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  對可持續(xù)農(nóng)業(yè)需求的日益增長增強了對無土栽培系統(tǒng)的興趣。其中，水凝膠基無土栽培基質(zhì)具有良好的吸水性、保水性和透明度可調(diào)等特點，具有很大的應(yīng)用潛力。魯東大學(xué)材料科學(xué)與工程系徐文龍課題組、資源與環(huán)境工程學(xué)院吳楠課題組、水利土木學(xué)院趙英課題組合作在《Industrial Crops and Products》上發(fā)表題為“Adjustable P(AM-co-NIPAM)/gelatin hydrogel soilless cultivation substrates for soybean seedling and root growth”的研究性文章。該團隊通過調(diào)控交聯(lián)劑濃度，成功制備了具有可調(diào)孔隙結(jié)構(gòu)、機械強度和透明度的P(AM-co-NIPAM)/明膠復(fù)合水凝膠，并將其應(yīng)用于大豆幼苗的無土栽培。研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化交聯(lián)密度的水凝膠不僅具有優(yōu)異的機械性能和保水能力，還能為大豆幼苗的根系生長提供理想的環(huán)境，顯著促進其地上部分和根系的發(fā)育，同時有利于根系細菌的定殖。此外，水凝膠的透明特性為動態(tài)觀察植物根系生長提供了便利，為無土栽培系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了新思路。該研究為可持續(xù)農(nóng)業(yè)實踐提供了一種高效、可控的水凝膠基質(zhì)解決方案，尤其適用于水資源和基質(zhì)優(yōu)化需求迫切的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場景。該工作得到了國家自然科學(xué)基金（22472073, 22102067, 41977039），重點國際合作項目（42320104006）和山東省青創(chuàng)團隊項目的資助（2023KJ213）。

【1.制備與表征】

  將丙烯酰胺（AM）、N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）和明膠溶解在超純水中，隨后加入N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）和N,N,N’,N’-四甲基乙二胺（TEMED），最后加入過硫酸銨（APS）引發(fā)P(AM-co-NIPAM)/明膠水凝膠的形成。將大豆種植于充分吸水后的水凝膠中，放入智能光照培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng)。

圖1（A）P(AM-co-NIPAM)/明膠水凝膠的合成機理圖；（B）種子在復(fù)合水凝膠上萌發(fā)和生長的示意圖。

  該工作對單體和交聯(lián)劑比例進行了調(diào)控，旨在研究組分比例對水凝膠透明度的影響，因為高透明度的水凝膠基質(zhì)有利于進行大豆根系的觀察。還對不同MBA含量水凝膠的透光率進行了測試，量化了水凝膠的透明度參數(shù)。

圖2具有（A）不同比例的AM和NIPAM，（B）不同明膠含量和（C）不同MBA含量的水凝膠樣品;（D）具有不同MBA含量的水凝膠的透射率。

  對P(AM-co-NIPAM)/明膠水凝膠進行了詳細的表征。通過傅里葉紅外光譜確定自由基聚合的成功進行，證明P(AM-co-NIPAM)/明膠水凝膠的成功合成；通過熱重分析證明水凝膠具有較高的熱穩(wěn)定性；對水凝膠的孔隙率進行了測試，發(fā)現(xiàn)孔隙率隨MBA含量的增多而減小；應(yīng)變掃描流變圖可清晰看出在較寬范圍內(nèi)，水凝膠表現(xiàn)出彈性模量大于粘性模量，說明凝膠表現(xiàn)出類固體性質(zhì)；角頻率掃描流變圖表明，水凝膠總是表現(xiàn)出彈性模量大于粘性模量，說明水凝膠以彈性為主；從連續(xù)階躍應(yīng)變掃描流變圖可以看出，通過進行五次循環(huán)測試，凝膠的粘彈性依舊能夠快速恢復(fù)如初，表明該水凝膠具有良好的自恢復(fù)性能。

圖3 （A）AM、NIPAM、P(AM-co-NIPAM)、明膠和P(AM-co-NIPAM)/明膠水凝膠的FTIR光譜，（B）TGA，（C）孔隙率，（D）應(yīng)變掃描，（E）角頻率掃描，和（F）連續(xù)階躍應(yīng)變掃描。

  通過掃描電鏡觀察了不同交聯(lián)劑濃度（0.01%，0.05%，0.2%）下P(AM-co-NIPAM)/明膠水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)特征及其溶脹前后的變化。可以看出不同MBA含量的水凝膠具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這確保了水的傳輸并使水凝膠能夠吸收和保持水。并且水凝膠的孔隙隨MBA含量的增加而減小。

圖4溶脹前含有（A）0.01%、（B）0.05%和（C）0.2%MBA的水凝膠的SEM圖像；溶脹后含有（D）0.01%、（E）0.05%和（F）0.2%MBA的水凝膠的SEM圖像；（G）不同MBA含量的水凝膠溶脹前后的平均孔徑。

【2.力學(xué)性能】

  為了滿足作為無土栽培基質(zhì)以支持幼苗生長的應(yīng)用的要求，水凝膠需要具有合適的機械性能并且是耐用的。通過壓縮和穿刺試驗研究了MBA含量對水凝膠力學(xué)性能的影響。在相同的應(yīng)變下，隨著MBA從0.01%增加到0.2%，應(yīng)力逐漸增加。隨后進行了漸進壓縮測試和500次的壓縮循環(huán)測試，表明水凝膠具有高機械穩(wěn)定性和良好的抗疲勞性。此外，通過穿刺實驗系統(tǒng)評價了水凝膠的力學(xué)性能，為優(yōu)化水凝膠的配方提供了重要的物理性能指標(biāo)，確保了其在無土栽培中的有效性。

