保水劑對(duì)發(fā)酵床墊料栽培基質(zhì)性狀及小白菜生長(zhǎng)的影響

盧信　劉麗珠　范如芹　張振華　羅佳　嚴(yán)少華

摘要：將不同用量的淀粉接枝聚丙烯酸鹽（SAP1）、聚丙烯酸鈉/丙烯酰胺（SAP2）這2種常見保水劑添加到養(yǎng)豬發(fā)酵床墊料基質(zhì)中，以臺(tái)灣小白菜為研究對(duì)象，考察發(fā)酵床墊料基質(zhì)理化性狀和對(duì)小白菜生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明，添加保水劑的基質(zhì)能較長(zhǎng)時(shí)間保持相對(duì)濕潤(rùn)的狀態(tài)，且隨保水劑用量從0.3%增加到0.9%的效果更加明顯；高濃度保水劑（0.9%）可使基質(zhì)容重升高、孔隙度降低、pH值及EC值增大，導(dǎo)致小白菜出苗率降低；SAP1添加量為0.6%時(shí)，不僅能顯著提高發(fā)酵床墊料基質(zhì)的持水量，且栽培基質(zhì)符合理想的pH值、EC值范圍，基質(zhì)容重顯著降低，有效調(diào)節(jié)基質(zhì)的通氣孔隙度，改善作物根際環(huán)境，小白菜產(chǎn)量達(dá)到1 357 g/盤，較對(duì)照有顯著提高（P<0.05）。

關(guān)鍵詞：發(fā)酵床墊料；基質(zhì)；小白菜；高吸水性樹脂；保水劑；容重；孔隙度

中圖分類號(hào)： S634.304 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2017）19-0196-04

收稿日期：2017-02-23

基金項(xiàng)目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號(hào)：CX（15）1003-6]。

作者簡(jiǎn)介：盧 信（1978—），女，廣西都安人，博士，副研究員，主要從事現(xiàn)代農(nóng)藝與土壤修復(fù)研究。E-mail：lxdeng@126.com。

通信作者：張振華，博士，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用及土壤改良與修復(fù)研究。E-mail：zhenhuaz70@hotmail.com。 生態(tài)環(huán)保發(fā)酵床養(yǎng)豬技術(shù)的推廣應(yīng)用不僅解決了養(yǎng)豬場(chǎng)周邊的環(huán)境污染難題，而且以粉碎的秸稈作為墊料也開辟了秸稈資源化利用的新途徑，有助于減輕每年夏收和秋冬之際農(nóng)村地區(qū)大量焚燒小麥、玉米等秸稈而造成的大氣污染和資源浪費(fèi)問題。以廢棄的養(yǎng)豬發(fā)酵床墊料為原料之一，輔以蛭石、泥炭等有機(jī)、無機(jī)材料制作蔬菜栽培基質(zhì)已獲得成功，不僅解決了環(huán)境污染問題，而且實(shí)現(xiàn)了資源的循環(huán)利用，提高了經(jīng)濟(jì)附加值[1]。然而，在蔬菜生產(chǎn)過程中，養(yǎng)豬發(fā)酵床墊料基質(zhì)的保水性能往往較差，夏季容易干燥而造成臺(tái)灣小白菜等高需水型蔬菜萎蔫失水而影響其產(chǎn)量及品質(zhì)，因此，篩選出適合的保水劑品種并確定其添加量尤為迫切。

