半干旱區(qū)水鉀互作對春玉米氮代謝的影響

馬襄鴻,曹國軍,耿玉輝,張銘,任虹親

半干旱區(qū)水鉀互作對春玉米氮代謝的影響

馬襄鴻,曹國軍*,耿玉輝,張銘,任虹親

吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 吉林 長春 130118

為研究水鉀互作對春玉米氮代謝的影響，豐富水鉀互作對春玉米氮代謝調(diào)控的理論，為春玉米節(jié)水、優(yōu)質(zhì)發(fā)展提供理論依據(jù)及實踐指導(dǎo)。本文采用裂區(qū)試驗設(shè)計，設(shè)置3個灌溉水平和3個鉀素營養(yǎng)水平，通過測定氮代謝關(guān)鍵酶活性，探究水鉀互作對春玉米氮代謝的影響。研究表明，在同一灌溉水平下，玉米氮代謝關(guān)鍵酶活性整體表現(xiàn)為K1＞K2＞K0，其中對谷氨酸合成酶活性影響最大，K1比K2、K0分別提高了7.80%和37.02%，在同一鉀素營養(yǎng)水平下，玉米氮代謝關(guān)鍵酶活性表現(xiàn)為W3＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1；其中W3條件下，可溶性蛋白提高最多，W3分別比W1、W2提高22.74%和8.49%。水鉀互作對春玉米氮代謝關(guān)鍵酶活性表現(xiàn)出顯著的交互作用。因此，氮代謝關(guān)鍵酶活性會隨著灌溉水平升高而增強(qiáng)；在一定鉀素水平內(nèi)，氮代謝關(guān)鍵酶活性會隨著鉀素營養(yǎng)水平增加而增強(qiáng)，但過高的鉀肥水平會抑制其活性；水鉀互作會顯著影響春玉米氮代謝強(qiáng)度。

春玉米; 水鉀互作; 氮代謝

玉米是全球也是中國第一大作物，在保障國家糧食安全中具有重要地位[1]。碳氮代謝是作物基本的代謝[2]，可以為作物提供能量以及營養(yǎng)物質(zhì)[3]，水肥供應(yīng)對玉米生長和產(chǎn)量的形成具有顯著的影響[4]。適宜的水分狀況有利于養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與吸收[5,6]。鉀素是玉米生長必需的營養(yǎng)元素之一[7,8]。合理施用鉀肥可顯著提高玉米產(chǎn)量和鉀素的吸收利用[9,10]。已有研究表明，合理的水肥管理能促進(jìn)玉米的氮代謝[11]。在水分條件下增施氮肥對葡萄葉片氮代謝有促進(jìn)作用[12]；減少灌水次數(shù)降低了冬小麥的可溶性蛋白、硝酸還原酶及可溶性糖等的活性[13]；增施氮肥可以提高玉米氮代謝關(guān)鍵酶硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性[14,15]；氮鉀營養(yǎng)是影響番茄葉片碳氮代謝的主要因素[16]。以往研究證實了水分、養(yǎng)分及其互作對作物氮代謝具有重要的影響，但對于水鉀互作對玉米氮代謝的研究相對較少，本研究旨在通過研究水鉀互作對玉米氮代謝影響，進(jìn)一步明確水鉀互作對玉米氮代謝調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識，為半干旱區(qū)膜下滴灌春玉米節(jié)水優(yōu)質(zhì)的發(fā)展提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗于2020年、2021年在吉林省松原市乾安縣贊字鄉(xiāng)父字村試驗基地進(jìn)行，該地處吉林省西部半干旱地區(qū)，年均降水量420.6 mm，年均水面蒸發(fā)量1243.0 mm，陸地蒸發(fā)量為400.0 mm，蒸發(fā)強(qiáng)烈，降雨量較少。供試土壤為黑鈣土，土壤pH為7.84，有機(jī)質(zhì)含量為17.55 g/kg，全氮1.31 g/kg，堿解氮61.5 mg/kg，有效磷35.83 mg/kg，速效鉀101.25 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用裂區(qū)試驗設(shè)計，設(shè)灌溉定額和施鉀量2個試驗因素。主區(qū)灌溉定額設(shè)3個水平：W1（灌溉定額50 mm）、W2（灌溉定額150 mm）和W3（灌溉定額250 mm），副區(qū)設(shè)置3個鉀素營養(yǎng)水平：K0（不施鉀）、K1（施K2O 80 kg/hm2）和K2（施K2O 120 kg/hm2），兩兩交互，各處理重復(fù)3次，共27個試驗小區(qū)，每個小區(qū)面積30 m2。供試玉米品種為“富民985”，種植密度8.0萬/hm2，株間距19.2 cm，施肥采用25升壓差式施肥罐，基肥用尿素、磷酸二銨、硫酸鉀；水肥一體化用肥料為尿素、磷酸一銨（工業(yè)級）、氯化鉀（工業(yè)級）。各處理灌溉定額需按比例分配，于玉米拔節(jié)期灌溉5%，玉米拔節(jié)期灌溉15%，玉米的喇叭口期和抽雄期灌溉30%，玉米的灌漿期灌溉20%。每次灌溉應(yīng)依據(jù)玉米不同生育時期的降雨情況及土壤墑情確定，且需達(dá)到土壤相對含水量的下限。

