羟乙基纤维素改性聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)保水剂的性能及应用研究

李聪颖， 郝宏斌， 刘亚青

(中北大学 纳米功能复合材料山西省重点实验室 材料科学与工程学院， 山西 太原 030051)

0 引 言

干旱缺水一直是我国农业面临的一个重大问题， 保水剂的研究为解决这一问题提供了有效的途径[1-2]. 被誉为“分子水库”的保水剂(SAP)， 可以实现水分的重新吸收和释放， 改善土壤的理化性质， 减缓土壤的养分流失， 并减少农作物的灌溉需求[3-5]. 目前， 大多保水剂是由丙烯酸、 丙烯酰胺等以石油为基础的乙烯基单体聚合而成的， 降解性能差[6-7]， 会造成一系列土壤污染问题， 这限制了该类保水剂在农业方面的应用， 而可生物降解保水剂可以解决这些问题. 可生物降解保水剂通常以可降解的天然亲水性聚合物为原料， 通过与乙烯基单体交联制备而成， 具有比较好的降解性能和保水性能， 且原料来源广泛、 价格低廉， 符合可持续发展的要求[8-9]. 因此， 可生物降解保水剂在农业方面的研究和应用具有深远的意义.

可生物降解保水剂分为淀粉类和纤维素类[10]， 淀粉类保水剂的缺点是易发霉， 不易储存， 而纤维素类保水剂在这一点上表现出优越之处， 因此在农业方面应用更为广泛. 羟乙基纤维素(HEC)作为纤维素衍生物的一种， 其大分子链上含有丰富的羟基， 相比于天然纤维素更容易被改性， 且能够提高保水剂的吸水倍率[11]. 虽然大多学者利用HEC改性聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)制备保水剂(SAPHEC)， 并取得良好的效果[12]， 但将SAPHEC实际应用于农业方面的研究很少， 且HEC的添加量会对保水剂的性能产生影响， 进而影响其在农业方面的应用. 为此， 本文通过番茄盆栽实验研究了不同羟乙基纤维素含量的保水剂的吸水性能和降解特点， 以及对土壤含水量、 微生物学性状、 理化性质和番茄植株产量的影响， 为其在农业方面的应用提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试土壤

盆栽实验的土壤样品来源于山西省太原市尖草坪区上兰村0～20 cm的耕土地， 自然风干后经2 mm过筛使用. 土壤基本的理化性质为砂粒 38%， 粉粒 50%， 粘粒 12%， pH为7.50， 电导率为450.23 μs/cm.

1.1.2 供试作物

盆栽实验所用的作物为番茄(晋番茄一号).

1.1.3 供试材料

丙烯酸(AA)， 丙烯酰胺(AM)、 氢氧化钾(KOH)和过硫酸铵(APS)均购自天津大茂化学试剂厂， 所有试剂为分析纯. HEC购自上海马克林生化有限公司.

SAPHEC制备工艺是将5.0 g的AA， 2.0 g的AM和一定量的 HEC加入圆底烧瓶中， 加入20% KOH溶液调节AA的中和度为80%. 将0.021 g 的 APS加入烧瓶中， 在冰水中搅拌30 min. 将烧瓶置于55 ℃的水浴中， 混合溶液在氮气气氛下反应4 h， 得到粘稠的产物.

1.2 试验方法

番茄盆栽试验于2019年5～9月在山西省太原市中北大学山西省高分子复合材料工程技术研究中心进行. 将45 kg的土壤装入规格为60 cm×38 cm×28 cm的塑料箱中， 加入保水剂并与土壤均匀混合(其中6 g保水剂装在尼龙网袋中并放置于土壤下15 cm， 方便取样)， 将土壤铺平并用自来水浇透， 于傍晚进行番茄的种植. 选取长势无差别的幼苗种植， 每个塑料盆中栽种一株， 根据当地的气候及种植经验定时浇水并进行管理.

实验共设计五个处理： CK(空白处理)， SAPHEC-0， SAPHEC-1， SAPHEC-2和SAPHEC-3. 每个处理进行12个重复. 不同保水剂的施入量占干土重量的0.3%， SAPHEC-0， SAPHEC-1， SAPHEC-2和SAPHEC-3中m(HEC)/(m(AA)+m(AM) 分别为0， 0.1， 0.2和0.3.

