《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》：Improving Herbaceous Cotton Performance Under Drought Scenario Through Sustainable Hydrogel Polymers
编辑推荐：
水资源短缺是半干旱地区农业生产面临的主要挑战之一，制约了陆地棉（Gossypium hirsutum L.）等作物的生长发育。采用可生物降解的木薯淀粉基水凝胶作为合成聚合物的可持续替代品，可提高土壤保水性。研究人员的假设是，可生物降解的木薯淀粉基水凝胶可通过改
水资源短缺是半干旱地区农业生产面临的主要挑战之一，制约了陆地棉（Gossypium hirsutum L.）等作物的生长发育。采用可生物降解的木薯淀粉基水凝胶作为合成聚合物的可持续替代品，可提高土壤保水性。研究人员的假设是，可生物降解的木薯淀粉基水凝胶可通过改善生理协调性缓解棉花植株的干旱损伤。研究在温室和大田条件下并行开展了两个试验，采用随机完全区组设计、2×2因子方案，结合两种水分状况[充分灌溉（90%田间持水量，FC）和干旱胁迫（50% FC）]以及两种水凝胶水平（每株0和1.0 g）。干旱调节了生理响应，并在两种环境下显著降低了生物计量数据和生物量积累。数据显示，木薯淀粉基水凝胶的农艺有效性强烈依赖于环境条件。在温室中，水凝胶部分缓解了干旱引起的气孔导度（gs）和瞬时水分利用效率（WUE）的降低，但未能改善生物量。相比之下，在大田条件下，经水凝胶处理的受胁迫植株保留了光合色素，这一响应与水分利用效率和地上部干质量的提升相关，从而提高了相对耐旱性。总之，水凝胶聚合物在大田条件下可缓解干旱对棉花性能的损害，突显了将生物聚合物纳入可持续水分管理实践的潜力。
研究背景与目的
水资源短缺是全球农业面临的严峻挑战，尤其在干旱和半干旱地区，不规则的降雨模式、极端高温和持续干旱严重限制了作物生产。陆地棉（Gossypium hirsutum L.）作为一种全球性经济作物，其产量在干旱条件下因水分吸收受限、生理性能下降和生物量积累减少而显著降低。因此，提高棉花的耐旱性成为维持生产力的关键目标。传统的高吸水性聚合物（SAPs）多由石油衍生物合成，虽能有效提高土壤保水性，但其降解率低且存在潜在毒性风险。近年来，源于可再生资源的可生物降解高吸水聚合物受到广泛关注，其中从木薯（Manihot esculenta）根中提取的淀粉被认为是生产SAPs的理想原料。然而，关于木薯淀粉基水凝胶在干旱条件下对棉花植株影响的研究尚不充分。基于此，研究人员提出假设：可生物降解的木薯淀粉基水凝胶能够通过改善生理协调性来缓解棉花的干旱损伤。为此，他们在温室和大田两种环境中独立开展了试验，探究不同水分状况下施用木薯淀粉基水凝胶对棉花生理和生长参数的影响，旨在为半干旱地区棉花管理策略的开发提供依据。
研究方法概述
研究人员在巴西皮奥伊联邦大学（UFPI）的实验区域，于2024年5月至7月（温室）和6月至9月（大田）进行了两项独立试验。采用随机完全区组设计，设置2×2因子方案：两种水分状况（充分灌溉对照，90%田间持水量FC；干旱胁迫，50% FC）和两种水凝胶水平（每株0和1.0 g），共5次重复。棉花品种选用FM 970GLTP。研究人员将干燥的木薯淀粉基水凝胶按1.0 g干胶兑200 mL水的比例水化后，施入土深11 cm处。在温室中，通过每日称重法维持预设土壤水分；在大田中，基于FAO Penman-Monteith方法计算的作物蒸散量（ETc）进行局部灌溉，并通过烘干法监测土壤含水量。收获分别在温室干旱处理28天后和大田干旱处理60天后（均处于生殖生长初期）进行。主要技术方法包括：使用红外气体分析仪（IRGA）测定气体交换参数（净光合速率A、蒸腾速率E、气孔导度gs、瞬时水分利用效率A/E、内在水分利用效率A/gs）；利用红外热成像仪获取叶片温度；通过图像处理软件测定叶面积；计算相对含水量（RWC）和叶片肉质化程度（LS）；采用分光光度法测定光合色素（叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素、类胡萝卜素）含量；检测超氧化物歧化酶（SOD）、愈创木酚过氧化物酶（G-POD）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）的活性。数据经正态性检验后，进行方差分析（ANOVA），并使用Tukey检验（p<0.05）比较均值，同时进行了主成分分析（PCA）。
