聚天冬氨酸在水溶肥中的應用研究

趙龍梅 焦永康

摘要：對我國水溶肥的應用現狀進行了研究。分析了水溶肥應用過程中產生的結垢、腐蝕及土壤問題及對水肥一體化的影響，并對聚天冬氨酸在增強化學肥料的螯合分散性、減緩肥料對管路的腐蝕、增產提質及其環保特性等方面進行了系統的分析，認為聚天冬氨酸在水溶肥的應用方面機遇與問題共存。指出了聚天冬氨酸在水溶肥中可能的應用方向。

關鍵詞：聚天冬氨酸;水溶肥;分散;緩蝕;增效提質

中圖分類號：S147.2? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：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

據聯合國糧農組織2017年統計，全球糧食產量為26.27億t，其中我國6.18億t，在同期全球糧食總產量中占比23.5%。為了維持如此高的產量，我國農業生產中每年需要消耗大量的農田資源和淡水資源。但我國上述資源的匱乏極其明顯，據統計人均耕地面積不足0.1 hm2，人均數量僅為世界的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，我國農業生產中必須使用大量的化學肥料來保證總體產量。

但在我國農業生產中，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年卻不足35%，造成了極大的浪費。因此，我國農業科技工作者們逐漸開始研究高端水溶肥以適應水肥一體化進程[1 - 2 ]。據全國農技推廣中心調研，我國目前適合水肥一體化的耕地超過0.3億hm2，而目前全國的應用比例僅3.2%，因此水溶肥在我國的發展潛力非常巨大，是未來肥料發展的重點[3 - 4 ]。

水溶肥是一種可完全溶于水的多元素復合型、速效性肥料[5 - 6 ]，具有水溶性好、無殘渣、能被作物的根系和葉面直接吸收利用的特點。作為水肥一體化的重要組成部分，水溶肥具有明顯優勢。首先，能夠顯著的提高肥料的利用率[7 ]。據統計，我國常規肥料利用率約為30%，而水溶肥的利用率在70%～80%，還可減少施肥總量，符合國家雙碳循環的基本要求;其次，水溶肥養分含量高，營養全面，能顯著提高作物產量與品質[8 - 10 ]，是未來肥料產業的重點發展方向之一;最后，水溶肥的推廣使用，伴隨著水肥一體化的進程，可以節約大量淡水資源[11 ]，有助于提高我國居民生活質量。

就目前而言，我國水溶肥的生產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，易產生水垢堵塞管路，尤其在灌溉水中鈣鎂離子濃度較高的區域。我國目前溶性肥中水不溶物相關要求為0.5%[12 ]，而水肥一體化系統一般為固定或半固定，出水口極細且不易清洗，容易被水不溶物質堵塞。肥料中的部分鹽分會腐蝕管路。目前，水肥一體化系統管路材質多為碳鋼或者塑料，其中碳鋼材質的管路易受到氧氣、水、酸堿的腐蝕[13 ]，縮短了系統的使用期限，導致使用成本增高。水溶肥的主要成分為化學肥料，長期使用容易造成土壤的板結[14 ]、土壤菌群的失? ?衡[15 ]，最終可能導致土壤肥力的退化[16 - 17 ]。基于上述原因，隨著水肥一體化的發展，國內外各大化學品公司相繼開發了具有阻垢緩蝕作用的化學品來解決水溶肥生產和使用方面的問題，其中聚天冬氨酸及其衍生物為研究最廣泛的物質。

1? ?聚天冬氨酸在水溶肥中的應用

聚天冬氨酸（PASP）是一種人工合成的水溶性類蛋白質，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、營造貝殼的活性物質。聚天冬氨酸作為新型肥料增效劑，可以強化作物對氮、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，是世界公認的綠色化學品。國內外的研究和應用效果顯示，聚天冬氨酸作為水溶肥的增效劑，其主要作用表現在以下幾個方面。

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反應產生沉淀、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逐漸粘附在管路的內部或出水口處，尤其是鈣、鎂等的水不溶性鹽類，從而將整個系統堵塞。

