聚谷氨酸吸水樹脂對小麥光合及產(chǎn)量的影響

郭建忠　李森　張永康　張抗萍　李林

摘要：為研究新型可降解型聚谷氨酸吸水樹脂（γ-PGA SAR）在減量灌溉和不同施加量條件下對冬小麥光合作用和產(chǎn)量的影響，設計了包含4個γ-PGA SAR（40、80、120、160 kg/hm2）施加量梯度和3個灌水量［常規(guī)灌水量為270.0 mm（W270）、減量15%為229.5 mm（W229.5）和減量30%為189.0 mm（W189）］處理的方案，加上3個灌水量對照，共計15個處理。結果表明，不同光響應模型對小麥旗葉光響應曲線的擬合結果存在一定差異，其中葉子飄模型是分析小麥光響應特征的最優(yōu)模型。灌溉量的降低會導致小麥最大凈光合速率降低，而γ-PGA SAR施加量的變化對最大凈光合速率無顯著影響（P<0.05）。灌水量的降低會導致冬小麥千粒重降低，γ-PGA SAR施加量的變化則對冬小麥千粒重無顯著影響。灌水量的降低會導致冬小麥產(chǎn)量顯著降低，而γ-PGA SAR在土壤中的含量增加能夠增加冬小麥的產(chǎn)量，但當γ-PGA SAR的施加量達到80 kg/hm2以上時，小麥產(chǎn)量的增幅降低。施加相同量γ-PGA SAR

的冬小麥產(chǎn)量在灌水量越低的情況下相較各自CK組的產(chǎn)量增加比例越高。綜上所述，γ-PGA SAR能夠減少由于灌溉量降低而導致產(chǎn)量降低的影響，在我國干旱地區(qū)具有廣闊的應用價值。

關鍵詞：聚谷氨酸；吸水樹脂；保水劑；冬小麥；光合特征；產(chǎn)量

中圖分類號：S512.1+10.7 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）09-0079-08

水分脅迫是限制我國北方干旱半干旱地區(qū)作物產(chǎn)量的重要因素之一。構建節(jié)水型農(nóng)業(yè)是解決我國干旱半干旱地區(qū)作物水資源匱乏的有效途徑。化學型土壤保水劑在我國節(jié)水灌溉體系中起著重要的補充作用，其相比于地面灌、噴灌和滴灌等此類我國目前主流的節(jié)水灌溉措施，化學型土壤節(jié)水措施具有改良土壤結構、改善土壤根區(qū)微環(huán)境等傳統(tǒng)節(jié)水灌溉措施不具備的優(yōu)勢［1-4］。因此，研究土壤保水劑對作物的作用效果也非常有必要［5］。

聚谷氨酸吸水樹脂（γ-PGA SAR）是一種由γ-PGA與交聯(lián)劑合成的新類型高吸水樹脂［6］。γ-PGA SAR含有的自由羧基和自身吸水所形成的網(wǎng)狀結構，是其能夠吸收大量水分的基礎［7］。合成γ-PGA SAR的單體γ-PGA具有直鏈狀的分子結構，可被分解為具有促進作物吸收養(yǎng)分作用的低分子量γ-PGA和谷氨酸單體［8-10］。γ-PGA可通過枯草芽孢桿菌利用含碳源和氮源的營養(yǎng)物質(zhì)生成，其營養(yǎng)物質(zhì)可為多種低成本的生物質(zhì)廢料或其他可再生物質(zhì)，因此γ-PGA本身的性能及由其合成的衍生物都得到了廣泛關注［5］。相較于市場上的丙烯酸鹽類SAR降解性能較差，由γ-PGA所合成的γ-PGA SAR在保水失效后最終可被土壤微生物分解為土壤肥料并被作物吸收利用。

本試驗對不同γ-PGA SAR量在不同灌水量條件下的冬小麥灌漿期旗葉的光響應特征進行分析，分別采用不同的光響應模型對不同狀況下冬小麥旗葉的光合特征進行適應性擬合，尋找適用于冬小麥不同處理條件下最佳旗葉灌漿期的光響應模型，并通過所擬合的最優(yōu)模型對冬小麥的光合指標進行計算和分析，研究針對冬小麥不同灌溉梯度以及γ-PGA SAR施加量所帶來的產(chǎn)量響應情況，并尋找γ-PGA SAR最適宜的施加量［11］。

1 材料與方法

1.1 試驗設計及測試指標

試驗地點在山西省太原市西溫莊鄉(xiāng)灌溉試驗站，于2021年10月15日至2022年6月20日進行，此段時期的降水量如圖1所示。該試驗區(qū)域?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L氣候，多年平均降水量為 430 mm。該地區(qū)的年平均蒸發(fā)量為1 812 mm，年平均日照時數(shù)為2 676 h，年平均氣溫為9.5 ℃。土壤類型為黏壤土。

