对可生物降解液体地膜的探究

吴明俊 ， 肖文理 ， 商贤火 ， 翟俊杰 ， 陈楷瀚 ， 张英武

(泉州师范学院 化学与生命科学学院 ， 福建 泉州　362000)



对可生物降解液体地膜的探究

吴明俊 ， 肖文理 ， 商贤火 ， 翟俊杰 ， 陈楷瀚 ， 张英武

(泉州师范学院 化学与生命科学学院 ， 福建 泉州362000)

摘要：通过考察不同的土壤温度和湿度，考察了自制淀粉/PVA长效液体地膜、自制淀粉/腐植酸钠短效液体地膜覆盖对小白菜发芽的影响。结果表明，前者的成膜效果和后期的保湿效果较好，但对小白菜的发芽有抑制作用，其缺陷在于抑制发芽期间气体交换及幼苗顶出；后者对小白菜发芽有较好的促进作用，但由于腐植酸钠具有一定的盐度，保湿效果不如聚乙烯醇。

关键词：淀粉 ； 聚乙烯醇 ； 腐植酸钠 ； 成膜 ； 保湿

0引言

自20世纪80年代以来，农用地膜的覆盖技术在我国迅速发展成为一项重要的高产栽培方法[1]。地膜具有保湿、保墒和防寒的显著优点。目前，我国农用地膜的生产和使用量已位居世界前列[2-3]。农用地膜多数为塑料单体聚乙烯或其他合成聚合物，本身具有相对分子质量大，性能稳定，难以分解的特性，虽然在使用过程中能够确保农产品增产增收，但是一个使用周期过后，大量残留的地膜碎片由于回收困难而散落在土壤中，年复一年的堆积，不仅降低土壤的通透性，给耕作、播种和作物的生长都造成了极大的困难[4]。而且大量塑料单体聚乙烯地膜的使用还易造成“白色污染”等问题，因此寻求一种新型、高效、可降解的农用地膜成为研究的重点。

目前可降解地膜主要有生物降解地膜、光降解地膜、光/生物降解地膜和液体地膜四大类。有研究表明前三种可降解地膜均存在加工、使用性能和降解不充分等缺陷，不利于大面积推广使用[5-8]。液体地膜是一种乳状悬浮液，经喷施后在土壤表层形成一层胶状薄膜，使土壤颗粒联结起来，起到地膜的作用。液体地膜的使用可使土壤表面形成多分子的网状膜，该膜能够封闭土壤表面孔隙，阻隔抑制土壤水分挥发，但不影响水分的渗入，同时分散的土壤颗粒可以胶结在一起，形成土壤团粒结构[9]。这种合成液体地膜材料不但能保持土壤水分，还具有强的黏附能力，将土粒连结成理想团聚体。能很好地起到保湿、保墒和防风沙作用。目前液体地膜材料主要有石油及副产品类、化学高分子降解材料和天然高分子降解材料三大类[10]。后面两种由于原料广泛、降解彻底，成为近年来的研究热点。聚乙烯醇、木质素及其衍生物、多糖及其衍生物由于其结构上的特点和广泛的来源成为了制备各种液体地膜的主要材料[11-14]。

本文研究了两种液体地膜：一种以淀粉和聚乙烯醇(PVA)为主要材料，一种以腐植酸钠和淀粉为主要材料。通过对比两种液体地膜在播撒了小白菜种子的砂质土壤上的应用来初步探究可降解液体地膜的性能。

1实验部分

1.1　主要仪器及试剂

主要试验仪器及试剂如表1、表2所示。

表1　主要实验仪器一览表

表2　主要实验试剂一览表

1.2　实验方法

1.2.1栽种小白菜土壤的选取

本实验主要探究小白菜早期的发芽情况以及土壤中水分和温度的变化情况，选择土质比较疏松的砂质土壤以便分析其保水及透气性能。土壤采于泉州师范学院白宫后的山坡，含有少量小碎石子。采取同一地块的土壤混合均匀后分批装在塑料储蓄箱中。并将收集好的森林凋落物剪成碎片与土壤充分混合以补充菌种，放在实验室阳台上备用。

1.2.21%烧碱溶液的配置

称取24.00 g烧碱置于2 500 mL烧杯中，加入2 400 mL蒸馏水，搅拌至完全溶解后，放置备用于腐植酸钠的溶解。

1.2.3简易液体地膜的制备

1.2.3.1淀粉/PVA液体地膜的制备

称取54 g聚乙烯醇置于2 000 mL烧杯中，并加入1 000 mL蒸馏水，放置1~2 h使聚乙烯醇充分溶胀，置于90 ℃恒温水浴锅中搅拌温度在2~3 h，温度90 ℃±5 ℃，搅拌至均匀，将溶液放置在80～95 ℃水浴锅中，防止聚乙烯醇溶液凝结。

