含蒙脱土和多糖的保水剂对高羊茅品种可奇思种子萌发及生长的影响

张双兰　邱朝霞　邱海霞

摘要：采用正交实验法在室温下合成了含有天然产物蒙脱土（MMT）和羧甲基纤维素钠（CMC）的系列环境友好型保水剂，研究了不同保水剂组成和合成条件对高羊茅品种可奇思（简称可奇思）种子发芽及生长指标的影响规律。结果表明，试验合成的保水剂能显著提高可奇思的发芽能力和植株的生长指标，天然组分MMT和CMC含量对其发芽和植株生长影响显著。用性能最佳的保水剂处理可奇思种子，其发芽率、发芽指数、活力指数、总干重、总根长和总分蘖数分别比空白对照试样提高了61.6%、80.5%、125%、102%、67.6%和68.6%，比市售合成类保水剂对照试样提高了4.50倍、5.50倍、7.60倍、6.88倍、3.88倍和3.92倍，这对提高可奇思种子发芽能力和促进其植株生长具有重要意义，对该保水剂在可奇思种子发芽中的应用提供了试验依据，

关键词：高羊茅；
种子发芽能力；
保水剂；
蒙脱土；
羧甲基纤维素钠

中图分类号：S 688.4文献标识码：A文章编号：10095500（2013）06004106

我国是一个水资源严重缺乏的国家，被列为全球13个人均水资源最贫乏的国家[1，2]。干旱胁迫是限制草坪草生长的最重要环境因子之一[3-6]。如何充分、合理、高效利用有限的水资源，提高草坪的水分利用率，降低草坪绿地的灌溉用水，是促进我国草坪业发展的关键所在。

保水剂（SAP）是一轻度交联的亲水性聚合物，可以吸收自身重量几百甚至几千倍的蒸馏水，具有吸水能力和保水能力强等优点，在草坪节水应用方面具有广阔的开发前景[5-8]。SAP从原料来源上主要分为合成类和半合成类。合成类主要是聚丙烯酸类、聚丙烯酰胺类；
半合成类产品是淀粉、纤维素和丙烯酸、丙烯酰胺的接枝共聚物。目前，这两类产品价格较高，主要用在卫生用品方面，在草坪上的应用还未能得到大面积的推广[8]。

近年来，使用价格低廉、对土壤无污染的亲水性粘土（如蒙脱土、高岭土等）和多糖（淀粉、纤维素等）作为复合组分制备保水剂成为国内外研究的热点[10-12]。但目前报道的该类保水剂大多数是在60～90 ℃合成，室温聚合该类SAP的研究报道很少，且大多数探讨的是天然组分粘土和多糖的加入对产物吸水倍数的影响。室温下聚合能耗低，合成工艺简单，是降低生产成本的有效途径，还可减少热污染。丙烯酰胺（AM）、2丙烯酰胺基2甲基丙磺酸钠（AMPS）为聚合单体，蒙脱土（MMT）、羧甲基纤维素钠（CMC）为添加组分，在室温下合成了聚（AMPSAM）CMCMMT保水剂[13]。与目前市面上农林园艺领域应用的保水剂相比，该类保水剂的主要特点是在室温下合成，能耗低，工艺简单，以对土壤无污染的天然组分为主要原料，成本低，环境友好，在农林园艺中具有广阔的应用前景。

笔者在前期土壤节水和土壤理化试验工作的基础上，以高羊茅品种可奇思种子为试材，以发芽能力和生长指标为优化目标，使用正交试验法研究天然组分MMT、CMC对可奇思种子的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数等发芽指标和总干重、总叶长、总根长、总生根数等生长指标的影响规律，筛选最佳的保水剂合成条件，为该保水剂在草坪中的大规模应用提供试验数据。

1材料和方法

1.1试验材料

试验采用MMT（浙江临安膨润土有限公司）、CMC、AM、AMPS、过硫酸钾（分析纯，天津市化学试剂一厂）为保水剂的合成原料，可奇思种子（晋城市园林科研所实验室常温保存）为保水剂效应体现的指示材料，培养基质为120 ℃高温消毒的河沙，对照市售保水剂为交联聚丙烯酸盐，购自河北省任丘市某公司。

