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添加复合保水剂对无土栽培基质保水性能的影响
张璐， 孙向阳， 田赟， 龚小强
( 北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，北京100083)
注: 溶胀度是衡量保水剂遇水溶胀时体积变化的量度，无量纲物理量
水土资源不足是制约我国21 世纪农林业发展的两大自然因素． 发展节水型无土栽培，能够经济有效地利用我国有限的水土资源，是一项具有重大意义的研究课题． 保水剂( 又称吸水剂、持水剂) ，是近40 年来迅速发展的一种新型材料，具有特殊的抗旱、保水、节水等作用． 虽然保水剂对栽培基质持水性能、植物生长的影响研究已有较多报道，但多数集中于土壤中的应用研究． 有关保水剂应用于无土栽培基质的效果报道尚不多见，尤其是我国在这方面研究更少． 因此，保水时间长、易降解、对环境无毒无害且价格低廉的优质无土栽培基质保水剂是我国节水型无土栽培发展的重要方向［7］． 目前，虽然高分子保水剂可有效节水节肥，但对栽培基质的理化性质无调节作用． 而且，某些高分子保水剂pH 值普遍偏高，长时间施用易造成栽培基质碱性增强，此类保水剂的某些降解产物还可能对周围环境有毒害作用，导致基质和植物质量下降，不利于植物根系生长和对营养物质的吸收． 同时，高分子保水剂对生产工艺和原材料来源要求高，价格昂贵，在一定程度上限制了此类保水剂的推广． 所以，具有适宜pH、降解产物无毒无害且价格低廉等特性的保水剂应用于无土栽培是我国节水型农林业面向未来可持续发展的重要趋势． 文中的自制复合保水剂可有效改善栽培基质的持水性能，使用方法简便，用量易掌握． 同时，由于其含有营养物质和特殊微孔结构，长期使用对栽培基质理化性质和颗粒结构均有一定的调节和改良作用，提高植物品质和产量． 本文系统研究和比较添加不同用量的4 种自制复合保水剂和对照保水剂的栽培基质湿容重、最大持水量、水分蒸发速率和发芽试验，以期筛选出优质的无土栽培基质保水剂，为无土栽培生产中高效利用水资源和科学合理使用保水剂提供理论和实践依据，对促进节水型无土栽培的可持续发展具有深远意义．
1 材料与方法
1． 1 试验材料与制备
自制复合保水剂原材料( 表1) : β-环糊精、可溶性淀粉，分析纯AR; 羧甲基纤维素钠，化学纯CP; 竹炭粉，购于桂林新竹大自然生物材料有限公司，粒径0． 25mm; 玉米芯热解粉，自制，以农林废弃物玉米芯为原料，粉碎，调节玉米芯颗粒含水率( ≤10%) 后放入自主研发的炭化炉内进行高温热解处理，处理温度范围为160℃—220℃，约10—20min 后，收集固体产物，冷却过筛即得，粒径0． 25mm．
自制复合保水剂制备方法: 按照原材料比例( 表2) ，称量一定量于烧杯中，加入适量去离子水，在65℃下水浴加热10—20min，其间不断搅拌至混合物呈胶体状，置于电热恒温鼓风干燥箱( 80℃) 中干燥后粉碎，过孔径为1mm 的土壤筛，即得粉末状自制复合保水剂．
注: 溶胀度是衡量保水剂遇水溶胀时体积变化的量度，无量纲物理量
自制复合保水剂选择: β-环糊精+ 羧甲基纤维素钠+ 可溶性淀粉( β + CMC + K) 、β-环糊精+ 羧甲基纤维素钠+ 竹炭粉( β + CMC + Z) 、β-环糊精+ 羧甲基纤维素钠+ 可溶性淀粉+ 竹炭粉( β + CMC + K + Z) 、β-环糊精+ 羧甲基纤维素钠+ 可溶性淀粉+ 玉米芯热解粉( β + CMC + K + TD) ．对照保水剂选择: 旱宝贝( CK) ，型号为MP3005KM，购于北京金元易生态工程技术中心，颗粒状．基质选择与预处理: 堆置园林废弃物，是将园林废弃物修剪的枝进行堆肥处理得到的产品［9］，购于北京市京圃园生物工程有限公司． 对基质进行预处理，待基质干燥、粉碎后，过孔径为0． 25mm 的土壤筛，并将各保水剂与基质按质量比1 ∶ 5、1 ∶ 10、1 ∶ 20 混合均匀，使其吸水至饱和，待用．发芽试验: 供试种子品种为小白菜( Brassica rapa L． Chinensis Group．，小早1 号) ，购于
