含氮磷聚合物復(fù)合材料植物培養(yǎng)基的制備

耿陽(yáng)陽(yáng)，劉亞青

（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/中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030051）

【研究意義】我國(guó)受人口增長(zhǎng)、土地減少的挑戰(zhàn)非常嚴(yán)峻，要使國(guó)民經(jīng)濟(jì)保持可持續(xù)發(fā)展，不斷提高國(guó)民生活水平，必須不斷提高有限土地面積的生產(chǎn)效率，開(kāi)拓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的空間［1］，無(wú)土栽培可提供超過(guò)普通土壤栽培幾倍甚至十多倍的產(chǎn)品數(shù)量［2］。我國(guó)是水資源相當(dāng)貧乏的國(guó)家，被列為世界上13 個(gè)貧水國(guó)之一［3］，無(wú)土栽培作為節(jié)水農(nóng)業(yè)的有效手段，將在干旱缺水地區(qū)發(fā)揮重要作用［4］。我國(guó)無(wú)土栽培方式主要有基質(zhì)培和水培兩種［5］：固體基質(zhì)培主要包括有機(jī)生態(tài)型基質(zhì)培、基質(zhì)袋培、立體培、巖棉培等形式，基質(zhì)只起到物理吸水的效果，無(wú)儲(chǔ)存養(yǎng)分的作用；水培目前以營(yíng)養(yǎng)液膜技術(shù)（NFT）和浮板毛管水培技術(shù)（FCH）兩種為主。營(yíng)養(yǎng)液膜技術(shù)（NFT）的特點(diǎn)是循環(huán)供液的液流呈膜狀，僅以數(shù)毫米厚的淺液流流經(jīng)栽培槽底部，水培作物的根墊底部接觸淺液流吸水、吸肥，上部暴露在濕氣中吸氧，較好地解決了根系吸水與吸氧的矛盾，但存在液流淺、液溫不穩(wěn)定、一旦停電停水植株易枯萎以及根際環(huán)境穩(wěn)定性差等不足，限制了其發(fā)展［6］；而浮板毛管水培技術(shù)（FCH）使用完的浮板毛管不可降解，污染環(huán)境且工藝相對(duì)復(fù)雜［7］。

【前人研究進(jìn)展】水凝膠作為一種具有良好親水性、可生物降解性和生物相容性的功能材料［8］，在食品、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛研究［9］。研究人員指出，水凝膠可以作為種子生長(zhǎng)的介質(zhì)，為種子生長(zhǎng)保存水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，水凝膠中95%以上的水分能逐漸釋放到根系［10］。但是，傳統(tǒng)水凝膠的力學(xué)性能、透氣性能較差，且傳統(tǒng)水凝膠的基體不可降解，易對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響，利用海藻酸鈉、聚乙烯醇等可生物降解聚合物制備的水凝膠，由于其無(wú)毒、可生物降解、化學(xué)穩(wěn)定性好、親水性強(qiáng)等特點(diǎn)［11］，有望成為不可降解材料的有吸引力的替代品?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】針對(duì)植物根系對(duì)氧氣非常敏感且現(xiàn)有水凝膠培養(yǎng)基力學(xué)性、透氣性較差的問(wèn)題，利用PVA 物理交聯(lián)、Ca2+與SA 離子交聯(lián)形成雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用低溫造孔和化學(xué)造孔有機(jī)結(jié)合的方法，能夠有效調(diào)控制備得到的聚合物雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)水凝膠無(wú)土栽培基質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】聚合物雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)水凝膠不僅具有期望的強(qiáng)度，而且還具有更多的孔洞來(lái)滿足植物呼吸以及對(duì)水分的需求，為種子的萌發(fā)和生長(zhǎng)提供環(huán)境。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

聚乙烯醇（PVA），上海阿拉丁生化科技股份有限公司，1799 型，醇解度98～99%；海藻酸鈉（SA）、甲醛、尿素、氫氧化鉀，天津市大茂化學(xué)試劑廠；檸檬酸（C6H8O7），天津市凱通化學(xué)試劑有限公司；碳酸鈣（CaCO3）、磷酸二氫鈣［Ca(H2PO4)2］，天津市天力化學(xué)試劑有限公司。以上試劑均為分析純。