高吸水性樹脂（super absorbent polymer，SAP）別稱保水劑，是近30年來逐漸發(fā)展起來的一種新型高分子材料，具有特殊的物理結(jié)構(gòu)和大量親水基團(tuán)，能夠迅速吸收相當(dāng)于自身質(zhì)量幾十倍乃至幾千倍的液態(tài)水，且不易失水，保水性能極強(qiáng)，在農(nóng)、林、醫(yī)藥、污水處理等各行業(yè)被廣泛應(yīng)用。近年來，有關(guān)保水劑的研究報(bào)道多見于土壤栽培中，有研究表明，SAP能使土壤含水率顯著增加，土壤孔隙度提高，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥料利用效率，具有明顯的增產(chǎn)作用[2-4]，而相比之下，無土基質(zhì)栽培中保水劑的應(yīng)用研究相對(duì)缺乏[5-6]。本研究針對(duì)養(yǎng)豬發(fā)酵床墊料基質(zhì)保水性能較差的缺點(diǎn)，考察2種常見的不同類型保水劑對(duì)發(fā)酵床墊料基質(zhì)理化性狀的影響，篩選出具有良好抗旱節(jié)水效果、有利于栽培作物生長(zhǎng)的保水劑品種及其最佳添加量，為減少基質(zhì)栽培人工成本、提高農(nóng)業(yè)用水利用率及蔬菜產(chǎn)量提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

養(yǎng)豬發(fā)酵床墊料由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合基地有機(jī)肥廠提供，是基于水稻秸稈的豬圈發(fā)酵床墊料圈內(nèi)自然腐解2年，并經(jīng)過再次堆肥1個(gè)月制成；木薯渣、蛭石、泥炭，購于南京市花卉苗木市場(chǎng)；市面上常用的2種不同類型保水劑SAP1-淀粉接枝丙烯酸鹽共聚交聯(lián)物（S1）、SAP2-丙烯酸鈉/丙烯酰胺交聯(lián)型共聚物（S2），分別購自河北省任丘市金豐化工產(chǎn)品有限公司、任丘市潤(rùn)達(dá)化工產(chǎn)品有限公司；試驗(yàn)蔬菜品種為臺(tái)灣小白菜，種子由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所提供。

試驗(yàn)基質(zhì)配方為發(fā)酵床墊料 ∶木薯渣 ∶蛭石 ∶泥炭=2 ∶3 ∶3 ∶2（體積分?jǐn)?shù)），配好的基質(zhì)總氮、總磷、總鉀養(yǎng)分含量分別為14.5、3.7、16.5 g/kg，速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為1.7、1.4、5.9 g/kg，pH值為7.0，EC值為3.2 mS/cm。基質(zhì)拌勻后裝袋，置于陰涼處放置平衡1周；移栽前，將保水劑與基質(zhì)拌勻裝盆，每盆裝基質(zhì)2.2 kg；同時(shí)，取樣測(cè)定不同保水劑添加比例下基質(zhì)的基本理化性質(zhì)，包括容重、總孔隙度、通氣孔隙度、pH值、EC值、速效養(yǎng)分等。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2016年8月中旬在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院日光溫室進(jìn)行，采用長(zhǎng)、寬、高分別為54、28、5 cm，平盤、底部無漏水孔的育苗盤種植小白菜，9月中旬收獲。將SAP分別添加到準(zhǔn)備好的基質(zhì)中，混勻；將種子點(diǎn)播于育苗盤中，每盤50粒種子，置于溫室大棚內(nèi)隨機(jī)區(qū)組擺放，觀察并記錄小白菜出苗率；待小白菜苗齡約15 d時(shí)，每盤留取大小均勻一致的小白菜幼苗32株，并選取大小長(zhǎng)勢(shì)均勻的多余幼苗移栽到出苗率差的處理中，同樣每盤32株。試驗(yàn)設(shè)7個(gè)保水劑處理，分別為：不加保水劑（CK）、基質(zhì)添加0.3% SAP1（0.3% S1，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）、0.6% SAP1（0.6% S1）、0.9% SAP1（0.9% S1）、0.3% SAP2（0.3% S2）、0.6% SAP2（0.6% S2）、0.9% SAP2（0.9% S2），每個(gè)保水劑處理又給予正常供水（N）、缺水（D）2個(gè)供水頻率，共14個(gè)處理，每處理3盤，隨機(jī)區(qū)組排列。正常供水為無保水劑添加基質(zhì)田間持水量的80%，即464%。待小白菜幼苗緩苗1周，N處理為每2 d澆水1次，每次2 L；D處理為每3 d澆水1次，每次2 L。小白菜生長(zhǎng)成熟期進(jìn)行收獲，測(cè)定其產(chǎn)量。

