植物葉面水分蒸發(fā)抑制劑的性能研究△

律喆，王丹丹，劉賽，徐常青，彭嘯，吳燕*

(1.天津科技大學(xué) 化工與材料學(xué)院，天津 300457；2.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 藥用植物研究所，北京 100193)

·中藥農(nóng)業(yè)·

植物葉面水分蒸發(fā)抑制劑的性能研究△

律喆1，王丹丹1，劉賽2，徐常青2，彭嘯1，吳燕1*

(1.天津科技大學(xué) 化工與材料學(xué)院，天津 300457；2.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 藥用植物研究所，北京 100193)

目的：研究植物葉面水分蒸發(fā)抑制劑的作用效果及其抗環(huán)境干擾穩(wěn)定性。方法：隨機(jī)選取枸杞樹，設(shè)4種濃度的抑制劑處理和清水對照處理，分別噴施，考察抑制劑的水分抑制作用時間和相對蒸發(fā)速率，取最佳濃度抑制劑進(jìn)行抗環(huán)境(溫度、風(fēng)速和含鹽量)干擾測試。結(jié)果：抑制劑濃度在1 g·L-1時作用效果最佳，且對植物生理行為基本無影響，其中溫度越高風(fēng)速越大，抑制劑相對蒸發(fā)速率越低，作用越顯著，而在不同含鹽量環(huán)境下，其相對蒸發(fā)速率基本穩(wěn)定。抑制劑的傳質(zhì)系數(shù)約為清水的50%，有效抑制水分蒸發(fā)。結(jié)論：抑制劑具有良好的水分抑制作用效果，且具有良好的抗環(huán)境干擾能力。

葉面；保水；蒸發(fā)抑制劑；相對蒸發(fā)速率；傳質(zhì)系數(shù)

中國干旱地區(qū)的區(qū)域面積占全國總面積的60%，干旱造成的經(jīng)濟(jì)損失占各類自然災(zāi)害總經(jīng)濟(jì)損失的35%[1-4]。我國西北地區(qū)水資源匱乏、氣候干燥、日照時間長，水分蒸發(fā)速度更快，不利于作物的生長，且蟲害極易發(fā)生。枸杞為西北地區(qū)重要經(jīng)濟(jì)作物[5-6]，蟲害現(xiàn)象嚴(yán)重，目前仍以化學(xué)防治為主[7-9]。環(huán)境氣溫過高，農(nóng)藥噴施在植物葉面上極易因水分蒸發(fā)而粉化脫落，導(dǎo)致施用效率過低[10-15]，不得不提升農(nóng)藥施加量。果農(nóng)大量、不規(guī)范使用農(nóng)藥，致使枸杞農(nóng)殘超標(biāo)問題突出，近年來已有數(shù)十批次枸杞因農(nóng)殘問題出口受阻[16-18]。

目前，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥“減量增效”的目的，新型農(nóng)藥劑型和噴施設(shè)施的開發(fā)研究受到廣泛研究[19-23]，但抑制農(nóng)藥液體蒸發(fā)、延長農(nóng)藥在葉面作用時間才是從根本上對農(nóng)藥提質(zhì)增效的方法。新型農(nóng)藥劑型開發(fā)為眾人關(guān)注的重點(diǎn)，但卻鮮有研究。本研究在十多年分子膜阻蒸發(fā)技術(shù)[24-26]的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種植物葉面水分蒸發(fā)抑制劑，其水溶液噴施在葉面上可快速自發(fā)鋪展形成一層致密、無色透明的分子膜，可有效延緩葉面水分蒸發(fā)速率，抑制水分蒸發(fā)，但不妨礙氧氣和二氧化碳的透過，不影響作物葉面呼吸，且具有良好的生物和環(huán)境安全性，不會對植物和環(huán)境造成不良影響。本實(shí)驗(yàn)探討了不同環(huán)境因素(如溫度、風(fēng)速和含鹽量)對葉面水分蒸發(fā)抑制劑的干擾作用，為后期實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 植物 中國醫(yī)學(xué)院藥用植物研究所實(shí)驗(yàn)園內(nèi)2年生寧杞1號枸杞，株高約1m，株行距為1.4 m×1.8 m，常規(guī)管理，長勢良好。

