Według statystyk Organizacji Narodów Zjednoczonych ds. Wyżywienia i Rolnictwa w 2017 roku światowa produkcja żywności wyniosła 2,627 mld ton, z czego 618 mln ton wyprodukowano w Chinach, co stanowi 23,5% całkowitej światowej produkcji żywności w tym samym okresie . Aby utrzymać tak wysokie plony, chińska produkcja rolna wymaga corocznego zużycia dużej ilości pól uprawnych i zasobów słodkiej wody. Jednak niedobory wspomnianych zasobów w Chinach są niezwykle widoczne. Według statystyk powierzchnia gruntów ornych na mieszkańca wynosi mniej niż 0,1 hm2, co stanowi zaledwie jedną trzecią światowej powierzchni na mieszkańca i mniej niż jedną siódmą powierzchni Stanów Zjednoczonych; Zasoby słodkiej wody na mieszkańca w Chinach wynoszą niecałe 2200 m3, co stanowi zaledwie 1/4 średniej światowej, co czyni Chiny jednym z krajów o najuboższych zasobach wody na mieszkańca na świecie. Dlatego w produkcji rolnej w Chinach należy stosować duże ilości nawozów chemicznych, aby zapewnić ogólny plon.

Jednak w chińskiej produkcji rolnej stopień wykorzystania nawozów nie jest zadowalający. Biorąc za przykład nawozy azotowe, w 2017 r. całkowita ilość nawozów azotowych zastosowanych w Chinach osiągnęła 22,06 mln ton, co stanowi 35% całkowitej ilości nawozów azotowych zastosowanych na świecie. Jednakże całkowity stopień wykorzystania nawozów azotowych w Chinach wyniósł w tym roku mniej niż 35%, co spowodowało ogromne straty. Dlatego pracownicy nauki i technologii rolniczej w Chinach stopniowo zaczynają badać wysokiej jakości nawozy rozpuszczalne w wodzie, aby dostosować się do procesu integracji nawozów wodnych [1-2]. Według badań przeprowadzonych przez Narodowy Ośrodek Promocji Technologii Rolniczych, w Chinach obecnie znajduje się ponad 30 mln hektarów gruntów ornych nadających się do integracji wody i nawozów, podczas gdy obecny odsetek zastosowań w kraju wynosi zaledwie 3,2%. Dlatego potencjał rozwoju nawozów rozpuszczalnych w wodzie w Chinach jest bardzo ogromny i jest to kluczowy element przyszłego rozwoju nawozów.

Nawóz rozpuszczalny w wodzie to wieloelementowy i szybko działający nawóz, całkowicie rozpuszczalny w wodzie. Charakteryzuje się dobrą rozpuszczalnością w wodzie, brakiem pozostałości i może być bezpośrednio wchłaniany i wykorzystywany przez korzenie i liście roślin uprawnych. Jako ważny składnik integracji nawozów wodnych, nawozy rozpuszczalne w wodzie mają oczywiste zalety. Po pierwsze, może znacznie poprawić stopień wykorzystania nawozów. Według statystyk stopień wykorzystania nawozów konwencjonalnych w Chinach wynosi około 30%, podczas gdy stopień wykorzystania nawozów rozpuszczalnych w wodzie wynosi od 70% do 80%. Może także zmniejszyć całkowitą ilość nawozów, co spełnia podstawowe wymagania krajowego cyklu dwuwęglowego; Po drugie, nawozy rozpuszczalne w wodzie charakteryzują się wysoką zawartością składników odżywczych i kompleksowym odżywieniem, co może znacząco poprawić plon i jakość plonów, co czyni je jednym z kluczowych kierunków rozwoju przyszłej branży nawozowej; Wreszcie promowanie i stosowanie nawozów rozpuszczalnych w wodzie, któremu towarzyszy integracja wody i nawozów, może zaoszczędzić dużą ilość zasobów słodkiej wody i pomóc poprawić jakość życia mieszkańców Chin. 