1.2 樣品制備

1.2.1 羥甲基脲（MU）參考張曉鵬等［12］工藝：將25 g 去離子水添加到含有40 g 甲醛的錐形瓶中，200 r/min 機(jī)械攪拌10 min，用滴管滴加5% KOH溶液將pH 調(diào)至8；按照n(尿素)/n(甲醛)=1.2 ∶1的比例將35.6 g 尿素加入到甲醛溶液中，常溫、200 r/min 機(jī)械攪拌30 min 至尿素完全溶解；調(diào)節(jié)溫度至40 ℃，機(jī)械攪拌2 h，得到MU 溶液。

1.2.2 Ca2+-SA/PVA 水凝膠 將去離子水沿杯壁加入有PVA的燒杯中，96 ℃水浴鍋中機(jī)械攪拌1 h 使PVA 完全溶解，配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（10%、15%、20%）的PVA 溶液，取出溶解均勻的溶液自然冷卻到室溫；取20 mL PVA 溶液于燒杯中，在80 W 超聲的條件下，按照PVA ∶SA=5 ∶1、10 ∶1、15 ∶1、20 ∶1、25 ∶1 一次性加入海藻酸鈉，超聲攪拌0.5 h，機(jī)械攪拌0.5 h；然后在80 W 超聲的條件下，分批次加入碳酸鈣（SA ∶Ca2+=10 ∶1、20 ∶1、30 ∶1、40 ∶1、50 ∶1）和0.05 g 磷酸二氫鈣，超聲攪拌1 h；之后沿杯壁緩緩加入5%檸檬酸10 mL，機(jī)械攪拌均勻，將樣品放置在液氮冷凍10 min 后取出，放在26 ℃室溫完全溶解為止（凍融過(guò)程循環(huán)3 次）［13］。所用試劑比列均為質(zhì)量比。

1.2.3 Ca2+-SA/PVA-MU水凝膠 將去離子水沿杯壁加入有PVA的燒杯中，96 ℃水浴鍋中機(jī)械攪拌1 h 使PVA 完全溶解，配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（10%、15%、20%）的PVA 溶液，取出溶解均勻的溶液自然冷卻到室溫；取20 mL PVA 溶液于燒杯中，在80 W 超聲的條件下，按照PVA ∶SA=5 ∶1、10 ∶1、15 ∶1、20 ∶1、25 ∶1 一次性加入海藻酸鈉，超聲攪拌0.5 h，機(jī)械攪拌0.5 h；在80 W 超聲的條件下，分批次加入碳酸 鈣（SA ∶Ca2+=10 ∶1、20 ∶1、30 ∶1、40 ∶1、50 ∶1）和0.05 g 磷酸二氫鈣，超聲攪拌1 h；用滴管逐滴滴加0.05 mL MU，超聲攪拌1 h 至混合均勻；之后沿杯壁緩緩加入10 mL 5%的檸檬酸，機(jī)械攪拌均勻，將樣品放置在液氮冷凍10 min后取出，放在26 ℃室溫完全溶解為止（凍融過(guò)程循環(huán)3 次）［13］。所用試劑比列均為質(zhì)量比。

1.3 測(cè)試與表征

采用Nicolet-IS50 紅外光譜儀和ATR 裝置在500～4 000 cm-1范圍內(nèi)測(cè)試Ca2+-SA/PVA 和 Ca2+-SA/PVA-MU的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）。使用熱重分析儀（TGA，TA Q50）研究樣品在氮?dú)鈿夥罩械臒岱€(wěn)定性。使用差示掃描量熱儀（TA-DSC-Q200）測(cè)定樣品的Tg 值。干燥后的樣品在氮?dú)鈿夥障乱? ℃/min的速率從40 ℃加熱到240 ℃，以熱流驟減開(kāi)始為T(mén)g。用掃描電鏡（SEM，日立u8100）觀察樣品的表面形貌，并通過(guò)其上裝配的能譜儀（EDX，IXRF Model 550i）測(cè)定樣品表面元素組成和分布。

采用德國(guó)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)在室溫下測(cè)定生物降解納米聚合物復(fù)合材料生長(zhǎng)培養(yǎng)基的力學(xué)性能（壓縮強(qiáng)度），試樣為圓柱形，直徑32（±1）mm，高度38（±1）mm，表面光滑，上下兩表面平行，按照4 mm/min的壓縮速率調(diào)整好試驗(yàn)機(jī)，將測(cè)定高度的試樣放入上下壓板之間，緩慢調(diào)整上壓板使之與試樣接觸，但不得使試樣產(chǎn)生變形，然后緊固壓板，開(kāi)啟試驗(yàn)機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行壓縮性能測(cè)試［14］。

