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淀粉基高吸水树脂对栽培基质性能与节水量的影响

范文

范如芹罗佳李赟卢信刘丽珠张振华

摘要：为研究淀粉基高吸水树脂（super absorbent polymer，SAP）对栽培基质性能的提升效果，以农业废弃物原料栽培基质为研究对象，研究不同SAP添加比例（0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 g/L）对基质各项理化指标的影响，并通过蕹菜栽培精细补水的方法对各处理的节水效果进行定量研究。结果发现，随SAP添加比例的增加，基质总孔隙度和通气孔隙度均整体呈现先增加后降低的趋势，在1.0 g/L处理下达到最高值;基质最大持水量则显著提高。在每天补水保持基质含水量一致的情况下，0～1.0 g/L SAP添加处理下所栽培蕹菜的株高、茎粗及生物量等指标没有显著差异，但SAP添加量增加到1.2 g/L后各项指标开始下降，单株需补水量随SAP添加比例的增加而迅速降低。结果说明，该淀粉基高吸水树脂可用于改善基质性能，在基质中SAP添加比例为1.0 g/L时不仅可有效提高基质持水、保水和孔隙性能，而且可节约灌溉用水30.94%，在提高基质栽培质量、节约用水、降低浇灌频率和人工成本等方面均有重要潜力。

关键词：高吸水树脂;无土栽培基质;调理剂;节水农业;蕹菜

中图分类号： S317

文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）15-0312-04

我国是水资源严重短缺的农业大国，农业用水弥足珍贵。因此，发展节水高效农业成为农业可持续发展的重要途径，新型节水技术的研发则是重中之重。另外，由于土壤栽培存在连作障碍和土壤次生盐渍化等缺点，基质栽培将是设施农业的主要方向之一[1-2]。基质栽培用水也是農业用水的重要组成部分。由于基质普遍存在保水能力远远低于土壤、水分管理繁琐等缺陷，保水材料的应用至关重要。因此，探讨保水剂对基质保水性等理化性能的影响及其作用机制并量化保水剂的保水功效，对于提升栽培基质性能、促进设施农业发展和节约宝贵的农业用水等均具有重要意义。高吸水树脂（super absorbent polymer，SAP）是一种具有超强吸水和保水能力的新型高分子材料，被广泛应用于农林、建筑、环境保护及医药卫生等诸多领域[3-4]。近年来SAP作为土壤保水剂被成功应用于荒漠化土壤修复和干旱区农业土壤节水[5-7]。研究发现，在基质水分耗竭条件下，SAP可延缓黄瓜、番茄等植株的萎蔫发生时间，并有效促进植株生长[8-10]。但因SAP类型及性能的不同，试验及生产中所需添加SAP的比例及效果差别较大。目前国内市场上SAP以聚丙烯酸钠为主，它具有吸水速率高的优势，但该类SAP存在反复吸水能力较低及耐盐性、凝胶强度不高等缺点[11-12]，应用效果不佳。而淀粉类SAP具有来源丰富、价格低廉、容易降解、无公害且不易失水的特点，但其使用周期长短报道不一，且容易发霉变质。目前国内对淀粉类SAP的研究和应用仍不成熟，关于SAP用于基质保水时的节水量和节水潜力研究尚鲜见报道;同时，基质与土壤在容重、孔隙度、水力学特性及养分释放等方面存在较大差异，因此SAP应用于基质时的节水效果、对基质基本性状的影响以及对栽培作物有无负面作用等均有待深入研究。本试验拟以农业废弃物原料栽培基质为研究对象，研究淀粉基高吸水树脂对基质保水性能和基质各项理化指标的影响，并对其节水效果进行详细的量化研究，以期为优化基质性能、提高基质栽培水分利用率和评估节水农业的节水潜力提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

SAP由江苏省农业科学院农业设施与装备研究所提供，是以改性后的可溶性玉米淀粉为主要原料，丙烯酸和丙烯酰胺为接枝单体，采用水溶液聚合法制备的耐盐性钾型丙烯酸类高吸水树脂，外观为白色粉末，粒度为60～100目，容重为06～0.8 g/cm3，吸去离子水量为800～1 000 g/g，pH值在69～7.3之间，电导率（EC）为4.0～5.0 dS/m。所用基质配方为发酵床垫料堆肥+蛭石+珍珠岩+泥炭（体积比为 3 ∶ 2 ∶ 3 ∶ 2），其总氮、总磷、总钾、速效氮、速效磷、速效钾含量分别为24.20、8.62、10.10、1.94、2.41、599 g/kg。发酵床垫料堆肥来自江苏省农业科学院六合基地有机肥厂，由基于水稻秸秆的猪圈发酵床垫料圈内腐解1年及出圈后经过再次堆肥1个月制成。蛭石、珍珠岩、泥炭的最大持水量分别为53.9%、31.4%、31.7%。