1.3 測(cè)定內(nèi)容和方法

添加不同比例SAP的基質(zhì)與去離子水按1 ∶5比例混合攪拌，靜置，用pH計(jì)、EC計(jì)進(jìn)行測(cè)定pH值、EC值。容重、總孔隙度、通氣孔隙度等指標(biāo)參照澳大利亞基質(zhì)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)[7]進(jìn)行測(cè)定，具體為：取已知體積和質(zhì)量的基質(zhì)浸入去離子水中充分吸水，重力排水，反復(fù)3次以確保基質(zhì)吸水飽和，重力排水 30 min，測(cè)定其體積及質(zhì)量；烘箱中105 ℃烘干1周，稱質(zhì)量；根據(jù)測(cè)得的質(zhì)量及體積計(jì)算容重、總孔隙度、通氣孔隙度值[8]。為研究SAP對(duì)基質(zhì)失水特征的影響，取相同質(zhì)量的各處理基質(zhì)，加水至飽和，排除重力水，稱質(zhì)量；恒溫烘箱中 40 ℃ 脫水，分別于4、8、12、16、20、24、28、32、36、44、52 h稱質(zhì)量，計(jì)算基質(zhì)含水量。將基質(zhì)樣品風(fēng)干，磨碎，經(jīng)硫酸和過氧化氫消煮，分別采用凱氏定氮儀、鉬銻抗比色法、火焰光度計(jì)、堿解擴(kuò)散-稀硫酸滴定法測(cè)定全氮、全磷、全鉀、速效氮含量，采用碳酸氫鈉浸提、鉬銻抗比色法測(cè)定速效磷含量，采用醋酸銨浸提、火焰光度法測(cè)定速效鉀含量。endprint

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，采用Duncans新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同保水劑處理對(duì)基質(zhì)基本性狀的影響

2.1.1 含水量 由圖1可見，添加保水劑的基質(zhì)初始持水量均明顯高于對(duì)照（CK）；隨SAP添加量從0.3%增加到0.9%，添加S1的基質(zhì)初始含水量由130%增加到156%，而添加S2的基質(zhì)初始含水量由126%增加到143%；同樣添加量條件下，添加S1的基質(zhì)初始含水量明顯高于添加S2的基質(zhì)，表明淀粉基型保水劑（S1）的保水性優(yōu)于聚丙烯酸鹽型保水劑（S2）；未添加保水劑的基質(zhì)水分損失相對(duì)最快，56 h時(shí)水分損失達(dá)97.7%；對(duì)添加同一SAP而言，隨SAP添加量的增加，基質(zhì)水分損失呈下降趨勢(shì)，添加S1的基質(zhì)水分損失依次分別為91.3%、85.2%、83.4%，添加S2的基質(zhì)水分損失依次分別為96.1%、92.2%、86.8%。添加保水劑的基質(zhì)能較長(zhǎng)時(shí)間保持相對(duì)濕潤(rùn)的狀態(tài)，且隨保水劑用量的增加，保水效果更加明顯；SAP1的保水性能要明顯優(yōu)于SAP2。

2.1.2 基質(zhì)容重、孔隙度 由圖2可見，添加不同SAP的基質(zhì)，其容重、總孔隙度、通氣孔隙度發(fā)生不同程度的變化，容重在0.25～0.29 g/cm3之間，總孔隙度在67.6%～76.3%之間，通氣孔隙度在12.9%～15.3%之間；SAP2添加量為 0.6%、0.9%時(shí)，其基質(zhì)總孔隙度顯著低于對(duì)照（P<0.05），而其他處理與CK相比差異不顯著（P>0.05）；與CK相比，添加低濃度SAP（0.3% S1、0.6% S1、0.3% S2）具有顯著降低基質(zhì)容重的作用（P<0.05）；SAP用量不是越大越好，過高用量反而影響基質(zhì)的通氣性。

