植物葉面水分蒸發抑制劑的性能研究△

律喆，王丹丹，劉賽，徐常青，彭嘯，吳燕*

(1.天津科技大學 化工與材料學院，天津 300457；2.中國醫學科學院 北京協和醫學院 藥用植物研究所，北京 100193)

·中藥農業·

植物葉面水分蒸發抑制劑的性能研究△

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 化工與材料學院，天津 300457；2.中國醫學科學院 北京協和醫學院 藥用植物研究所，北京 100193)

目的：研究植物葉面水分蒸發抑制劑的作用效果及其抗環境干擾穩定性。方法：隨機選取枸杞樹，設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速率，取最佳濃度抑制劑進行抗環境(溫度、風速和含鹽量)干擾測試。結果：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，其中溫度越高風速越大，抑制劑相對蒸發速率越低，作用越顯著，而在不同含鹽量環境下，其相對蒸發速率基本穩定。抑制劑的傳質系數約為清水的50%，有效抑制水分蒸發。結論：抑制劑具有良好的水分抑制作用效果，且具有良好的抗環境干擾能力。

葉面；保水；蒸發抑制劑；相對蒸發速率；傳質系數

中國干旱地區的區域面積占全國總面積的60%，干旱造成的經濟損失占各類自然災害總經濟損失的35%[1-4]。我國西北地區水資源匱乏、氣候干燥、日照時間長，水分蒸發速度更快，不利于作物的生長，且蟲害極易發生。枸杞為西北地區重要經濟作物[5-6]，蟲害現象嚴重，目前仍以化學防治為主[7-9]。環境氣溫過高，農藥噴施在植物葉面上極易因水分蒸發而粉化脫落，導致施用效率過低[10-15]，不得不提升農藥施加量。果農大量、不規范使用農藥，致使枸杞農殘超標問題突出，近年來已有數十批次枸杞因農殘問題出口受阻[16-18]。

目前，為實現農藥“減量增效”的目的，新型農藥劑型和噴施設施的開發研究受到廣泛研究[19-23]，但抑制農藥液體蒸發、延長農藥在葉面作用時間才是從根本上對農藥提質增效的方法。新型農藥劑型開發為眾人關注的重點，但卻鮮有研究。本研究在十多年分子膜阻蒸發技術[24-26]的基礎上，開發了一種植物葉面水分蒸發抑制劑，其水溶液噴施在葉面上可快速自發鋪展形成一層致密、無色透明的分子膜，可有效延緩葉面水分蒸發速率，抑制水分蒸發，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境安全性，不會對植物和環境造成不良影響。本實驗探討了不同環境因素(如溫度、風速和含鹽量)對葉面水分蒸發抑制劑的干擾作用，為后期實際應用奠定了基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 植物 中國醫學院藥用植物研究所實驗園內2年生寧杞1號枸杞，株高約1m，株行距為1.4 m×1.8 m，常規管理，長勢良好。

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

1.2 方法

田間試驗：試驗設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進行噴霧處理。試驗持續38 d，以微型氣象站記錄氣象因子。試驗期間氣溫為28～34 ℃，平均31.7 ℃，風速為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為止的時間，計算相對蒸發速率(式1)，并檢測RA對植物長期藥害影響。

室內試驗：1)以載玻片模擬葉片，取田間試驗中RA最優使用濃度，將RA和清水置5、15、25、35 ℃環境下，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，調節風源與載玻片位置控制載玻片上方空氣流速，持續給風測定不同風速對水分抑制作用效果；3)調節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的培養皿中，測量其總重；自然狀態下存放，每隔20 min稱其質量，計算質量變化，進行RA傳質系數計算。所有試驗每組平行做3次，取平均值。

(式1)

2 結果與分析

2.1 葉面噴施水分蒸發抑制劑效果

與CK相比，不同濃度的RA對水分蒸發均有顯著抑制效果(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速率。RA濃度越高，相對蒸發速率越低，越不易蒸發，保水效果越好。RA濃度2.0 g·L-1的相對蒸發速率僅為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)抑制蒸發效果不佳，實際生產中以1 g·L-1的RA為最優使用濃度，相對蒸發速率可以達到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%的農用鋪展助劑。

38 d噴施試驗，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置于不同溫度環境中，某一溫度下5 d內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的穩定性，放置時間與環境溫度對RA內部結構及作用機理無影響。溫度升高，水分蒸發速率加快，RA組和CK組的蒸發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組平均蒸發時間由15.54 min降至3.26 min，RA的相對蒸發速率逐漸降低。RA在各溫度下都具有相對于CK的蒸發穩定性，高溫下作用效果更好，在高溫干旱地區有很好的應用前景。