1.2 試驗設計

試驗所在地為山西省太原市小店區(qū)西溫莊鄉(xiāng)，該地區(qū)屬于半濕潤地區(qū)，小區(qū)大小為6 m2（2 m×3 m），在播種前由于土壤墑情較好不需要進行灌水，只需對土壤進行翻耕和施底肥。小麥于10月15日進行播種，播種采用條播（溝播）的方式，行距0.2 m，每行3 m，播種深度為3 cm，播種量為 225 kg/hm2，小麥品種為晉麥1001。試驗設置15個處理（包括5個 γ-PGA SAR梯度和3個灌水梯度），每個處理設置3組重復（表1）。

所采用的SAR類型為自行制備的γ-PGA SAR，為顆粒凝膠狀物質(zhì)［12-14］，本試驗所測定的 γ-PGA SAR在純水中的吸液能力為561.74 g/g，在0.9%生理鹽水中的吸液能力為47.68 g/g，符合農(nóng)林用保水劑的規(guī)范要求［15］。γ-PGA SAR與小麥種子和細沙混勻后進行條播。本試驗中的3個灌水量分別為270.0 mm（當?shù)爻Ｒ?guī)灌溉的100%）、229.5 mm（當?shù)爻Ｒ?guī)灌溉的85%）、189.0 mm（當?shù)爻Ｒ?guī)灌溉的70%）［16］。灌水日期分別在4月5日、4月25日和5月15日，灌水量分別為90.0、76.5、63.0 mm。試驗中復合肥750 kg/hm2 （氮、磷、鉀含量≥15%）作為底肥直接施入，在拔節(jié)期間追尿素 225 kg/hm2，與當?shù)卮筇锿扑]使用量相當。

1.3 光響應曲線的測定

在冬小麥抽穗到灌漿期選擇合適時間，利用CB-1102便攜式光合蒸騰儀在晴朗的天氣下對旗葉的光響應曲線進行測定。光響應曲線在測定時要選取每個處理中長勢均勻的3株小麥的旗葉葉片進行觀測，測定的時間為08：30—12：00。設置14個光照度梯度，從強到弱分別為2 000、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50、20、0 μmol/（m2·s）。

1.4 小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量指標的測定

在小麥收獲時，對每個處理進行產(chǎn)量測定。有效穗數(shù)：在每個小區(qū)選取中央長勢均勻的1 m2，對此范圍內(nèi)小麥的有效穗數(shù)進行清點。粒仔數(shù)：選取長勢均勻的30穗小麥，清點每穗小麥的粒數(shù)；千粒重：每個處理小麥在收獲后清點均勻的1 000粒并進行稱重。

1.5 光響應曲線模型

目前計算光合參數(shù)的計算模型較多，本研究采用較為常用的4種不同模型（直角雙曲線模型、葉子飄模型、非直角雙曲線模型和指數(shù)模型）對實測冬小麥旗葉灌漿期的凈光合速率曲線（Pn—I）進行擬合，并選擇最適宜的模型計算冬小麥光合作用的相關參數(shù)［17-19］。在各個模型中為了參數(shù)符號的統(tǒng)一，設定凈光合速率統(tǒng)一用Pn表示，單位為 μmol/（m2·s）；光量子通量密度用I表示，單位為μmol/（m2·s）；葉片的表觀量子效率用α表示；最大凈光合速率用Pnmax表示，單位為μmol/（m2·s）；暗呼吸速率用Rd表示，單位為μmol/（m2·s）；光補償點用Ic表示，單位為μmol/（m2·s）。4種不同的模型如下所示。

2 結果與分析

2.1 光響應曲線適用模型確定

在各個處理中，直角雙曲線模型的r2整體低于其他3種處理（表2），而RSS整體高于其他3種處理，其擬合精度較低；而非直角雙曲線模型和指數(shù)模型的r2整體高于直角雙曲線模型的r2，但二者r2整體低于葉子飄模型的擬合精度（r2>0.995 0，且RSS在4種模型中最低）；因此，葉子飄模型可作為描述不同γ-PGA SAR梯度和灌水處理下冬小麥旗葉光響應曲線的最優(yōu)模型。

采用4種常用的光響應模型對實測冬小麥旗葉的光響應曲線進行擬合，具體如圖2所示。當光和有效輻射（PAR）在達到光飽和點之后，不同模型的模擬結果存在差異，可以看出，直角雙曲線模型和非直角雙曲線模型對光響應曲線光飽和階段的擬合結果在500～1 000 μmol/（m2·s）和 1 600 μmol/（m2·s） 以上偏差高于葉子飄模型的擬合結果，擬合結果中總是高估光飽和階段的實測結果，這是由于這2種模型無漸進線，在光飽和階段適合擬合單調(diào)上升的光響應曲線，冬小麥的光響應曲線在1 600 μmol/（m2·s）以上趨于穩(wěn)定甚至有些下降，而表2中的直角雙曲線模型和非直角雙曲線模型的擬合精度也較低。指數(shù)模型的模擬值相較于實測值在光飽和階段仍然偏高［20-21］。葉子飄模型在圖形上能夠很好地擬合光響應曲線的各個階段。

