秸秆纤维是自然界巨大的再生性生物高分子材料之一，全世界每年秸秆纤维产量约40×10⁸ t,我国秸秆每年产量达数亿吨^[1].采用植物纤维填充制备复合材料具质轻价廉、易加工、可生物降解等性能，天然植物纤维复合材料已成为复合材料领域中研究热点之一^{[2, 3, 4]},以秸秆为原料，制备环境友好型材料势在必行^[5].迄今，有关秸秆综合利用如还田肥料^{[6, 7]}、新型能源^{[8, 9, 10, 11]}、畜牧饲料、可降解材料、培养食用菌基料以及建筑材料等^{[12, 13]}技术成果已趋成熟。

可降解育苗钵是由农作物秸秆等废弃物生物质材料制备，利用秸秆纤维制备可降解育苗钵替代塑料钵，可缓解资源环境压力^{[14, 15, 16]}.近年来，国内外寻求制备营养育苗钵的技术日益增多，研究人员已就秸秆育苗钵在作物育苗移栽中的应用效果、黏结剂对秸秆育苗钵成型质量和成型工艺优化、热处理对育苗钵强度及热稳定性的影响有良好进展^{[16, 17, 18, 19]}.可降解育苗钵的制备技术及其开发，对农业废弃物资源化利用及作物育苗具有重要的应用价值。

制备可降解育苗钵的关键问题是缺乏具有保证育苗期钵体强度、同时随苗移栽后快速降解及满足不同育苗期要求的专用黏合剂技术。目前制备育苗钵所用的黏合剂，存在耐水性不足（如糊化淀粉胶）,容器遇水易崩解或黏合剂降解性能差（如脲醛树脂胶）,钵体短期内崩解率低造成植物根系难以穿透或黏合剂盐分过高（碱糊淀粉胶、次氯酸钠氧化淀粉胶）影响作物幼苗根系生长等问题^[14].基于环境友好型可再生生物质胶黏剂的研究越来越得到重视，改性大豆蛋白胶黏剂再次成为热点^[20].

本研究以稻壳为增强材料，通过自主研制的大豆蛋白基黏合剂捏合，模压成型制备育苗钵。研究不同改性大豆蛋白基黏合剂对稻壳育苗钵的耐水特性、干湿热循环处理拉伸强度波动规律、植物生物学效应的影响，并对育苗钵的应用效果进行印证，旨在明确稻壳育苗钵的理化特性及其对植物的生物学效应影响，将育苗钵”制备-性质-应用“有效结合，为育苗钵的推广提供理论和技术依据。 1 材料与方法 1.1 供试材料

增强材料为国审泗稻12号的稻壳，取自江苏省农科院粮食作物研究所稻麦田，自然风干，使用前利用9FQ-400锤片式粉碎机（广州标诚机械）简单粉碎至0.32~0.42 mm,基本理化性质：含水率11%~13%,粗纤维质量分数36%~40%,木质素21%~25%,灰分13%~15%^[21].脱脂大豆粉购自淄博坤兴粮油有限公司，颗粒大小为0.23~0.83 mm;70#石蜡购自合肥安邦化工有限公司。

基体树脂为大豆蛋白基黏合剂（Soybean protein adhesives,SA）,江苏省农科院资环所课题组自制。为制备不同胶接强度的黏合剂，本试验试制了4组配方。具体合成步骤：将90 g甲醛溶液（浓度为36.5%）投入反应釜，用质量分数为25%的氢氧化钠溶液调节pH值为8.0~8.5,加入改性剂聚乙烯醇7 g,温度至40 ℃时，加入第①批尿素58 g,继续升温至60 ℃，保温20 min;补加280 g水，加入第①批大豆蛋白120 g,调节pH为8.5,在60 ℃下保温30 min;继续升温至90 ℃，保温20 min;用质量分数为25%的柠檬酸溶液调节pH为5.5~6.0,缩聚反应30 min;降温至70 ℃，调节pH为8.0,加入第②批尿素33 g和大豆蛋白50 g,保温20 min;然后降温至45~50 ℃，放料，标记为SA-Ⅰ。SA-Ⅱ为170 g大豆蛋白一次性在第①批投入，其他步骤相同。在上述2种黏合剂合成工艺的基础上，继续合成2种黏合剂，其第①、②批尿素添加量分别改为81 g和45 g,标记为SA-Ⅲ和SA-Ⅳ。 1.2 试验设计

