水分脅迫下新型土壤保水劑對玉米苗期發(fā)育的影響

摘要：保水劑在土壤中降解能力低，會對土壤環(huán)境產(chǎn)生危害，利用聚天冬氨酸和膨潤土為原料，制備了新型的可降解土壤保水劑。設(shè)置水分脅迫處理和正常灌溉處理2組水分處理，在2組水分處理下分別施用市售腐殖酸保水劑（TA）和12.5（TB1）、17.5（TB2）、22.5（TB3）、27.5（TB4）和32.5 kg·hm-2（TB5）的新型土壤保水劑，以不施用保水劑為對照（CK），探討其對玉米苗期生長發(fā)育的影響。結(jié)果表明，施用保水劑在玉米苗期可提高土壤含水量，當保水劑加入量為22.5 kg·hm-2效果最好，保水劑用量為32.5 kg·hm-2時對玉米出苗有顯著抑制作用；在水分脅迫條件下，施用保水劑各處理的株高、莖粗、葉綠素含量和超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶活性均顯著高于CK；同時施用保水劑能顯著降低丙二醛和脯氨酸含量；其中，以保水劑用量為22.5 kg·hm-2（TB3）效果最佳。以上結(jié)果表明，新型土壤保水劑效果明顯，對我國的農(nóng)業(yè)節(jié)水有一定的推進作用。

關(guān)鍵詞：可降解土壤保水劑；水分脅迫；玉米苗期；生理指標

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0302

中圖分類號：S145.4；S14-33

文獻標志碼：A

文章編號：1008?0864（2025）01?0201?10

水是人類生活不可缺少的自然資源，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最重要的資源[1]。我國的人均徑流量遠低于世界平均水平[2]，受地理位置、氣候、人口等因素的影響，南北方水資源差異較大，有明顯的“南多北少”的特點[3]。水資源的缺乏已成為限制我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素之一[4]。

保水劑在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用研究已取得一定的進展，保水劑在土壤中可以保持水分和養(yǎng)分的雙重供給，對緩解干旱起到一定效果，從而改善作物生長狀況[5]，特別是在干旱地區(qū)效果更顯著[6]。保水劑又稱高吸水性樹脂（superabsorbent polymers，SAPs），是一種含有羥基、羧基、酰胺基等強親水性基團，并具有一定交聯(lián)度、三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的新型功能高分子材料，具有良好的保水性能，可以反復(fù)吸水釋水，在農(nóng)業(yè)上將其比喻成“微型水庫”。目前廣泛應(yīng)用于土地荒漠化防治、農(nóng)林抗旱保水等方面[7-9]。

國內(nèi)外學(xué)者對可降解土壤保水劑的研究主要以天然大分子類為主，對氨基酸類保水劑的研究較少，氨基酸保水劑與生物相容性較高，且其分子鏈上有羧基和氨基等親水基團，經(jīng)過聚合反應(yīng)和交聯(lián)劑的交聯(lián)反應(yīng)后便可制得具有優(yōu)異吸水性能且可降解的吸水性材料[10-13]。其中，聚天冬氨酸（polyaspartic acid，PAsp）是近幾年開發(fā)的新型綠色聚合物，因為性能優(yōu)良、可降解、無毒等特點被廣泛運用于衛(wèi)生醫(yī)藥、農(nóng)林、水處理等領(lǐng)域[14?15]。因此，本研究以聚天冬氨酸和膨潤土為原料，制備可降解土壤保水劑，利用盆栽試驗，在與市售保水劑對比的前提下，研究自制的可降解土壤保水劑在水分脅迫條件下對玉米苗期生長發(fā)育的影響，探討其實際應(yīng)用效果，以期為干旱半干旱地區(qū)合理施用保水劑提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自吉林省白城市通榆縣瞻榆鎮(zhèn)向陽村（44°13' N、122°02' E），土壤類型為鹽堿土。土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)為：pH 8.5、有機質(zhì)含量17.06 g·kg-1、堿解氮含量46.86 mg·kg-1、速效磷含量11.64 mg·kg-1、速效鉀含量85.55 mg·kg-1。

