生物炭通过改善土壤性质、促进植物生长以及减少热带竹子（Dendrocalamus brandisii）中铬的积累来缓解铬的毒性

《Industrial Crops and Products》：Biochar mitigates Cr toxicity by improving soil properties, promoting plant growth, and reducing Cr accumulation in tropical bamboo Dendrocalamus brandisii

可持续农业中，基于鸡羽毛废物的生物降解喷漆地膜（BSM）的开发及其性能评估。通过角蛋白水解物的淀粉-蛋白质-木质素复合体系优化，BSM-5和BSM-12在拉伸强度（23 kPa）、延展性（15.39%）和氮释放效率上表现优异，兼具 weed suppression 和 soil carbon/nitrogen 补充功能，为替代聚乙烯地膜提供创新解决方案。

　　近年来，随着全球对可持续农业实践的关注日益增加，传统塑料地膜（如聚乙烯地膜）因其难以降解和对环境造成污染的问题，逐渐被生物降解地膜所取代。生物基可降解地膜（BSM）作为一种新型材料，因其来源广泛、可再生且环保特性，正成为替代传统塑料地膜的重要研究方向。本研究聚焦于开发一种基于玉米淀粉（CS）和鸡毛废料（CFW）提取的角蛋白的BSM配方，旨在提供一种具有优良机械性能和营养释放能力的可降解地膜材料，从而减少对环境的影响并提升土壤肥力。

### 1. 地膜的作用与挑战

地膜在农业生产中扮演着至关重要的角色，它能够有效减少土壤水分蒸发，抑制杂草生长，提高土壤水分保持能力，并促进作物的生长发育。然而，传统的聚乙烯地膜由于其不可降解性，导致了严重的环境问题，包括土壤污染和难以回收处理。此外，聚乙烯地膜在土壤中的降解过程缓慢，容易形成持久的残留物，影响土壤结构和通气性。因此，寻找一种既能够替代传统地膜，又能够改善土壤健康的可降解材料成为研究的重点。

近年来，研究者们开发了多种生物基地膜，如基于淀粉、纤维素和海藻酸的材料，这些材料不仅能够降解，还能在土壤中释放养分，提高土壤肥力。其中，蛋白质类材料因其良好的生物相容性和可降解性而受到关注。例如，一些研究表明，通过将蛋白质与甘油混合，可以制备出具有较高机械强度和可控释放特性的地膜。此外，添加木质素等天然材料可以进一步增强地膜的物理性能，提高其在不同环境条件下的稳定性。

### 2. 材料与方法

本研究采用玉米淀粉和鸡毛废料提取的角蛋白作为主要原料，制备了十二种BSM配方。为了优化配方性能，研究者们通过调整不同成分的比例，评估了其对地膜形成过程的影响。实验过程中，首先对鸡毛废料进行预处理，包括洗涤、去除油脂和其他杂质，以提高角蛋白的提取效率。随后，通过碱性水解的方法从鸡毛中提取角蛋白，并将其与玉米淀粉混合，加入甘油作为增塑剂，以改善地膜的柔韧性和可塑性。

在配方制备过程中，研究者们采用了多种生物聚合物，如玉米醇溶蛋白（CZ）、大豆蛋白（ISP）、豌豆蛋白（PP）、马铃薯淀粉（PS）和木质素（KL），以评估其对地膜性能的影响。所有配方在制备完成后，被转移到培养皿中，并在40°C下干燥24小时，形成稳定的地膜材料。随后，这些地膜材料被用于机械性能测试、显微成像、水吸收测试以及在水中的质量损失测定。

### 3. 实验结果与讨论

在实验过程中，研究者们发现，随着配方中淀粉含量的增加，地膜的机械性能也随之提高。其中，BSM-12表现出最高的拉伸强度（23 kPa），断裂伸长率为15.39%，杨氏模量为230 kPa。这些结果表明，BSM-12在机械性能方面优于其他配方，具备良好的强度和弹性，适合用于农业环境中的杂草控制。

此外，研究还发现，添加木质素能够有效降低地膜的粘度，使其更容易通过喷雾设备进行施用。这表明木质素在BSM配方中起到了润滑剂的作用，有助于改善地膜的加工性能。然而，木质素的添加也影响了地膜的表面结构，使其变得更加粗糙和多孔，这可能与木质素与淀粉之间的分子间相互作用有关。

在水吸收和质量损失测试中，研究者们发现，添加木质素的BSM配方表现出更低的水吸收能力（WA）和质量损失率（MW）。这说明木质素的引入提高了地膜的疏水性，使其在潮湿环境中更加稳定。然而，对于土壤水分保持和温度调节而言，适度的水吸收能力是必要的，因此需要在配方设计中平衡这两方面的需求。