聚天冬氨酸作為新型的綠色分散劑，應用于滴（噴）灌系統后能夠預防和緩解無機鹽垢的形成和聚集，可以將形成的垢分散形成細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系統的堵塞問題。據研究，聚天冬氨酸作為水循環系統中的螯合分散劑，對鐵氧化物、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 ]認為聚天冬氨酸能防止水垢在傳熱表面和水系統管道上的沉積。

同時，關于聚天冬氨酸分子量、系統溫度對阻垢效果的研究證實，聚天冬氨酸的阻垢效果與聚天冬氨酸的分子量有很大關系，而與系統溫度關系不大。一般認為不同方法合成的聚天冬氨酸的阻垢作用與其對應的水垢有很大關系，如以天冬氨酸為原料的聚天冬氨酸對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BaSO4、SrSO4、CaSO4等的阻垢效果較好[21 ]。Ross等[22 ]證實，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 ]研究發現，聚天冬氨酸在水溫低于60 ℃時，溫度變化對阻垢率的影響不大;當Ca2+為800 mg/L時，聚天冬氨酸使用量僅為3 mg/L時，阻垢率仍可達到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溫度的普適性。

1.2? ?聚天冬氨酸的緩蝕作用

一般認為，聚天冬氨酸中的極性基團（含N、O集團）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，同時非極性基團（烷基R）遠離金屬定向排列，形成疏水薄膜，從而抑制水溶液對金屬管路的腐蝕，有效地在水肥一體化中保護滴灌系統，延長設備的使用壽命，降低生產成本。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 ];當聚天冬氨酸使用濃度為100 mg/L時，對碳鋼的緩蝕率可達到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。

在相關的研究中，研究人員發現聚天冬氨酸對不同pH條件下水系統對管路的腐蝕都有很好的抑制作用。Benton[28 ] 的研究認為，在pH為4.0～6.6的腐蝕性鹽溶液介質中，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碳鋼的腐蝕。Kalota 等[29 ]和Silverman等[30 ]對聚天冬氨酸在不同pH、溫度、水分條件下對鐵的緩蝕性能進行研究時發現，當pH大于10時，聚天冬氨酸具有較好的緩蝕性能。Mansfeld等[31 ]則發現，在pH處于8～9時也能達到較好的效果。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管路的腐蝕，有助于固定或半固定管路系統的應用。

1.3? ?聚天冬氨酸的增效提質作用

聚天冬氨酸作為肥料增效劑或營養強化劑，在緩釋增效、提高肥料利用率、改善作物品質、增產增收等方面均有相關報道。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，保證作物在整個生長過程中均勻的吸收營養，從而保證肥料的有效利用。雷全奎等[32 ]的試驗表明，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，且花生的整個生長季不易發生缺素癥狀。曹丹等[33 ]研究了聚天冬氨酸的持效性，證明1 a使用1次聚天冬氨酸對兩季作物都有增產效果。

據報道，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，使用后有增強作物的抗逆性、調節作物體內酶的活性、增加產量以及改善作物品質等作用。李建剛等[34 ]研究發現，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。焦永康等[35 ]通過葉面噴施不同類型聚天冬氨酸螯合鹽發現，使用聚天冬氨酸不但能夠增加黃冠梨產量、提高梨果品質，而且能夠減少黃冠梨雞爪病造成的損失。唐會會等[36 - 37 ]通過對東北春玉米施用聚天冬氨酸態氮肥的研究發現，PASP-N在總氮量減少1/3條件下用于玉米栽培，玉米不減產，并能有效調節不同時期玉米體內酶的活性，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現肥料的持效性有明顯提高，在生長季中不脫肥。曹丹等[33 ]研究發現，施用聚天冬氨酸培養楊樹幼苗需要適當降低氮的使用量，以便減緩因氮素利用率偏高造成的高氮脅迫。

1.4? ?聚天冬氨酸的環保特性

聚天冬氨酸主要成分為氨基酸的聚合物，在環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的方法對聚天冬氨酸的生物降解性研究發現，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良的綠色化學品。

2? ?展望

隨著我國農業“一控兩減三基本”目標的逐步接近實現，水肥一體化進程也越來越迅速，對水溶肥，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保的螯合分散劑和肥料增效劑，不但能夠有效阻止化學肥料的結垢和對管路的腐蝕，而且能夠起到增效提質的效果，具有很強的應用前景。