供試保水劑為自制的聚天冬氨酸可降解土壤保水劑和市售的腐殖酸保水劑。聚天冬氨酸可降解土壤保水劑制作方法：準確量取5 mL的丙烯酸（acrylic acid，AA）于燒杯中，在冰水浴中緩慢加入質(zhì)量分數(shù)20%的NaOH溶液中和至中和度75%，冷卻到室溫后依次加入單體用量3% 的膨潤土（bentonite，BT）和5%的聚天冬氨酸（PAsp），攪拌均勻后加入單體用量0.3% 的過硫酸鉀（potassiumpersulfate，KPS）和Ｎ，Ｎ'-亞甲基雙丙烯酰胺（N，N'-methylenebisacrylamide，MBA），攪拌均勻，用去離子水定量。用超聲波清洗器將混合溶液分散均勻后轉(zhuǎn)移至微波爐中，在一定輻射功率下反應(yīng)，反應(yīng)完成后將產(chǎn)物取出，冷卻后加入甲醇溶液浸泡12 h，除去表面殘留單體，最后將產(chǎn)物放入75 ℃干燥箱中干燥24 h，粉碎過篩，得到保水劑樣品。

1.2 試驗設(shè)計

玉米盆栽試驗于2019年10月5日在智能人工氣候室內(nèi)（溫度25～35 ℃，相對濕度50%～95%）進行。選用30 cm×18 cm大小底部帶孔（用于透氣）的塑料花盆，每盆裝供試土壤3 kg，施用尿素（N 0.32 g·kg-1土）、磷酸二銨（P2O5 0.184 g·kg-1土）、硫酸鉀（K2O 0.22 g·kg-1土），最后加入不同用量的自制保水劑，混合均勻。每盆播種15粒，播種深度5～7 cm，播種后正常供水，出苗后測定出苗率，最后定植3株，在玉米3葉期開始控水處理。試驗設(shè)置2組水分處理，一組為水分脅迫處理（-W），從3 葉期開始一直控制水量為田間持水量的40%～45%；另一組為正常灌溉處理（+W），從3葉期開始一直控制水量為田間持水量的70%～75%。2組水分處理分別施用不同劑量保水劑，與市售保水劑進行比較。

保水劑的施用處理設(shè)置如下：①施用市售的腐殖酸保水劑（TA），施用量為該保水劑建議的最佳施用量18 kg·hm-2；②分別施用自制的可降解土壤保水劑12.5（TB1）、17.5（TB2）、22.5（TB3）、27.5（TB4）和32.5 kg·hm-2（TB5）；③以不施用保水劑為對照（CK）。試驗共14個處理，每個處理6次重復(fù)。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 萎蔫條件下土壤含水量的測定

玉米幼苗長至3葉1心時，首次澆足水后便不再澆水，待玉米幼苗自然枯萎后測定不同處理土壤含水量的變化。

1.3.2 玉米出苗率的測定

在播種后7 d記錄出苗數(shù)，以葉面露出土表2 cm為準，根據(jù)下列公式計算出苗率。

出苗率=出苗數(shù)/供試種子數(shù)×100% （1）

1.3.3 玉米苗期形態(tài)指標的測定

玉米苗期結(jié)束后，每個處理選取3株玉米幼苗進行形態(tài)指標的測定。用卷尺測量玉米幼苗株高，用游標卡尺測定玉米幼苗莖粗；使用烘干法測定玉米幼苗干物質(zhì)量，將玉米幼苗的根、冠分開并洗凈，將其分別裝入信封中，在恒溫干燥箱中105 ℃中殺青20 min，在75 ℃中烘干至恒重，記錄玉米幼苗地上與地下干物質(zhì)量。

1.3.4 玉米苗期生理指標的測定

用SPAD-502葉綠素儀（上海梅特勒-托利有限公司）測定玉米幼苗活體葉片葉綠素含量；采用雙抗體一步夾心法酶聯(lián)免疫吸附試驗（enzyme linkedimmunosorbent assay-sandwich technique，ELISA）檢測試劑盒測定玉米苗期葉片超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性、過氧化物酶（peroxidase ，POD）活性、過氧化氫酶（catalase，CAT）活性、脯氨酸（Proline，Pro）含量和丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量，均通過試劑盒顯色后，用酶標儀（美國伯騰儀器有限公司）在450 nm波長下測定吸光度（optical density，OD）值，最后計算樣品含量及樣品活性[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019軟件和SPSS 26軟件進行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)為平均值±標準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 萎蔫試驗條件下施用保水劑對土壤含水量的影響