北京中蔬园艺良种研究开发中心．
1． 2 测定方法
基质( 添加保水剂) 湿容重: 称量经预处理的基质30g，风干，在其呈自然状态下，加满体积为100cm3 的环刀( 避免对环刀内基质施加外力，如挤压) 后将基质倒入100ml 烧杯( M1) ，加入适量去离子水，待其吸水至饱和，称重M2 ．
根据公式: 湿容重= ( M2 － M1) /100，计算湿容重．
基质( 添加保水剂) 最大持水量: 称量经预处理的基质30g，待其水分自由沥干至不再滴水，称重M3，烘干，称重M4 ． 根据公式: 最大持水量= ( M3 － M4) × 100% /M3，计算最大持水量．
根据公式: 湿容重= ( M2 － M1) /100，计算湿容重．
基质( 添加保水剂) 最大持水量: 称量经预处理的基质30g，待其水分自由沥干至不再滴水，称重M3，烘干，称重M4 ． 根据公式: 最大持水量= ( M3 － M4) × 100% /M3，计算最大持水量．
基质( 添加保水剂) 水分蒸发速率: 称量经预处理的基质30g，放入100ml 烧杯内． 将烧杯置于电热恒温鼓风干燥箱中恒温鼓风干燥( 30℃) ，分别在时间间隔为0、24、48、72、96h 时称量总重Mb，根据公式: 蒸发速率= ( Mb － Mb + 1) /时间间隔，计算蒸发速率( Mb为Mb + 1前一次时间间隔称量的总重) ．
发芽率( F) 和发芽指数( GI) : 在培养皿内放一张滤纸，将各保水剂与干燥基质( 未过筛、未粉碎) 按质量比1 ∶ 5、1 ∶ 10、1 ∶ 20 混合均匀，待其吸水至饱和后称取10g 均匀铺于滤纸上． 将10 粒小白菜种子均匀置于基质表面，放入种子发芽箱内． 模拟自然发芽状态，变温范围为20℃—25℃，低温保持10h 且光照度控制在0lx，高温保持14h 且光照度控制在3500lx． 培养过程中，向皿内加入适量去离子水，保证基质含水量为60%—70%，培养72h 后取出． 根据公式: F = ( 发芽种子粒数/10) × 100% 和GI = ( 自制复合保水剂的发芽率× 芽长) /( CK 的发芽率× 芽长) ，计算F 值和GI 值．
发芽率( F) 和发芽指数( GI) : 在培养皿内放一张滤纸，将各保水剂与干燥基质( 未过筛、未粉碎) 按质量比1 ∶ 5、1 ∶ 10、1 ∶ 20 混合均匀，待其吸水至饱和后称取10g 均匀铺于滤纸上． 将10 粒小白菜种子均匀置于基质表面，放入种子发芽箱内． 模拟自然发芽状态，变温范围为20℃—25℃，低温保持10h 且光照度控制在0lx，高温保持14h 且光照度控制在3500lx． 培养过程中，向皿内加入适量去离子水，保证基质含水量为60%—70%，培养72h 后取出． 根据公式: F = ( 发芽种子粒数/10) × 100% 和GI = ( 自制复合保水剂的发芽率× 芽长) /( CK 的发芽率× 芽长) ，计算F 值和GI 值．
1． 3 数据处理
试验数据采用Excel 2007 和SPSS16． 0 数据处理软件，进行方差分析和多重比较．
2 结果与分析
2． 1 保水剂种类及用量对栽培基质湿容重的影响
无土栽培中常以容重衡量基质颗粒间排列的疏松程度． 反映在实际应用中，如无土栽培基质这类容重小且吸水多的基质，湿容重较干容重更能反映其实际情况．
注: a，b，c 表示各水平p ＜ 0． 05 多重比较，字母相同表示不显著，字母不同表示显著; 表中数字是由平均值± 标准差组成，下同．