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速率

2.3 抑制劑抗風干擾影響

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。風速增加，空氣流動加快，水分蒸發速率加快，RA組和CK組作用時間均一定程度的縮短。當風速加大到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。風速增大，RA的相對蒸發速率有所降低，由22.30%降至19.53%，則RA在抗風穩定性好，在有風作用下效果更好。RA具有相對于CK的蒸發穩定性，水分抑制效果明顯。

圖3 不同風速下抑制劑相對蒸發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各組的相對蒸發速率，可以看出，5 d內不同鹽度環境作用下RA各組相對蒸發速率無明顯變化，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。各鹽度環境下下抑制劑的平均相對蒸發速率為21.68%，最大相對誤差為0.78%。則高鹽度環境不影響RA的水分抑制作用效果，RA具有對含鹽量的穩定性。

圖3 不同風速下抑制劑相對蒸發速率及和清水的作用時間

2.5 抑制劑作用機理

氣/液體系界面傳質過程極為復雜，通常將大部分影響傳質過程因素歸入傳質系數，需要通過經驗關聯計算得出(式2、式3)。RA的質量損失是其水分抑制效果的有效研究方法，測定各組RA的質量隨時間的變化計算傳質系數。實驗中液體蒸發到空氣中立即擴散到周圍，式中ma忽略不計。在半對數坐標上將式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系數K。

(式2)

將式2積分得式3

(式3)

式中：mw—液體剩余質量；

ma—液體蒸發到空氣中的質量；

K—傳質系數；

h—液體的高度；

H—亨利系數；

t—時間；

mw，0—t=0時液體的質量。

圖5 抑制劑和清水質量對數與時間關系

將CK和RA的剩余質量對數與蒸發所需時間作圖5，線性擬合得-K·h-1，由對應的溶液液面高度h計算其傳質系數。CK的斜率-0.038 53 h-1，液面高度3 mm，計算得傳質系數KCK為0.115 59，RA的斜率-0.018 14 h-1，液面高度3 mm，計算得傳質系數KRA為0.054 42。可以看出RA傳質系數小于CK，約為CK傳質系數的50%，能夠有效阻礙水由液態向氣態轉化，增大水相轉變的能量障礙，降低水的蒸發速率。

植物葉面水分蒸發抑制劑原料為從植物中提取的天然物質，具有高度的安全性和配伍性，可生物降解，是一種優良的綠色高分子材料。因其高分子鏈上有大量親水基團，通過氫鍵作用，牢牢鎖住水分子，增大水分的蒸發比阻[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的傳質阻力，使抑制劑起到水氣交換能量障礙作用[28-31]，應用上有很強的抑制及保水作用。

3 結論

在枸杞葉片上進行抑制劑蒸發效果試驗，比較本試驗中各種濃度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，其相對蒸發速率為19.91%，同時對植物生理行為無明顯影響。在外界環境干擾下，溫度和風速的增加，水分蒸發速率加快，CK組作用時間縮短，RA組相對蒸發速率隨之降低，水分抑制效果增強。RA對含鹽量變化不敏感，放置時間和鹽度環境對RA作用效果無影響。各條件下，RA具有相對于CK的環境蒸發穩定性。RA的傳質系數約為CK的50%，能夠有效地阻礙水由液態向氣態轉化，增大水相轉變的能量障礙，降低水的蒸發速率。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，研究表明農藥噴灑在植物上液滴的蒸發時間長短與施用效率有密切的關系，蒸發時間長短直接影響著農藥施用效率的高低[10]。將抑制劑與農藥混合，預計能夠有效增長農藥在葉面的停留時間，更大限度發揮農藥藥效，二者相互作用研究還需進一步完善。

[1] 梁丹，趙銳鋒，李潔，等.4種干旱指標在河西走廊地區的適用性評估[J].中國農學通報，2015，31(36)：194-204.

[2] Vicenteserrano S M，Beguería S，Lópezmoreno J I.A Multiscalar Drought Index Sensitive to Global Warming：The Standardized Precipitation Evapotranspiration Index[J].Journal of Climate，2010，23(7)：1696-1718.

[3] 尹晗，李耀輝.我國西南干旱研究最新進展綜述[J].干旱氣象，2013，31(1)：182-193.

[4] Heim R R.A Review of Twentieth-Century Drought Indices Used in the United States[J].Bulletin of the American Meteorological Society，2002，83(8)：1149-1165.

[5] 徐常青，劉賽，徐榮，等.我國枸杞主產區生產現狀調研及建議[J].中國中藥雜志，2014，39(11)：1979-1984.

