玉米秸稈基纖維素保水劑對土壤持水性能及冬小麥根系生長的影響

范 震，丁新惠，趙 丹，孫 宇，齊泓瑜，蔣永芳，田曉飛

（聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東聊城 252000）

0 引言

冬小麥?zhǔn)侵匾募Z食作物，合理的水分供應(yīng)是冬小麥高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的重要保障[1]。華北平原是中國最主要的冬小麥生產(chǎn)基地，但該地區(qū)降水較少且季節(jié)間降水不均衡，農(nóng)業(yè)用水資源緊缺[2]。通過合理的工藝措施改善土壤水分保蓄能力，提高農(nóng)業(yè)用水利用效率是保證中國冬小麥生產(chǎn)安全的重要手段。保水劑(Super absorbent polymer，SAP)是一種能夠吸收自身重量數(shù)百甚至上千倍水分的高分子聚合物[3]。施入土壤后能夠改善土壤持水能力，在降雨或灌溉時通過快速吸水來減少地表徑流和水分的下滲[4]，在植物根系周圍形成微型“水庫”，在土壤水分不足時緩慢釋放貯存的水分供作物生長利用[5]，從而提高農(nóng)業(yè)用水的利用效率。

目前市場上大約90%的SAP為聚丙烯酸（鈉）和聚丙烯酰胺類產(chǎn)品，其吸水持水性能與外界環(huán)境如pH、離子濃度等密切相關(guān)，降解性較差且價格較高[6]，限制了其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。為解決上述不足，利用富含纖維素的農(nóng)作物秸稈、富含淀粉的廚余廢棄物等生物質(zhì)資源制備新型SAP已有大量研究[7-10]。然而，這些研究重點大多集中在SAP的合成工藝[7]、吸水保水機(jī)理[8]和生物降解性能改進(jìn)[9]等方面。筆者前期通過田間試驗研究發(fā)現(xiàn)小麥秸稈基SAP能夠改善土壤水分保蓄能力，與包膜尿素配施能夠提高冬小麥產(chǎn)量和氮素利用效率[10]，但關(guān)于不同程度水分脅迫下SAP用量對冬小麥根系生長的影響還有待于進(jìn)一步研究。因此，本研究以自制的玉米秸稈基纖維素保水劑為研究對象，利用掃描電鏡表征了其吸水前后形貌變化，探究了SAP施用量對土壤吸水持水特性和不同程度水分脅迫下冬小麥根系生長的影響，以期為農(nóng)作物秸稈資源化利用和后續(xù)保水型緩/控釋肥料的研發(fā)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

冬小麥根系生長試驗于2018年10—12月在聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院土壤環(huán)境學(xué)實驗室進(jìn)行，試驗期間室內(nèi)溫度維持在5～15℃。小麥品種為‘濟(jì)麥22’，供試土壤采自聊城大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗站，其基本理化性質(zhì)如下：pH 8.2，有機(jī)質(zhì)10.2 g/kg，全氮0.6 g/kg，有效磷19.2 mg/kg和速效鉀136.6 mg/kg。供試SAP為玉米秸稈與丙烯酸接枝共聚物，參照Ma等[11]的制備方法由聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院制備，其在純凈水和0.1 mol/L的NaCl溶液中吸水倍率分別為269.8、114.3 g/g。

1.2 試驗設(shè)計

冬小麥根系生長試驗采用2因素3水平的正交試驗設(shè)計，2個因素分別是水分脅迫和SAP用量。3個水分脅迫水平分別為：中度水分脅迫（W1，40%～50%田間持水量）、輕度水分脅迫（W2，60%～70%田間持水量）和充足供水（W3，75%～90%田間持水量）；3個SAP施用水平分別為不添加 SAP（SAP0，0 g/盆），中量（SAP1，3.0 g/盆）和高量（SAP2，6.0 g/盆），共9個處理，每個處理4次重復(fù)。每3天采用稱重法控制SAP0處理土壤水分含量，相同水分脅迫的SAP1和SAP2處理水分管理與SAP0相同。