分别选取番茄植株发育过程中的4个节点(苗期、 开花期、 结果期和成熟期)， 对材料、 土壤和植株进行取样， 每次取3个重复样品.

1.3 测定项目及方法

1.3.1 保水剂吸水倍率的测定

将保水剂烘干后用粉碎机粉碎至粉末状备用. 在25 ℃下， 称取粉末状的保水剂1 g装入过滤纱布袋中， 再置于装有500 ml的蒸馏水中， 直到保水剂溶胀平衡， 然后将过滤纱布袋取出沥干， 称重. 材料吸水倍率的计算公式为

(1)

式中：M0和M分别为吸水前和溶胀平衡后保水剂的质量.

1.3.2 保水剂失重率的测定

将装有保水剂的尼龙网袋从土壤中取出来， 用无水乙醇将保水剂清洗干净， 并在30 ℃下烘干至恒重， 称量.

保水剂失重率的计算公式为

(2)

式中：Wt是从尼龙网袋中取出并烘干的保水剂的质量；t为取样时间点， 分别为10 d， 40 d， 70 d和100 d.

1.3.3 土壤性质的测定

采用五点取样法对盆栽土壤进行取样并做两种处理： 一是立即进行土壤含水量和土壤微生物碳、 脲酶活性的测定， 二是烘干后测量土壤pH和电导率. 土壤微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸法， 有机碳分析仪测定[13]， 脲酶活性采用比色法测定[14]. pH测定采用pH计法； 土壤电导率用DJS-1C电导仪测定.

称取每个时期的盆栽土壤100 g， 并在80 ℃烘干至恒重， 称重(Mt)， 计算土壤含水量为

(3)

1.3.4 番茄产量的测定

采摘成熟的果实并称重.

1.4 数据处理

数据分析采用SPSS23， 作图采用Origin 2017.

2 结果与分析

2.1 HEC含量对SAPHEC吸水倍率的影响

HEC含量对SAPHEC吸水倍率的影响如图 1 所示. 由图 1 可知， SAPHEC-0， SAPHEC-1， SAPHEC-2和SAPHEC-3的吸水倍率分别为355.34, 385.33, 412.50和326.83 g/g. 随着HEC添加量的增加， SAP的吸水倍率先增加后降低， 当HEC含量为20%时， SAPHEC的吸水倍率达到最大值， 表明添加适量的HEC可以增加SAPHEC的吸水倍率， 添加过量的HEC会降低SAPHEC的吸水倍率. 原因在于： 当HEC含量低于20%时， 其表面的活性官能团与SAP中未被交联的分子链交联， 导致SAPHEC的吸水倍率增加； 而当HEC的含量大于20%时， 过量的HEC使保水剂内部形成过多的交联点， 抑制分子链的舒展， 而且过量的HEC易发生团聚， 填充在网络结构的孔洞中， 阻碍水分子的进入， 因此， SAPHEC的吸水倍率降低.

图 1 HEC含量对SAPHEC吸水倍率的影响Fig.1 Effect of HEC content on SAPHEC water absorption rate

2.2 HEC含量对SAPHEC失重率的影响

失重率体现了HEC的添加量对SAPHEC降解性能的影响. 图 2 显示， 不同保水剂的失重率存在显著性差异， 整体表现为SAPHEC-0

图 2 HEC含量对SAPHEC失重率的影响Fig.2 Effect of HEC content on SAPHEC weight loss rate

2.3 不同处理对土壤含水量的影响

由图 3 可知， 不同处理的土壤含水量在番茄整个生育期内的变化规律相同， 即随着植株的生长， 土壤含水量不断下降. 这主要是因为从苗期到成熟期， 植株根系的生长对土壤水分的吸收增加， 温度上升导致土壤水分的蒸腾作用增强. 同一生育期， 不同处理的土壤含水量均存在显著性差异， 表现为施加保水剂的土壤含水量均显著大于CK处理的， 由于保水剂SAPHEC-1和 SAPHEC-2的吸水倍率大于SAPHEC-0， 而SAPHEC-3的吸水倍率小于SAPHEC-0， 因此导致SAPHEC-1和 SAPHEC-2处理的土壤含水量大于SAPHEC-0处理的， SAPHEC-3处理的土壤含水量低于SAPHEC-0处理的. 表明土壤中施加保水剂能够抑制土壤水分流失[15-16]， 并且抑制作用随保水剂吸水倍率的增大而增加.

