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晋西黄土区沟谷不同部位植物多样性

江姗, 魏天兴, 范德卉, 于欢, 叶小曼, 谢宇, 李世杰

江姗, 魏天兴, 范德卉, 于欢, 叶小曼, 谢宇, 李世杰. 晋西黄土区沟谷不同部位植物多样性[J]. 北京林业大学学报, 2024, 46(6): 20-27. DOI: 10.12171/j.1000-1522.20230329
引用本文: 江姗, 魏天兴, 范德卉, 于欢, 叶小曼, 谢宇, 李世杰. 晋西黄土区沟谷不同部位植物多样性[J]. 北京林业大学学报, 2024, 46(6): 20-27. DOI: 10.12171/j.1000-1522.20230329
Jiang Shan, Wei Tianxing, Fan Dehui, Yu Huan, Ye Xiaoman, Xie Yu, Li Shijie. Plant diversity in different positions of gullies and valleys in the loess region of western Shanxi Province, northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2024, 46(6): 20-27. DOI: 10.12171/j.1000-1522.20230329
Citation: Jiang Shan, Wei Tianxing, Fan Dehui, Yu Huan, Ye Xiaoman, Xie Yu, Li Shijie. Plant diversity in different positions of gullies and valleys in the loess region of western Shanxi Province, northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2024, 46(6): 20-27. DOI: 10.12171/j.1000-1522.20230329

晋西黄土区沟谷不同部位植物多样性

基金项目: “十四五”国家重点研发计划(2022YFF1300401)。
详细信息
    作者简介:

    江姗。主要研究方向:水土保持、林业生态工程。Email:js1998@bjfu.edu.cn 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院

    责任作者:

    魏天兴,博士,教授。主要研究方向:流域自然地理过程、生态修复、林草生态工程。Email:weitx@bjfu.edu.cn 地址:同上。

  • 中图分类号: S79;Q948.11

Plant diversity in different positions of gullies and valleys in the loess region of western Shanxi Province, northern China

  • 摘要:
    目的 

    为了对黄土丘陵沟壑区小流域沟谷进行更精准的保护和修复,从植物多样性和生态位宽度等方面,对沟谷不同地貌部位(沟底、沟阳坡和沟阴坡)的自然恢复能力进行了研究。

    方法 

    通过在山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站进行野外实地调查,分析不同部位植物的群落生长特征及其多样性,比较不同地貌部位植物群落间的相似性。

    结果 

    (1)研究区灌草植物共有40科76属98种,其中灌木17科27属34种,草本29科51属64种。灌木层科属种总数表现为沟阳坡 > 沟阴坡 > 沟底,草本层为沟底 > 沟阴坡 > 沟阳坡。(2)灌木层优势种为:黄刺玫、荆条、木蓝。草本层优势种为:芦苇、黄花蒿、披针薹草。在灌木层,沟底黄刺玫和杠柳的生态位宽度较大,沟阳坡和沟阴坡中荆条和木蓝的生态位宽度较大。在草本层,沟底芦苇和白莲蒿的生态位宽度较大,沟阳坡和沟阴坡中披针薹草的生态位宽度较大。(3)在沟底、沟阳坡和沟阴坡间Margalef 指数、Shannon-Wiener指数、Simpson指数和Pielou指数并未表现出显著差异(P > 0.05)。各群落间Jaccard系数0.50 ≤ q < 0.75。Jaccard 系数在沟阳坡和沟阴坡间达到最大,为0.630。

    结论 

    整体来看,沟谷的自然恢复能力强,地貌部位中沟阳坡和沟阴坡自然植被恢复能力比沟底强。不同地貌部位的群落组成复杂度表现为沟阳坡 > 沟阴坡 > 沟底。沟谷不同地貌部位优势种不同,从沟阳坡到沟阴坡再到沟底,随着光照的减少和水分的增加,优势种由耐旱喜阳植物发展为耐阴植物。

    Abstract:
    Objective 

    In order to provide more precise protection and restoration of small watershed gullies in loess hills and gullies, the natural restoration capacity of different geomorphic parts of gullies (gully floor, gully sunny slope and gully shady slope) was investigated in terms of plant diversity and ecological niche width.

    Method 

    Through field investigation at the National Field Scientific Observatory of Forest Ecosystems in Jixian County, Shanxi Province of northern China, we analyzed the growth characteristics of plant communities and their diversity in different parts of the landscape, and compared the similarities between plant communities in different parts of the landscape.