由表3 可知，不同比例下，添加相同保水剂的基质湿容重随着保水剂用量减少逐渐减小． 相同比例下，各基质湿容重大小依次均是β + CMC + K + TD ＞ β + CMC + Z ＞ β + CMC +K ＞ β + CMC + K + Z ＞ CK． 通过方差分析和多重比较( p ＜ 0． 05) ，比例为1 ∶ 5时，处理β +CMC + K + TD 基质湿容重最大，处理CK 最小，处理β + CMC + K + TD 和CK 与其它3 种处理均呈显著差异，其中，处理β + CMC + K 和β + CMC + K + Z 差异不显著． 比例为1 ∶ 10和1 ∶ 20 时，均是处理β + CMC + K + TD 最大，处理CK 最小，各比例下的5 种处理均呈显著差异． 随着保水剂用量增加，基质湿容重变大的原因是添加保水剂后其自身吸水膨胀，基质含水量增加，液相比例也随之增加，所以湿容重变大． 相同比例下添加复合保水剂尤其是添加β + CMC + K + TD 的基质湿容重均较CK 大，究其原因可能是复合保水剂原材料如可溶性淀粉是高分子化合物，其分子链上含大量亲水性羟基基团，使保水剂亲水基团种类和数量均有所增加，且其经高温水浴加热后含有效的三维空间网状结构增多，蓄水空间加大，吸水量也随之增加． 同时，由于添加竹炭粉和玉米芯热解粉的复合保水剂，使其自身具有特殊的微孔结构，改善基质紧实度，基质疏松多孔，提高基质通气透水性． 所以，随着复合保水剂吸水膨胀的规律性变化，基质颗粒间的排列也发生变化，单位体积的蓄水空间变大，分散的基质颗粒聚合呈团粒状，优化基质物理结构，有利于板结的基质结构良性发展． 所以，添加复合保水剂尤其是添加β + CMC + K + TD 的基质湿容重优于处理CK．
2． 2 保水剂种类及用量对栽培基质最大持水量的影响
2． 2 保水剂种类及用量对栽培基质最大持水量的影响
由于保水剂具有较强的吸水性和溶胀性，利用其对水分具有的强大吸附作用，可将水分吸附于保水剂内部并保存下来，增强基质持水能力，使植物根系充分吸收和利用水分．由图1 可知，不同比例下，添加相同保水剂的基质最大持水量随保水剂用量减少逐渐降低． 通过方差分析和多重比较( p ＜ 0． 05) ，相同比例的各处理均呈显著差异． 比例为1 ∶ 5时，处理CK 基质持水量最大，处理β + CMC + K + Z 最小． 比例为1 ∶ 10 和1 ∶ 20 时，均是处理β + CMC + K + TD 最大，处理CK 最小． 相同复合保水剂与基质比例为1 ∶ 10 和1 ∶ 20的最大持水量分别较1 ∶ 5降低0． 58%—12． 12% 和8． 79%—15． 23%，而处理CK 比例为1 ∶ 10 和1 ∶ 20 较1 ∶ 5降低40． 79%和47． 02%． 说明CK 只有在用量较大时才能充分发挥保水作用，用量少则效果不佳． 但试验中发现添加较高用量的CK 时，其不易与基质混匀，导致基质粘结成团． 相反，添加不同用量的复合保水剂时，均不会出现此现象，且其在用量较少时的持水能力也均优于CK． 添加复合保水剂的基质持水性好的原因可能是复合保水剂原材料如淀粉分子的亲水羟基基团和β-环糊精的特殊分子结构的强吸水、保水性． 亲水基团遇水离解，发生协同效应，以及β-环糊精分子外缘结构的强亲水性，二者的作用过程均有利于保水剂吸水量加大，基质蓄水量增加． 同时，由表2 知复合保水剂的溶胀度可达CK 的1． 3—1． 7 倍，可使基质在较短时间内快速吸收外来水，防止基质水分和营养流失，增加基质持水量，这一现象与其它研究者所得结论一致． 可知，添加复合保水剂可降低灌溉基质的耗水量，提高灌溉节水率，减少灌溉次数． 所以，添加复合保水剂尤其是添加β + CMC + K + TD 的基质持水能力优于处理CK．
2． 3 保水剂种类及用量对栽培基质水分蒸发速率的影响
