新型保水劑與氮肥互作對玉米生理特性的影響

李明蔚，崔晨暉，夏竹青，胡昌芹，姜澳生，張振玉，劉樹堂

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266109）

玉米在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，繼水稻和小麥之后居我國糧食作物產(chǎn)量第3位，對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展有巨大影響［1］。玉米產(chǎn)量高、用途廣、種類多、分布廣泛，不僅是重要的糧食作物，還是高效經(jīng)濟(jì)作物［2］。就我國目前對玉米的需求看，今后很長一段時(shí)間內(nèi)還有很大缺口，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了需求，因此必須大力促進(jìn)玉米生產(chǎn)、提高產(chǎn)量［3］。

制約玉米產(chǎn)量的因素很多，其中肥水即為重要因素。不合理施肥，會(huì)造成肥料利用率不高、資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，還會(huì)提高玉米的空稈率、降低粒重。玉米開花期需水量大，若遇干旱或者灌溉不及時(shí)會(huì)導(dǎo)致田間持水量低，造成花粉少、發(fā)育延緩、無法正常授粉，也會(huì)增加玉米空稈率［4］。我國華北（半干旱）地區(qū)全年降水量少且時(shí)間分布不均衡，干旱頻發(fā)，同時(shí)土壤保水保肥性能差，嚴(yán)重制約著玉米產(chǎn)量的提升［5］。因此研究玉米的水肥高效利用具有重要意義。

應(yīng)用保水劑是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中保水節(jié)肥的一項(xiàng)重要措施，能夠提高作物的水分利用率和抗旱性［6，7］。研究者預(yù)言，繼化肥、農(nóng)藥、塑料薄膜之后保水劑將成為第四大農(nóng)用化學(xué)品［8］。保水劑是一系列高吸水性樹脂，它能吸收高于自身幾百倍到幾千倍的水，并且能夠重復(fù)吸釋土壤中的水分供植物生長利用［9］，同時(shí)還能夠改善土壤的物理特性，促進(jìn)種子萌發(fā)、提高存活率，降低灌溉需求［10，11］。

適量施氮能明顯提高作物產(chǎn)量和水肥利用率，促進(jìn)作物的光合作用。加入肥料后，保水劑的吸水率會(huì)因加入較低濃度的電解質(zhì)肥料而顯著降低［12-14］；另一方面，肥料可以被吸入保水劑分子網(wǎng)狀交聯(lián)的結(jié)構(gòu)空間內(nèi)，隨時(shí)間的延長緩慢釋放，從而提高肥料利用率，也對土壤養(yǎng)分有明顯的保蓄作用［15］。因此，保水劑在吸水的同時(shí)也會(huì)吸持肥料和土壤中的養(yǎng)分分子或離子，能夠防止養(yǎng)分流失，起到保肥蓄水的作用［16，17］。與氮肥配施后，保水劑一定程度上能夠?qū)⑹┤胗衩赘H周圍的水肥進(jìn)行調(diào)控，使玉米的水肥利用率明顯提高，減少肥料損失，改善玉米受到干旱脅迫時(shí)的水肥條件，促進(jìn)生長同時(shí)減少引起面源污染的可能性［18，19］。因此，研究保水劑與氮肥互作對玉米生長的影響對旱作條件下節(jié)水增產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

本試驗(yàn)根據(jù)華北（半干旱）地區(qū)夏玉米種植特點(diǎn)，采用盆栽法，研究不同保水劑和氮肥互作對玉米生長形態(tài)、酶活性和抗逆性的影響，以期為玉米抗旱節(jié)水和水氮高效利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2018年7—10月在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)日光溫室內(nèi)完成。供試玉米品種：鄭單958。試驗(yàn)設(shè)保水劑和氮肥2個(gè)因素，其中保水劑設(shè)2個(gè)水平，即每千克干土分別施0、0.07 g；氮素設(shè)3個(gè)水平，即每千克干土分別施0（不施氮）、0.326 g（中量氮）、0.652 g（高量氮）。以不施保水劑和氮肥為對照，共設(shè)置6個(gè)處理，重復(fù)6次。

保水劑：本課題組研制。氮肥用尿素（N≥46%），磷肥用過磷酸鈣（P2O5≥18%），鉀肥用氯化鉀（K2O≥60%）。磷鉀肥全部作基肥，每千克干土分別施1.34、0.172 g。塑料盆規(guī)格：高23 cm，上口直徑29 cm。每盆裝風(fēng)干土3.5 kg。裝盆時(shí)先把保水劑與少量細(xì)土混勻，再與其余土壤混合，最后再將氮磷鉀肥混合施入。每盆播4粒發(fā)芽種子，留長勢均勻苗2株。為體現(xiàn)保水劑的作用，要對水分進(jìn)行控制，每次每盆澆水250 mL。