秸秆育苗钵采用热压成型方法，操作如下：将稻壳、大豆蛋白基黏合剂及70#石蜡按照一定比例在SHR-10A高速混炼机中充分混合均匀，经搅拌、脱水，干燥至物料含水率在12%~14%,放置30 min,即可压制。依照容器规格称取相应质量，注入自行设计模具中，在YQ 32-200T型三梁四柱液压机下热压成型，热压压力25 MPa,热压温度100~120 ℃，热压时间15 s.物料混炼工序参照文献^[5].育苗钵上口直径60 mm,底部直径40 mm,器壁平均厚度1.7 mm.育苗钵成品见图 1,黄瓜育苗效果如图 2所示。

图 1 育苗钵成品 Figure 1 Final products

图选项

图 2 育苗效果 Figure 2 Seedling growth in bio-containers

图选项

育苗钵共设6组处理：稻壳粉分别与SA-Ⅰ、SA-Ⅱ、SA-Ⅲ和SA-Ⅳ按照干物质质量比3∶1,成型育苗钵分别标记为RSA-Ⅰ、RSA-Ⅱ、RSA-Ⅲ和RSA-Ⅴ；RSA-Ⅲ和RSA-Ⅴ物料混炼过程中分别添加增强材料干重10%的脱脂豆粕粉，育苗钵标记为RSA-Ⅳ和RSA-Ⅵ。6组育苗钵理化指标见表 1.70#石蜡添加量为稻壳干物质质量的2%.每组处理取适量容器样品测定全氮、全磷、全钾、有机碳、pH值及电导率，部分样品用于测定吸水率、吸水厚度膨胀率、拉伸强度、生物学效应指标。

表 1 育苗钵理化指标 Table 1 Physical and chemical indicators of nursery bio-containers

表选项

全氮采用H₂SO₄-H₂O₂消煮，凯氏定氮法^[23];全磷采用钒钼黄比色法；全钾采用火焰光度计法；有机碳含量测定采用重铬酸钾氧化-外加热法^[23].将粉碎样品与去离子水固液比1∶5和1∶10于200 r·min-1振荡30 min,滤液用于测定pH值及电导率，分别采用酸度计（Phs-2F型，上海精密科学仪器有限公司）和电导率仪（DDS-11A,上海雷磁仪器有限公司）进行测定。

吸水率（Water absorption,WA）及吸水厚度膨胀率（Thickness swelling rate of water absorption,TSR）的测试参照国家标准GB/T 17657-1999进行；拉伸强度（Tensile strength,TS）测定所用试样的形状和尺寸依据国家标准GB/T 1040.4-2006加工制作。测试前将试样放置于（103±2） ℃烘箱中烘至质量恒重，部分样品测定拉伸强度，其余样品放置于63 ℃的水槽中，试件垂直于水平面并保持水面高于试件上表面，浸泡1 h,取出试件，置于（63±2） ℃烘箱中热处理30 min,留取部分样品测定拉伸强度；进行4次干湿热循环处理。每组处理5个试样，3次平行。

种子发芽试验：将样品粉碎过0.3 mm筛，分别与去离子水按照浸提比（W/V,以干物质计）1∶5和1∶10混合振荡2 h^[22],上清液经滤纸过滤后待用；试验在人工气候箱中进行，培养温度（28±2） ℃，湿度（60±2）%,芽床由直径9 cm的定量滤纸和培养皿构成。将培养皿置于烘箱内120 ℃消毒2 h;试验前黄瓜种子（品种津优30）先用清水漂洗，再将种子置于45 ℃蒸馏水（自然冷却）中浸种催芽24 h.每个培养皿放置30粒籽粒饱满种子，重复3次。同时，以去离子水替代容器浸提液作空白对照。每天加入1 mL试验浸提液，每隔24 h统计1次发芽粒数，共培养7 d.

