淀粉基高吸水樹(shù)脂對(duì)栽培基質(zhì)性能與節(jié)水量的影響

范如芹 羅佳 李赟 盧信 劉麗珠 張振華

摘要：為研究淀粉基高吸水樹(shù)脂（super absorbent polymer，SAP）對(duì)栽培基質(zhì)性能的提升效果，以農(nóng)業(yè)廢棄物原料栽培基質(zhì)為研究對(duì)象，研究不同SAP添加比例（0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 g/L）對(duì)基質(zhì)各項(xiàng)理化指標(biāo)的影響，并通過(guò)蕹菜栽培精細(xì)補(bǔ)水的方法對(duì)各處理的節(jié)水效果進(jìn)行定量研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨SAP添加比例的增加，基質(zhì)總孔隙度和通氣孔隙度均整體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在1.0 g/L處理下達(dá)到最高值;基質(zhì)最大持水量則顯著提高。在每天補(bǔ)水保持基質(zhì)含水量一致的情況下，0～1.0 g/L SAP添加處理下所栽培蕹菜的株高、莖粗及生物量等指標(biāo)沒(méi)有顯著差異，但SAP添加量增加到1.2 g/L后各項(xiàng)指標(biāo)開(kāi)始下降，單株需補(bǔ)水量隨SAP添加比例的增加而迅速降低。結(jié)果說(shuō)明，該淀粉基高吸水樹(shù)脂可用于改善基質(zhì)性能，在基質(zhì)中SAP添加比例為1.0 g/L時(shí)不僅可有效提高基質(zhì)持水、保水和孔隙性能，而且可節(jié)約灌溉用水30.94%，在提高基質(zhì)栽培質(zhì)量、節(jié)約用水、降低澆灌頻率和人工成本等方面均有重要潛力。

關(guān)鍵詞：高吸水樹(shù)脂;無(wú)土栽培基質(zhì);調(diào)理劑;節(jié)水農(nóng)業(yè);蕹菜

中圖分類號(hào)： S317

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）15-0312-04

我國(guó)是水資源嚴(yán)重短缺的農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)用水彌足珍貴。因此，發(fā)展節(jié)水高效農(nóng)業(yè)成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，新型節(jié)水技術(shù)的研發(fā)則是重中之重。另外，由于土壤栽培存在連作障礙和土壤次生鹽漬化等缺點(diǎn)，基質(zhì)栽培將是設(shè)施農(nóng)業(yè)的主要方向之一[1-2]。基質(zhì)栽培用水也是農(nóng)業(yè)用水的重要組成部分。由于基質(zhì)普遍存在保水能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于土壤、水分管理繁瑣等缺陷，保水材料的應(yīng)用至關(guān)重要。因此，探討保水劑對(duì)基質(zhì)保水性等理化性能的影響及其作用機(jī)制并量化保水劑的保水功效，對(duì)于提升栽培基質(zhì)性能、促進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展和節(jié)約寶貴的農(nóng)業(yè)用水等均具有重要意義。高吸水樹(shù)脂（super absorbent polymer，SAP）是一種具有超強(qiáng)吸水和保水能力的新型高分子材料，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)林、建筑、環(huán)境保護(hù)及醫(yī)藥衛(wèi)生等諸多領(lǐng)域[3-4]。近年來(lái)SAP作為土壤保水劑被成功應(yīng)用于荒漠化土壤修復(fù)和干旱區(qū)農(nóng)業(yè)土壤節(jié)水[5-7]。研究發(fā)現(xiàn)，在基質(zhì)水分耗竭條件下，SAP可延緩黃瓜、番茄等植株的萎蔫發(fā)生時(shí)間，并有效促進(jìn)植株生長(zhǎng)[8-10]。但因SAP類型及性能的不同，試驗(yàn)及生產(chǎn)中所需添加SAP的比例及效果差別較大。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上SAP以聚丙烯酸鈉為主，它具有吸水速率高的優(yōu)勢(shì)，但該類SAP存在反復(fù)吸水能力較低及耐鹽性、凝膠強(qiáng)度不高等缺點(diǎn)[11-12]，應(yīng)用效果不佳。而淀粉類SAP具有來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、容易降解、無(wú)公害且不易失水的特點(diǎn)，但其使用周期長(zhǎng)短報(bào)道不一，且容易發(fā)霉變質(zhì)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)淀粉類SAP的研究和應(yīng)用仍不成熟，關(guān)于SAP用于基質(zhì)保水時(shí)的節(jié)水量和節(jié)水潛力研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道;同時(shí)，基質(zhì)與土壤在容重、孔隙度、水力學(xué)特性及養(yǎng)分釋放等方面存在較大差異，因此SAP應(yīng)用于基質(zhì)時(shí)的節(jié)水效果、對(duì)基質(zhì)基本性狀的影響以及對(duì)栽培作物有無(wú)負(fù)面作用等均有待深入研究。本試驗(yàn)擬以農(nóng)業(yè)廢棄物原料栽培基質(zhì)為研究對(duì)象，研究淀粉基高吸水樹(shù)脂對(duì)基質(zhì)保水性能和基質(zhì)各項(xiàng)理化指標(biāo)的影響，并對(duì)其節(jié)水效果進(jìn)行詳細(xì)的量化研究，以期為優(yōu)化基質(zhì)性能、提高基質(zhì)栽培水分利用率和評(píng)估節(jié)水農(nóng)業(yè)的節(jié)水潛力提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