1.2 植物樣品采集與測定

玉米生理生化指標(biāo)測定時(shí)間與樣品采集：拔節(jié)期取植株最上部第一片完全展開葉，抽穗期選取穗位葉。

1.2.1 葉綠素含量測定 用KONICA MINOLTA SPAD-502便攜式葉綠素儀測定葉綠素SPAD值，讀數(shù)3次，取平均值。

1.2.2 光合特性測定 用American li6400便攜式光合作用分析器從上午9時(shí)到11時(shí)選擇晴朗無風(fēng)天氣測定凈光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）。

1.2.3 過氧化物酶測定 稱取材料0.2000 g于研缽中，加入0.1 mo1／L磷酸緩沖液（pH 7.0）6 mL，研磨成勻漿、過濾，以8 000 r／min離心15 min，上清液為酶提取液。向1mL 0.3%愈創(chuàng)木酚反應(yīng)液中加磷酸緩沖液0.8 mL、0.1 mo1／L過氧化氫2 mL，最后加酶液200μL搖勻，立即用分光光度計(jì)于波長470 nm處測吸光度。從加入酶液起立即開啟秒表記錄時(shí)間，以每分鐘吸光度變化0.01為一個(gè)酶活力單位，1 min讀數(shù)1次。根據(jù)計(jì)算公式求得過氧化氫酶含量。

1.2.4 硝酸還原酶測定 采用磺胺比色法。稱取剪碎新鮮葉片0.5000 g于硬質(zhì)試管中，加入0.1 mol／L磷酸緩沖液5 mL和0.2 mol／L KNO3溶液5 mL并置于真空干燥器中，抽氣10 min后將試管置于30℃溫箱中保溫30 min，之后分別取溶液1 mL分別加入磺胺2 mL、α-奈氨2 mL，搖勻靜置30 min，在520 nm處比色。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線和計(jì)算公式求得硝酸還原酶含量。

1.2.5 根系活力測定 將地下部沖洗干凈，用吸水紙擦干，稱取根尖樣品0.5000 g，放入燒杯中，加入0.4%TTC溶液和磷酸緩沖液的等量混合液10 mL，使根充分浸沒在溶液內(nèi)，在37℃下暗保溫1～3 h，此后加入1 mol／L硫酸2 mL，以停止反應(yīng)（與此同時(shí)做一空白試驗(yàn)，先加硫酸，再加根樣品，其它操作同上）。取出根，吸干水分后，與3～4 mL乙酸乙酯和少量石英砂一起在研缽內(nèi)磨碎，以提取甲月替。紅色提取液移入試管，并用少量乙酸乙酯把殘?jiān)礈於危砸迫朐嚬?，最后加乙酸乙酯使總量?0 mL，用分光光度計(jì)在波長485 nm處比色，以空白試驗(yàn)作對照測出吸光度。之后查標(biāo)準(zhǔn)曲線，即可求出四氮唑還原量。以四氮唑還原強(qiáng)度代表根系活力，然后將兩個(gè)時(shí)期6組處理的指標(biāo)進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證保水劑與氮肥互作對玉米生長的效應(yīng)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理和制圖，用DPS 2005軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 新型保水劑與氮肥互作對玉米葉綠素含量的影響

由圖1可以看出，不同處理方式對不同生長時(shí)期玉米葉綠素含量的影響差異顯著。拔節(jié)期，中量氮處理的葉綠素含量最高，空白最低，次序?yàn)橹辛康靖吡康局辛康?保水劑＞高量氮+保水劑＞保水劑＞空白，各處理間差異顯著。抽穗期，中量氮+保水劑處理的葉綠素含量最高，保水劑組最低，次序?yàn)橹辛康?保水劑＞中量氮＞高量氮＞高量氮+保水劑＞空白＞保水劑，各處理間差異顯著。

空白和只施用保水劑處理下玉米拔節(jié)期的葉綠素含量高于抽穗期，而其它處理下抽穗期高于拔節(jié)期，說明空白和只施用保水劑處理抽穗期營養(yǎng)缺乏，生長不良。無論是拔節(jié)期還是抽穗期，無論是否施用保水劑，施用中量氮的葉綠素含量都高于高量氮。

綜上說明，施用保水劑能夠?qū)Φ氐尼尫牌鹁忈屪饔茫喊喂?jié)期不施保水劑情況下氮素釋放速度快，葉綠素含量高；抽穗期施保水劑處理氮素逐漸釋放，可以提高氮肥利用率，氮素供應(yīng)充足，葉綠素含量高于拔節(jié)期。

