我国是世界上水资源严重短缺的国家之一,大面积的荒漠以及干旱、半干旱地区存在严重缺水问题,加之全球变暖和土地沙漠化日益严重,农业用水更为弥足珍贵。目前我国灌溉用水平均利用率仅为45%左右,远低于发达国家70%的水平^[1]。因此,为了提高农业用水利用率,缓和水资源供需紧张的局面,发展节水高效农业成为农业可持续发展的重要措施,新型节水技术的推广应用显得尤为重要。

高吸水性树脂,亦称作超强吸水性聚合物(super absorbent polymer,SAP),是一种具有超强吸水和保水能力的新型高分子材料,具有特殊的物理结构和大量亲水基团,能够迅速吸收相当于自身质量几十倍乃至几千倍的液态水,且不易失水,保水性能极强,被广泛应用于农林业、生物医药、污水处理、建筑行业和卫生用品等领域^[2]。近年来,SAP作为土壤保水剂用于荒漠化土壤修复和干旱区农业土壤节水,收到了良好效果^{[3, 4, 5]}。SAP能有效提高土壤含水率,提高土壤孔隙度,改善土壤结构,增强土壤肥效^[6],因此具有增产、增收和提高林木成活率的作用。然而,由于SAP类型及性能的不同,试验及生产中所需添加比例及效果差别较大。目前,国内市场上SAP以聚丙烯酸钠为主,其吸水速率较高但存在反复吸水能力较低、耐盐性及凝胶强度不高等缺点^{[7, 8]}。而淀粉类SAP与聚丙烯酸钠相比,具有来源丰富、价格低廉、容易降解、对环境友好且保水性强、不易失水的特点,但其易发霉变质,尤其使用周期长短报道不一,目前在国内对该类SAP的研究和应用仍不成熟,在农业生产上的应用尚不普遍。因此,非常有必要对其在农业中的应用方法和效果展开研究。

另一方面,由于土壤栽培存在连作障碍和土壤次生盐渍化等缺点,基质栽培将是设施农业的主要方向之一^[9]。基质栽培用水也是农业用水的重要组成部分,而目前各类SAP在无土栽培基质中的应用尚不成熟。针对基质普遍存在的保水持水性相对较差的“短板”,SAP在基质保水性能调控领域具有更加广阔的应用前景。有报道指出:在基质水分耗竭条件下SAP可延缓黄瓜、番茄等植株的萎蔫发生时间,且随SAP添加量的增加,萎蔫发生时间延长,植株叶片量及茎粗等生长指标值也相应提高^{[10, 11, 12]}。但基质与土壤在容重、孔隙度、水力学特性及养分释放等方面存在较大差异,故SAP应用于基质的节水效果、对基质的基本性状的影响以及对栽培作物有无负面作用等均需要进行深入研究。

因此,针对性地研究淀粉基SAP对栽培基质持水保水性等性状的影响,探讨该SAP对基质栽培作物生长的影响以及抗旱节水的效果,将对提高农业用水利用率、发展高效节水农业具有重要贡献。本文通过研究一种自主研发的淀粉基钾型丙烯酸类SAP添加对无土栽培基质的理化特性,尤其保水、持水性的影响,观测缺水条件下其对小青菜生长状况的影响,并分析其机制,旨在为提高无土栽培基质的水分利用率和提升基质品质提供理论和实践依据

所用基质配方为:发酵床垫料堆肥、蛭石、珍珠岩和泥炭(体积比为3 ∶ 2 ∶ 3 ∶ 2),其总氮、磷、钾及速效氮、磷、钾养分含量分别为24.2、8.62、10.1、1.94、2.41和5.99 g · kg^-1。发酵床垫料堆肥购自江苏省农业科学院六合有机肥厂,由基于水稻秸秆的猪圈发酵床垫料圈内腐解(2年)及出圈后经过再次堆肥(1个月)制成。蛭石、珍珠岩和泥炭的最大持水量分别为53.9%、31.4%和31.7%。SAP(江苏省农业科学院农业设施与装备研究所)是以改性后的可溶性玉米淀粉为主要原料,丙烯酸和丙烯酰胺为接枝单体,采用水溶液聚合 法制备的耐盐性钾型丙烯酸类高吸水树脂,外观为白色粉末,粒度为60~100目,容重为0.6~0.8 g · cm^-3,吸去离子水量为800~1 000 g · g^-1,吸水至饱和的时间小于30 s,pH值6.9~7.3,电导率4.0~5.0 dS · m^-1。

