吳明俊 ， 肖文理 ， 商賢火 ， 翟俊杰 ， 陳楷瀚 ， 張英武

(泉州師范學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院 ， 福建 泉州　362000)

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對可生物降解液體地膜的探究

吳明俊 ， 肖文理 ， 商賢火 ， 翟俊杰 ， 陳楷瀚 ， 張英武

(泉州師范學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院 ， 福建 泉州362000)

摘要：通過考察不同的土壤溫度和濕度，考察了自制淀粉/PVA長效液體地膜、自制淀粉/腐植酸鈉短效液體地膜覆蓋對小白菜發(fā)芽的影響。結(jié)果表明，前者的成膜效果和后期的保濕效果較好，但對小白菜的發(fā)芽有抑制作用，其缺陷在于抑制發(fā)芽期間氣體交換及幼苗頂出；后者對小白菜發(fā)芽有較好的促進(jìn)作用，但由于腐植酸鈉具有一定的鹽度，保濕效果不如聚乙烯醇。

關(guān)鍵詞：淀粉 ； 聚乙烯醇 ； 腐植酸鈉 ； 成膜 ； 保濕

0引言

自20世紀(jì)80年代以來，農(nóng)用地膜的覆蓋技術(shù)在我國迅速發(fā)展成為一項(xiàng)重要的高產(chǎn)栽培方法[1]。地膜具有保濕、保墑和防寒的顯著優(yōu)點(diǎn)。目前，我國農(nóng)用地膜的生產(chǎn)和使用量已位居世界前列[2-3]。農(nóng)用地膜多數(shù)為塑料單體聚乙烯或其他合成聚合物，本身具有相對分子質(zhì)量大，性能穩(wěn)定，難以分解的特性，雖然在使用過程中能夠確保農(nóng)產(chǎn)品增產(chǎn)增收，但是一個使用周期過后，大量殘留的地膜碎片由于回收困難而散落在土壤中，年復(fù)一年的堆積，不僅降低土壤的通透性，給耕作、播種和作物的生長都造成了極大的困難[4]。而且大量塑料單體聚乙烯地膜的使用還易造成“白色污染”等問題，因此尋求一種新型、高效、可降解的農(nóng)用地膜成為研究的重點(diǎn)。

目前可降解地膜主要有生物降解地膜、光降解地膜、光/生物降解地膜和液體地膜四大類。有研究表明前三種可降解地膜均存在加工、使用性能和降解不充分等缺陷，不利于大面積推廣使用[5-8]。液體地膜是一種乳狀懸浮液，經(jīng)噴施后在土壤表層形成一層膠狀薄膜，使土壤顆粒聯(lián)結(jié)起來，起到地膜的作用。液體地膜的使用可使土壤表面形成多分子的網(wǎng)狀膜，該膜能夠封閉土壤表面孔隙，阻隔抑制土壤水分揮發(fā)，但不影響水分的滲入，同時分散的土壤顆?？梢阅z結(jié)在一起，形成土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[9]。這種合成液體地膜材料不但能保持土壤水分，還具有強(qiáng)的黏附能力，將土粒連結(jié)成理想團(tuán)聚體。能很好地起到保濕、保墑和防風(fēng)沙作用。目前液體地膜材料主要有石油及副產(chǎn)品類、化學(xué)高分子降解材料和天然高分子降解材料三大類[10]。后面兩種由于原料廣泛、降解徹底，成為近年來的研究熱點(diǎn)。聚乙烯醇、木質(zhì)素及其衍生物、多糖及其衍生物由于其結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)和廣泛的來源成為了制備各種液體地膜的主要材料[11-14]。

本文研究了兩種液體地膜：一種以淀粉和聚乙烯醇(PVA)為主要材料，一種以腐植酸鈉和淀粉為主要材料。通過對比兩種液體地膜在播撒了小白菜種子的砂質(zhì)土壤上的應(yīng)用來初步探究可降解液體地膜的性能。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1　主要儀器及試劑

主要試驗(yàn)儀器及試劑如表1、表2所示。

表1　主要實(shí)驗(yàn)儀器一覽表

表2　主要實(shí)驗(yàn)試劑一覽表

1.2　實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1栽種小白菜土壤的選取

本實(shí)驗(yàn)主要探究小白菜早期的發(fā)芽情況以及土壤中水分和溫度的變化情況，選擇土質(zhì)比較疏松的砂質(zhì)土壤以便分析其保水及透氣性能。土壤采于泉州師范學(xué)院白宮后的山坡，含有少量小碎石子。采取同一地塊的土壤混合均勻后分批裝在塑料儲蓄箱中。并將收集好的森林凋落物剪成碎片與土壤充分混合以補(bǔ)充菌種，放在實(shí)驗(yàn)室陽臺上備用。

