魔芋基全降解液态农用地膜试验研究

先元华 吴修洁 李勇辉

（宜宾职业技术学院，四川 宜宾 644000）

为加强农膜污染治理，提高废旧农膜资源化利用水平，农业农村部制定了《农膜回收行动方案》，建立健全完善废旧地膜回收加工体系。同时，支持有条件地区集中开展适宜作物全生物可降解地膜替代。研究表明，可降解地膜在增温保墒增产效果上和普通地膜并没有明显差异，且具有可降解特性，能够从源头管控减少残膜污染。但由于生产成本相比较高，如何生产出廉价高效的农用可降解地膜将成为当今、乃至未来要去研究和探索的课题之一。目前多以淀粉为原料制备可降解膜，但淀粉的分支及多羟基结构使其吸水性与拉伸性能下降，需要对淀粉改性[9-10]。魔芋块茎富含淀粉、纤维、蛋白质、甘露聚糖、果胶、生物碱等营养成分，魔芋精粉具有黏度高、吸水性强、成膜性好等优良特性，笔者开展了以魔芋精粉为原料制备液体农用地膜的研究。

一、材料与方法

（一）试验材料

1.原料：魔芋精粉（魔芋豆腐专用粉），等级：特级；汉中市巴山茶业有限责任公司、汉中九龙芦鑫魔芋精粉有限公司联合出品。

2.化学试剂：无水乙醇、甲醇、丙三醇、聚乙烯醇、乙酸乙烯酯、三乙醇胺、碳酸钠、碳酸氢铵、羧甲基纤维素钠，均为分析纯。

（二）仪器设备

FA2004A电子天平（上海精天电子仪器有限公司）；78-1磁力加热搅拌器（江苏省金坛市医疗仪器厂）；DZKW-4电热恒温水浴锅（北京中兴伟业仪器有限公司）；JJ-1电动搅拌机（金坛市国旺实验仪器厂）；手持压气式喷雾器；水银温度计（0-200℃）；DHG9070A电热鼓风干燥箱（上海鸿都电子科技有限公司）；LL36-37440插入式土壤温度计（北京桌川电子科技有限公司）、4合1土壤测量分析仪（宁波科麦仪器有限公司）。

（三）试验区

宜宾职业学院作物研究基地；农作物：玉米。

（四）试验方法

1.魔芋基液态农用地膜的制备

（1）取400mL蒸馏水于500mL烧杯中，放置于磁力加热搅拌器上加热至沸；准确称取10g的魔芋精粉；设置磁力加热搅拌器搅拌速率200r/min，边搅拌边缓慢加入魔芋精粉，不结块；魔芋精粉加完后，调小加热功率，保持沸腾，继续搅拌15min；收稿日期：2020-xx-xx

（2）准确称量1-3g碳酸钠（或碳酸氢铵）于100mL烧杯中，加水溶解；边搅拌边缓慢沿烧杯内壁加入碳酸钠溶液；碳酸钠溶液加完后，调大加热功率至1kw，保持沸腾，搅拌1min，放置于电热恒温水浴锅冷却至50-80℃；

（3）分别准确称量适量助剂（丙三醇0.5-3.0g、聚乙烯醇0.1-1.0g、羧甲基纤维素钠0.1-1.0g、三乙醇胺0.1-1.0g）于100mL烧杯中，聚乙烯醇需无水乙醇（或甲醇）混溶，羧甲基纤维素钠需加水溶解；边搅拌边缓慢沿烧杯内壁依次加入助剂，助剂加完后，继续搅拌1min；静置5-30min，得到魔芋基液态农用地膜原液；

（4）将原液放置于压气式喷雾器中，喷施于农田，形成魔芋基液态农用地膜。

2.田艺试验

在宜宾职业学院作物研究基地，选用玉米进行魔芋基液态农用地膜覆盖种植，耕层土壤表面完全成膜后，进行玉米全生命周期的田艺试验，检测耕层土壤温度、含水率、pH值、养分，微生物并玉米产量、地膜生物降解性能。

3.评价指标

选取土壤蒸发抑制率作为优化魔芋基液态农用地膜制备工艺条件的评价指标，土壤蒸发抑制率计算公式：

式中，η——土壤蒸发抑制率，%；

ω0——土壤初始湿度（含水率），%；

ωi——对照试验（未覆盖地膜）土壤初始湿度（含水率），%；

ωj——覆盖地膜后土壤初始湿度（含水率），%；

二、结果与讨论

（一）正交优化试验

以助剂添加量、混合温度、静置时间、地膜厚度为工艺条件，测定原液喷施后第28天的土壤含水率，以土壤蒸发抑制率作为评价指标，利用正交试验对制备工艺条件进行优化。4因素3水平表如表1所示：