上述栽培基质添加不同比例的SAP,添加量分别为1(S1)、2(S2)和3 g · L^-1(S3),以无SAP添加的基质为对照(S0)。通过电子扫描显微镜观测SAP的分子表面微观结构并通过红外光谱解译其功能性基团。测定不同SAP添加比例基质(S0、S1、S2和S3)的基本理化性质,包括容重、总空隙度、通气孔隙度、最大持水量、pH值及电导率等,每个处理3个重复。

为研究上述4个处理中SAP添加量对小青菜(品种‘上海青’)种植的抗旱效果的影响,每个处理又分为正常供水(N)和缺水处理(D)(供水频率降低50%)。共设8个处理,分别为NS0、NS1、NS2、NS3、DS0、DS1、DS2和DS3处理,每个处理3个重复;用塑料盒(60 cm×50 cm×20 cm)进行小青菜种植,每个塑料盒种植50粒小青菜种子,置于玻璃温室内区组随机摆放。供水量为无SAP添加基质的田间持水量的80%,即46.4%。不同SAP添加比例基质分别用于小青菜种植试验。小青菜种植7 d后测定出苗率。小青菜生长成熟(40 d)后收获,测定其株高和叶面积,并测定产量,以平均单株鲜质量表示。

用电子扫描显微镜(JSM-5410,JEOL Ltd,Japan)观察SAP的表面微观结构。采用傅里叶转换红外光谱仪(Bruker Optik GmbH,Ettlingen,Germany)获取SAP的红外光谱,具体方法为:将样品烘干后用研钵研磨并过0.25 mm筛,装入进样器并轻轻将表面压平,每个样品压至相同程度。测定空白为KBr压片,采用仪器HTX探测器测得样品的MIR光谱。扫描64次,分辨率为2 cm^-1,扫描波数范围为500~4 000 cm^-1。

添加不同比例的SAP基质与去离子水以体积比为1 ∶ 5混合搅拌,静置8 d后用pH计和电导率仪测定pH值和EC值^[13];容重、最大持水量、总孔隙度及通气孔隙度等指标测定均参照澳大利亚基质测定标准AS 3743—2003^[13],具体为:取已知体积和质量的基质浸入去离子水中充分吸水后重力排水,此过程重复3次以确保基质吸水饱和,重力排水30 min,再次测定其体积和质量,然后放入烘箱105 ℃烘干1周,再次称质量。用上述质量及体积计算容重、最大持水量、总孔隙度和通气孔隙度值^[14]。为研究SAP对基质失水特征的影响,取相同质量的各处理基质,加水至饱和,排除重力水后称质量,置于40 ℃恒温烘箱脱水,分别于4、8、12、16、24、32、40、48和56 h称质量,计算基质每次称质量时的含水量。采用便携式叶面积仪(LiCOR LI-3000,Lincoln,USA)测定小青菜叶面积;采用叶绿素仪(Spad-502plus,Tokyo,Japan)测定叶绿素含量。

采用SAS(SAS Institute,Cary,NC)软件LSD显著性差异检验对不同SAP添加比例基质基本性状进行均值比较;采用Paired t-test对相同SAP添加比例在正常供水与缺水处理下小青菜生长指标进行均值比较;采用二因素方差分析(ANOVA)对不同SAP添加比例和不同供水处理下小青菜生长指标进行分析;采用SigmaPlot 12.0(Systat Software,Inc.,Chicago,IL,USA)软件进行绘图。

2.1 添加不同比例SAP基质的基本性状

从表 1可知:添加SAP对基质基本性状有不同影响。容重受SAP添加影响不明显,为0.23~0.24 g · cm^-3。与S0处理相比,S1处理显著提高了基质总孔隙度和通气孔隙度,分别由58.3%和26.2%提高至68.5%和32.1%,但随SAP添加量的进一步增加而迅速降低,S2处理降至无SAP添加的对照水平,S3处理则显著低于对照(P<0.05)。最大持水量随SAP添加量的增加而显著升高(P<0.05)。各处理pH值均随SAP增加而有所上升,但处理间差异不显著。基质电导率则随SAP添加量的增加而升高。

如图 1所示:添加SAP基质的起始含水量远远高于对照(S0处理),且恒温脱水过程中一直保持随SAP含量增加其含水量增加的特点。未加SAP的基质(S0)在4 h内水分损失31.9%,而S1、S2和S3处理仅分别损失16.6%、13.5%和13.1%。脱水至56 h时,S1、S2和S3处理含水量分别是对照含水量的 3.3、7.7和9.8倍。

