保水剂( SAP) 是一轻度交联的亲水性聚合物,可以吸收自身重量的几百倍甚至几千倍蒸馏水,具有吸水能力和保水能力强等优点,在农林园艺等领域具有广阔的应用前景[1 ~4].保水剂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、纤维素等多糖和丙烯酸、丙烯酰胺的接枝共聚物.但目前这 2 类产品价格较高,主要的消费领域在卫生用品方面,在农林园艺方面的应用还未能得到大面积的推广[5].
近年来,使用价格低廉的亲水性粘土( 如蒙脱土、高岭土等) 和天然多糖( 淀粉、羧甲基纤维素钠等) 作为复合组分制备保水剂成为国内外研究的热点[6 ~8].但目前报道的该类保水剂大多数是在 60 ~ 90 ℃温度范围内合成,关于室温聚合该类保水剂的研究报道很少.而且,大多数文献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规律,关于天然组分对该类保水剂在农林园艺中应用的影响还未见文献报道.室温下聚合能耗低,合成工艺简单,可减少热污染,是降低生产成本的有效途径.本课题组以丙烯酰胺( 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( AMPS-AM) /CMC/MMT保水剂[9].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,能耗小,工艺简单,以价格低廉、对土壤无污染的天然组分MMT 和 CMC 为主要原料,成本低,属环保型保水剂,在园林节水应用中具有广阔的应用前景.
串红( Salvia splendens) 为唇形科鼠尾草属一二年生草本植物,花色鲜红艳丽,多用于大型花坛、成片花镜的布置,园林应用非常广泛.串红多采用播种繁殖.
有关资料表明,串红种子存在发芽率低、发芽不整齐的问题,给种苗生产带来很大困难[9].目前,系统研究如何提高串红种子发芽率的种子处理技术的文章国内报道不多.将聚( AMPS-AM) /CMC/MMT 吸水性复合物应用于串红种子发芽育苗生产中,提高其种子发芽能力,探索适宜串红种子发芽、出苗最佳的保水剂处理技术,是本研究的目标所在.
在前期土壤节水试验和土壤理化试验工作的基础上,以串红种子为试材,以发芽能力为优化目标,使用正交试验法研究天然组分 MMT、CMC 对串红种子的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数等发芽指标的影响规律,同时探索 MMT、CMC 对串红种苗的主根长、侧根数、总根长、总干重等生长指标的影响,筛选最佳的保水剂合成条件,为该保水剂在串红种苗规模生产上提供试验数据.
1 材料与方法 1. 1 试验时间、地点.
试验于 2013 年 3 月 21 日至 4 月 2 日在晋城市园林科研所实验室内进行,设定恒温恒湿光照培养箱内温度为 22 ℃,光照为 12 h/d.
1. 2 试验材料与仪器.
保水剂的制备原料: 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) .串红种子: 晋城市园林科研所实验室常温保存.培养基质: 河沙,过筛,120 ℃高温消毒.培养容器: 培养皿( 直径、高分别为 90、14 cm) .实验仪器: QHP-250 B 型恒温恒湿光照培养箱( 江苏省金坛市双捷试验仪器厂)1. 3 试验方法.
1. 3. 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和转化率的主要聚合参数.在前期工作基础上,选取 MMT 用量、CMC 用量、单体浓度和引发剂浓度 4 个因素( 用量均以单体质量为计量基准) ,每因素选择 3 个水平,见表 1,选择 4 因素 3 水平正交试验设计,见表 2.
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[10],聚合产物经干燥粉碎后,过 40 ~60 目筛备用.
1. 3. 2 保水剂处理串红种子.
串红种子准确称重,经质量浓度为 5 g/L KMnO4浸泡消毒 24 h,流水冲洗 2 h 后,以种子颗粒数等分,每份 90 粒种子,分别加入种子重量 10% 的 1 ~9 号保水剂,加入少量的水使保水剂均匀吸胀,充分搅合均匀,使保水剂能完全粘附在种子表面,室温放置过夜.
1. 3. 3 串红种子发芽.
分别称取高温消毒的培养基质 60 g 分成 9 个不同处理和 1 个空白对照( ck) ,每处理设置 3 个重复,分别等量放入培养皿中,给每处理浇水 40 g 使之达到饱和.取经保水剂处理的规格均一的 30 粒串红种子播种于培养皿中,采用顺序错位法[11]排列于恒温培养箱中,设置温度 22 ℃,光照 12 h/d,每天观察,12 d 后取出发芽植株,蒸馏水清洗干净.
1. 3. 4 数据统计.
按照 GB 2772 - 1999《林木种子检验规程》[12]和《国际种子检验规程》[13]计算发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数,并统计主根长、侧根数、总根长,对发芽苗烘干称量,统计总干重.种子发芽试验统计数据如表 2 所示.发芽率( %) = 正常发芽种子粒数/供试种子粒数× 100% ;000.发芽势( %) = 发芽达到顶峰时正常发芽种子粒数/供试种子粒数 ×100%;发芽指数( Gi) = ∑Ni/Di( Ni 为第 i 天的发芽数,Di 为相应的发芽天数) ;活力指数( Vi) = S∑Ni/Di( S 为平均干重,即总干重/总发芽数) .
