半干旱区水钾互作对春玉米氮代谢的影响

马襄鸿,曹国军,耿玉辉,张铭,任虹亲

半干旱区水钾互作对春玉米氮代谢的影响

马襄鸿,曹国军*,耿玉辉,张铭,任虹亲

吉林农业大学 资源与环境学院, 吉林 长春 130118

为研究水钾互作对春玉米氮代谢的影响，丰富水钾互作对春玉米氮代谢调控的理论，为春玉米节水、优质发展提供理论依据及实践指导。本文采用裂区试验设计，设置3个灌溉水平和3个钾素营养水平，通过测定氮代谢关键酶活性，探究水钾互作对春玉米氮代谢的影响。研究表明，在同一灌溉水平下，玉米氮代谢关键酶活性整体表现为K1＞K2＞K0，其中对谷氨酸合成酶活性影响最大，K1比K2、K0分别提高了7.80%和37.02%，在同一钾素营养水平下，玉米氮代谢关键酶活性表现为W3＞W2＞W1；其中W3条件下，可溶性蛋白提高最多，W3分别比W1、W2提高22.74%和8.49%。水钾互作对春玉米氮代谢关键酶活性表现出显著的交互作用。因此，氮代谢关键酶活性会随着灌溉水平升高而增强；在一定钾素水平内，氮代谢关键酶活性会随着钾素营养水平增加而增强，但过高的钾肥水平会抑制其活性；水钾互作会显著影响春玉米氮代谢强度。

春玉米; 水钾互作; 氮代谢

玉米是全球也是中国第一大作物，在保障国家粮食安全中具有重要地位[1]。碳氮代谢是作物基本的代谢[2]，可以为作物提供能量以及营养物质[3]，水肥供应对玉米生长和产量的形成具有显著的影响[4]。适宜的水分状况有利于养分的转化与吸收[5,6]。钾素是玉米生长必需的营养元素之一[7,8]。合理施用钾肥可显著提高玉米产量和钾素的吸收利用[9,10]。已有研究表明，合理的水肥管理能促进玉米的氮代谢[11]。在水分条件下增施氮肥对葡萄叶片氮代谢有促进作用[12]；减少灌水次数降低了冬小麦的可溶性蛋白、硝酸还原酶及可溶性糖等的活性[13]；增施氮肥可以提高玉米氮代谢关键酶硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性[14,15]；氮钾营养是影响番茄叶片碳氮代谢的主要因素[16]。以往研究证实了水分、养分及其互作对作物氮代谢具有重要的影响，但对于水钾互作对玉米氮代谢的研究相对较少，本研究旨在通过研究水钾互作对玉米氮代谢影响，进一步明确水钾互作对玉米氮代谢调控机制的认识，为半干旱区膜下滴灌春玉米节水优质的发展提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验于2020年、2021年在吉林省松原市乾安县赞字乡父字村试验基地进行，该地处吉林省西部半干旱地区，年均降水量420.6 mm，年均水面蒸发量1243.0 mm，陆地蒸发量为400.0 mm，蒸发强烈，降雨量较少。供试土壤为黑钙土，土壤pH为7.84，有机质含量为17.55 g/kg，全氮1.31 g/kg，碱解氮61.5 mg/kg，有效磷35.83 mg/kg，速效钾101.25 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用裂区试验设计，设灌溉定额和施钾量2个试验因素。主区灌溉定额设3个水平：W1（灌溉定额50 mm）、W2（灌溉定额150 mm）和W3（灌溉定额250 mm），副区设置3个钾素营养水平：K0（不施钾）、K1（施K2O 80 kg/hm2）和K2（施K2O 120 kg/hm2），两两交互，各处理重复3次，共27个试验小区，每个小区面积30 m2。供试玉米品种为“富民985”，种植密度8.0万/hm2，株间距19.2 cm，施肥采用25升压差式施肥罐，基肥用尿素、磷酸二铵、硫酸钾；水肥一体化用肥料为尿素、磷酸一铵（工业级）、氯化钾（工业级）。各处理灌溉定额需按比例分配，于玉米拔节期灌溉5%，玉米拔节期灌溉15%，玉米的喇叭口期和抽雄期灌溉30%，玉米的灌浆期灌溉20%。每次灌溉应依据玉米不同生育时期的降雨情况及土壤墒情确定，且需达到土壤相对含水量的下限。