針對目前聚天冬氨酸在水溶肥的應用現狀，結合聚天冬氨酸促進根系生產、調節作物酶的活性、增強營養的吸收、螯合分散金屬元素的特點，筆者認為聚天冬氨酸類水溶肥的開發應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，以及存在營養元素吸收障礙的果蔬類專用水溶肥中，如梨樹雞爪病等。

參考文獻：

[1] 馮先明，王保明，彭? ?全，等.? 我國水溶肥的發展概況與建議[J].? 現代化工，2018（1）：6-11.

[2] 熊思健，陳紹榮，劉園園.? 我國水溶性肥料的現狀與市場前景探討[J].? 化肥工業，2013，40（6）：1-2;19.

[3] 李久生，張建君，薛克宗.? 滴灌施肥灌溉原理與應用[M].? 北京：中國農業科學技術出版社，2003.

[4] 彭世琪，吳勇主.? 灌溉施肥初級教程[M].? 北京：中國農業出版社，2010.

[5] 崔云玲，張立勤，姜銀春，等.? 馬鈴薯高效專用水溶肥肥效試驗初報[J].? 甘肅農業科技，2021，52（12）：48-52.

[6] 崔云玲，張立勤，車宗賢，等.? 不同滴灌水溶肥在番茄上的肥效研究[J].? 甘肅農業科技，2020（4）：7-10.

[7] 岳煥芳，程? ?明，王俊英，等.? 水溶肥應用現狀和發展前景[J].? 蔬菜，2017（2）：28-31.

[8] 錢? ?佳，馬永剛.? 液體肥料的應用與發展[J].? 安徽化工，2009，35（1）：17-19.

[9] 黃? ?燕.? 液體肥料的應用現狀與發展前景[J].? 農機化研究，2006（2）：198-200.

[10] 王云霞.? ?液體肥料的應用現狀與發展趨勢[J].? 化肥設計，2003，41（4）：10-13.

[11] 李慶朝.? 節水灌溉與我國糧食生產[J].? 河北農業科學，2010，14（6）：123-124.

[12] 中華人民共和國工業和信息化部.? 水溶性肥料：HG/T 4365-2012[S].? 北京：化學工業出版社，2013.

[13] 王? ?敏，王? ?茹，殷正安.? 表面處理工藝對碳鋼在水溶液中的腐蝕行為研究[J].? 表面技術，1995，24（4）：6-9.

[14] 王紅茹.? 化肥污染與防治[J].? 內蒙古環境科學，2009，

21（2）：15-17.

[15] 鄭世英，沈? ?亮.? 化學肥料對農田土壤生態的影響[J].? 德州學院學報，2003，19（2）：82-84.

[16] 張業海.? 化學肥料對蔗地土壤肥力的影響[J].? 甘蔗糖業，1993（5）：8-13.

[17] 陳明智.? 菠蘿園土壤肥力退化的調查[J].? 土壤肥料，2002（5）：29-31.

[18] 韶? ?暉，冷一欣.? 以馬來酸為原料合成的聚天冬氨酸的阻垢性能[J].? 江蘇石油化工學院學報，2001，

13（1）：18-21.

[19] KOSKAN，LARRYP，KIMC，et al.? Polyaspartic acid and its salts for dispersing suspended solids PCTInt ：Appl，WO9215535. [P].? 1992-09-01.

[20] KOSKAN，LARRY P，KIM C，et al.? Polyaspartic acid and its salts for dispersing suspended solids：Unite States，US5284512[P].? 1994-02-15.

[21] 周曉蔚，周柏青.? 聚天冬氨酸多元阻垢性能的研究[J].? 水處理技術，2005，31（3）：31-33.

[22] ROSS，ROBERT J，LOW，et al.? Polyaspartate scale inhibitors biodegradable alternatives to polyacrylates [J].? Mater. Perform，1997，36（4）：53-57.

[23] 全貞花，陳永昌，王秀榮，等.? 綠色阻垢劑聚天冬氨酸阻垢性能的實驗研究[J].? 中國科學（B 輯：化學），2008，38（6）：545- 549.