2.2 光響應曲線參數(shù)變化特征

光合作用是作物將無機物合成賦能有機物最核心的反應，與作物產(chǎn)量的高低有直接關系，其中葉片光合作用的光響應曲線所擬合的參數(shù)指標是評價比較作物光合特性的重要工具， 在本試驗中利用葉子飄模型計算獲得了不同處理下冬小麥旗葉的各項光合特征參數(shù)（表3）［22］。

隨灌水量的降低，冬小麥旗葉的生物表觀量子效率（α）逐漸降低，灌水量對α有極顯著影響（P<0.01）；不同γ-PGA SAR梯度施加量對冬小麥旗葉的α無顯著性影響（P＞0.05）［23-24］。

冬小麥旗葉的暗呼吸速率（Rd）隨灌水量的降低而逐漸降低，葉片的生理性能也逐漸降低；而在灌水量一致情況下，葉片的Rd隨著γ-PGA SAR梯度的增加而提高（灌水量229.5 mm除外）。灌水量對Rd有極顯著影響，而不同γ-PGA SAR梯度對冬小麥旗葉的Rd無顯著性影響。

冬小麥旗葉的最大凈光合速率（Pn，max）隨灌水量的降低而逐漸降低，在W270處理中，γ-PGA SAR梯度的增加對Pn，max無顯著影響，而在W229.5和W189處理中，旗葉的Pn，max隨γ-PGA SAR梯度的增加而增加，但多數(shù)差異不顯著。

隨著灌溉水量的降低，冬小麥葉片的光補償點（Ic）逐漸增加，表明灌水量的降低會減弱冬小麥葉片對弱光的利用效率，而在相同灌溉量條件下，冬小麥葉片的Ic隨γ-PGA SAR梯度的增加總體呈降低趨勢，表明γ-PGA SAR施加量的增加會提高冬小麥葉片對弱光的利用效率，灌水量和γ-PGA SAR的變化對冬小麥葉片的Ic均有極顯著影響［24-25］。

2.3 γ-PGA SAR對小麥產(chǎn)量構成的影響

表4為不同含量γ-PGA SAR和不同灌水量條件下對冬小麥產(chǎn)量構成要素的影響?？梢钥闯?，在灌水量為270.0 mm的各處理中，冬小麥的穗數(shù)與CK相比分別增加5.51%（PS40）、9.08%（PS80）、14.31%（PS120）和15.92%（PS160）；在灌水量為229.5 mm的各處理中，冬小麥的穗數(shù)與CK相比分別增加3.28%（PS40）、9.95%（PS80）、15.65%（PS120）和21.25%（PS160）；在灌水量為189.0 mm的各處理中，小麥的穗數(shù)與CK相比分別增加7.94%（PS40）、14.45%（PS80）、18.50%（PS120）和23.81%（PS160）。灌水量和γ-PGA SAR施加量的變化對小麥穗數(shù)均有極顯著影響，而二者交互則無顯著性影響。

隨著灌水量的降低，在γ-PGA SAR施加量一致的情況下，小麥的籽粒數(shù)整體也在逐漸減少；而在相同灌水量的情況下，隨著γ-PGA SAR施加量的增加，冬小麥的籽粒數(shù)也整體小幅增加，且各個施加量處理之間多數(shù)差異不顯著。灌水量的變化和γ-PGA SAR施加量的變化對冬小麥籽粒數(shù)均無顯著影響。灌水量的變化對冬小麥千粒重有極顯著影響，γ-PGA SAR施加量的變化則對冬小麥千粒重無顯著影響，灌水量與γ-PGA SAR的交互作用對千粒重則均無顯著影響。

