含蒙脫土和多糖的保水劑對(duì)高羊茅品種可奇思種子萌發(fā)及生長(zhǎng)的影響

張雙蘭　邱朝霞　邱海霞

摘要：采用正交實(shí)驗(yàn)法在室溫下合成了含有天然產(chǎn)物蒙脫土（MMT）和羧甲基纖維素鈉（CMC）的系列環(huán)境友好型保水劑，研究了不同保水劑組成和合成條件對(duì)高羊茅品種可奇思（簡(jiǎn)稱可奇思）種子發(fā)芽及生長(zhǎng)指標(biāo)的影響規(guī)律。結(jié)果表明，試驗(yàn)合成的保水劑能顯著提高可奇思的發(fā)芽能力和植株的生長(zhǎng)指標(biāo)，天然組分MMT和CMC含量對(duì)其發(fā)芽和植株生長(zhǎng)影響顯著。用性能最佳的保水劑處理可奇思種子，其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、總干重、總根長(zhǎng)和總分蘗數(shù)分別比空白對(duì)照試樣提高了61.6%、80.5%、125%、102%、67.6%和68.6%，比市售合成類保水劑對(duì)照試樣提高了4.50倍、5.50倍、7.60倍、6.88倍、3.88倍和3.92倍，這對(duì)提高可奇思種子發(fā)芽能力和促進(jìn)其植株生長(zhǎng)具有重要意義，對(duì)該保水劑在可奇思種子發(fā)芽中的應(yīng)用提供了試驗(yàn)依據(jù)，

關(guān)鍵詞：高羊茅；種子發(fā)芽能力；保水劑；蒙脫土；羧甲基纖維素鈉

中圖分類號(hào)：S 688.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：10095500（2013）06004106

我國(guó)是一個(gè)水資源嚴(yán)重缺乏的國(guó)家，被列為全球13個(gè)人均水資源最貧乏的國(guó)家[1，2]。干旱脅迫是限制草坪草生長(zhǎng)的最重要環(huán)境因子之一[3-6]。如何充分、合理、高效利用有限的水資源，提高草坪的水分利用率，降低草坪綠地的灌溉用水，是促進(jìn)我國(guó)草坪業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵所在。

保水劑（SAP）是一輕度交聯(lián)的親水性聚合物，可以吸收自身重量幾百甚至幾千倍的蒸餾水，具有吸水能力和保水能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在草坪節(jié)水應(yīng)用方面具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景[5-8]。SAP從原料來(lái)源上主要分為合成類和半合成類。合成類主要是聚丙烯酸類、聚丙烯酰胺類；半合成類產(chǎn)品是淀粉、纖維素和丙烯酸、丙烯酰胺的接枝共聚物。目前，這兩類產(chǎn)品價(jià)格較高，主要用在衛(wèi)生用品方面，在草坪上的應(yīng)用還未能得到大面積的推廣[8]。

近年來(lái)，使用價(jià)格低廉、對(duì)土壤無(wú)污染的親水性粘土（如蒙脫土、高嶺土等）和多糖（淀粉、纖維素等）作為復(fù)合組分制備保水劑成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[10-12]。但目前報(bào)道的該類保水劑大多數(shù)是在60～90 ℃合成，室溫聚合該類SAP的研究報(bào)道很少，且大多數(shù)探討的是天然組分粘土和多糖的加入對(duì)產(chǎn)物吸水倍數(shù)的影響。室溫下聚合能耗低，合成工藝簡(jiǎn)單，是降低生產(chǎn)成本的有效途徑，還可減少熱污染。丙烯酰胺（AM）、2丙烯酰胺基2甲基丙磺酸鈉（AMPS）為聚合單體，蒙脫土（MMT）、羧甲基纖維素鈉（CMC）為添加組分，在室溫下合成了聚（AMPSAM）CMCMMT保水劑[13]。與目前市面上農(nóng)林園藝領(lǐng)域應(yīng)用的保水劑相比，該類保水劑的主要特點(diǎn)是在室溫下合成，能耗低，工藝簡(jiǎn)單，以對(duì)土壤無(wú)污染的天然組分為主要原料，成本低，環(huán)境友好，在農(nóng)林園藝中具有廣闊的應(yīng)用前景。

