新型復合保水劑對干旱脅迫下小麥幼苗生長和生理特性的影響

董成武，張葉子，石 巖

（青島農業大學旱作技術山東省重點實驗室，山東 青島 266109）

干旱問題是制約我國農業發展的重要因素［1］，土壤保水劑的開發為水資源高效利用提供了一條有效途徑［2］。保水劑（SAP）是一種吸水性很強的新型高分子聚合物，能迅速吸收并保持自身質量數百倍乃至數千倍的水分，在干旱情況下又可將水分緩慢釋放供作物利用。新型復合保水劑由凹凸棒石、稀土、生物炭和膨潤土等材料按照一定比例混合制成，稀土能提高干旱脅迫下小麥的滲透調節能力，誘導葉片葉綠素合成，提高光合作用。凹凸棒石和膨潤土是國家鼓勵推廣并重點支持的新型農用制品，尤其是在北方小麥生產中，充分發揮其保水特點，對提高小麥水分利用效率有積極意義。

目前，關于保水劑的研究大都在保水劑類型和保水劑合成工藝方面。黃占斌等［3］研究表明，復合型保水劑促進植株的生長，這主要是由于復合型保水劑結構中含有利于植物生長的營養成分，如腐殖酸和稀土元素等。武毅等［4］研究表明，保水劑的用量主要影響了土壤中水分的含量，過少或者過多的施用反而會造成土壤水分過多或者過少。李志娟［5］研究表明，在施用保水劑情況下，添加膨潤土，與未添加膨潤土的處理相比，作物出苗率提高，保水劑仍具有良好的保水性，作物長勢較好。有研究表明，保水劑能促進植物的萌發、生長發育以及提高產量，它能夠改善土壤結構，促進團粒的形成［6-8］，但關于保水劑對小麥幼苗干旱脅迫下生理特征影響的研究未見報道。因此，通過小麥苗期干旱脅迫試驗探究新型復合保水劑對干旱脅迫下小麥幼苗抗旱生理指標及光合特性的影響，可為新型復合保水劑在小麥抗旱栽培中的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2018年11月12日至12月7日進行。供試小麥品種為煙農999。新型復合保水劑由稀土（5%）、凹凸棒黏土（55%）、生物炭（10%）、膨潤土（30%）構成。凹凸棒黏土是甘肅臨澤天然凹凸棒土；生物炭由鞏義市北山口創美氧化鋁廠生產；稀土（0.045 mm）由山東德盛新材料有限公司生產；膨潤土由廣州澤丹鹿貿易有限公司生產，試驗中用到的其它試劑皆為分析純。

新型復合保水劑的制備：稱取一定量的丙烯酸，按照70%的中和度，加入所需量的氫氧化鈉溶液，將氫氧化鈉溶液在冰水浴的條件下滴加到混合液中，在反應釜中攪拌使其充分溶解，再加入適量的凹凸棒石、稀土、生物炭和膨潤土，攪拌混合后再加入交聯劑過硫酸鉀，待交聯劑充分溶解后，稱取所需量的引發劑丙烯酰胺，待溶解后加入到混合物中，攪拌均勻后將反應釜置于一定溫度的水浴鍋中反應，待反應完全后取出成品，烘干并機械粉碎備用。

1.2 試驗設計

苗期干旱脅迫試驗在青島農業大學試驗基地（36.30°N，120.36°E）進行。試驗選用形態一致、大小相近、飽滿的小麥種子，播種于16 cm×11 cm塑料盆中。每盆裝入1.5 kg土壤，新型復合保水劑與土壤攪拌均勻，并均勻地鋪在盆中。試驗設置6個處理，分別為正常水分條件下CK（無保水劑）和S-CK（0.07 g/盆新型復合保水劑）、輕度干旱脅迫下D1（無保水劑）和S-D1（0.07 g/盆新型復合保水劑）、重度干旱脅迫下D2（無保水劑）和S-D2（0.07 g/盆新型復合保水劑）。每個處理6盆，每盆6株小麥，播種深度2 cm，澆定量的蒸餾水350 mL（田間持水量24%），稱重后置于光照培養箱（GZP-250A，北京九州）中，光照度20000 lx，光照14 h，溫度25℃和暗處理10 h，溫度20℃條件下開始培養。于小麥幼苗培育期間進行干旱處理，每隔2 d用稱重法并根據TDR水分測定儀測定的土壤含水量補充一次水分，保證土壤的相對含水量保持在75%、55%、35%，為后續試驗提供不同的脅迫條件。在小麥發芽后停止補充水分，以此研究新型復合保水劑在不同干旱程度下，吸水、釋水對小麥幼苗的影響。試驗于小麥三葉期開始相關指標的測定。試驗設計見表1。