1.1.2 藥劑 植物葉面水分蒸發(fā)抑制劑(RA，天津科技大學(xué)配制)，氫氧化鈣、氫氧化鎂、氯化鈉(天津市江天化工技術(shù)有限公司)，農(nóng)用鋪展助劑(美國GE公司)。

1.2 方法

田間試驗(yàn)：試驗(yàn)設(shè)4種濃度的RA處理和清水(CK)對照處理，時間為2015年5～7月。各處理均隨機(jī)選取3株長勢良好的枸杞樹，選擇晴朗天氣于每日12：00～14：00進(jìn)行噴霧處理。試驗(yàn)持續(xù)38 d，以微型氣象站記錄氣象因子。試驗(yàn)期間氣溫為28～34 ℃，平均31.7 ℃，風(fēng)速為0～5.5 m·s-1，平均2.3 m·s-1。各組的噴施方式、噴施量、噴施時間均一致。記錄各組噴施后液體剛開始從葉面滴下到完全蒸發(fā)為止的時間，計算相對蒸發(fā)速率(式1)，并檢測RA對植物長期藥害影響。

室內(nèi)試驗(yàn)：1)以載玻片模擬葉片，取田間試驗(yàn)中RA最優(yōu)使用濃度，將RA和清水置5、15、25、35 ℃環(huán)境下，恒溫后各自取約2 mL均勻平鋪在載玻片上，測定其水分抑制作用時間和相對蒸發(fā)速率(式1)，研究不同溫度對抑制劑作用效果的影響；2)取約2 mL的RA和清水均勻平鋪在載玻片上，調(diào)節(jié)風(fēng)源與載玻片位置控制載玻片上方空氣流速，持續(xù)給風(fēng)測定不同風(fēng)速對水分抑制作用效果；3)調(diào)節(jié)RA含鹽量為0、0.2%、0.5%、1.0%，測定室溫放置5 d對RA的抗鹽干擾效果；4)各取CK和RA試劑3.00 g均勻的倒入直徑3.5 cm，高1.5 cm的培養(yǎng)皿中，測量其總重；自然狀態(tài)下存放，每隔20 min稱其質(zhì)量，計算質(zhì)量變化，進(jìn)行RA傳質(zhì)系數(shù)計算。所有試驗(yàn)每組平行做3次，取平均值。

(式1)

2 結(jié)果與分析

2.1 葉面噴施水分蒸發(fā)抑制劑效果

與CK相比，不同濃度的RA對水分蒸發(fā)均有顯著抑制效果(表1)。將RA噴施在葉面上可快速自鋪展形成一層致密的、且無色透明的分子膜，有效延緩葉面水分蒸發(fā)速率。RA濃度越高，相對蒸發(fā)速率越低，越不易蒸發(fā)，保水效果越好。RA濃度2.0 g·L-1的相對蒸發(fā)速率僅為CK的13.80%。由于RA為高分子聚合物，有一定的黏度，高濃度(2.0 g·L-1)的RA黏度較大，在葉面上易呈液滴滑落，無法良好鋪展，低濃度(0.25、0.5 g·L-1)抑制蒸發(fā)效果不佳，實(shí)際生產(chǎn)中以1 g·L-1的RA為最優(yōu)使用濃度，相對蒸發(fā)速率可以達(dá)到CK的19.91%。

表1 不同濃度抑制劑作用時間及對植株藥害影響

注：以上溶液均加入0.05%的農(nóng)用鋪展助劑。

38 d噴施試驗(yàn)，直接觀察噴施植株葉片損傷情況，RA組和CK組葉片長勢良好無異，則可認(rèn)噴施RA對植物生長生理活動無明顯影響，對植物安全無害。

2.2 抑制劑抗溫度干擾影響

由圖1、圖2可知，RA和CK置于不同溫度環(huán)境中，某一溫度下5 d內(nèi)測定的水分抑制作用時間無明顯變化，說明RA組在單一溫度下有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，放置時間與環(huán)境溫度對RA內(nèi)部結(jié)構(gòu)及作用機(jī)理無影響。溫度升高，水分蒸發(fā)速率加快，RA組和CK組的蒸發(fā)作用時間均近似呈線性減少，溫度由5 ℃升至35 ℃，RA組平均作用時間從58.51 min 降至16.44 min，CK組平均蒸發(fā)時間由15.54 min降至3.26 min，RA的相對蒸發(fā)速率逐漸降低。RA在各溫度下都具有相對于CK的蒸發(fā)穩(wěn)定性，高溫下作用效果更好，在高溫干旱地區(qū)有很好的應(yīng)用前景。