2 结果与分析
2. 1 保水剂对串红种子发芽能力的影响由表 2 可知,对照发芽率为 2. 2%,均低于 2、3、5、6、7 号试样,4 号试样与对照相同,9 号未发芽,3 号试样处理的串红种子发芽率达到了 28. 9%,是对照的13. 1 倍.串红种子综合发芽效果最好的是 3 号试样,发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数分别是对照的13. 1、4. 5、12. 6 倍和 16 倍,主根长、侧根数、总根长、总干重分别是对照的 4、65、53. 7 倍和 16. 7 倍.而 1,8,9 号的发芽率均低于对照,说明保水剂的组成和合成条件对串红种子发芽影响很大.
2. 2 正交试验结果的极差分析采用正交极差分析对影响串红种子发芽能力的因素进行分析,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 所示的正交试验设计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,计算结果见表 3、表 4.
表 3 和表 4 中的极差数据表明,各种因素对不同指标的影响程度不一致.发芽率、发芽势、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、侧根数、主根长和总干重是判断种苗生长性状的重要指标[14],各因素对发芽率、发芽指数、活力指数、总根长、侧根数、总干重的影响次序为 A( MMT用量) > C( 单体浓度) > B( CMC 用量) > D( 引发剂浓度) ,各因素对发芽势的影响次序为 A > B = C > D,各因素对主根长的影响次序为 C > B = D > A.MMT 用量对除主根长以外的其它各指标的影响均最大,单体浓度和 CMC 用量次之,说明天然组分 CMC 和 MMT 的含量对种子发芽能力及植株的生长影响显著,通过调整复合物中 CMC 和 MMT 的含量是提高串红种子发芽能力和植株生长的有效途径.MMT 含量对主根长的影响相对较小.
发芽率、发芽势、发芽指数、总干重的最优处理为A 1B 2C 3D 2,活力指数和侧根数的最优处理为 A 1 B 2C 3 D 3,主根长的最优处理为 A 1 B 3 C 3 D 3.考虑到对发芽率、发芽势、发芽指数、总干重而言,引发剂浓度的影响最小,CMC 用量在水平 2 和水平 3 之间的差别不大,而天然产物 CMC 用量的增加可以增加保水剂的环境友好性,所以 CMC 用量和引发剂浓度均取水平3,种子综合发芽及植株生长能力的最优处理确定为A 1 B 3 C 3 D 3,即正交表中的 3 号试样.
2. 3 保水剂中天然组分含量对串红种子发芽能力的影响由以上讨论可知,保水剂中天然组分 MMT 和CMC 的加入对串红种子发芽能力影响较大.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k1、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[4].图1是保水剂中MMT含量对串红种子发芽及种苗生长指标的影响规律图.由图 1 可知,发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、总根长、侧根数、主根长和总干重都随着 MMT 用量的增加呈下降趋势.说明 MMT 含量大于 25% 时,MMT 用量的增加不利于串红种子的萌发,不利于植株根系生长和侧根的萌发,也不利于植株干物质的积累.这可能与 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及种苗根系存在争水问题,进而影响种子的萌发和植株的生长有关[15].
CMC 是一种纤维素衍生物,分子链上含有亲水性的羧基、羟基,具有良好的亲水性和生物降解性,作为土壤改良剂可以提高土壤的有效磷养分含量[16].前期研究也表明,在本聚合体系中加入 CMC 后可以提高吸水性能,CMC 用量取水平 2( 9%) 时吸水性能最佳,过量 CMC 的加入不利于吸水性能的提高[17].图 2 是CMC 含量对种子发芽指标的影响规律图.由图 2 可见,各指标( 除总根长和主根长外) 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.说明保水剂的吸水倍数与发芽性能在 CMC 用量小于12% 的范围内呈一致性.总根长和主根长在 CMC 用量小于 12%的范围内,随 CMC 用量的增加而增大,达到 12%时性能最佳,说明 CMC 用量的增加,有利于种苗根系的整体生长,这可能与 CMC 能提高土壤有效养分的含量有关.CMC 用量大于 12% 时对总根长和主根长的影响有待进一步试验研究.
3 结论与讨论
3. 1 聚( AM-AMPS) /CMC /MMT 保水剂能显著提高串红种子的发芽能力,促进串红种苗的生长.用发芽能力最佳时的保水剂处理后,串红种子的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数分别是对照试样的 13. 1、4. 5、12. 6、16 倍,串红种苗的总根长、侧根数、主根长和总干重分别是对照试样的 53. 7、33、4 倍和 16. 7 倍,这对提高串红种子的发芽能力和促进串红种苗的生长具有重要意义,对该保水剂在园林中的推广应用具有重要价值.
3. 2 正交极差分析法表明,在各种影响因素中,粘土类天然产物 MMT 对除主根长外的其他指标的影响最显著.MMT 含量大于 25% 时,MMT 用量的增加不利于串红种子的萌发.MMT 含量小于 25% 时,对串红种子发芽能力的影响有待进一步试验.
3. 3 正交极差分析法表明,多糖类天然组分 CMC 对各指标的影响显著,各性能指标在 CMC 用量适中时最子发芽及种苗生长指标的影响规律图.由图 1 可知,发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、总根长、侧根数、主根长和总干重都随着 MMT 用量的增加呈下降趋势.说明 MMT 含量大于 25% 时,MMT 用量的增加不利于串红种子的萌发,不利于植株根系生长和侧根的萌发,也不利于植株干物质的积累.这可能与 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及种苗根系存在争水问题,进而影响种子的萌发和植株的生长有关[15].佳( 总根长和主根长除外) .CMC 含量在 6% ~ 12%范围内,CMC 用量的增加,有利于种苗根系的整体生长.
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