保水劑\\( SAP\\) 是一輕度交聯的親水性聚合物,可以吸收自身重量的幾百倍甚至幾千倍蒸餾水,具有吸水能力和保水能力強等優點,在農林園藝等領域具有廣闊的應用前景[1 ~4].保水劑從原料來源上主要分為合成類和半合成類.合成類主要是聚丙烯酸類、聚丙烯酰胺類; 半合成類產品是淀粉、纖維素等多糖和丙烯酸、丙烯酰胺的接枝共聚物.但目前這 2 類產品價格較高,主要的消費領域在衛生用品方面,在農林園藝方面的應用還未能得到大面積的推廣[5].
近年來,使用價格低廉的親水性粘土\\( 如蒙脫土、高嶺土等\\) 和天然多糖\\( 淀粉、羧甲基纖維素鈉等\\) 作為復合組分制備保水劑成為國內外研究的熱點[6 ~8].但目前報道的該類保水劑大多數是在 60 ~ 90 ℃溫度范圍內合成,關于室溫聚合該類保水劑的研究報道很少.而且,大多數文獻探討的是天然組分粘土和多糖的加入對產物吸水倍數的影響規律,關于天然組分對該類保水劑在農林園藝中應用的影響還未見文獻報道.室溫下聚合能耗低,合成工藝簡單,可減少熱污染,是降低生產成本的有效途徑.本課題組以丙烯酰胺\\( AM\\) 、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸鈉\\( AMPS\\) 為聚合單體,蒙脫土\\( MMT\\) 、羧甲基纖維素鈉\\( CMC\\) 為添加組分,在室溫下合成了聚\\( AMPS-AM\\) /CMC/MMT保水劑[9].與目前市面上農林園藝領域應用的保水劑相比,該類保水劑的主要特點是在室溫下合成,能耗小,工藝簡單,以價格低廉、對土壤無污染的天然組分MMT 和 CMC 為主要原料,成本低,屬環保型保水劑,在園林節水應用中具有廣闊的應用前景.
串紅\\( Salvia splendens\\) 為唇形科鼠尾草屬一二年生草本植物,花色鮮紅艷麗,多用于大型花壇、成片花鏡的布置,園林應用非常廣泛.串紅多采用播種繁殖.
有關資料表明,串紅種子存在發芽率低、發芽不整齊的問題,給種苗生產帶來很大困難[9].目前,系統研究如何提高串紅種子發芽率的種子處理技術的文章國內報道不多.將聚\\( AMPS-AM\\) /CMC/MMT 吸水性復合物應用于串紅種子發芽育苗生產中,提高其種子發芽能力,探索適宜串紅種子發芽、出苗最佳的保水劑處理技術,是本研究的目標所在.
在前期土壤節水試驗和土壤理化試驗工作的基礎上,以串紅種子為試材,以發芽能力為優化目標,使用正交試驗法研究天然組分 MMT、CMC 對串紅種子的發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數等發芽指標的影響規律,同時探索 MMT、CMC 對串紅種苗的主根長、側根數、總根長、總干重等生長指標的影響,篩選最佳的保水劑合成條件,為該保水劑在串紅種苗規模生產上提供試驗數據.
1 材料與方法
1. 1 試驗時間、地點.
試驗于 2013 年 3 月 21 日至 4 月 2 日在晉城市園林科研所實驗室內進行,設定恒溫恒濕光照培養箱內溫度為 22 ℃,光照為 12 h/d.
1. 2 試驗材料與儀器.
保水劑的制備原料: MMT\\( 浙江臨安膨潤土有限公司\\) 、CMC、AM、AMPS、過硫酸鉀\\( 分析純,天津市化學試劑一廠\\) .串紅種子: 晉城市園林科研所實驗室常溫保存.培養基質: 河沙,過篩,120 ℃高溫消毒.培養容器: 培養皿\\( 直徑、高分別為 90、14 cm\\) .實驗儀器: QHP-250 B 型恒溫恒濕光照培養箱\\( 江蘇省金壇市雙捷試驗儀器廠\\)1. 3 試驗方法.
1. 3. 1 正交試驗法制備保水劑.
天然組分 MMT 和 CMC 可以降低保水劑成本,改善產物吸水性能和環境友好性.單體濃度和引發劑濃度是影響產物吸水性能和轉化率的主要聚合參數.在前期工作基礎上,選取 MMT 用量、CMC 用量、單體濃度和引發劑濃度 4 個因素\\( 用量均以單體質量為計量基準\\) ,每因素選擇 3 個水平,見表 1,選擇 4 因素 3 水平正交試驗設計,見表 2.