SAP由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所提供，是以改性后的可溶性玉米淀粉為主要原料，丙烯酸和丙烯酰胺為接枝單體，采用水溶液聚合法制備的耐鹽性鉀型丙烯酸類高吸水樹(shù)脂，外觀為白色粉末，粒度為60～100目，容重為06～0.8 g/cm3，吸去離子水量為800～1 000 g/g，pH值在69～7.3之間，電導(dǎo)率（EC）為4.0～5.0 dS/m。所用基質(zhì)配方為發(fā)酵床墊料堆肥+蛭石+珍珠巖+泥炭（體積比為 3 ∶ 2 ∶ 3 ∶ 2），其總氮、總磷、總鉀、速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為24.20、8.62、10.10、1.94、2.41、599 g/kg。發(fā)酵床墊料堆肥來(lái)自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合基地有機(jī)肥廠，由基于水稻秸稈的豬圈發(fā)酵床墊料圈內(nèi)腐解1年及出圈后經(jīng)過(guò)再次堆肥1個(gè)月制成。蛭石、珍珠巖、泥炭的最大持水量分別為53.9%、31.4%、31.7%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

向“1.1”節(jié)的栽培基質(zhì)中添加不同比例的SAP，添加量分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 g/L，分別記為S2、S4、S6、S8、S10、S12，以無(wú)SAP添加的基質(zhì)為對(duì)照（S0）。測(cè)定不同SAP添加比例下基質(zhì)的基本理化性質(zhì)，包括基質(zhì)水分損失率、容重、總孔隙度、通氣孔隙度、最大持水量、pH值及電導(dǎo)率等，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。2015年5月6日在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行蕹菜栽培試驗(yàn)。將不同處理基質(zhì)裝入苗盤進(jìn)行蕹菜（泰國(guó)小葉蕹菜）育苗及栽培，穴孔體積為 8 cm×8 cm×15 cm，每個(gè)苗盤每穴播種2粒，待種子發(fā)芽并長(zhǎng)至4葉期時(shí)進(jìn)行間苗，每穴保留1株。通過(guò)稱質(zhì)量每天用滴管對(duì)苗盤進(jìn)行補(bǔ)水，使基質(zhì)含水量控制在基質(zhì)最大持水量的80%，并記錄每次補(bǔ)水的量。每處理設(shè)4次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)8穴。待蕹菜生長(zhǎng)30 d后收獲并測(cè)量其葉綠素含量、株高、莖粗、鮮質(zhì)量及干質(zhì)量等生長(zhǎng)指標(biāo)。