1.4 油菜種子萌發(fā)試驗(yàn)

試驗(yàn)于2021 年5—9 月在山西省太原市中北大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。為了研究合成的水凝膠是否會(huì)影響種子的萌發(fā)和幼苗發(fā)育，將油菜種子分別植于常規(guī)SA/PVA、SA ∶CaCO3=10 ∶1、20 ∶1、30 ∶1、40 ∶1、50 ∶1的Ca2+-SA/PVA-MU 雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)水凝膠無(wú)土栽培基質(zhì)（高38 cm、直徑32 cm）表層（0.5 cm 深），每個(gè)培養(yǎng)基中均勻播下9 粒油菜種子，每個(gè)處理3 次重復(fù)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Nano Measurer 計(jì)算樣品單位面積氣孔分布。通過(guò)適用于Windows的SPSS Statistics 20.0 軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。使用Origin 9.0 軟件（Origin Lab,MA,USA）進(jìn)行曲線擬合。樣品之間差異顯著性通過(guò)Duncan多范圍檢驗(yàn)確定［15］。

2 結(jié)果與分析

2.1 Ca2+-SA/PVA-MU 水凝膠的SEM 表征及孔徑分析

為突出超大孔的形貌，本研究將普通SA/PVA 水凝膠和Ca2+-SA/PVA-MU 水凝膠的SEM圖像（圖1）進(jìn)行對(duì)比，觀察到圖1A 有小而密的孔，圖1B 中有相對(duì)較大的孔洞，圖1C 是圖1B標(biāo)注處的放大圖，通過(guò)SEM 觀察到除化學(xué)造孔外，水凝膠中還存有PVA 在低溫下得到的孔洞，可知Ca2+-PVA/SA-MU 水凝膠具有大孔與微孔的多級(jí)結(jié)構(gòu)。因此，從圖1B 得到檸檬酸與碳酸鈣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成CO2形成理想的孔洞。

為證明物質(zhì)分散均勻程度，通過(guò)EDS 測(cè)試SA、CaCO3、MU、Ca(H2PO4)2在溶液中的分散性，圖1D、E、F、H 表明物質(zhì)在溶液中分散均勻。

圖1 Ca2+-SA/PVA-MU 雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠SEM 與各物質(zhì)成分在溶液中分散的EDS 測(cè)試結(jié)果Fig.1 SEM of Ca2+ -Sa/PVA-MU double network hydrogel and EDS result of dispersion of each component in solution

為證明培養(yǎng)基中孔洞的分布及大小，對(duì)其進(jìn)行孔徑分布分析，結(jié)果（圖2、圖3）顯示，化學(xué)造孔輔助PVA 低溫造孔孔徑在2～10 μm 之間，分布相對(duì)均勻且密度較大；化學(xué)法制備超大孔水凝膠孔徑在0.3～1.3 mm 之間，為普通水凝膠孔徑的130～150 倍，大孔主要集中在區(qū)間內(nèi)，分布相對(duì)密集。因此，檸檬酸與碳酸鈣反應(yīng)形成了理想孔洞。

圖2 化學(xué)造孔輔助PVA 低溫造孔孔徑分布Fig.2 Pore size distribution of chemical pore-making assisted PVA at low temperature

圖3 化學(xué)法制備超大孔水凝膠孔徑分布Fig.3 Pore size distribution of super-large pore hydrogel prepared by chemical method

2.2 Ca2+-PVA/SA 與Ca2+-PVA/SA-MU的FTIR 對(duì)比分析

從FTIR 測(cè)試結(jié)果（圖4）可知，與MU 曲線比較，波數(shù)3 481 和3 204 cm-1雙峰歸屬于Ca2+-SA/PVA-MU 中MU 組分伯酰胺的 N-H 伸縮振動(dòng)（與Zhang 等［16］的MU 峰一致），證實(shí)MU 組分確實(shí)復(fù)合到Ca2+-SA/PVA 雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)水凝膠中。

圖4 Ca2+-SA/PVA 與Ca2+-SA/PVA-MU的FTIR 圖Fig.4 FTIR diagram of Ca2+-SA/PVA and Ca2+-SA/PVA-MU

