干旱脅迫下新型復(fù)合水凝膠對(duì)煙草生理特性的影響

劉玲玲，張瑛，劉云飛，李軍正，常劍波，韋鳳杰，楊曉朋，姬小明*，李洪臣，楊建新*

干旱脅迫下新型復(fù)合水凝膠對(duì)煙草生理特性的影響

劉玲玲1，張瑛2，劉云飛2，李軍正1，常劍波1，韋鳳杰3，楊曉朋2，姬小明2*，李洪臣1，楊建新1*

（1.河南省煙草公司三門峽市公司，河南 三門峽 472000；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院，國(guó)家煙草栽培生理生化研究基地，煙草行業(yè)煙草栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450046；3.中國(guó)煙草總公司河南省公司，鄭州 450000）

【目的】探究新型復(fù)合水凝膠對(duì)干旱脅迫下煙苗生理特性的影響?！痉椒ā客ㄟ^(guò)盆栽試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了水凝膠添加量和水凝膠種類2個(gè)試驗(yàn)因素，其中水凝膠添加量分別為土壤干質(zhì)量的0.1%、0.5%、0.9%，水凝膠分別為商用水凝膠HS、新型復(fù)合水凝膠HM（聚乙烯醇-丙烯酸-分子篩水凝膠）和HB（聚乙烯醇-丙烯酸-生物炭水凝膠），以不添加水凝膠為對(duì)照（CK），研究新型復(fù)合水凝膠對(duì)干旱脅迫下煙草生物量積累、根系發(fā)育、光合系統(tǒng)及氧化應(yīng)激的影響?！窘Y(jié)果】在同一水凝膠添加量下，與HS處理相比，HM、HB處理均有效提高干旱脅迫下煙草鮮質(zhì)量、干質(zhì)量及總含水率。與CK相比，HM、HB處理最大可使鮮質(zhì)量分別提高153.91%、126.34%。且在同一水凝膠添加量下，與HS處理相比，HM、HB處理煙草的總根長(zhǎng)、總根表面積、平均根徑、根尖數(shù)和根體積顯著增加，煙草的根系活力、煙草光合參數(shù)、值提高，葉片氣孔狀態(tài)改善；煙草SOD（超氧化物歧化酶）、POD（過(guò)氧化物酶）和CAT（過(guò)氧化氫酶）活性及可溶性蛋白量提高，MDA（丙二醛）量顯著降低，煙草抗逆性增強(qiáng)。【結(jié)論】添加量為土壤干質(zhì)量0.9%的HM、HB水凝膠可以有效減輕干旱脅迫對(duì)煙草的影響，提高煙草抗旱能力。

復(fù)合水凝膠；分子篩；生物炭；干旱；煙草

0 引言

【研究意義】干旱脅迫是嚴(yán)重限制作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的主要非生物脅迫之一，也是制約我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素[1]。在植物生長(zhǎng)過(guò)程中，干旱脅迫直接影響葉片光合速率和氣體交換，同時(shí)減少根系生物量的積累，使植物生長(zhǎng)受阻[2]。干旱脅迫會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)活性氧（ROS）過(guò)度積累，導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化、酶功能障礙、葉綠素降低等，影響植物生長(zhǎng)代謝[3]。煙草是一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致煙草根系吸水能力下降，無(wú)法高效吸收利用營(yíng)養(yǎng)元素，導(dǎo)致代謝減弱，進(jìn)而影響煙草生長(zhǎng)發(fā)育[4]，降低煙草生產(chǎn)力。因此，緩解干旱脅迫給煙草帶來(lái)的不利影響，發(fā)展煙草栽培抗旱保水技術(shù)對(duì)煙葉的優(yōu)質(zhì)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。