[24] KOSKAN，LARRY P，LOW，et al.? Polyaspartic acid as a calcium carbonate and a calcium phosphate inhibitor：States Patent，US5152902[P].? 1992-10-06.

[25] 徐群杰，黃詩俊.? 綠色水處理緩蝕劑聚天冬氨酸的研究進展[J].? 上海電力學院學報，2006，22（1）：71-74.

[26] 王? ?慧，朱志良.? 環境友好綠色清洗劑的研究[J].? 清洗世界，2004，20（3）：28-31.

[27] 徐二倉，韓柏平，吳永華.? 聚天冬氨酸的合成與阻垢緩蝕性能評述[J].? 江蘇化工，2003，31（4）：22-24.

[28] BENTON WILLIAM J.? Inhibition of carbon dioxide corrosion of metals：US，WO9627696[P].? 1996-03-06.

[29] KALOTA D J，SILVERMAN D C.? Behavior of aspartic acid as a corrosion inhibitor for steel[J].? Corrosion （Houston），1994，50：138-145.

[30] SILVERMAN D C，KALOTA D J，STOVER F S.? Effect of pH on corrosion inhibition of steel by polyaspartic acid[J].? Corrosion（Houston），1995，51：818-825.

[31] MANSFELD F，HSU H，ORNEK D，et al.? Corrosion control using regenerative biofilms on aluminum 2024 and brass in different media[J].? Electrochemical Soc， 2002，149：B138-B130.

[32] 雷全奎，郭建秋，楊小蘭，等.? 聚天門冬氨酸作為肥料增效劑的施用效果[J].? 中國農村小康科技，2006（6）：50-52.

[33] 曹? ?丹，王世震，韓? ?梅.? 綠色環保肥料增效劑聚天冬氨酸對楊樹幼苗生長的影響[J].? 植物研究，2021，

41（5）：712-720.

[34] 李建剛，韓衛紅，馬翔龍，等. “聚天門冬氨酸”后效對小麥群體及產量的影響[J].? 中國農村小康科技，2006（2）：43;55.

[35] 焦永康，范占權，劉書通，等.? 葉面噴施聚天冬氨酸鹽對黃冠梨效應的研究[J].? 落葉果樹，2017，49（4）：9-10.

[36] 唐會會，許艷麗，王慶燕，等.? 聚天門冬氨酸螯合氮肥減量基施對東北春玉米的增效機制[J].? 作物學報，2019，45（3）：431-442.

[37] 唐會會，許艷麗，王慶燕，等.? 東北春玉米PASP螯合氮肥減量全基施增效機理研究[C]//中國作物學會，2018中國作物學會學術年會論文匯編，出版地不詳，2018.

[38] 許焱煒，束維正，陳廣轍，等.? 含聚天門冬氨酸尿素創制及其在水稻上的應用[J].? 中國鹽業，2021（21）：46-49.

[39] 陸? ?柱，梅慶慧，黃光團，等.? 聚天冬氨酸作為營養吸收促進劑在葉菜作物中的應用：中國專利，CN1268205C[P].? 2004-06-24.

[40] GUITERREZ E，MILLER T C，GONZAIEZ J R，et al.? Characterization of immobilized Poly-L-aspartate as a metal chelator[J].? Environmental Science & Technology，1999，33（10）：1664-1670.

[41] DIANA DARLING.? Green chemistry applied to corrosion and scale inhibitiors[J].? Materials Performance，1998，

37（12）：12-16.

[42] 熊蓉春，董雪玲，魏? ?剛.? 綠色生物高分子聚天冬氨酸的合成及其阻垢性能研究[J].? 工業水處理，2001，

121（1）：17-20.

收稿日期：2022 - 01 - 05

基金項目：橫向合作項目“新型復合肥料的研制、應用與推廣”（2019110001000850）。

作者簡介：趙龍梅（1983 — ），女，河北秦皇島人，工程師，碩士，主要從事新型環保元素在肥料中的應用及推廣的研究工作。聯系電話：（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用及推廣、土壤重金屬修復等方向的研究工作。聯系電話：（0311）86510810。Email：jiaoyongkang@126.com。