2.1.3 pH值與EC值 由圖3可見，添加SAP對(duì)基質(zhì)pH值、電導(dǎo)率（EC）有較大影響；除0.3% S1處理的基質(zhì)pH值較CK有顯著降低（P<0.05）外，其他處理的基質(zhì)pH值與CK相比有顯著增加（P<0.05）；對(duì)同一SAP而言，隨SAP添加量的增加，pH值有顯著升高（P<0.05）；添加S2對(duì)pH值的影響要小于S1；與CK相比，添加SAP可顯著提高基質(zhì)的EC值；添加SAP1的基質(zhì)，其0.9% S1處理的基質(zhì)EC值相對(duì)最大，顯著高于0.3% S1、0.6% S1處理（P<0.05），其中 0.6% S1處理的基質(zhì)EC值相對(duì)最??；隨SAP添加量的增加，添加SAP2的基質(zhì)電導(dǎo)率逐漸升高，但0.9% S2與0.6% S2處理的基質(zhì)EC值相互間差異不顯著（P>0.05）。

2.2 不同保水劑處理對(duì)基質(zhì)速效養(yǎng)分的影響

由表1可見，基質(zhì)中添加保水劑雖然不會(huì)改變基質(zhì)本身的總養(yǎng)分含量，但對(duì)各養(yǎng)分的有效性產(chǎn)生一定的影響；與CK相比，添加2種保水劑的基質(zhì)其速效氮含量多顯著增加（P<0.05）， 對(duì)速效磷、 速效鉀的影響差異不顯著（P>0.05）； 隨SAP1添加量從0.3%增加到0.9%，基質(zhì)中速效氮的含量從2.04 g/kg增加到3.07 g/kg，呈顯著的劑量效應(yīng)（P<0.05）；

SAP2添加量從0.3%增加到0.9%，基質(zhì)中速效氮的含量雖明顯高于CK，但相互間差異不顯著（P>0.05）。

2.3 不同保水劑處理對(duì)小白菜生長(zhǎng)的影響

2.3.1 對(duì)小白菜出苗率的影響 由圖4可見，CK、0.3% S1、0.3% S2、0.6% S2、0.9% S2基質(zhì)的小白菜出苗率相互間差異不顯著（P<0.05），且出苗率在95%以上，SAP2不同添加量對(duì)小白菜的出苗率沒有顯著影響；隨SAP1用量的增加，小白菜出苗率顯著下降（P<0.05），0.6% S1、0.9% S1基質(zhì)的出苗率分別僅為55%、20%，顯著低于CK（P<0.05）。

2.3.2 對(duì)小白菜產(chǎn)量的影響 由圖5可見，正常澆水處理下，基質(zhì)中未添加保水劑（CK）的小白菜產(chǎn)量為1 142 g/盤，添加SAP1為0.3%、0.9%時(shí)的基質(zhì)對(duì)小白菜產(chǎn)量無顯著影響（P>0.05），SAP1添加量為0.6%時(shí)的小白菜產(chǎn)量為 1 357 g/盤，顯著高于對(duì)照18.8%（P<0.05）；基質(zhì)中添加SAP2對(duì)小白菜產(chǎn)量非但沒有促進(jìn)作用，反而產(chǎn)生了不良影響，0.6% S2、0.9% S2處理的小白菜產(chǎn)量分別為930、1 025 g/盤，比CK略低但差異不顯著（P>0.05），而添加03% S2處理的小白菜產(chǎn)量?jī)H為799 g/盤，顯著低于CK（P<0.05）。

