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  對可持續農業需求的日益增長增強了對無土栽培系統的興趣。其中，水凝膠基無土栽培基質具有良好的吸水性、保水性和透明度可調等特點，具有很大的應用潛力。魯東大學材料科學與工程系徐文龍課題組、資源與環境工程學院吳楠課題組、水利土木學院趙英課題組合作在《Industrial Crops and Products》上發表題為“Adjustable P(AM-co-NIPAM)/gelatin hydrogel soilless cultivation substrates for soybean seedling and root growth”的研究性文章。該團隊通過調控交聯劑濃度，成功制備了具有可調孔隙結構、機械強度和透明度的P(AM-co-NIPAM)/明膠復合水凝膠，并將其應用于大豆幼苗的無土栽培。研究發現，優化交聯密度的水凝膠不僅具有優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境，顯著促進其地上部分和根系的發育，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觀察植物根系生長提供了便利，為無土栽培系統的優化設計提供了新思路。該研究為可持續農業實踐提供了一種高效、可控的水凝膠基質解決方案，尤其適用于水資源和基質優化需求迫切的農業生產場景。該工作得到了國家自然科學基金（22472073, 22102067, 41977039），重點國際合作項目（42320104006）和山東省青創團隊項目的資助（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，放入智能光照培養箱中進行培養。

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

  該工作對單體和交聯劑比例進行了調控，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。

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定性；對水凝膠的孔隙率進行了測試，發現孔隙率隨MBA含量的增多而減小；應變掃描流變圖可清晰看出在較寬范圍內，水凝膠表現出彈性模量大于粘性模量，說明凝膠表現出類固體性質；角頻率掃描流變圖表明，水凝膠總是表現出彈性模量大于粘性模量，說明水凝膠以彈性為主；從連續階躍應變掃描流變圖可以看出，通過進行五次循環測試，凝膠的粘彈性依舊能夠快速恢復如初，表明該水凝膠具有良好的自恢復性能。

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）應變掃描，（E）角頻率掃描，和（F）連續階躍應變掃描。

  通過掃描電鏡觀察了不同交聯劑濃度（0.01%，0.05%，0.2%）下P(AM-co-NIPAM)/明膠水凝膠的微觀結構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絡結構，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.力學性能】

  為了滿足作為無土栽培基質以支持幼苗生長的應用的要求，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含量對水凝膠力學性能的影響。在相同的應變下，隨著MBA從0.01%增加到0.2%，應力逐漸增加。隨后進行了漸進壓縮測試和500次的壓縮循環測試，表明水凝膠具有高機械穩定性和良好的抗疲勞性。此外，通過穿刺實驗系統評價了水凝膠的力學性能，為優化水凝膠的配方提供了重要的物理性能指標，確保了其在無土栽培中的有效性。

圖5 （A）壓縮應力-應變曲線；（B）隨應變幅度增加的循環壓縮應力-應變曲線;（C）500次壓縮循環的應力-應變曲線; 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，側根數量較少；0.05% MBA水凝膠的根系發育最佳，主根伸長明顯，側根分布均勻且數量顯著增加；而0.2% MBA水凝膠中的根系則明顯短小稀疏，側根數量減少。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、體積及根尖數量均顯著優于其他兩組。研究表明，適中的交聯密度（0.05% MBA）能提供理想的機械支撐和孔隙結構，促進根系縱向生長和分枝；而過高交聯密度會抑制根系延伸，過低則導致支撐不足。這些結果證實，0.05% MBA水凝膠為植物根系創造了最優生長環境。

圖7 （A）用具有不同MBA含量的P(AM-coNIPAM)/明膠水凝膠基質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。

  研究了不同MBA含量水凝膠基質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勢顯著，9天后葉片發育最為健壯；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。植株高和生物量數據進一步證實，0.05% MBA組的平均株高、鮮重及干重均顯著優于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密度則分別因基質過硬或支撐不足而抑制植株發育。

圖8 （A）用具有不同MBA含量的P（AM-co-NIPAM）/明膠水凝膠基質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構促進根系定殖有關。PCoA分析顯示，三組樣本的群落結構存在差異但重疊區域明顯（PC1=38.66%，PC2=28.06%），說明水凝膠性質差異對菌群組成的影響有限，僅導致部分優勢菌群豐度變化。這些結果揭示了水凝膠交聯密度通過調控微環境間接影響植物-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）不同處理的主坐標分析（PCoA）。

【5.總結和展望】

  本研究對復合水凝膠基質的結構和性能進行了精確調控，顯著提高了植物的生長效率和資源利用率，為構建高效可持續的無土栽培體系和觀察植物根系動態提供了理論依據和實踐指導。這些結果還為開發可擴展、可重復使用并符合工業要求的下一代農業基板提供了技術支持。構建的水凝膠系統有望整合到商業溫室生產和城市農業中，為可持續集約化和智能農業的更廣泛目標做出貢獻。

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