圖1 不同溫度下抑制劑和清水作用時間

圖2 不同溫度下抑制劑相對蒸發(fā)速率

2.3 抑制劑抗風(fēng)干擾影響

由圖3可知，無空氣流動時，RA組水分抑制作用時間為1892 s，CK組作用時間為422 s。風(fēng)速增加，空氣流動加快，水分蒸發(fā)速率加快，RA組和CK組作用時間均一定程度的縮短。當(dāng)風(fēng)速加大到10 m·s-1時，RA組水分抑制作用時間為42 s，CK組作用時間為8 s。風(fēng)速增大，RA的相對蒸發(fā)速率有所降低，由22.30%降至19.53%，則RA在抗風(fēng)穩(wěn)定性好，在有風(fēng)作用下效果更好。RA具有相對于CK的蒸發(fā)穩(wěn)定性，水分抑制效果明顯。

圖3 不同風(fēng)速下抑制劑相對蒸發(fā)速率及和清水的作用時間

2.4 抑制劑抗鹽干擾影響

圖4為不同含鹽量下RA各組的相對蒸發(fā)速率，可以看出，5 d內(nèi)不同鹽度環(huán)境作用下RA各組相對蒸發(fā)速率無明顯變化，放置時間和含鹽量對RA組的水分抑制作用時間無顯著影響。各鹽度環(huán)境下下抑制劑的平均相對蒸發(fā)速率為21.68%，最大相對誤差為0.78%。則高鹽度環(huán)境不影響RA的水分抑制作用效果，RA具有對含鹽量的穩(wěn)定性。

圖3 不同風(fēng)速下抑制劑相對蒸發(fā)速率及和清水的作用時間

2.5 抑制劑作用機(jī)理

氣/液體系界面?zhèn)髻|(zhì)過程極為復(fù)雜，通常將大部分影響傳質(zhì)過程因素歸入傳質(zhì)系數(shù)，需要通過經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)計算得出(式2、式3)。RA的質(zhì)量損失是其水分抑制效果的有效研究方法，測定各組RA的質(zhì)量隨時間的變化計算傳質(zhì)系數(shù)。實(shí)驗(yàn)中液體蒸發(fā)到空氣中立即擴(kuò)散到周圍，式中ma忽略不計。在半對數(shù)坐標(biāo)上將式3中mw對t作圖得一條直線，斜率為-K·h-1，將其斜率乘以特定時間下測得的溶液高度，即為該時刻下液體傳質(zhì)系數(shù)K。

(式2)

將式2積分得式3

(式3)

式中：mw—液體剩余質(zhì)量；

ma—液體蒸發(fā)到空氣中的質(zhì)量；

K—傳質(zhì)系數(shù)；

h—液體的高度；

H—亨利系數(shù)；

t—時間；

mw，0—t=0時液體的質(zhì)量。

圖5 抑制劑和清水質(zhì)量對數(shù)與時間關(guān)系

將CK和RA的剩余質(zhì)量對數(shù)與蒸發(fā)所需時間作圖5，線性擬合得-K·h-1，由對應(yīng)的溶液液面高度h計算其傳質(zhì)系數(shù)。CK的斜率-0.038 53 h-1，液面高度3 mm，計算得傳質(zhì)系數(shù)KCK為0.115 59，RA的斜率-0.018 14 h-1，液面高度3 mm，計算得傳質(zhì)系數(shù)KRA為0.054 42?？梢钥闯鯮A傳質(zhì)系數(shù)小于CK，約為CK傳質(zhì)系數(shù)的50%，能夠有效阻礙水由液態(tài)向氣態(tài)轉(zhuǎn)化，增大水相轉(zhuǎn)變的能量障礙，降低水的蒸發(fā)速率。