1.3 測(cè)定方法

將基質(zhì)與去離子水按照質(zhì)量比1 ∶ 5的比例混合攪拌，靜置8 d后用pH計(jì)和電導(dǎo)率儀測(cè)定pH值和EC值;容重、最大持水量、總孔隙度及通氣孔隙度等指標(biāo)的測(cè)定均參照Fan等的方法[13]，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后重力排水，此過(guò)程重復(fù)3次以確?；|(zhì)吸水飽和，重力排水30 min后，再次測(cè)定其體積及質(zhì)量，然后放入105 ℃烘箱烘干1周，再次稱質(zhì)量。根據(jù)測(cè)得的質(zhì)量及體積計(jì)算容重、最大持水量、總孔隙度及通氣孔隙度[14]。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，排除重力水后稱質(zhì)量，置于40 ℃恒溫烘箱脫水，分別于4、8、12、16、24、32、40、48、56 h時(shí)稱質(zhì)量，計(jì)算每次稱質(zhì)量時(shí)基質(zhì)的含水量?；|(zhì)水分特征曲線參考Farrelll等的濾紙法[14]進(jìn)行繪制，即將基質(zhì)在105 ℃下烘干至恒質(zhì)量，取20 g烘干樣品加入去離子水，每個(gè)處理以飽和含水量的5%為梯度遞增，直至含水樣品質(zhì)量達(dá)200 g，即各處理含水量為飽和含水量的5%～100%。將每個(gè)樣品轉(zhuǎn)移至玻璃瓶中，并在樣品體積的1/2高度位置埋入濾紙（Whatman No.42）以確保濾紙與基質(zhì)直接接觸。將玻璃瓶密封后置于恒溫密閉箱體內(nèi)平衡1周后測(cè)定基質(zhì)內(nèi)濾紙的含水率（w）。每個(gè)樣品相應(yīng)的基膜吸力用以下公式計(jì)算得出，據(jù)此得出水分釋放曲線。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用SPSS 12.0軟件LSD顯著性差異檢驗(yàn)對(duì)不同SAP添加比例下基質(zhì)基本性狀、補(bǔ)水量及蕹菜生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行均值比較，采用SigmaPlot 12.5軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同SAP添加比例對(duì)基質(zhì)理化性質(zhì)的影響

如表1所示，不同SAP添加比例下基質(zhì)容重變化不明顯;隨SAP添加比例的增加，總孔隙度和通氣孔隙度表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，均在S10處理下達(dá)最大值，S6、S8、S10處理間無(wú)顯著差異;電導(dǎo)率呈現(xiàn)隨SAP增加整體升高的趨勢(shì)，但未達(dá)顯著水平;SAP添加比例較高時(shí)，速效磷含量明顯降低;基質(zhì)最大持水量隨SAP添加量的增加而增加，S12處理比對(duì)照提高42.35%。

由基質(zhì)水分特征曲線（圖2）可以看出，相同含水量條件下，基質(zhì)SAP含量越高，所對(duì)應(yīng)基膜吸力越大，說(shuō)明被SAP所吸納的水分有一部分作物利用率較低;同時(shí)，S0、S4、S8、S12處理基膜吸力為 100 kPa（植物水分利用臨界值）時(shí)對(duì)應(yīng)的基含水量分別為50%、55%、60%、65%左右，說(shuō)明當(dāng)基質(zhì)含水量達(dá)到此范圍時(shí)，作物可利用性較差。

2.2 不同SAP添加比例下蕹菜生長(zhǎng)節(jié)水效果

在不同SAP添加比例的基質(zhì)中進(jìn)行蕹菜種植，每天加水使得所有處理的基質(zhì)含水量保持在基質(zhì)田間持水量的80%，各處理所需補(bǔ)充水分隨SAP添加量的增加而減少（表2），其中S0處理比S12處理每株菜需水量多202 g，根據(jù)基質(zhì)容重計(jì)算可知，1 t基質(zhì)多需水809 kg。SAP添加量從0～1.0 g/L 范圍內(nèi)，小青菜的各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)無(wú)顯著差異，其中添加量為 0.8 g/L 時(shí)，小青菜長(zhǎng)勢(shì)最佳，可節(jié)水21.68%，但在更高比例（高于 1.0 g/L）添加量下生長(zhǎng)狀況較差。

由圖3可知，SAP添加量與基質(zhì)最大持水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，y=59.60+10.70x+9.03x2。式中：x為SAP添加比例，g/L;y為最大持水量，%。每株蕹菜的需水量則與SAP添加量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，y=574.5-14.7x-219x2。式中：x為SAP添加比例，g/L;y為每株作物需水量，%。