【研究進(jìn)展】近年來(lái)，水凝膠在污水處理[5]、農(nóng)業(yè)保水保肥[6]、醫(yī)用敷料[7]等領(lǐng)域中均有廣泛應(yīng)用。水凝膠作為一種土壤保水劑，可以緩解干旱脅迫對(duì)煙草的毒害作用[8]。如陳芳泉等[9]采用的改性淀粉高分子吸水材料保水劑在中度干旱條件下，可改善不同烤煙品種農(nóng)藝性狀，提高根系活力與葉片抗氧化酶活性，增強(qiáng)煙草對(duì)干旱的抗逆性。白崗栓等[10]研究表明，施用水凝膠可有效協(xié)調(diào)半干旱地區(qū)煙葉化學(xué)成分，提高烤煙產(chǎn)量和質(zhì)量。然而傳統(tǒng)水凝膠的吸水保水性較差，緩解干旱脅迫對(duì)植物毒害的效果并不理想，而在傳統(tǒng)水凝膠基礎(chǔ)上制備出的復(fù)合水凝膠具有更強(qiáng)的機(jī)械性能、更復(fù)雜的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和更豐富的親水基團(tuán)（-OH、-COOH、-NH2等），使其具備更優(yōu)異的吸水保水性能[11]。Su等[12]利用傳統(tǒng)水凝膠材料丙烯酰胺復(fù)合海藻酸鹽、蒙脫土和Ca2+制備的互穿納米復(fù)合水凝膠（PMACa），具有較強(qiáng)且可逆的pH值依賴性溶脹行為，在堿性介質(zhì)中溶脹行為可增加9倍，能夠作為農(nóng)業(yè)使用的優(yōu)異保水材料，并且海藻酸鹽對(duì)土壤改良也有積極作用。Niu等[13]制得的復(fù)合腐殖酸（HA）凝膠肥料在緩慢釋放腐殖酸的同時(shí)還有著很強(qiáng)的保水能力，可調(diào)節(jié)土壤水肥狀況，提高土壤的吸附與交換能力，平衡土壤酸堿度。

【切入點(diǎn)】復(fù)合水凝膠相較于傳統(tǒng)水凝膠具有更強(qiáng)吸水保水性能。然而復(fù)合水凝膠的研究多集中在制備和性能測(cè)試上，針對(duì)復(fù)合水凝膠緩解干旱脅迫對(duì)煙草毒害的機(jī)理研究較少。且有關(guān)生物炭、分子篩復(fù)合水凝膠對(duì)煙草抗旱生理調(diào)節(jié)機(jī)制影響的研究鮮有報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】鑒于此，本試驗(yàn)旨在探究不同自制復(fù)合水凝膠用量對(duì)干旱條件下煙苗生理特性的影響，為復(fù)合水凝膠在煙葉生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

HB（聚乙烯醇-丙烯酸-生物炭水凝膠）、HM（聚乙烯醇-丙烯酸-分子篩水凝膠）由河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院煙草化學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供，制備方法：配制5%的聚乙烯醇溶液（polyvinyl alcohol，PVA），取1.0 g PVA加入20 mL去離子水，95 ℃攪拌至PVA完全溶解。取9 mL丙烯酸（acrylic acid，AA）加入45 mL去離子水以5 mol/L的KOH調(diào)pH值至7～8之間，得AA溶液。將引發(fā)劑過(guò)硫酸銨和交聯(lián)劑N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺溶解在AA溶液中，與PVA溶液、適量過(guò)0.15 mm孔徑篩的花生殼生物炭（B）或4A分子篩（M）混合，超聲振蕩使生物炭或分子篩均勻分散在反應(yīng)體系中，在60 ℃條件下，轉(zhuǎn)速為400 r/min攪拌6 h，制得HB或HM復(fù)合水凝膠，干燥粉碎備用。HS為丙烯酸鹽型商用保水劑，購(gòu)自山東唯信農(nóng)業(yè)科技有限公司。

供試土壤為黃壤土，取自河南農(nóng)業(yè)大學(xué)許昌科教園區(qū)，土壤pH值為7.3，有機(jī)質(zhì)量為22.12 g/kg，堿解氮量為76.6 mg/kg，有效磷量為11.70 mg/kg，速效鉀量為111.70 mg/kg，水溶性氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.80 mg/kg，田間質(zhì)量持水率為20.30%，使用前風(fēng)干、過(guò)篩，每盆裝200 g土壤，塑料盆規(guī)格為7 cm×7 cm（直徑×高度），底部有小孔。供試煙草品種為中煙100。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2021年8—10月在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院國(guó)家煙草栽培生理生化研究基地人工氣候室進(jìn)行。盆栽試驗(yàn)設(shè)置10個(gè)處理，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表1。將不同材料與200 g土壤混合均勻，倒入塑料盆中，從出現(xiàn)第4片真葉的煙苗中篩選出長(zhǎng)勢(shì)均勻的煙苗移栽到塑料盆中，每個(gè)塑料盆中1株煙苗，每個(gè)處理均移栽20株煙苗。所有盆栽均置于光照培養(yǎng)架上，光照強(qiáng)度200 μmol/（m2·s），光溫25 ℃，每天光照12 h。返苗7 d后，將盆栽浸入3 cm水層中靜置8 h，確保每個(gè)盆栽吸水后土壤達(dá)到飽和狀態(tài)，此后不再澆水待其自然干旱，干旱后第10天對(duì)煙草幼苗進(jìn)行取樣檢測(cè)。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