    Result 

    (1) There were 98 species of shrub and grass in 40 families and 76 genera in the study area, including 34 species of shrub in 17 families and 27 genera, and 64 species of herb in 29 families and 51 genera. Total number of family species in the shrub layer was showed as gully sunny slope > gully shady slope > gully floor, while in the herb layer, it was showed as gully floor > gully shady slope > gully sunny slope. (2) The dominant species in shrub layer was Rosa xanthina, Vitex negundo var. heterophylla, and Indigofera tinctoria. The dominant species in the herbaceous layer were Phragmites australis, Artemisia annua, and Carex lancifolia. In the shrub layer, Rosa xanthina and Periploca sepium in the gully floor had larger width of ecological niches, and Vitex negundo var. heterophylla and Indigofera tinctoria in the gully sunny slope and gully shady slope had larger width of ecological niches. In the herb layer, Phragmites australis and Artemisia stechmanniana in the gully floor had larger width of ecological niches, and Carex lancifolia in the gully sunny slope and gully shady slope had larger width of ecological niches. (3) Margalef index, Shannon-Wiener index, Simpson index and Pielou index were not significantly different (P > 0.05) among varied geomorphological parts (gully floor, gully sunny slope, gully shady slope). Jaccard’s coefficient between communities was 0.50 ≤ q < 0.75. The Jaccard coefficient reached a maximum of 0.630 between gully sunny slope and gully shady slope.

    Conclusion 

    Overall, the gully is found to be naturally resilient, with the gully sunny slope and gully shady slope among the geomorphological sites being more resilient to natural vegetation than the gully floor. The complexity of community composition at different landscape sites is shown as gully sunny slope > gully shady slope > gully floor. The dominant species varies in different geomorphological parts of the gully, from gully sunny slope, gully shady slope to gully floor, and the dominant species evolved from drought-tolerant sun-loving plants to shade-tolerant plants as light decreases and water increases.

  • 装饰原纸经油墨印刷并浸渍氨基树脂后干燥至一定程度,形成具有一定树脂含量的印刷装饰胶膜纸。印刷装饰胶膜纸热压后可相互胶合或与人造板基材胶合,广泛应用于人造板表面装饰,对人造板具有保护和装饰作用[1]。由于印刷装饰纸先印刷后浸胶,因此,印刷墨层的透水透气性对后续浸胶量和饰面图案清晰度有重要的影响。目前,调节墨层的透气性主要通过选择合适的连接料[2]。印刷装饰纸用水性油墨的连接料包括水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯、明胶、改性大豆蛋白和干酪素等。其中,水性丙烯酸树脂由于成膜性较好,但耐热性能差,在实际应用中已逐渐被淘汰。水性聚氨酯的交联密度大,会严重影响印刷装饰纸墨层的浸胶量[3]。明胶、大豆蛋白分子量较大,会影响印刷装饰纸对胶液的吸收。相比之下,干酪素水性油墨成膜疏松多孔,浸胶量较大。因此,目前装饰纸用水性油墨的主要连接料是干酪素。然而,以干酪素为连接料的水性油墨存在耐水性、耐热性差等问题。

    针对上述问题,可采用对干酪素改性增强其耐水性,或者通过缩聚反应提高其耐热性。例如,干酪素与己内酰胺(C6H11NO,CPL)的缩聚反应,该反应从交联聚合上可增加干酪素的交联密度,降低干酪素的透气性,但耐水性并未显著提高[4]。羟甲基丙烯酰胺(C4H7NO2,NMA)含有极性N-羟甲基(N-CH2OH)、乙烯基等基团,能够与聚合物中的羟基、羧基发生交联,形成高交联密度的结构。除此之外,NMA含有的羟甲基和酰胺键等亲水性基团,使其亲水性有明显的提升[5],双丙酮丙烯酰胺(C9H15NO2,DAAM)分子结构中含有的乙烯基官能团,可进行聚合反应,有效增加结构稳定性。尽管它的共聚物或均聚物不溶于水,但聚合物中侧链中的酰胺基和酮羰基会使聚合物在潮湿环境中吸收水分[6]。通过前期探索发现,单一CPL改性干酪素,耐水性改善较弱[7],但能较大程度提高干酪素粒径;单一NMA改性干酪素,交联密度过大,黏度增加剧烈,不适合油墨的印刷;单一DAAM改性干酪素会很大程度影响干酪素的亲水性,不利于干酪素水性油墨的浸胶。

    结合CPL、NMA和DAAM各自的特点,本研究针对干酪素耐水性不佳且吸水膨胀的问题,联合CPL、NMA和DAAM对干酪素进行改性。通过测试改性干酪素及其相应水性油墨和印刷装饰纸的性能,分析改性干酪素对水性油墨的耐水性和印刷装饰纸浸胶量的影响,探究CPL、NMA和DAAM联合改性干酪素机制。

    装饰原纸1(定量70.0 g/m2)、装饰原纸2(定量80.0 g/m2)、进口干酪素、印刷装饰纸用市购干酪素水性油墨、引发剂、分散剂、消泡剂、防腐剂、水性树脂用颜料,均购自广东天元汇邦新材料股份有限公司。改性剂包括N-羟甲基丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺、己内酰胺、乙醇胺(C2H7NO,MEA),购自国药集团有限公司。去离子水为实验室自制。

