李聰穎， 郝宏斌， 劉亞青

(中北大學(xué) 納米功能復(fù)合材料山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 山西 太原 030051)

0 引 言

干旱缺水一直是我國(guó)農(nóng)業(yè)面臨的一個(gè)重大問(wèn)題， 保水劑的研究為解決這一問(wèn)題提供了有效的途徑[1-2]. 被譽(yù)為“分子水庫(kù)”的保水劑(SAP)， 可以實(shí)現(xiàn)水分的重新吸收和釋放， 改善土壤的理化性質(zhì)， 減緩?fù)寥赖酿B(yǎng)分流失， 并減少農(nóng)作物的灌溉需求[3-5]. 目前， 大多保水劑是由丙烯酸、 丙烯酰胺等以石油為基礎(chǔ)的乙烯基單體聚合而成的， 降解性能差[6-7]， 會(huì)造成一系列土壤污染問(wèn)題， 這限制了該類保水劑在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用， 而可生物降解保水劑可以解決這些問(wèn)題. 可生物降解保水劑通常以可降解的天然親水性聚合物為原料， 通過(guò)與乙烯基單體交聯(lián)制備而成， 具有比較好的降解性能和保水性能， 且原料來(lái)源廣泛、 價(jià)格低廉， 符合可持續(xù)發(fā)展的要求[8-9]. 因此， 可生物降解保水劑在農(nóng)業(yè)方面的研究和應(yīng)用具有深遠(yuǎn)的意義.

可生物降解保水劑分為淀粉類和纖維素類[10]， 淀粉類保水劑的缺點(diǎn)是易發(fā)霉， 不易儲(chǔ)存， 而纖維素類保水劑在這一點(diǎn)上表現(xiàn)出優(yōu)越之處， 因此在農(nóng)業(yè)方面應(yīng)用更為廣泛. 羥乙基纖維素(HEC)作為纖維素衍生物的一種， 其大分子鏈上含有豐富的羥基， 相比于天然纖維素更容易被改性， 且能夠提高保水劑的吸水倍率[11]. 雖然大多學(xué)者利用HEC改性聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)制備保水劑(SAPHEC)， 并取得良好的效果[12]， 但將SAPHEC實(shí)際應(yīng)用于農(nóng)業(yè)方面的研究很少， 且HEC的添加量會(huì)對(duì)保水劑的性能產(chǎn)生影響， 進(jìn)而影響其在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用. 為此， 本文通過(guò)番茄盆栽實(shí)驗(yàn)研究了不同羥乙基纖維素含量的保水劑的吸水性能和降解特點(diǎn)， 以及對(duì)土壤含水量、 微生物學(xué)性狀、 理化性質(zhì)和番茄植株產(chǎn)量的影響， 為其在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 供試土壤

盆栽實(shí)驗(yàn)的土壤樣品來(lái)源于山西省太原市尖草坪區(qū)上蘭村0～20 cm的耕土地， 自然風(fēng)干后經(jīng)2 mm過(guò)篩使用. 土壤基本的理化性質(zhì)為砂粒 38%， 粉粒 50%， 粘粒 12%， pH為7.50， 電導(dǎo)率為450.23 μs/cm.

1.1.2 供試作物

盆栽實(shí)驗(yàn)所用的作物為番茄(晉番茄一號(hào)).

1.1.3 供試材料

丙烯酸(AA)， 丙烯酰胺(AM)、 氫氧化鉀(KOH)和過(guò)硫酸銨(APS)均購(gòu)自天津大茂化學(xué)試劑廠， 所有試劑為分析純. HEC購(gòu)自上海馬克林生化有限公司.

SAPHEC制備工藝是將5.0 g的AA， 2.0 g的AM和一定量的 HEC加入圓底燒瓶中， 加入20% KOH溶液調(diào)節(jié)AA的中和度為80%. 將0.021 g 的 APS加入燒瓶中， 在冰水中攪拌30 min. 將燒瓶置于55 ℃的水浴中， 混合溶液在氮?dú)鈿夥障路磻?yīng)4 h， 得到粘稠的產(chǎn)物.

