCa，Na＞TSMg，Na＞TSK，Na，主要是通过Ca2+抑制Na+的运输。 □