水分胁迫下新型土壤保水剂对玉米苗期发育的影响

摘要：保水剂在土壤中降解能力低，会对土壤环境产生危害，利用聚天冬氨酸和膨润土为原料，制备了新型的可降解土壤保水剂。设置水分胁迫处理和正常灌溉处理2组水分处理，在2组水分处理下分别施用市售腐殖酸保水剂（TA）和12.5（TB1）、17.5（TB2）、22.5（TB3）、27.5（TB4）和32.5 kg·hm-2（TB5）的新型土壤保水剂，以不施用保水剂为对照（CK），探讨其对玉米苗期生长发育的影响。结果表明，施用保水剂在玉米苗期可提高土壤含水量，当保水剂加入量为22.5 kg·hm-2效果最好，保水剂用量为32.5 kg·hm-2时对玉米出苗有显著抑制作用；在水分胁迫条件下，施用保水剂各处理的株高、茎粗、叶绿素含量和超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶活性均显著高于CK；同时施用保水剂能显著降低丙二醛和脯氨酸含量；其中，以保水剂用量为22.5 kg·hm-2（TB3）效果最佳。以上结果表明，新型土壤保水剂效果明显，对我国的农业节水有一定的推进作用。

关键词：可降解土壤保水剂；水分胁迫；玉米苗期；生理指标

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0302

中图分类号：S145.4；S14-33

文献标志码：A

文章编号：1008‑0864（2025）01‑0201‑10

水是人类生活不可缺少的自然资源，也是农业生产最重要的资源[1]。我国的人均径流量远低于世界平均水平[2]，受地理位置、气候、人口等因素的影响，南北方水资源差异较大，有明显的“南多北少”的特点[3]。水资源的缺乏已成为限制我国农业发展的重要因素之一[4]。

保水剂在我国农业生产中的应用研究已取得一定的进展，保水剂在土壤中可以保持水分和养分的双重供给，对缓解干旱起到一定效果，从而改善作物生长状况[5]，特别是在干旱地区效果更显著[6]。保水剂又称高吸水性树脂（superabsorbent polymers，SAPs），是一种含有羟基、羧基、酰胺基等强亲水性基团，并具有一定交联度、三维网络结构的新型功能高分子材料，具有良好的保水性能，可以反复吸水释水，在农业上将其比喻成“微型水库”。目前广泛应用于土地荒漠化防治、农林抗旱保水等方面[7-9]。

国内外学者对可降解土壤保水剂的研究主要以天然大分子类为主，对氨基酸类保水剂的研究较少，氨基酸保水剂与生物相容性较高，且其分子链上有羧基和氨基等亲水基团，经过聚合反应和交联剂的交联反应后便可制得具有优异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）是近几年开发的新型绿色聚合物，因为性能优良、可降解、无毒等特点被广泛运用于卫生医药、农林、水处理等领域[14‑15]。因此，本研究以聚天冬氨酸和膨润土为原料，制备可降解土壤保水剂，利用盆栽试验，在与市售保水剂对比的前提下，研究自制的可降解土壤保水剂在水分胁迫条件下对玉米苗期生长发育的影响，探讨其实际应用效果，以期为干旱半干旱地区合理施用保水剂提供理论依据与技术支持。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤取自吉林省白城市通榆县瞻榆镇向阳村（44°13' N、122°02' E），土壤类型为盐碱土。土壤基础理化性质为：pH 8.5、有机质含量17.06 g·kg-1、碱解氮含量46.86 mg·kg-1、速效磷含量11.64 mg·kg-1、速效钾含量85.55 mg·kg-1。

供试保水剂为自制的聚天冬氨酸可降解土壤保水剂和市售的腐殖酸保水剂。聚天冬氨酸可降解土壤保水剂制作方法：准确量取5 mL的丙烯酸（acrylic acid，AA）于烧杯中，在冰水浴中缓慢加入质量分数20%的NaOH溶液中和至中和度75%，冷却到室温后依次加入单体用量3% 的膨润土（bentonite，BT）和5%的聚天冬氨酸（PAsp），搅拌均匀后加入单体用量0.3% 的过硫酸钾（potassiumpersulfate，KPS）和Ｎ，Ｎ'-亚甲基双丙烯酰胺（N，N'-methylenebisacrylamide，MBA），搅拌均匀，用去离子水定量。用超声波清洗器将混合溶液分散均匀后转移至微波炉中，在一定辐射功率下反应，反应完成后将产物取出，冷却后加入甲醇溶液浸泡12 h，除去表面残留单体，最后将产物放入75 ℃干燥箱中干燥24 h，粉碎过筛，得到保水剂样品。

