李聰穎， 郝宏斌， 劉亞青

(中北大學(xué) 納米功能復(fù)合材料山西省重點實驗室 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農(nóng)業(yè)面臨的一個重大問題， 保水劑的研究為解決這一問題提供了有效的途徑[1-2]. 被譽為“分子水庫”的保水劑(SAP)， 可以實現(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]， 會造成一系列土壤污染問題， 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， 且原料來源廣泛、 價格低廉， 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是易發(fā)霉， 不易儲存， 而纖維素類保水劑在這一點上表現(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實際應(yīng)用于農(nóng)業(yè)方面的研究很少， 且HEC的添加量會對保水劑的性能產(chǎn)生影響， 進(jìn)而影響其在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用. 為此， 本文通過番茄盆栽實驗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， 以及對土壤含水量、 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 試驗材料

1.1.1 供試土壤

盆栽實驗的土壤樣品來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

盆栽實驗所用的作物為番茄(晉番茄一號).

1.1.3 供試材料

丙烯酸(AA)， 丙烯酰胺(AM)、 氫氧化鉀(KOH)和過硫酸銨(APS)均購自天津大茂化學(xué)試劑廠， 所有試劑為分析純. HEC購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， 混合溶液在氮氣氣氛下反應(yīng)4 h， 得到粘稠的產(chǎn)物.

1.2 試驗方法

番茄盆栽試驗于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水澆透， 于傍晚進(jìn)行番茄的種植. 選取長勢無差別的幼苗種植， 每個塑料盆中栽種一株， 根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蚣胺N植經(jīng)驗定時澆水并進(jìn)行管理.

實驗共設(shè)計五個處理： CK(空白處理)， SAPHEC-0， SAPHEC-1， SAPHEC-2和SAPHEC-3. 每個處理進(jìn)行12個重復(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)育過程中的4個節(jié)點(苗期、 開花期、 結(jié)果期和成熟期)， 對材料、 土壤和植株進(jìn)行取樣， 每次取3個重復(fù)樣品.

1.3 測定項目及方法

1.3.1 保水劑吸水倍率的測定

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， 然后將過濾紗布袋取出瀝干， 稱重. 材料吸水倍率的計算公式為

(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 保水劑失重率的測定

將裝有保水劑的尼龍網(wǎng)袋從土壤中取出來， 用無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為取樣時間點， 分別為10 d， 40 d， 70 d和100 d.

1.3.3 土壤性質(zhì)的測定

采用五點取樣法對盆栽土壤進(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、 脲酶活性的測定， 二是烘干后測量土壤pH和電導(dǎo)率. 土壤微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸法， 有機(jī)碳分析儀測定[13]， 脲酶活性采用比色法測定[14]. pH測定采用pH計法； 土壤電導(dǎo)率用DJS-1C電導(dǎo)儀測定.

稱取每個時期的盆栽土壤100 g， 并在80 ℃烘干至恒重， 稱重(Mt)， 計算土壤含水量為

(3)

1.3.4 番茄產(chǎn)量的測定

采摘成熟的果實并稱重.

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SAPHEC吸水倍率的影響

HEC含量對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， 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， 添加過量的HEC會降低SAPHEC的吸水倍率. 原因在于： 當(dāng)HEC含量低于20%時， 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， 過量的HEC使保水劑內(nèi)部形成過多的交聯(lián)點， 抑制分子鏈的舒展， 而且過量的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SAPHEC失重率的影響

失重率體現(xiàn)了HEC的添加量對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生育期內(nèi)的變化規(guī)律相同， 即隨著植株的生長， 土壤含水量不斷下降. 這主要是因為從苗期到成熟期， 植株根系的生長對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 不同處理對土壤微生物學(xué)性狀的影響

2.4.1 對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)， 對土壤肥力和植株的生長起著至關(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生育期呈現(xiàn)相同的規(guī)律， 即在開花期達(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， 從而對植株生長產(chǎn)生影響.

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

由圖 5 可知， 在整個生育期， 不同處理的土壤脲酶活性均在開花期達(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 不同處理對土壤理化性質(zhì)的影響

2.5.1 對土壤pH的影響

由圖 6 可知， 所有處理的土壤pH從苗期到開花期微弱上升， 之后， 由于植株對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， 說明含有HEC的保水劑對土壤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 對土壤電導(dǎo)率的影響

電導(dǎo)率是反映土壤鹽漬化的一個重要參數(shù). 由圖7可知， 各處理的土壤電導(dǎo)率在整個生育期呈下降趨勢， 這是由于植株在生長過程中對土壤里各種離子的吸收利用而導(dǎo)致的. 同一生育期， 對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， 差距大小的排序為: 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

番茄盆栽實驗條件下， 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)量排序為SAPHEC-2> SAPHEC-3 >SAPHEC-1 >SAPHEC-0， 其中， HEC的添加量為20%時， 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， 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%.