1.3 取樣方法與時期

分別于玉米拔節(jié)期、喇叭口期、抽雄期、灌漿期、乳熟期、臘熟期、完熟期，選取具有代表性植株4株，采集其功能性葉片(抽雄吐絲前選取植株上部完全展開的葉片，抽雄吐絲后取穗位葉)，用紗布擦凈表面，放入液氮中速凍后，于-80 ℃冰箱中保存待測。

1.4 測定項目與方法

硝酸還原酶的測定：參照熊慶娥等[17]的方法

谷氨酸合成酶活性的測定: 參照鄭朝峰等[18]的方法

谷氨酰胺合成酶活性的測定：參照鄒琦[19]的方法

可溶性蛋白含量的測定：考馬斯亮藍(lán)法[20]

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2019和SPSS Statistics 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和數(shù)理統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水鉀互作對春玉米硝酸還原酶活性的影響

由圖1可知，玉米硝酸還原酶活性在整個生育時期呈現(xiàn)先增高后降低的單峰曲線變化。在灌溉水平一致時，各處理均表現(xiàn)為K1＞K2＞K0，且在W3灌溉水平時酶活性最高。在W3灌溉條件，K1較K0、K2處理分別高30.88%、3.31%。在施鉀水平一致時，則表現(xiàn)為W3>W2>W1，且在K1施鉀水平時酶活性達(dá)到最高。水鉀互作對玉米葉片硝酸還原酶交互作用分析（表1）表明，水分和鉀素都對酶活性有顯著促進(jìn)作用，但只有在玉米的灌漿期灌溉和鉀素表現(xiàn)出顯著交互作用。

圖 1 不同生育時期玉米葉片硝酸還原酶活性變化

表 1 水鉀互作對玉米葉片硝酸還原酶交互作用分析

注：表中數(shù)據(jù)代表值，數(shù)據(jù)后*表示處理間在< 0.05水平差異顯著，*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 水鉀互作對春玉米谷氨酰胺合成酶活性的影響

如圖2所示，玉米葉片谷氨酰胺合成酶總體表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，在玉米抽雄期，酶活性達(dá)到峰值。在鉀素一致條件下，酶活性表現(xiàn)為W3> W2> W1。在抽雄期，W1灌溉水平下，K1比K0、K2處理分別高出32.37%、7.85%，W2灌溉水平下，K1比K0、K2處理分別高出36.40%、11.86%，W3灌溉水平下，K1比K0、K2處理分別高出35.05%、8.73%，可見，當(dāng)超過W2灌溉量時，鉀對酶活性的影響效果略有降低。水鉀互作對酶活性交互作用如表2所示，水鉀互作在喇叭口期、抽雄期以及灌漿期表現(xiàn)出顯著交互作用。

