聚天冬氨酸在水溶肥中的應(yīng)用研究

趙龍梅 焦永康

摘要：對(duì)我國水溶肥的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了研究。分析了水溶肥應(yīng)用過程中產(chǎn)生的結(jié)垢、腐蝕及土壤問題及對(duì)水肥一體化的影響，并對(duì)聚天冬氨酸在增強(qiáng)化學(xué)肥料的螯合分散性、減緩肥料對(duì)管路的腐蝕、增產(chǎn)提質(zhì)及其環(huán)保特性等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，認(rèn)為聚天冬氨酸在水溶肥的應(yīng)用方面機(jī)遇與問題共存。指出了聚天冬氨酸在水溶肥中可能的應(yīng)用方向。

關(guān)鍵詞：聚天冬氨酸;水溶肥;分散;緩蝕;增效提質(zhì)

中圖分類號(hào)：S147.2? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-1463（2022）03-0081-04

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2022.03.017

Application of Polyaspartic Acid in Water-soluble Fertilizers

ZHAO Longmei， JIAO Yongkang

（Hebei Think-Do Chemicals Co.， Ltd.， Shijiazhuang Hebei 050000， China）

Abstract：The application status of water soluble fertilizer in China was studied in this paper. The scaling， corrosion， soil problems in the application of water soluble fertilizer and its influence on the integration of water and fertilizer were analyzed. The effects of Polyaspartic acid had been also systematically analyzed in the aspects of enhancing the chelation and dispersion of chemical fertilizers， reducing the corrosion of fertilizers to pipelines， increasing production and improving quality， and its environmental protection characteristics. It is considered that the application of Polyaspartic acid in water-soluble fertilizer has both opportunities and problems. At the end of the article， the author points out the possible application direction of Polyaspartic acid in water-soluble fertilizer.

Key words：Polyaspartic acid;Water-soluble fertilizer;Dispersion;Corrosion inhibition;Efficiency and quality improvement

據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織2017年統(tǒng)計(jì)，全球糧食產(chǎn)量為26.27億t，其中我國6.18億t，在同期全球糧食總產(chǎn)量中占比23.5%。為了維持如此高的產(chǎn)量，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中每年需要消耗大量的農(nóng)田資源和淡水資源。但我國上述資源的匱乏極其明顯，據(jù)統(tǒng)計(jì)人均耕地面積不足0.1 hm2，人均數(shù)量僅為世界的1/3，不足美國的1/7;我國淡水資源人均不足2 200 m3，僅為世界平均水平的1/ 4，是全球人均水資源最貧乏的國家之一。因此，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必須使用大量的化學(xué)肥料來保證總體產(chǎn)量。

但在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，肥料的利用率并不盡人意。以氮肥為例，2017年我國氮肥總施用量達(dá)到了2 220.6萬t，占世界總量的35%，而我國氮肥綜合利用率當(dāng)年卻不足35%，造成了極大的浪費(fèi)。因此，我國農(nóng)業(yè)科技工作者們逐漸開始研究高端水溶肥以適應(yīng)水肥一體化進(jìn)程[1 - 2 ]。據(jù)全國農(nóng)技推廣中心調(diào)研，我國目前適合水肥一體化的耕地超過0.3億hm2，而目前全國的應(yīng)用比例僅3.2%，因此水溶肥在我國的發(fā)展?jié)摿Ψ浅＞薮螅俏磥矸柿习l(fā)展的重點(diǎn)[3 - 4 ]。

水溶肥是一種可完全溶于水的多元素復(fù)合型、速效性肥料[5 - 6 ]，具有水溶性好、無殘?jiān)⒛鼙蛔魑锏母岛腿~面直接吸收利用的特點(diǎn)。作為水肥一體化的重要組成部分，水溶肥具有明顯優(yōu)勢(shì)。首先，能夠顯著的提高肥料的利用率[7 ]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國常規(guī)肥料利用率約為30%，而水溶肥的利用率在70%～80%，還可減少施肥總量，符合國家雙碳循環(huán)的基本要求;其次，水溶肥養(yǎng)分含量高，營養(yǎng)全面，能顯著提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)[8 - 10 ]，是未來肥料產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一;最后，水溶肥的推廣使用，伴隨著水肥一體化的進(jìn)程，可以節(jié)約大量淡水資源[11 ]，有助于提高我國居民生活質(zhì)量。