1.2.3.2淀粉/腐植酸钠液体地膜的制备

称取240 g腐植酸钠加入到1%的烧碱溶液中，置于90 ℃左右的恒温水浴锅中，恒温搅拌1 h至腐植酸钠完全溶解，加入120 g淀粉和36 g交联剂三氯化铝，加热搅拌至其完全溶解后，放置备用。淀粉在液体地膜研究系统中大量使用，主要起成型、造孔、保水、提高生物亲和性等作用。

1.2.4播种小白菜并喷洒液体地膜

将先前准备好的混合均匀的土壤分成四等份，每份分成3个组。分别贴上标签空1、空2、空3；A1、A2、A3；B1、B2、B3；保鲜膜1、保鲜膜2、保鲜膜3。其中“空”代表土壤裸露，没有覆盖任何东西；“A”代表用淀粉/PVA液体地膜覆盖；“B”代表用淀粉/腐植酸钠液体地膜覆盖；“保鲜膜”代表用保鲜膜代替普通塑料地膜覆盖。

将小白菜种子均匀的播撒在12个土壤中。

A组：将先前配好的5%左右的聚乙烯醇溶液取出，并将已经称量好的淀粉和三氯化铝药品放入聚乙烯醇溶液中，加水配置成1 800 mL的溶液，并将此溶液按照1∶2∶3的体积比例分成三份。待温度冷却到接近室温时，此三份溶液分别稀释1~3倍，由含量由低到高喷洒于A1、A2、A3中。

B组：将先前配好的淀粉/腐植酸钠地膜溶液按照1∶2∶3的体积比例分成三份，分别稀释1~3倍后按照含量由高到低分别喷洒于B1、B2、B3中。

空白组亦分成三份，不覆盖任何东西，分别喷洒与A组三份同样量的水。

保鲜膜组分别覆盖上保鲜膜代替农用地膜，分成三份，并分别喷洒与A组三份同样量的水。

1.2.5观察小白菜发芽情况和测量土壤的温度和含水量

每隔五天去观察各组的小白菜的发芽情况，用温度计测量10:00-11:00间土壤下大于5 cm处的温度，记录；用小铁勺取土壤下5~10 cm处的土壤，用烘干法测量土壤中的水含量。实验期间记录天气情况，特别是降雨情况。

2结果与讨论

2.1　实验期间降雨情况记录

如表1所示，在播种后的除第3、12、13、17、22天有小雨及第14天的大雨外，无其它降雨，所以整体实验过程来看，天气比较干旱。因为小白菜根系分布浅，吸收能力弱，加上叶片多，水分蒸发大，所以小白菜在整个生长期对土壤湿度和空气相对湿度都有较高的要求。由此可以推测在实验过程中，小白菜的总体长势一般。

表3　实验期间降雨分布情况

2.2　不同地膜对土壤温度的影响

每隔5天，在同一时间10:00测量的土壤5 cm处的温度见表4。

表4　每隔五天测量的土壤5 cm处的温度　　℃

空白组的平均温度、淀粉/PVA液体地膜组、淀粉/腐植酸钠液态地膜组、保鲜膜组的土壤温度变化见图1。

图1　播种后不同天数各组土壤温度图

从图1可以看出，土壤温度随天数的推移达曲线分别到两个最低点和两个最高点。在小白菜的出苗期，即播种后1~10 d，B组总体的土壤温度略高于A组覆盖的土壤温度，说明在前期过程淀粉/腐植酸钠液态地膜的保温、增温效果较好，合理解释为液态地膜形成交联网络不会影响气体交换，且黑色的腐植酸钠交联淀粉地膜有利于对光能的吸收。但随着时间的逐渐推移，淀粉/PVA覆盖的土壤温度逐渐接近于淀粉/腐植酸钠覆盖的土壤温度，同时淀粉/腐植酸钠覆盖的黑色土壤颜色逐渐减退，解释为淀粉/腐殖酸钠逐渐降解。

保鲜膜覆盖的土壤温度要稍高于液体地膜覆盖的土壤温度，可以说明实验中液体地膜的保温效果略差于保鲜膜，可以解释为保鲜膜内有一保温层，妨碍气体交换，所以温度会较高。

2.3　各组中土壤含水量的变化

淀粉/PVA液体地膜和淀粉/腐植酸钠液态地膜的喷洒量对土壤含水量的影响见图2和图3，从图2和图3看出，在出苗期，即播种后1~10 d这一阶段，B组的总体含水量高于A组的含水量，但在第15~20 d中，A组的总体含水量要高于B组，表明淀粉/腐植酸钠液体地膜的保湿效果在出苗期比较显著，而淀粉/PVA液体地膜在干旱气候地区和生长期的保湿效果较好。从图2、图3中可以看出喷洒的量越大，对于土壤的保湿效果就越好。

