可降解营养地膜组成优化研究

隋振全，范金石，2

（1. 青岛科技大学海洋科学与生物工程学院，山东青岛 266042；2. 省部共建生态化工国家重点实验室培育基地，山东青岛 266042）

地膜覆盖能够起到减少除草剂的使用［1］、提高土壤温度［2］、降低水分消耗［3］、加快作物生长［4］和提高作物产量与品质［5］等作用，对农业生产具有重要意义。传统地膜由聚乙烯等合成塑料加工而成［6］，难以自然降解，且回收困难、成本高［7］。而废弃地膜直接露天焚烧，或弃置田间、河流，及掩埋在土壤、填埋场中［8-9］等不得当的处置方式，造成土壤和水体污染，甚至引起农业生态系统退化等环境和生态问题［10-12］。为解决传统地膜带来的环境和生态问题，绿色可降解地膜的开发势在必行。

缓释包膜肥利用可降解高分子聚合物（壳聚糖、淀粉、木质素、纤维素等）包膜，以控制肥料的释放数量和释放期，使养分供应与作物各生育期需肥规律相吻合［13］。如果把缓释包膜肥料和可降解地膜有机结合起来，在制膜过程中加入肥料（氮肥、钾肥、磷肥、硼肥等），制备可降解营养地膜，将有利于发挥两者的长处，起到统合综效作用。

笔者以尿素、硝酸钾、硼酸为肥料，以壳聚糖（CS）和聚乙烯醇（PVA）为成膜材质，制备可降解营养地膜。以营养地膜的水蒸气透过率为指标，以尿素添加量、硝酸钾添加量、硼酸添加量为主要影响因素，通过单因素实验研究营养元素对营养地膜水蒸气透过率的影响规律，并寻找出制备壳聚糖/聚乙烯醇营养地膜时肥料的最佳添加量。

1 实验部分

1.1 实验材料及设备

壳聚糖，工业级，莒县海贝生物科技有限公司；聚乙烯醇，1788型，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；乙酸，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；尿素，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；硝酸钾，分析纯，天津巴斯夫化工股份有限公司；硼酸，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

UTM-2502 型电子万能测试机，深圳三思纵横科技股份有限公司；101-1AB 型电热鼓风干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司；KQ-100B 型超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司。

1.2 可降解营养地膜的制备

称取一定量的壳聚糖，分散到体积分数为0.8%的乙酸水溶液中，在45 ～50 ℃下搅拌至完全溶解，得到质量分数为1.0%的壳聚糖溶液。称取一定量的聚乙烯醇，在90 ～95 ℃下搅拌至完全溶解在水中，得到质量分数为4.0%的聚乙烯醇溶液。将壳聚糖溶液和聚乙烯醇溶液以质量比8 ∶2混合均匀，超声脱泡，得到壳聚糖/聚乙烯醇溶液。

向壳聚糖/聚乙烯醇溶液中添加不同比例的尿素、硝酸钾和硼酸，混合均匀，超声脱泡，然后将一定质量的溶液流延至培养皿中，在55 ℃下于鼓风干燥箱中干燥3 ～5 h，得到可降解营养地膜。

1.3 单因素实验

向壳聚糖/聚乙烯醇溶液中只添加尿素、硝酸钾、硼酸中的一种，考察尿素、硝酸钾和硼酸添加量对壳聚糖/聚乙烯醇地膜水蒸气透过率的影响规律。水蒸气透过率参照文献［14］测定，即用干膜密封装有一定去离子水的称量瓶，称得质量为m1，室温下放置1 d后，称得质量为m2。地膜水蒸气通过率计算公式为：

式中，S为称量瓶瓶口面积（m2）；t为时间（d）。

1.4 正交实验设计

根据单因素实验结果，使用Design Expert 软件，设计以尿素、硝酸钾、硼酸添加量为影响因素，以地膜水蒸气透过率为响应值的三因素三水平实验方案，实验因素与水平设计见表1。

表1 实验因素与水平设计

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

尿素、硝酸钾、硼酸添加量对地膜水蒸气透过率的影响见图1。

从图1中可以看出，随着尿素、硝酸钾、硼酸添加量提高，地膜的水蒸气透过率均呈现出先降低后升高的趋势。当尿素添加量为0.60%时，地膜水蒸气透过率最低，为315.32 g/（m2·d）；当硝酸钾添加量为0.40%时，地膜水蒸气透过率最低，为368.73 g/（m2·d）；当硼酸添加量为0.15%时，地膜水蒸气透过率最低，为328.50 g/（m2·d）。地膜水蒸气透过率降低的原因和膜结构的致密性相关，前期随着尿素、硝酸钾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较强，对水蒸气的阻隔作用较强，从而使地膜的水蒸气透过率下降［15］。随着添加量不断提高，尿素、硝酸钾、硼酸会和地膜中的高分子形成大量氢键，导致地膜的亲水性不断提高，从而引起地膜的结构变得相对疏松，使地膜对水蒸气的阻隔作用下降，导致地膜的水蒸气透过率上升［16］。

图1 尿素、硝酸钾和硼酸添加量对水蒸气透过率的影响

2.2 正交优化实验

表2为正交实验设计和结果。

表2 正交实验设计及结果

用Design Expert 软件对表2 的数据进行分析，建立3个影响因素与响应值之间的数学模型，并得到相关数学回归方程：

为检验模型准确度，对回归方程作进一步方差分析，结果见表3。

表3 方差分析结果

由表3 可知，模型的P＜0.01，极显著；失拟项的P=0.209 9＞0.05，不显著，证明模型可靠性较高［17］。修复相关系数R2（adj）=0.984 8，表明地膜水蒸气透过率的变化有98.48%的可能性来源于尿素、硝酸钾和硼酸［18］。信噪比为28.854＞4，也证明构建的模型可靠［19］。其中因素A的P＜0.01，极显著；因素B的P=0.021 1＜0.05，显著；因素C的P=0.908 3＞0.05，不显著，表明对地膜水蒸气透过率影响的主次顺序为尿素＞硝酸钾＞硼酸。其中，尿素、硝酸钾交互作用的P=0.281 9，尿素、硼酸交互作用的P=0.080 8，硝酸钾、硼酸交互作用的P=0.018 3，表明交互项中硝酸钾和硼酸交互作用相对更加显著。

根据回归方程分析，当尿素添加量为0.62%、硝酸钾添加量为0.40%、硼酸添加量为0.15%时地膜的水蒸气透过率最低，为309.049 g/（m2·d）。在最佳条件下进行3次实验，测得地膜水蒸气透过率平均值为310.327 g/（m2· d），与模型预测值309.049 g/（m2·d）较一致，验证了模型的可靠性。

3 结论

在单因素实验的基础上，通过Design Expert软件建立了尿素、硝酸钾和硼酸添加量3个影响因素与营养地膜水蒸气透过率的数学模型，拟合分析该模型得到：尿素、硝酸钾、硼酸对水蒸气透过率显著性排序中，尿素＞硝酸钾＞硼酸；交互项中硝酸钾和硼酸配合更加显著；最佳添加量为尿素0.62%、硝酸钾0.40%、硼酸0.15%，在此最佳条件下制备的营养地膜的水蒸气透过率为310.327 g/（m2·d）。