1.2试验方法

1.2.1正交试验法制备保水剂

天然组分MMT和CMC可以降低保水剂成本，改善产物吸水性能和环境友好性。单体浓度和引发剂浓度是影响产物吸水性能的主要参数。在前期工作基础上，选取MMT用量（A）、CMC用量（B）、单体浓度（C）和引发剂浓度（D）4个因素，每因素选择3个水平（用量均以单体质量为计量基准），选择4因素3水平正交试验设计。在室温下，按照本课题组申请的发明专利中所述方法制备保水剂[13]，聚合产物经干燥粉碎后，过40～60目筛备用。

1.2.2可奇思种子萌发及试验处理

分别称取培养基质60 g和1～9号保水剂及市售合成类保水剂（分别为基质质量的0.4%），均匀混合成9个不同处理和土壤空白对照CK1、市售合成类保水剂对照CK2，每处理设置3个重复，分别等量放入培养皿中并浇水40 g使之达到饱和。取大小均匀的30粒可奇思种子播种于培养皿（直径、高分别为90 cm、14 cm），采用顺序错位法[14]排列于QHP250B型恒温恒湿光照培养箱中，温度22 ℃，光照12 hd，每日观察，12 d后取出发芽植株，蒸馏水清洗干净，测定总干重、总根长，总分蘖数。实验于2013年4月9～24日在晋城市园林科研所实验室进行。

1.2.3数据统计

按照GB27721999《林木种子检验规程》[15]和《国际种子检验规程》[16]计算发芽率、发芽指数、活力指数，并统计总根长、总分蘖数，对发芽苗烘干称量，统计总干重。

2结果与分析

2.1保水剂对可奇思种子发芽能力的影响

可奇思种子发芽的试验数据表明，土壤空白对照的发芽率为37.8%，市售合成类保水剂对照的发芽率为11.1%，均明显低于施加1～9号保水剂的试样（处理4）。市售保水剂对照发芽率最低，这可能与该保水剂存在与种子的争水问题，进而影响种子的萌发和植株的生长。

发芽效果最佳的处理6，发芽率、发芽指数、活力指数、总干重、总根长和总分蘖数分别比对照试样提高了61.6%、80.5%、125%、102%、67.6%和68.6%，比市售保水剂对照试样提高了4.50倍、5.50倍、7.60倍、6.88倍、3.88倍和3.92倍，说明保水剂的组成和合成条件对草坪种子的发芽影响很大，含有天然产物的保水剂与市售的合成类保水剂相比在草坪应用方面具有很大的优势。

2.2正交试验结果的极差分析

采用正交极差分析对影响草坪发芽和生长能力因素进行分析，以探明天然组分含量、聚合条件对各指标的影响强弱。根据表2所示的正交试验表和种子发芽试验结果，分别算出表1中各相应水平的3次试验结果性质指标之和K1、K2、K3和其平均值k1、k2、k3以及极差Dj。

发芽率、发芽指数、活力指数是评价种子发芽能力性状和效果的重要指标，总根长、总干重和总分蘖数是判断种苗生长性状的重要指标[17]。极差数据表明，各种因素对不同指标的影响程度不一致。对发芽率的影响次序为B（CMC用量）>A（MMT用量）>D（引发剂浓度）>C（单体浓度），对发芽指数的影响次序为A>B=C>D，对活力指数的影响次序为A>D>C>B，对总干重的影响次序为C>A>D>B，对总根长的影响次序为C>D>A>B，对总分蘖数的影响次序为C>A=B>D。

试验结果可知，天然组分CMC和MMT的含量对可奇思种子发芽能力的影响显著。MMT对发芽指数、活力指数的影响最大；
对发芽率、总干重、总分蘖数的影响较大，对总根长的影响较小；
CMC对发芽率的影响最大；
对发芽指数、总分蘖数的影响较大，对活力指数、总干重、总根长影响最小。因发芽指数既反映发芽率，又反映发芽速度，活力指数关系到植物出苗的整齐度、幼苗长势[17-20]。故MMT含量对可奇思种子的发芽速度、出苗整齐度和幼苗长势影响最大，CMC对可奇思种子发芽的数量影响最大，调整保水剂中CMC和MMT的含量是提高草坪种子发芽能力的有效途径。

2.3保水剂中天然组分含量对可奇思种子发芽能力的影响

由2.2的讨论可知，保水剂中天然组分的加入对可奇思发芽能力影响较大。为了更直观的分析天然组分的含量对发芽能力的影响规律，以MMT和CMC的水平数为横坐标，各指标的平均数kl、k2、k3为纵坐标，将MMT和CMC的统计分析结果绘成趋势图进行分析。