注 表中水凝膠添加量為占土壤干質(zhì)量的比例。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 水凝膠持水和保肥性能測(cè)試

采用土柱淋溶法，淋溶柱為高50 cm、直徑110 mm的PVC管，土壤取自河南農(nóng)業(yè)大學(xué)花壇，堿解氮量為176.6 mg/kg，速效鉀量為211.7 mg/kg，速效磷量為61.7 mg/kg，土壤填裝量為30 cm，預(yù)留20 cm灌水層，PVC管底部用收納盒接收滲漏液。將稱量好的過(guò)篩干土和干水凝膠充分混合，然后倒入淋溶柱中，上層用少量蛭石防止加水時(shí)土壤被水?dāng)_動(dòng)。淋溶后取樣測(cè)定各處理的土壤最大持水率，參照文獻(xiàn)[14]測(cè)定各處理的土壤養(yǎng)分量。

1.3.2 土壤含水率測(cè)定

土壤含水率采取烘干稱質(zhì)量法[15]測(cè)定。

1.3.3 根系指標(biāo)測(cè)定

根系洗凈后取根系末端的白嫩根作為測(cè)定材料，采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法測(cè)定根系活力。用EPSON Perfectio V800 Photo根系掃描儀（日本EPSON公司）掃描煙草根系獲得根系圖片，利用根系分析軟件WinRHIZO對(duì)煙草幼苗根系圖片進(jìn)行分析獲得煙草幼苗根系總根長(zhǎng)、根體積、平均根直徑、根表面積。

1.3.4 煙草含水率測(cè)定

分離煙株地上部和根系直接稱質(zhì)量法測(cè)定根系鮮質(zhì)量，后置于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，105 ℃殺青15 min，60 ℃烘干至恒質(zhì)量測(cè)定干質(zhì)量。煙草含水率采用烘干稱質(zhì)量法測(cè)定。

1.3.5 葉片電導(dǎo)率的測(cè)定

取0.1 g鮮活煙葉樣品，用去離子水沖洗后吸干表面水分，放入潔凈玻璃試管中加入10 mL蒸餾水室溫浸泡12 h。采用電導(dǎo)率儀（DDS-307型）測(cè)定提取液電導(dǎo)率1，沸水浴加熱30 min后冷卻，搖勻后測(cè)定提取液電導(dǎo)率2，得到相對(duì)電導(dǎo)率（1/2×100%）。

1.3.6 光合指標(biāo)及值測(cè)定

選擇第3片真葉（從上往下數(shù)）用LI-6400型便攜式光合作用分析儀（美國(guó)Li-COR公司生產(chǎn)）在09:00—11:00測(cè)定凈光合速率（）、胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)（）、蒸騰速率（）和氣孔導(dǎo)度（）。

值測(cè)定：使用SPAD-502Plus葉綠素儀（日本柯尼卡美能達(dá)公司）測(cè)定第3片真葉（從上往下數(shù)）的葉基部、葉中部和葉尖部值取平均值。

1.3.7 葉片氣孔拍照

選擇第3片真葉（從上往下數(shù)）在09:00—11:00用NP 900型偏光顯微鏡（中國(guó)Nexcope公司生產(chǎn)）觀察葉片表皮氣孔開合狀態(tài)并拍照。

1.3.8 抗氧化酶活性及丙二醛測(cè)定

植物葉片的超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性、過(guò)氧化物酶（peroxidase，POD）活性和過(guò)氧化氫酶（catalase，CAT）活性采用索萊寶試劑盒相應(yīng)指標(biāo)說(shuō)明書方法測(cè)定；可溶性蛋白量采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法[16]測(cè)定；采用硫代巴比妥酸（TBA）法檢測(cè)丙二醛（MDA）量。