通常，基质中添加保水剂后可减少水分无效蒸发，增强基质保水性，就如同在基质中形成一个个“微型水库”，当基质缺水时，保水剂可缓慢释放出所保存的水分，供植物根部吸收，以缓解植物干旱缺水，提高植物抗旱能力．由图2 知，不同比例下，添加相同保水剂的基质水分蒸发速率随保水剂用量减少逐渐增大． 相同比例下，各基质蒸发速率大小依次均是CK ＞ β + CMC + K + Z ＞ β + CMC + K ＞β + CMC + Z ＞ β + CMC + K + TD． 通过方差分析和多重比较( p ＜ 0． 05) ，相同比例下添加复合保水剂的基质水分蒸发速率均与CK 呈显著差异． 在蒸发过程中，相同比例下添加相同保水剂的基质蒸发速率随时间延长逐渐降低，但只有处理CK 在比例为1 ∶ 5时， 96h 内的基质蒸发速率较72h 内大，可能是在比例1 ∶ 5下，CK 用量过多，与基质粘结成团，导致其在基质水分蒸发后期保水性能降低，蒸发速率骤变，无法维持一个稳定的植物需水环境． 相反，各比例下的粉末状复合保水剂易与基质混匀，保水性较CK 稳定且效果优． 所以，除处理CK，添加不同用量的复合保水剂基质水分蒸发速率均随时间的延长，蒸发速率逐渐变小，这样才可使基质保存相对较多的水分供植物利用，这种水分变化规律正是复合保水剂的吸水和保水作用所致，与宋廷茂研究结果一致． 添加复合保水剂尤其是添加β + CMC + K + TD，可显著降低基质水分的无效蒸发，提高基质自身保水能力和植物对水分的利用率，利于实际的应用和推广．
同时，复合保水剂与基质比例为1 ∶ 5、1 ∶ 10、1 ∶ 20 的蒸发速率均较对照比例为1 ∶ 5小． 所以，根据实际需求，添加适量的复合保水剂即可达到添加大量CK 的保水效果． 究其原因可能是因由多种保水性能优的原材料使复合保水剂储存水分能力加强． 同时，复合保水剂的微孔结构能够调节基质物理特性，使非饱和的基质毛管悬着水分配和持水力有所改变，抑制基质水分蒸发，水分可在较长时间内保存于基质中． 即使栽培基质中的自由水随时间的延长逐渐蒸发减少，复合保水剂内储存的水分也会因其特殊的保水与微孔结构难以失去，存储大量水分，持续释放水分供植物利用，满足植物生长和蒸腾耗水，节约用水量．
同时，复合保水剂与基质比例为1 ∶ 5、1 ∶ 10、1 ∶ 20 的蒸发速率均较对照比例为1 ∶ 5小． 所以，根据实际需求，添加适量的复合保水剂即可达到添加大量CK 的保水效果． 究其原因可能是因由多种保水性能优的原材料使复合保水剂储存水分能力加强． 同时，复合保水剂的微孔结构能够调节基质物理特性，使非饱和的基质毛管悬着水分配和持水力有所改变，抑制基质水分蒸发，水分可在较长时间内保存于基质中． 即使栽培基质中的自由水随时间的延长逐渐蒸发减少，复合保水剂内储存的水分也会因其特殊的保水与微孔结构难以失去，存储大量水分，持续释放水分供植物利用，满足植物生长和蒸腾耗水，节约用水量．
2． 4 保水剂种类及用量对栽培基质发芽试验的影响
种子的发芽率( F) 和发芽指数( GI) 分别是衡量其生长环境是否适宜和在基质中活力大小的重要指标． 添加不同保水剂的基质水环境不同，种子发芽率和发芽指数也会有所差异． 若保水剂种类和用量适宜，不仅能提高基质水分管理效率，还可在一定程度上增加植物的生物量．
由表4 知，不同比例下，添加相同保水剂的基质F 值均随着保水剂用量减少逐渐降低．相同比例下，各基质的F 值大小依次均是β + CMC + K + TD ＞ β + CMC + Z ＞ β + CMC + K ＞β + CMC + K + Z ＞ CK． 通过方差分析和多重比较( p ＜0． 05) ，比例为1 ∶ 5时，处理β + CMC +K + TD 的GI 值最大，与处理β + CMC + K 和β + CMC + Z 差异不显著，但与处理β + CMC +K + Z 和CK 呈显著差异; 处理CK 最小，与其它4 种处理均呈显著差异． 比例为1 ∶ 10 和1 ∶ 20 时，均是处理β + CMC + K + TD 的GI 值最大，处理CK 最小，各比例下的5 种处理均呈显著差异． 添加相同保水剂的基质，比例为1 ∶ 10 的GI 值较1 ∶ 5和1 ∶ 20 均大，其次是比例为1 ∶ 5，比例为1 ∶ 20 的GI 值最小，尤其是在比例为1 ∶ 10 时，添加复合保水剂的基质GI 值最大达CK 的7 倍多，最小也达6 倍多．
