聚谷氨酸吸水树脂对小麦光合及产量的影响

郭建忠　李森　张永康　张抗萍　李林

摘要：为研究新型可降解型聚谷氨酸吸水树脂（γ-PGA SAR）在减量灌溉和不同施加量条件下对冬小麦光合作用和产量的影响，设计了包含4个γ-PGA SAR（40、80、120、160 kg/hm2）施加量梯度和3个灌水量［常规灌水量为270.0 mm（W270）、减量15%为229.5 mm（W229.5）和减量30%为189.0 mm（W189）］处理的方案，加上3个灌水量对照，共计15个处理。结果表明，不同光响应模型对小麦旗叶光响应曲线的拟合结果存在一定差异，其中叶子飘模型是分析小麦光响应特征的最优模型。灌溉量的降低会导致小麦最大净光合速率降低，而γ-PGA SAR施加量的变化对最大净光合速率无显著影响（P<0.05）。灌水量的降低会导致冬小麦千粒重降低，γ-PGA SAR施加量的变化则对冬小麦千粒重无显著影响。灌水量的降低会导致冬小麦产量显著降低，而γ-PGA SAR在土壤中的含量增加能够增加冬小麦的产量，但当γ-PGA SAR的施加量达到80 kg/hm2以上时，小麦产量的增幅降低。施加相同量γ-PGA SAR

的冬小麦产量在灌水量越低的情况下相较各自CK组的产量增加比例越高。综上所述，γ-PGA SAR能够减少由于灌溉量降低而导致产量降低的影响，在我国干旱地区具有广阔的应用价值。

关键词：聚谷氨酸；吸水树脂；保水剂；冬小麦；光合特征；产量

中图分类号：S512.1+10.7 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）09-0079-08

水分胁迫是限制我国北方干旱半干旱地区作物产量的重要因素之一。构建节水型农业是解决我国干旱半干旱地区作物水资源匮乏的有效途径。化学型土壤保水剂在我国节水灌溉体系中起着重要的补充作用，其相比于地面灌、喷灌和滴灌等此类我国目前主流的节水灌溉措施，化学型土壤节水措施具有改良土壤结构、改善土壤根区微环境等传统节水灌溉措施不具备的优势［1-4］。因此，研究土壤保水剂对作物的作用效果也非常有必要［5］。

聚谷氨酸吸水树脂（γ-PGA SAR）是一种由γ-PGA与交联剂合成的新类型高吸水树脂［6］。γ-PGA SAR含有的自由羧基和自身吸水所形成的网状结构，是其能够吸收大量水分的基础［7］。合成γ-PGA SAR的单体γ-PGA具有直链状的分子结构，可被分解为具有促进作物吸收养分作用的低分子量γ-PGA和谷氨酸单体［8-10］。γ-PGA可通过枯草芽孢杆菌利用含碳源和氮源的营养物质生成，其营养物质可为多种低成本的生物质废料或其他可再生物质，因此γ-PGA本身的性能及由其合成的衍生物都得到了广泛关注［5］。相较于市场上的丙烯酸盐类SAR降解性能较差，由γ-PGA所合成的γ-PGA SAR在保水失效后最终可被土壤微生物分解为土壤肥料并被作物吸收利用。

本试验对不同γ-PGA SAR量在不同灌水量条件下的冬小麦灌浆期旗叶的光响应特征进行分析，分别采用不同的光响应模型对不同状况下冬小麦旗叶的光合特征进行适应性拟合，寻找适用于冬小麦不同处理条件下最佳旗叶灌浆期的光响应模型，并通过所拟合的最优模型对冬小麦的光合指标进行计算和分析，研究针对冬小麦不同灌溉梯度以及γ-PGA SAR施加量所带来的产量响应情况，并寻找γ-PGA SAR最适宜的施加量［11］。

1 材料与方法

1.1 试验设计及测试指标

试验地点在山西省太原市西温庄乡灌溉试验站，于2021年10月15日至2022年6月20日进行，此段时期的降水量如图1所示。该试验区域属于暖温带大陆性季风气候，多年平均降水量为 430 mm。该地区的年平均蒸发量为1 812 mm，年平均日照时数为2 676 h，年平均气温为9.5 ℃。土壤类型为黏壤土。