1.3.9 過(guò)氧化氫、超氧陰離子及死細(xì)胞檢測(cè)

檢測(cè)前采取不同處理的第4片真葉（從上往下數(shù)）清理干凈備用，參考3,3’-二氨基聯(lián)苯胺法（DAB）[17]，對(duì)煙草葉片的過(guò)氧化氫（H2O2）積累情況進(jìn)行檢測(cè)，煙葉放入DAB染液浸染24 h后用95%乙醇浸泡脫去葉綠素；采用硝基氮藍(lán)四唑法（NBT）[18]對(duì)葉片進(jìn)行染色原位檢測(cè)煙苗葉片超氧陰離子（O2-），NBT溶液浸泡5 h后用95%乙醇充分脫去葉綠素；參照Islam等[19]描述的臺(tái)盼藍(lán)染色法測(cè)定死亡細(xì)胞，稍作修改，用配置好的臺(tái)盼藍(lán)染液浸泡煙葉6 h，然后將葉子在沸騰的乙醇中脫色20 min去除葉綠素。最后將上述處理的葉片用Epson Perfection V800 Photo掃描儀（日本EPSON公司生產(chǎn)）掃描拍照。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Graphpad8.3進(jìn)行制圖，使用DPS 7.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 各處理持水和保肥性能測(cè)試

由表2可知，添加水凝膠均顯著增加土壤最大持水率（<0.05），與CK相比，HS1、HB1、HM1、HS2、HB2、HM2、HS3、HB3、HM3處理的土壤最大持水率分別增加了1.46%、5.33%、5.69%、5.85%、7.61%、8.84%、9.30%、12.26%、12.49%。除HS1處理的速效磷量高于CK且不顯著外，其他處理的堿解氮量、速效鉀量、速效磷量均顯著高于CK。在相同水凝膠添加量下，與HS處理相比，HB、HM處理的堿解氮量、速效鉀量、速效磷量均增加。水凝膠添加量相同時(shí)，與HS處理相比，HB處理3個(gè)水凝膠添加量下的土壤最大持水率分別提高10.50%、4.27%、6.62%，HM處理3個(gè)水凝膠添加量下的土壤最大持水率分別增加11.47%、6.37%、7.13%?？傮w而言，與CK和HS處理相比，HB、HM處理的土壤最大持水率提高，土壤中堿解氮、速效鉀、速效磷量的流失減緩，且具有良好的保肥性能，可有效減少土壤養(yǎng)分流失。

表2 各處理的土壤最大持水率和養(yǎng)分量

注 同列不同小寫字母表示處理間差異顯著（<0.05），下同。

2.2 干旱脅迫下各處理土壤含水率

由圖1可知，與CK相比，隨著商用保水劑和自制水凝膠用量的增加，各處理煙草土壤含水率顯著提高（<0.05），土壤含水率表現(xiàn)為HM處理>HB處理>HS處理>CK。相同水凝膠添加量下，土壤含水率表現(xiàn)為HM處理>HB處理>HS處理，且土壤含水率隨HB、HM水凝膠添加量的增加而增加，其中HB3、HM3處理土壤含水率顯著高于其他處理。與CK相比，HB3、HM3處理土壤含水率分別增加137.51%、138.59%。與HS處理相比，HB3、HM3處理土壤含水率分別增加7.55%、8.07%。整體來(lái)看，增加HB、HM處理水凝膠添加量有利于增強(qiáng)土壤的保水效果，提高干旱脅迫下土壤含水率。

圖1 干旱脅迫下各處理煙草土壤含水率

2.3 干旱脅迫下各處理煙草根系發(fā)育指標(biāo)

