律喆，王丹丹，刘赛，徐常青，彭啸，吴燕*

(1.天津科技大学 化工与材料学院，天津 300457；2.中国医学科学院 北京协和医学院 药用植物研究所，北京 100193)

·中药农业·

植物叶面水分蒸发抑制剂的性能研究△

律喆1，王丹丹1，刘赛2，徐常青2，彭啸1，吴燕1*

(1.天津科技大学 化工与材料学院，天津 300457；2.中国医学科学院 北京协和医学院 药用植物研究所，北京 100193)

目的：研究植物叶面水分蒸发抑制剂的作用效果及其抗环境干扰稳定性。方法：随机选取枸杞树，设4种浓度的抑制剂处理和清水对照处理，分别喷施，考察抑制剂的水分抑制作用时间和相对蒸发速率，取最佳浓度抑制剂进行抗环境(温度、风速和含盐量)干扰测试。结果：抑制剂浓度在1 g·L-1时作用效果最佳，且对植物生理行为基本无影响，其中温度越高风速越大，抑制剂相对蒸发速率越低，作用越显著，而在不同含盐量环境下，其相对蒸发速率基本稳定。抑制剂的传质系数约为清水的50%，有效抑制水分蒸发。结论：抑制剂具有良好的水分抑制作用效果，且具有良好的抗环境干扰能力。

叶面；保水；蒸发抑制剂；相对蒸发速率；传质系数

中国干旱地区的区域面积占全国总面积的60%，干旱造成的经济损失占各类自然灾害总经济损失的35%[1-4]。我国西北地区水资源匮乏、气候干燥、日照时间长，水分蒸发速度更快，不利于作物的生长，且虫害极易发生。枸杞为西北地区重要经济作物[5-6]，虫害现象严重，目前仍以化学防治为主[7-9]。环境气温过高，农药喷施在植物叶面上极易因水分蒸发而粉化脱落，导致施用效率过低[10-15]，不得不提升农药施加量。果农大量、不规范使用农药，致使枸杞农残超标问题突出，近年来已有数十批次枸杞因农残问题出口受阻[16-18]。

目前，为实现农药“减量增效”的目的，新型农药剂型和喷施设施的开发研究受到广泛研究[19-23]，但抑制农药液体蒸发、延长农药在叶面作用时间才是从根本上对农药提质增效的方法。新型农药剂型开发为众人关注的重点，但却鲜有研究。本研究在十多年分子膜阻蒸发技术[24-26]的基础上，开发了一种植物叶面水分蒸发抑制剂，其水溶液喷施在叶面上可快速自发铺展形成一层致密、无色透明的分子膜，可有效延缓叶面水分蒸发速率，抑制水分蒸发，但不妨碍氧气和二氧化碳的透过，不影响作物叶面呼吸，且具有良好的生物和环境安全性，不会对植物和环境造成不良影响。本实验探讨了不同环境因素(如温度、风速和含盐量)对叶面水分蒸发抑制剂的干扰作用，为后期实际应用奠定了基础。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 植物 中国医学院药用植物研究所实验园内2年生宁杞1号枸杞，株高约1m，株行距为1.4 m×1.8 m，常规管理，长势良好。

1.1.2 药剂 植物叶面水分蒸发抑制剂(RA，天津科技大学配制)，氢氧化钙、氢氧化镁、氯化钠(天津市江天化工技术有限公司)，农用铺展助剂(美国GE公司)。

1.2 方法

田间试验：试验设4种浓度的RA处理和清水(CK)对照处理，时间为2015年5～7月。各处理均随机选取3株长势良好的枸杞树，选择晴朗天气于每日12：00～14：00进行喷雾处理。试验持续38 d，以微型气象站记录气象因子。试验期间气温为28～34 ℃，平均31.7 ℃，风速为0～5.5 m·s-1，平均2.3 m·s-1。各组的喷施方式、喷施量、喷施时间均一致。记录各组喷施后液体刚开始从叶面滴下到完全蒸发为止的时间，计算相对蒸发速率(式1)，并检测RA对植物长期药害影响。