比例为1 ∶ 5时，各处理GI 值均下降，说明保水剂用量并不是越多越好． 保水剂用量过多，基质含水量虽有增加，但气相比例减小，固相比例增加，基质颗粒结构易改变，影响其通透性，对出苗及出苗后的根系生长不利，此结果与谭国波和罗维康的研究结果一致． 可见，添加适量的保水剂，才能保证良好的植物生长环境和达到节水的目的． 由此可知，复合保水剂与基质的最佳应用比例为1 ∶ 10．
Ben-Hur M等研究表明，目前部分保水剂所含的电解质营养物质可导致自身溶胀度降低，而复合保水剂的溶胀度均较CK 大． 原因是其原材料如可溶性淀粉、竹炭粉和玉米芯热解粉，均属非电解质营养物质，不会影响复合保水剂的吸水保水性，且β-环糊精具有外缘亲水而内腔疏水的特殊结构，像酶一样提供一个疏水结合部位，包络可溶性淀粉、竹炭粉和玉米芯热解粉，可作为基质的小型养分储藏库，平衡基质养分含量． 加之，复合保水剂具有的特殊微孔结构、适宜的pH 值和较大的溶胀度，长期使用可调节基质颗粒结构和酸碱环境，提高基质疏松多孔性，促进植物根系呼吸和生长，维持一个植物生长所需的稳定的基质水环境． 所以，相同比例下添加复合保水剂的基质F 值与GI 值均优于处理CK．
3 结论
( 1) 当基质质量一定时，添加相同用量的自制复合保水剂的基质湿容重均大于添加旱宝贝的基质，说明添加自制复合保水剂尤其是添加β-环糊精+ 羧甲基纤维素钠+ 可溶性淀粉+ 玉米芯热解粉，可提高无土栽培基质含水量;
( 2) 相同比例下，添加自制复合保水剂的基质最大持水量均大于添加旱宝贝的基质，且相同保水剂与基质比例为1 ∶ 10 和1 ∶ 20 较比例为1 ∶ 5的基质最大持水量分别降低0． 58%—12． 12%和8． 79%—15． 23%，而对照比例为1 ∶ 10 和1 ∶ 20 分别较1 ∶ 5 降低40． 79%和47． 02%． 说明添加较低用量的自制复合保水剂尤其是添加β-环糊精+ 羧甲基纤维素钠+ 可溶性淀粉+ 玉米芯热解粉，即可提高基质最大持水量，减少水分流失，节约成本;
( 3) 在基质水分蒸发过程中，相同比例下添加旱宝贝基质的蒸发速率最大，其次是添加β-环糊精+ 羧甲基纤维素钠+ 可溶性淀粉+ 竹炭粉的基质、添加β-环糊精+ 羧甲基纤维素钠+ 可溶性淀粉的基质、添加β-环糊精+ 羧甲基纤维素钠+ 竹炭粉的基质; 蒸发速率最小的是添加β-环糊精+ 羧甲基纤维素钠+ 可溶性淀粉+ 玉米芯热解粉的基质． 说明添加复合保水剂尤其是添加β-环糊精+ 羧甲基纤维素钠+ 可溶性淀粉+ 玉米芯热解粉，可增强基质保水性，在干旱时能长时间持续释放水分供给植物利用;
( 4) 相同比例下，添加自制复合保水剂的基质发芽率和发芽指数均高于添加旱宝贝的基质，尤其在自制复合保水剂与基质比例为1 ∶ 10 时，种子发芽指数高达添加旱宝贝基质的7 倍以上． 说明添加自制复合保水剂时，其与基质比例为1 ∶ 10 时植物生长效果最佳．
( 3) 在基质水分蒸发过程中，相同比例下添加旱宝贝基质的蒸发速率最大，其次是添加β-环糊精+ 羧甲基纤维素钠+ 可溶性淀粉+ 竹炭粉的基质、添加β-环糊精+ 羧甲基纤维素钠+ 可溶性淀粉的基质、添加β-环糊精+ 羧甲基纤维素钠+ 竹炭粉的基质; 蒸发速率最小的是添加β-环糊精+ 羧甲基纤维素钠+ 可溶性淀粉+ 玉米芯热解粉的基质． 说明添加复合保水剂尤其是添加β-环糊精+ 羧甲基纤维素钠+ 可溶性淀粉+ 玉米芯热解粉，可增强基质保水性，在干旱时能长时间持续释放水分供给植物利用;
( 4) 相同比例下，添加自制复合保水剂的基质发芽率和发芽指数均高于添加旱宝贝的基质，尤其在自制复合保水剂与基质比例为1 ∶ 10 时，种子发芽指数高达添加旱宝贝基质的7 倍以上． 说明添加自制复合保水剂时，其与基质比例为1 ∶ 10 时植物生长效果最佳．