由表3可知，與CK相比，隨著商用保水劑和自制水凝膠添加量的增加，各處理煙草根系活力、煙草總根長(zhǎng)、總根表面積、根體積、平均根直徑顯著提高（<0.05），表現(xiàn)為HM處理>HB處理>HS處理>CK。在相同水凝膠添加量下，與HS處理相比，HB、HM處理的煙草總根長(zhǎng)、總根表面積、根體積、平均根直徑均提高。相同水凝膠添加量下，與HS處理相比，HB處理3個(gè)水凝膠添加量下的煙草根系活力分別提高1.42%、3.42%、4.86%，HM處理3個(gè)水凝膠添加量下的煙草根系活力分別提高3.00%、9.87%、9.13%。整體來(lái)看，水凝膠添加量較少時(shí)自制水凝膠與商用保水劑對(duì)高干旱脅迫下煙草根系活力的影響差別不大，水凝膠添加量較多時(shí)以HM處理提高干旱脅迫下煙草根系活力效果較好，且商用保水劑和自制水凝膠均能促進(jìn)干旱脅迫下煙草根系發(fā)育，以HM3處理效果最好。

表3 干旱脅迫下各處理煙草根系發(fā)育指標(biāo)

2.4 各處理煙草根部生物積累量及含水率

由表4可知，與CK相比，隨著HS、HB、HM處理水凝膠添加量的增加，各處理的煙草鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和含水率均顯著提高（<0.05）。與CK相比，HS處理的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和含水率分別提高15.64%～120.99%、0～52.38%、0.89%～2.81%，HB處理的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和含水率分別提高17.70%～126.34%、4.76%～52.38%、0.65%～2.96%，HM處理的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和含水率分別提高17.28%～153.91%、4.76%～61.91%、0.61%～3.17%。在0.9%水凝膠添加量下，與HS處理相比，HB、HM處理鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和含水率均提高，其中含水率分別提高0.01%、0.40%。整體而言，干旱脅迫會(huì)影響煙草生長(zhǎng)發(fā)育，而自制水凝膠的施用能促進(jìn)干旱脅迫下煙草生物量的積累，提高煙草含水率，其中HM3處理效果最好。

2.5 各處理煙草葉片電導(dǎo)率

由圖2可知，與CK相比，隨著HS、HB、HM處理水凝膠添加量的增加，各處理煙草葉片電導(dǎo)率較CK均顯著降低（<0.05）。與CK相比，HS、HB、HM處理葉片電導(dǎo)率分別降低16.77%～62.15%、20.65%～68.95%、33.27%～72.20%。其中，HM3、HB3、HM2處理較CK分別降低72.20%、68.95%、68.81%。同時(shí)0.9%水凝膠添加量下，HB、HM處理葉片電導(dǎo)率較HS處理分別降低17.90%、26.54%。

表4 干旱脅迫下各處理煙草根部生物積累量和含水率

圖2 干旱脅迫下各處理煙草葉片電導(dǎo)率

2.6 干旱脅迫下各處理煙草光合特性

由表5可知，與CK相比，隨著HS、HB、HM添加量的增加，各處理的值顯著提高（<0.05）。與CK相比，HS、HB、HM處理的值可提高3.58%～13.33%、4.38%～14.73%、4.38%～18.61%。且隨著HS、HB、HM添加量的增加，凈光合速率（）、氣孔導(dǎo)度（）和蒸騰速率（）呈增加趨勢(shì)，胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)（）呈降低趨勢(shì)，干旱脅迫下煙草光合作用明顯增強(qiáng)，其中HM3處理的、、均高于其他處理，低于其他處理?？傮w而言，添加HS、HB、HM水凝膠可改善干旱脅迫對(duì)煙草幼苗葉綠素的影響，自制水凝膠的施用可有效緩解光合作用指數(shù)和光合色素量下降，其中，以HM3處理效果最好。

表5 干旱脅迫下各處理煙草光合作用參數(shù)

煙草幼苗置于日光照射10 min后觀察氣孔形態(tài)。由圖3可知，CK的煙草葉片氣孔基本處于完全閉合狀態(tài)，HS3、HB3、HM2、HM3處理的煙草葉片氣孔基本處于完全張開狀態(tài)，其他處理的煙草葉片氣孔處于半張開半閉合狀態(tài)。說(shuō)明煙草在受到干旱脅迫時(shí)會(huì)主動(dòng)關(guān)閉氣孔，從而減少水分流失。而HS3、HB3、HM2、HM3處理的土壤含水率較高，煙草可以從土壤中吸收水分，受到的干旱脅迫程度較低，氣孔正常張開維持生理活動(dòng)。