表1 苗期干旱脅迫試驗設計

1.3 測定項目及方法

1.3.1 新型復合保水劑的吸水倍率及失水率

稱取1 g新型復合保水劑于燒杯中，加入1000 mL蒸餾水，每隔一定時間測定樣品的吸水量，直至飽和。將100 g吸水飽和的新型復合保水劑平鋪于表面皿，放到室內讓其自然蒸發，每天稱重，記錄新型復合保水劑水分蒸發后的質量。

1.3.2 幼苗根、莖長和葉片相對含水量

于小麥三葉期，將小麥幼苗植株沖洗干凈，用電子游標卡尺測量小麥幼苗根、莖長，每個處理重復12次。同時，取最新完全展開的葉片，先測定葉片鮮重（FW），然后將葉片置于4℃完全黑暗的環境中吸水6 h后測定飽和重（TW），再將葉片置于60℃烘箱48 h后測定干重（DW），最后用以下公式進行計算葉片相對含水量（RWC）：RWC（%）＝（FW-DW）／（TW-DW）×100

1.3.3 抗旱生理指標

于小麥三葉期，取小麥新鮮葉片，測定其滲透調節物質和抗氧化物質。可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250染色法；脯氨酸含量采用茚三酮法；可溶性多糖含量采用蒽酮比色法；丙二醛（MDA）含量測定采用硫代巴比妥酸（TBA）法；超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）活性測定分別采用氮藍四唑（NBT）法和高錳酸鉀滴定法；過氧化物酶（POD）活性測定采用愈創木酚比色法；抗壞血酸（ASA）采用2，6-二氯酚靛酚滴定法；脫氫抗壞血酸（DHA）含量采用2，6-二氯酚靛酚滴定法。以上指標均參考肖家欣［9］的實驗方法。還原型谷胱甘肽（GSH）含量采用5，5-二硫二硝基苯甲酸（DTNB）法［10］。每個指標重復測定3次。

1.3.4 光合特性指標

于小麥三葉期，采用隨機取樣法，每個處理隨機選取3株小麥葉片，每株選取1片葉片，重復3次。光合特性采用LI-6400便攜式光合儀（美國LI-COR公司）測定。多次重復取平均值。

1.3.5 光合色素含量

小麥葉片葉綠素含量測定通過丙酮研磨，用分光光度計測出葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素及葉綠素總量的含量［9］。

1.4 數據處理

所有試驗數據采用Excel 2016、SPSS 17.0進行計算、繪圖及統計分析。

2 結果與分析

2.1 新型復合保水劑的吸水速率以及失水率

由圖1可以看出，新型復合保水劑在140 min之前吸水倍率迅速上升，在140 min之后吸水倍率逐漸穩定在250倍左右。根據圖2所示，在自然狀態下，新型復合保水劑在10 d之前失水率逐漸上升，在10 d時達到59%，在10 d后失水趨勢逐漸穩定。根據新型復合保水劑吸水、釋水的曲線可以得出，本試驗在停止補充水分后，新型復合保水劑緩慢釋放水分，促進小麥幼苗的生長，未施用保水劑的處理生長則會受到抑制；在受到干旱脅迫的一定時間內，施用新型復合保水劑可以保證小麥幼苗的正常生長，但超過10 d，小麥幼苗生長可能會受到抑制。

2.2 新型復合保水劑對干旱脅迫下小麥幼苗根、莖長和葉片相對含水量的影響

由表2可以看出，隨著干旱程度的增加，根長、莖長呈現出逐漸下降的趨勢。未施加新型復合保水劑的處理隨著干旱程度的增加，3個處理之間呈現出顯著差異。施加新型復合保水劑的處理，在輕度干旱條件下與正常水分條件下的根長無顯著性差異，但兩者與重度干旱條件下存在顯著性差異。干旱脅迫程度越高，葉片相對含水量越低。干旱脅迫條件下，施加新型復合保水劑的處理與未施加新型復合保水劑的處理兩者之間的葉片相對含水量存在顯著性差異。

表2 新型復合保水劑對干旱脅迫下小麥幼苗根、莖長和葉片相對含水量的影響

2.3 新型復合保水劑對干旱脅迫下小麥幼苗光合特性的影響

由表3可以看出，凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率隨著干旱程度的增加均呈現出下降的趨勢。在同一水分條件下，S-CK與CK的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率存在顯著性差異，并且相較于CK分別提高了19.00%、17.54%、9.06%和11.58%。S-D1與D1各性狀之間也存在顯著性差異，凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率分別提高了33.85%、47.73%、20.87%和32.88%。S-D2與D2之間的蒸騰速率無顯著性差異，但是凈光合速率、氣孔導度和胞間CO2濃度存在著顯著性差異，且分別提高了34.04%、58.82%和16.88%。說明了施用新型復合保水劑可以提高小麥幼苗的光合作用，在一定的干旱脅迫下，可以保證小麥幼苗的正常生長。施用新型復合保水劑后，S-D1與S-CK之間的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率無顯著性差異，但是兩者與S-D2存在顯著性差異，說明了新型復合保水劑在輕度干旱條件下可以保證小麥幼苗的生長，但在重度干旱條件下則無法減輕干旱對于小麥幼苗的危害。