育苗试验：将等体积营养基质分别装入育苗钵中，播入催芽（催芽方法同上）后的黄瓜种子1颗，置于内部环境温度约30 ℃的塑料大棚进行育苗试验。试验每处理设置40个平行，育苗期25 d,同时以塑料育苗钵作对照（CK）.各处理黄瓜全生育期间温度、光照、水分、养分管理等操作一致。定期按常规方法测定株高、茎粗、叶长、叶宽、壮苗指数及叶面积指数等。 1.4 数据统计分析

采用Origin 8.0作图，Excel 2007软件处理试验数据，SPSS 17.0软件进行统计分析，不同处理对育苗效果影响差异采用邓肯法检验（Duncan'test）,置信水平为95%（P＜0.05） 2 结果与讨论 2.1 稻壳育苗钵耐水性能分析 2.1.1 不同处理的育苗钵吸水率差异

将不同稻壳育苗钵在温度为（20±2） ℃的水槽中浸泡，每隔一定时间测定育苗钵吸水率，趋势图如图 3所示。可以看出，样品在20.5~24 h后，吸水速率达到最高值；在44.5 h基本进入一个平台区，吸水速率变化缓慢；浸泡212.5 h后，秸秆育苗钵RSA-Ⅰ、RSA-Ⅱ、RSA-Ⅲ、RSA-Ⅳ、RSA-Ⅴ和RSA-Ⅵ的最大平衡吸水率分别为20.22%、20.64%、23.18%、25.86%、26.78%和26.53%.

图 3 育苗钵的吸水率 Figure 3 Water absorption of nursery bio-containers

图选项

育苗钵吸水特性由稻壳和大豆蛋白基黏合剂两相吸水协同作用决定，而稻壳纤维是一类多羟基亲水性材料，为满足育苗钵机械强度和耐水性要求，制备过程中加入大豆蛋白基黏合剂捏合成型。依靠大豆蛋白基黏合剂中的羟甲基脲、羧基、氨基及疏水性基团与稻壳纤维素、半纤维素的羟基进行反应，相对封闭稻壳纤维亲水性羟基基团，育苗钵耐水性提高。处理RSA-Ⅰ和RSA-Ⅱ最大平衡吸水率相对较小，是由于基体树脂SA-Ⅰ和SA-Ⅱ加成阶段甲醛与尿素的初摩尔较高，羟甲基化反应过程，二羟甲基脲的生成占主导，缩聚反应后，树脂分子高度交联，黏合剂耐水性相对较高^{[24, 25]}.为了适当降解黏合剂的胶接强度，在SA-Ⅰ和SA-Ⅱ黏合剂的基础上，经过改进，合成了SA-Ⅲ和SA-Ⅳ黏合剂，由于该体系中游离尿素、氨基含量相对增加，树脂耐水性有所下降^[24].与RSA-Ⅰ和RSA-Ⅱ相比，RSA-Ⅲ和RSA-Ⅴ育苗钵的最大平衡吸水率分别提高至23.18%和26.78%,分析是SA-Ⅲ加成阶段，适当的热处理可有效提高大豆蛋白的疏水性和力学性能，且经过一定程度的碱解，大豆蛋白疏水基外露，与甲醛、尿素和羟甲基脲之间可以通过化学键合，形成结构紧凑的网状构架，阻止水分子浸入，有效保障黏合剂的耐水性^[24].后期通过一次性添加大豆蛋白合成的SA-Ⅳ黏合剂，由于大豆蛋白为富含氨基酸的高聚酰胺化合物，具有高吸水性，从而降低了黏合剂耐水性^[25].育苗钵RSA-Ⅵ略高于RSA-Ⅴ的最大平衡吸水率，而RSA-Ⅳ与RSA-Ⅲ差异较明显，说明脱脂豆粕粉可有效提高育苗钵的吸水性。 2.1.2 不同处理的育苗钵吸水厚度膨胀率差异