圖 2 不同生育時期玉米葉片谷氨酰胺合成酶活性變化

表 2 水鉀互作對玉米葉片谷氨酰胺合成酶交互作用分析

2.3 水鉀互作對春玉米谷氨酸合成酶活性的影響

如圖3所示，谷氨酸合成酶活性從拔節(jié)期開始增加，在玉米抽雄期到達(dá)峰值，然后開始下降至玉米完熟期達(dá)到最低。在相同灌溉條件下，酶活性隨著施鉀量增高而增強(qiáng)，但超過K1水平時，酶活性又有不同程度的降低，在W1條件下，K2較K1降低了10.47%，在W2條件下，K2較K1降低了8.60%，在W3條件下，K2較K1降低了9.13%；在相同施鉀量條件下，酶活性隨著灌溉量增加而增強(qiáng)，兩年試驗結(jié)果表現(xiàn)一致。如表3所示，灌溉與鉀肥在玉米生長發(fā)育的各個時期均表現(xiàn)出顯著作用，但只在玉米的喇叭口期和乳熟期水鉀互作表現(xiàn)出顯著交互作用。

圖 3 不同生育時期玉米葉片谷氨酸合成酶活性變化

表 3 水鉀互作對玉米葉片谷氨酸合成酶交互作用分析

2.4 水鉀互作對春玉米功能性葉片可溶性蛋白含量的影響

圖4可以看出，可溶性蛋白含量在玉米拔節(jié)期開始增加直至玉米的灌漿期達(dá)到峰值，而后在完熟期降到最低，在玉米生長發(fā)育的整個時期，在同一灌溉水平下，各處理均表現(xiàn)為K1水平時，可溶性蛋白含量達(dá)到較高水平，超過K1水平后，玉米葉片的可溶性蛋白含量有所降低；在同一施鉀量，可溶性蛋白含量隨灌溉量增加而逐漸升高，但W2灌溉水平和W3灌溉水平差異不顯著，在K1條件下，W2處理較W3處理低4.47%。通過水鉀互作對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、臘熟期及完熟期，水鉀互作表現(xiàn)出顯著交互作用。

圖 4 不同生育時期玉米葉片可溶性蛋白活性變化

表 4 水鉀互作對玉米葉片可溶性蛋白交互作用分析

3 討 論

此前已經(jīng)有研究結(jié)果表明，滴灌條件下可以提高作物氮代謝活性和相關(guān)物質(zhì)含量[23,24]，在玉米生育期內(nèi)補(bǔ)水能促進(jìn)玉米氮代謝[11]。本研究結(jié)果顯示，灌溉能顯著提高玉米氮代謝強(qiáng)度，隨著灌溉量增加，玉米氮代謝相關(guān)酶活性隨之增強(qiáng)。有研究表明施用氮肥可以直接影響小麥的氮代謝[25]，適宜氮、鉀營養(yǎng)元素會促進(jìn)作物氮代謝相關(guān)酶活性[27]。在本研究中，隨著鉀素水平增加，玉米氮代謝關(guān)鍵酶活性增強(qiáng)，玉米氮代謝強(qiáng)度增強(qiáng)，但超過一定鉀水平后，玉米氮代謝強(qiáng)度又有所降低，這與前人研究結(jié)果一致[26]。此前研究表明，光氮互作條件下，能顯著影響玉米的碳氮代謝[28]，在CO2濃度加倍條件下，水氮耦合能促進(jìn)黃瓜葉片的氮代謝[29]。本研究也得到相同的結(jié)論，在本研究中水鉀互作處理顯著增強(qiáng)了玉米氮代謝強(qiáng)度，并且在玉米生長發(fā)育關(guān)鍵時期對玉米氮代謝表現(xiàn)出顯著交互作用。

4 結(jié) 論

玉米氮代謝關(guān)鍵酶活性會隨著灌溉水平升高而增強(qiáng)；在一定鉀素營養(yǎng)水平下，氮代謝關(guān)鍵酶活性會隨著鉀素升高而增強(qiáng)，但過高的鉀肥施用量會抑制氮代謝酶活性；水鉀互作會顯著促進(jìn)春玉米氮代謝強(qiáng)度。因此，合理的灌水、適宜的鉀肥施用及兩者的互作配合，是促進(jìn)春玉米氮代謝，保障春玉米高質(zhì)量生產(chǎn)的有效途徑。

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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

國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFD0201505);國家重點研發(fā)計劃項目(2018YFD0300203)

馬襄鴻(1997-),男,碩士研究生,研究方向:植物營養(yǎng)調(diào)控. E-mail:maxianghong1997@163.com

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