2.3 Ca2+-PVA/SA 與Ca2+-PVA/SA-MU的TG、DTG 對(duì)比分析

Ca2+-SA/PVA 和Ca2+-SA/PVA-MU的TG、DTG 曲線如圖5、圖6 所示。由圖5、圖6 可知，當(dāng)MU 加入到Ca2+-SA/PVA 雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)水凝膠中時(shí)，Ca2+-SA/PVA-MU的熱穩(wěn)定性在200～300 ℃出現(xiàn)了一定程度的降低，其原因是Ca2+-SA/PVA

圖5 Ca2+-SA/PVA 與Ca2+-SA/PVA-MU的TG 曲線Fig.5 TG diagram of Ca2+-SA/PVA and Ca2+-SA/PVA-MU

圖6 Ca2+-SA/PVA 與Ca2+-SA/PVA-MU的DTG 曲線Fig.6 DTG diagram of Ca2+-SA/PVA and Ca2+-SA/PVA-MU

2.4 PVA 與SA 不同配比及MU 對(duì)水凝膠壓縮強(qiáng)度的影響

PVA ∶SA的比例對(duì)水凝膠力學(xué)性能影響較大，且培養(yǎng)基的壓縮強(qiáng)度越高，植物直立生長(zhǎng)越好，因此，對(duì)PVA ∶SA=5 ∶1、10 ∶1、15 ∶1、20 ∶1、25 ∶1的培養(yǎng)基進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，壓縮強(qiáng)度應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7 所示。水凝膠的壓縮強(qiáng)度隨PVA ∶SA=5 ∶1-20 ∶1 增大而增大，這是由于PVA 作為凝膠支架保持水凝膠外形，而海藻酸鈉與Ca2+交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為水凝膠提供力學(xué)性能。當(dāng)海藻酸鈉占比較大時(shí)，Ca2+與雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)水凝膠的PVA 分子鏈間由于強(qiáng)烈的氫鍵作用，使得Ca2+-SA/PVA 雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)水凝膠分子鏈的網(wǎng)絡(luò)排列相對(duì)規(guī)整，當(dāng)MU 加入到Ca2+-SA/PVA 雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)水凝膠中后，破壞了PVA 分子鏈間的氫鍵作用，使Ca2+-SA/PVA-MU的降解溫度向左移動(dòng)，且MU 與Ca2+-SA/PVA 雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)水凝膠形成新的氫鍵鏈接，這使得Ca2+-SA/PVA-MU 雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)水凝膠更容易在較低的溫度下被分解。300 ℃后，Ca2+-SA/PVA-MU的熱穩(wěn)定性高于Ca2+-SA/PVA 雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)水凝膠的熱穩(wěn)定性，這是由于MU 物質(zhì)本身熱穩(wěn)定性較高，MU組分復(fù)合到Ca2+-SA/PVA 雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)水凝膠中會(huì)導(dǎo)致Ca2+-SA/PVA-MU 雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)水凝膠的熱穩(wěn)定性提高。海藻酸鈉未充分交聯(lián)，多余的海藻酸鈉導(dǎo)致形成的離子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)較少，培養(yǎng)基力學(xué)性能較差；當(dāng)PVA ∶SA=25 ∶1 時(shí)，海藻酸鈉占比減小，多余的Ca2+導(dǎo)致Ca2+與海藻酸鈉交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)數(shù)量減少，難以抵抗外界載荷，培養(yǎng)基的力學(xué)性能也較差。綜上，PVA ∶SA=20 ∶1的水凝膠培養(yǎng)基力學(xué)性能最好。

圖7 PVA:SA 不同配比壓縮強(qiáng)度應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curves of compressive strength at different ratios of PVA:SA

Ca2+-SA/PVA 與Ca2+-SA/PVA-MU的壓縮強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果（圖8）表明，Ca2+-SA/PVA-MU水凝膠的壓縮強(qiáng)度比Ca2+-SA/PVA 水凝膠小，加入MU會(huì)使Ca2+-SA/PVA水凝膠的壓縮強(qiáng)度下降，這是由于MU的加入破壞了部分PVA 分子間氫鍵，使PVA 中羥基之間的氫鍵解離，MU 在Ca2+-SA/PVA 雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠中形成額外的交聯(lián)點(diǎn)，導(dǎo)致Ca2+-SA/ PVA-MU 水凝膠的壓縮強(qiáng)度略低于Ca2+-SA/PVA 水凝膠，但壓縮強(qiáng)度下降不明顯，對(duì)植物培養(yǎng)基性能無(wú)影響。

圖8 Ca2+-SA/PVA 與Ca2+-SA/PVA-MU 壓縮強(qiáng)度對(duì)比Fig.8 Compressive strength comparison between Ca2+-SA/PVA and Ca2+-SA/PVA-MU