1.2 试验设计

玉米盆栽试验于2019年10月5日在智能人工气候室内（温度25～35 ℃，相对湿度50%～95%）进行。选用30 cm×18 cm大小底部带孔（用于透气）的塑料花盆，每盆装供试土壤3 kg，施用尿素（N 0.32 g·kg-1土）、磷酸二铵（P2O5 0.184 g·kg-1土）、硫酸钾（K2O 0.22 g·kg-1土），最后加入不同用量的自制保水剂，混合均匀。每盆播种15粒，播种深度5～7 cm，播种后正常供水，出苗后测定出苗率，最后定植3株，在玉米3叶期开始控水处理。试验设置2组水分处理，一组为水分胁迫处理（-W），从3 叶期开始一直控制水量为田间持水量的40%～45%；另一组为正常灌溉处理（+W），从3叶期开始一直控制水量为田间持水量的70%～75%。2组水分处理分别施用不同剂量保水剂，与市售保水剂进行比较。

保水剂的施用处理设置如下：①施用市售的腐殖酸保水剂（TA），施用量为该保水剂建议的最佳施用量18 kg·hm-2；②分别施用自制的可降解土壤保水剂12.5（TB1）、17.5（TB2）、22.5（TB3）、27.5（TB4）和32.5 kg·hm-2（TB5）；③以不施用保水剂为对照（CK）。试验共14个处理，每个处理6次重复。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 萎蔫条件下土壤含水量的测定

玉米幼苗长至3叶1心时，首次浇足水后便不再浇水，待玉米幼苗自然枯萎后测定不同处理土壤含水量的变化。

1.3.2 玉米出苗率的测定

在播种后7 d记录出苗数，以叶面露出土表2 cm为准，根据下列公式计算出苗率。

出苗率=出苗数/供试种子数×100% （1）

1.3.3 玉米苗期形态指标的测定

玉米苗期结束后，每个处理选取3株玉米幼苗进行形态指标的测定。用卷尺测量玉米幼苗株高，用游标卡尺测定玉米幼苗茎粗；使用烘干法测定玉米幼苗干物质量，将玉米幼苗的根、冠分开并洗净，将其分别装入信封中，在恒温干燥箱中105 ℃中杀青20 min，在75 ℃中烘干至恒重，记录玉米幼苗地上与地下干物质量。

1.3.4 玉米苗期生理指标的测定

用SPAD-502叶绿素仪（上海梅特勒-托利有限公司）测定玉米幼苗活体叶片叶绿素含量；采用双抗体一步夹心法酶联免疫吸附试验（enzyme linkedimmunosorbent assay-sandwich technique，ELISA）检测试剂盒测定玉米苗期叶片超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性、过氧化物酶（peroxidase ，POD）活性、过氧化氢酶（catalase，CAT）活性、脯氨酸（Proline，Pro）含量和丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量，均通过试剂盒显色后，用酶标仪（美国伯腾仪器有限公司）在450 nm波长下测定吸光度（optical density，OD）值，最后计算样品含量及样品活性[16]。

1.4 数据处理

采用Excel 2019软件和SPSS 26软件进行数据处理及统计分析，数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 萎蔫试验条件下施用保水剂对土壤含水量的影响

萎蔫试验条件下保水剂对土壤含水量的影响如图1所示，在玉米幼苗完全萎蔫的13 d内，随着水分胁迫时间的增加，不同处理土壤含水量均呈现下降的趋势。在玉米幼苗完全萎蔫时，CK、TA、TB1、TB2、TB3、TB4 和TB5 土壤含水量分别为7.20%、8.27%、7.73%、8.26%、9.34%、10.45% 和10.93%。随着保水剂施用量的增加，与对照相比土壤含水量有一定程度的提高，其中TB3、TB4 和TB5处理土壤含水量均高于TA处理，表明当土壤中保水剂加入量达到22.5 kg·hm-2时对土壤含水量的提高效果最好。

2.2 保水剂对玉米出苗率的影响

由图2 可知，在播种期正常供水的情况下，TA、TB1、TB2、TB3 和TB4 处理玉米出苗率与CK没有显著差异；TB5 处理玉米出苗率最低，为75.56%，显著低于CK 及其他保水剂处理。以上结果表明，保水剂用量为32.5 kg·hm-2时显著降低了玉米出苗率。

2.3 施用保水剂对玉米苗期生长及干物质积累的影响

由表1可知，水分胁迫条件下不同处理玉米苗期株高和茎粗均显著小于正常水分处理（Plt;0.05）。在正常水分条件下，与CK相比，施用保水剂能一定程度上提高玉米苗期株高和茎粗，其中，TA和TB3处理的玉米株高和茎粗显著高于CK（Plt;0.05）。在水分胁迫条件下，施用保水剂处理的玉米苗期株高和茎粗均显著高于CK（Plt;0.05）。