就目前而言，我國水溶肥的生產(chǎn)和使用仍有許多問題需要解決。水溶性較差，不溶物含量偏高，易產(chǎn)生水垢堵塞管路，尤其在灌溉水中鈣鎂離子濃度較高的區(qū)域。我國目前溶性肥中水不溶物相關(guān)要求為0.5%[12 ]，而水肥一體化系統(tǒng)一般為固定或半固定，出水口極細(xì)且不易清洗，容易被水不溶物質(zhì)堵塞。肥料中的部分鹽分會(huì)腐蝕管路。目前，水肥一體化系統(tǒng)管路材質(zhì)多為碳鋼或者塑料，其中碳鋼材質(zhì)的管路易受到氧氣、水、酸堿的腐蝕[13 ]，縮短了系統(tǒng)的使用期限，導(dǎo)致使用成本增高。水溶肥的主要成分為化學(xué)肥料，長期使用容易造成土壤的板結(jié)[14 ]、土壤菌群的失? ?衡[15 ]，最終可能導(dǎo)致土壤肥力的退化[16 - 17 ]?；谏鲜鲈?，隨著水肥一體化的發(fā)展，國內(nèi)外各大化學(xué)品公司相繼開發(fā)了具有阻垢緩蝕作用的化學(xué)品來解決水溶肥生產(chǎn)和使用方面的問題，其中聚天冬氨酸及其衍生物為研究最廣泛的物質(zhì)。

1? ?聚天冬氨酸在水溶肥中的應(yīng)用

聚天冬氨酸（PASP）是一種人工合成的水溶性類蛋白質(zhì)，天然存在于海洋有殼生物如牡蠣等的粘液中，是海洋有殼生物富集營養(yǎng)、營造貝殼的活性物質(zhì)。聚天冬氨酸作為新型肥料增效劑，可以強(qiáng)化作物對(duì)氮、磷、鉀及中微量元素的吸收;此外，聚天冬氨酸無毒、無害，可完全生物降解，是世界公認(rèn)的綠色化學(xué)品。國內(nèi)外的研究和應(yīng)用效果顯示，聚天冬氨酸作為水溶肥的增效劑，其主要作用表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1? ?聚天冬氨酸的分散作用

水溶肥使用過程中引起管路堵塞的主要原因包括肥料間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生沉淀、水體pH引起的溶解度降低、肥料中的水不溶物等，這些不同途徑形成的水不溶物會(huì)逐漸粘附在管路的內(nèi)部或出水口處，尤其是鈣、鎂等的水不溶性鹽類，從而將整個(gè)系統(tǒng)堵塞。

聚天冬氨酸作為新型的綠色分散劑，應(yīng)用于滴（噴）灌系統(tǒng)后能夠預(yù)防和緩解無機(jī)鹽垢的形成和聚集，可以將形成的垢分散形成細(xì)小的顆粒懸浮于水體系中，從而減少水溶肥在使用過程中對(duì)系統(tǒng)的堵塞問題。據(jù)研究，聚天冬氨酸作為水循環(huán)系統(tǒng)中的螯合分散劑，對(duì)鐵氧化物、碳酸鈣、二氧化鈦、氫氧化鋅、氫氧化鎂、氧化鎂、二氧化錳等具有很好的螯合、分散作用[18 - 19 ]。而Koskan等[20 ]認(rèn)為聚天冬氨酸能防止水垢在傳熱表面和水系統(tǒng)管道上的沉積。