注：丙三醇（Glycerol）、聚乙烯醇（PVA）、羧甲基纤维素钠（CMC-Na）、三乙醇胺（TEOA）

试验数据分析如表2、表3、表4所示：

结果表明，优方案为A3B2C1D3，即依次丙三醇1g、羧甲基纤维素钠0.2g，混合温度75℃，静置5min，地膜厚度0.008mm。

（二）田艺试验

1.土壤温度

耕层土壤表面完全成膜后，测定表层下15cm处的土壤温度，平行测定3次，取平均值，如图1所示。与空白对照组相比，魔芋基液态农用地膜覆盖的土壤温度提高达 0.9～2.6℃，结果表明，魔芋基液态农用地膜具有明显的保温、增温效果。这是因为地膜形成物理阻隔层，液膜与土壤表层颗粒相结合形成土膜结构，一定程度上阻碍土壤与外部环境的物质与能量传递，保持相对稳定的温度。

图1 地膜对土壤温度的影响Figure 1 Effects of mulching film on soil temperature

2.土壤湿度

耕层土壤表面完全成膜后，测定表层下15cm处的土壤含水率，平行测定3次，取平均值，如图2所示。与空白对照组相比，魔芋基液态农用地膜覆盖的土壤湿度提高达3.61 %～16.55 %（土壤蒸发抑制率达58.70 %～60.65 %），结果表明，魔芋基液态农用地膜具有明显的保墒、抑制土壤蒸发效果。这是因为（1）防止蒸发的封闭效应：地膜形成物理阻隔层，液膜与土壤表层颗粒相结合形成土膜结构，阻碍土壤表面水分蒸发；（2）结构锁水的固持效应：液膜中网状高分子与土膜结构，能够有效地固持土壤中的水分，结合水较难释放，有效减缓了土壤水分的散失[7]。

图2 地膜对土壤湿度的影响Figure 2 Effects of mulching film on soil temperature

3.土壤pH值

耕层土壤表面完全成膜后，测定表层下15cm处的土壤pH值，平行测定3次，取平均值，如图3所示。与空白对照组相比，魔芋基液态农用地膜覆盖的土壤pH值略有下降，这是因为魔芋粉中的淀粉、纤维素、甘露聚糖、果胶等营养成分在微生物的作用下降解成为单糖、有机酸等小分子物质，导致土壤的pH值下降。

图3 地膜对土壤pH值的影响Figure 3 Effects of mulching film on pH of soil

4.土壤养分

耕层土壤表面完全成膜后，每月测定表层下15cm处的养分，参照NY/T 395-2012[12]检测总氮、总磷、有效磷、总钾、速效钾5个项目，如表5所示。与空白对照组相比，魔芋基液态农用的土壤养分湿度提高达 6.68 %～14.24 %，结果表明，魔芋基液态农用地膜可以显著提高土壤养分。这是因为魔芋粉中的淀粉、纤维素、甘露聚糖、果胶等营养成分在微生物的作用下降解成为单糖、有机酸等小分子物质和有机质，提高了土壤的养分。

表5 地膜对土壤养分的影响Table 5 Effects of mulching film on soil nutrient

5.农作物产量

与空白对照组相比，魔芋基液态农用地膜覆盖的玉米产量提高达9.28%～13.98%，结果表明，魔芋基液态农用地膜覆盖种植玉米增产效果明显。这是因为魔芋基液态农用地膜具有明显的保温、增温、保墒、抑制土壤蒸发、增加养分的效果，促进农作物生长，提高产量与品质。

6.生物降解性能

耕层土壤表面完全成膜后，每月测定表层下15cm处的生物降解性能，参照GB/T 35795-2017[13]检测生物分解率。形成地膜后第35天，魔芋基液态农用地膜的分解率可达52.30%；形成地膜后第84天，魔芋基液态农用地膜的分解率可达90.26%，如表5所示。这是因为原料魔芋精粉是农作物魔芋的块茎可完全降解，选用的助剂均属于可降解化学试剂，魔芋基液态农用地膜生物降解性能良好。

三、结论

1.正交优化试验确定的魔芋基液态农用地膜制备条件为：依次丙三醇1g、羧甲基纤维素钠0.2g，混合温度75℃，静置5min，地膜厚度0.008mm。

2.魔芋基液态农用地膜具有保温、增温、保墒、抑制土壤蒸发、增加养分、增产农作物、生物降解等优良性能。