1.2 試驗(yàn)方法

番茄盆栽試驗(yàn)于2019年5～9月在山西省太原市中北大學(xué)山西省高分子復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心進(jìn)行. 將45 kg的土壤裝入規(guī)格為60 cm×38 cm×28 cm的塑料箱中， 加入保水劑并與土壤均勻混合(其中6 g保水劑裝在尼龍網(wǎng)袋中并放置于土壤下15 cm， 方便取樣)， 將土壤鋪平并用自來(lái)水澆透， 于傍晚進(jìn)行番茄的種植. 選取長(zhǎng)勢(shì)無(wú)差別的幼苗種植， 每個(gè)塑料盆中栽種一株， 根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蚣胺N植經(jīng)驗(yàn)定時(shí)澆水并進(jìn)行管理.

實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)五個(gè)處理： CK(空白處理)， SAPHEC-0， SAPHEC-1， SAPHEC-2和SAPHEC-3. 每個(gè)處理進(jìn)行12個(gè)重復(fù). 不同保水劑的施入量占干土重量的0.3%， SAPHEC-0， SAPHEC-1， SAPHEC-2和SAPHEC-3中m(HEC)/(m(AA)+m(AM) 分別為0， 0.1， 0.2和0.3.

分別選取番茄植株發(fā)育過(guò)程中的4個(gè)節(jié)點(diǎn)(苗期、 開(kāi)花期、 結(jié)果期和成熟期)， 對(duì)材料、 土壤和植株進(jìn)行取樣， 每次取3個(gè)重復(fù)樣品.

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 保水劑吸水倍率的測(cè)定

將保水劑烘干后用粉碎機(jī)粉碎至粉末狀備用. 在25 ℃下， 稱取粉末狀的保水劑1 g裝入過(guò)濾紗布袋中， 再置于裝有500 ml的蒸餾水中， 直到保水劑溶脹平衡， 然后將過(guò)濾紗布袋取出瀝干， 稱重. 材料吸水倍率的計(jì)算公式為

(1)

式中：M0和M分別為吸水前和溶脹平衡后保水劑的質(zhì)量.

1.3.2 保水劑失重率的測(cè)定

將裝有保水劑的尼龍網(wǎng)袋從土壤中取出來(lái)， 用無(wú)水乙醇將保水劑清洗干凈， 并在30 ℃下烘干至恒重， 稱量.

保水劑失重率的計(jì)算公式為

(2)

式中：Wt是從尼龍網(wǎng)袋中取出并烘干的保水劑的質(zhì)量；t為取樣時(shí)間點(diǎn)， 分別為10 d， 40 d， 70 d和100 d.

1.3.3 土壤性質(zhì)的測(cè)定

采用五點(diǎn)取樣法對(duì)盆栽土壤進(jìn)行取樣并做兩種處理： 一是立即進(jìn)行土壤含水量和土壤微生物碳、 脲酶活性的測(cè)定， 二是烘干后測(cè)量土壤pH和電導(dǎo)率. 土壤微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸法， 有機(jī)碳分析儀測(cè)定[13]， 脲酶活性采用比色法測(cè)定[14]. pH測(cè)定采用pH計(jì)法； 土壤電導(dǎo)率用DJS-1C電導(dǎo)儀測(cè)定.

稱取每個(gè)時(shí)期的盆栽土壤100 g， 并在80 ℃烘干至恒重， 稱重(Mt)， 計(jì)算土壤含水量為

(3)

1.3.4 番茄產(chǎn)量的測(cè)定

采摘成熟的果實(shí)并稱重.

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析采用SPSS23， 作圖采用Origin 2017.