同時(shí)，關(guān)于聚天冬氨酸分子量、系統(tǒng)溫度對(duì)阻垢效果的研究證實(shí)，聚天冬氨酸的阻垢效果與聚天冬氨酸的分子量有很大關(guān)系，而與系統(tǒng)溫度關(guān)系不大。一般認(rèn)為不同方法合成的聚天冬氨酸的阻垢作用與其對(duì)應(yīng)的水垢有很大關(guān)系，如以天冬氨酸為原料的聚天冬氨酸對(duì)CaF2垢效果較好，而以馬來酸酐及其衍生物為原料的聚天冬氨酸對(duì)BaSO4、SrSO4、CaSO4等的阻垢效果較好[21 ]。Ross等[22 ]證實(shí)，用于分散碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇等的聚天冬氨酸的最佳重均分子量范圍是10 00～4 000。而全貞花 等[23 ]研究發(fā)現(xiàn)，聚天冬氨酸在水溫低于60 ℃時(shí)，溫度變化對(duì)阻垢率的影響不大;當(dāng)Ca2+為800 mg/L時(shí)，聚天冬氨酸使用量僅為3 mg/L時(shí)，阻垢率仍可達(dá)到90%以上。在20 ℃條件下，聚天冬氨酸使碳酸鈣成核滯后至少150 min[24 ]。這些研究均表明聚天冬氨酸阻垢性能對(duì)溫度的普適性。

1.2? ?聚天冬氨酸的緩蝕作用

一般認(rèn)為，聚天冬氨酸中的極性基團(tuán)（含N、O集團(tuán)）吸附于金屬管道上，極大地提高了金屬離子化過程的活化能，同時(shí)非極性基團(tuán)（烷基R）遠(yuǎn)離金屬定向排列，形成疏水薄膜，從而抑制水溶液對(duì)金屬管路的腐蝕，有效地在水肥一體化中保護(hù)滴灌系統(tǒng)，延長設(shè)備的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。聚天冬氨酸與多種體系的碳鋼、銅、黃銅和白銅等金屬材料均有緩蝕作用[25 ];當(dāng)聚天冬氨酸使用濃度為100 mg/L時(shí)，對(duì)碳鋼的緩蝕率可達(dá)到93%[26 ]，且該濃度下聚天冬氨酸能減緩碳鋼90%的腐蝕速率[27 ]，從而有效地延長管路的使用壽命。

在相關(guān)的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)聚天冬氨酸對(duì)不同pH條件下水系統(tǒng)對(duì)管路的腐蝕都有很好的抑制作用。Benton[28 ] 的研究認(rèn)為，在pH為4.0～6.6的腐蝕性鹽溶液介質(zhì)中，使用分子量為? ?1 000～5 000且濃度為25 mg/L的聚天冬氨酸及其鹽類可以有效地抑制二氧化碳對(duì)碳鋼的腐蝕。Kalota 等[29 ]和Silverman等[30 ]對(duì)聚天冬氨酸在不同pH、溫度、水分條件下對(duì)鐵的緩蝕性能進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH大于10時(shí)，聚天冬氨酸具有較好的緩蝕性能。Mansfeld等[31 ]則發(fā)現(xiàn)，在pH處于8～9時(shí)也能達(dá)到較好的效果。因此，聚天冬氨酸可以解決不同配方水溶肥的使用過程中對(duì)管路的腐蝕，有助于固定或半固定管路系統(tǒng)的應(yīng)用。

1.3? ?聚天冬氨酸的增效提質(zhì)作用

聚天冬氨酸作為肥料增效劑或營養(yǎng)強(qiáng)化劑，在緩釋增效、提高肥料利用率、改善作物品質(zhì)、增產(chǎn)增收等方面均有相關(guān)報(bào)道。研究證明，在水溶肥中添加聚天冬氨酸后可以延長肥料的持效性，保證作物在整個(gè)生長過程中均勻的吸收營養(yǎng)，從而保證肥料的有效利用。雷全奎等[32 ]的試驗(yàn)表明，增施聚天冬氨酸后花生N、P、K肥利用率都有不同程度的提高，且花生的整個(gè)生長季不易發(fā)生缺素癥狀。曹丹等[33 ]研究了聚天冬氨酸的持效性，證明1 a使用1次聚天冬氨酸對(duì)兩季作物都有增產(chǎn)效果。