	图 1 添加不同比例SAP的基质含水量随时间的变化 Fig. 1 Variation of water contents in substrates amended with different proportions of SAP
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通过SAP的扫描电子显微照片(图 2)可以看出:SAP的微观结构为连通的多泡孔状结构,不同大小的泡孔又相互连接形成通道。大泡孔的孔径几十至100 μm以上,小泡孔则在几微米甚至更小。当这种结构与水充分接触时,不同大小的泡孔都能迅速吸水,使SAP具有吸纳和存储水分的作用。

	图 2 SAP的扫描电镜照片 Fig. 2 Scanning electron microscope photograph of SAP
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从图 3可知:1 401 cm^-1附近出现羧酸钠盐的特征谱带。1 563 cm^-1处为羧基震动吸收峰,在1 667 cm^-1处出现羧酸根与酰胺的C O伸缩振动吸收峰,3 436 cm^-1处的宽吸收峰是由淀粉骨架上的O—H及N—H伸缩震动引起的^{[15, 16]}。

	图 3 SAP的红外光谱图 Fig. 3 Infrared spectra of SAP
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图 4为小青菜种植之前与收获之后基质与SAP混合物的红外光谱图。因为SAP与基质混合后无法再次分离出来,所以通过对比使用前、后混合物的光谱差异可获得亲水基团的存留信息。从图 4可以明显看出:上述SAP分子亲水基团在小青菜收获后仍然存在,且吸收强度变化不大,尤其3 000~3 600 cm^-1间的羟基宽吸收谱带^[17]。

	图 4 小青菜种植前与收获后基质的红外光谱图 Fig. 4 Infrared spectra of substrates with SAP before the cultivation and after the harvest of Chinese cabbage cultivation
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由图 5可知:不同SAP添加比例对小青菜出苗率产生了一定影响。无SAP添加的基质中,缺水处理(DS0)较正常供水的出苗率降低了11.3%,而DS1处理对出苗率产生的负面影响被消除,其与NS1处理均达到了86%以上。S2和S3处理中正常供水与缺水处理无明显差异(P>0.05),但出苗率显著降低,尤其S3处理中,正常供水处理反而比缺水处理的出苗率略低,且降低得更明显。

图 5 不同SAP添加比例对基质中小青菜出苗率的影响 Fig. 5 Effects of different proportions of SAP addition in substrates on emergence rate of Chinese cabbage 同一SAP添加量下不同小写字母表示供水处理之间有显著差异(P<0.05);同一供水处理下不同大写字母表示不同SAP添加量之间有显著差异(P<0.05)。 Different lowercase letters indicate significant difference(P<0.05)between normal watering and water depletion treatments;different uppercase letters indicate significant difference(P<0.05)among SAP addition treatments.The same as follows.

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无SAP添加且供水量减半的情况下,小青菜生长因缺水受到限制,株高和叶面积显著低于正常供水处理(图 6)。而添加1 g ·L^-1 SAP的基质中小青菜株高和叶面积并未受缺水的影响,DS1处理株高和叶面积分别比DS0处理高61.8%和78.5%。值得注意的是,更高比例的SAP添加量下小青菜株高及叶面积状况并未得到改善,均与DS0处理处于相同水平,3 g ·L^-1 SAP添加量甚至使叶面积显著低于DS0处理(图 6)。

	图 6 不同SAP添加比例对小青菜株高(A)与叶面积(B)的影响 Fig. 6 Effects of different proportions of SAP addition in substrates on plant height(A) and leaf area(B)of Chinese cabbage
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各处理间小青菜平均单株鲜质量(产量)和单株干质量差异表现出与株高及叶面积类似的规律(图 7)。DS0处理小青菜单株鲜质量由6.99 g显著降至2.81 g,单株干质量由0.35 g显著降至0.16 g,而DS1处理小青菜单株鲜质量和干质量分别增至7.54和0.41 g,也就是说,缺水条件下1 g ·L^-1 SAP添加量使小青菜鲜质量和干质量相对无SAP添加处理分别上升了168%和162%。S1处理下正常供水与缺水处理的小青菜长势并无明显差异。但更高比例的SAP添加量下,小青菜产量均显著低于S1处理及正常供水的NS0处理(P<0.05)。