2 結(jié)果與分析

2.1 HEC含量對(duì)SAPHEC吸水倍率的影響

HEC含量對(duì)SAPHEC吸水倍率的影響如圖 1 所示. 由圖 1 可知， SAPHEC-0， SAPHEC-1， SAPHEC-2和SAPHEC-3的吸水倍率分別為355.34, 385.33, 412.50和326.83 g/g. 隨著HEC添加量的增加， SAP的吸水倍率先增加后降低， 當(dāng)HEC含量為20%時(shí)， SAPHEC的吸水倍率達(dá)到最大值， 表明添加適量的HEC可以增加SAPHEC的吸水倍率， 添加過(guò)量的HEC會(huì)降低SAPHEC的吸水倍率. 原因在于： 當(dāng)HEC含量低于20%時(shí)， 其表面的活性官能團(tuán)與SAP中未被交聯(lián)的分子鏈交聯(lián)， 導(dǎo)致SAPHEC的吸水倍率增加； 而當(dāng)HEC的含量大于20%時(shí)， 過(guò)量的HEC使保水劑內(nèi)部形成過(guò)多的交聯(lián)點(diǎn)， 抑制分子鏈的舒展， 而且過(guò)量的HEC易發(fā)生團(tuán)聚， 填充在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的孔洞中， 阻礙水分子的進(jìn)入， 因此， SAPHEC的吸水倍率降低.

圖 1 HEC含量對(duì)SAPHEC吸水倍率的影響Fig.1 Effect of HEC content on SAPHEC water absorption rate

2.2 HEC含量對(duì)SAPHEC失重率的影響

失重率體現(xiàn)了HEC的添加量對(duì)SAPHEC降解性能的影響. 圖 2 顯示， 不同保水劑的失重率存在顯著性差異， 整體表現(xiàn)為SAPHEC-0

圖 2 HEC含量對(duì)SAPHEC失重率的影響Fig.2 Effect of HEC content on SAPHEC weight loss rate

2.3 不同處理對(duì)土壤含水量的影響

由圖 3 可知， 不同處理的土壤含水量在番茄整個(gè)生育期內(nèi)的變化規(guī)律相同， 即隨著植株的生長(zhǎng)， 土壤含水量不斷下降. 這主要是因?yàn)閺拿缙诘匠墒炱冢?植株根系的生長(zhǎng)對(duì)土壤水分的吸收增加， 溫度上升導(dǎo)致土壤水分的蒸騰作用增強(qiáng). 同一生育期， 不同處理的土壤含水量均存在顯著性差異， 表現(xiàn)為施加保水劑的土壤含水量均顯著大于CK處理的， 由于保水劑SAPHEC-1和 SAPHEC-2的吸水倍率大于SAPHEC-0， 而SAPHEC-3的吸水倍率小于SAPHEC-0， 因此導(dǎo)致SAPHEC-1和 SAPHEC-2處理的土壤含水量大于SAPHEC-0處理的， SAPHEC-3處理的土壤含水量低于SAPHEC-0處理的. 表明土壤中施加保水劑能夠抑制土壤水分流失[15-16]， 并且抑制作用隨保水劑吸水倍率的增大而增加.

圖 3 不同處理的土壤含水量Fig.3 Soil moisture contents in different treatments

2.4 不同處理對(duì)土壤微生物學(xué)性狀的影響

2.4.1 對(duì)土壤微生物量碳的影響

土壤微生物量碳是土壤有機(jī)質(zhì)中最活躍的成分， 與土壤中C、 N、 P等元素的循環(huán)息息相關(guān)， 對(duì)土壤肥力和植株的生長(zhǎng)起著至關(guān)重要的作用. 由圖 4 可知， 不同處理的土壤微生物量碳在番茄植株的整個(gè)生育期呈現(xiàn)相同的規(guī)律， 即在開(kāi)花期達(dá)到峰值， 結(jié)果期和成熟期下降. 同一生育期內(nèi)， 施加保水劑的土壤微生物量碳均顯著高于CK處理的， 不同保水劑處理的土壤微生物量碳的排序是： SAPHEC-0

圖 4 不同處理的土壤微生物量碳Fig.4 Soil microbial biomass carbon in different treatments

2.4.2 對(duì)土壤脲酶活性的影響

土壤脲酶能夠催化尿素水解， 與土壤氮的轉(zhuǎn)換有極其密切的關(guān)系， 從而對(duì)植株生長(zhǎng)產(chǎn)生影響.