表3 新型復合保水劑對干旱脅迫下小麥幼苗光合特性的影響

2.4 新型復合保水劑對干旱脅迫下小麥幼苗葉片光合色素含量的影響

由表4可知，隨著干旱程度的增加，葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素的含量呈現出先上升后下降的趨勢。說明了在輕度干旱條件下，小麥幼苗的葉綠素含量會適量提高；但在重度干旱條件下，小麥幼苗的葉綠素含量則出現下降的情況。同一水分條件下，施用新型復合保水劑處理葉綠素a的含量明顯提高，S-CK、S-D1和S-D2分別提高了24.54%、13.96%和14.58%。同時葉綠素b含量也是明顯提高，與未施用新型復合保水劑的處理存在顯著性差異。在同一水分條件下，施用新型復合保水劑的處理表現出類胡蘿卜素的含量顯著高于未施用新型復合保水劑的處理。說明了施用新型復合保水劑后，在輕度干旱條件下可以顯著提高小麥幼苗葉綠素含量，進一步促進小麥的光合作用。

表4 新型復合保水劑對干旱脅迫下小麥幼苗葉片光合色素含量的影響 （mg/g FW）

2.5 新型復合保水劑對干旱脅迫下小麥幼苗抗旱生理指標的影響

2.5.1 新型復合保水劑對滲透調節物質含量的影響

根據表5可知，隨著干旱脅迫程度的增加，脯氨酸、可溶性多糖、可溶性蛋白和丙二醛含量都呈現出逐漸上升的趨勢。在未施用新型復合保水劑的條件下，隨著干旱脅迫的增加，3個處理之間的脯氨酸、可溶性多糖、可溶性蛋白和丙二醛含量呈現顯著性差異。施用新型復合保水劑的條件下，S-CK與S-D1之間的脯氨酸、可溶性多糖和丙二醛含量并無顯著性差異，但兩者與S-D2之間存在顯著性差異。可溶性蛋白的含量在施用新型復合保水劑的情況下3個處理之間存在顯著性差異。在同一水分條件下，CK與S-CK兩者之間的脯氨酸、可溶性多糖、可溶性蛋白和丙二醛含量沒有顯著性差異。D1與S-D1兩者之間的脯氨酸、可溶性多糖、可溶性蛋白和丙二醛含量存在顯著性差異，并且S-D1比D1分別下降了30.42%、19.11%、19.24%和14.75%。D2與S-D2兩者之間的脯氨酸和丙二醛含量也存在顯著性差異，并且S-D2比D2分別下降了18.88%和4.24%。說明干旱脅迫下，施用新型復合保水劑可以明顯減輕小麥幼苗受到的干旱脅迫。

表5 新型復合保水劑對干旱脅迫下小麥幼苗滲透調節物質含量的影響

2.5.2 新型復合保水劑對抗氧化酶活性的影響

由表6可知，隨著干旱程度的增加，SOD、POD和CAT活性呈現出先上升后下降的趨勢。在輕度干旱時，三者的活性均呈現出最大值，在重度干旱的情況下，三者的活性表現為最小值。在同一水分條件下，S-CK要比CK的SOD、POD和CAT活性高，且存在顯著性差異，分別提高了7.07%、16.78%和16.91%。S-D1的SOD、POD和CAT活性比D1提高了15.77%、31.60%和26.11%。S-D2與D2之間的SOD、POD和CAT活性存在顯著性差異，且分別顯著提高了4.73%、23.51%和17.27%。說明施用新型復合保水劑可以顯著提高小麥幼苗的抗氧化酶活性，對外界干旱具有較好的抗逆效應。

2.5.3 對抗氧化物質含量的影響

由表6可以看出，隨著干旱程度的逐漸增加，小麥幼苗葉片中的ASA、GSH含量基本呈現出先上升后下降的趨勢。說明輕度干旱情況下，小麥幼苗可以增加ASA、GSH含量從而清除體內過多的活性氧；重度干旱情況下，小麥受到的損傷嚴重，不能產生足夠的ASA、GSH，無法緩解受到的干旱脅迫。同一水分條件下，S-CK與CK的ASA、GSH含量存在顯著性差異，并且明顯提高，分別提高了5.72%、12.42%。S-D1與D1相比，ASA、GSH含量顯著提高，2個處理之間存在顯著性差異，S-D1比D1的ASA、GSH含量分別提高了36.81%和17.39%。S-D2與D2相比，ASA、GSH含量同樣是顯著提高，且存在顯著性差異，兩者含量分別提高了15.26%和17.29%。說明施用新型復合保水劑后，可以有效提高小麥幼苗內的ASA、GSH含量，從而提高小麥干旱脅迫下對過多活性氧的清除能力。