图 3 不同处理的土壤含水量Fig.3 Soil moisture contents in different treatments

2.4 不同处理对土壤微生物学性状的影响

2.4.1 对土壤微生物量碳的影响

土壤微生物量碳是土壤有机质中最活跃的成分， 与土壤中C、 N、 P等元素的循环息息相关， 对土壤肥力和植株的生长起着至关重要的作用. 由图 4 可知， 不同处理的土壤微生物量碳在番茄植株的整个生育期呈现相同的规律， 即在开花期达到峰值， 结果期和成熟期下降. 同一生育期内， 施加保水剂的土壤微生物量碳均显著高于CK处理的， 不同保水剂处理的土壤微生物量碳的排序是： SAPHEC-0

图 4 不同处理的土壤微生物量碳Fig.4 Soil microbial biomass carbon in different treatments

2.4.2 对土壤脲酶活性的影响

土壤脲酶能够催化尿素水解， 与土壤氮的转换有极其密切的关系， 从而对植株生长产生影响.

图 5 不同处理对土壤脲酶活性的影响Fig.5 Effects of different treatments on soil urease activity

由图 5 可知， 在整个生育期， 不同处理的土壤脲酶活性均在开花期达到峰值， 在结果期和成熟期降低. 施加保水剂的土壤脲酶活性均显著大于CK处理的， 不同保水剂的土壤脲酶活性均存在显著性差异， 其排序是： SAPHEC-0

2.5 不同处理对土壤理化性质的影响

2.5.1 对土壤pH的影响

由图 6 可知， 所有处理的土壤pH从苗期到开花期微弱上升， 之后， 由于植株对土壤中铵根等离子的吸收利用， 植株根系分泌有机酸和微生物分解土壤有机碳释放的二氧化碳、 有机酸的增多， 导致土壤pH降低. 对比不同处理的土壤pH， 发现施加SAPHEC-0与CK处理的土壤pH差距很小， 但SAPHEC-3与CK处理的差距最大， 其次是SAPHEC-2、 SAPHEC-1， 说明含有HEC的保水剂对土壤pH有调节作用.

图 6 不同处理的土壤pH Fig.6 Soil pH in different treatments

2.5.2 对土壤电导率的影响

电导率是反映土壤盐渍化的一个重要参数. 由图7可知， 各处理的土壤电导率在整个生育期呈下降趋势， 这是由于植株在生长过程中对土壤里各种离子的吸收利用而导致的. 同一生育期， 对比不同处理的土壤电导率， 发现空白处理的土壤电导率显著高于其他处理的， 不同保水剂与空白处理相比， 差距大小的排序为: SAPHEC-0

图 7 不同处理的土壤电导率Fig.7 Soil electrical conductivity in different treatments

2.6 不同处理对植株产量的影响

由图 8 可知， CK、 SAPHEC-0、 SAPHEC-1、 SAPHEC-2和SAPHEC-3处理的植株产量分别为2.27， 3.15， 3.41， 3.67和3.51 kg. 不同处理的植株产量存在显著性差异， 施加保水剂处理的番茄产量均高于空白处理， 不同处理的保水剂以 SAPHEC-2最优， SAPHEC-1次之， SAPHEC-3稍差， SAPHEC-0最低. 说明土壤中施加保水剂， 可以提高番茄产量， 且添加HEC的保水剂可以进一步提高番茄产量.

3 结 论

番茄盆栽实验条件下， 羟乙基纤维素改性聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)保水剂不仅能够提高材料的吸水倍率和降解性能， 还能进一步增加土壤含水量， 改善土壤微生物学性状和理化性质， 增加番茄的产量. 不同保水剂处理的番茄产量排序为SAPHEC-2> SAPHEC-3 >SAPHEC-1 >SAPHEC-0， 其中， HEC的添加量为20%时， 番茄的经济性状最优， 可作为保水剂中添加HEC的最佳量. 当HEC的添加量为20%时， 与SAPHEC-0相比， 其他SAPHEC材料的吸水倍率增加16.09%， 失重率提高 172.70%， 土壤含水量增加39.57%， 土壤微生物量碳增提高21.11%， 脲酶活性增加25.56%， 土壤pH和电导率适当降低， 产量增加16.49%.