3 討論

3.1 SAP添加對(duì)基質(zhì)理化性質(zhì)的影響

基質(zhì)最大持水量隨SAP添加量的增加而提高，說(shuō)明該淀粉基SAP對(duì)基質(zhì)持水性能有很好地促進(jìn)作用，且添加SAP后基質(zhì)最大持水量符合理想基質(zhì)的持水量標(biāo)準(zhǔn)（60%～100%）[15]。隨SAP添加比例的增加，總孔隙度和通氣孔隙度整體表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，說(shuō)明并非SAP添加比例越高越有利于基質(zhì)性能的提升。SAP添加比例較高時(shí)，速效磷含量明顯降低，這可能與SAP較強(qiáng)的吸附能力有關(guān)，說(shuō)明該SAP可能有一定的肥料緩釋效果。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，SAP的添加有效地降低了水分的蒸發(fā)。上述結(jié)果與Farrell等報(bào)道的SAP可有效增加基質(zhì)含水量、延長(zhǎng)植株萎蔫發(fā)生時(shí)間等結(jié)果[14]一致。Yu等也報(bào)道了SAP對(duì)土壤水分損失的有效降低作用[16];Narjary等研究SAP對(duì)不同土壤深度含水量的影響[17]，也發(fā)現(xiàn)了一致的結(jié)果。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，由于基質(zhì)普遍具有比土壤更低的水分涵養(yǎng)能力，SAP對(duì)于保持基質(zhì)水分具有更為重要的意義，不僅可以延緩植株萎蔫發(fā)生，提高幼苗成活率、促進(jìn)植株生長(zhǎng)，還可以大大降低基質(zhì)栽培的澆水頻率，降低人工成本。

雖然SAP添加后基質(zhì)水分損失明顯降低，但是SAP分子所吸納的水分是否可以全部釋放被植株利用仍有待探索。植物可利用水分的最大吸力值為100 kPa，而本試驗(yàn)結(jié)果表明，各處理基膜吸力為100 kPa（植物水分利用臨界值）時(shí)對(duì)應(yīng)的基質(zhì)含水量?jī)H為最大持水量的50%～65%，說(shuō)明當(dāng)基質(zhì)含水量達(dá)到此范圍時(shí)，作物可利用性較差。也就是說(shuō)，SAP添加后雖然基質(zhì)含水量明顯增大，但基質(zhì)所含水分并非均能被植物利用，在評(píng)估保水材料節(jié)水效果時(shí)應(yīng)考慮在內(nèi)。如何促進(jìn)SAP吸納水分的釋放將是今后SAP研制工藝的一個(gè)重要研究方向。

3.2 SAP添加下蕹菜生長(zhǎng)節(jié)水效果

在通過(guò)每天補(bǔ)水保證所有處理基質(zhì)含水量一致（田間持水量的80%）的情況下，隨SAP添加量的增加，需要補(bǔ)充的水分逐漸降低，且在0～1.0 g/L的添加范圍內(nèi)蕹菜生長(zhǎng)旺盛，處理間無(wú)差異，驗(yàn)證了SAP添加有助于基質(zhì)栽培節(jié)水;在更高比例（高于1.0 g/L）SAP添加量下蕹菜各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)開(kāi)始下降，說(shuō)明1.2 g/L的SAP添加量雖然省水，但因孔隙度過(guò)低等原因不利于作物生長(zhǎng)。而在1.0 g/L的SAP添加量下蕹菜長(zhǎng)勢(shì)最佳且可有效節(jié)水。上述結(jié)果表明，淀粉基高吸水樹(shù)脂具有有效的基質(zhì)水分保持作用，合適的添加比例可有效解決基質(zhì)水分保蓄能力差、易干裂結(jié)塊等缺陷。

4 結(jié)論

淀粉基高吸水樹(shù)脂（SAP）添加可有效提高基質(zhì)最大持水量，二者存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，y=59.60+10.70x+9.03x2?；|(zhì)水分蒸發(fā)率隨SAP添加量的增加而明顯減少。在一定添加比例范圍內(nèi)添加SAP可以提高基質(zhì)孔隙度，但過(guò)高的添加比例（>1.0 g/L）可降低基質(zhì)孔隙度，且不利于作物生長(zhǎng)。隨SAP添加量（0～1.2 g/L）的增加，每株蕹菜的耗水量逐漸降低，二者存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，y=574.5-14.7x-219x2。綜上，淀粉基高吸水樹(shù)脂可被用于廢棄物栽培基質(zhì)性能調(diào)控，添加比例為1.0 g/L時(shí)不僅可有效提高基質(zhì)持水、保水和孔隙性能，而且可節(jié)約灌溉用水30.94%。

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