吸水厚度膨胀率的大小可以反映材料拉伸强度大小，拉伸强度随TSR的增大而增大。图 4是育苗钵经过212.5 h浸泡后TSR趋势图。在浸泡44.5 h时，育苗钵器壁TSR基本达到平衡，随浸泡时间的延长，育苗钵TSR变化不大，育苗钵RSA-Ⅰ、RSA-Ⅱ、RSA-Ⅲ、RSA-Ⅳ、RSA-Ⅴ和RSA-Ⅵ的平衡TSR分别为3.82%、5.89%、7.60%、10.22%、9.13%和10.73%.结合图 3可见，育苗钵吸水率越高，最大平衡TSR也越高，两者呈正相关。

图 4 育苗钵的吸水厚度膨胀率 Figure 4 Thickness swelling rate of water absorption of nursery bio-containers

图选项

育苗钵器壁吸水膨胀的根本原因在于：一是稻壳纤维素大分子的聚集态结构中无定型区吸湿或吸水性较强，易产生吸胀^[26];二是育苗钵受潮时稻壳与黏合剂间因水分子作用，极易形成弱界面层，使纤维因吸水而产生压缩回弹，吸水膨胀^[27].RSA-Ⅵ的TSR是RSA-Ⅰ的3倍左右，主要是由于RSA-Ⅵ育苗钵材料内部分子结合力较弱。 2.1.3 干湿热循环处理对育苗钵拉伸强度的影响

通过老化试验，经加速耐候性试验，可获得材料耐候性结果。本文采用干湿热循环试验测试稻壳育苗钵的拉伸强度（Tensile strength,TS）,可更好地印证育苗周期过程中钵体强度指标是否满足育苗要求。从图 5可以看出，6组育苗钵TS经处理后均大幅降低，从15.38、15.26、14.74、11.05、15.06、9.57 MPa分别降低到9.87、9.57、9.43、6.23、9.57、5.31 MPa,降低了35.83%、37.29%、36.02%、43.62%、36.45%、44.51%,其中RSA-Ⅳ和RSA-Ⅵ降幅最大（P＜0.05）.

图 5 干湿热循环处理对育苗钵拉伸强度变化的影响 Figure 5 Changes in tensile strength of nursery bio-containers under dry-wet and heat cycle

图选项

分析认为，主要是育苗钵在干湿热循环处理过程中，长时间处于水分与高温交替变换环境，器壁结构内易产生湿热形变与较大应力，促使容器器壁刚度及强度发生变化^[28],稻壳与胶黏剂界面结合质量的下降，导致拉伸强度下降^{[5, 29]}.由于RSA-Ⅳ和RSA-Ⅵ育苗钵制备过程中加入了豆粕粉，在湿润状态下，稻壳纤维膨胀率比胶黏剂高，胶黏剂反复处于内部压力下，持久遭受损害，易微裂及变形，且胶黏剂小分子键水解断裂，分子间力削弱，钵体界面破裂^[5].各种作用强弱不同及相互消涨，导致育苗钵拉伸强度下降。 2.2 稻壳育苗钵生物学效应指标分析 2.2.1 种子发芽率分析

育苗钵浸提液浓度大小对种子发芽率有一定的影响^[31],因此本试验选取了2个不同浓度的浸提液，来判定对黄瓜种子发芽率的影响，为实际育苗应用作指导。从图 6可以看出，料水比1∶5浸提液对黄瓜种子发芽初期表现一定程度的抑制作用，24 h发芽率均显着低于去离子水对照（CK）,随着培养时间延长其抑制作用逐渐减弱，发芽率接近清水对照水平，其中RSA-Ⅵ、RSA-Ⅴ和RSA-Ⅲ分别在第48、72、120 h已高于对照。当料水比1∶10时，浸提液24 h发芽率仅RSA-Ⅱ和RSA-Ⅲ表现出微弱抑制作用，其余各处理以及所有处理在24 h后对黄瓜种子发芽均表现不同程度促进作用。试验表明，本研究稻壳育苗钵对植物种子萌发基本无毒性或毒性极低，但材料中可能存在某种高浓度条件下抑制种子发芽、低浓度下能促进种子发芽的化学物质。

