矿物油在香蕉叶中的物理行为与渗透机制：为植物病害可持续防控提供科学依据

《Pest Management Science》：Sustainable treatment of banana leaves for phytosanitary applications: impact, spreading, and impregnation of mineral oil

本文通过高速成像、图像分析与微傅里叶变换红外光谱（μFTIR）技术，首次系统阐明了矿物油在香蕉叶片上的动态过程，揭示了其在撞击时无回缩、低飞溅的特性，其在叶片表面的铺展遵循幂律标度（tα，α=0.21），符合Tanner定律，并能选择性扩散并富集于栅栏组织，有效扩散系数为(1.2±0.8)×10-8cm2s-1，为开发更高效、可持续的叶面喷施制剂提供了理论依据。

　　

本文围绕矿物油在香蕉叶上的物理与化学相互作用展开，旨在为香蕉黑叶斑病等叶面真菌病害的可持续防控提供新见解。研究采用集成化的物理化学实验方法，对矿物油在香蕉叶片上的撞击、铺展及渗透全过程进行了多尺度、定量化的表征。

矿物油与香蕉叶

研究所用的矿物油为商品化的?MaxPar BSO 75，其密度、黏度、表面张力等物理性质被精确测量。香蕉叶片取自卡文迪什品种，重点研究了叶片上表面的特性。与水滴在疏水的香蕉叶面上形成约117°的接触角不同，油滴在叶面上表现出完全润湿的特性。叶片表面具有多层次、各向异性的粗糙结构，从毫米级到纳米级，呈现出垂直于中脉的周期性纹理，这对其表面液体的行为有重要影响。用于渗透研究的叶片横截面厚度为40μm，其结构包含角质层、表皮、栅栏组织、海绵组织、维管束等多种组织。

液滴撞击行为

研究者利用高速摄像机记录了不同撞击速度下单个矿物油滴在香蕉叶片上的动态。结果表明，油滴撞击后迅速铺展，达到最大铺展系数β_max后不会回缩。即使在高撞击速度下，也只观察到较弱的飞溅现象。撞击参数β(t)随时间演化，其最大值随撞击速度增加而增大。通过将实验结果与Laan等人提出的主曲线进行对比，发现尽管香蕉叶表面结构复杂，但油滴的撞击行为在无因次框架下（韦伯数We，雷诺数Re）仍与在理想可润湿表面的行为基本一致，这表明其撞击动力学主要由惯性、毛细作用和黏性共同控制。这项发现为通过调整喷雾液滴撞击速度来优化叶面沉积效果提供了直接指导。

喷雾铺展动力学

在更接近田间施药的模拟喷雾实验中，研究者观察了油滴在叶面上的集体铺展行为。研究发现，铺展过程具有强烈的各向异性，即沿着平行于叶片次生叶脉方向的铺展速度远快于垂直方向。这种方向性被认为与叶片的多尺度、各向异性的表面粗糙结构有关。对油膜覆盖面积随时间变化的定量分析显示，覆盖率P(t)遵循幂律增长，即P(t) ∝ t^α，其中指数α = 0.21 ± 0.02。这一规律与描述单滴在光滑表面上铺展的Tanner定律（R(t) ∝ t^1/10）相符，表明即使在复杂的生物表面，喷雾的整体宏观铺展行为仍可由无数个遵循类似动力学规律的微小铺展与合并事件的序列来理解。这种可控的、可预测的铺展行为对于实现植保药剂的均匀沉积至关重要。

渗透与组织内富集

研究最关键的发现之一是证明了矿物油不仅能覆盖叶片表面，还能渗透进入叶片内部组织。通过微红外光谱对经过不同时间油膜浸渍处理的叶片横截面进行化学成像，结果显示，矿物油的特征吸收峰（特别是ν(CH)伸缩振动峰，2923 cm^-1）在叶片内部出现。化学图谱清晰地表明，矿物油在叶片内部并非均匀分布，而是优先、显著地富集在栅栏组织内，同时在木质部和韧皮部也有一定程度的积累。而叶片的固有化学成分（如ν(OH)/ν(NH)、酰胺I、酰胺II和多糖的特征峰）在浸渍前后没有明显变化，说明矿物油的渗透并未显著改变叶片组织的化学结构。在喷雾条件下处理24小时，同样能检测到油在栅栏组织中的存在，但其在维管组织中的信号较弱，这反映了有限油量下渗透分布的局域性。

渗透动力学定量分析

研究者进一步对矿物油在栅栏组织中的渗透动力学进行了量化。通过贝叶-朗伯定律（Beer-Lambert's Law），将红外吸收强度转化为油在组织中的浓度。研究发现，油的渗透过程在时间上呈现两个阶段：在约3.6小时的潜伏期内，组织内检测不到油浓度的增加；随后，浓度开始随时间呈亚线性增长。该过程可以用一维扩散模型（菲克定律，Fick's law）成功拟合，并引入一个初始的延迟时间来表征。通过拟合，得到了矿物油在香蕉叶片栅栏组织中的有效扩散系数D = (1.2 ± 0.8) × 10^-8cm²s^-1。这个值与脂质分子在生物膜中的扩散系数相当。约3.6小时的潜伏期很可能反映了叶片角质层对疏水性分子扩散的屏障作用，这一时间与农业生产中“若喷药后数小时内下雨需重喷”的经验做法相符。这种定量的扩散行为描述，为优化施药间隔和制定科学的田间管理方案提供了精确的物理化学基础。

结论与展望

本研究首次完整地刻画了矿物油在香蕉叶片上从撞击、铺展到内部渗透的全序列物理化学过程。研究证实，矿物油不仅能在叶片表面形成有效覆盖，还能通过扩散进入被真菌病原体（如斐济球腔菌）侵染的关键目标组织——栅栏组织。这一发现更新了对矿物油作用模式的理解，它可能不仅通过表面屏障作用抑制孢子萌发，还能在病原体侵入的关键内部位点发挥作用，甚至可能潜在地影响植物的局部防御反应。该工作提出的综合物化表征框架，为基于靶标作物叶片结构功能特性，理性设计下一代高效、可持续的植物保护制剂奠定了坚实的基础。