1.2 试验设计

试验所在地为山西省太原市小店区西温庄乡，该地区属于半湿润地区，小区大小为6 m2（2 m×3 m），在播种前由于土壤墒情较好不需要进行灌水，只需对土壤进行翻耕和施底肥。小麦于10月15日进行播种，播种采用条播（沟播）的方式，行距0.2 m，每行3 m，播种深度为3 cm，播种量为 225 kg/hm2，小麦品种为晋麦1001。试验设置15个处理（包括5个 γ-PGA SAR梯度和3个灌水梯度），每个处理设置3组重复（表1）。

所采用的SAR类型为自行制备的γ-PGA SAR，为颗粒凝胶状物质［12-14］，本试验所测定的 γ-PGA SAR在纯水中的吸液能力为561.74 g/g，在0.9%生理盐水中的吸液能力为47.68 g/g，符合农林用保水剂的规范要求［15］。γ-PGA SAR与小麦种子和细沙混匀后进行条播。本试验中的3个灌水量分别为270.0 mm（当地常规灌溉的100%）、229.5 mm（当地常规灌溉的85%）、189.0 mm（当地常规灌溉的70%）［16］。灌水日期分别在4月5日、4月25日和5月15日，灌水量分别为90.0、76.5、63.0 mm。试验中复合肥750 kg/hm2 （氮、磷、钾含量≥15%）作为底肥直接施入，在拔节期间追尿素 225 kg/hm2，与当地大田推荐使用量相当。

1.3 光响应曲线的测定

在冬小麦抽穗到灌浆期选择合适时间，利用CB-1102便携式光合蒸腾仪在晴朗的天气下对旗叶的光响应曲线进行测定。光响应曲线在测定时要选取每个处理中长势均匀的3株小麦的旗叶叶片进行观测，测定的时间为08：30—12：00。设置14个光照度梯度，从强到弱分别为2 000、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50、20、0 μmol/（m2·s）。

1.4 小麦产量及产量指标的测定

在小麦收获时，对每个处理进行产量测定。有效穗数：在每个小区选取中央长势均匀的1 m2，对此范围内小麦的有效穗数进行清点。粒仔数：选取长势均匀的30穗小麦，清点每穗小麦的粒数；千粒重：每个处理小麦在收获后清点均匀的1 000粒并进行称重。

1.5 光响应曲线模型

目前计算光合参数的计算模型较多，本研究采用较为常用的4种不同模型（直角双曲线模型、叶子飘模型、非直角双曲线模型和指数模型）对实测冬小麦旗叶灌浆期的净光合速率曲线（Pn—I）进行拟合，并选择最适宜的模型计算冬小麦光合作用的相关参数［17-19］。在各个模型中为了参数符号的统一，设定净光合速率统一用Pn表示，单位为 μmol/（m2·s）；光量子通量密度用I表示，单位为μmol/（m2·s）；叶片的表观量子效率用α表示；最大净光合速率用Pnmax表示，单位为μmol/（m2·s）；暗呼吸速率用Rd表示，单位为μmol/（m2·s）；光补偿点用Ic表示，单位为μmol/（m2·s）。4种不同的模型如下所示。

2 结果与分析

2.1 光响应曲线适用模型确定

在各个处理中，直角双曲线模型的r2整体低于其他3种处理（表2），而RSS整体高于其他3种处理，其拟合精度较低；而非直角双曲线模型和指数模型的r2整体高于直角双曲线模型的r2，但二者r2整体低于叶子飘模型的拟合精度（r2>0.995 0，且RSS在4种模型中最低）；因此，叶子飘模型可作为描述不同γ-PGA SAR梯度和灌水处理下冬小麦旗叶光响应曲线的最优模型。

采用4种常用的光响应模型对实测冬小麦旗叶的光响应曲线进行拟合，具体如图2所示。当光和有效辐射（PAR）在达到光饱和点之后，不同模型的模拟结果存在差异，可以看出，直角双曲线模型和非直角双曲线模型对光响应曲线光饱和阶段的拟合结果在500～1 000 μmol/（m2·s）和 1 600 μmol/（m2·s） 以上偏差高于叶子飘模型的拟合结果，拟合结果中总是高估光饱和阶段的实测结果，这是由于这2种模型无渐进线，在光饱和阶段适合拟合单调上升的光响应曲线，冬小麦的光响应曲线在1 600 μmol/（m2·s）以上趋于稳定甚至有些下降，而表2中的直角双曲线模型和非直角双曲线模型的拟合精度也较低。指数模型的模拟值相较于实测值在光饱和阶段仍然偏高［20-21］。叶子飘模型在图形上能够很好地拟合光响应曲线的各个阶段。