圖3 干旱脅迫下各處理對(duì)煙草氣孔開閉的影響

2.7 干旱脅迫下各處理煙草葉片抗氧化酶活性和MDA量

由表6可知，各處理葉片的SOD、POD、CAT活性均與CK差異顯著。隨著商用保水劑和2種自制水凝膠添加量的增加，煙草葉片的SOD、POD、CAT活性均呈增加趨勢(shì)，煙草葉片的MDA量呈降低趨勢(shì)。與CK相比，HS處理的SOD、POD、CAT活性分別提高0.78%～94.01%、5.37%～101.95%、42.70%～88.64%，HB處理的SOD、POD、CAT活性分別提高5.06%～100.72%、0.30%～99.93%、21.89%～102.48%，HM處理的SOD、POD、CAT活性分別提高5.76%～130.00%、12.15%～121.40%、21.27%～133.50%。與CK相比，HS、HB、HM處理的可溶性蛋白量分別降低34.19%～74.20%、33.57%～83.48%、34.28%～85.95%。與CK相比，HM3處理煙草葉片的SOD、POD、CAT活性最大可提高130.00%、121.40%、36.8%，MDA量最大可降低85.95%。添加HS、HB、HM處理均可提高干旱脅迫下煙草葉片抗氧化酶活性，降低MDA量，提高煙草幼苗抗逆性。

由圖4可知，與CK相比，其他處理的煙草可溶性蛋白量均顯著增加。水凝膠添加量為0.1%時(shí)，HM、HB處理可溶性蛋白量顯著高于HS處理；水凝膠添加量為0.5%、0.9%時(shí)，HM處理顯著高于HB、HS處理。與CK相比，HS、HB、HM處理可溶性蛋白量分別提高6.02%～54.62%、9.05%～56.46%、10.54%～62.66%。水凝膠添加量相同時(shí)，3種水凝膠均以HM提高干旱脅迫下煙草可溶性蛋白量效果較好。

表6 干旱脅迫下各處理煙草葉片抗氧化酶活性和MDA量

由圖5可知，干旱脅迫后，CK和HS1處理的煙草葉片O2-積累較多，葉片局部多處被染成藍(lán)色。HB1、HM1、HS3處理的O2-積累略低于CK和HS1處理，其他處理O2-積累量較小，只有一小部分葉片被染成藍(lán)色。DAB染色結(jié)果表明，干旱脅迫后，CK、HS1、HS2處理的煙草葉片H2O2積累明顯，HS3、HM3處理的H2O2積累明顯低于CK，其他處理H2O2積累比CK少。臺(tái)盼藍(lán)染色結(jié)果表明，CK、HS1、HB1、HM1處理的煙草葉片染色面積較大，其他處理的煙草葉片染色面積較小，說(shuō)明CK、HS1、HB1、HM1處理的煙草細(xì)胞受干旱脅迫較嚴(yán)重，死亡細(xì)胞數(shù)最多。綜上可知，HS3、HM3處理能有效緩解煙草干旱脅迫狀況。

圖4 干旱脅迫下各處理煙草可溶性蛋白量

圖5 干旱脅迫下各處理煙草葉片O2-、H2O2和死細(xì)胞量

3 討論

復(fù)合水凝膠在制備過(guò)程中添加有機(jī)物或無(wú)機(jī)物，可增強(qiáng)水凝膠力學(xué)性能、親水基團(tuán)和空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)，由于添加的有機(jī)物或無(wú)機(jī)物本身所固有特性（如較高的比面積和大量的官能團(tuán)），也可以使復(fù)合水凝膠呈現(xiàn)出更好的性能[20-21]。如添加碳基材料（石墨、氧化石墨烯、石墨烯、碳納米管等）可以有效提高水凝膠的活性位點(diǎn)、重復(fù)利用性、熱穩(wěn)定性和吸水溶脹能力[22-23]。本研究表明，土壤含水率隨著2種自制復(fù)合水凝膠和商用水凝膠添加量的增加而增加，且各處理均顯著高于CK，相同水凝膠添加量下，HM處理>HB處理>HS處理。這與Xiong等[24]研究的復(fù)合水凝膠對(duì)土壤含水率的作用結(jié)果一致。