2.5 SA 與Ca2+不同配比及養(yǎng)分對(duì)幼苗的影響

適宜的水分、養(yǎng)分和氧氣對(duì)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)非常重要。為研究合成水凝膠是否影響種子萌發(fā)和幼苗發(fā)育，將油菜種子植于培養(yǎng)基表層(0.5 cm 深)，如圖9 所示，每個(gè)培養(yǎng)基中均勻放入種子，研究Ca2+與SA 不同配比及養(yǎng)分對(duì)幼苗的影響，每組實(shí)驗(yàn)3 種培養(yǎng)基3 個(gè)重復(fù)，本研究選中取具有代表性的培養(yǎng)基（SA ∶Ca2+=40 ∶1、PVA ∶SA=20 ∶1）進(jìn)行說(shuō)明。因此，含適當(dāng)養(yǎng)分的可控孔洞水凝膠可作為無(wú)土栽培的合適選擇，因?yàn)檫@是由于MU、Ca(H2PO4)2和孔洞的存在可促進(jìn)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)。油菜種子在培養(yǎng)基中上的萌發(fā)生長(zhǎng)如圖10 所示。

圖9 種子植入培養(yǎng)基情況Fig.9 Seed implantation medium

圖10 油菜種子在培養(yǎng)基中生長(zhǎng)情況Fig.10 Rapeseed seed growth in medium

考察油菜種子在不同培養(yǎng)基上的萌發(fā)情況，圖11 分別為SA ∶Ca2+=10 ∶1、20 ∶1、30 ∶1、40 ∶1、50 ∶1的Ca2+-SA/PVA-MU 雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)水凝膠培養(yǎng)基、常規(guī)SA/PVA 水凝膠培養(yǎng)基隨時(shí)間增加的發(fā)芽率。由圖11 可知，油菜種子在Ca2+-SA/PVA-MU 雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)水凝膠培養(yǎng)基的發(fā)芽率整體優(yōu)于常規(guī)SA/PVA 水凝膠培養(yǎng)基；SA ∶Ca2+=40 ∶1 上的油菜種子發(fā)芽較其他培養(yǎng)基好，發(fā)芽率在第3 天最高，5 天后達(dá)到100%，而常規(guī)SA/PVA 水凝膠培養(yǎng)基上的種子萌發(fā)率從42%提高到94%后沒(méi)有進(jìn)一步提高；油菜種子在SA ∶Ca2+=40 ∶1 上高效萌發(fā)是由于SA ∶Ca2+=40 ∶1 具有相對(duì)均勻的大孔結(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)腗U、Ca(H2PO4)2含量，提供了大量水分、養(yǎng)分和氧氣。

圖11 油菜種子發(fā)芽率Fig.11 Seed germination rate of rapeseed

進(jìn)一步研究不同培養(yǎng)基對(duì)油菜幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響，幼苗根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量如圖12～圖13 所示，SA ∶Ca2+=40 ∶1 培養(yǎng)基上發(fā)芽生長(zhǎng)的幼苗根系較SA ∶Ca2+=10 ∶1、20 ∶1、30 ∶1、50 ∶1 培養(yǎng)基上長(zhǎng)，鮮質(zhì)量、干質(zhì)量較大，表明適宜MU、Ca(H2PO4)2含量和孔洞的水凝膠有利于種子萌發(fā)生長(zhǎng)。

圖12 根和莖的長(zhǎng)度比較Fig.12 Comparison of root and stem lengths

圖13 鮮、干狀態(tài)下播種質(zhì)量比較Fig.13 Comparison of sowing weight under fresh and dry conditions

