可降解營養地膜組成優化研究

隋振全，范金石，2

（1. 青島科技大學海洋科學與生物工程學院，山東青島 266042；2. 省部共建生態化工國家重點實驗室培育基地，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］和提高作物產量與品質［5］等作用，對農業生產具有重要意義。傳統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］等不得當的處置方式，造成土壤和水體污染，甚至引起農業生態系統退化等環境和生態問題［10-12］。為解決傳統地膜帶來的環境和生態問題，綠色可降解地膜的開發勢在必行。

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

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，制備可降解營養地膜。以營養地膜的水蒸氣透過率為指標，以尿素添加量、硝酸鉀添加量、硼酸添加量為主要影響因素，通過單因素實驗研究營養元素對營養地膜水蒸氣透過率的影響規律，并尋找出制備殼聚糖/聚乙烯醇營養地膜時肥料的最佳添加量。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及設備

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

UTM-2502 型電子萬能測試機，深圳三思縱橫科技股份有限公司；101-1AB 型電熱鼓風干燥箱，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 可降解營養地膜的制備

稱取一定量的殼聚糖，分散到體積分數為0.8%的乙酸水溶液中，在45 ～50 ℃下攪拌至完全溶解，得到質量分數為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，得到質量分數為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，然后將一定質量的溶液流延至培養皿中，在55 ℃下于鼓風干燥箱中干燥3 ～5 h，得到可降解營養地膜。

1.3 單因素實驗

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殼聚糖/聚乙烯醇地膜水蒸氣透過率的影響規律。水蒸氣透過率參照文獻［14］測定，即用干膜密封裝有一定去離子水的稱量瓶，稱得質量為m1，室溫下放置1 d后，稱得質量為m2。地膜水蒸氣通過率計算公式為：

式中，S為稱量瓶瓶口面積（m2）；t為時間（d）。

1.4 正交實驗設計

根據單因素實驗結果，使用Design Expert 軟件，設計以尿素、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值的三因素三水平實驗方案，實驗因素與水平設計見表1。

表1 實驗因素與水平設計

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

尿素、硝酸鉀、硼酸添加量對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出先降低后升高的趨勢。當尿素添加量為0.60%時，地膜水蒸氣透過率最低，為315.32 g/（m2·d）；當硝酸鉀添加量為0.40%時，地膜水蒸氣透過率最低，為368.73 g/（m2·d）；當硼酸添加量為0.15%時，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構的致密性相關，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，對水蒸氣的阻隔作用較強，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、硼酸會和地膜中的高分子形成大量氫鍵，導致地膜的親水性不斷提高，從而引起地膜的結構變得相對疏松，使地膜對水蒸氣的阻隔作用下降，導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水蒸氣透過率的影響

2.2 正交優化實驗

表2為正交實驗設計和結果。

表2 正交實驗設計及結果

用Design Expert 軟件對表2 的數據進行分析，建立3個影響因素與響應值之間的數學模型，并得到相關數學回歸方程：

為檢驗模型準確度，對回歸方程作進一步方差分析，結果見表3。

表3 方差分析結果

由表3 可知，模型的P＜0.01，極顯著；失擬項的P=0.209 9＞0.05，不顯著，證明模型可靠性較高［17］。修復相關系數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，表明對地膜水蒸氣透過率影響的主次順序為尿素＞硝酸鉀＞硼酸。其中，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，表明交互項中硝酸鉀和硼酸交互作用相對更加顯著。

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

3 結論

在單因素實驗的基礎上，通過Design Expert軟件建立了尿素、硝酸鉀和硼酸添加量3個影響因素與營養地膜水蒸氣透過率的數學模型，擬合分析該模型得到：尿素、硝酸鉀、硼酸對水蒸氣透過率顯著性排序中，尿素＞硝酸鉀＞硼酸；交互項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地膜的水蒸氣透過率為310.327 g/（m2·d）。