图 6 育苗钵的水浸提液对黄瓜种子发芽率的影响 Figure 6 Effect of H2O-extracting solution of nursery bio-containers on cucumber seed germination rate

图选项

从育苗钵制作材料化学组分构成方面推测，该物质极有可能是甲醛。有研究表明：甲醛浓度较高时，可加剧种子萌发过程中细胞膜的脂质过氧化，破坏膜结构的完整性，抑制种子的萌发；但是，低浓度甲醛对植物种子发芽却具有促进作用，当甲醛溶液浓度≤100 mg·L^-1时，西瓜种子的发芽率、发芽指数及发芽势相对于清水对照组显着增加^[30].本研究大豆蛋白基胶黏剂制备过程中，添加了一定数量甲醛，作为提供活性官能团（-CHO）的单体与尿素氨基、大豆蛋白链段游离氨基发生缩聚反应。因该反应具有可逆性，致使合成的胶黏剂中存在一定数量游离甲醛分子，反应工艺参数不同（如物料质量比、物料添加次序等）反应体系中残留游离甲醛数量也不同。育苗钵5倍水提取液对种子萌发初期表现轻微抑制效应，后期抑制作用被解除，可能与甲醛挥发有关。

盐分及酸碱度也是影响种子萌发最常见环境因子，本文测定了各处理容器水浸提液电导率及pH,并对其与黄瓜种子发芽率相关性进行了分析（见表 2、表 3）.结果显示，容器水浸提液电导率与pH之间存在显着负相关（P＜0.05）,两者与种子发芽率之间均无显着相关性（P＞0.05）.这表明，浸提液对种子发芽抑制作用，不是由容器所含盐分或酸碱度引起的，两者均在黄瓜种子发芽所需正常值范围内^[31].

表 2 育苗钵的电导率及pH Table 2 Electrical conductivity（EC） and pH in H2O-extracting solution of nursery bio-containers

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表 3 育苗钵电导率、pH与黄瓜种子发芽率之间的相关系数 Table 3 Correlation coefficients between cucumber seed germination rate and electrical conductivity and pH of nursery bio-containers

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从表 2可以看出，配方RSA-Ⅰ、RSA-Ⅱ浸提液电导率低于其他处理，而pH高于其他处理，浸提液电导率与pH显着负相关，可能是因为胶黏剂SA-Ⅲ、SA-Ⅳ中合成配方中甲醛与尿素摩尔比低，形成多羟基甲基量少，胶黏剂固化时所需酸性盐固化剂NH4Cl用量增大的缘故。 2.2.2 育苗效果分析

以黄瓜为被试植物，对6种稻壳育苗钵进行了育苗试验，育苗15 d幼苗长势基本符合移栽要求。对黄瓜苗长势进行跟踪，结果见表 4.6种稻壳育苗钵中育苗15 d仅有RSA-Ⅳ育成的黄瓜苗长势劣于塑料容器，其他均好于塑料容器。观察育苗过程发现，RSA-Ⅳ容器浇水后器壁膨胀现象严重，外表显现稻壳颗粒，水分蒸发落干后器壁出现开裂，开裂现象在所有容器中最为严重。尽管各处理采用相同水分管理，因RSA-Ⅳ器壁开裂现象较重，育苗器内基质水分蒸发速率快，幼苗与其他容器苗相比表现出缺水症状，影响了幼苗生长。RSA-Ⅰ长势优于RSA-Ⅱ，可能是在甲醛∶尿素（F/U）高摩尔比条件下，分批次添加（RSA-Ⅰ）比一次性添加（RSA-Ⅱ）大豆分离蛋白更有利于降低树脂中游离甲醛含量^[25],从而降低了甲醛对植物幼苗毒性作用。制作容器模压原料过程，添加豆粕粉RSA-Ⅳ处理植物幼苗长势劣于对应的未添加豆粕粉RSA-Ⅲ处理，主要是添加了豆粕粉后，增加了吸水性大豆蛋白，容器壁吸水性增强，器壁出现不同程度膨胀开裂现象，导致基质脱水过快。而RSA-Ⅵ与RSA-Ⅴ处理差异不大。