圖1 不同處理對不同生長時(shí)期玉米 葉綠素含量的影響

2.2 新型保水劑與氮肥互作對玉米凈光合速率的影響

由圖2可以看出，不同處理對不同生長時(shí)期玉米凈光合速率的影響差異顯著。拔節(jié)期，保水劑處理的凈光合速率最高，高量氮處理最低，次序?yàn)楸Ｋ畡街辛康局辛康?保水劑＞空白＞高量氮+保水劑＞高量氮，保水劑和中量氮處理差異不顯著，其它處理之間差異顯著。抽穗期，高量氮處理的凈光合速率最高，保水劑處理最低，次序?yàn)楦吡康局辛康?保水劑＞高量氮+保水劑＞中量氮＞空白＞保水劑，各處理間差異顯著。

高量氮、中量氮+保水劑、高量氮+保水劑處理下抽穗期的凈光合速率高于拔節(jié)期，而其它處理拔節(jié)期高于抽穗期，說明抽穗期供氮充足下凈光合作用更強(qiáng)。拔節(jié)期高量氮處理的玉米凈光合速率最低，主要是由于拔節(jié)期該處理的玉米生長狀況不良，植株瘦弱矮小，但葉色濃綠，氮素過量出現(xiàn)缺磷癥狀，影響生長，抑制植株的凈光合作用，到抽穗期生長狀況得到明顯改善后，凈光合速率也得到明顯提升。

圖2 不同處理對不同生長時(shí)期玉米 凈光合速率（Pn）的影響

2.3 新型保水劑與氮肥互作對玉米胞間CO2濃度的影響

由圖3可以看出，不同處理方式對不同生長時(shí)期玉米胞間CO2濃度的影響差異顯著。拔節(jié)期和抽穗期，中量氮+保水劑處理的胞間CO2濃度最高，空白最低，次序?yàn)橹辛康?保水劑＞高量氮+保水劑＞中量氮＞高量氮＞保水劑＞空白。拔節(jié)期中量氮和高量氮處理差異不顯著，其它處理之間差異顯著；抽穗期各處理間差異顯著。

空白和保水劑處理下拔節(jié)期的胞間CO2濃度高于抽穗期，而其它處理抽穗期高于拔節(jié)期，說明抽穗期空白和單施保水劑處理玉米生長不良，光合作用較弱。相同保水劑條件下，中量氮處理更利于光合作用；相同氮素水平下，添加保水劑處理的玉米胞間CO2濃度大于不施保水劑，可見保水劑能夠提高玉米水肥利用率，增加胞間CO2濃度，促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)的積累。

圖3 不同處理對不同生長時(shí)期玉米胞間CO2濃度（Ci）的影響

2.4 新型保水劑與氮肥互作對玉米蒸騰速率的影響

由圖4可以看出，不同處理對不同生長時(shí)期玉米蒸騰速率的影響存在顯著性差異。拔節(jié)期，中量氮+保水劑處理的蒸騰速率最高，空白最低，次序?yàn)橹辛康?保水劑＞中量氮＞高量氮＞高量氮+保水劑＞保水劑＞空白，中量氮+保水劑和中量氮處理差異不顯著，中量氮、高量氮、高量氮+保水劑、保水劑、空白各處理之間差異均不顯著。抽穗期，中量氮+保水劑處理的蒸騰速率最高，空白最低，次序?yàn)橹辛康?保水劑＞中量氮＞高量氮+保水劑＞高量氮＞保水劑＞空白，各處理間差異顯著。

中量氮、中量氮+保水劑、高量氮+保水劑處理下抽穗期的蒸騰速率高于拔節(jié)期，而其它處理拔節(jié)期高于抽穗期。相同保水劑條件下，中量氮處理的蒸騰速率大于高量氮，說明適宜的氮素水平更有利于蒸騰作用。抽穗期，相同氮素水平下，添加保水劑的蒸騰速率要大于不施處理，可見保水劑的添加對玉米抽穗期的蒸騰作用具有積極作用。

圖4 不同處理對不同生長時(shí)期玉米蒸騰速率（Tr）的影響

2.5 新型保水劑與氮肥互作對玉米根系活力的影響

由圖5可以看出，不同處理對不同生長時(shí)期玉米根系活力的影響存在顯著性差異。拔節(jié)期，中量氮+保水劑處理的根系活力最高，高量氮最低，次序?yàn)橹辛康?保水劑＞空白、保水劑＞中量氮＞高量氮+保水劑＞高量氮，空白和保水劑處理差異不顯著，高量氮+保水劑和高量氮處理差異不顯著。抽穗期，同樣也是中量氮+保水劑處理的根系活力最高，高量氮最低，次序?yàn)橹辛康?保水劑＞保水劑＞空白＞中量氮＞高量氮+保水劑＞高量氮，各處理間差異顯著。