    人造板装饰胶膜纸的制备主要包括树脂的选择、树脂的改性、油墨的制备、印刷装饰原纸、浸胶印刷装饰纸及压贴装饰胶膜纸等工艺。本研究为了探究改性干酪素树脂耐水性对印刷装饰纸墨层的耐水性影响,制备了改性干酪素树脂、改性干酪素水性油墨和相应的印刷装饰纸。同时,为了探究改性干酪素树脂的亲水性和成膜结构对印刷装饰纸的浸胶量影响,制备了改性干酪素水性油墨和印刷装饰胶膜纸。

    以CPL、NMA和DAAM联合改性干酪素,其质量比为12.0∶1.0∶4.0∶35.0。首先,将12.0 g的CPL和100.0 g去离子水搅拌均匀,直至CPL完全溶解,将其转移至四口烧瓶。之后,向四口烧瓶中加入35.0 g的干酪素,待搅拌分散均匀后,开始加热。待升温至80 ℃时,滴加MEA,调节pH值至8.5,并不断搅拌。待升温至90 ℃,加入DAAM和NMA,同时滴加引发剂。最后,温度保持在90 ℃,回流2.5 h,制得改性干酪素树脂。

    将清洁的聚四氟乙烯板放于水平操作台,倒入上述改性干酪素树脂。室温干燥24 h,待干酪素膜表面无气泡,将其放入60.0 ℃烘箱干燥6 h。取出固化膜,放入干燥器中备用。

    将13.3 g的改性干酪素树脂加入四口烧瓶,并以300 r/min搅拌20 min,充分搅动。加入MEA,调节pH值至9.0,500 r/min搅拌5 min。之后依次加入1.0 g分散剂、0.2 g消泡剂、0.8 g防腐剂和45.0 g水, 500 r/min搅拌20 min。将搅拌均匀的树脂混合液和15.0 g颜料在行星式球磨机的研磨器中以320 r/min研磨5 h,制得干酪素水性油墨。

    取2.0 ~ 3.0 g油墨用厚度2.0 μm的涂布棒涂布在装饰原纸表面,然后将涂布好的装饰原纸放入130 ℃烘箱干燥30 s,得到印刷装饰纸。

    取印刷装饰纸浸渍三聚氰胺–甲醛树脂,浸渍时间为120 s,取出后用玻璃棒刮除表面多余树脂,将其放入120 ℃烘箱中干燥60 s,得到印刷装饰胶膜纸。

    按照GB/T 1725—2007《色漆、清漆和塑料 不挥发物含量的测定》测定干酪素树脂、改性干酪素树脂的固含。为了测量树脂的稳定性和分散性,采用激光粒度测量仪,对干酪素、改性干酪素树脂粒径和Zeta电位进行测试,溶剂为去离子水。为了检测干酪素树脂是否符合生产要求,采用旋转黏度计对干酪素、改性干酪素乳液和黏度进行测试。

    为了观测干酪素成膜形态,采用场发射扫描电子显微镜(field emission scanning electron microscope,FE-SEM,Hitachi,日本)观察干酪素膜表面形貌。

    为了研究干酪素树脂改性状况,采用傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR,Nicolet Magna,美国)测试改性干酪素膜的官能团变化,其测试得数范围为400 ~ 4 000 cm−1,分辨率4 cm−1,扫描次数32次。

    采用热重分析(TGA,SDT-Q500,TA公司,美国)对干酪素和改性干酪素膜进行热稳定性检测。

    为了检测干酪素树脂的亲水性,利用视频光学接触角测量仪(OCA15EC,DATA PHYSICS,德国)对干酪素膜和改性干酪素膜的表面接触角进行测试,滴加液体为水,滴加量为2.0 μL。

    为了检测干酪素树脂的透水透气性,采用水蒸气透过率测试仪(W3-031,济南思克测试技术公司,中国)对干酪素和改性干酪素漆膜的水蒸气透过率进行测试。

    为了检测干酪素的耐水性,测试浸水40 min后的干酪素树脂残留率。将干酪素树脂在105 ℃下烘干30 min,并称其质量m1;将浸水40 min后的干酪素树脂放入烘箱,在105 ℃烘30 min,并称其质量m2,然后计算干酪素树脂残留率(W)。

    W=m2m1m1×100% (1)

    按照GB/T 1725—2007《色漆、清漆和塑料 不挥发物含量的测定》测定干酪素水性油墨、改性干酪素水性油墨的固含。

    为了检测水性油墨的分散性和稳定性,采用激光粒度测量仪,测试水性油墨的粒径和Zeta电位,溶剂为去离子水。

    采用旋转黏度计,测试干酪素乳液、改性干酪素乳液及其水性油墨的黏度。

    为获取印刷装饰纸墨层的特点,采用FE-SEM观察印刷装饰纸的表面形貌,并采用能量色散 X 射线光谱仪(energy dispersive spectrometer,EDS)对印刷装饰纸中的P元素和Cl元素进行面扫分析。由于红色颜料254是富含Cl元素的有机颜料,干酪素含有大量磷蛋白,故选择两者作为颜料和干酪素的特征元素。为显示出颜料在纸张表面的分布情况,以及探究干酪素对于颜料的固结效果,选择不添加干酪素的染色纸作为对照组。