缺水條件下，CK、0.3% S1、0.3% S2、0.6% S2、0.9% S2處理在第3 d午后小白菜出現(xiàn)明顯萎蔫現(xiàn)象，而添加0.6% S1、0.9% S1處理的小白菜植株生長(zhǎng)狀況仍然良好，并未出現(xiàn)萎蔫；無論是否添加保水劑，缺水處理均使小白菜的產(chǎn)量較相應(yīng)正常澆水處理有明顯降低。由圖5可見，缺水條件下，CK、0.3% S1、0.6% S1、0.9% S1、0.3% S2、0.6% S2、0.9% S2處理的小白菜產(chǎn)量分別比正常澆水條件下降低19.7%、19.6%、22.3%、19.2%、16.7%、14.8%、18.9%；基質(zhì)中未添加保水劑處理（CK）的小白菜產(chǎn)量為917 g/盤，除0.3% S2、0.6% S1處理外，其他處理的小白菜產(chǎn)量與CK處理差異不顯著（P>0.05）；S1添加量為0.6%時(shí)，小白菜產(chǎn)量達(dá) 1 038 g/盤，比CK顯著增加13.2%（P<0.05）。

3 結(jié)論與討論

與未添加保水劑的基質(zhì)（CK）相比，添加0.3%、0.6%淀粉接枝丙烯酸鹽共聚交聯(lián)物（SAP1）、0.3%丙烯酸鈉/丙烯酰胺交聯(lián)型共聚物（SAP2）的基質(zhì)容重有顯著降低（P<0.05），此時(shí)基質(zhì)容重更接近作物生長(zhǎng)的最佳容重范圍[9]。李謙盛等認(rèn)為，總孔隙度在70%～90%之間、通氣孔隙在15%～30%之間的基質(zhì)相對(duì)為佳[10]。本研究中，除SAP2添加量為0.6%、0.9%時(shí)會(huì)顯著降低基質(zhì)的總孔隙度（P<0.05）外，其他處理的基質(zhì)總孔隙度約75%左右，與CK差異不顯著（P>0.05）；SAP1添加量為0.3%、0.6%及SAP2添加量為0.3%時(shí)的基質(zhì)通氣孔隙度為15%左右，與CK差異不顯著（P>0.05），而添加較高比例的保水劑會(huì)影響基質(zhì)的總孔隙度、通氣孔隙度，與范如芹等的研究結(jié)果[6]一致，這可能是基質(zhì)中加入保水劑，由于保水劑是一種高分子電解質(zhì)，分子間以復(fù)雜的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)交聯(lián)，與水接觸時(shí)，分子鏈無限長(zhǎng)延伸，分子表面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上的羧基、羥基等親水基團(tuán)電離而與水分子形成氫鍵，吸水膨脹使基質(zhì)含水量增加，液相比也隨之增加，基質(zhì)變得疏松，容重減小。本研究未添加保水劑的基質(zhì)（CK）本身性狀比較優(yōu)良，容重為0.29 g/cm3，相對(duì)比較小，在添加較高劑量保水劑條件下，保水劑親水基團(tuán)數(shù)量顯著增加，蓄水空間加大，持水量的增加幅度也較大，使基質(zhì)的質(zhì)量增加明顯，因而容重增加，孔隙度降低[11]。因此，在實(shí)際基質(zhì)栽培中，保水劑用量并不是越大越好，添加0.6% SAP1的基質(zhì)容重及孔隙特征較其他處理更適合作物生長(zhǎng)。endprint

本研究中，除SAP1添加量為0.9%的基質(zhì)pH值 8.08 偏高外，其他處理的基質(zhì)pH值在6.94～7.26之間，為中性略偏堿性，符合張秀麗提出的基質(zhì)最理想pH值范圍（6.0～75）[12]。EC值表示基質(zhì)內(nèi)部已電離的鹽類濃度，反映基質(zhì)中含有可溶性鹽類的量。本研究各處理的EC值在 3.22～430 mS/cm之間，根據(jù)Garcia-Gomez等提出的理想育苗基質(zhì)EC值范圍0.75～3.49 mS/cm[13]，7個(gè)處理中僅CK、SAP2添加量為0.3%的基質(zhì)EC值低于3.49，符合理想EC值范圍，其他處理EC值偏高，可能會(huì)影響作物的出苗。