1.2.21%燒堿溶液的配置

稱取24.00 g燒堿置于2 500 mL燒杯中，加入2 400 mL蒸餾水，攪拌至完全溶解后，放置備用于腐植酸鈉的溶解。

1.2.3簡易液體地膜的制備

1.2.3.1淀粉/PVA液體地膜的制備

稱取54 g聚乙烯醇置于2 000 mL燒杯中，并加入1 000 mL蒸餾水，放置1~2 h使聚乙烯醇充分溶脹，置于90 ℃恒溫水浴鍋中攪拌溫度在2~3 h，溫度90 ℃±5 ℃，攪拌至均勻，將溶液放置在80～95 ℃水浴鍋中，防止聚乙烯醇溶液凝結(jié)。

1.2.3.2淀粉/腐植酸鈉液體地膜的制備

稱取240 g腐植酸鈉加入到1%的燒堿溶液中，置于90 ℃左右的恒溫水浴鍋中，恒溫?cái)嚢? h至腐植酸鈉完全溶解，加入120 g淀粉和36 g交聯(lián)劑三氯化鋁，加熱攪拌至其完全溶解后，放置備用。淀粉在液體地膜研究系統(tǒng)中大量使用，主要起成型、造孔、保水、提高生物親和性等作用。

1.2.4播種小白菜并噴灑液體地膜

將先前準(zhǔn)備好的混合均勻的土壤分成四等份，每份分成3個組。分別貼上標(biāo)簽空1、空2、空3；A1、A2、A3；B1、B2、B3；保鮮膜1、保鮮膜2、保鮮膜3。其中“空”代表土壤裸露，沒有覆蓋任何東西；“A”代表用淀粉/PVA液體地膜覆蓋；“B”代表用淀粉/腐植酸鈉液體地膜覆蓋；“保鮮膜”代表用保鮮膜代替普通塑料地膜覆蓋。

將小白菜種子均勻的播撒在12個土壤中。

A組：將先前配好的5%左右的聚乙烯醇溶液取出，并將已經(jīng)稱量好的淀粉和三氯化鋁藥品放入聚乙烯醇溶液中，加水配置成1 800 mL的溶液，并將此溶液按照1∶2∶3的體積比例分成三份。待溫度冷卻到接近室溫時，此三份溶液分別稀釋1~3倍，由含量由低到高噴灑于A1、A2、A3中。

B組：將先前配好的淀粉/腐植酸鈉地膜溶液按照1∶2∶3的體積比例分成三份，分別稀釋1~3倍后按照含量由高到低分別噴灑于B1、B2、B3中。

空白組亦分成三份，不覆蓋任何東西，分別噴灑與A組三份同樣量的水。

保鮮膜組分別覆蓋上保鮮膜代替農(nóng)用地膜，分成三份，并分別噴灑與A組三份同樣量的水。

1.2.5觀察小白菜發(fā)芽情況和測量土壤的溫度和含水量

每隔五天去觀察各組的小白菜的發(fā)芽情況，用溫度計(jì)測量10:00-11:00間土壤下大于5 cm處的溫度，記錄；用小鐵勺取土壤下5~10 cm處的土壤，用烘干法測量土壤中的水含量。實(shí)驗(yàn)期間記錄天氣情況，特別是降雨情況。

2結(jié)果與討論

2.1　實(shí)驗(yàn)期間降雨情況記錄

如表1所示，在播種后的除第3、12、13、17、22天有小雨及第14天的大雨外，無其它降雨，所以整體實(shí)驗(yàn)過程來看，天氣比較干旱。因?yàn)樾“撞烁捣植紲\，吸收能力弱，加上葉片多，水分蒸發(fā)大，所以小白菜在整個生長期對土壤濕度和空氣相對濕度都有較高的要求。由此可以推測在實(shí)驗(yàn)過程中，小白菜的總體長勢一般。