    参照 QB/T 5477—2020《装饰纸水性印刷油墨》,对印刷装饰纸墨层耐热性进行测试。结果取3次测试数据的平均值。

    为了检测印刷装饰纸墨层的耐水性,测试印刷装饰纸浸水40 min后的墨层残留率。取10 cm × 10 cm印刷装饰纸和装饰原纸,在105 ℃烘箱中烘干2 min,测试烘干后的印刷装饰纸质量,分别记为mʹ1mʹ0,再将其浸入去离子水中40 min,取出,放入105 ℃烘箱烘干1 h,测试质量mʹ2。印刷装饰纸墨层残留率(Wʹ)计算见式(2)。

    W=m2m0m1m0×100% (2)

    分别取10 cm × 10 cm的印刷装饰纸和印刷装饰浸胶纸在(130 ± 2) ℃的烘箱中干燥2 min,并测质量,计算浸胶前后的质量差即可得到浸胶量。每个条件分成3组平行实验,每组平行实验重复5次,取平均值。

    印刷装饰纸性能主要取决于水性油墨,而油墨的“心脏”是干酪素树脂,因此干酪素树脂的耐水性、亲水性和结构会影响印刷装饰纸墨层的耐水性和浸胶量。通过测试改性干酪素的官能团变化和热分解的变化,探究干酪素改性是否成功;通过测试改性干酪素树脂的微观形貌、残留率、水蒸气透过率和水接触角,获得改性干酪素树脂的亲水性和结构特征,研究其对印刷装饰纸墨层的耐水性和浸胶量的影响。

    连接料的颜色和光泽度是油墨的颜色和光泽度的重要影响因素[8]。目前,市场上的干酪素树脂多为淡黄色,而本研究的改性干酪素树脂和干酪素树脂两者的颜色均为黄色(表1),可能是加热使部分干酪素中的酪蛋白和残留的多糖发生美拉德反应,使干酪素出现褐化反应[9]。干酪素中酪蛋白在低浓度时以酪蛋白分子存在,随着干酪素浓度增加,分子通过疏水、氢键和盐键作用可形成酪蛋白胶束[10]。酪蛋白胶束是由酪蛋白分子中磷酸化的丝氨酸基团与牛乳中的钙离子通过非共价交联作用形成的聚集体,直径约150 nm[11]。因此,钙离子的含量与酪蛋白胶束的稳定性至关重要。除此之外,Zeta电位是衡量胶体分散体系稳定性的重要指标,若酪蛋白胶束的表面负电荷或正电荷较多,胶体的稳定性会较好,因此可借助酪蛋白微观带电特性间接获得胶体的稳定性[12]

    表  1  干酪素和改性干酪素乳液的基础性能
    Table  1.  Basic properties of casein and modified casein emulsion
    乳液
    Emulsion
    颜色
    Color
    固含
    Solid content/%
    pH Zeta电位
    Zeta potential/mV
    平均粒径
    Average particle size/nm
    黏度
    Viscosity/(mPa·s)
    干酪素 Casein 黄色 Yellow 15 8.5 −40.5 110 1 280
    改性干酪素 Modified casein 黄色 Yellow 15 8.5 −45.0 348 1 482
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    酪蛋白胶束的粒径大小和Zeta电位随pH值发生剧烈变化。当pH值 < 4.7时,干酪素树脂产生微米级的聚集并沉淀,虽有微量酪蛋白胶束残存,但可忽略不计;当4.7 < pH值 < 6.7时,酪蛋白胶束受静电斥力相互作用其平均粒径未发生变化,Zeta电位随pH的升高而增大;当7.7 < pH值 < 9.0时,210 nm左右的酪蛋白胶束剧烈减少,其Zeta电位几乎不变;当pH值 > 9.0时,大酪蛋白胶束剧烈增加,但与天然的大酪蛋白胶束不同,可能缺失了钙离子,其Zeta电位也是恒定的[13]。因此,本研究干酪素和改性干酪素的固含、pH值均为15%、8.5,两者的色泽均为黄色。尽管市购干酪素树脂固含大,但稳定性差,易沉淀;而改性干酪素树脂较为稳定。改性干酪素乳液的Zeta电位高于干酪素乳液,可能是改性后引入了酰胺键和羟基,使干酪素水溶液负电荷增多,胶束间的静电斥力增大,从而增强了体系的稳定性。