表 4 育苗钵对黄瓜育苗效果的影响 Table 4 Effect of nursery bio-containers on growth of cucumber plant

表选项

对6种育苗钵所育黄瓜苗长势进行综合评价结果显示，幼苗长势最好为RSA-Ⅰ，其次为RSA-Ⅵ，由于RSA-Ⅰ胶粘剂强度高，吸水性较差，移栽后容器短期难以降解，影响根系生长，而RSA-Ⅵ容器在土壤中可快速崩解（另文报道）,因此RSA-Ⅵ更宜于黄瓜育苗。 2.3 稻壳育苗钵性能效果应用验证试验

从稻壳育苗钵耐水性能分析过程中，发现当不同配方育苗钵的吸水率及吸水厚度膨胀率达到最大时，所对应的育苗钵经干湿热循环处理4次后拉伸强度最小为5.31 MPa,通过育苗试验结果可知RSA-Ⅵ育苗钵形体完整率保持约85%以上。因此，本部分以拉伸强度为主要考察指标，建立与育苗周期的相关性。

如何建立育苗钵机械强度与育苗钵形体完整率（育苗周期）间的相关性。结合图 5中6种育苗钵的干湿热循环处理4次后的拉伸强度，以拉伸强度为自变量X（MPa）,育苗周期为因变量y（d）,建立了育苗周期与干湿热循环处理后拉伸强度间的回归方程

y= -0.35X²+9.43X-5.85（R²=0.947 3）

该方程中回归系数的单位是d·MPa^-1,R2为回归方程的相关性系数（Coefficient of determination）,表示方程中自变量X对因变量y的解释程度，其值表明回归方程与试验值整体上符合程度较高。进一步对回归进行显着性检验，拟合模型的回归项F值为59.95,育苗周期的方程模型回归关系极显着（P≤0.01）,说明所建立的二次回归模型在P=0.01水平下显着，模型拟合度较高，能反映干湿热循环处理后钵体拉伸强度对育苗周期的影响。

根据拟合模型，可以对RSA-Ⅵ型育苗钵的育苗周期进行验证，干湿热循环处理后拉伸强度X=5.31 MPa,则RSA-Ⅵ型育苗钵育苗周期y=34 d,而实际观察天数为35 d,误差范围＜3%,回归预测值与试验值可信度较高。继而选取RSA-Ⅵ型育苗钵进行大棚黄瓜育苗效果的验证试验，试验结果为育苗30 d后钵体完整保持率为85%±2%,霉菌分布面积达60%以上，钵体强度适中，随苗移栽后根系易穿透钵壁，能够满足育苗周期和钵体随苗移栽实际应用需求，具一定增肥效力。有关育苗钵养分释放规律及对土壤微环境的影响程度，将另文报道。 3 结论

（1）稻壳/大豆蛋白基黏合剂育苗钵适用于茄果类蔬菜幼苗的育苗，育苗期间RSN-Ⅵ钵体强度适中，随苗移栽后能促进茄果类蔬菜幼苗的生长，是一种理想的农业育苗钵。

（2）以干湿热循环4次处理后的拉伸强度为自变量X,以育苗周期为因变量y,建立了回归方程y= -0.35X²+9.43X-5.85（R²=0.947 3）,其中回归系数的单位是d·MPa^-1.RSN-Ⅵ育苗钵拉伸强度为5.31 MPa,育苗周期为35 d.