魔芋基全降解液態(tài)農(nóng)用地膜試驗研究

先元華 吳修潔 李勇輝

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644000）

為加強(qiáng)農(nóng)膜污染治理，提高廢舊農(nóng)膜資源化利用水平，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部制定了《農(nóng)膜回收行動方案》，建立健全完善廢舊地膜回收加工體系。同時，支持有條件地區(qū)集中開展適宜作物全生物可降解地膜替代。研究表明，可降解地膜在增溫保墑增產(chǎn)效果上和普通地膜并沒有明顯差異，且具有可降解特性，能夠從源頭管控減少殘膜污染。但由于生產(chǎn)成本相比較高，如何生產(chǎn)出廉價高效的農(nóng)用可降解地膜將成為當(dāng)今、乃至未來要去研究和探索的課題之一。目前多以淀粉為原料制備可降解膜，但淀粉的分支及多羥基結(jié)構(gòu)使其吸水性與拉伸性能下降，需要對淀粉改性[9-10]。魔芋塊莖富含淀粉、纖維、蛋白質(zhì)、甘露聚糖、果膠、生物堿等營養(yǎng)成分，魔芋精粉具有黏度高、吸水性強(qiáng)、成膜性好等優(yōu)良特性，筆者開展了以魔芋精粉為原料制備液體農(nóng)用地膜的研究。

一、材料與方法

（一）試驗材料

1.原料：魔芋精粉（魔芋豆腐專用粉），等級：特級；漢中市巴山茶業(yè)有限責(zé)任公司、漢中九龍?zhí)J鑫魔芋精粉有限公司聯(lián)合出品。

2.化學(xué)試劑：無水乙醇、甲醇、丙三醇、聚乙烯醇、乙酸乙烯酯、三乙醇胺、碳酸鈉、碳酸氫銨、羧甲基纖維素鈉，均為分析純。

（二）儀器設(shè)備

FA2004A電子天平（上海精天電子儀器有限公司）；78-1磁力加熱攪拌器（江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠）；DZKW-4電熱恒溫水浴鍋（北京中興偉業(yè)儀器有限公司）；JJ-1電動攪拌機(jī)（金壇市國旺實驗儀器廠）；手持壓氣式噴霧器；水銀溫度計（0-200℃）；DHG9070A電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海鴻都電子科技有限公司）；LL36-37440插入式土壤溫度計（北京桌川電子科技有限公司）、4合1土壤測量分析儀（寧波科麥儀器有限公司）。

（三）試驗區(qū)

宜賓職業(yè)學(xué)院作物研究基地；農(nóng)作物：玉米。

（四）試驗方法

1.魔芋基液態(tài)農(nóng)用地膜的制備

（1）取400mL蒸餾水于500mL燒杯中，放置于磁力加熱攪拌器上加熱至沸；準(zhǔn)確稱取10g的魔芋精粉；設(shè)置磁力加熱攪拌器攪拌速率200r/min，邊攪拌邊緩慢加入魔芋精粉，不結(jié)塊；魔芋精粉加完后，調(diào)小加熱功率，保持沸騰，繼續(xù)攪拌15min；收稿日期：2020-xx-xx

（2）準(zhǔn)確稱量1-3g碳酸鈉（或碳酸氫銨）于100mL燒杯中，加水溶解；邊攪拌邊緩慢沿?zé)瓋?nèi)壁加入碳酸鈉溶液；碳酸鈉溶液加完后，調(diào)大加熱功率至1kw，保持沸騰，攪拌1min，放置于電熱恒溫水浴鍋冷卻至50-80℃；

（3）分別準(zhǔn)確稱量適量助劑（丙三醇0.5-3.0g、聚乙烯醇0.1-1.0g、羧甲基纖維素鈉0.1-1.0g、三乙醇胺0.1-1.0g）于100mL燒杯中，聚乙烯醇需無水乙醇（或甲醇）混溶，羧甲基纖維素鈉需加水溶解；邊攪拌邊緩慢沿?zé)瓋?nèi)壁依次加入助劑，助劑加完后，繼續(xù)攪拌1min；靜置5-30min，得到魔芋基液態(tài)農(nóng)用地膜原液；

（4）將原液放置于壓氣式噴霧器中，噴施于農(nóng)田，形成魔芋基液態(tài)農(nóng)用地膜。

2.田藝試驗

在宜賓職業(yè)學(xué)院作物研究基地，選用玉米進(jìn)行魔芋基液態(tài)農(nóng)用地膜覆蓋種植，耕層土壤表面完全成膜后，進(jìn)行玉米全生命周期的田藝試驗，檢測耕層土壤溫度、含水率、pH值、養(yǎng)分，微生物并玉米產(chǎn)量、地膜生物降解性能。

3.評價指標(biāo)

選取土壤蒸發(fā)抑制率作為優(yōu)化魔芋基液態(tài)農(nóng)用地膜制備工藝條件的評價指標(biāo)，土壤蒸發(fā)抑制率計算公式：

式中，η——土壤蒸發(fā)抑制率，%；

ω0——土壤初始濕度（含水率），%；

ωi——對照試驗（未覆蓋地膜）土壤初始濕度（含水率），%；

ωj——覆蓋地膜后土壤初始濕度（含水率），%；

二、結(jié)果與討論

（一）正交優(yōu)化試驗

以助劑添加量、混合溫度、靜置時間、地膜厚度為工藝條件，測定原液噴施后第28天的土壤含水率，以土壤蒸發(fā)抑制率作為評價指標(biāo)，利用正交試驗對制備工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。4因素3水平表如表1所示：