    干酪素乳液的黏度和粒径是影响干酪素油墨的重要指标。若干酪素树脂黏度过大,在研磨阶段会产生大量气泡,不利于油墨的储存;另一方面,由于机械力的作用使酪蛋白间大量次级键断裂,造成肽链解离,使酪蛋白的粒径减小,加之蛋白质在微生物作用下易于发生水解,使得干酪素油墨的储存稳定性不佳。为解决这一问题,本研究选择粒径 < 3.0 μm,但粒径相对较大的干酪素乳液,通过增加酪蛋白间的化学键相互作用,进一步增强酪蛋白的结构稳定性。改性干酪素乳液的粒径约是干酪素乳液的3倍(表1),黏度也较高。此结果表明,改性干酪素内部可能形成了大量的共价键,构成了较紧密的结构。这进一步表明了干酪素改性的成功。

    干酪素膜的断面结构出现阶梯的层次(图1a),而改性干酪素未出现不同层次的结构(图1e);在放大10 000倍后,改性干酪素呈现致密的平面结构(图1f),相比未改性干酪素(图2c)更加光滑,这样的结构可以提高干酪素树脂的耐水性。

    图  1  干酪素膜和改性干酪素膜在不同倍数下SEM图
    Figure  1.  SEM images of casein and modified casein

    干酪素含有大量的酰胺键,3 276 cm−1 处分别对应 O−H 和 N−H(酰胺A带)的伸缩振动[14],1 636、1 239、1 536 cm−1 处分别对应C=O 键伸缩振动(酰胺Ⅰ带)、C−N键伸缩(酰胺Ⅱ带)、N−H 键伸缩振动(酰胺Ⅲ带)[15]。干酪素的吸收光谱除了酰胺键的特殊吸收峰外,在2 920 cm−1出现了CH2的吸收峰(图2)。对比改性前后干酪素的红外吸收光谱,改性后的干酪素酰胺A带、酰胺Ⅰ带和酰胺Ⅱ带的峰都有明显的增强,说明干酪素蛋白质可能出现酰基化反应。除此之外,改性干酪素的C−O键从1 400 cm−1 移动至1 420 cm−1 ,这表明干酪素原有结构的氢键受到破环,其结构随之发生改变。

    图  2  干酪素和改性干酪素的傅里叶红外光谱图
    Figure  2.  FTIR spectrum of casein and modified casein

    干酪素热重曲线(图3a)可以分为4个阶段:第一阶段45 ~ 176 ℃,干酪素中水和一些易挥发性物质挥发;第二阶段176 ~ 248 ℃,蛋白侧链脱氨、脱羧反应发生;第三阶段248 ~ 380 ℃,酪蛋白的主链出现分解,肽键开始断裂;第四阶段380 ~ 800 ℃,前一阶段形成的碳残基在该温度下发生氧化分解[16]。温度 < 176 ℃时,改性干酪素和干酪素的质量损失都较小,但改性干酪素树脂的质量损失更小;在176 ~ 600 ℃,改性干酪素引入了大量的酰胺键和羟基,故其质量损失率大于干酪素树脂(图3b);当温度 > 600 ℃时,改性干酪素中借助于酰胺类化合物,将C=C引入至干酪素,并在催化剂的作用下发生了自由基的聚合,生成了聚合能更高的C−C,故改性干酪素的耐热性强于干酪素,该结果证明了改性干酪素中引入了C−C,氨基化合物成功接枝在干酪素分子上。

    图  3  干酪素和改性干酪素的TG-DTG曲线
    Figure  3.  TG and DTG curves of casein and modified casein

    改性后干酪素树脂的水接触角明显降低,其接触角小于干酪素树脂(图4ab)。这可能是由于改性后引入了大量的酰胺键和羟基,使干酪素树脂结构的亲水性增强。改性干酪素树脂的水蒸气透过率是干酪素树脂的一半(图4c),这表明改性后干酪素的透水透气性明显减弱。树脂的水蒸气透过率由树脂的交联度和亲水性决定,且改性干酪素树脂的亲水性强于干酪素树脂,所以改性干酪素树脂的交联度较高,这也证明了改性使干酪素形成了较紧密的结构。干酪素和改性干酪素树脂的残留率分别为50.0%、80.5%(图4d)。相较于干酪素树脂,改性干酪素树脂的残留率显著提高,其原因可能是改性引入了大量的共价键,减少了次级键,使干酪素的内部结构更加紧密。改性干酪素树脂的残留率显著提高,干酪素树脂的耐水性随之显著提升。

    图  4  干酪素和改性干酪素的水接触角、水蒸气透过率和耐水性
    Figure  4.  Water-contact angle, water vapor transmission rate and water-resistance of casein and modified casein

