玉米秸秆基纤维素保水剂对土壤持水性能及冬小麦根系生长的影响

范 震，丁新惠，赵 丹，孙 宇，齐泓瑜，蒋永芳，田晓飞

（聊城大学环境与规划学院，山东聊城 252000）

0 引言

冬小麦是重要的粮食作物，合理的水分供应是冬小麦高产优质的重要保障[1]。华北平原是中国最主要的冬小麦生产基地，但该地区降水较少且季节间降水不均衡，农业用水资源紧缺[2]。通过合理的工艺措施改善土壤水分保蓄能力，提高农业用水利用效率是保证中国冬小麦生产安全的重要手段。保水剂(Super absorbent polymer，SAP)是一种能够吸收自身重量数百甚至上千倍水分的高分子聚合物[3]。施入土壤后能够改善土壤持水能力，在降雨或灌溉时通过快速吸水来减少地表径流和水分的下渗[4]，在植物根系周围形成微型“水库”，在土壤水分不足时缓慢释放贮存的水分供作物生长利用[5]，从而提高农业用水的利用效率。

目前市场上大约90%的SAP为聚丙烯酸（钠）和聚丙烯酰胺类产品，其吸水持水性能与外界环境如pH、离子浓度等密切相关，降解性较差且价格较高[6]，限制了其在农业生产中的广泛应用。为解决上述不足，利用富含纤维素的农作物秸秆、富含淀粉的厨余废弃物等生物质资源制备新型SAP已有大量研究[7-10]。然而，这些研究重点大多集中在SAP的合成工艺[7]、吸水保水机理[8]和生物降解性能改进[9]等方面。笔者前期通过田间试验研究发现小麦秸秆基SAP能够改善土壤水分保蓄能力，与包膜尿素配施能够提高冬小麦产量和氮素利用效率[10]，但关于不同程度水分胁迫下SAP用量对冬小麦根系生长的影响还有待于进一步研究。因此，本研究以自制的玉米秸秆基纤维素保水剂为研究对象，利用扫描电镜表征了其吸水前后形貌变化，探究了SAP施用量对土壤吸水持水特性和不同程度水分胁迫下冬小麦根系生长的影响，以期为农作物秸秆资源化利用和后续保水型缓/控释肥料的研发提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

冬小麦根系生长试验于2018年10—12月在聊城大学环境与规划学院土壤环境学实验室进行，试验期间室内温度维持在5～15℃。小麦品种为‘济麦22’，供试土壤采自聊城大学农学院试验站，其基本理化性质如下：pH 8.2，有机质10.2 g/kg，全氮0.6 g/kg，有效磷19.2 mg/kg和速效钾136.6 mg/kg。供试SAP为玉米秸秆与丙烯酸接枝共聚物，参照Ma等[11]的制备方法由聊城大学环境与规划学院制备，其在纯净水和0.1 mol/L的NaCl溶液中吸水倍率分别为269.8、114.3 g/g。

1.2 试验设计

冬小麦根系生长试验采用2因素3水平的正交试验设计，2个因素分别是水分胁迫和SAP用量。3个水分胁迫水平分别为：中度水分胁迫（W1，40%～50%田间持水量）、轻度水分胁迫（W2，60%～70%田间持水量）和充足供水（W3，75%～90%田间持水量）；3个SAP施用水平分别为不添加 SAP（SAP0，0 g/盆），中量（SAP1，3.0 g/盆）和高量（SAP2，6.0 g/盆），共9个处理，每个处理4次重复。每3天采用称重法控制SAP0处理土壤水分含量，相同水分胁迫的SAP1和SAP2处理水分管理与SAP0相同。

表1 SAP在不同浓度的NaCl溶液中吸水倍率

为保证冬小麦幼苗正常生长，试验开始前采用Hoagland’s营养液配方，将营养液喷洒到土壤表面并混匀后烘干备用。2018年10月5日准确称取1.5 kg烘干土壤与不同质量的SAP充分混匀后装入PVC管中，每管播种冬小麦8粒，待出苗后保留长势均匀的5株。10月12日开始利用称重法控制各处理土壤水分含量。在试验期间定期对盆栽装置的位置进行随机调整，避免光照、温度等的长期不均衡造成的误差。

1.3 测定指标与方法

小麦幼苗生长35天时测量幼苗茎基部至顶端叶尖作为株高，同时将地上部与根系剪断，将根系在静水反复浸泡清洗后，采用万深LA-S型植物根系扫描及分析系统分析总根长、总表面积、根体积、平均直径和根尖数等。取部分根尖采用TTC还原法测定根系活力，地上部和其余部分根系在80℃烘干至恒重，计算地上部和根系干物质量。