[6] 李建領，徐常青，喬魯芹，等.寧夏枸杞紅癭蚊的發生特點與防治策略[J].中國現代中藥，2015，17(8)：840-843.

[7] Yu Y，Zhu H，Ozkan H E.Evaporation of pesticide droplets on surfaces under various relative humidity conditions[J].Journal of ASTM International，2009，6(1)：1-8.

[8] 張海莉.農戶使用農藥行為研究[D].烏魯木齊：新疆農業大學，2014.

[9] Yusà V，Coscollà C，Mellouki W，et al.Sampling and analysis of pesticides in ambient air[J].Journal of Chromatography A，2009，1216(15)：2972-2983.

[10] 董玉軒.施藥方式、霧滴密度與農藥高效利用的相關性研究[D].揚州：揚州大學，2012.

[11] Liu C，Zhang X，Zhang Y.Determination of daily evaporation and evapotranspiration of winter wheat and maize by large-scale weighing lysimeter and micro-lysimeter[J].Agricultural & Forest Meteorology，2002，111(2)：109-120.

[12] 張宗毅.基于農戶行為的農藥使用效率、效果和環境風險影響因素研究[D].南京：南京農業大學，2011.

[13] Xu L，Zhu H，Ozkan H E，et al.Adjuvant Effects on Evaporation Time and Wetted Area of Droplets on Waxy Leaves[J].Transactions of the Asabe，2010，53(1)：13-20.

[14] 吳鳳，郭建斌，李志洪，等.不同種類抗蒸騰葉面肥對山杏水分利用效率的影響[J].水土保持研究，2013，20(2)：156-159.

[15] Bogeat-Triboulot M B，Brosché M，Renaut J，et al.Gradual soil water depletion results in reversible changes of gene expression，protein profiles，ecophysiology，and growth performance in Populus euphratica，a poplar growing in arid regions.[J].Plant Physiology，2007，143(2)：876-92.

[16] 陳君，徐常青，喬海莉，等.我國中藥材生產中農藥使用現狀與建議[J].中國現代中藥，2016，18(3)：263-270.

[17] 劉賽.仿生膠對枸杞主要害蟲的防控效果及其安全性評價[D].南京：南京農業大學，2011.

[18] 林晨，劉賽，李建領，等.寧夏枸杞不同品種對枸杞癭螨的生理響應[J].中國現代中藥，2016，18(3)：275-278.

[19] Meyer E，Aspinwall M J，Lowry D B，et al.Integrating transcriptional，metabolomic，and physiological responses to drought stress and recovery in switchgrass(Panicum virgatum，L.)[J].Bmc Genomics，2014，15(4)：527-527.

[20] Lin H，Zhou H，Xu L，et al.Effect of surfactant concentration on the spreading properties of pesticide droplets on Eucalyptus leaves[J].Biosystems Engineering，2016，143：42-49.

[21] Isin S，Yildirim I.Fruit-growers’ perceptions on the harmful effects of pesticides and their reflection on practices：The case of Kemalpasa，Turkey[J].Crop Protection，2007，26(7)：917-922.

[22] Williamson S，Ball A，Pretty J.Trends in pesticide use and drivers for safer pest management in four African countries[J].Crop Protection，2008，27(10)：1327-1334.

[23] 周本新.農藥制劑的環保化和劑型選擇[J].農藥市場信息，2008，15：16-18.

[24] Wu Y，Yang F，Fang X.The stability performances of epoxy resin-based monolayers on resisting disruption of temperature and wind[J].Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects，2013，436：796-802.

[25] 吳燕，房希婷，楊昉明.氨基甲酸酯基水分蒸發抑制劑的制備及性能[J].天津科技大學學報，2014，29(3)：34-39.

[26] 鄭偉.薄膜型抗蒸騰劑的制備與性能研究[D].天津：天津科技大學，2011.

[27] 肖蕊，吳燕，衣守志.新型水分蒸發抑制劑的研究[J].天津科技大學學報，2007，22(3)：51-53，83.

[28] Vines R G.Reducing evaporation with cetyl alcohol films：A new method of treating large water storages[J].Australian Journal of Applied Science，1960，11：200-204.

[29] Whitman W G.The two film theory of gas absorption[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1962，5(5)：429-433.

[30] 夏萍，吳燕，王秉文，等.自然環境下水分蒸發抑制劑的研究[J].環境科學與管理，2008，33(12)：20-22.

[31] 王秉文，吳燕，鄭偉，等.水分蒸發抑制劑生物降解性研究[J].天津科技大學學報，2010，25(1)：39-42.

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：水分蒸發抑制技術；Tel：(022)60602845，E-mail：wuyan@tust.edu.cn

10.13313/j.issn.1673-4890.2017.3.019