Obecnie w Chinach pozostaje wiele problemów do rozwiązania w zakresie produkcji i stosowania nawozów rozpuszczalnych w wodzie. Słaba rozpuszczalność w wodzie i wysoka zawartość substancji nierozpuszczalnych mogą łatwo spowodować zatykanie się kamienia w rurociągach, szczególnie na obszarach o wysokim stężeniu jonów wapnia i magnezu w wodzie do nawadniania. Obecnie zapotrzebowanie na substancje nierozpuszczalne w wodzie w nawozach rozpuszczalnych wynosi w Chinach 0,5%, podczas gdy zintegrowany system nawozów wodnych jest zazwyczaj stały lub półstały, z wyjątkowo drobnymi i trudnymi do czyszczenia wylotami wody, które łatwo blokują substancje nierozpuszczalne w wodzie. Część soli zawartej w nawozie powoduje korozję rurociągu. Obecnie rury integrowanej instalacji wodno-nawozowej wykonane są najczęściej ze stali węglowej lub tworzyw sztucznych, wśród których rury ze stali węglowej są podatne na korozję pod wpływem tlenu, wody, kwasów i zasad, co skraca żywotność instalacji i zwiększa koszty użytkowania. Głównym składnikiem nawozów rozpuszczalnych w wodzie są nawozy chemiczne, które po długotrwałym stosowaniu mogą łatwo spowodować zagęszczenie gleby i zachwianie równowagi zbiorowisk drobnoustrojów glebowych, ostatecznie prowadząc do degradacji żyzności gleby. Z powyższych powodów, wraz z rozwojem integracji nawozów wodnych, główne krajowe i zagraniczne firmy chemiczne sukcesywnie opracowywały chemikalia o działaniu hamującym kamień i korozję, aby rozwiązać problemy związane z produkcją i stosowaniem nawozów rozpuszczalnych w wodzie. Wśród nich najczęściej badanymi substancjami jest kwas poliasparaginowy i jego pochodne. 

1.1Zastosowanie kwasu poliasparaginowego w nawozach rozpuszczalnych w wodzie

Kwas poliasparaginowy (PASP) to sztucznie syntetyzowane, rozpuszczalne w wodzie białko, które naturalnie występuje w śluzie morskich skorupiaków, takich jak ostrygi. Jest substancją czynną wykorzystywaną przez skorupiaki morskie do wzbogacania składników odżywczych i tworzenia muszli. Kwas poliasparaginowy, jako nowy rodzaj synergetyka nawozów, może zwiększać wchłanianie azotu, fosforu, potasu i pierwiastków śladowych przez rośliny uprawne; Ponadto kwas poliasparaginowy jest nietoksyczny, nieszkodliwy i całkowicie biodegradowalny, co czyni go uznanym na całym świecie ekologicznym środkiem chemicznym. Wyniki badań i zastosowań w kraju i za granicą wykazały, że kwas poliasparaginowy, jako środek synergistyczny dla nawozów rozpuszczalnych w wodzie, ma główne skutki w następujących aspektach.

1.1 Efekt dyspersji kwasu poliasparaginowego

Do głównych przyczyn blokowania rurociągów podczas stosowania nawozów rozpuszczalnych w wodzie zalicza się opady atmosferyczne powstałe w wyniku reakcji chemicznych pomiędzy nawozami, zmniejszoną rozpuszczalność spowodowaną pH wody oraz substancje nierozpuszczalne w wodzie w nawozach. Te nierozpuszczalne w wodzie substancje, powstające różnymi drogami, stopniowo przylegają do wnętrza lub wylotu rurociągu, zwłaszcza sole nierozpuszczalne w wodzie, takie jak wapń i magnez, blokując w ten sposób cały system. 

Kwas poliasparaginowy, jako nowy rodzaj zielonego środka dyspergującego, może zapobiegać tworzeniu się i agregacji nieorganicznego osadu soli po zastosowaniu w systemach nawadniających kroplowych (natryskowych) i łagodzić je. Potrafi rozproszyć powstały kamień na drobne cząstki zawieszone w układzie wodnym, redukując w ten sposób problem zatykania nawozów rozpuszczalnych w wodzie w układzie podczas użytkowania. Według badań kwas poliasparaginowy, jako chelatujący dyspergator w układach obiegu wody, ma dobre działanie chelatujące i dyspergujące na tlenki żelaza, węglan wapnia, dwutlenek tytanu, wodorotlenek cynku, wodorotlenek magnezu, tlenek magnezu, dwutlenek manganu itp. Koskan i in. uważają, że kwas poliasparaginowy może zapobiegać osadzaniu się kamienia na powierzchniach wymiany ciepła i rurociągach instalacji wodnych. 