2.2 光响应曲线参数变化特征

光合作用是作物将无机物合成赋能有机物最核心的反应，与作物产量的高低有直接关系，其中叶片光合作用的光响应曲线所拟合的参数指标是评价比较作物光合特性的重要工具， 在本试验中利用叶子飘模型计算获得了不同处理下冬小麦旗叶的各项光合特征参数（表3）［22］。

随灌水量的降低，冬小麦旗叶的生物表观量子效率（α）逐渐降低，灌水量对α有极显著影响（P<0.01）；不同γ-PGA SAR梯度施加量对冬小麦旗叶的α无显著性影响（P＞0.05）［23-24］。

冬小麦旗叶的暗呼吸速率（Rd）随灌水量的降低而逐渐降低，叶片的生理性能也逐渐降低；而在灌水量一致情况下，叶片的Rd随着γ-PGA SAR梯度的增加而提高（灌水量229.5 mm除外）。灌水量对Rd有极显著影响，而不同γ-PGA SAR梯度对冬小麦旗叶的Rd无显著性影响。

冬小麦旗叶的最大净光合速率（Pn，max）随灌水量的降低而逐渐降低，在W270处理中，γ-PGA SAR梯度的增加对Pn，max无显著影响，而在W229.5和W189处理中，旗叶的Pn，max随γ-PGA SAR梯度的增加而增加，但多数差异不显著。

随着灌溉水量的降低，冬小麦叶片的光补偿点（Ic）逐渐增加，表明灌水量的降低会减弱冬小麦叶片对弱光的利用效率，而在相同灌溉量条件下，冬小麦叶片的Ic随γ-PGA SAR梯度的增加总体呈降低趋势，表明γ-PGA SAR施加量的增加会提高冬小麦叶片对弱光的利用效率，灌水量和γ-PGA SAR的变化对冬小麦叶片的Ic均有极显著影响［24-25］。

2.3 γ-PGA SAR对小麦产量构成的影响

表4为不同含量γ-PGA SAR和不同灌水量条件下对冬小麦产量构成要素的影响。可以看出，在灌水量为270.0 mm的各处理中，冬小麦的穗数与CK相比分别增加5.51%（PS40）、9.08%（PS80）、14.31%（PS120）和15.92%（PS160）；在灌水量为229.5 mm的各处理中，冬小麦的穗数与CK相比分别增加3.28%（PS40）、9.95%（PS80）、15.65%（PS120）和21.25%（PS160）；在灌水量为189.0 mm的各处理中，小麦的穗数与CK相比分别增加7.94%（PS40）、14.45%（PS80）、18.50%（PS120）和23.81%（PS160）。灌水量和γ-PGA SAR施加量的变化对小麦穗数均有极显著影响，而二者交互则无显著性影响。

随着灌水量的降低，在γ-PGA SAR施加量一致的情况下，小麦的籽粒数整体也在逐渐减少；而在相同灌水量的情况下，随着γ-PGA SAR施加量的增加，冬小麦的籽粒数也整体小幅增加，且各个施加量处理之间多数差异不显著。灌水量的变化和γ-PGA SAR施加量的变化对冬小麦籽粒数均无显著影响。灌水量的变化对冬小麦千粒重有极显著影响，γ-PGA SAR施加量的变化则对冬小麦千粒重无显著影响，灌水量与γ-PGA SAR的交互作用对千粒重则均无显著影响。