圖5 （A）壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（B）隨應(yīng)變幅度增加的循環(huán)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線;（C）500次壓縮循環(huán)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線; P穿刺力-深度曲線，其中使用（D）圓柱形平頭工具，（E）圓頭工具，和（F）尖頭工具。

【3.吸水保水性】

  測試了水凝膠在超純水中的溶脹比隨時間的變化。最初，三種水凝膠快速吸收水，然后隨著時間緩慢吸收，最終達到平衡。可以觀察到，MBA含量越低，水凝膠的溶脹比越高。各水凝膠都具有較好的保水性，12天后的水分保持率均能達到80%。高溶脹比和保水率是其作為栽培基質(zhì)的重要條件。

圖6 （A）具有不同MBA含量的水凝膠的溶脹比曲線;（B）具有不同MBA含量的水凝膠的水分保持率曲線;（C）具有不同MBA含量的水凝膠在溶脹之前和之后的照片。

【4.MBA對大豆幼苗根系和地上部生長的影響】

  研究了不同MBA含量水凝膠對大豆幼苗根系生長的影響。實物照片顯示，0.01% MBA水凝膠中的根系稀疏且主根較短，側(cè)根數(shù)量較少；0.05% MBA水凝膠的根系發(fā)育最佳，主根伸長明顯，側(cè)根分布均勻且數(shù)量顯著增加；而0.2% MBA水凝膠中的根系則明顯短小稀疏，側(cè)根數(shù)量減少。通過根系掃描儀進一步驗證了這一趨勢。定量分析表明，0.05% MBA水凝膠中的根系長度、表面積、體積及根尖數(shù)量均顯著優(yōu)于其他兩組。研究表明，適中的交聯(lián)密度（0.05% MBA）能提供理想的機械支撐和孔隙結(jié)構(gòu)，促進根系縱向生長和分枝；而過高交聯(lián)密度會抑制根系延伸，過低則導(dǎo)致支撐不足。這些結(jié)果證實，0.05% MBA水凝膠為植物根系創(chuàng)造了最優(yōu)生長環(huán)境。

圖7 （A）用具有不同MBA含量的P(AM-coNIPAM)/明膠水凝膠基質(zhì)生長的大豆幼苗的根照片、（B）根掃描照片、（C）根長、（D）根表面積、（E）根體積和（F）根尖數(shù)。

  研究了不同MBA含量水凝膠基質(zhì)對大豆幼苗地上部分生長的影響。0.05% MBA水凝膠中的幼苗生長優(yōu)勢顯著，9天后葉片發(fā)育最為健壯；0.01% MBA組幼苗莖稈易彎曲，而0.2% MBA組生長遲緩且直立性差。葉綠素含量測定結(jié)果表明，0.05% MBA組的SPAD值顯著高于其他兩組。植株高和生物量數(shù)據(jù)進一步證實，0.05% MBA組的平均株高、鮮重及干重均顯著優(yōu)于0.01% MBA組和0.2% MBA組。研究表明，0.05% MBA水凝膠在機械支撐性、透水性和保水性之間達到最佳平衡，既能提供穩(wěn)定生長支撐，又保障了水分和氧氣的有效運輸，從而促進光合作用和生物量積累；而過高或過低的交聯(lián)密度則分別因基質(zhì)過硬或支撐不足而抑制植株發(fā)育。

圖8 （A）用具有不同MBA含量的P（AM-co-NIPAM）/明膠水凝膠基質(zhì)生長的大豆幼苗的實驗照片，（B）SPAD，（C）株高，（D）鮮重和（E）干重。

【5.MBA含量對大豆幼苗根系內(nèi)生細菌的影響】

  研究了不同MBA含量水凝膠對大豆幼苗根系內(nèi)生菌群落的影響。Venn圖顯示，0.01%、0.05%和0.2% MBA組分別含有231、77和120個特有OTU，三組共享93個OTU。稀疏曲線表明測序深度已覆蓋樣本大部分物種。門水平群落組成表明，假單胞菌門（Pseudomonadota）為優(yōu)勢菌群（占比>50%），其中0.05% MBA組的相對豐度達81.2%，顯著高于其他兩組，這可能與其適宜的機械性能和孔隙結(jié)構(gòu)促進根系定殖有關(guān)。PCoA分析顯示，三組樣本的群落結(jié)構(gòu)存在差異但重疊區(qū)域明顯（PC1=38.66%，PC2=28.06%），說明水凝膠性質(zhì)差異對菌群組成的影響有限，僅導(dǎo)致部分優(yōu)勢菌群豐度變化。這些結(jié)果揭示了水凝膠交聯(lián)密度通過調(diào)控微環(huán)境間接影響植物-微生物互作。

圖9 （A）微生物的維恩圖;（B）稀疏曲線;（C）細菌門水平的相對豐度;（D）不同處理的主坐標(biāo)分析（PCoA）。

【5.總結(jié)和展望】

  本研究對復(fù)合水凝膠基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能進行了精確調(diào)控，顯著提高了植物的生長效率和資源利用率，為構(gòu)建高效可持續(xù)的無土栽培體系和觀察植物根系動態(tài)提供了理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。這些結(jié)果還為開發(fā)可擴展、可重復(fù)使用并符合工業(yè)要求的下一代農(nóng)業(yè)基板提供了技術(shù)支持。構(gòu)建的水凝膠系統(tǒng)有望整合到商業(yè)溫室生產(chǎn)和城市農(nóng)業(yè)中，為可持續(xù)集約化和智能農(nóng)業(yè)的更廣泛目標(biāo)做出貢獻。

  文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2025.121189