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）。