1.2 试验设计

向“1.1”节的栽培基质中添加不同比例的SAP，添加量分别为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 g/L，分别记为S2、S4、S6、S8、S10、S12，以无SAP添加的基质为对照（S0）。测定不同SAP添加比例下基质的基本理化性质，包括基质水分损失率、容重、总孔隙度、通气孔隙度、最大持水量、pH值及电导率等，每个处理设3次重复。2015年5月6日在江苏省农业科学院玻璃温室内进行蕹菜栽培试验。将不同处理基质装入苗盘进行蕹菜（泰国小叶蕹菜）育苗及栽培，穴孔体积为 8 cm×8 cm×15 cm，每个苗盘每穴播种2粒，待种子发芽并长至4叶期时进行间苗，每穴保留1株。通过称质量每天用滴管对苗盘进行补水，使基质含水量控制在基质最大持水量的80%，并记录每次补水的量。每处理设4次重复，每个重复8穴。待蕹菜生长30 d后收获并测量其叶绿素含量、株高、茎粗、鲜质量及干质量等生长指标。

1.3 测定方法

将基质与去离子水按照质量比1 ∶ 5的比例混合搅拌，静置8 d后用pH计和电导率仪测定pH值和EC值;容重、最大持水量、总孔隙度及通气孔隙度等指标的测定均参照Fan等的方法[13]，具体为：取已知体积和质量的基质浸入去离子水中充分吸水后重力排水，此过程重复3次以确保基质吸水饱和，重力排水30 min后，再次测定其体积及质量，然后放入105 ℃烘箱烘干1周，再次称质量。根据测得的质量及体积计算容重、最大持水量、总孔隙度及通气孔隙度[14]。为研究SAP对基质失水特征的影响，取相同质量的各处理基质，加水至饱和，排除重力水后称质量，置于40 ℃恒温烘箱脱水，分别于4、8、12、16、24、32、40、48、56 h时称质量，计算每次称质量时基质的含水量。基质水分特征曲线参考Farrelll等的滤纸法[14]进行绘制，即将基质在105 ℃下烘干至恒质量，取20 g烘干样品加入去离子水，每个处理以饱和含水量的5%为梯度递增，直至含水样品质量达200 g，即各处理含水量为饱和含水量的5%～100%。将每个样品转移至玻璃瓶中，并在样品体积的1/2高度位置埋入滤纸（Whatman No.42）以确保滤纸与基质直接接触。将玻璃瓶密封后置于恒温密闭箱体内平衡1周后测定基质内滤纸的含水率（w）。每个样品相应的基膜吸力用以下公式计算得出，据此得出水分释放曲线。

1.4 数据统计与分析

采用SPSS 12.0软件LSD显著性差异检验对不同SAP添加比例下基质基本性状、补水量及蕹菜生长指标进行均值比较，采用SigmaPlot 12.5软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同SAP添加比例对基质理化性质的影响

如表1所示，不同SAP添加比例下基质容重变化不明显;随SAP添加比例的增加，总孔隙度和通气孔隙度表现出先上升后下降的趋势，均在S10处理下达最大值，S6、S8、S10处理间无显著差异;电导率呈现随SAP增加整体升高的趋势，但未达显著水平;SAP添加比例较高时，速效磷含量明显降低;基质最大持水量随SAP添加量的增加而增加，S12处理比对照提高42.35%。

由基质水分特征曲线（图2）可以看出，相同含水量条件下，基质SAP含量越高，所对应基膜吸力越大，说明被SAP所吸纳的水分有一部分作物利用率较低;同时，S0、S4、S8、S12处理基膜吸力为 100 kPa（植物水分利用临界值）时对应的基含水量分别为50%、55%、60%、65%左右，说明当基质含水量达到此范围时，作物可利用性较差。