    通常未添加连接料的水性油墨pH值在8.0 ~ 9.5,在此区间油墨具有较好的流动性,当水性油墨pH值过高或过低都会出现印刷事故,例如:碱性太强,油墨的黏度会降低,干燥速度变慢,耐水性能变差等。目前市场上的干酪素油墨的pH值范围有7.0 ~ 9.0、7.0 ~ 8.0、8.0 ~ 9.0和8.5 ~ 9.5。为控制研究条件,本研究中油墨的pH均为8.5,固含均为15%。

    干酪素水性油墨、改性干酪素水性油墨和市购干酪素水性油墨的Zeta电位分别为−26.0、−31.0和−30.0 mV(表2)。根据Zeta电位结果,干酪素能增强颜料的稳定性,改性干酪素水性油墨的稳定性更好,略高于市购干酪素水性油墨。同时,干酪素水性油墨、改性干酪素水性油墨和市购干酪素水性油墨的平均粒径分别为97.2、119.6和95.2 nm(表2)。干酪素水性油墨的粒径是颜料粒径的近一倍,但低于改性干酪素水性油墨,接近于市购干酪素水性油墨。

    表  2  不同类型干酪素水性油墨的基础性能
    Table  2.  Basic properties of different types of casein water-based ink
    类型 Type固含
    Solid content/%
    pHZeta电位
    Zeta potential/mV
    平均粒径
    Average particle size/nm
    黏度Viscosity/
    (mPa·s)
    干酪素水性油墨
    Casein water-based ink
    158.5 −26.097.2520
    改性干酪素水性油墨
    Modified casein water-based ink
    158.5−31.0119.6100
    市购干酪素水性油墨
    Commercial casein water-based ink
    158.5−30.095.2253
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    上述结果显示制备的改性干酪素水性油墨符合市场印刷工艺和油墨基础性能需求。为进一步探求印刷装饰纸墨层结构特点,本研究通过观测印刷装饰纸的微观形貌特点和测定印刷装饰纸的耐热性、耐水性、浸胶量,分析印刷装饰纸的微观形貌与浸胶量之间的关系。

    SEM图像(图5)显示:3种印刷装饰纸的平面呈现出明显的孔隙,且孔隙均大于500 nm。根据印刷装饰纸的宏观的EDS能谱图结果,干酪素水性油墨装饰纸和改性干酪素水性油墨装饰纸表面均出现了微量的P元素,说明两种干酪素在水性油墨和装饰表面的分布都较为均匀。

    图  5  印刷装饰纸的样品图、SEM和EDS图
    Figure  5.  Sample pictures, SEM and EDS images of printing decoration paper

    图6中所有印刷装饰纸的上墨量为(6.0 ± 1.0)g/m2。改性后的干酪素水性油墨浸水后墨层的残留率为100%(图6a),而市购干酪素水性油墨装饰纸和干酪素水性油墨装饰纸均发生颜料的溶解脱落,表明改性干酪素增加了颜料间以及颜料与纸张间的附着力。因为干酪素在加热过程中存在美拉德反应,所以随着温度的升高,市购干酪素水性油墨装饰纸的色差值逐渐增大:当温度达到170 ℃时,ΔE > 5(图6b),装饰纸表面已发生明显的颜色变化。而改性后的干酪素水性油墨装饰纸随温度的变化,其色差值基本上没有发生变化,当温度达到210 ℃时,ΔE < 1。这可能是改性后的干酪素中多糖已与干酪素发生相互作用,因此装饰胶膜纸压贴时,装饰纸水性油墨墨层的颜色不会发生太大变化。当温度达到210 ℃时,干酪素水性油墨的ΔE < 3(图6b)。相较于市购干酪素水性油墨装饰纸,改性干酪素水性油墨装饰纸的耐热性有较大的提高。

    图  6  不同干酪素油墨制备的印刷装饰纸耐水性、耐热性和浸胶量
    Figure  6.  Water-resistance, heat-resistance, and impregnation amount of printing decoration papers prepared by different casein ink

    原纸1、2分别为70、80 g/m2的白色装饰原纸,前者有较高的孔隙性,密度较低,而后者较为致密。在原纸1上,三者浸胶量相差较小,但改性后的干酪素水性油墨装饰纸的浸胶量仍大于干酪素水性油墨装饰纸或市购干酪素水性油墨装饰纸;在原纸2上,改性后的干酪素水性油墨装饰纸的浸胶量明显大于干酪素水性油墨装饰纸或市购干酪素水性油墨装饰纸(图6c)。因为改性干酪素水性油墨装饰纸墨层表面增加了亲水性基团,所以其亲水性提高,进而浸胶量提高。但改性剂的加入使干酪素树脂耐水性的增加,同时其孔隙率明显下降,所以改性干酪素水性油墨装饰纸的浸胶量与市购干酪素、干酪素水性油墨装饰纸的浸胶量相差不大。原纸1中三者浸胶率差别较小,可能是由于原纸1具有较大的孔隙。