表1 SAP在不同濃度的NaCl溶液中吸水倍率

為保證冬小麥幼苗正常生長，試驗開始前采用Hoagland’s營養(yǎng)液配方，將營養(yǎng)液噴灑到土壤表面并混勻后烘干備用。2018年10月5日準(zhǔn)確稱取1.5 kg烘干土壤與不同質(zhì)量的SAP充分混勻后裝入PVC管中，每管播種冬小麥8粒，待出苗后保留長勢均勻的5株。10月12日開始利用稱重法控制各處理土壤水分含量。在試驗期間定期對盆栽裝置的位置進(jìn)行隨機(jī)調(diào)整，避免光照、溫度等的長期不均衡造成的誤差。

1.3 測定指標(biāo)與方法

小麥幼苗生長35天時測量幼苗莖基部至頂端葉尖作為株高，同時將地上部與根系剪斷，將根系在靜水反復(fù)浸泡清洗后，采用萬深LA-S型植物根系掃描及分析系統(tǒng)分析總根長、總表面積、根體積、平均直徑和根尖數(shù)等。取部分根尖采用TTC還原法測定根系活力，地上部和其余部分根系在80℃烘干至恒重，計算地上部和根系干物質(zhì)量。

利用SU8020場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)對干燥的SAP顆粒和充分吸水后的SAP凝膠進(jìn)行形貌分析。采用改進(jìn)的環(huán)刀法測定不同SAP添加量對土壤容重和土壤水分蒸發(fā)的影響：將1000 g過20目尼龍網(wǎng)篩的烘干土分別與0、1.0、2.0、4.0 g SAP混合均勻后裝入底部以濾紙密封的透明塑料管（高25 cm，內(nèi)徑10 cm）中，采用輸液袋分4次將2000 mL純凈水緩慢滴加至塑料管中，靜置6 h后稱量土柱總質(zhì)量，并測量土層高度。然后置于實驗室內(nèi)使水分蒸發(fā)，每隔24 h稱量土柱質(zhì)量。

根據(jù)土柱中土壤高度和橫截面積計算土壤容重(Rs)，其計算公式如(1)所示。

式中，Rs為土壤容重(g/cm3)，1000為烘干土質(zhì)量，g；mi為SAP添加質(zhì)量，g；π為常數(shù)，r為塑料管半徑，5 cm；h為充分吸水后管中土壤高度，cm。

最大持水量(Wmax)和土壤水分蒸發(fā)率(EP)計算公式參照Yang等[12]，如公式(2)～(3)所示。

式中Wmax為土壤最大持水量，質(zhì)量%；m1和m2分別為土柱總濕質(zhì)量和總干質(zhì)量，g；m為烘干土質(zhì)量，1000 g；EP為土壤水分蒸發(fā)率，%；mi和mi-1分別為前后兩次稱重土柱總質(zhì)量，g。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；采用SAS 9.2進(jìn)行雙因素分析；采用Duncan多重比較檢驗各處理平均值在p＜0.05水平上的差異顯著性；使用Excel 2003進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 SAP形貌表征

由圖1可以看出，干燥的SAP為粒徑大小較為均勻的灰色半透明顆粒(a)，粒徑約為0.2～0.4 cm，吸水后則變?yōu)闊o色透明的凝膠狀(b)，其粒徑約為1.5～2.0 cm，說明所用SAP吸水后會產(chǎn)生溶脹現(xiàn)象。

圖1 SAP吸水前(a)和吸水后(b)粒徑變化

干燥的SAP顆粒(a)和SAP吸水后形成的水凝膠(b)在不同倍率條件下的掃描電鏡如圖2所示。干燥的SAP顆粒表面有較為粗糙而緊密的層狀結(jié)構(gòu)，同時存在褶皺和許多孔洞，SAP表面孔洞和疏松的層狀結(jié)構(gòu)增加了其表面積和孔容，能夠便于外界水分的滲入，同時使SAP能吸收更多的水分。SAP吸水后形成的水凝膠表面則較為平整，有大量的流涎狀結(jié)構(gòu)，不規(guī)則的層間和孔隙數(shù)量減少，SAP膨脹后形成的疏松結(jié)構(gòu)更有利于水分的擴(kuò)散和滲透。