表3　實(shí)驗(yàn)期間降雨分布情況

2.2　不同地膜對土壤溫度的影響

每隔5天，在同一時間10:00測量的土壤5 cm處的溫度見表4。

表4　每隔五天測量的土壤5 cm處的溫度　　℃

空白組的平均溫度、淀粉/PVA液體地膜組、淀粉/腐植酸鈉液態(tài)地膜組、保鮮膜組的土壤溫度變化見圖1。

圖1　播種后不同天數(shù)各組土壤溫度圖

從圖1可以看出，土壤溫度隨天數(shù)的推移達(dá)曲線分別到兩個最低點(diǎn)和兩個最高點(diǎn)。在小白菜的出苗期，即播種后1~10 d，B組總體的土壤溫度略高于A組覆蓋的土壤溫度，說明在前期過程淀粉/腐植酸鈉液態(tài)地膜的保溫、增溫效果較好，合理解釋為液態(tài)地膜形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)不會影響氣體交換，且黑色的腐植酸鈉交聯(lián)淀粉地膜有利于對光能的吸收。但隨著時間的逐漸推移，淀粉/PVA覆蓋的土壤溫度逐漸接近于淀粉/腐植酸鈉覆蓋的土壤溫度，同時淀粉/腐植酸鈉覆蓋的黑色土壤顏色逐漸減退，解釋為淀粉/腐殖酸鈉逐漸降解。

保鮮膜覆蓋的土壤溫度要稍高于液體地膜覆蓋的土壤溫度，可以說明實(shí)驗(yàn)中液體地膜的保溫效果略差于保鮮膜，可以解釋為保鮮膜內(nèi)有一保溫層，妨礙氣體交換，所以溫度會較高。

2.3　各組中土壤含水量的變化

淀粉/PVA液體地膜和淀粉/腐植酸鈉液態(tài)地膜的噴灑量對土壤含水量的影響見圖2和圖3，從圖2和圖3看出，在出苗期，即播種后1~10 d這一階段，B組的總體含水量高于A組的含水量，但在第15~20 d中，A組的總體含水量要高于B組，表明淀粉/腐植酸鈉液體地膜的保濕效果在出苗期比較顯著，而淀粉/PVA液體地膜在干旱氣候地區(qū)和生長期的保濕效果較好。從圖2、圖3中可以看出噴灑的量越大，對于土壤的保濕效果就越好。

表5　土壤含水量變化　　　　　　%

圖2　A組土壤含水量變化圖

圖3　A組土壤含水量變化圖

圖4　各組土壤含水量變化圖

2.4　觀察小白菜的發(fā)芽、生長情況以及土壤的性質(zhì)變化

圖5所示為播種后第5天拍攝的照片，按照從左到右、從上到下的順序，分別為空白組、A組、B組、保鮮膜組，每組從左到右噴灑量依次增大。從圖5可以看出小白菜播種5 d內(nèi)就能順利發(fā)芽，且B組的兩個噴灑較低量液體地膜的發(fā)芽數(shù)量要明顯好于其他組，表明淀粉/腐植酸鈉對植物的發(fā)芽有一定的促進(jìn)作用。

圖5　小白菜播種后第5天

再觀察A組左邊的發(fā)芽數(shù)量高于比空白組與保鮮膜組，中間的有少量發(fā)芽，右邊的基本上沒有發(fā)芽，并且A組可以發(fā)現(xiàn)明顯的成膜，表明淀粉/聚乙烯醇對小白菜的發(fā)芽有一定的抑制作用，且噴灑的量越多形成的膜越厚，小白菜的發(fā)芽就越困難。A組中膜最厚的沒有發(fā)芽，但掀開膜可以看到下面已經(jīng)發(fā)芽，只是沒有破膜而出，表明形成的膜具有一定的強(qiáng)度，從而使小白菜種子無法破膜。

圖6　小白菜播種后第20天

圖6是播種后20 d左右拍攝的圖片，可以觀察到四組漲勢不一，其中B組長勢最好，可見在播種后1~20 d，淀粉/腐植酸鈉對小白菜有顯著的促進(jìn)作用。此外也可觀察到部分小白菜有發(fā)黃現(xiàn)象，可能是由于天氣較為干旱，含水量不足導(dǎo)致。

圖7　小白菜播種后第28天

圖8　A1、A2組小白菜播種后第28天放大圖

圖7是播種后第28天拍攝的圖片，圖8為A1、A2第28天放大拍攝的圖片。從圖7可以觀察到小白菜基本枯萎?？赡苁怯捎谠诓シN后15~30 d內(nèi)僅有兩次少量降雨，導(dǎo)致土壤十分干旱，含水量嚴(yán)重不足，使小白菜缺水死亡。從圖8中可以觀察到A1、A2中仍有少量小白菜存活，而其他組中基本上沒有存活的小白菜，解釋為淀粉/聚乙烯醇薄膜在干旱天氣中的具有一定的保濕效果。對比各組后期土壤的性質(zhì)，可以發(fā)現(xiàn)A組后期土壤的硬度低于空白組，且觀察可以發(fā)現(xiàn)土塊明顯地連結(jié)在一起，表現(xiàn)為土質(zhì)疏松且連接成網(wǎng)絡(luò)，推測其后期土壤具有一定的透氣性和保濕性。而B組中土壤疏松，黑色土壤的顏色逐漸褪去，說明淀粉/腐植酸鈉地膜在逐漸地降解，且降解后產(chǎn)生的物質(zhì)能改善土壤的透氣性，但保水性能會明顯的降低。