    市购干酪素水性油墨的耐水性较差,在水中其结构出现明显膨胀,且颜色发生明显改变(图6d)。改性后的干酪素水性油墨在泡水后结构未发生明显改变,且颜色改变不大。因此,改性后的干酪素油墨的耐水性有明显提升,颜色稳定性更好,更适用于装饰纸印刷。

    通过CPL、NMA和DAAM联合对干酪素进行改性。首先,CPL与干酪素中的羟基、羧基发生反应,增加了聚合物的内聚力,并增强了干酪素的耐水性,提供了更多的接枝位点。然后,丙烯基与干酪素上的羟基、羧基等活性基团发生自由基反应,增强结构内稳定性,为干酪素水性油墨墨层的耐水性提供了结构基础,同时引入极强亲水性的酰胺基,增强了干酪素树脂的亲水性,为干酪素水性油墨墨层的浸胶量提高提供了有利条件(图7)。干酪素中存在多糖,所以在压贴过程中会出现较大色差。改性过程通过热处理产生美拉德反应,避免了在后续工艺中产生色差,增强了干酪素水性油墨的耐热性。

    图  7  CPL、NMA和DAAM联合改性干酪素反应示意图
    Figure  7.  Diagrams of modified casein reaction by CPL, NMA and DAAM combination

    为解决干酪素耐水性不佳且吸水膨胀的问题,制备了一种化学改性干酪素,并探究相应的墨层透气性能及装饰纸浸胶量的变化。

    (1)采用己内酰胺(CPL)、N-羟甲基丙烯酰胺(NMA)和双丙酮丙烯酰胺(DAAM)对干酪素进行改性,制备了耐水性能较好,且适用于装饰纸印刷的干酪素水性油墨。

    (2)相比于未改性的,改性干酪素水性油墨Zeta电位为−31.0 mV,稳定性有明显提升;改性后的装饰纸在浸水40 min后墨层残留率增加了156%,耐水性明显提升,且没有墨层的损失;在210 ℃下,改性后的干酪素水性油墨ΔE < 1,颜色未发生变化,而市购干酪素的ΔE > 25,因此其耐热性明显提高。

    (3)相较于市购的,改性后的装饰纸墨层在浸水40 min后墨层残留率提升了139%,且反映耐热性的色差值仅为市购的35%,因此其耐水性和耐热性明显提升;改性后的印刷装饰纸浸胶量增加了129%,适用于印刷装饰纸的生产。

    本研究通过化学改性提升了干酪素水性油墨印刷装饰纸的耐水性和耐热性,基本解决了干酪素水性油墨耐水性较差的问题。下一步将着重分析改性剂与干酪素水性油墨之间的结合机理,为提高印刷装饰纸的性能提供理论依据。

  • 图  1   不同部位灌草植物群落生长特征

    不同字母表示不同位置差异显著(P < 0.05)。Different letters indicate significant differences among varied positions (P < 0.05).

    Figure  1.   Growth characteristics of shrub and grass communities in different positions

    图  2   不同部位灌草植物群落物种多样性指数

    相同字母表示差异不显著(P > 0.05)。The same letter indicates that there is no significant difference (P > 0.05).

    Figure  2.   Species diversity index of shrub and grass communities in different positions

    表  1   样地基本信息

    Table  1   Basic information of sample plots

    沟样地号
    Gully sample plot No.
    部位
    Position
    经度
    Longitude
    纬度
    Latitude
    海拔
    Elevation/m
    坡向
    Aspect/(°)
    坡度
    Slope/(°)
    1 沟底 Gully floor 110°46′40″E 36°16′24″N 898.4
    沟阳坡 Gully sunny slope 110°46′25″E 36°16′13″N 891.1 140 14
    沟阴坡 Gully shady slope 110°46′44″E 36°16′30″N 905.2 320 30
    2 沟底 Gully floor 110°46′15″E 36°16′08″N 914.0
    沟阴坡 Gully shady slope 110°46′14″E 36°16′07″N 917.0 70 35
    沟阳坡 Gully sunny slope 110°46′15″E 36°16′08″N 918.0 250 36
    3 沟底 Gully floor 110°44′34″E 36°16′42″N 920.0
    沟阳坡 Gully sunny slope 110°44′34″E 36°16′42″N 928.0 210 40
    沟阴坡 Gully shady slope 110°44′34″E 36°16′42″N 925.0 40 39
    注:坡向以正北为0°,顺指针方向旋转。Note: aspect is measured with north as 0 degrees, turning clockwise.
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    表  2   不同地貌部位灌草植物群落前5位物种重要值

    Table  2   Top five species importance values of shrub and grass communities in different geomorphological positions