	图 7 不同SAP添加比例对小青菜单株鲜质量(A)与单株干质量(B)的影响 Fig. 7 Effects of different proportions of SAP addition in substrates on fresh(A) and dry weight(B)per plant of Chinese cabbage
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从不同SAP添加比例和供水处理的方差分析(表 2)可知:SAP添加量是影响小青菜出苗率和株高的最主要因素;供水处理则是影响叶面积的最主要因素。SAP添加比例与供水处理对小青菜的出苗率没有显著的交互作用,而对株高和单株鲜质量尤其叶面积有显著的交互作用。

本研究表明:添加SAP对基质容重未造成显著影响,且不同添加比例下容重均未超出作物生长的最佳容重范围^[18];与无SAP添加处理(S0)相比,1 g ·L^-1 SAP添加量(S1)显著提高了基质总孔隙度和通气孔隙度,但更高比例的SAP添加量又使得孔隙度迅速降低,2 g ·L^-1的SAP添加处理(S2)降至S0处理水平,3 g ·L^-1的SAP添加处理(S3)则显著低于S0处理(P<0.05)。根据Abad等^[18]的研究结果,栽培基质总孔隙度和通气孔隙度分别在大于85%和在20%~30%之间较为理想。可见S1处理的孔隙特征较其他处理更适合作物生长。最大持水量随SAP添加量的增加而显著升高的现象是由SAP自身的高吸水性和缓慢释水性能引起的。李永胜等^[10]在砂和锯木屑复合基质中也发现,随SAP添加量的增加,基质持水量快速上升。在土壤和其他基质中也有相似报道^{[19, 20]}。同时,各处理在恒温脱水过程中一直保持随SAP含量增加其含水量增加的特点,也充分说明添加SAP具有明显的延缓基质水分蒸发、保持基质水分的效果。李永胜等^[10]也研究发现,保水剂用量大的基质能长时间保存大量水分。添加SAP基质可使作物在持续较高温度条件下仍保持一定持水性这一特性,在实际生产中对延缓作物萎蔫时间和提高作物耐旱能力非常重要。

该SAP的联通性多泡孔状微观结构是其具有强吸水和保水性的基础。王志玉等^[19]通过电镜观察了一种淀粉与丙烯酸二元接枝共聚产物高分子树脂,其表面呈多孔网状结构,这种结构亦具有较强的吸水功能。而本研究SAP结构与王勇等^[4]所报道的高分子吸水材料结构类似,当这种结构与水充分接触时,不同大小的泡孔都能迅速吸水,使SAP具有吸纳和存储水分的作用。据其报道,这种多孔结构可以为作物根系提供通道并为根系提供所需的空气。另一方面,红外光谱显示该吸水性树脂的大分子长链上存在羧基、酰胺基、羧酸钠等亲水性基团,说明该高吸水剂为丙烯酸与丙烯酰胺的共聚物,也解释了该SAP具有保水持水特征的原因。通过对比使用前、后混合物的光谱差异可获得亲水基团的存留信息,SAP分子亲水基团在小青菜收获后仍然存在,且吸收强度变化不大,可见该SAP在使用过程始终一直保持较强的吸水能力。

无SAP添加的基质中,缺水处理比正常供水的出苗率明显降低,而添加1 g ·L^-1 SAP后缺水对出苗率产生的负面影响被消除,这可能是因为适量添加SAP避免了基质过度干燥,有利于种子萌发。但SAP添加量过高时,虽然基质含水量得到了保证,但孔隙度过低及电导率过高等不利因素最终导致低出苗率的发生。因过高的电导率导致作物出苗率降低的现象屡有报道^{[21, 22]}。由此可见,缺水条件下,所用基质配方[V(发酵床垫料堆肥) ∶V(蛭石) ∶V(珍珠岩) ∶V(泥炭)=3 ∶ 2 ∶ 3 ∶ 2]中1 g ·L^-1的SAP添加比例最适宜小青菜种子出苗。小青菜株高和叶面积受SAP添加量的影响更为明显。缺水条件下,S1处理小青菜株高和叶面积并未受影响,显著高于S0处理,而S2处理小青菜株高及叶面积反而与S0处理处于相同水平,S3处理叶面积值显著低于S0处理。小青菜的产量亦呈现出此规律。究其原因,S1处理显著增加了基质的持水性,避免了干旱的发生,同时S1处理基质的总孔隙度、通气孔隙度、pH及电导率等理化指标相对其他处理更接近理想基质的标准^{[18, 23]},有助于小青菜生长发育。S2和S3处理下虽然持水量大大提升,但孔隙度及电导率等指标不利于作物生长。合适的孔隙度在水分与养分保持、作物根系发展等方面都起到重要作用^[24],孔隙度下降会明显阻碍作物生长^{[25, 26]}。