萎蔫試驗條件下保水劑對土壤含水量的影響如圖1所示，在玉米幼苗完全萎蔫的13 d內(nèi)，隨著水分脅迫時間的增加，不同處理土壤含水量均呈現(xiàn)下降的趨勢。在玉米幼苗完全萎蔫時，CK、TA、TB1、TB2、TB3、TB4 和TB5 土壤含水量分別為7.20%、8.27%、7.73%、8.26%、9.34%、10.45% 和10.93%。隨著保水劑施用量的增加，與對照相比土壤含水量有一定程度的提高，其中TB3、TB4 和TB5處理土壤含水量均高于TA處理，表明當土壤中保水劑加入量達到22.5 kg·hm-2時對土壤含水量的提高效果最好。

2.2 保水劑對玉米出苗率的影響

由圖2 可知，在播種期正常供水的情況下，TA、TB1、TB2、TB3 和TB4 處理玉米出苗率與CK沒有顯著差異；TB5 處理玉米出苗率最低，為75.56%，顯著低于CK 及其他保水劑處理。以上結(jié)果表明，保水劑用量為32.5 kg·hm-2時顯著降低了玉米出苗率。

2.3 施用保水劑對玉米苗期生長及干物質(zhì)積累的影響

由表1可知，水分脅迫條件下不同處理玉米苗期株高和莖粗均顯著小于正常水分處理（Plt;0.05）。在正常水分條件下，與CK相比，施用保水劑能一定程度上提高玉米苗期株高和莖粗，其中，TA和TB3處理的玉米株高和莖粗顯著高于CK（Plt;0.05）。在水分脅迫條件下，施用保水劑處理的玉米苗期株高和莖粗均顯著高于CK（Plt;0.05）。

由表2可知，與正常水分處理相比，水分脅迫條件下不同處理玉米苗期干物質(zhì)量顯著降低（Plt;0.05）。在正常水分處理條件下，除TB5 處理的玉米苗期地上和地下干物質(zhì)量與CK無顯著差異外，其他施用保水劑處理的均顯著高于CK（Plt;0.05）。其中，TA處理和TB3處理效果最顯著，且TA處理和TB3 處理間差異不顯著。在水分脅迫條件下，施用保水劑處理的玉米苗期地上干物質(zhì)量均顯著高于CK，其中TB3 處理效果最顯著，增幅為50.00%；地下干物質(zhì)量除TB5處理外，其他處理均顯著高于CK（Plt;0.05），TB3處理增幅最大，達到36.00%。

2.4 施用保水劑對玉米苗期葉綠素含量的影響

由圖3可知，正常水分（+W）條件下，玉米苗期葉片葉綠素含量均高于水分脅迫處理（-W），TB3與TA處理間無顯著差異，但顯著高于其他處理。在水分脅迫處理條件下，所有施用保水劑處理的玉米苗期葉片葉綠素含量均顯著高于CK，TB3 處理顯著高于其他處理，其他處理間無顯著差異。

2.5 施用保水劑對玉米苗期MDA 含量的影響

由圖4可知，與正常水分處理（+W）相比，水分脅迫處理（-W）的玉米苗期葉片MDA含量均有不同程度升高。在正常水分處理條件下，與CK相比，TA和TB3處理顯著降低了玉米苗期葉片的MDA 含量，其他處理差異不顯著。在水分脅迫（-W）條件下，施用保水劑處理玉米苗期葉片的MDA 含量與CK 相比均顯著降低（Plt;0.05），其中TB3處理效果最顯著；同時，TB3處理的MDA含量與TA處理間差異顯著（Plt;0.05），說明在水分脅迫（-W）條件下，施用新型保水劑處理在最佳施用量情況下效果優(yōu)于TA處理。