研究结果
3.1 生长表现
在两个环境中，干旱胁迫均显著降低了棉花的生物计量变量。在温室中，无凝胶和有凝胶处理下，茎粗分别降低25.46%和20.49%，株高分别降低21.61%和27.74%。总叶片数在温室中分别降低21.67%和27.49%；在大田中分别降低45.36%和29.39%。大田试验中叶面积分别降低69.97%和52.50%。干旱胁迫还显著降低了各器官干质量。在大田条件下，干旱胁迫下施用凝胶的植株茎干质量增加47.64%，叶干质量增加31.97%，耐旱性指数比未施凝胶的植株高出17.12%。
3.2 生理调节
在温室中，干旱显著影响了气孔导度和瞬时水分利用效率，而水凝胶的施用使这两个指标分别恢复了39.26%和54.16%。在大田中，干旱降低了蒸腾速率和气孔导度，而水凝胶处理使这些参数进一步下降（分别为17.81%和12.24%），但同时使瞬时水分利用效率提高30.13%，内在水分利用效率提高20.74%。净光合速率和叶片温度在两种环境中均未受干旱和水凝胶处理的显著影响。
3.3 光合色素
在温室中，干旱仅导致类胡萝卜素含量下降，无凝胶植株降幅更大（34.36%），而有凝胶植株降幅较小（18.74%）。在大田中，干旱显著降低了所有光合色素的含量，但水凝胶处理的植株受影响较小，部分恢复了色素含量。
3.4 抗氧化酶活性
在温室中，干旱胁迫诱导了叶片和根系中超氧化物歧化酶、愈创木酚过氧化物酶和抗坏血酸过氧化物酶活性的升高。在大田条件下，仅在施用凝胶的干旱胁迫植株中观察到叶片三种酶活性的升高。在根系中，无凝胶的干旱胁迫植株的愈创木酚过氧化物酶和抗坏血酸过氧化物酶活性升高，而凝胶处理的植株仅有愈创木酚过氧化物酶活性升高。在所有情况下，干旱胁迫下施用凝胶的植株表现出最高的酶活性。
3.5 多元分析
Pearson相关分析和主成分分析显示，温室与大田条件下的变量相关性网络存在差异。在大田条件下，形态参数与蒸腾速率、气孔导度高度正相关，而抗氧化酶活性与多数形态和生理变量呈显著负相关。叶绿素a和类胡萝卜素与耐旱性指数呈强正相关。主成分分析清晰区分了不同环境和水分处理，并显示在大田条件下，水凝胶与非水凝胶处理在第二维度上呈现部分分离。
讨论与结论
研究表明，50%田间持水量的干旱对棉花品种FM 970GLTP构成了中度但限制生长的水分亏缺。水凝胶对棉花性能的调节作用强烈依赖于生长环境。在温室中，水凝胶主要改善了气孔导度和瞬时水分利用效率，但未能转化为生物量提升；而在大田中，水凝胶促进了水分利用效率、生物量积累和光合色素的更均衡整合，表明其通过增强关键生理过程的协调性改善了干旱适应。这种环境依赖性可能与温度差异有关——温室温度波动剧烈（29-49℃），可能影响水凝胶的保水功能；而大田条件更为温和稳定（25.49-31.75℃），有利于水凝胶发挥效果。尽管净光合速率在测量期间未受显著影响，但生物量积累的下降反映了整个生长周期内碳同化和呼吸消耗的综合结果。棉花植株在干旱下保持了稳定的叶片相对含水量和肉质化程度，表明其具有内在的叶片水合维持能力。研究人员得出结论：水凝胶聚合物在大田条件下能有效缓解干旱对棉花性能的损害，其介导的耐旱性主要与改善的生理协调性、抗氧化酶系统和生物量积累相关。水凝胶代表了可持续水分管理的潜在工具，是石油衍生合成聚合物的可行替代品。未来需进一步研究土壤体积、温度和根-土相互作用对水凝胶功效的影响，以及评估其对产量的影响并优化不同种植系统中的施用策略。