室内试验：1)以载玻片模拟叶片，取田间试验中RA最优使用浓度，将RA和清水置5、15、25、35 ℃环境下，恒温后各自取约2 mL均匀平铺在载玻片上，测定其水分抑制作用时间和相对蒸发速率(式1)，研究不同温度对抑制剂作用效果的影响；2)取约2 mL的RA和清水均匀平铺在载玻片上，调节风源与载玻片位置控制载玻片上方空气流速，持续给风测定不同风速对水分抑制作用效果；3)调节RA含盐量为0、0.2%、0.5%、1.0%，测定室温放置5 d对RA的抗盐干扰效果；4)各取CK和RA试剂3.00 g均匀的倒入直径3.5 cm，高1.5 cm的培养皿中，测量其总重；自然状态下存放，每隔20 min称其质量，计算质量变化，进行RA传质系数计算。所有试验每组平行做3次，取平均值。

(式1)

2 结果与分析

2.1 叶面喷施水分蒸发抑制剂效果

与CK相比，不同浓度的RA对水分蒸发均有显著抑制效果(表1)。将RA喷施在叶面上可快速自铺展形成一层致密的、且无色透明的分子膜，有效延缓叶面水分蒸发速率。RA浓度越高，相对蒸发速率越低，越不易蒸发，保水效果越好。RA浓度2.0 g·L-1的相对蒸发速率仅为CK的13.80%。由于RA为高分子聚合物，有一定的黏度，高浓度(2.0 g·L-1)的RA黏度较大，在叶面上易呈液滴滑落，无法良好铺展，低浓度(0.25、0.5 g·L-1)抑制蒸发效果不佳，实际生产中以1 g·L-1的RA为最优使用浓度，相对蒸发速率可以达到CK的19.91%。

表1 不同浓度抑制剂作用时间及对植株药害影响

注：以上溶液均加入0.05%的农用铺展助剂。

38 d喷施试验，直接观察喷施植株叶片损伤情况，RA组和CK组叶片长势良好无异，则可认喷施RA对植物生长生理活动无明显影响，对植物安全无害。

2.2 抑制剂抗温度干扰影响

由图1、图2可知，RA和CK置于不同温度环境中，某一温度下5 d内测定的水分抑制作用时间无明显变化，说明RA组在单一温度下有很强的稳定性，放置时间与环境温度对RA内部结构及作用机理无影响。温度升高，水分蒸发速率加快，RA组和CK组的蒸发作用时间均近似呈线性减少，温度由5 ℃升至35 ℃，RA组平均作用时间从58.51 min 降至16.44 min，CK组平均蒸发时间由15.54 min降至3.26 min，RA的相对蒸发速率逐渐降低。RA在各温度下都具有相对于CK的蒸发稳定性，高温下作用效果更好，在高温干旱地区有很好的应用前景。

图1 不同温度下抑制剂和清水作用时间

图2 不同温度下抑制剂相对蒸发速率

2.3 抑制剂抗风干扰影响

由图3可知，无空气流动时，RA组水分抑制作用时间为1892 s，CK组作用时间为422 s。风速增加，空气流动加快，水分蒸发速率加快，RA组和CK组作用时间均一定程度的缩短。当风速加大到10 m·s-1时，RA组水分抑制作用时间为42 s，CK组作用时间为8 s。风速增大，RA的相对蒸发速率有所降低，由22.30%降至19.53%，则RA在抗风稳定性好，在有风作用下效果更好。RA具有相对于CK的蒸发稳定性，水分抑制效果明显。