Tymczasem badania nad wpływem masy cząsteczkowej kwasu poliasparaginowego i temperatury układu na hamowanie osadzania kamienia potwierdziły, że działanie kwasu poliasparaginowego hamującego osadzanie się kamienia jest ściśle związane z jego masą cząsteczkową, ale nie z temperaturą układu. Powszechnie uważa się, że efekt hamowania skali kwasu poliasparaginowego syntetyzowanego różnymi metodami jest ściśle powiązany z odpowiadającą mu skalą. Na przykład kwas poliasparaginowy wykorzystujący kwas asparaginowy jako surowiec ma lepsze działanie hamujące osadzanie się CaF2, podczas gdy kwas poliasparaginowy wykorzystujący bezwodnik maleinowy i jego pochodne ma lepsze działanie hamujące osadzanie się BaSO4, SrSO4, CaSO4 itp. Ross i in. potwierdzili, że optymalny wagowo średni zakres masy cząsteczkowej do dyspergowania kwasu poliasparaginowego, takiego jak węglan wapnia, siarczan wapnia i siarczan baru, mieści się w przedziale od 10 000 do 4000. Quan Zhenhua i inni odkryli, że gdy temperatura wody jest niższa niż 60 ℃, zmiana temperatury jest niewielka wpływ na stopień hamowania skali kwasu poliasparaginowego; Gdy Ca2+ wynosi 800 mg/l, a dawka kwasu poliasparaginowego wynosi tylko 3 mg/l, stopień hamowania kamienia może w dalszym ciągu osiągnąć ponad 90%. W temperaturze 20 ℃ kwas poliasparaginowy powoduje opóźnienie zarodkowania węglanu wapnia o co najmniej 150 minut. Wszystkie te badania wskazują na uniwersalność działania hamowania kamienia poliasparaginowego w zależności od temperatury. 

1.2 Hamowanie korozji kwasu poliasparaginowego

Powszechnie uważa się, że grupy polarne (w tym grupy N i O) w kwasie poliasparaginowym są adsorbowane na metalowych rurociągach, znacznie poprawiając energię aktywacji procesu jonizacji metali. Jednocześnie grupy niepolarne (alkil R) są ułożone kierunkowo od metalu, tworząc hydrofobową warstwę, hamując w ten sposób korozję metalowych rurociągów przez roztwory wodne, skutecznie chroniąc systemy nawadniania kropelkowego w integracji wody i nawozów, wydłużając żywotność urządzeń i zmniejszając koszty produkcji. Kwas poliasparaginowy ma działanie hamujące korozję różnych materiałów metalowych, takich jak stal węglowa, miedź, mosiądz i miedź biała, w różnych układach [25]; Gdy stężenie kwasu poliasparaginowego wynosi 100 mg/l, stopień hamowania korozji stali węglowej może osiągnąć 93%, a przy tym stężeniu kwas poliasparaginowy może spowolnić szybkość korozji stali węglowej o 90%, skutecznie wydłużając żywotność stali rurociąg. 

W odpowiednich badaniach naukowcy odkryli, że kwas poliasparaginowy ma dobre działanie hamujące korozję rurociągów w instalacjach wodnych w różnych warunkach pH. Badania Bentona sugerują, że zastosowanie kwasu poliasparaginowego i jego soli o masie cząsteczkowej od 1000 do 5000 i stężeniu 25 mg/l w środowisku żrącego roztworu soli o pH od 4,0 do 6,6 może skutecznie hamować korozję stali węglowej pod wpływem dwutlenku węgla . Kiedy Kalota i in. oraz Silverman i in. [30] badali skuteczność hamowania korozji kwasu poliasparaginowego na żelazie w różnych warunkach pH, ​​temperatury i wilgotności i odkryli, że kwas poliasparaginowy dobrze hamuje korozję, gdy pH jest większe niż 10. Mansfeld i in. [31] stwierdzili, że dobre wyniki można osiągnąć również przy pH w zakresie od 8 do 9. Dlatego kwas poliasparaginowy może rozwiązać problem korozji rurociągów podczas stosowania różnych receptur nawozów rozpuszczalnych w wodzie, co jest pomocne przy stosowaniu stałych lub półstałe systemy rurociągów. 

1.3 Synergistyczne i poprawiające jakość działanie kwasu poliasparaginowego

Donoszono, że kwas poliasparaginowy, jako synergetyk nawozów lub wzmacniacz składników odżywczych, powoduje powolne uwalnianie i poprawę wydajności, zwiększone wykorzystanie nawozów, poprawę jakości plonów oraz zwiększenie plonów i dochodów. Badania wykazały, że dodatek kwasu poliasparaginowego do nawozów rozpuszczalnych w wodzie może przedłużyć skuteczność nawozu, zapewnić roślinom równomierne wchłanianie składników pokarmowych przez cały proces wzrostu, a tym samym zapewnić efektywne wykorzystanie nawozów. Eksperyment przeprowadzony przez Lei Quankui i in. wykazali, że efektywność wykorzystania nawozów N, P i K w orzeszkach ziemnych wzrastała w różnym stopniu po zastosowaniu kwasu poliasparaginowego, a orzeszki ziemne były mniej podatne na objawy niedoborów składników pokarmowych przez cały sezon wegetacyjny. Cao Dan i in. zbadali trwałość kwasu poliasparaginowego i wykazali, że stosowanie kwasu poliasparaginowego raz w roku ma wpływ na zwiększenie plonów obu upraw. 