植物葉面水分蒸發(fā)抑制劑原料為從植物中提取的天然物質(zhì)，具有高度的安全性和配伍性，可生物降解，是一種優(yōu)良的綠色高分子材料。因其高分子鏈上有大量親水基團(tuán)，通過氫鍵作用，牢牢鎖住水分子，增大水分的蒸發(fā)比阻[27]。抑制劑噴施在葉面上形成一層透明的分子膜，增大了水分氣液傳輸?shù)膫髻|(zhì)阻力，使抑制劑起到水氣交換能量障礙作用[28-31]，應(yīng)用上有很強(qiáng)的抑制及保水作用。

3 結(jié)論

在枸杞葉片上進(jìn)行抑制劑蒸發(fā)效果試驗(yàn)，比較本試驗(yàn)中各種濃度RA的噴施效果，1 g·L-1濃度下RA保水性能最佳，水分抑制效果最好，且能夠以霧狀噴出并在葉面上均勻鋪展，其相對蒸發(fā)速率為19.91%，同時對植物生理行為無明顯影響。在外界環(huán)境干擾下，溫度和風(fēng)速的增加，水分蒸發(fā)速率加快，CK組作用時間縮短，RA組相對蒸發(fā)速率隨之降低，水分抑制效果增強(qiáng)。RA對含鹽量變化不敏感，放置時間和鹽度環(huán)境對RA作用效果無影響。各條件下，RA具有相對于CK的環(huán)境蒸發(fā)穩(wěn)定性。RA的傳質(zhì)系數(shù)約為CK的50%，能夠有效地阻礙水由液態(tài)向氣態(tài)轉(zhuǎn)化，增大水相轉(zhuǎn)變的能量障礙，降低水的蒸發(fā)速率。從理論上證明抑制劑的抑制作用效果。

噴施抑制劑，能夠延長水在植物葉面的停留時間，研究表明農(nóng)藥噴灑在植物上液滴的蒸發(fā)時間長短與施用效率有密切的關(guān)系，蒸發(fā)時間長短直接影響著農(nóng)藥施用效率的高低[10]。將抑制劑與農(nóng)藥混合，預(yù)計能夠有效增長農(nóng)藥在葉面的停留時間，更大限度發(fā)揮農(nóng)藥藥效，二者相互作用研究還需進(jìn)一步完善。

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StudyonWaterEvaporationRetardantsonLeafSurface

LYUZhe1，WANGDandan1，LIUSai2，XUChangqing2，PENGXiao1，WUYan1*

(1.TianjinUniversityofScience&Technology，CollegeofChemicalEngineeringandMaterialsScience，Tianjin300457，China；2.InstituteofMedicinalPlantDevelopment，ChineseAcademyofMedicalSciencesandPekingUnionMedicalCollege，Beijing100193，China)

Objective：To study the effect of plant leaf evaporation retardants and its ability of anti-environment disturbance.Methods：The inhibition time of retardants was measured by spraying four kinds of concentrations of retardants solution and water on randomly selected wolfberry，and retardants solution with optimal concentration was chosen to evaluate the abilities of anti-environment disturbance，such as various temperature，salinity and wind speed.Results：The optimal concentration of retardants solution was determined as 1 g·L-1that could be utilized with the best effect of evaporation suppression and had no significant influence on plants physiological behavior.Moreover，relative evaporation rate of retardant was lower with temperature or wind speed increasing，and it was approximately stable under various conditions of salinity.And the mass transfer coefficient of retardants was one-half time to the case of spraying absolutely water，so it inhibited the evaporation of the water efficiently.Conclusion： Retardants showed obviously moisture inhibition effect and environmental stability compared to the case of spraying absolutely water.

Leaves surface；water retention capacity；evaporation retardant；relative evaporation rate；mass transfer coefficient

2016-09-09)

國家自然科學(xué)基金(81274198)；十二五國家科技支撐計劃(2014BAK19B02)

*

吳燕，教授，研究方向：水分蒸發(fā)抑制技術(shù)；Tel：(022)60602845，E-mail：wuyan@tust.edu.cn

10.13313/j.issn.1673-4890.2017.3.019