在灌水量為270.0 mm的各處理中，冬小麥的產(chǎn)量相較CK分別增加2.30%（PS40）、5.19%（PS80）、6.36%（PS120）和7.36%（PS160），可以看出，當γ-PGA SAR的施加量達到80 kg/hm2以上時，小麥產(chǎn)量的增幅降低。在灌水量為229.5 mm的各處理中，冬小麥的產(chǎn)量相較CK分別增加6.35%（PS40）、12.28%（PS80）、15.18%（PS120）和17.94%（PS160），可以看出，當γ-PGA SAR的施加量同樣也在達到80 kg/hm2以上時，小麥產(chǎn)量的增幅降低。CKW270處理的產(chǎn)量為5 873.08 kg/hm2，PS160W229.5處理的產(chǎn)量為5 993.14 kg/hm2，說明施加160 kg/hm2的 γ-PGA SAR能夠抵消由于灌溉量的降低而造成的冬小麥產(chǎn)量降低。在灌水量為189.0 mm的各處理中，小麥產(chǎn)量相較CK分別增加10.36%（PS40）、18.44%（PS80）、23.27%（PS120）和26.31%（PS160），當γ-PGA SAR的施加量為80 kg/hm2以上時，小麥產(chǎn)量的增幅也降低。施加相同量γ-PGA SAR的冬小麥產(chǎn)量在灌水量越低的情況下相較各自CK組的產(chǎn)量增幅越高，且冬小麥產(chǎn)量隨γ-PGA SAR施加量的增加而升高。灌水量的變化和γ-PGA SAR的施加對產(chǎn)量均有極顯著影響，灌水量與γ-PGA SAR的交互作用對產(chǎn)量無顯著影響。

3 討論

吸水樹脂并不能夠產(chǎn)生水分，而是通過自身特殊的親水基團將土壤水分保存為束縛水和結合水［26］。儲存在吸水樹脂中的水分受親水基團的影響，能夠降低水分的蒸發(fā)速率，在水勢梯度差的作用下可持續(xù)性為作物根系提供適宜的水分生長環(huán)境［27］。同時隨著灌溉量的降低，在施加相同量γ-PGA SAR的狀況下，冬小麥產(chǎn)量的增幅更大，這是由于在低水量處理下，γ-PGA SAR能夠更好地體現(xiàn)SAR的保水作用，不同量γ-PGA SAR在土壤中的施加相比于對照組能夠降低灌溉量減少而導致作物產(chǎn)量減少的影響［28］。研究表明，吸水樹脂在土壤中的施用量并不是越多越好，當施用量超過120 kg/hm2時，普遍會造成作物生物量的減少和產(chǎn)量的降低，這主要是由于目前市場上所使用的吸水樹脂單體均為丙烯酸或丙烯酰胺等，吸水樹脂中未參與合成的單體會對作物有一定的損害作用，在一定量范圍內(nèi)，土壤中的吸水樹脂較少，吸水樹脂和丙烯酸單體接觸作物根系較少，能夠促進作物的生長發(fā)育，而當超過一定量時，土壤中累積的未參與反應的有毒單體對作物的傷害作用累積增加，傷害效應大于促生效應，對作物根系的影響進而反饋到影響作物的生理指標和作物產(chǎn)量上［29-32］。但在本試驗中隨著γ-PGA SAR在土壤中施加量的增加，在 160 kg/hm2 以內(nèi)并未表現(xiàn)出產(chǎn)量下降的結果，這是由于參與合成γ-PGA SAR的主要原材料為對環(huán)境無毒害作用的高分子聚合物γ-PGA，在土壤中的降解產(chǎn)物谷氨酸可作為肥料增效劑促進作物的各項生理指標，且谷氨酸亦可作為氮源供給作物生長［33］。氮肥施加量和灌水量的施加在超過一定量時，作物產(chǎn)量的增幅會降低，水分和氮肥的利用效率均會減小，同樣在本試驗中γ-PGA SAR施加量在80 kg/hm2以上時，冬小麥產(chǎn)量的增幅降低，其邊際效應也在逐漸降低［34-35］。

4 結論

本試驗對不同γ-PGA SAR施加量在不同灌水量條件下的冬小麥灌漿期旗葉的光響應曲線和冬小麥的產(chǎn)量進行了試驗，試驗結果如下：

（1）經(jīng)過對常用模型的擬合和比較，結果表明，葉子飄模型的r2更接近1，而RSS最小，最接近冬小麥實際的光合特征，葉子飄模型是模擬不同γ-PGA SAR施加量在不同灌水狀況下冬小麥灌漿期旗葉光響應曲線的最優(yōu)模型。

（2）在不同灌水量處理中，冬小麥產(chǎn)量隨土壤中γ-PGA SAR含量增加而增加；當γ-PGA SAR施加量為160 kg/hm2時，冬小麥的產(chǎn)量相比于各自的對照組分別增加7.36%、17.94%和26.31%。當γ-PGA SAR的施加量達到80 kg/hm2以上時，小麥產(chǎn)量的增幅均降低。

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收稿日期：2023-07-03

基金項目：山西省基礎研究計劃（青年項目）（編號：202203021212016、202203021212013）；山西省高等學?？萍紕?chuàng)新項目（編號：2022L587、2022L578）。

作者簡介：郭建忠（1989—），男，山西平遙人，博士，講師，研究方向為水土資源高效利用。E-mail：shanxigjz@163.com。