图3 不同风速下抑制剂相对蒸发速率及和清水的作用时间

2.4 抑制剂抗盐干扰影响

图4为不同含盐量下RA各组的相对蒸发速率，可以看出，5 d内不同盐度环境作用下RA各组相对蒸发速率无明显变化，放置时间和含盐量对RA组的水分抑制作用时间无显著影响。各盐度环境下下抑制剂的平均相对蒸发速率为21.68%，最大相对误差为0.78%。则高盐度环境不影响RA的水分抑制作用效果，RA具有对含盐量的稳定性。

图3 不同风速下抑制剂相对蒸发速率及和清水的作用时间

2.5 抑制剂作用机理

气/液体系界面传质过程极为复杂，通常将大部分影响传质过程因素归入传质系数，需要通过经验关联计算得出(式2、式3)。RA的质量损失是其水分抑制效果的有效研究方法，测定各组RA的质量随时间的变化计算传质系数。实验中液体蒸发到空气中立即扩散到周围，式中ma忽略不计。在半对数坐标上将式3中mw对t作图得一条直线，斜率为-K·h-1，将其斜率乘以特定时间下测得的溶液高度，即为该时刻下液体传质系数K。

(式2)

将式2积分得式3

(式3)

式中：mw—液体剩余质量；

ma—液体蒸发到空气中的质量；

K—传质系数；

h—液体的高度；

H—亨利系数；

t—时间；

mw，0—t=0时液体的质量。

图5 抑制剂和清水质量对数与时间关系

将CK和RA的剩余质量对数与蒸发所需时间作图5，线性拟合得-K·h-1，由对应的溶液液面高度h计算其传质系数。CK的斜率-0.038 53 h-1，液面高度3 mm，计算得传质系数KCK为0.115 59，RA的斜率-0.018 14 h-1，液面高度3 mm，计算得传质系数KRA为0.054 42。可以看出RA传质系数小于CK，约为CK传质系数的50%，能够有效阻碍水由液态向气态转化，增大水相转变的能量障碍，降低水的蒸发速率。

植物叶面水分蒸发抑制剂原料为从植物中提取的天然物质，具有高度的安全性和配伍性，可生物降解，是一种优良的绿色高分子材料。因其高分子链上有大量亲水基团，通过氢键作用，牢牢锁住水分子，增大水分的蒸发比阻[27]。抑制剂喷施在叶面上形成一层透明的分子膜，增大了水分气液传输的传质阻力，使抑制剂起到水气交换能量障碍作用[28-31]，应用上有很强的抑制及保水作用。

3 结论

在枸杞叶片上进行抑制剂蒸发效果试验，比较本试验中各种浓度RA的喷施效果，1 g·L-1浓度下RA保水性能最佳，水分抑制效果最好，且能够以雾状喷出并在叶面上均匀铺展，其相对蒸发速率为19.91%，同时对植物生理行为无明显影响。在外界环境干扰下，温度和风速的增加，水分蒸发速率加快，CK组作用时间缩短，RA组相对蒸发速率随之降低，水分抑制效果增强。RA对含盐量变化不敏感，放置时间和盐度环境对RA作用效果无影响。各条件下，RA具有相对于CK的环境蒸发稳定性。RA的传质系数约为CK的50%，能够有效地阻碍水由液态向气态转化，增大水相转变的能量障碍，降低水的蒸发速率。从理论上证明抑制剂的抑制作用效果。

喷施抑制剂，能够延长水在植物叶面的停留时间，研究表明农药喷洒在植物上液滴的蒸发时间长短与施用效率有密切的关系，蒸发时间长短直接影响着农药施用效率的高低[10]。将抑制剂与农药混合，预计能够有效增长农药在叶面的停留时间，更大限度发挥农药药效，二者相互作用研究还需进一步完善。

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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)

国家自然科学基金(81274198)；十二五国家科技支撑计划(2014BAK19B02)

*

吴燕，教授，研究方向：水分蒸发抑制技术；Tel：(022)60602845，E-mail：wuyan@tust.edu.cn

10.13313/j.issn.1673-4890.2017.3.019