植物為應(yīng)對(duì)干旱脅迫會(huì)關(guān)閉氣孔，降低蒸騰作用，減少CO2的吸收，降低植物葉綠素量，同時(shí)在干旱脅迫下，植物細(xì)胞膜遭到破壞，膜通透性增大，使得細(xì)胞內(nèi)的電解質(zhì)外滲，導(dǎo)致葉片細(xì)胞電導(dǎo)率增大，進(jìn)而影響植物光合作用。2種自制復(fù)合水凝膠和商用水凝膠的施用均能減輕干旱脅迫程度，提高干旱脅迫下光合色素量和光合作用參數(shù)、、，降低，緩解植物細(xì)胞組織受損傷程度，降低細(xì)胞電導(dǎo)率。相同水凝膠添加量下，煙草值、凈光合速率（）、氣孔導(dǎo)度（）和蒸騰速率（）等光合作用參數(shù)表現(xiàn)為HM處理>HB處理>HS處理，且各處理顯著高于CK，這與宋彬[25]研究木質(zhì)素水凝膠的作用結(jié)果一致。同時(shí)隨著2種自制復(fù)合水凝膠和商用水凝膠添加量的增加，干旱脅迫下煙草的根系活力提高，促進(jìn)煙草根系生長(zhǎng)發(fā)育，并顯著增加煙草生物量積累，提高煙草抗旱能力。

SOD、POD、CAT是重要的抗氧化酶，抗氧化酶能清除植株逆境脅迫下產(chǎn)生的活性氧，減輕植物的氧化損傷[26]。干旱脅迫會(huì)打破煙草細(xì)胞內(nèi)活性氧動(dòng)態(tài)平衡，導(dǎo)致活性氧過(guò)度積累，引起膜脂過(guò)氧化損傷。2種自制復(fù)合水凝膠和商用保水劑的施用均提高了葉片SOD、POD、CAT活性，降低干旱脅迫下煙草葉片中H2O2、O2-和膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物MDA量。2種自制復(fù)合水凝膠和商用水凝膠的施用均可緩解干旱脅迫對(duì)煙草葉片氧化損傷作用，減輕活性氧對(duì)細(xì)胞膜的損害，保護(hù)膜結(jié)構(gòu)的完整性，且相同水凝膠添加量下，抗氧化酶活表現(xiàn)為HM處理>HB處理>HS處理。這與董成武等[27]探究新型水凝膠對(duì)干旱脅迫下小麥幼苗影響的結(jié)果一致。

此外，可溶性蛋白是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可溶性蛋白的積累能提高細(xì)胞保水能力，對(duì)細(xì)胞的生命物質(zhì)及生物膜起到保護(hù)作用，因此經(jīng)常用作篩選抗性的指標(biāo)之一。本研究表明，干旱脅迫下施用2種自制復(fù)合水凝膠和商用水凝膠均顯著增加可溶性蛋白量，這與馬彥茹等[28]探究干旱脅迫條件下施用水凝膠對(duì)棉花植株生理生化的影響結(jié)果相似。

本研究表明，2種自制復(fù)合水凝膠的效果優(yōu)于商用水凝膠，一方面可能是因?yàn)?種水凝膠均為含有聚乙烯醇和丙烯酸的復(fù)合水凝膠，具有聚乙烯醇和丙烯酸之間的協(xié)同氫鍵作用使此類型的水凝膠具有高吸水和高強(qiáng)度性[29]；另一方面可能是因?yàn)镠B水凝膠為生物質(zhì)炭基復(fù)合水凝膠，HM為分子篩基復(fù)合水凝膠，生物質(zhì)炭、分子篩具有較大的比表面積和較高的孔隙度，結(jié)合了水凝膠和生物質(zhì)炭或分子篩的吸水保水能力，使HB、HM具有較好的保墑蓄水能力[30,31]。適宜水凝膠添加量下，HB、HM水凝膠的添加量越大緩解干旱對(duì)煙草脅迫效果越明顯，本研究中以HM3、HB3處理效果較好。

4 結(jié)論

1）當(dāng)水凝膠添加量占土壤干質(zhì)量0.9%時(shí)，施用水凝膠能夠顯著提高土壤含水率，緩解煙草干旱脅迫，促進(jìn)烤煙生長(zhǎng)，且2種自制復(fù)合水凝膠HM、HB較商用水凝膠效果更加顯著。