3結(jié)論

通過以上的分析可以得出：實(shí)驗(yàn)室制備的噴灑型液體農(nóng)膜便于操作，淀粉/PVA液體地膜和淀粉/腐植酸鈉液體地膜都能起到一定的保墑、保濕作用。

對淀粉/PVA液體地膜在出苗期對種子的發(fā)芽有一定的抑制作用，導(dǎo)致出苗時間比較晚，合理解釋是淀粉/聚乙烯醇膜連續(xù)性較好，機(jī)械強(qiáng)度高，透氣性減弱；另外中期植物長勢也較差，并不適合作為農(nóng)業(yè)用液體薄膜。從理論上看，減少聚乙烯醇用量的同時增大淀粉用量可大幅改善透氣性問題，并有助土壤微生物群的壯大，但會犧牲薄膜連續(xù)性和機(jī)械強(qiáng)度，需要依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

進(jìn)一步分析：淀粉/PVA液體地膜形成的薄膜保水性能比較好，機(jī)械強(qiáng)度較高且不容易像傳統(tǒng)農(nóng)膜一樣被風(fēng)破壞，考慮到干旱地區(qū)先鋒植物較強(qiáng)的抗逆性和快速萌發(fā)能力，可推論出其水因子缺乏/風(fēng)蝕嚴(yán)重的干旱地區(qū)綠化具有特殊的優(yōu)越性，但實(shí)施厚度不可過大。

淀粉/腐植酸鈉液體地膜因一定的保濕與較強(qiáng)的土壤增溫作用，可以發(fā)現(xiàn)其在種子的出苗期出苗數(shù)量和生長速度方面有明顯優(yōu)勢。但在天氣干旱時保水能力不佳，說明該類農(nóng)膜在半干旱地區(qū)作為農(nóng)業(yè)用膜較為適用，但要充分考慮土地鹽堿度問題，必要時應(yīng)使用氨水替代氫氧化鈉以進(jìn)一步降低成本及規(guī)避鹽堿度的增加。

本研究從調(diào)度熱因子(黑色的腐植殖酸鹽)與調(diào)度水因子(強(qiáng)保水的聚乙烯醇)兩個方向進(jìn)行了初步的探索，表明淀粉基液體農(nóng)膜具有明顯的應(yīng)用價值。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析認(rèn)為：①液體農(nóng)膜研究需結(jié)合使用地區(qū)的生態(tài)因子分布狀況進(jìn)行工程性的側(cè)重選擇；②由于植物幼苗期時間段較長，液體農(nóng)膜研究的耐候性需進(jìn)一步加強(qiáng)；③由于分子尺度上傳統(tǒng)高分子液體農(nóng)膜物性一致性太大，可考慮復(fù)合中空秸稈等物質(zhì)以改善透氣性，也解決秸稈還地的現(xiàn)有難題。

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Preliminary Exploration of Biodegradable Liquid Membrane

WU Mingjun ， XIAO Wenli ， SHANG Xianhuo ， ZHAI Junjie ， CHEN Kaihan ， ZHANG Yingwu

(College of Chemistry and Life Science , Quanzhou Normal University , Quanzhou362000 , China)

Abstract:Through investigeting the difference temperature and humidity of soil,the effect of homemade starch/PVA long-acting liquid film and home made starch/sodium humate short-acting liquid film to chinese cabbage planting are compared.The result shows,the membrane effect and later period moisturizing effect of the formers are good,but,it has inhibitory action to chinese cabbage germinating,its fault is restraining gas exchange and seedling ejection during germinate period;the latter has better auxo-action to chinese cabbage,but due to sodium humate has some salinity,its moisturizing effect is not equal to PVA.

Key words:starch ; poval ; sodium humate ; film build ; preserve moisture

作者簡介：吳明俊(1991-)，男，從事生物化工方面研究工作，E-mail： 501217008@qq.com。

基金項(xiàng)目：泉州市科技局科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目(2014Z119)

收稿日期：2015-02-07

中圖分類號：TQ324.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-3467(2015)05-0026-05