    层次
    Level
    部位
    Position
    主要物种
    Major species
    灌木
    Shrub
    沟底
    Gully floor
    黄刺玫(14.78%) + 荆条(11.59%) + 尖叶铁扫帚(10.57%) + 杠柳(10.38%) + 萝藦(5.56%)
    Rosa xanthina (14.78%) + Vitex negundo var. heterophylla (11.59%) + Lespedeza juncea (10.57%) + Periploca sepium(10.38%) + Cynanchum rostellatum (5.56%)
    沟阳坡
    Gully sunny slope
    荆条(16.40%) + 黄刺玫(12.17%) + 木蓝(8.46%) + 杠柳(8.15%) + 油松(6.27%)
    Vitex negundo var. heterophylla (16.40%) + Rosa xanthina (12.17%) + Indigofera tinctoria (8.46%) + Periploca sepium (8.15%) + Pinus tabuliformis (6.27%)
    沟阴坡
    Gully shady slope
    木蓝(12.50%) + 荆条(10.30%) + 河朔荛花(9.66%) + 黄刺玫(8.79%) + 杠柳(7.06%)
    Indigofera tinctoria (12.50%) + Vitex negundo var. heterophylla (10.30%) + Wikstroemia chamaedaphne (9.66%) + Rosa xanthina (8.79%) + Periploca sepium (7.06%)
    草本
    Herb
    沟底
    Gully floor
    芦苇(12.24%) + 白莲蒿(8.07%) + 黄花蒿(6.18%) + 角蒿(4.64%) + 大油芒(4.32%)
    Phragmites australis (12.24%) + Artemisia stechmanniana (8.07%) + Artemisia annua (6.18%) + Incarvillea sinensis (4.64%) + Spodiopogon sibiricus (4.32%)
    沟阳坡
    Gully sunny slope
    披针薹草(13.55%) + 狗尾草(10.73%) + 华北前胡(9.60%) + 黄花蒿(6.75%) + 芦苇(5.68%)
    Carex lancifolia (13.55%) + Setaria viridis (10.73%) + Peucedanum harry-smithii (9.60%) + Artemisia annua (6.75%) + Phragmites australis (5.68%)
    沟阴坡
    Gully shady slope
    黄花蒿(13.31%) + 披针薹草(11.82%) + 狗尾草(7.92%) + 华北前胡(5.99%) + 败酱(4.92%)
    Artemisia annua (13.31%) + Carex lancifolia (11.82%) + Setaria viridis (7.92%) + Peucedanum harry-smithii (5.99%) + Patrinia scabiosifolia (4.92%)
    注:括号内数据为重要值。Note: data in the brackets are important values.
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    表  3   不同部位灌草植物群落前5位生态位宽度

    Table  3   Niche width of top five shrub-herb plant communities in different positions

    部位 Position 灌木
    Shrub
    生态位宽度
    Niche width
    草本
    Herb
    生态位宽度
    Niche width
    沟底 Gully floor 黄刺玫 Rosa xanthina 0.84 芦苇 Phragmites australis 0.56
    杠柳 Periploca sepium 0.64 白莲蒿 Artemisia stechmanniana 0.56
    荆条 Vitex negundo var. heterophylla 0.60 黄花蒿 Artemisia annua 0.39
    尖叶铁扫帚 Lespedeza juncea 0.58 角蒿 Incarvillea sinensis 0.37
    萝藦 Cynanchum rostellatum 0.46 披针薹草 Carex lancifolia 0.34
    沟阳坡 Gully sunny slope 荆条 Vitex negundo var. heterophylla 0.69 披针薹草 Carex lancifolia 0.78
    木蓝 Indigofera tinctoria 0.62 华北前胡 Peucedanum harry-smithii 0.67
    黄刺玫 Rosa xanthina 0.62 狗尾草 Setaria viridis 0.58
    杠柳 Periploca sepium 0.58 黄花蒿 Artemisia annua 0.54
    臭椿 Ailanthus altissima 0.40 败酱 Patrinia scabiosifolia 0.41
    沟阴坡 Gully shady slope 荆条 Vitex negundo var. heterophylla 0.69 披针薹草 Carex lancifolia 0.73
    木蓝 Indigofera tinctoria 0.61 黄花蒿 Artemisia annua 0.64
    黄刺玫 Rosa xanthina 0.59 狗尾草 Setaria viridis 0.48
    河朔荛花 Wikstroemia chamaedaphne 0.51 华北前胡 Peucedanum harry-smithii 0.43
    杠柳 Periploca sepium 0.47 败酱 Patrinia scabiosifolia 0.38
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    表  4   不同地貌部位灌草植物群落相似性系数

    Table  4   Similarity coefficients of shrub and grass communities in different geomorphological positions

    项目
    Item
    沟底
    Gully floor
    沟阳坡
    Gully sunny slope
    沟阴坡
    Gully shady slope
    沟底
    Gully floor
    1
    沟阳坡
    Gully sunny slope
    0.521 1
    沟阴坡
    Gully shady slope
    0.545 0.630 1
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-11-17
  • 修回日期:  2024-06-04
  • 网络出版日期:  2024-06-06
  • 刊出日期:  2024-06-29

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