在室溫下,按照本課題組申請的發明專利中所述方法制備保水劑[10],聚合產物經干燥粉碎后,過 40 ~60 目篩備用.
1. 3. 2 保水劑處理串紅種子.
串紅種子準確稱重,經質量濃度為 5 g/L KMnO4浸泡消毒 24 h,流水沖洗 2 h 后,以種子顆粒數等分,每份 90 粒種子,分別加入種子重量 10% 的 1 ~9 號保水劑,加入少量的水使保水劑均勻吸脹,充分攪合均勻,使保水劑能完全粘附在種子表面,室溫放置過夜.
1. 3. 3 串紅種子發芽.
分別稱取高溫消毒的培養基質 60 g 分成 9 個不同處理和 1 個空白對照\\( ck\\) ,每處理設置 3 個重復,分別等量放入培養皿中,給每處理澆水 40 g 使之達到飽和.取經保水劑處理的規格均一的 30 粒串紅種子播種于培養皿中,采用順序錯位法[11]排列于恒溫培養箱中,設置溫度 22 ℃,光照 12 h/d,每天觀察,12 d 后取出發芽植株,蒸餾水清洗干凈.
1. 3. 4 數據統計.
按照 GB 2772 - 1999《林木種子檢驗規程》[12]和《國際種子檢驗規程》[13]計算發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數,并統計主根長、側根數、總根長,對發芽苗烘干稱量,統計總干重.種子發芽試驗統計數據如表 2 所示.發芽率\\( %\\) = 正常發芽種子粒數/供試種子粒數× 100% ;000.發芽勢\\( %\\) = 發芽達到頂峰時正常發芽種子粒數/供試種子粒數 ×100%;發芽指數\\( Gi\\) = ∑Ni/Di\\( Ni 為第 i 天的發芽數,Di 為相應的發芽天數\\) ;活力指數\\( Vi\\) = S∑Ni/Di\\( S 為平均干重,即總干重/總發芽數\\) .
2 結果與分析
2. 1 保水劑對串紅種子發芽能力的影響由表 2 可知,對照發芽率為 2. 2%,均低于 2、3、5、6、7 號試樣,4 號試樣與對照相同,9 號未發芽,3 號試樣處理的串紅種子發芽率達到了 28. 9%,是對照的13. 1 倍.串紅種子綜合發芽效果最好的是 3 號試樣,發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數分別是對照的13. 1、4. 5、12. 6 倍和 16 倍,主根長、側根數、總根長、總干重分別是對照的 4、65、53. 7 倍和 16. 7 倍.而 1,8,9 號的發芽率均低于對照,說明保水劑的組成和合成條件對串紅種子發芽影響很大.
2. 2 正交試驗結果的極差分析采用正交極差分析對影響串紅種子發芽能力的因素進行分析,以探明天然組分含量、聚合條件對各指標的影響強弱.根據表 2 所示的正交試驗設計和種子發芽試驗結果,分別算出表 1 中各相應水平的 3 次試驗結果性質指標之和 K1、K2、K3和其平均值 k1、k2、k3以及極差 Dj,計算結果見表 3、表 4.
表 3 和表 4 中的極差數據表明,各種因素對不同指標的影響程度不一致.發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數是評價種子發芽能力性狀和效果的重要指標,總根長、側根數、主根長和總干重是判斷種苗生長性狀的重要指標[14],各因素對發芽率、發芽指數、活力指數、總根長、側根數、總干重的影響次序為 A\\( MMT用量\\) > C\\( 單體濃度\\) > B\\( CMC 用量\\) > D\\( 引發劑濃度\\) ,各因素對發芽勢的影響次序為 A > B = C > D,各因素對主根長的影響次序為 C > B = D > A.MMT 用量對除主根長以外的其它各指標的影響均最大,單體濃度和 CMC 用量次之,說明天然組分 CMC 和 MMT 的含量對種子發芽能力及植株的生長影響顯著,通過調整復合物中 CMC 和 MMT 的含量是提高串紅種子發芽能力和植株生長的有效途徑.MMT 含量對主根長的影響相對較小.