無論是拔節(jié)期還是抽穗期，中量氮+保水劑處理的根系活力最高，說明該處理方式最適宜根系生長；高量氮處理的根系活力最差，說明當(dāng)養(yǎng)分在根際周圍聚集時(shí)不利于根系生長，使根系活力下降。每個(gè)處理抽穗期的根系活力均大于拔節(jié)期，說明為了滿足生長發(fā)育的需要根系活力會(huì)隨著玉米生長而有不同程度的提高。同一氮素水平下，添加保水劑能夠明顯提高根系活力。

圖5 不同處理對不同生長時(shí)期玉米根系活力的影響

2.6 新型保水劑與氮肥互作對玉米過氧化物酶活性的影響

由圖6可以看出，不同處理對不同生長時(shí)期玉米過氧化物酶活性的影響存在差異，但差異程度相對較小。拔節(jié)期和抽穗期，中量氮+保水劑處理的過氧化物酶活性均為最高，空白最低。拔節(jié)期次序?yàn)橹辛康?保水劑＞中量氮＞高量氮＞高量氮+保水劑＞保水劑＞空白，中量氮+保水劑和中量氮處理之間的過氧化物酶活性差異顯著，保水劑、高量氮+保水劑、高量氮處理之間差異不顯著，高量氮+保水劑、保水劑、空白處理之間差異不顯著；抽穗期次序?yàn)橹辛康?保水劑＞中量氮、高量氮、高量氮+保水劑＞保水劑＞空白，中量氮、高量氮、高量氮+保水劑處理之間過氧化物酶活性差異不顯著，三者顯著高于保水劑、空白處理。

圖6 不同處理對不同生長時(shí)期玉米 過氧化物酶活性的影響

單施保水劑和空白處理的過氧化物酶活性拔節(jié)期大于抽穗期，其它各處理均為抽穗期大于拔節(jié)期。同一氮素水平下，施用中量氮再施保水劑處理的過氧化物酶活性大于不施用保水劑，高量氮狀況下則相反，說明施用適宜的氮素水平和保水劑會(huì)促進(jìn)過氧化物酶活性的提升。

2.7 新型保水劑與氮肥互作對玉米硝酸還原酶活性的影響

由圖7可以看出，不同處理對不同生長時(shí)期玉米硝酸還原酶活性的影響存在顯著性差異。拔節(jié)期，中量氮+保水劑處理的硝酸還原酶活性最高，空白最低，次序?yàn)橹辛康?保水劑＞高量氮+保水劑、高量氮＞中量氮＞保水劑＞空白，中量氮+保水劑與高量氮+保水劑、高量氮處理硝酸還原酶活性差異不顯著，高量氮和中量氮處理之間差異顯著，中量氮、保水劑、空白處理之間差異不顯著；抽穗期，同樣是中量氮+保水劑處理的硝酸還原酶活性最高，空白處理最低，次序?yàn)橹辛康?保水劑＞中量氮＞高量氮+保水劑＞高量氮＞保水劑＞空白，中量氮+保水劑和中量氮處理的硝酸還原酶活性差異顯著，中量氮和高量氮+保水劑處理之間差異不顯著，高量氮+保水劑和高量氮處理之間差異不顯著，高量氮和保水劑處理之間差異不顯著，保水劑和空白處理之間差異顯著。

各處理拔節(jié)期的硝酸還原酶活性均大于抽穗期。同一氮素水平下，添加保水劑的處理硝酸還原酶活性大于不添加保水劑處理，說明保水劑對硝酸還原酶活性有間接促進(jìn)作用；同一保水劑水平下，中量氮處理的硝酸還原酶活性最高，說明適宜的氮素水平對硝酸還原酶活性的提升具有積極作用。

圖7 不同處理對不同生長時(shí)期玉米 硝酸還原酶活性的影響

3 討論

保水劑和氮肥的施用對玉米的生長發(fā)均有重要作用。氮素是影響作物生長發(fā)育最重要的因素之一，在適度范圍內(nèi)增施氮肥可促進(jìn)玉米生長發(fā)育并提高玉米產(chǎn)量、品質(zhì)和商品率。保水劑具有吸水、保水和保肥的功能，可改善土壤水分和養(yǎng)分環(huán)境，促進(jìn)作物生長［20］。本研究通過盆栽試驗(yàn)分析比較不同保水劑和氮素水平互作對不同生長時(shí)期玉米各項(xiàng)生理生化指標(biāo)影響的差異性。