利用SU8020场发射扫描电子显微镜(SEM)对干燥的SAP颗粒和充分吸水后的SAP凝胶进行形貌分析。采用改进的环刀法测定不同SAP添加量对土壤容重和土壤水分蒸发的影响：将1000 g过20目尼龙网筛的烘干土分别与0、1.0、2.0、4.0 g SAP混合均匀后装入底部以滤纸密封的透明塑料管（高25 cm，内径10 cm）中，采用输液袋分4次将2000 mL纯净水缓慢滴加至塑料管中，静置6 h后称量土柱总质量，并测量土层高度。然后置于实验室内使水分蒸发，每隔24 h称量土柱质量。

根据土柱中土壤高度和横截面积计算土壤容重(Rs)，其计算公式如(1)所示。

式中，Rs为土壤容重(g/cm3)，1000为烘干土质量，g；mi为SAP添加质量，g；π为常数，r为塑料管半径，5 cm；h为充分吸水后管中土壤高度，cm。

最大持水量(Wmax)和土壤水分蒸发率(EP)计算公式参照Yang等[12]，如公式(2)～(3)所示。

式中Wmax为土壤最大持水量，质量%；m1和m2分别为土柱总湿质量和总干质量，g；m为烘干土质量，1000 g；EP为土壤水分蒸发率，%；mi和mi-1分别为前后两次称重土柱总质量，g。

1.4 数据分析

采用Excel 2010软件进行数据处理；采用SAS 9.2进行双因素分析；采用Duncan多重比较检验各处理平均值在p＜0.05水平上的差异显著性；使用Excel 2003进行作图。

2 结果与分析

2.1 SAP形貌表征

由图1可以看出，干燥的SAP为粒径大小较为均匀的灰色半透明颗粒(a)，粒径约为0.2～0.4 cm，吸水后则变为无色透明的凝胶状(b)，其粒径约为1.5～2.0 cm，说明所用SAP吸水后会产生溶胀现象。

图1 SAP吸水前(a)和吸水后(b)粒径变化

干燥的SAP颗粒(a)和SAP吸水后形成的水凝胶(b)在不同倍率条件下的扫描电镜如图2所示。干燥的SAP颗粒表面有较为粗糙而紧密的层状结构，同时存在褶皱和许多孔洞，SAP表面孔洞和疏松的层状结构增加了其表面积和孔容，能够便于外界水分的渗入，同时使SAP能吸收更多的水分。SAP吸水后形成的水凝胶表面则较为平整，有大量的流涎状结构，不规则的层间和孔隙数量减少，SAP膨胀后形成的疏松结构更有利于水分的扩散和渗透。

图2 不同倍率下SAP吸水前(a)和吸水后(b)扫描电镜图片

2.2 SAP对土壤吸水持水能力的影响

施用SAP降低了土壤容重（图3），且随着SAP施用量的增加，土壤容重逐渐降低。土壤容重以添加4.0 g SAP处理最低，较不添加SAP土壤降低3.2%，较添加1.0 g和2.0 g SAP的土壤分别下降2.9%和1.0%。与不添加SAP处理相比，添加2.0 g SAP土壤容重降低2.2%。

图3 不同SAP添加量下土壤容重变化

由图4可以看出，施用SAP显著提高了土壤最大持水量（初始水分含量），与不添加SAP相比，施用1.0、2.0、4.0 g SAP土壤最大持水量分别提高了25.6%、48.0%和88.9%。施用SAP显著降低前3天土壤水分蒸发率，且水分蒸发抑制效果随用量增加而显著增强。在蒸发进行6天之后，不添加SAP土壤水分含量趋于稳定，日水分蒸发量逐渐降低，但在第6天时，施用1.0、2.0、4.0 g SAP土壤水分含量分别为20.8%、25.7%和37.8%，较高的水分含量使日水分蒸发量仍维持在较高水平，导致在6天之后SAP抑制水分蒸发的效果逐渐降低，甚至呈现出土壤水分蒸发量增加的现象。

图4 不同SAP添加量下土壤水分含量（点线图）和蒸发速率（柱状图）

2.3 冬小麦幼苗长势

相等SAP用量下，冬小麦株高总体呈现W1＜W2＜W3的趋势（表2）。轻度和中度水分胁迫下，株高随SAP用量的增加而增加。与W3处理相比，等SAP用量的W1和W2处理地上部干物质量分别降低27.2%～34.0%和9.1%～11.4%；根系干物质量分别增加25.4%～28.3%和6.6%～7.8%，说明说水分胁迫抑制了冬小麦的生长。相同程度水分胁迫下的SAP1和SAP2处理较SAP0处理地上部分别增加7.7%～13.3%和14.7%～17.6%，根系干物质量分别增加7.5%～9.5%和12.4%～16.5%。W3+SAP2处理地上部和根系干物质量显著高于除W1+SAP1和W1+SAP1外的其他处理，说明水分供应不足会抑制冬小麦幼苗的生长，而保水剂能够缓解水分胁迫对冬小麦生长的抑制作用。