不論淀粉接枝型還是聚丙烯酸鹽型保水劑，其最大持水量均隨添加量的增加而明顯升高；相應(yīng)地，水分損失量則表現(xiàn)出隨添加量增加而降低的趨勢(shì)，這由保水劑自身的高吸水性和緩慢釋水性能所導(dǎo)致的。添加保水劑的基質(zhì)在40 ℃恒溫脫水過程中一直保持隨保水劑含量增加、含水量相應(yīng)增加的特點(diǎn)，這充分說明添加保水劑具有明顯的延緩基質(zhì)水分蒸發(fā)、保持基質(zhì)水分的效果[14-15]。相同用量下，發(fā)酵床墊料基質(zhì)中添加SAP1比SAP2的持水性能要好，這可能是由于接枝共聚物的表面呈多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)使其具有較強(qiáng)的吸水功能[16]。此外，添加SAP1的基質(zhì)能有效增加速效氮含量，但對(duì)速效磷、速效鉀的影響不顯著，而添加SAP2對(duì)基質(zhì)養(yǎng)分沒有顯著影響（P>0.05）。

SAP1添加量為0.6%、0.9%時(shí)，雖然基質(zhì)保水性有明顯提高，但孔隙度降低、pH值及EC值過高，最終導(dǎo)致小白菜的出苗率顯著降低（P<0.05）；相比之下，添加SAP2的基質(zhì)保水性雖較差，但對(duì)pH值及EC值影響較小，即便添加量為 0.9% 時(shí)小白菜的出苗率也不受影響。移栽后正常澆水條件下，添加SAP1的發(fā)酵床墊料基質(zhì)種植的小白菜產(chǎn)量比未加保水劑有所增加，尤其添加量為0.6%時(shí)的小白菜產(chǎn)量比CK有顯著增加（P<0.05）；而基質(zhì)中添加SAP2則沒有增產(chǎn)效果，這可能是SAP2以聚丙烯酸鈉為主，其吸水速率雖然較高，但存在反復(fù)吸水能力較低、耐鹽性及凝膠強(qiáng)度不高等缺點(diǎn)[17]，而發(fā)酵床墊料基質(zhì)鹽分含量相對(duì)較高（EC值為 3.22 mS/cm），進(jìn)一步導(dǎo)致添加SAP2發(fā)酵床墊料基質(zhì)中小白菜生長(zhǎng)不佳，而添加SAP1雖然引起基質(zhì)EC值升高，用量 0.6% 以上不利于出苗，但移栽后小白菜耐鹽性顯著增強(qiáng)，其基質(zhì)EC值（3.53 mS/cm）仍在適合蔬菜生長(zhǎng)的EC值范圍[18]內(nèi)，加上基質(zhì)容重、孔隙度、持水性等有利影響逐漸顯現(xiàn)，最終使小白菜的產(chǎn)量增加。缺水條件處理的小白菜產(chǎn)量明顯低于正常澆水的，說明保水劑只能緩解干旱問題，不可能從根本上解決生產(chǎn)問題。

總之，淀粉接枝聚丙烯酸鹽保水劑添加量為0.6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，不僅能顯著提高發(fā)酵床墊料基質(zhì)的持水量，符合栽培基質(zhì)理想pH值、EC值范圍，而且可以顯著降低基質(zhì)的容重，有效調(diào)節(jié)基質(zhì)的松緊度，從而改善作物根際環(huán)境，有利于作物根系生長(zhǎng)，使小白菜產(chǎn)量提高。

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