筆者在前期土壤節(jié)水和土壤理化試驗(yàn)工作的基礎(chǔ)上，以高羊茅品種可奇思種子為試材，以發(fā)芽能力和生長(zhǎng)指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，使用正交試驗(yàn)法研究天然組分MMT、CMC對(duì)可奇思種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)等發(fā)芽指標(biāo)和總干重、總?cè)~長(zhǎng)、總根長(zhǎng)、總生根數(shù)等生長(zhǎng)指標(biāo)的影響規(guī)律，篩選最佳的保水劑合成條件，為該保水劑在草坪中的大規(guī)模應(yīng)用提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1材料和方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用MMT（浙江臨安膨潤(rùn)土有限公司）、CMC、AM、AMPS、過(guò)硫酸鉀（分析純，天津市化學(xué)試劑一廠）為保水劑的合成原料，可奇思種子（晉城市園林科研所實(shí)驗(yàn)室常溫保存）為保水劑效應(yīng)體現(xiàn)的指示材料，培養(yǎng)基質(zhì)為120 ℃高溫消毒的河沙，對(duì)照市售保水劑為交聯(lián)聚丙烯酸鹽，購(gòu)自河北省任丘市某公司。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1正交試驗(yàn)法制備保水劑

天然組分MMT和CMC可以降低保水劑成本，改善產(chǎn)物吸水性能和環(huán)境友好性。單體濃度和引發(fā)劑濃度是影響產(chǎn)物吸水性能的主要參數(shù)。在前期工作基礎(chǔ)上，選取MMT用量（A）、CMC用量（B）、單體濃度（C）和引發(fā)劑濃度（D）4個(gè)因素，每因素選擇3個(gè)水平（用量均以單體質(zhì)量為計(jì)量基準(zhǔn)），選擇4因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。在室溫下，按照本課題組申請(qǐng)的發(fā)明專利中所述方法制備保水劑[13]，聚合產(chǎn)物經(jīng)干燥粉碎后，過(guò)40～60目篩備用。

1.2.2可奇思種子萌發(fā)及試驗(yàn)處理

分別稱取培養(yǎng)基質(zhì)60 g和1～9號(hào)保水劑及市售合成類保水劑（分別為基質(zhì)質(zhì)量的0.4%），均勻混合成9個(gè)不同處理和土壤空白對(duì)照CK1、市售合成類保水劑對(duì)照CK2，每處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，分別等量放入培養(yǎng)皿中并澆水40 g使之達(dá)到飽和。取大小均勻的30粒可奇思種子播種于培養(yǎng)皿（直徑、高分別為90 cm、14 cm），采用順序錯(cuò)位法[14]排列于QHP250B型恒溫恒濕光照培養(yǎng)箱中，溫度22 ℃，光照12 hd，每日觀察，12 d后取出發(fā)芽植株，蒸餾水清洗干凈，測(cè)定總干重、總根長(zhǎng)，總分蘗數(shù)。實(shí)驗(yàn)于2013年4月9～24日在晉城市園林科研所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.2.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

按照GB27721999《林木種子檢驗(yàn)規(guī)程》[15]和《國(guó)際種子檢驗(yàn)規(guī)程》[16]計(jì)算發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)，并統(tǒng)計(jì)總根長(zhǎng)、總分蘗數(shù)，對(duì)發(fā)芽苗烘干稱量，統(tǒng)計(jì)總干重。

2結(jié)果與分析

2.1保水劑對(duì)可奇思種子發(fā)芽能力的影響

可奇思種子發(fā)芽的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，土壤空白對(duì)照的發(fā)芽率為37.8%，市售合成類保水劑對(duì)照的發(fā)芽率為11.1%，均明顯低于施加1～9號(hào)保水劑的試樣（處理4）。市售保水劑對(duì)照發(fā)芽率最低，這可能與該保水劑存在與種子的爭(zhēng)水問(wèn)題，進(jìn)而影響種子的萌發(fā)和植株的生長(zhǎng)。

發(fā)芽效果最佳的處理6，發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、總干重、總根長(zhǎng)和總分蘗數(shù)分別比對(duì)照試樣提高了61.6%、80.5%、125%、102%、67.6%和68.6%，比市售保水劑對(duì)照試樣提高了4.50倍、5.50倍、7.60倍、6.88倍、3.88倍和3.92倍，說(shuō)明保水劑的組成和合成條件對(duì)草坪種子的發(fā)芽影響很大，含有天然產(chǎn)物的保水劑與市售的合成類保水劑相比在草坪應(yīng)用方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。