1.3 取样方法与时期

分别于玉米拔节期、喇叭口期、抽雄期、灌浆期、乳熟期、腊熟期、完熟期，选取具有代表性植株4株，采集其功能性叶片(抽雄吐丝前选取植株上部完全展开的叶片，抽雄吐丝后取穗位叶)，用纱布擦净表面，放入液氮中速冻后，于-80 ℃冰箱中保存待测。

1.4 测定项目与方法

硝酸还原酶的测定：参照熊庆娥等[17]的方法

谷氨酸合成酶活性的测定: 参照郑朝峰等[18]的方法

谷氨酰胺合成酶活性的测定：参照邹琦[19]的方法

可溶性蛋白含量的测定：考马斯亮蓝法[20]

1.5 数据处理与分析

试验数据采用Microsoft Excel 2019和SPSS Statistics 22.0进行数据整理和数理统计分析。

2 结果与分析

2.1 水钾互作对春玉米硝酸还原酶活性的影响

由图1可知，玉米硝酸还原酶活性在整个生育时期呈现先增高后降低的单峰曲线变化。在灌溉水平一致时，各处理均表现为K1＞K2＞K0，且在W3灌溉水平时酶活性最高。在W3灌溉条件，K1较K0、K2处理分别高30.88%、3.31%。在施钾水平一致时，则表现为W3>W2>W1，且在K1施钾水平时酶活性达到最高。水钾互作对玉米叶片硝酸还原酶交互作用分析（表1）表明，水分和钾素都对酶活性有显著促进作用，但只有在玉米的灌浆期灌溉和钾素表现出显著交互作用。

图 1 不同生育时期玉米叶片硝酸还原酶活性变化

表 1 水钾互作对玉米叶片硝酸还原酶交互作用分析

注：表中数据代表值，数据后*表示处理间在< 0.05水平差异显著，*代表< 0.05。下同。

Note: the data in the table represents the value of F, the * after the data indicates that there is a significant difference at the level of< 0.05, and the * represents< 0.05. The same as follows.

2.2 水钾互作对春玉米谷氨酰胺合成酶活性的影响

如图2所示，玉米叶片谷氨酰胺合成酶总体表现出先增加后降低的趋势，在玉米抽雄期，酶活性达到峰值。在钾素一致条件下，酶活性表现为W3> W2> W1。在抽雄期，W1灌溉水平下，K1比K0、K2处理分别高出32.37%、7.85%，W2灌溉水平下，K1比K0、K2处理分别高出36.40%、11.86%，W3灌溉水平下，K1比K0、K2处理分别高出35.05%、8.73%，可见，当超过W2灌溉量时，钾对酶活性的影响效果略有降低。水钾互作对酶活性交互作用如表2所示，水钾互作在喇叭口期、抽雄期以及灌浆期表现出显著交互作用。

图 2 不同生育时期玉米叶片谷氨酰胺合成酶活性变化

表 2 水钾互作对玉米叶片谷氨酰胺合成酶交互作用分析

2.3 水钾互作对春玉米谷氨酸合成酶活性的影响

如图3所示，谷氨酸合成酶活性从拔节期开始增加，在玉米抽雄期到达峰值，然后开始下降至玉米完熟期达到最低。在相同灌溉条件下，酶活性随着施钾量增高而增强，但超过K1水平时，酶活性又有不同程度的降低，在W1条件下，K2较K1降低了10.47%，在W2条件下，K2较K1降低了8.60%，在W3条件下，K2较K1降低了9.13%；在相同施钾量条件下，酶活性随着灌溉量增加而增强，两年试验结果表现一致。如表3所示，灌溉与钾肥在玉米生长发育的各个时期均表现出显著作用，但只在玉米的喇叭口期和乳熟期水钾互作表现出显著交互作用。