在灌水量为270.0 mm的各处理中，冬小麦的产量相较CK分别增加2.30%（PS40）、5.19%（PS80）、6.36%（PS120）和7.36%（PS160），可以看出，当γ-PGA SAR的施加量达到80 kg/hm2以上时，小麦产量的增幅降低。在灌水量为229.5 mm的各处理中，冬小麦的产量相较CK分别增加6.35%（PS40）、12.28%（PS80）、15.18%（PS120）和17.94%（PS160），可以看出，当γ-PGA SAR的施加量同样也在达到80 kg/hm2以上时，小麦产量的增幅降低。CKW270处理的产量为5 873.08 kg/hm2，PS160W229.5处理的产量为5 993.14 kg/hm2，说明施加160 kg/hm2的 γ-PGA SAR能够抵消由于灌溉量的降低而造成的冬小麦产量降低。在灌水量为189.0 mm的各处理中，小麦产量相较CK分别增加10.36%（PS40）、18.44%（PS80）、23.27%（PS120）和26.31%（PS160），当γ-PGA SAR的施加量为80 kg/hm2以上时，小麦产量的增幅也降低。施加相同量γ-PGA SAR的冬小麦产量在灌水量越低的情况下相较各自CK组的产量增幅越高，且冬小麦产量随γ-PGA SAR施加量的增加而升高。灌水量的变化和γ-PGA SAR的施加对产量均有极显著影响，灌水量与γ-PGA SAR的交互作用对产量无显著影响。

3 讨论

吸水树脂并不能够产生水分，而是通过自身特殊的亲水基团将土壤水分保存为束缚水和结合水［26］。储存在吸水树脂中的水分受亲水基团的影响，能够降低水分的蒸发速率，在水势梯度差的作用下可持续性为作物根系提供适宜的水分生长环境［27］。同时随着灌溉量的降低，在施加相同量γ-PGA SAR的状况下，冬小麦产量的增幅更大，这是由于在低水量处理下，γ-PGA SAR能够更好地体现SAR的保水作用，不同量γ-PGA SAR在土壤中的施加相比于对照组能够降低灌溉量减少而导致作物产量减少的影响［28］。研究表明，吸水树脂在土壤中的施用量并不是越多越好，当施用量超过120 kg/hm2时，普遍会造成作物生物量的减少和产量的降低，这主要是由于目前市场上所使用的吸水树脂单体均为丙烯酸或丙烯酰胺等，吸水树脂中未参与合成的单体会对作物有一定的损害作用，在一定量范围内，土壤中的吸水树脂较少，吸水树脂和丙烯酸单体接触作物根系较少，能够促进作物的生长发育，而当超过一定量时，土壤中累积的未参与反应的有毒单体对作物的伤害作用累积增加，伤害效应大于促生效应，对作物根系的影响进而反馈到影响作物的生理指标和作物产量上［29-32］。但在本试验中随着γ-PGA SAR在土壤中施加量的增加，在 160 kg/hm2 以内并未表现出产量下降的结果，这是由于参与合成γ-PGA SAR的主要原材料为对环境无毒害作用的高分子聚合物γ-PGA，在土壤中的降解产物谷氨酸可作为肥料增效剂促进作物的各项生理指标，且谷氨酸亦可作为氮源供给作物生长［33］。氮肥施加量和灌水量的施加在超过一定量时，作物产量的增幅会降低，水分和氮肥的利用效率均会减小，同样在本试验中γ-PGA SAR施加量在80 kg/hm2以上时，冬小麦产量的增幅降低，其边际效应也在逐渐降低［34-35］。

4 结论

本试验对不同γ-PGA SAR施加量在不同灌水量条件下的冬小麦灌浆期旗叶的光响应曲线和冬小麦的产量进行了试验，试验结果如下：

（1）经过对常用模型的拟合和比较，结果表明，叶子飘模型的r2更接近1，而RSS最小，最接近冬小麦实际的光合特征，叶子飘模型是模拟不同γ-PGA SAR施加量在不同灌水状况下冬小麦灌浆期旗叶光响应曲线的最优模型。

（2）在不同灌水量处理中，冬小麦产量随土壤中γ-PGA SAR含量增加而增加；当γ-PGA SAR施加量为160 kg/hm2时，冬小麦的产量相比于各自的对照组分别增加7.36%、17.94%和26.31%。当γ-PGA SAR的施加量达到80 kg/hm2以上时，小麦产量的增幅均降低。

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收稿日期：2023-07-03

基金项目：山西省基础研究计划（青年项目）（编号：202203021212016、202203021212013）；山西省高等学校科技创新项目（编号：2022L587、2022L578）。

作者简介：郭建忠（1989—），男，山西平遥人，博士，讲师，研究方向为水土资源高效利用。E-mail：shanxigjz@163.com。