圖 5 不同處理對(duì)土壤脲酶活性的影響Fig.5 Effects of different treatments on soil urease activity

由圖 5 可知， 在整個(gè)生育期， 不同處理的土壤脲酶活性均在開(kāi)花期達(dá)到峰值， 在結(jié)果期和成熟期降低. 施加保水劑的土壤脲酶活性均顯著大于CK處理的， 不同保水劑的土壤脲酶活性均存在顯著性差異， 其排序是： SAPHEC-0

2.5 不同處理對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

2.5.1 對(duì)土壤pH的影響

由圖 6 可知， 所有處理的土壤pH從苗期到開(kāi)花期微弱上升， 之后， 由于植株對(duì)土壤中銨根等離子的吸收利用， 植株根系分泌有機(jī)酸和微生物分解土壤有機(jī)碳釋放的二氧化碳、 有機(jī)酸的增多， 導(dǎo)致土壤pH降低. 對(duì)比不同處理的土壤pH， 發(fā)現(xiàn)施加SAPHEC-0與CK處理的土壤pH差距很小， 但SAPHEC-3與CK處理的差距最大， 其次是SAPHEC-2、 SAPHEC-1， 說(shuō)明含有HEC的保水劑對(duì)土壤pH有調(diào)節(jié)作用.

圖 6 不同處理的土壤pH Fig.6 Soil pH in different treatments

2.5.2 對(duì)土壤電導(dǎo)率的影響

電導(dǎo)率是反映土壤鹽漬化的一個(gè)重要參數(shù). 由圖7可知， 各處理的土壤電導(dǎo)率在整個(gè)生育期呈下降趨勢(shì)， 這是由于植株在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)土壤里各種離子的吸收利用而導(dǎo)致的. 同一生育期， 對(duì)比不同處理的土壤電導(dǎo)率， 發(fā)現(xiàn)空白處理的土壤電導(dǎo)率顯著高于其他處理的， 不同保水劑與空白處理相比， 差距大小的排序?yàn)? SAPHEC-0

圖 7 不同處理的土壤電導(dǎo)率Fig.7 Soil electrical conductivity in different treatments

2.6 不同處理對(duì)植株產(chǎn)量的影響

由圖 8 可知， CK、 SAPHEC-0、 SAPHEC-1、 SAPHEC-2和SAPHEC-3處理的植株產(chǎn)量分別為2.27， 3.15， 3.41， 3.67和3.51 kg. 不同處理的植株產(chǎn)量存在顯著性差異， 施加保水劑處理的番茄產(chǎn)量均高于空白處理， 不同處理的保水劑以 SAPHEC-2最優(yōu)， SAPHEC-1次之， SAPHEC-3稍差， SAPHEC-0最低. 說(shuō)明土壤中施加保水劑， 可以提高番茄產(chǎn)量， 且添加HEC的保水劑可以進(jìn)一步提高番茄產(chǎn)量.

3 結(jié) 論

番茄盆栽實(shí)驗(yàn)條件下， 羥乙基纖維素改性聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)保水劑不僅能夠提高材料的吸水倍率和降解性能， 還能進(jìn)一步增加土壤含水量， 改善土壤微生物學(xué)性狀和理化性質(zhì)， 增加番茄的產(chǎn)量. 不同保水劑處理的番茄產(chǎn)量排序?yàn)镾APHEC-2> SAPHEC-3 >SAPHEC-1 >SAPHEC-0， 其中， HEC的添加量為20%時(shí)， 番茄的經(jīng)濟(jì)性狀最優(yōu)， 可作為保水劑中添加HEC的最佳量. 當(dāng)HEC的添加量為20%時(shí)， 與SAPHEC-0相比， 其他SAPHEC材料的吸水倍率增加16.09%， 失重率提高 172.70%， 土壤含水量增加39.57%， 土壤微生物量碳增提高21.11%， 脲酶活性增加25.56%， 土壤pH和電導(dǎo)率適當(dāng)降低， 產(chǎn)量增加16.49%.