### 4. 化学与物理特性分析

为了进一步了解BSM地膜的化学和物理特性，研究者们采用了傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重分析（TGA）等技术。FTIR分析表明，所有BSM配方在化学结构上保持了一致性，显示出相似的官能团特征，如羟基（O–H）和甲基（C–H）的伸缩振动。这些结果表明，BSM地膜的化学结构在制备过程中未发生显著变化，从而保证了其稳定性。

TGA分析则揭示了BSM地膜在不同温度下的热分解行为。实验结果显示，BSM地膜的热分解过程分为三个阶段，分别对应自由水的蒸发、结合水和甘油的蒸发，以及淀粉的分解。这些阶段的温度范围分别为70–110°C、110–200°C和200–330°C。研究还发现，随着木质素含量的增加，地膜的热分解速率加快，这可能与其较高的疏水性和较低的热稳定性有关。

### 5. 表面结构与形态分析

通过扫描电子显微镜（SEM）对BSM地膜的表面和截面结构进行分析，研究者们发现，随着淀粉含量的降低，地膜的表面变得更加致密，减少了孔隙率。例如，BSM-5和BSM-12在表面结构上表现出较高的致密性，而BSM-1至BSM-4则显示出较多的孔隙和不规则结构。这表明，优化的淀粉含量有助于提高地膜的机械性能和结构稳定性。

此外，研究还发现，添加不同的生物聚合物对地膜的结构产生了一定的影响。例如，BSM-7中加入豌豆蛋白后，地膜的表面呈现出较为粗糙的结构，而BSM-8则由于使用了玉米醇溶蛋白，表面更加均匀。这些结构差异可能与不同生物聚合物的相容性和分散性有关，进而影响地膜的整体性能。

### 6. 养分释放与土壤改良

BSM地膜的一个重要优势在于其能够释放氮和磷等营养元素，从而改善土壤肥力。研究发现，BSM-12在总凯氏磷（TKP）含量方面表现最佳，达到了619 μg/g，这表明其在磷的释放和土壤改良方面具有较大的潜力。此外，BSM-5和BSM-12在氮的释放方面也表现出较高的水平，这可能与其较高的蛋白质含量有关。

这些养分的释放不仅有助于提高土壤的肥力，还能为作物提供持续的养分供应，减少对化学肥料的依赖。然而，氮的释放速率需要进一步优化，以确保其在作物生长周期内的有效性。此外，BSM地膜在降解过程中释放的氮和磷可能对土壤微生物群落产生积极影响，促进土壤生态系统的健康。

### 7. 应用前景与未来方向

本研究开发的BSM地膜具有显著的机械性能和营养释放能力，显示出在农业应用中的巨大潜力。然而，为了进一步推广这些材料，仍需解决一些关键问题。例如，目前的实验主要集中在实验室规模，未来需要在田间条件下验证其实际效果，特别是在不同气候和作物系统中的表现。此外，BSM地膜的降解速率和营养释放模式需要进一步优化，以确保其在农业中的适用性。

在生产过程中，BSM地膜的制备方法需要更加环保和高效。目前的实验中，采用的是碱性水解方法，未来可以探索更清洁的水解技术，如酶解或亚临界水水解，以减少对环境的影响。同时，为了提高BSM地膜的机械强度和水阻力，可以考虑与其他生物聚合物或有机填料进行复合，如明胶、蜂蜡或壳聚糖纳米纤维。

此外，BSM地膜还可以与其他农业技术相结合，如精准喷洒技术，以提高其在实际应用中的效率和可操作性。通过将BSM地膜与农药或肥料进行复合，可以实现养分和农药的缓释，进一步提升其在可持续农业中的价值。这不仅有助于减少化学物质的使用，还能提高作物产量和质量。

### 8. 结论

本研究展示了生物基可降解地膜在农业应用中的潜力，通过结合玉米淀粉和鸡毛废料提取的角蛋白，开发出具有优良机械性能和营养释放能力的BSM配方。BSM-5和BSM-12在拉伸强度、断裂伸长率和水吸收能力方面表现出色，显示出其作为可降解地膜材料的前景。此外，BSM地膜的化学和热稳定性得到了验证，其表面结构和形态特征也得到了详细分析。

BSM地膜不仅能够有效抑制杂草生长，还能通过释放氮和磷等养分，改善土壤肥力。这些特性使其成为一种多功能的农业材料，能够同时满足土壤保护和作物营养供给的需求。未来的研究应进一步探索BSM地膜在田间环境中的表现，优化其配方和制备工艺，并将其与现有的农业技术相结合，以推动可持续农业的发展。