由表2可知，与正常水分处理相比，水分胁迫条件下不同处理玉米苗期干物质量显著降低（Plt;0.05）。在正常水分处理条件下，除TB5 处理的玉米苗期地上和地下干物质量与CK无显著差异外，其他施用保水剂处理的均显著高于CK（Plt;0.05）。其中，TA处理和TB3处理效果最显著，且TA处理和TB3 处理间差异不显著。在水分胁迫条件下，施用保水剂处理的玉米苗期地上干物质量均显著高于CK，其中TB3 处理效果最显著，增幅为50.00%；地下干物质量除TB5处理外，其他处理均显著高于CK（Plt;0.05），TB3处理增幅最大，达到36.00%。

2.4 施用保水剂对玉米苗期叶绿素含量的影响

由图3可知，正常水分（+W）条件下，玉米苗期叶片叶绿素含量均高于水分胁迫处理（-W），TB3与TA处理间无显著差异，但显著高于其他处理。在水分胁迫处理条件下，所有施用保水剂处理的玉米苗期叶片叶绿素含量均显著高于CK，TB3 处理显著高于其他处理，其他处理间无显著差异。

2.5 施用保水剂对玉米苗期MDA 含量的影响

由图4可知，与正常水分处理（+W）相比，水分胁迫处理（-W）的玉米苗期叶片MDA含量均有不同程度升高。在正常水分处理条件下，与CK相比，TA和TB3处理显著降低了玉米苗期叶片的MDA 含量，其他处理差异不显著。在水分胁迫（-W）条件下，施用保水剂处理玉米苗期叶片的MDA 含量与CK 相比均显著降低（Plt;0.05），其中TB3处理效果最显著；同时，TB3处理的MDA含量与TA处理间差异显著（Plt;0.05），说明在水分胁迫（-W）条件下，施用新型保水剂处理在最佳施用量情况下效果优于TA处理。

2.6 施用保水剂对玉米苗期相关酶活性的影响

由图5可知，与正常水分处理（+W）相比，水分胁迫处理（-W）SOD 活性均有不同程度增加。在正常水分处理和水分胁迫条件下，施用保水剂处理SOD活性与CK相比均显著增加，其中，TB3处理的SOD活性显著高于其他处理。以上结果说明，保水剂的施用显著提高了玉米体内SOD活性。在施用新型保水剂处理中，随着保水剂用量的增加，SOD活性均呈先增加后减小的趋势。TB3处理在正常水分处理和水分胁迫条件下SOD活性均显著高于TA处理。

由图6可知，在正常水分（+W）处理和水分胁迫（-W）条件下，施用保水剂处理的POD活性均显著高于CK，正常水分处理中，TA和TB3处理间POD活性无显著差异，水分胁迫处理中TB3 处理显著高于TA。在水分胁迫条件下，不同处理POD活性为：TB3gt;TA、TB2、TB4gt;TB1、TB5gt;CK。其中，TB3处理在正常水分处理和水分胁迫条件下与CK相比POD活性的增幅分别为49.84%和62.01%。

由图7可以看出，在正常水分处理（+W）和水分胁迫（-W）条件下，与CK相比，施用保水剂均能显著提高玉米苗期CAT活性（Plt;0.05）。在正常水分处理条件下，TB3 处理CAT活性最高，较CK增加57.16%，同时TB3 处理与TA 处理间差异显著（Plt;0.05）。在水分胁迫条件下，TB3处理与TA处理间差异显著（Plt;0.05），TB3 处理的CAT 活性较CK和TA处理分别增加62.75%和32.86%。

2.7 施用保水剂对玉米苗期脯氨酸含量的影响

由图8可以看出，在正常水分条件下，施用保水剂处理的玉米苗期脯氨酸含量无显著差异。在水分胁迫条件下，施用保水剂处理的脯氨酸含量均显著低于CK（Plt;0.05），其中，TB3处理的脯氨酸含量最小，为14.08 μg·g-1 FW，与CK 相比降低30.91%，与TA处理之间差异显著（Plt;0.05）。

3 讨论

在水分胁迫条件下，土壤含水量的变化能够直接反映植物受胁迫程度的大小[17]。本研究在萎蔫试验条件下研究了施用保水剂对土壤含水量的影响发现，与对照相比施用保水剂处理能有效提高水分胁迫条件下土壤含水量，缓解水分流失，保证作物正常生长，这与侯贤清等[18]、Gao等[19]研究结果一致。

种子活力的高低与植物的生产潜力密切相关[20]，而种子出苗率能够直接反映种子活力。本研究表明，在播种期正常供水的情况下，施用适量的保水剂能有效提高玉米出苗率，这与已有研究结果一致[21-23]。当保水剂用量过高时会对玉米种子的萌发产生抑制作用，可能是由于过多的保水剂在吸水后膨胀，减小了土壤孔隙度，对水分过度吸收，从而导致玉米出苗率下降。