2.6 施用保水劑對玉米苗期相關(guān)酶活性的影響

由圖5可知，與正常水分處理（+W）相比，水分脅迫處理（-W）SOD 活性均有不同程度增加。在正常水分處理和水分脅迫條件下，施用保水劑處理SOD活性與CK相比均顯著增加，其中，TB3處理的SOD活性顯著高于其他處理。以上結(jié)果說明，保水劑的施用顯著提高了玉米體內(nèi)SOD活性。在施用新型保水劑處理中，隨著保水劑用量的增加，SOD活性均呈先增加后減小的趨勢。TB3處理在正常水分處理和水分脅迫條件下SOD活性均顯著高于TA處理。

由圖6可知，在正常水分（+W）處理和水分脅迫（-W）條件下，施用保水劑處理的POD活性均顯著高于CK，正常水分處理中，TA和TB3處理間POD活性無顯著差異，水分脅迫處理中TB3 處理顯著高于TA。在水分脅迫條件下，不同處理POD活性為：TB3gt;TA、TB2、TB4gt;TB1、TB5gt;CK。其中，TB3處理在正常水分處理和水分脅迫條件下與CK相比POD活性的增幅分別為49.84%和62.01%。

由圖7可以看出，在正常水分處理（+W）和水分脅迫（-W）條件下，與CK相比，施用保水劑均能顯著提高玉米苗期CAT活性（Plt;0.05）。在正常水分處理條件下，TB3 處理CAT活性最高，較CK增加57.16%，同時TB3 處理與TA 處理間差異顯著（Plt;0.05）。在水分脅迫條件下，TB3處理與TA處理間差異顯著（Plt;0.05），TB3 處理的CAT 活性較CK和TA處理分別增加62.75%和32.86%。

2.7 施用保水劑對玉米苗期脯氨酸含量的影響

由圖8可以看出，在正常水分條件下，施用保水劑處理的玉米苗期脯氨酸含量無顯著差異。在水分脅迫條件下，施用保水劑處理的脯氨酸含量均顯著低于CK（Plt;0.05），其中，TB3處理的脯氨酸含量最小，為14.08 μg·g-1 FW，與CK 相比降低30.91%，與TA處理之間差異顯著（Plt;0.05）。

3 討論

在水分脅迫條件下，土壤含水量的變化能夠直接反映植物受脅迫程度的大小[17]。本研究在萎蔫試驗條件下研究了施用保水劑對土壤含水量的影響發(fā)現(xiàn)，與對照相比施用保水劑處理能有效提高水分脅迫條件下土壤含水量，緩解水分流失，保證作物正常生長，這與侯賢清等[18]、Gao等[19]研究結(jié)果一致。

種子活力的高低與植物的生產(chǎn)潛力密切相關(guān)[20]，而種子出苗率能夠直接反映種子活力。本研究表明，在播種期正常供水的情況下，施用適量的保水劑能有效提高玉米出苗率，這與已有研究結(jié)果一致[21-23]。當保水劑用量過高時會對玉米種子的萌發(fā)產(chǎn)生抑制作用，可能是由于過多的保水劑在吸水后膨脹，減小了土壤孔隙度，對水分過度吸收，從而導(dǎo)致玉米出苗率下降。

在水分脅迫下植株的形態(tài)會發(fā)生改變[24]，這種變化可以直觀地反映植株所受脅迫程度的大小，而植株高度和莖粗是能夠直接反映植株形態(tài)特性的參數(shù)。何海軍等[25]研究發(fā)現(xiàn)，玉米株高及莖粗與水分脅迫程度有關(guān)，脅迫程度越大，株高與莖粗越小。本研究中，不同水分處理條件下，施用保水劑處理均能提高玉米株高及莖粗，這與趙玉坤等[26]研究結(jié)果一致。本研究還表明，水分脅迫會降低玉米苗期干物質(zhì)量，施用保水劑在不同水分處理條件下均會對玉米苗期干物質(zhì)量的積累產(chǎn)生明顯的促進作用，但高劑量的保水劑會產(chǎn)生抑制作用，可能與保水劑用量過高后的膨脹程度有關(guān)。