表5　土壤含水量变化　　　　　　%

图2　A组土壤含水量变化图

图3　A组土壤含水量变化图

图4　各组土壤含水量变化图

2.4　观察小白菜的发芽、生长情况以及土壤的性质变化

图5所示为播种后第5天拍摄的照片，按照从左到右、从上到下的顺序，分别为空白组、A组、B组、保鲜膜组，每组从左到右喷洒量依次增大。从图5可以看出小白菜播种5 d内就能顺利发芽，且B组的两个喷洒较低量液体地膜的发芽数量要明显好于其他组，表明淀粉/腐植酸钠对植物的发芽有一定的促进作用。

图5　小白菜播种后第5天

再观察A组左边的发芽数量高于比空白组与保鲜膜组，中间的有少量发芽，右边的基本上没有发芽，并且A组可以发现明显的成膜，表明淀粉/聚乙烯醇对小白菜的发芽有一定的抑制作用，且喷洒的量越多形成的膜越厚，小白菜的发芽就越困难。A组中膜最厚的没有发芽，但掀开膜可以看到下面已经发芽，只是没有破膜而出，表明形成的膜具有一定的强度，从而使小白菜种子无法破膜。

图6　小白菜播种后第20天

图6是播种后20 d左右拍摄的图片，可以观察到四组涨势不一，其中B组长势最好，可见在播种后1~20 d，淀粉/腐植酸钠对小白菜有显著的促进作用。此外也可观察到部分小白菜有发黄现象，可能是由于天气较为干旱，含水量不足导致。

图7　小白菜播种后第28天

图8　A1、A2组小白菜播种后第28天放大图

图7是播种后第28天拍摄的图片，图8为A1、A2第28天放大拍摄的图片。从图7可以观察到小白菜基本枯萎。可能是由于在播种后15~30 d内仅有两次少量降雨，导致土壤十分干旱，含水量严重不足，使小白菜缺水死亡。从图8中可以观察到A1、A2中仍有少量小白菜存活，而其他组中基本上没有存活的小白菜，解释为淀粉/聚乙烯醇薄膜在干旱天气中的具有一定的保湿效果。对比各组后期土壤的性质，可以发现A组后期土壤的硬度低于空白组，且观察可以发现土块明显地连结在一起，表现为土质疏松且连接成网络，推测其后期土壤具有一定的透气性和保湿性。而B组中土壤疏松，黑色土壤的颜色逐渐褪去，说明淀粉/腐植酸钠地膜在逐渐地降解，且降解后产生的物质能改善土壤的透气性，但保水性能会明显的降低。

3结论

通过以上的分析可以得出：实验室制备的喷洒型液体农膜便于操作，淀粉/PVA液体地膜和淀粉/腐植酸钠液体地膜都能起到一定的保墒、保湿作用。

对淀粉/PVA液体地膜在出苗期对种子的发芽有一定的抑制作用，导致出苗时间比较晚，合理解释是淀粉/聚乙烯醇膜连续性较好，机械强度高，透气性减弱；另外中期植物长势也较差，并不适合作为农业用液体薄膜。从理论上看，减少聚乙烯醇用量的同时增大淀粉用量可大幅改善透气性问题，并有助土壤微生物群的壮大，但会牺牲薄膜连续性和机械强度，需要依据实际情况进行调节。

进一步分析：淀粉/PVA液体地膜形成的薄膜保水性能比较好，机械强度较高且不容易像传统农膜一样被风破坏，考虑到干旱地区先锋植物较强的抗逆性和快速萌发能力，可推论出其水因子缺乏/风蚀严重的干旱地区绿化具有特殊的优越性，但实施厚度不可过大。

淀粉/腐植酸钠液体地膜因一定的保湿与较强的土壤增温作用，可以发现其在种子的出苗期出苗数量和生长速度方面有明显优势。但在天气干旱时保水能力不佳，说明该类农膜在半干旱地区作为农业用膜较为适用，但要充分考虑土地盐碱度问题，必要时应使用氨水替代氢氧化钠以进一步降低成本及规避盐碱度的增加。

本研究从调度热因子(黑色的腐植殖酸盐)与调度水因子(强保水的聚乙烯醇)两个方向进行了初步的探索，表明淀粉基液体农膜具有明显的应用价值。从实验结果和理论分析认为：①液体农膜研究需结合使用地区的生态因子分布状况进行工程性的侧重选择；②由于植物幼苗期时间段较长，液体农膜研究的耐候性需进一步加强；③由于分子尺度上传统高分子液体农膜物性一致性太大，可考虑复合中空秸秆等物质以改善透气性，也解决秸秆还地的现有难题。

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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

作者简介：吴明俊(1991-)，男，从事生物化工方面研究工作，E-mail： 501217008@qq.com。

基金项目：泉州市科技局科学计划项目(2014Z119)

收稿日期：2015-02-07

中图分类号：TQ324.8

文献标识码：A

文章编号：1003-3467(2015)05-0026-05