注：丙三醇（Glycerol）、聚乙烯醇（PVA）、羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）、三乙醇胺（TEOA）

試驗數(shù)據(jù)分析如表2、表3、表4所示：

結(jié)果表明，優(yōu)方案為A3B2C1D3，即依次丙三醇1g、羧甲基纖維素鈉0.2g，混合溫度75℃，靜置5min，地膜厚度0.008mm。

（二）田藝試驗

1.土壤溫度

耕層土壤表面完全成膜后，測定表層下15cm處的土壤溫度，平行測定3次，取平均值，如圖1所示。與空白對照組相比，魔芋基液態(tài)農(nóng)用地膜覆蓋的土壤溫度提高達(dá) 0.9～2.6℃，結(jié)果表明，魔芋基液態(tài)農(nóng)用地膜具有明顯的保溫、增溫效果。這是因為地膜形成物理阻隔層，液膜與土壤表層顆粒相結(jié)合形成土膜結(jié)構(gòu)，一定程度上阻礙土壤與外部環(huán)境的物質(zhì)與能量傳遞，保持相對穩(wěn)定的溫度。

圖1 地膜對土壤溫度的影響Figure 1 Effects of mulching film on soil temperature

2.土壤濕度

耕層土壤表面完全成膜后，測定表層下15cm處的土壤含水率，平行測定3次，取平均值，如圖2所示。與空白對照組相比，魔芋基液態(tài)農(nóng)用地膜覆蓋的土壤濕度提高達(dá)3.61 %～16.55 %（土壤蒸發(fā)抑制率達(dá)58.70 %～60.65 %），結(jié)果表明，魔芋基液態(tài)農(nóng)用地膜具有明顯的保墑、抑制土壤蒸發(fā)效果。這是因為（1）防止蒸發(fā)的封閉效應(yīng)：地膜形成物理阻隔層，液膜與土壤表層顆粒相結(jié)合形成土膜結(jié)構(gòu)，阻礙土壤表面水分蒸發(fā)；（2）結(jié)構(gòu)鎖水的固持效應(yīng)：液膜中網(wǎng)狀高分子與土膜結(jié)構(gòu)，能夠有效地固持土壤中的水分，結(jié)合水較難釋放，有效減緩了土壤水分的散失[7]。

圖2 地膜對土壤濕度的影響Figure 2 Effects of mulching film on soil temperature

3.土壤pH值

耕層土壤表面完全成膜后，測定表層下15cm處的土壤pH值，平行測定3次，取平均值，如圖3所示。與空白對照組相比，魔芋基液態(tài)農(nóng)用地膜覆蓋的土壤pH值略有下降，這是因為魔芋粉中的淀粉、纖維素、甘露聚糖、果膠等營養(yǎng)成分在微生物的作用下降解成為單糖、有機(jī)酸等小分子物質(zhì)，導(dǎo)致土壤的pH值下降。

圖3 地膜對土壤pH值的影響Figure 3 Effects of mulching film on pH of soil

4.土壤養(yǎng)分

耕層土壤表面完全成膜后，每月測定表層下15cm處的養(yǎng)分，參照NY/T 395-2012[12]檢測總氮、總磷、有效磷、總鉀、速效鉀5個項目，如表5所示。與空白對照組相比，魔芋基液態(tài)農(nóng)用的土壤養(yǎng)分濕度提高達(dá) 6.68 %～14.24 %，結(jié)果表明，魔芋基液態(tài)農(nóng)用地膜可以顯著提高土壤養(yǎng)分。這是因為魔芋粉中的淀粉、纖維素、甘露聚糖、果膠等營養(yǎng)成分在微生物的作用下降解成為單糖、有機(jī)酸等小分子物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)，提高了土壤的養(yǎng)分。

表5 地膜對土壤養(yǎng)分的影響Table 5 Effects of mulching film on soil nutrient

5.農(nóng)作物產(chǎn)量

與空白對照組相比，魔芋基液態(tài)農(nóng)用地膜覆蓋的玉米產(chǎn)量提高達(dá)9.28%～13.98%，結(jié)果表明，魔芋基液態(tài)農(nóng)用地膜覆蓋種植玉米增產(chǎn)效果明顯。這是因為魔芋基液態(tài)農(nóng)用地膜具有明顯的保溫、增溫、保墑、抑制土壤蒸發(fā)、增加養(yǎng)分的效果，促進(jìn)農(nóng)作物生長，提高產(chǎn)量與品質(zhì)。

6.生物降解性能

耕層土壤表面完全成膜后，每月測定表層下15cm處的生物降解性能，參照GB/T 35795-2017[13]檢測生物分解率。形成地膜后第35天，魔芋基液態(tài)農(nóng)用地膜的分解率可達(dá)52.30%；形成地膜后第84天，魔芋基液態(tài)農(nóng)用地膜的分解率可達(dá)90.26%，如表5所示。這是因為原料魔芋精粉是農(nóng)作物魔芋的塊莖可完全降解，選用的助劑均屬于可降解化學(xué)試劑，魔芋基液態(tài)農(nóng)用地膜生物降解性能良好。

三、結(jié)論

1.正交優(yōu)化試驗確定的魔芋基液態(tài)農(nóng)用地膜制備條件為：依次丙三醇1g、羧甲基纖維素鈉0.2g，混合溫度75℃，靜置5min，地膜厚度0.008mm。

2.魔芋基液態(tài)農(nóng)用地膜具有保溫、增溫、保墑、抑制土壤蒸發(fā)、增加養(yǎng)分、增產(chǎn)農(nóng)作物、生物降解等優(yōu)良性能。