MMT是一种亲水性的层状硅酸盐粘土，其表面含有的亲水性羟基可以和聚合物发生化学反应，提高保水剂的吸水性能。发芽率、发芽指数、活力指数、总叶长、总根长、总干重都随着MMT用量的增加呈下降趋势，说明MMT含量大于25%时，增加其用量不利于可奇思种子的萌发。而我们的前期研究表明，MMT用量为30%，吸水性能最佳[21]，说明吸水性能最佳的保水剂在对可奇思种子萌发上并未显示出最佳值，可能是MMT用量的增加，提高了保水剂的吸水性能，使保水剂在种床部位与种子存在争水问题，进而影响种子的萌发和植株的生长。

CMC是一种阴离子多糖，分子链上含有亲水性的羧基、羟基，具有亲水、分散稳定等性质，生物降解性好。各指标（除活力指数外）均随CMC用量的增大呈单峰形变化趋势，取用量9%时性能最佳，说明CMC用量的增加，有利于草坪种子的发芽以及胚芽苗生物量增长。活力指数在CMC用量小于12%的范围内，随CMC用量的增加而降低，达到12%时性能最差。

2.4保水剂的最佳合成条件

通过正交试验的极差分析结果和保水剂中天然组分含量对可奇思种子发芽能力的影响规律可知，发芽率、发芽指数、活力指数、总干重、总根长、总分蘖数的最优处理均为A1B2C1D2。对天然产物用量而言，各指标在MMT用量取水平1时最高，CMC用量在水平2时最高。由于提高保水剂中天然产物的含量可以降低成本、提高保水剂的环境友好性，在各指标变化不大的前提下，期望MMT和CMC用量越高越好，最终MMT用量选水平2，CMC用量选水平3，最佳合成条件确定为A2B3C1D2，即表1中的处理6。

3讨论与结论

目前，市场上应用较广的聚丙烯酸、聚丙烯酰胺等合成类保水剂是以生物降解性差的石油化工产品为原料制备的，价格相对较高，生物降解性差，在草坪中长期施用会对土壤造成污染。试验合成的保水剂在能耗低的室温下聚合，其中，价格低廉的天然产物粘土和多糖总加入量达到40%，不仅降低了保水剂的合成成本，而且减轻了其多次施用对土壤的污染，提高了合成类保水剂的环境友好性，非常适用于草坪应用。

高健[21]前期研究表明，处理7的吸水倍数最高，但可奇思种子发芽能力最强的是处理6，其生根率为61.1%，而吸水倍数最高的处理7生根率为45.6%，说明保水剂吸水倍数的高低和其所对应的可奇思种子发芽能力的强弱并不一致，在实际应用中，仅以吸水倍数的高低作为选择保水剂的性能指标是片面的，应根据不同使用目的选择合适吸水倍数的保水剂。用处理6后，可奇思种子的发芽率、发芽指数、活力指数、总干重、总根长和总分蘖数分别比土壤空白对照试样提高了61.6%、80.5%、125%、102%、67.6%和68.6%，比市售合成类保水剂对照试样提高了4.50倍、5.50倍、7.60倍、6.88倍、3.88倍和3.92倍，说明和市售合成类保水剂相比，试验合成的保水剂在草坪应用上具有更大的优势，为该保水剂在草坪中的应用提供了试验依据。

正交极差分析法表明，天然组分含量对可奇思种子发芽能力影响很大。粘土类天然组分MMT对可奇思种子的发芽速度、出苗整齐度和幼苗长势影响最大，多糖类天然组分CMC对可奇思种子发芽的数量影响最大。二者用量对可奇思种子的发芽能力影响规律不同，MMT含量在25%～35%范围内，可奇思种子各发芽指标和生长指标均随NMMT用量的增加而下降，说明过量MMT不利于可奇思种子的萌发；
CMC含量在6%～12%范围内，可奇思种子各发芽指标和生长指标（活力指数除外）呈单峰形变化趋势，取9%时性能最佳，说明适量CMC有利于可奇思种子的萌发和胚芽苗的生物量生长。这为实际生产中根据发芽指标和生长指标的需求调整保水剂中天然产物的组成配方提供了试验依据。

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