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可降解營養(yǎng)地膜組成優(yōu)化研究

2022-01-10 06:57:04隋振全范金石
磷肥與復(fù)肥 2021年12期
關(guān)鍵詞:硝酸鉀聚乙烯醇硼酸

隋振全,范金石,2

(1. 青島科技大學(xué)海洋科學(xué)與生物工程學(xué)院,山東青島 266042;2. 省部共建生態(tài)化工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,山東青島 266042)

地膜覆蓋能夠起到減少除草劑的使用[1]、提高土壤溫度[2]、降低水分消耗[3]、加快作物生長[4]和提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)[5]等作用,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。傳統(tǒng)地膜由聚乙烯等合成塑料加工而成[6],難以自然降解,且回收困難、成本高[7]。而廢棄地膜直接露天焚燒,或棄置田間、河流,及掩埋在土壤、填埋場中[8-9]等不得當(dāng)?shù)奶幹梅绞?,造成土壤和水體污染,甚至引起農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)退化等環(huán)境和生態(tài)問題[10-12]。為解決傳統(tǒng)地膜帶來的環(huán)境和生態(tài)問題,綠色可降解地膜的開發(fā)勢在必行。

緩釋包膜肥利用可降解高分子聚合物(殼聚糖、淀粉、木質(zhì)素、纖維素等)包膜,以控制肥料的釋放數(shù)量和釋放期,使養(yǎng)分供應(yīng)與作物各生育期需肥規(guī)律相吻合[13]。如果把緩釋包膜肥料和可降解地膜有機(jī)結(jié)合起來,在制膜過程中加入肥料(氮肥、鉀肥、磷肥、硼肥等),制備可降解營養(yǎng)地膜,將有利于發(fā)揮兩者的長處,起到統(tǒng)合綜效作用。

筆者以尿素、硝酸鉀、硼酸為肥料,以殼聚糖(CS)和聚乙烯醇(PVA)為成膜材質(zhì),制備可降解營養(yǎng)地膜。以營養(yǎng)地膜的水蒸氣透過率為指標(biāo),以尿素添加量、硝酸鉀添加量、硼酸添加量為主要影響因素,通過單因素實(shí)驗(yàn)研究營養(yǎng)元素對(duì)營養(yǎng)地膜水蒸氣透過率的影響規(guī)律,并尋找出制備殼聚糖/聚乙烯醇營養(yǎng)地膜時(shí)肥料的最佳添加量。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

殼聚糖,工業(yè)級(jí),莒縣海貝生物科技有限公司;聚乙烯醇,1788型,分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;乙酸,分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;尿素,分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;硝酸鉀,分析純,天津巴斯夫化工股份有限公司;硼酸,分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

UTM-2502 型電子萬能測試機(jī),深圳三思縱橫科技股份有限公司;101-1AB 型電熱鼓風(fēng)干燥箱,天津市泰斯特儀器有限公司;KQ-100B 型超聲波清洗器,昆山市超聲儀器有限公司。

1.2 可降解營養(yǎng)地膜的制備

稱取一定量的殼聚糖,分散到體積分?jǐn)?shù)為0.8%的乙酸水溶液中,在45 ~50 ℃下攪拌至完全溶解,得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的殼聚糖溶液。稱取一定量的聚乙烯醇,在90 ~95 ℃下攪拌至完全溶解在水中,得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%的聚乙烯醇溶液。將殼聚糖溶液和聚乙烯醇溶液以質(zhì)量比8 ∶2混合均勻,超聲脫泡,得到殼聚糖/聚乙烯醇溶液。

向殼聚糖/聚乙烯醇溶液中添加不同比例的尿素、硝酸鉀和硼酸,混合均勻,超聲脫泡,然后將一定質(zhì)量的溶液流延至培養(yǎng)皿中,在55 ℃下于鼓風(fēng)干燥箱中干燥3 ~5 h,得到可降解營養(yǎng)地膜。

1.3 單因素實(shí)驗(yàn)

向殼聚糖/聚乙烯醇溶液中只添加尿素、硝酸鉀、硼酸中的一種,考察尿素、硝酸鉀和硼酸添加量對(duì)殼聚糖/聚乙烯醇地膜水蒸氣透過率的影響規(guī)律。水蒸氣透過率參照文獻(xiàn)[14]測定,即用干膜密封裝有一定去離子水的稱量瓶,稱得質(zhì)量為m1,室溫下放置1 d后,稱得質(zhì)量為m2。地膜水蒸氣通過率計(jì)算公式為:

式中,S為稱量瓶瓶口面積(m2);t為時(shí)間(d)。

1.4 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,使用Design Expert 軟件,設(shè)計(jì)以尿素、硝酸鉀、硼酸添加量為影響因素,以地膜水蒸氣透過率為響應(yīng)值的三因素三水平實(shí)驗(yàn)方案,實(shí)驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

尿素、硝酸鉀、硼酸添加量對(duì)地膜水蒸氣透過率的影響見圖1。

從圖1中可以看出,隨著尿素、硝酸鉀、硼酸添加量提高,地膜的水蒸氣透過率均呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。當(dāng)尿素添加量為0.60%時(shí),地膜水蒸氣透過率最低,為315.32 g/(m2·d);當(dāng)硝酸鉀添加量為0.40%時(shí),地膜水蒸氣透過率最低,為368.73 g/(m2·d);當(dāng)硼酸添加量為0.15%時(shí),地膜水蒸氣透過率最低,為328.50 g/(m2·d)。地膜水蒸氣透過率降低的原因和膜結(jié)構(gòu)的致密性相關(guān),前期隨著尿素、硝酸鉀和硼酸添加量的提高,地膜的塑性有一定提高,并且地膜本身的吸水性較強(qiáng),對(duì)水蒸氣的阻隔作用較強(qiáng),從而使地膜的水蒸氣透過率下降[15]。隨著添加量不斷提高,尿素、硝酸鉀、硼酸會(huì)和地膜中的高分子形成大量氫鍵,導(dǎo)致地膜的親水性不斷提高,從而引起地膜的結(jié)構(gòu)變得相對(duì)疏松,使地膜對(duì)水蒸氣的阻隔作用下降,導(dǎo)致地膜的水蒸氣透過率上升[16]。

圖1 尿素、硝酸鉀和硼酸添加量對(duì)水蒸氣透過率的影響

2.2 正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

表2為正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果。

表2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

用Design Expert 軟件對(duì)表2 的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,建立3個(gè)影響因素與響應(yīng)值之間的數(shù)學(xué)模型,并得到相關(guān)數(shù)學(xué)回歸方程:

為檢驗(yàn)?zāi)P蜏?zhǔn)確度,對(duì)回歸方程作進(jìn)一步方差分析,結(jié)果見表3。

表3 方差分析結(jié)果

由表3 可知,模型的P<0.01,極顯著;失擬項(xiàng)的P=0.209 9>0.05,不顯著,證明模型可靠性較高[17]。修復(fù)相關(guān)系數(shù)R2(adj)=0.984 8,表明地膜水蒸氣透過率的變化有98.48%的可能性來源于尿素、硝酸鉀和硼酸[18]。信噪比為28.854>4,也證明構(gòu)建的模型可靠[19]。其中因素A的P<0.01,極顯著;因素B的P=0.021 1<0.05,顯著;因素C的P=0.908 3>0.05,不顯著,表明對(duì)地膜水蒸氣透過率影響的主次順序?yàn)槟蛩兀鞠跛徕洠九鹚帷F渲?,尿素、硝酸鉀交互作用的P=0.281 9,尿素、硼酸交互作用的P=0.080 8,硝酸鉀、硼酸交互作用的P=0.018 3,表明交互項(xiàng)中硝酸鉀和硼酸交互作用相對(duì)更加顯著。

根據(jù)回歸方程分析,當(dāng)尿素添加量為0.62%、硝酸鉀添加量為0.40%、硼酸添加量為0.15%時(shí)地膜的水蒸氣透過率最低,為309.049 g/(m2·d)。在最佳條件下進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn),測得地膜水蒸氣透過率平均值為310.327 g/(m2· d),與模型預(yù)測值309.049 g/(m2·d)較一致,驗(yàn)證了模型的可靠性。

3 結(jié)論

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過Design Expert軟件建立了尿素、硝酸鉀和硼酸添加量3個(gè)影響因素與營養(yǎng)地膜水蒸氣透過率的數(shù)學(xué)模型,擬合分析該模型得到:尿素、硝酸鉀、硼酸對(duì)水蒸氣透過率顯著性排序中,尿素>硝酸鉀>硼酸;交互項(xiàng)中硝酸鉀和硼酸配合更加顯著;最佳添加量為尿素0.62%、硝酸鉀0.40%、硼酸0.15%,在此最佳條件下制備的營養(yǎng)地膜的水蒸氣透過率為310.327 g/(m2·d)。

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