葉綠素含量的消長規(guī)律是反映葉片生理活性變化的重要指標之一，其含量反映葉片光合作用的強弱和植株的生長狀況[27]。同時，葉綠素含量也與植物抗逆性密切相關(guān)[28]，其受到逆境脅迫會發(fā)生變化[29]。本研究中，不同處理在正常水分條件下玉米苗期葉片葉綠素含量均顯著高于水分脅迫處理，這與忽雪琦等[30]研究結(jié)果一致。不同水分條件下，施用保水劑后玉米苗期葉片葉綠素含量均有所增加，且在水分脅迫條件下效果更顯著，有助于玉米幼苗在水分脅迫的情況下維持光合作用。

MDA是植物在水分脅迫時膜脂發(fā)生過氧化反應(yīng)的主要產(chǎn)物之一，其含量可以反映植物細胞膜的過氧化程度，是膜脂過氧化作用的指標[31]，MDA含量會隨著干旱脅迫程度的增加而不斷增加。本研究中，施用保水劑處理在干旱脅迫條件下能顯著降低玉米苗期葉片MDA含量，表明施用保水劑能顯著緩解在水分脅迫情況下玉米細胞膜脂過氧化，從而維持細胞膜的基本功能。

植物在逆境脅迫時為避免自身受到損害會形成相應(yīng)的抗氧化保護系統(tǒng)，SOD、POD和CAT等保護酶活性是植物抗脅迫反應(yīng)的重要生理指標之一，植物體內(nèi)保護酶活性的增強可提高植物在逆境脅迫條件下的抗性[32-34]。SOD、POD和CAT在清除生物自由基的過程起著重要作用，SOD、POD和CAT活性越高表明其清除自由基的能力越大，在植物抵御干旱脅迫等逆境的能力就越強。研究發(fā)現(xiàn)，水分脅迫會提高植物SOD、POD 和CAT 等保護酶的活性[35-38]，這與本研究結(jié)果一致。王軍輝等[39]研究發(fā)現(xiàn)，施用保水劑提高了玉米幼苗自由基清除相關(guān)保護酶的活性；楊杰[40]在水分脅迫的條件下研究不同用量保水劑對高羊茅幼苗葉片SOD、POD和CAT等保護酶活性的影響發(fā)現(xiàn)，在最佳施用量下，保水劑對保護酶活性有明顯的促進作用。本研究表明，在不同水分處理條件下，施用保水劑處理玉米苗期葉片SOD、POD和CAT活性與CK相比均顯著提高，其變化趨勢與保水劑用量有關(guān)，均隨著保水劑用量的增加呈先增加后減小的變化趨勢。

在水分脅迫條件下植物體內(nèi)會積累脯氨酸[41]，這是由于在水分脅迫的條件下脯氨酸主要用于調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的滲透壓，使植物在在干旱的情況下仍能從外界吸收水分，從而使各種代謝活動能正常進行[42]。目前國內(nèi)外學(xué)者研究普遍認為，脯氨酸含量的變化與干旱脅迫有關(guān)[43]。本研究中，水分脅迫處理的玉米苗期葉片脯氨酸含量顯著高于正常水分處理，這與王利彬等[44]研究結(jié)果基本一致。本研究結(jié)果表明，施用保水劑處理在水分脅迫條件下玉米苗期葉片脯氨酸含量顯著低于CK，而在正常供水情況下差異不顯著，可能是因為施用保水劑有效改善了玉米的生長環(huán)境，為其生長提供了相對穩(wěn)定的水分環(huán)境，緩解了水分脅迫程度。

本研究采用聚天冬氨酸為主要原料，加入膨潤土對聚天冬氨酸進行了改良，所有處理中TB3處理對玉米苗期的應(yīng)用效果均優(yōu)于其他處理，說明自制保水劑提高了保水效果，改變了保水劑的結(jié)構(gòu)。在最佳施用量下，自制的可降解土壤保水劑在玉米苗期的應(yīng)用效果優(yōu)于市售的腐殖酸保水劑。因此，將本研究所制備的可降解土壤保水劑應(yīng)用于干旱半干旱地區(qū)的玉米種植方面，不僅可以節(jié)約灌溉用水，還能有效促進玉米的生長發(fā)育以及抗旱性。

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基金項目：吉林省重點研發(fā)計劃項目（20200403069SF）。