發芽率、發芽勢、發芽指數、總干重的最優處理為A 1B 2C 3D 2,活力指數和側根數的最優處理為 A 1 B 2C 3 D 3,主根長的最優處理為 A 1 B 3 C 3 D 3.考慮到對發芽率、發芽勢、發芽指數、總干重而言,引發劑濃度的影響最小,CMC 用量在水平 2 和水平 3 之間的差別不大,而天然產物 CMC 用量的增加可以增加保水劑的環境友好性,所以 CMC 用量和引發劑濃度均取水平3,種子綜合發芽及植株生長能力的最優處理確定為A 1 B 3 C 3 D 3,即正交表中的 3 號試樣.
2. 3 保水劑中天然組分含量對串紅種子發芽能力的影響由以上討論可知,保水劑中天然組分 MMT 和CMC 的加入對串紅種子發芽能力影響較大.為了更直觀的分析天然組分的含量對發芽能力的影響規律,以 MMT 和 CMC 的水平數為橫坐標,各指標的平均數k1、k2、k3為縱坐標,將 MMT 和 CMC 的統計分析結果繪成趨勢圖進行分析.
MMT 是一種親水性的硅酸鹽粘土,其表面含有的親水性羥基可以和聚合物發生化學反應,提高保水劑的吸水性能[4].圖1是保水劑中MMT含量對串紅種子發芽及種苗生長指標的影響規律圖.由圖 1 可知,發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數、總根長、側根數、主根長和總干重都隨著 MMT 用量的增加呈下降趨勢.說明 MMT 含量大于 25% 時,MMT 用量的增加不利于串紅種子的萌發,不利于植株根系生長和側根的萌發,也不利于植株干物質的積累.這可能與 MMT用量的增加,提高了保水劑的吸水性能,使保水劑在種床部位與種子及種苗根系存在爭水問題,進而影響種子的萌發和植株的生長有關[15].
CMC 是一種纖維素衍生物,分子鏈上含有親水性的羧基、羥基,具有良好的親水性和生物降解性,作為土壤改良劑可以提高土壤的有效磷養分含量[16].前期研究也表明,在本聚合體系中加入 CMC 后可以提高吸水性能,CMC 用量取水平 2\\( 9%\\) 時吸水性能最佳,過量 CMC 的加入不利于吸水性能的提高[17].圖 2 是CMC 含量對種子發芽指標的影響規律圖.由圖 2 可見,各指標\\( 除總根長和主根長外\\) 均隨 CMC 用量的增大呈單峰形變化趨勢,取用量 9% 時性能最佳.說明保水劑的吸水倍數與發芽性能在 CMC 用量小于12% 的范圍內呈一致性.總根長和主根長在 CMC 用量小于 12%的范圍內,隨 CMC 用量的增加而增大,達到 12%時性能最佳,說明 CMC 用量的增加,有利于種苗根系的整體生長,這可能與 CMC 能提高土壤有效養分的含量有關.CMC 用量大于 12% 時對總根長和主根長的影響有待進一步試驗研究.
3 結論與討論
3. 1 聚\\( AM-AMPS\\) /CMC /MMT 保水劑能顯著提高串紅種子的發芽能力,促進串紅種苗的生長.用發芽能力最佳時的保水劑處理后,串紅種子的發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數分別是對照試樣的 13. 1、4. 5、12. 6、16 倍,串紅種苗的總根長、側根數、主根長和總干重分別是對照試樣的 53. 7、33、4 倍和 16. 7 倍,這對提高串紅種子的發芽能力和促進串紅種苗的生長具有重要意義,對該保水劑在園林中的推廣應用具有重要價值.
3. 2 正交極差分析法表明,在各種影響因素中,粘土類天然產物 MMT 對除主根長外的其他指標的影響最顯著.MMT 含量大于 25% 時,MMT 用量的增加不利于串紅種子的萌發.MMT 含量小于 25% 時,對串紅種子發芽能力的影響有待進一步試驗.
3. 3 正交極差分析法表明,多糖類天然組分 CMC 對各指標的影響顯著,各性能指標在 CMC 用量適中時最子發芽及種苗生長指標的影響規律圖.由圖 1 可知,發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數、總根長、側根數、主根長和總干重都隨著 MMT 用量的增加呈下降趨勢.說明 MMT 含量大于 25% 時,MMT 用量的增加不利于串紅種子的萌發,不利于植株根系生長和側根的萌發,也不利于植株干物質的積累.這可能與 MMT用量的增加,提高了保水劑的吸水性能,使保水劑在種床部位與種子及種苗根系存在爭水問題,進而影響種子的萌發和植株的生長有關[15].佳\\( 總根長和主根長除外\\) .CMC 含量在 6% ~ 12%范圍內,CMC 用量的增加,有利于種苗根系的整體生長.
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