2.2正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析

采用正交極差分析對(duì)影響草坪發(fā)芽和生長(zhǎng)能力因素進(jìn)行分析，以探明天然組分含量、聚合條件對(duì)各指標(biāo)的影響強(qiáng)弱。根據(jù)表2所示的正交試驗(yàn)表和種子發(fā)芽試驗(yàn)結(jié)果，分別算出表1中各相應(yīng)水平的3次試驗(yàn)結(jié)果性質(zhì)指標(biāo)之和K1、K2、K3和其平均值k1、k2、k3以及極差Dj。

發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)是評(píng)價(jià)種子發(fā)芽能力性狀和效果的重要指標(biāo)，總根長(zhǎng)、總干重和總分蘗數(shù)是判斷種苗生長(zhǎng)性狀的重要指標(biāo)[17]。極差數(shù)據(jù)表明，各種因素對(duì)不同指標(biāo)的影響程度不一致。對(duì)發(fā)芽率的影響次序?yàn)锽（CMC用量）>A（MMT用量）>D（引發(fā)劑濃度）>C（單體濃度），對(duì)發(fā)芽指數(shù)的影響次序?yàn)锳>B=C>D，對(duì)活力指數(shù)的影響次序?yàn)锳>D>C>B，對(duì)總干重的影響次序?yàn)镃>A>D>B，對(duì)總根長(zhǎng)的影響次序?yàn)镃>D>A>B，對(duì)總分蘗數(shù)的影響次序?yàn)镃>A=B>D。

試驗(yàn)結(jié)果可知，天然組分CMC和MMT的含量對(duì)可奇思種子發(fā)芽能力的影響顯著。MMT對(duì)發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)的影響最大；對(duì)發(fā)芽率、總干重、總分蘗數(shù)的影響較大，對(duì)總根長(zhǎng)的影響較??；CMC對(duì)發(fā)芽率的影響最大；對(duì)發(fā)芽指數(shù)、總分蘗數(shù)的影響較大，對(duì)活力指數(shù)、總干重、總根長(zhǎng)影響最小。因發(fā)芽指數(shù)既反映發(fā)芽率，又反映發(fā)芽速度，活力指數(shù)關(guān)系到植物出苗的整齊度、幼苗長(zhǎng)勢(shì)[17-20]。故MMT含量對(duì)可奇思種子的發(fā)芽速度、出苗整齊度和幼苗長(zhǎng)勢(shì)影響最大，CMC對(duì)可奇思種子發(fā)芽的數(shù)量影響最大，調(diào)整保水劑中CMC和MMT的含量是提高草坪種子發(fā)芽能力的有效途徑。

2.3保水劑中天然組分含量對(duì)可奇思種子發(fā)芽能力的影響

由2.2的討論可知，保水劑中天然組分的加入對(duì)可奇思發(fā)芽能力影響較大。為了更直觀的分析天然組分的含量對(duì)發(fā)芽能力的影響規(guī)律，以MMT和CMC的水平數(shù)為橫坐標(biāo)，各指標(biāo)的平均數(shù)kl、k2、k3為縱坐標(biāo)，將MMT和CMC的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果繪成趨勢(shì)圖進(jìn)行分析。

MMT是一種親水性的層狀硅酸鹽粘土，其表面含有的親水性羥基可以和聚合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高保水劑的吸水性能。發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、總?cè)~長(zhǎng)、總根長(zhǎng)、總干重都隨著MMT用量的增加呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明MMT含量大于25%時(shí)，增加其用量不利于可奇思種子的萌發(fā)。而我們的前期研究表明，MMT用量為30%，吸水性能最佳[21]，說(shuō)明吸水性能最佳的保水劑在對(duì)可奇思種子萌發(fā)上并未顯示出最佳值，可能是MMT用量的增加，提高了保水劑的吸水性能，使保水劑在種床部位與種子存在爭(zhēng)水問(wèn)題，進(jìn)而影響種子的萌發(fā)和植株的生長(zhǎng)。

CMC是一種陰離子多糖，分子鏈上含有親水性的羧基、羥基，具有親水、分散穩(wěn)定等性質(zhì)，生物降解性好。各指標(biāo)（除活力指數(shù)外）均隨CMC用量的增大呈單峰形變化趨勢(shì)，取用量9%時(shí)性能最佳，說(shuō)明CMC用量的增加，有利于草坪種子的發(fā)芽以及胚芽苗生物量增長(zhǎng)?；盍χ笖?shù)在CMC用量小于12%的范圍內(nèi)，隨CMC用量的增加而降低，達(dá)到12%時(shí)性能最差。