圖2 不同倍率下SAP吸水前(a)和吸水后(b)掃描電鏡圖片

2.2 SAP對土壤吸水持水能力的影響

施用SAP降低了土壤容重（圖3），且隨著SAP施用量的增加，土壤容重逐漸降低。土壤容重以添加4.0 g SAP處理最低，較不添加SAP土壤降低3.2%，較添加1.0 g和2.0 g SAP的土壤分別下降2.9%和1.0%。與不添加SAP處理相比，添加2.0 g SAP土壤容重降低2.2%。

圖3 不同SAP添加量下土壤容重變化

由圖4可以看出，施用SAP顯著提高了土壤最大持水量（初始水分含量），與不添加SAP相比，施用1.0、2.0、4.0 g SAP土壤最大持水量分別提高了25.6%、48.0%和88.9%。施用SAP顯著降低前3天土壤水分蒸發(fā)率，且水分蒸發(fā)抑制效果隨用量增加而顯著增強(qiáng)。在蒸發(fā)進(jìn)行6天之后，不添加SAP土壤水分含量趨于穩(wěn)定，日水分蒸發(fā)量逐漸降低，但在第6天時，施用1.0、2.0、4.0 g SAP土壤水分含量分別為20.8%、25.7%和37.8%，較高的水分含量使日水分蒸發(fā)量仍維持在較高水平，導(dǎo)致在6天之后SAP抑制水分蒸發(fā)的效果逐漸降低，甚至呈現(xiàn)出土壤水分蒸發(fā)量增加的現(xiàn)象。

圖4 不同SAP添加量下土壤水分含量（點線圖）和蒸發(fā)速率（柱狀圖）

2.3 冬小麥幼苗長勢

相等SAP用量下，冬小麥株高總體呈現(xiàn)W1＜W2＜W3的趨勢（表2）。輕度和中度水分脅迫下，株高隨SAP用量的增加而增加。與W3處理相比，等SAP用量的W1和W2處理地上部干物質(zhì)量分別降低27.2%～34.0%和9.1%～11.4%；根系干物質(zhì)量分別增加25.4%～28.3%和6.6%～7.8%，說明說水分脅迫抑制了冬小麥的生長。相同程度水分脅迫下的SAP1和SAP2處理較SAP0處理地上部分別增加7.7%～13.3%和14.7%～17.6%，根系干物質(zhì)量分別增加7.5%～9.5%和12.4%～16.5%。W3+SAP2處理地上部和根系干物質(zhì)量顯著高于除W1+SAP1和W1+SAP1外的其他處理，說明水分供應(yīng)不足會抑制冬小麥幼苗的生長，而保水劑能夠緩解水分脅迫對冬小麥生長的抑制作用。

2.4 冬小麥根系形態(tài)

相等SAP用量下，冬小麥幼苗根系總長度、總表面積和根尖數(shù)均隨水分脅迫程度的增加而降低，但根系平均直徑則隨水分脅迫程度的增加而增加（表2）。中度水分脅迫下，SAP2處理根系總長度、總表面積和根尖數(shù)較SAP0處理分別增加24.7%、22.1%和36.5%，但中度水分脅迫下SAP0處理根系平均直徑顯著高于SAP2處理。各處理總根長、根系表面積、根系體積和根尖數(shù)以W3+SAP2最高，表明高量的保水劑更有利于保持冬小麥幼苗根系生長，緩解干旱脅迫對冬小麥幼苗的傷害。

表2 不同處理冬小麥幼苗干物質(zhì)積累

2.5 冬小麥根系活力

從圖3可以看出，相等SAP用量的冬小麥根系活力總體呈現(xiàn)W1＜W2＜W3的趨勢。在W1和W2條件下，SAP2和SAP1處理較SAP0處理根系活力分別增加21.1%～76.9%和37.3%～41.9%，但水分充足時各處理間根系活力基本一致，表明施用SAP有助于保持水分脅迫下冬小麥根系活力。

3 結(jié)論

（1）玉米秸稈基纖維素保水劑在土壤中吸水后溶脹能夠降低土壤容重，顯著提高土壤最大持水量，同時施用保水劑使前3天土壤水分蒸發(fā)率顯著降低，且水分蒸發(fā)抑制效果隨用量增加而顯著增強(qiáng)，改善土壤的水分保蓄能力。