图 3 不同生育时期玉米叶片谷氨酸合成酶活性变化

表 3 水钾互作对玉米叶片谷氨酸合成酶交互作用分析

2.4 水钾互作对春玉米功能性叶片可溶性蛋白含量的影响

图4可以看出，可溶性蛋白含量在玉米拔节期开始增加直至玉米的灌浆期达到峰值，而后在完熟期降到最低，在玉米生长发育的整个时期，在同一灌溉水平下，各处理均表现为K1水平时，可溶性蛋白含量达到较高水平，超过K1水平后，玉米叶片的可溶性蛋白含量有所降低；在同一施钾量，可溶性蛋白含量随灌溉量增加而逐渐升高，但W2灌溉水平和W3灌溉水平差异不显著，在K1条件下，W2处理较W3处理低4.47%。通过水钾互作对可溶性蛋白含量交互作用分析（表4）可知，在玉米的喇叭口期、腊熟期及完熟期，水钾互作表现出显著交互作用。

图 4 不同生育时期玉米叶片可溶性蛋白活性变化

表 4 水钾互作对玉米叶片可溶性蛋白交互作用分析

3 讨 论

此前已经有研究结果表明，滴灌条件下可以提高作物氮代谢活性和相关物质含量[23,24]，在玉米生育期内补水能促进玉米氮代谢[11]。本研究结果显示，灌溉能显著提高玉米氮代谢强度，随着灌溉量增加，玉米氮代谢相关酶活性随之增强。有研究表明施用氮肥可以直接影响小麦的氮代谢[25]，适宜氮、钾营养元素会促进作物氮代谢相关酶活性[27]。在本研究中，随着钾素水平增加，玉米氮代谢关键酶活性增强，玉米氮代谢强度增强，但超过一定钾水平后，玉米氮代谢强度又有所降低，这与前人研究结果一致[26]。此前研究表明，光氮互作条件下，能显著影响玉米的碳氮代谢[28]，在CO2浓度加倍条件下，水氮耦合能促进黄瓜叶片的氮代谢[29]。本研究也得到相同的结论，在本研究中水钾互作处理显著增强了玉米氮代谢强度，并且在玉米生长发育关键时期对玉米氮代谢表现出显著交互作用。

4 结 论

玉米氮代谢关键酶活性会随着灌溉水平升高而增强；在一定钾素营养水平下，氮代谢关键酶活性会随着钾素升高而增强，但过高的钾肥施用量会抑制氮代谢酶活性；水钾互作会显著促进春玉米氮代谢强度。因此，合理的灌水、适宜的钾肥施用及两者的互作配合，是促进春玉米氮代谢，保障春玉米高质量生产的有效途径。

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Effects of Water Potassium Interaction on Nitrogen Metabolism of Spring Maize in Semi-arid Area

MA Xiang-hong, CAO Guo-jun*, GENG Yu-hui, ZHANG Ming, REN Hong-qin

130118,

To study the effect of water potassium interaction on nitrogen metabolism of spring maize, enrich the theory of water potassium interaction on nitrogen metabolism regulation of spring maize, and provide theoretical basis and practical guidance for water-saving and high-quality development of spring maize. The split plot experimental design was used to set three irrigation levels and three potassium nutrition levels. The effects of water potassium interaction on nitrogen metabolism of spring maize were explored by measuring the activities of key enzymes of nitrogen metabolism. The results showed that under the same irrigation level, the overall activity of key enzymes of maize nitrogen metabolism was K1 > K2 > K0, which had the greatest impact on the activity of Glutamate Synthase. K1 increased by 7.80% and 37.02% respectively compared with K2 and K0. Under the same potassium nutrition level, the activity of key enzymes of maize nitrogen metabolism was W3 > W2 > W1; Under the condition of W3, the soluble protein increased the most, and W3 increased 22.74% and 8.49% compared with W1 and W2, respectively. The interaction of water and potassium showed significant interaction on the activities of key enzymes of nitrogen metabolism in spring maize. The activities of key enzymes of nitrogen metabolism will increase with the increase of irrigation level; Within a certain potassium level, the activity of key enzymes of nitrogen metabolism will increase with the increase of potassium nutrition level, but too high potassium level will inhibit its activity; The interaction of water and potassium could significantly affect the intensity of nitrogen metabolism in spring maize.

Spring corn; water potassium interaction; Nitrogen metabolism

S513

A

1000-2324(2022)01-0046-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.01.008

2021-11-12

2021-12-08

国家重点研发计划项目(2017YFD0201505);国家重点研发计划项目(2018YFD0300203)

马襄鸿(1997-),男,硕士研究生,研究方向:植物营养调控. E-mail:maxianghong1997@163.com

Authorfor correspondence. E-mail:cgj72@126.com