Według doniesień kwas poliasparaginowy może skutecznie aktywować niezbędne dla wzrostu roślin pożywki i pierwiastki śladowe, poprawiać efektywność wchłaniania dużych ilości pierwiastków, a tym samym zwiększać wykorzystanie nawozów. Po zastosowaniu może zwiększyć odporność roślin na stres, regulować aktywność enzymów w uprawach, zwiększać plony i poprawiać jakość plonów. Li Jiangang i in. odkryli, że zastosowanie kwasu poliasparaginowego w uprawach takich jak zielone warzywa spowodowało w różnym stopniu wzrost zawartości witaminy C i cukru rozpuszczalnego, co może skutecznie poprawić jakość warzyw i owoców. Jiao Yongkang i in. podczas opryskiwania liści różnymi rodzajami chelatów kwasu poliasparaginowego stwierdzono, że zastosowanie kwasu poliasparaginowego nie tylko zwiększa plon i jakość gruszki Huangguan, ale także zmniejsza żółknięcie. Straty spowodowane chorobą wrony pazurów gruszy. Tang Huihui i in. w swoich badaniach nad zastosowaniem poliasparaginowego nawozu azotowego do kukurydzy jarej północno-wschodniej stwierdzono, że PASP N stosowano do uprawy kukurydzy pod warunkiem zmniejszenia azotu ogólnego o 1/3, bez zmniejszania plonu kukurydzy i skutecznej regulacji aktywności enzymatycznej kukurydzy w różnych stadiach rozwoju, co korzystnie wpływa na utratę wagi i poprawę wydajności. Xu Yanwei i in. stwierdzili, że po zastosowaniu do ryżu mocznika zawierającego kwas poliasparaginowy skuteczność nawozu znacznie się poprawiła, a nawóz nie był usuwany w okresie wegetacyjnym. Cao Dan i in. stwierdzili, że stosowanie kwasu poliasparaginowego do uprawy sadzonek topoli wymaga odpowiedniego ograniczenia zużycia azotu w celu złagodzenia wysokiego stresu azotowego spowodowanego wysoką efektywnością wykorzystania azotu.

1.4 Charakterystyka ochrony środowiska kwasu poliasparaginowego

Kwas poliasparaginowy to polimer składający się głównie z aminokwasów, który może zostać całkowicie rozłożony przez mikroorganizmy w środowisku na użyteczne aminokwasy o niskiej masie cząsteczkowej, wodę i dwutlenek węgla. Ktoś zastosował metodę OECD301A do zbadania biodegradowalności kwasu poliasparaginowego i stwierdził, że ilość dwutlenku węgla uwalnianego w wyniku obróbki kwasem poliasparaginowym była bliska glukozy referencyjnej. Ponadto Xiong Rongchun i inni również wykazali, że kwas poliasparaginowy jest ekologiczną substancją chemiczną o doskonałej biodegradowalności. 

2 Perspektywy

Wraz ze stopniową realizacją celu, jakim jest „jedna kontrola, dwie redukcje i trzy podstawowe” w chińskim rolnictwie, proces integracji wody i nawozów staje się coraz szybszy, a popyt na nawozy rozpuszczalne w wodzie, zwłaszcza wysokiej klasy nawozy wodne, nawozów rozpuszczalnych, wzrasta. Kwas poliasparaginowy, jako ekologiczny i przyjazny dla środowiska dyspergator chelatujący i synergetyk nawozów, może nie tylko skutecznie zapobiegać osadzaniu się kamienia nawozów chemicznych i korozji rurociągów, ale także zwiększać wydajność i jakość, z dużymi perspektywami zastosowania. 

W odpowiedzi na aktualny stan zastosowań kwasu poliasparaginowego w nawozach rozpuszczalnych w wodzie, w połączeniu z właściwościami kwasu poliasparaginowego sprzyjającymi produkcji korzeni, regulującymi aktywność enzymów roślinnych, zwiększającymi wchłanianie składników odżywczych i chelatującymi zdyspergowane pierwiastki metaliczne, autor uważa, że ​​rozwój poliasparaginowego nawozy rozpuszczalne w wodzie na bazie kwasu powinny skupiać się na specjalnych nawozach rozpuszczalnych w wodzie i wysokiej jakości nawozach rozpuszczalnych w wodzie, szczególnie odpowiednich do ziemniaków i innych upraw do zbioru bulw i bulw oraz na specjalistycznych nawozach rozpuszczalnych w wodzie do owoców i warzyw wchłaniających składniki odżywcze bariery, takie jak choroba gruszy i kurzych łapek.