2）施用HM和HB后有效緩解了干旱脅迫對(duì)煙草的損害，促進(jìn)了煙草的生長(zhǎng)代謝，煙草根際活力、生物量、葉片含水率、可溶性蛋白量均得到顯著提高，并且增強(qiáng)了SOD、POD、CAT活性，減少M(fèi)DA量及O2-、H2O2的積累，提高煙草幼苗抗逆性。

（作者聲明本文無(wú)實(shí)際或潛在利益沖突）

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Effects of Novel Composite Hydrogels on Physiological Properties of Tobacco under Drought Stress

LIU Lingling1, ZHANG Ying2, LIU Yunfei2, LI Junzheng1, CHANG Jianbo1, WEI Fengjie3, YANG Xiaopeng2, JI Xiaoming2*, LI Hongchen1, YANG Jianxin1*

(1. Sanmenxia City Company of Henan Provincial Tobacco Company, Sanmenxia 472000, China;2. Tobacco College of Henan Agricultural University, National Research Base of Tobacco Cultivation Physiology and Biochemistry, Key Laboratory of Tobacco Cultivation of Tobacco Industry, Zhengzhou 450046, China;3. China Tobacco Croporation Henan Company, Zhengzhou 450000, China)

【Objective】To explore the effects of new composite hydrogel on the physiological characteristics of tobacco seedlings under drought stress, and to provide theoretical basis for alleviating the toxicity of drought stress to tobacco. 【Method】A total of 10 treatments including CK control and three different hydrogels added at 0.1%, 0.5% and 0.9% of soil dry mass: commercial hydrogel HS, new composite hydrogel HM (polyvinyl alcohol-acrylic acid-molecular sieve hydrogel) and HB (polyvinyl alcohol-acrylic acid-biochar hydrogel) were designed by pot experiment to study the effects of new composite hydrogels on tobacco under drought stress The effects of the new composite hydrogels on biomass accumulation, root development, photosynthetic system and oxidative stress of tobacco under drought stress were investigated. 【Result】Under the same dosage conditions, HM and HB treatments were effective in increasing the fresh mass, dry mass and total water content of tobacco under drought stress compared to HS treatment. Compared with CK, HM and HB treatments could increase the fresh mass by a maximum of 153.91% and 126.34%, respectively.Under the same dosage conditions, HM and HB treatments significantly increased the total root length, total root surface area, average root diameter, root tip number and root volume, and improved the root vigor of tobacco compared with HS treatments; photosynthetic parameters and SPAD values of tobacco increased significantly and improved leaf stomatal status; SOD (superoxide dismutase), POD (peroxidase) and CAT (catalase) activities and soluble protein amounts of tobacco increased and MDA (malondialdehyde) amounts decreased significantly, which enhanced the resistance of tobacco. 【Conclusion】Adding 0.9% HM and HB hydrogels to soil dry weight can effectively reduce the impact of drought stress on tobacco and improve tobacco drought resistance.

composite hydrogel; molecular sieve; biochar; drought; tobacco

1672 - 3317（2023）10 - 0015 - 08

S275

A

10.13522/j.cnki.ggps.2023122

劉玲玲, 張瑛, 劉云飛, 等. 干旱脅迫下新型復(fù)合水凝膠對(duì)煙草生理特性的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(10): 15-22.

LIU Lingling, ZHANG Ying, LIU Yunfei, et al. Effects of Novel Composite Hydrogels on Physiological Properties of Tobacco under Drought Stress[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(10): 15-22.

2023-03-25

2023-06-07

2023-10-17

河南省煙草公司三門峽市公司項(xiàng)目（2022411200200004x）；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（202210466046）

劉玲玲（1990-），女。助理農(nóng)藝師，主要從事煙草栽培生理生化研究。E-mail: 929429639@qq.com

張瑛（1998-），女。碩士研究生，主要從事煙草化學(xué)品質(zhì)研究。E-mail: 3061038286@qq.com

楊建新（1969-），男。助理農(nóng)藝師，學(xué)士，主要從事煙葉生產(chǎn)研究。E-mail: 147865250@qq.com

姬小明（1972-），女。教授，博士生導(dǎo)師，主要從事煙草化學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)研究。E-mail: xiaomingji@henau.edu.cn

@《灌溉排水學(xué)報(bào)》編輯部，開放獲取CC BY-NC-ND協(xié)議

責(zé)任編輯：白芳芳