2.4 冬小麦根系形态

相等SAP用量下，冬小麦幼苗根系总长度、总表面积和根尖数均随水分胁迫程度的增加而降低，但根系平均直径则随水分胁迫程度的增加而增加（表2）。中度水分胁迫下，SAP2处理根系总长度、总表面积和根尖数较SAP0处理分别增加24.7%、22.1%和36.5%，但中度水分胁迫下SAP0处理根系平均直径显著高于SAP2处理。各处理总根长、根系表面积、根系体积和根尖数以W3+SAP2最高，表明高量的保水剂更有利于保持冬小麦幼苗根系生长，缓解干旱胁迫对冬小麦幼苗的伤害。

表2 不同处理冬小麦幼苗干物质积累

2.5 冬小麦根系活力

从图3可以看出，相等SAP用量的冬小麦根系活力总体呈现W1＜W2＜W3的趋势。在W1和W2条件下，SAP2和SAP1处理较SAP0处理根系活力分别增加21.1%～76.9%和37.3%～41.9%，但水分充足时各处理间根系活力基本一致，表明施用SAP有助于保持水分胁迫下冬小麦根系活力。

3 结论

（1）玉米秸秆基纤维素保水剂在土壤中吸水后溶胀能够降低土壤容重，显著提高土壤最大持水量，同时施用保水剂使前3天土壤水分蒸发率显著降低，且水分蒸发抑制效果随用量增加而显著增强，改善土壤的水分保蓄能力。

（2）水分胁迫抑制冬小麦幼苗干物质量积累和根系生长，且根系活力随水分胁迫程度的增强而降低。中度水分胁迫（40%～50%田间持水量）下，施用0.4%w/w SAP冬小麦总根长提高24.7%，根系活力提高43.5%，说明施用保水剂能够有效缓解水分胁迫对冬小麦根系生长的抑制效应。

图5 各处理冬小麦根系活力

4 讨论

良好的土壤水分保蓄能力是实现旱地农田作物水分高效利用的保障[13]。本研究结果表明，施用SAP显著提高了土壤最大吸水量，降低了前期土壤水分蒸发速率（图2）。这主要与SAP自身具有三维网状结构可以通过吸附作用吸水，同时含有的大量羧基、酰胺基及羟基等亲水基团能够与水分子结合形成氢键，实现水分的吸收[14]。在土壤水分较为充足时，水分很容易进入SAP内部网络，在作物根系周围迅速吸水膨胀形成一个“微型水池”[15]，减少了土壤水分的蒸发或阻碍水分向深层土壤运移，将水分更多的截留在作物根系周围，提高土壤水分的保蓄能力。同时，SAP吸水溶胀之后体积增大（图2），降低了土壤容重（图3），提高水稳性团聚体含量[16]，通过改变土壤物理性状来影响土壤水分的时空分布，从而增强土壤水分的保蓄能力。当土壤水分因土表蒸发或者植物根系吸水减少时，SAP所存储的水分又能够缓慢释放出来供作物根系吸收利用[17]。此外，由于SAP为秸秆纤维素与丙烯酸接枝共聚物，具有半互穿聚合物网络结构，其吸水后溶胀形成具有一定强度的水凝胶。当凝胶中的水分释放后，只要分子链未被完全分解，其仍能进行反复吸水[18]。因此，通过SAP在土壤中反复的快速吸水-缓慢释水能够提高农业用水的有效性。

根系是冬小麦吸收水分和养分的最主要途径，也是感受土壤水分胁迫的最直接器官[19]。本研究结果表明，水分胁迫抑制了冬小麦根长和根系比表面积（表3），增加了根系平均直径，降低了细根数量，这与井大炜[20]等的研究结果相一致。但也有研究认为水分胁迫不仅不会抑制作物根系的正常生长，反而能够促进玉米根长和根系比表面积增加，从而有利于植株抗旱[21]。施用SAP提高了中度水分胁迫下冬小麦根系总长度、总表面积和根尖数（表3），说明施用SAP能够有效缓解水分胁迫对冬小麦根系生长的抑制作用，有利于扩大根系对养分和水分的吸收空间。但也有研究表明，保水剂吸水产生的糊状凝胶会造成局部土壤水分含量过高，降低了土壤透气性，造成根系因缺氧而腐烂[22]，进一步影响植物正常生长发育。SAP除能够通过提高土壤水分保蓄能力促进作物根系正常生长外，还能够通过减少土壤水分的地表径流或深层渗漏，降低土壤溶液中养分损失[4,11]。同时，SAP表面丰富的羧基、酰胺基及羟基等基团还能够有效吸附土壤溶液中的氮、钾等营养元素，促进冬小麦根系的生长[23,24]。同时，本研究结果表明在水分充足供水条件下，施用SAP同样有利于根系的生长（表3），这与保水剂吸水膨胀后能明显改善土壤物理性质，尤其是能显著提高毛管孔隙度，保水剂对土壤团粒结构形成的促进作用等都为冬小麦根系生长创造了良好条件[25]。因此，玉米秸秆基纤维素保水剂可以提高土壤水分保蓄能力，在缓解水分胁迫对冬小麦生长造成的危害，改善冬小麦根系生理特性等方面具有积极作用。

表3 不同处理冬小麦幼苗根系