（2）水分脅迫抑制冬小麥幼苗干物質(zhì)量積累和根系生長，且根系活力隨水分脅迫程度的增強(qiáng)而降低。中度水分脅迫（40%～50%田間持水量）下，施用0.4%w/w SAP冬小麥總根長提高24.7%，根系活力提高43.5%，說明施用保水劑能夠有效緩解水分脅迫對冬小麥根系生長的抑制效應(yīng)。

圖5 各處理冬小麥根系活力

4 討論

良好的土壤水分保蓄能力是實現(xiàn)旱地農(nóng)田作物水分高效利用的保障[13]。本研究結(jié)果表明，施用SAP顯著提高了土壤最大吸水量，降低了前期土壤水分蒸發(fā)速率（圖2）。這主要與SAP自身具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以通過吸附作用吸水，同時含有的大量羧基、酰胺基及羥基等親水基團(tuán)能夠與水分子結(jié)合形成氫鍵，實現(xiàn)水分的吸收[14]。在土壤水分較為充足時，水分很容易進(jìn)入SAP內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，在作物根系周圍迅速吸水膨脹形成一個“微型水池”[15]，減少了土壤水分的蒸發(fā)或阻礙水分向深層土壤運(yùn)移，將水分更多的截留在作物根系周圍，提高土壤水分的保蓄能力。同時，SAP吸水溶脹之后體積增大（圖2），降低了土壤容重（圖3），提高水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量[16]，通過改變土壤物理性狀來影響土壤水分的時空分布，從而增強(qiáng)土壤水分的保蓄能力。當(dāng)土壤水分因土表蒸發(fā)或者植物根系吸水減少時，SAP所存儲的水分又能夠緩慢釋放出來供作物根系吸收利用[17]。此外，由于SAP為秸稈纖維素與丙烯酸接枝共聚物，具有半互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其吸水后溶脹形成具有一定強(qiáng)度的水凝膠。當(dāng)凝膠中的水分釋放后，只要分子鏈未被完全分解，其仍能進(jìn)行反復(fù)吸水[18]。因此，通過SAP在土壤中反復(fù)的快速吸水-緩慢釋水能夠提高農(nóng)業(yè)用水的有效性。

根系是冬小麥吸收水分和養(yǎng)分的最主要途徑，也是感受土壤水分脅迫的最直接器官[19]。本研究結(jié)果表明，水分脅迫抑制了冬小麥根長和根系比表面積（表3），增加了根系平均直徑，降低了細(xì)根數(shù)量，這與井大煒[20]等的研究結(jié)果相一致。但也有研究認(rèn)為水分脅迫不僅不會抑制作物根系的正常生長，反而能夠促進(jìn)玉米根長和根系比表面積增加，從而有利于植株抗旱[21]。施用SAP提高了中度水分脅迫下冬小麥根系總長度、總表面積和根尖數(shù)（表3），說明施用SAP能夠有效緩解水分脅迫對冬小麥根系生長的抑制作用，有利于擴(kuò)大根系對養(yǎng)分和水分的吸收空間。但也有研究表明，保水劑吸水產(chǎn)生的糊狀凝膠會造成局部土壤水分含量過高，降低了土壤透氣性，造成根系因缺氧而腐爛[22]，進(jìn)一步影響植物正常生長發(fā)育。SAP除能夠通過提高土壤水分保蓄能力促進(jìn)作物根系正常生長外，還能夠通過減少土壤水分的地表徑流或深層滲漏，降低土壤溶液中養(yǎng)分損失[4,11]。同時，SAP表面豐富的羧基、酰胺基及羥基等基團(tuán)還能夠有效吸附土壤溶液中的氮、鉀等營養(yǎng)元素，促進(jìn)冬小麥根系的生長[23,24]。同時，本研究結(jié)果表明在水分充足供水條件下，施用SAP同樣有利于根系的生長（表3），這與保水劑吸水膨脹后能明顯改善土壤物理性質(zhì)，尤其是能顯著提高毛管孔隙度，保水劑對土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成的促進(jìn)作用等都為冬小麥根系生長創(chuàng)造了良好條件[25]。因此，玉米秸稈基纖維素保水劑可以提高土壤水分保蓄能力，在緩解水分脅迫對冬小麥生長造成的危害，改善冬小麥根系生理特性等方面具有積極作用。

表3 不同處理冬小麥幼苗根系