在水分胁迫下植株的形态会发生改变[24]，这种变化可以直观地反映植株所受胁迫程度的大小，而植株高度和茎粗是能够直接反映植株形态特性的参数。何海军等[25]研究发现，玉米株高及茎粗与水分胁迫程度有关，胁迫程度越大，株高与茎粗越小。本研究中，不同水分处理条件下，施用保水剂处理均能提高玉米株高及茎粗，这与赵玉坤等[26]研究结果一致。本研究还表明，水分胁迫会降低玉米苗期干物质量，施用保水剂在不同水分处理条件下均会对玉米苗期干物质量的积累产生明显的促进作用，但高剂量的保水剂会产生抑制作用，可能与保水剂用量过高后的膨胀程度有关。

叶绿素含量的消长规律是反映叶片生理活性变化的重要指标之一，其含量反映叶片光合作用的强弱和植株的生长状况[27]。同时，叶绿素含量也与植物抗逆性密切相关[28]，其受到逆境胁迫会发生变化[29]。本研究中，不同处理在正常水分条件下玉米苗期叶片叶绿素含量均显著高于水分胁迫处理，这与忽雪琦等[30]研究结果一致。不同水分条件下，施用保水剂后玉米苗期叶片叶绿素含量均有所增加，且在水分胁迫条件下效果更显著，有助于玉米幼苗在水分胁迫的情况下维持光合作用。

MDA是植物在水分胁迫时膜脂发生过氧化反应的主要产物之一，其含量可以反映植物细胞膜的过氧化程度，是膜脂过氧化作用的指标[31]，MDA含量会随着干旱胁迫程度的增加而不断增加。本研究中，施用保水剂处理在干旱胁迫条件下能显著降低玉米苗期叶片MDA含量，表明施用保水剂能显著缓解在水分胁迫情况下玉米细胞膜脂过氧化，从而维持细胞膜的基本功能。

植物在逆境胁迫时为避免自身受到损害会形成相应的抗氧化保护系统，SOD、POD和CAT等保护酶活性是植物抗胁迫反应的重要生理指标之一，植物体内保护酶活性的增强可提高植物在逆境胁迫条件下的抗性[32-34]。SOD、POD和CAT在清除生物自由基的过程起着重要作用，SOD、POD和CAT活性越高表明其清除自由基的能力越大，在植物抵御干旱胁迫等逆境的能力就越强。研究发现，水分胁迫会提高植物SOD、POD 和CAT 等保护酶的活性[35-38]，这与本研究结果一致。王军辉等[39]研究发现，施用保水剂提高了玉米幼苗自由基清除相关保护酶的活性；杨杰[40]在水分胁迫的条件下研究不同用量保水剂对高羊茅幼苗叶片SOD、POD和CAT等保护酶活性的影响发现，在最佳施用量下，保水剂对保护酶活性有明显的促进作用。本研究表明，在不同水分处理条件下，施用保水剂处理玉米苗期叶片SOD、POD和CAT活性与CK相比均显著提高，其变化趋势与保水剂用量有关，均随着保水剂用量的增加呈先增加后减小的变化趋势。

在水分胁迫条件下植物体内会积累脯氨酸[41]，这是由于在水分胁迫的条件下脯氨酸主要用于调节植物体内的渗透压，使植物在在干旱的情况下仍能从外界吸收水分，从而使各种代谢活动能正常进行[42]。目前国内外学者研究普遍认为，脯氨酸含量的变化与干旱胁迫有关[43]。本研究中，水分胁迫处理的玉米苗期叶片脯氨酸含量显著高于正常水分处理，这与王利彬等[44]研究结果基本一致。本研究结果表明，施用保水剂处理在水分胁迫条件下玉米苗期叶片脯氨酸含量显著低于CK，而在正常供水情况下差异不显著，可能是因为施用保水剂有效改善了玉米的生长环境，为其生长提供了相对稳定的水分环境，缓解了水分胁迫程度。

本研究采用聚天冬氨酸为主要原料，加入膨润土对聚天冬氨酸进行了改良，所有处理中TB3处理对玉米苗期的应用效果均优于其他处理，说明自制保水剂提高了保水效果，改变了保水剂的结构。在最佳施用量下，自制的可降解土壤保水剂在玉米苗期的应用效果优于市售的腐殖酸保水剂。因此，将本研究所制备的可降解土壤保水剂应用于干旱半干旱地区的玉米种植方面，不仅可以节约灌溉用水，还能有效促进玉米的生长发育以及抗旱性。

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基金项目：吉林省重点研发计划项目（20200403069SF）。