徐剛等［21］研究發(fā)現(xiàn)，保水劑可以通過對水肥的調(diào)控而對作物的光合作用產(chǎn)生影響。楊永輝等［22］研究表明，施用保水劑和氮肥可有效調(diào)節(jié)葉片葉綠素含量、光合速率、胞間CO2濃度及蒸騰速率等參數(shù)，從而提高葉片水分利用效率；氮肥及其與保水劑配施，均可顯著提高小麥灌漿期的光合速率和葉片水分利用效率，但施氮量過高光合速率和葉片水分利用效率有所降低。本試驗(yàn)通過比較玉米葉片葉綠素含量、凈光合速率、胞間CO2濃度的測定值發(fā)現(xiàn)：拔節(jié)期，同一氮素水平下不施保水劑處理的葉片葉綠素含量要高于施用處理，而胞間CO2濃度則低于施用保水劑處理，另中量氮條件下不施保水劑處理的凈光合速率更高，高量氮條件下施用保水劑處理更高；抽穗期，同一氮素水平下胞間CO2濃度施用保水劑處理更高，中量氮處理下葉綠素含量和凈光合速率施用保水劑的數(shù)值更高，高量氮處理下不施用保水劑的數(shù)值更高?？傮w來看，拔節(jié)期施用保水劑對玉米的光合作用影響不大，而到了生長后期（抽穗期）保水劑的作用逐漸顯現(xiàn)出來，并且中量氮對光合的促進(jìn)作用更大，而高量氮下保水劑的作用較弱。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，生長前期（拔節(jié)期）同一氮素水平下，中量氮處理的蒸騰速率施用保水劑要高于不施用處理，高量氮處理相反；抽穗期中量氮、高量氮處理下施用保水劑蒸騰速率要高于不施用保水劑。但是無論是拔節(jié)期還是抽穗期，無論是否施用保水劑，中量氮處理的蒸騰速率都要高于高量氮處理。綜上可以得出，保水劑和適量氮肥互作對玉米光合有促進(jìn)作用，能夠明顯提高玉米的水分利用效率。

根系是玉米吸收養(yǎng)分的重要場所，其活力越強(qiáng)，養(yǎng)分吸收量就越多，且直接影響到玉米的生長發(fā)育和產(chǎn)量。茍春林等［18］研究表明，在相同灌水和供氮水平條件下，保水劑和不同氮肥配施均可顯著提高玉米生物學(xué)產(chǎn)量，尤其是對根系發(fā)育有很大促進(jìn)作用。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，中量氮+保水劑處理的根系活力最高，各處理間差異較顯著，并且中量氮要大大高于高量氮處理；同一氮素水平下，施加保水劑的植株根系活力也高于不施保水劑。這說明高量氮處理會(huì)導(dǎo)致土壤滲透壓太高、水勢太低，根系吸水困難，所以中量氮條件更適宜根系生長。保水劑和適量氮肥互作對玉米根系活力的提高最有利。

過氧化物酶是植物膜系統(tǒng)內(nèi)重要的保護(hù)酶，它可以避免由于干旱等逆境累積活性氧所造成的膜傷害［23］。本研究表明，中量氮+保水劑處理的過氧化物酶活性較高。同一氮素水平中量氮下施加保水劑處理的過氧化物酶活性要高于不施保水劑，高量氮處理則相反，說明保水劑和適量氮肥互作對過氧化物酶活性具有促進(jìn)作用，使其清除活性氧能力增強(qiáng)。這與榮俊冬等［24］對麻竹的研究結(jié)果基本一致。

郭利偉［25］研究表明，尿素和保水劑耦合能夠顯著提高玉米穗位葉硝酸還原酶活性，促進(jìn)籽粒氮素的積累。本試驗(yàn)，同一氮素水平下，施用保水劑的玉米硝酸還原酶活性要高于不施處理，且中量氮處理下活性最高。這說明保水劑和適量氮肥互作對硝酸還原酶活性有積極作用，能夠促進(jìn)作物的氮素吸收。

4 結(jié)論

從促進(jìn)玉米生長和水氮資源高效利用的角度考慮，中量氮（0.326 g／kg）和保水劑（0.07 g／kg）互作為最優(yōu)試驗(yàn)處理。適宜的氮肥用量和保水劑互作可不同程度地提高光合速率和水分利用率，從而提高植株的有機(jī)物質(zhì)積累；同時(shí)能提高根系活力和對養(yǎng)分和水分的吸收，增強(qiáng)玉米在干旱條件下的抗逆性，提高肥料的利用率。