3 討論

本研究中，造孔劑與造孔助劑化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的CO2是孔洞的主要來(lái)源，而造孔劑與造孔助劑的用量取決于SA 用量，因此可通過(guò)調(diào)節(jié)Ca2+與SA 比例來(lái)控制孔洞的量。SEM 掃描圖像表明，化學(xué)造孔產(chǎn)生了理想孔洞。盆栽試驗(yàn)表明，當(dāng)SA ∶Ca2+-MU=40 ∶1 時(shí)，油菜種子在第3 天發(fā)芽率最高，鮮質(zhì)量、干質(zhì)量較大，根長(zhǎng)較長(zhǎng)，生長(zhǎng)最好，其原因是當(dāng)SA ∶Ca2+=40 ∶1 時(shí)很好地抑制了CO2消失速度，使培養(yǎng)基在合成過(guò)程中產(chǎn)生足夠的孔洞，為水和空氣進(jìn)出提供了通道，從而滿足植物生長(zhǎng)培養(yǎng)基的要求。與ZHANG 等［17］研究相比較，本試驗(yàn)優(yōu)勢(shì)在于水凝膠培養(yǎng)基中有額外的化學(xué)造孔，形成更多孔洞來(lái)滿足植物呼吸和保水需求。本研究利用MU、Ca(H2PO4)2作為培養(yǎng)基的肥料供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)肥料基質(zhì)一體化也是一大突出優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外研究水凝膠作為培養(yǎng)基的文獻(xiàn)中，植物均利用基質(zhì)中僅存的營(yíng)養(yǎng)元素，但整個(gè)生長(zhǎng)期植株生長(zhǎng)都需要大量營(yíng)養(yǎng)元素［18］。本研究通過(guò)TG、DTG、FTIR 表征可知，MU 能與PVA形成氫鍵作用。因此，加入本研究的MU 肥料，不僅能與PVA 形成氫鍵作用，還有利于植物生長(zhǎng)，可實(shí)現(xiàn)肥料基質(zhì)一體化的目的。

植物培養(yǎng)基的力學(xué)性能是植物直立生長(zhǎng)的重要因素。在國(guó)內(nèi)外研究中發(fā)現(xiàn)為改善水凝膠的力學(xué)性能，研究人員進(jìn)行了許多探索，如雙交聯(lián)水凝膠、雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠、有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化水凝膠和納米復(fù)合水凝膠等［19］。本研究選擇雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)水凝膠培養(yǎng)基作為基體，雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)水凝膠被認(rèn)為是克服上述挑戰(zhàn)的最有希望的水凝膠體系之一［20］?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)水凝膠在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，而在農(nóng)學(xué)植物培養(yǎng)基中的應(yīng)用鮮有報(bào)道［21］。本研究中PVA ∶SA的比例對(duì)水凝膠力學(xué)性能影響較大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表明，PVA ∶SA=20 ∶1 時(shí)植物培養(yǎng)基壓縮性能最好，這是由于Ca2+-SA/PVA-MU 培養(yǎng)基的力學(xué)性能一部分取決于二價(jià)陽(yáng)離子與藻酸鹽聚合物中甘露糖醛酸（M 單元）和古洛糖醛酸（G 單元）之間相互作用形成的離子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)［22］，另一部分取決于PVA 在低溫下反復(fù)凍融形成的物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。水凝膠由兩種不同的互穿網(wǎng)絡(luò)組成，它們相互協(xié)同作用，使水凝膠具有綜合力學(xué)性能。

本研究對(duì)CaCO3的應(yīng)用較巧妙，CaCO3不僅作為造孔劑與造孔助劑反應(yīng)產(chǎn)生孔洞，而且利用Ca2+與SA 發(fā)生離子交聯(lián)產(chǎn)生交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，利用羥甲基脲釋放氮養(yǎng)分，磷酸二氫鈣不僅能釋放磷養(yǎng)分，從而實(shí)現(xiàn)了肥料、基質(zhì)一體化。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)SEM 掃描圖像觀察到Ca2+-SA/PVA-MU 水凝膠中存在化學(xué)反應(yīng)的大孔結(jié)構(gòu)與化學(xué)法輔助低溫造孔的小孔結(jié)構(gòu)，表明Ca2+-PVA/SA-MU 水凝膠具有大孔與微孔交叉的結(jié)構(gòu)；利用Nano Measurer 計(jì)算樣品單位面積氣孔分布及大小，表明檸檬酸與碳酸鈣反應(yīng)形成理想孔洞。通過(guò)TG、DTG、FTIR 表征可知，MU 與PVA 形成氫鍵作用；通過(guò)調(diào)節(jié)PVA 與SA的比例制備了雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)水凝膠，當(dāng)PVA ∶SA=20 ∶1 時(shí)，Ca2+-SA/PVA 水凝膠的力學(xué)性能最好，加入MU后植物培養(yǎng)基力學(xué)性能下降。培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，培養(yǎng)基SA ∶Ca2+-MU=40 ∶1 時(shí)，油菜出苗率最好，根長(zhǎng)最長(zhǎng)，鮮質(zhì)量、干質(zhì)量最大，加入MU、Ca(H2PO4)2有利于油菜生長(zhǎng)。