2.4保水劑的最佳合成條件

通過(guò)正交試驗(yàn)的極差分析結(jié)果和保水劑中天然組分含量對(duì)可奇思種子發(fā)芽能力的影響規(guī)律可知，發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、總干重、總根長(zhǎng)、總分蘗數(shù)的最優(yōu)處理均為A1B2C1D2。對(duì)天然產(chǎn)物用量而言，各指標(biāo)在MMT用量取水平1時(shí)最高，CMC用量在水平2時(shí)最高。由于提高保水劑中天然產(chǎn)物的含量可以降低成本、提高保水劑的環(huán)境友好性，在各指標(biāo)變化不大的前提下，期望MMT和CMC用量越高越好，最終MMT用量選水平2，CMC用量選水平3，最佳合成條件確定為A2B3C1D2，即表1中的處理6。

3討論與結(jié)論

目前，市場(chǎng)上應(yīng)用較廣的聚丙烯酸、聚丙烯酰胺等合成類保水劑是以生物降解性差的石油化工產(chǎn)品為原料制備的，價(jià)格相對(duì)較高，生物降解性差，在草坪中長(zhǎng)期施用會(huì)對(duì)土壤造成污染。試驗(yàn)合成的保水劑在能耗低的室溫下聚合，其中，價(jià)格低廉的天然產(chǎn)物粘土和多糖總加入量達(dá)到40%，不僅降低了保水劑的合成成本，而且減輕了其多次施用對(duì)土壤的污染，提高了合成類保水劑的環(huán)境友好性，非常適用于草坪應(yīng)用。

高健[21]前期研究表明，處理7的吸水倍數(shù)最高，但可奇思種子發(fā)芽能力最強(qiáng)的是處理6，其生根率為61.1%，而吸水倍數(shù)最高的處理7生根率為45.6%，說(shuō)明保水劑吸水倍數(shù)的高低和其所對(duì)應(yīng)的可奇思種子發(fā)芽能力的強(qiáng)弱并不一致，在實(shí)際應(yīng)用中，僅以吸水倍數(shù)的高低作為選擇保水劑的性能指標(biāo)是片面的，應(yīng)根據(jù)不同使用目的選擇合適吸水倍數(shù)的保水劑。用處理6后，可奇思種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、總干重、總根長(zhǎng)和總分蘗數(shù)分別比土壤空白對(duì)照試樣提高了61.6%、80.5%、125%、102%、67.6%和68.6%，比市售合成類保水劑對(duì)照試樣提高了4.50倍、5.50倍、7.60倍、6.88倍、3.88倍和3.92倍，說(shuō)明和市售合成類保水劑相比，試驗(yàn)合成的保水劑在草坪應(yīng)用上具有更大的優(yōu)勢(shì)，為該保水劑在草坪中的應(yīng)用提供了試驗(yàn)依據(jù)。

正交極差分析法表明，天然組分含量對(duì)可奇思種子發(fā)芽能力影響很大。粘土類天然組分MMT對(duì)可奇思種子的發(fā)芽速度、出苗整齊度和幼苗長(zhǎng)勢(shì)影響最大，多糖類天然組分CMC對(duì)可奇思種子發(fā)芽的數(shù)量影響最大。二者用量對(duì)可奇思種子的發(fā)芽能力影響規(guī)律不同，MMT含量在25%～35%范圍內(nèi)，可奇思種子各發(fā)芽指標(biāo)和生長(zhǎng)指標(biāo)均隨NMMT用量的增加而下降，說(shuō)明過(guò)量MMT不利于可奇思種子的萌發(fā)；CMC含量在6%～12%范圍內(nèi)，可奇思種子各發(fā)芽指標(biāo)和生長(zhǎng)指標(biāo)（活力指數(shù)除外）呈單峰形變化趨勢(shì)，取9%時(shí)性能最佳，說(shuō)明適量CMC有利于可奇思種子的萌發(fā)和胚芽苗的生物量生長(zhǎng)。這為實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)發(fā)芽指標(biāo)和生長(zhǎng)指標(biāo)的需求調(diào)整保水劑中天然產(chǎn)物的組成配方提供了試驗(yàn)依據(jù)。

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