表6 新型復合保水劑對干旱脅迫下小麥幼苗抗氧化酶活性及抗氧化物質含量的影響

3 討論

新型復合保水劑能夠吸收水分，然后在土壤水分虧缺時緩慢釋放水分，以保證植株在干旱條件下能夠進行正常的生理代謝活動。葉片相對含水量的大小說明了在干旱脅迫后小麥的水分虧缺情況。李中陽等［11］研究表明保水劑可以促進根系生長。在本試驗中，輕度干旱脅迫下施用新型復合保水劑后可以明顯提高小麥幼苗中葉片的相對含水量，從而降低干旱脅迫對小麥幼苗的損傷。根、莖長是小麥植株應對干旱脅迫的一種外部形態表現形式［12］。在干旱條件下，根、莖長都會出現相應的變化，兩者的伸長生長是對干旱脅迫最敏感的過程之一。在本試驗中，輕度干旱條件下施用新型復合保水劑后明顯提高了小麥幼苗的根、莖長，從而提高小麥根系對于水分的吸收，促進小麥幼苗的生長發育。李柯妮等［13］研究表明，適量保水劑的施用會促進植物根的生長，提高葉片相對含水量。

光合作用在小麥干物質積累及產量形成過程中有著密不可分的作用。在干旱條件下，小麥幼苗的光合作用會受到抑制，從而影響植物的生長［14］。本試驗中，輕度干旱脅迫條件下，施用新型復合保水劑后提高了小麥幼苗凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率。重度干旱脅迫下，小麥的光合特性受到了抑制，施用新型復合保水劑后也無法保證小麥的干物質積累。葉綠素含量與光合作用密不可分，因此在干旱脅迫中，葉綠素含量也是抗旱的重要指標之一［15］。葉綠素含量越高說明小麥抗旱能力越高，也會促進小麥的光合作用。在本試驗中，小麥幼苗葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素在輕度干旱條件下，會有一定程度的增加；在重度干旱條件下，葉綠素含量則會下降，無法維持正常的光合作用。輕度干旱條件下，施用新型復合保水劑后能夠提高葉綠素含量，促進小麥幼苗的光合作用，減少干旱脅迫對小麥干物質積累的影響。楊永輝等［16］研究表明，施用保水劑后小麥光合作用和葉綠素含量得到了顯著提高。羅華等［17］在生菜中的試驗也表明保水劑能夠增加葉綠素含量（SPAD值）。

干旱脅迫條件下，小麥植株體內的活性氧會迅速增加，加劇小麥細胞膜脂過氧化反應的進行。因此植株體內會產生應激反應，保護酶系統會產生一系列的抗氧化酶來減少這些有毒物質，保證小麥的正常代謝反應［18］。在本試驗中，輕度干旱脅迫下施用新型復合保水劑后，提高了小麥幼苗中SOD、POD和CAT活性，降低了小麥幼苗內活性氧等物質，減輕了小麥膜脂的損傷，這與李佳等［19］在檳榔幼苗中的試驗結果一致。但在重度干旱脅迫下，抗氧化酶活性則無法保證小麥的正常生長發育。抗壞血酸-谷胱甘肽循環在小麥中有著重要的抗逆作用，兩者具有維持小麥正常生理代謝的作用［20］。在輕度干旱脅迫下，施用新型復合保水劑后，抗壞血酸、谷胱甘肽的含量與未施用新型復合保水劑的處理具有顯著性差異。施用新型復合保水劑可以提高抗壞血酸、谷胱甘肽的含量，促進抗壞血酸-谷胱甘肽循環在干旱脅迫下的有序進行。滲透調節物質在小麥干旱脅迫下會有一定程度的增加，進而影響小麥生理活動的正常進行［21］。在本試驗中，輕度干旱脅迫下，施用新型復合保水劑后會適當降低滲透調節物質的含量，從而減輕干旱脅迫帶來的損害。施用新型復合保水劑后，脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白和丙二醛含量在輕度干旱與正常水分條件下無顯著性差異，明顯降低了輕度干旱條件帶來的影響。

4 結論

綜上所述，新型復合保水劑在輕度干旱條件下可以有效減緩小麥的衰老，提高小麥的光合作用，從而保證小麥正常的生理活動。在輕度干旱脅迫條件下，施用新型復合保水劑后，能夠顯著提高小麥光合作用、抗氧化酶活性，降低干旱對小麥幼苗的影響。但是在重度干旱脅迫條件下，施用新型復合保水劑之后，無法保證小麥幼苗正常生理活動的進行，小麥幼苗的生長還是會受到抑制。