據(jù)報(bào)道，聚天冬氨酸能有效活化作物生長所必需的中微量元素，并能改善大量元素的吸收效率，從而增加肥料利用率，使用后有增強(qiáng)作物的抗逆性、調(diào)節(jié)作物體內(nèi)酶的活性、增加產(chǎn)量以及改善作物品質(zhì)等作用。李建剛等[34 ]研究發(fā)現(xiàn)，將聚天冬氨酸施于青菜等作物上后，維生素C以及可溶性糖等含量均有不同幅度的提高，可有效改善蔬果品質(zhì)。焦永康等[35 ]通過葉面噴施不同類型聚天冬氨酸螯合鹽發(fā)現(xiàn)，使用聚天冬氨酸不但能夠增加黃冠梨產(chǎn)量、提高梨果品質(zhì)，而且能夠減少黃冠梨雞爪病造成的損失。唐會(huì)會(huì)等[36 - 37 ]通過對(duì)東北春玉米施用聚天冬氨酸態(tài)氮肥的研究發(fā)現(xiàn)，PASP-N在總氮量減少1/3條件下用于玉米栽培，玉米不減產(chǎn)，并能有效調(diào)節(jié)不同時(shí)期玉米體內(nèi)酶的活性，有利于減肥增效。許焱煒等[38 ]將含聚天門冬氨酸尿素施用于水稻后發(fā)現(xiàn)肥料的持效性有明顯提高，在生長季中不脫肥。曹丹等[33 ]研究發(fā)現(xiàn)，施用聚天冬氨酸培養(yǎng)楊樹幼苗需要適當(dāng)降低氮的使用量，以便減緩因氮素利用率偏高造成的高氮脅迫。

1.4? ?聚天冬氨酸的環(huán)保特性

聚天冬氨酸主要成分為氨基酸的聚合物，在環(huán)境中能被微生物完全降解為可利用的低分子氨基酸、水和二氧化碳[39 - 40 ]。有人采用OECD301A的方法對(duì)聚天冬氨酸的生物降解性研究發(fā)現(xiàn)，聚天冬氨酸處理的二氧化碳釋放量接近參比的葡萄糖[41 ]。另外，熊蓉春等[42 ]亦證明聚天冬氨酸是一種可生物降解性優(yōu)良的綠色化學(xué)品。

2? ?展望

隨著我國農(nóng)業(yè)“一控兩減三基本”目標(biāo)的逐步接近實(shí)現(xiàn)，水肥一體化進(jìn)程也越來越迅速，對(duì)水溶肥，尤其是中高端水溶肥的需求越來越大。聚天冬氨酸作為綠色環(huán)保的螯合分散劑和肥料增效劑，不但能夠有效阻止化學(xué)肥料的結(jié)垢和對(duì)管路的腐蝕，而且能夠起到增效提質(zhì)的效果，具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。

針對(duì)目前聚天冬氨酸在水溶肥的應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合聚天冬氨酸促進(jìn)根系生產(chǎn)、調(diào)節(jié)作物酶的活性、增強(qiáng)營養(yǎng)的吸收、螯合分散金屬元素的特點(diǎn)，筆者認(rèn)為聚天冬氨酸類水溶肥的開發(fā)應(yīng)該集中于特種水溶肥和中高端水溶肥等方面，尤其是適合馬鈴薯等以收獲塊根、塊莖類作物專用的水溶肥，以及存在營養(yǎng)元素吸收障礙的果蔬類專用水溶肥中，如梨樹雞爪病等。

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收稿日期：2022 - 01 - 05

基金項(xiàng)目：橫向合作項(xiàng)目“新型復(fù)合肥料的研制、應(yīng)用與推廣”（2019110001000850）。

作者簡介：趙龍梅（1983 — ），女，河北秦皇島人，工程師，碩士，主要從事新型環(huán)保元素在肥料中的應(yīng)用及推廣的研究工作。聯(lián)系電話：（0311）86510810。Email：zlmcumthg@163.com。

通信作者：焦永康（1984 — ），男，河北石家莊人，工程師，碩士，主要從事新型肥料的研究及推廣、新化合物在肥料中的應(yīng)用及推廣、土壤重金屬修復(fù)等方向的研究工作。聯(lián)系電話：（0311）86510810。Email：jiaoyongkang@126.com。