2.2 不同SAP添加比例下蕹菜生长节水效果

在不同SAP添加比例的基质中进行蕹菜种植，每天加水使得所有处理的基质含水量保持在基质田间持水量的80%，各处理所需补充水分随SAP添加量的增加而減少（表2），其中S0处理比S12处理每株菜需水量多202 g，根据基质容重计算可知，1 t基质多需水809 kg。SAP添加量从0～1.0 g/L 范围内，小青菜的各项生长指标无显著差异，其中添加量为 0.8 g/L 时，小青菜长势最佳，可节水21.68%，但在更高比例（高于 1.0 g/L）添加量下生长状况较差。

由图3可知，SAP添加量与基质最大持水量呈极显著正相关关系，y=59.60+10.70x+9.03x2。式中：x为SAP添加比例，g/L;y为最大持水量，%。每株蕹菜的需水量则与SAP添加量呈极显著负相关关系，y=574.5-14.7x-219x2。式中：x为SAP添加比例，g/L;y为每株作物需水量，%。

3 讨论

3.1 SAP添加对基质理化性质的影响

基质最大持水量随SAP添加量的增加而提高，说明该淀粉基SAP对基质持水性能有很好地促进作用，且添加SAP后基质最大持水量符合理想基质的持水量标准（60%～100%）[15]。随SAP添加比例的增加，总孔隙度和通气孔隙度整体表现出先上升后下降的趋势，说明并非SAP添加比例越高越有利于基质性能的提升。SAP添加比例较高时，速效磷含量明显降低，这可能与SAP较强的吸附能力有关，说明该SAP可能有一定的肥料缓释效果。本试验结果显示，SAP的添加有效地降低了水分的蒸发。上述结果与Farrell等报道的SAP可有效增加基质含水量、延长植株萎蔫发生时间等结果[14]一致。Yu等也报道了SAP对土壤水分损失的有效降低作用[16];Narjary等研究SAP对不同土壤深度含水量的影响[17]，也发现了一致的结果。在实际生产应用中，由于基质普遍具有比土壤更低的水分涵养能力，SAP对于保持基质水分具有更为重要的意义，不仅可以延缓植株萎蔫发生，提高幼苗成活率、促进植株生长，还可以大大降低基质栽培的浇水频率，降低人工成本。

虽然SAP添加后基质水分损失明显降低，但是SAP分子所吸纳的水分是否可以全部释放被植株利用仍有待探索。植物可利用水分的最大吸力值为100 kPa，而本试验结果表明，各处理基膜吸力为100 kPa（植物水分利用临界值）时对应的基质含水量仅为最大持水量的50%～65%，说明当基质含水量达到此范围时，作物可利用性较差。也就是说，SAP添加后虽然基质含水量明显增大，但基质所含水分并非均能被植物利用，在评估保水材料节水效果时应考虑在内。如何促进SAP吸纳水分的释放将是今后SAP研制工艺的一个重要研究方向。

3.2 SAP添加下蕹菜生长节水效果

在通过每天补水保证所有处理基质含水量一致（田间持水量的80%）的情况下，随SAP添加量的增加，需要补充的水分逐渐降低，且在0～1.0 g/L的添加范围内蕹菜生长旺盛，处理间无差异，验证了SAP添加有助于基质栽培节水;在更高比例（高于1.0 g/L）SAP添加量下蕹菜各项生长指标开始下降，说明1.2 g/L的SAP添加量虽然省水，但因孔隙度过低等原因不利于作物生长。而在1.0 g/L的SAP添加量下蕹菜长势最佳且可有效节水。上述结果表明，淀粉基高吸水树脂具有有效的基质水分保持作用，合适的添加比例可有效解决基质水分保蓄能力差、易干裂结块等缺陷。

4 结论

淀粉基高吸水树脂（SAP）添加可有效提高基质最大持水量，二者存在极显著正相关关系，y=59.60+10.70x+9.03x2。基质水分蒸发率随SAP添加量的增加而明显减少。在一定添加比例范围内添加SAP可以提高基质孔隙度，但过高的添加比例（>1.0 g/L）可降低基质孔隙度，且不利于作物生长。随SAP添加量（0～1.2 g/L）的增加，每株蕹菜的耗水量逐渐降低，二者存在极显著负相关关系，y=574.5-14.7x-219x2。综上，淀粉基高吸水树脂可被用于废弃物栽培基质性能调控，添加比例为1.0 g/L时不仅可有效提高基质持水、保水和孔隙性能，而且可节约灌溉用水30.94%。

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