По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций, в 2017 году мировое производство продуктов питания составило 2,627 млрд тонн, из них 618 млн тонн было произведено в Китае, что составляет 23,5% от общего мирового производства продуктов питания за тот же период. . Чтобы поддерживать такие высокие урожаи, сельскохозяйственное производство Китая требует ежегодного потребления большого количества сельскохозяйственных угодий и ресурсов пресной воды. Однако дефицит вышеупомянутых ресурсов в Китае крайне очевиден. По статистике, площадь пахотных земель на душу населения составляет менее 0,1 гм2, что составляет лишь одну треть мирового количества на душу населения и менее одной седьмой количества Соединенных Штатов; Ресурсы пресной воды на душу населения в Китае составляют менее 2200 м3, что составляет лишь 1/4 среднемирового показателя, что делает его одной из стран с самыми бедными водными ресурсами на душу населения в мире. Поэтому в сельскохозяйственном производстве Китая необходимо использовать большое количество химических удобрений, чтобы обеспечить общий урожай.

Однако в сельскохозяйственном производстве Китая коэффициент использования удобрений не является удовлетворительным. Если взять в качестве примера азотные удобрения, то в 2017 году общий объем внесенных азотных удобрений в Китае достиг 22,06 миллиона тонн, что составляет 35% от общемирового объема. Однако общий коэффициент использования азотных удобрений в Китае в том году составил менее 35%, что привело к большим отходам. Поэтому работники сельскохозяйственной науки и техники в Китае постепенно начинают изучать высококачественные водорастворимые удобрения, чтобы адаптироваться к процессу интеграции водных удобрений [1-2]. Согласно исследованию, проведенному Национальным центром продвижения сельскохозяйственных технологий, в настоящее время в Китае имеется более 30 миллионов гектаров пахотных земель, пригодных для интеграции воды и удобрений, в то время как текущая доля применения в стране составляет всего 3,2%. Таким образом, потенциал развития водорастворимых удобрений в Китае очень огромен, и это ключевое направление для будущей разработки удобрений.

Водорастворимое удобрение представляет собой многоэлементное соединение и быстродействующее удобрение, полностью растворимое в воде. Он обладает хорошей растворимостью в воде, не оставляет остатков и может напрямую поглощаться и использоваться корнями и листьями сельскохозяйственных культур. Водорастворимые удобрения, являясь важным компонентом интеграции водных удобрений, имеют очевидные преимущества. Во-первых, это позволяет значительно улучшить коэффициент использования удобрений. Согласно статистике, уровень использования обычных удобрений в Китае составляет около 30%, а уровень использования водорастворимых удобрений составляет от 70% до 80%. Это также может сократить общее количество удобрений, что соответствует основным требованиям национального двойного углеродного цикла; Во-вторых, водорастворимые удобрения обладают высоким содержанием питательных веществ и комплексным питанием, что позволяет существенно повысить урожайность и качество сельскохозяйственных культур, что делает их одним из ключевых направлений развития индустрии удобрений будущего; Наконец, продвижение и использование водорастворимых удобрений, сопровождаемое интеграцией воды и удобрений, может сэкономить большое количество ресурсов пресной воды и помочь улучшить качество жизни жителей Китая. 

В настоящее время еще предстоит решить множество проблем в производстве и использовании водорастворимых удобрений в Китае. Плохая растворимость в воде и высокое содержание нерастворимых веществ могут легко вызвать закупорку накипи в трубопроводах, особенно в районах с высокой концентрацией ионов кальция и магния в оросительной воде. В настоящее время потребность в водонерастворимых веществах в растворимых удобрениях в Китае составляет 0,5%, в то время как интегрированная система водных удобрений обычно является стационарной или полуфиксированной, с очень тонкими и трудно очищаемыми водовыпускными отверстиями, которые легко блокируются водонерастворимыми веществами. Часть соли в удобрении разъест трубопровод. В настоящее время трубы интегрированной системы воды и удобрений в основном изготавливаются из углеродистой стали или пластика, причем трубы из углеродистой стали подвержены коррозии под действием кислорода, воды, кислот и щелочей, что сокращает срок службы системы. и увеличивает стоимость использования. Основным компонентом водорастворимых удобрений являются химические удобрения, которые при длительном применении легко могут вызвать уплотнение почвы и дисбаланс почвенных микробных сообществ, что в конечном итоге приводит к ухудшению плодородия почвы. По вышеуказанным причинам, с развитием интеграции водных удобрений, крупные отечественные и зарубежные химические компании последовательно разрабатывают химические вещества с эффектом ингибирования накипи и коррозии для решения проблем в производстве и использовании водорастворимых удобрений. Среди них наиболее изученными веществами являются полиаспарагиновая кислота и ее производные. 

1.1Применение полиаспарагиновой кислоты в водорастворимых удобрениях

Полиаспарагиновая кислота (PASP) представляет собой искусственно синтезированный водорастворимый белок, который в природе существует в слизи морских моллюсков, таких как устрицы. Это активное вещество, используемое морскими моллюсками для обогащения питательными веществами и создания раковин. Полиаспарагиновая кислота, как новый тип синергиста удобрений, может улучшить усвоение сельскохозяйственными культурами азота, фосфора, калия и микроэлементов; Кроме того, полиаспарагиновая кислота нетоксична, безвредна и полностью биоразлагаема, что делает ее всемирно признанным зеленым химическим веществом. Результаты исследований и применения в стране и за рубежом показали, что полиаспарагиновая кислота, как синергетический агент для водорастворимых удобрений, имеет основные эффекты в следующих аспектах.

1.1 Дисперсионный эффект полиаспарагиновой кислоты

К основным причинам засорения трубопроводов при использовании водорастворимых удобрений относятся осадки, вызванные химическими реакциями между удобрениями, снижение растворимости, вызванное pH воды, а также наличие нерастворимых в воде веществ в удобрениях. Эти нерастворимые в воде вещества, образующиеся различными путями, постепенно прилипают к внутренней части или на выходе трубопровода, особенно нерастворимые в воде соли, такие как кальций и магний, тем самым блокируя всю систему. 

Полиаспарагиновая кислота, как новый тип зеленого диспергатора, может предотвращать и облегчать образование и агрегацию неорганических солевых отложений при применении в системах капельного (распыливающего) орошения. Он может рассеивать образовавшуюся накипь на мелкие частицы, взвешенные в водной системе, тем самым уменьшая проблему засорения водорастворимых удобрений в системе во время использования. По данным исследований, полиаспарагиновая кислота как хелатирующий диспергатор в системах циркуляции воды оказывает хорошее хелатирующее и диспергирующее действие на оксиды железа, карбонат кальция, диоксид титана, гидроксид цинка, гидроксид магния, оксид магния, диоксид марганца и др. Koskan et al. полагают, что полиаспарагиновая кислота может предотвратить отложение накипи на поверхностях теплопередачи и трубопроводах систем водоснабжения. 

Между тем, исследования влияния молекулярной массы полиаспарагиновой кислоты и температуры системы на ингибирование отложений подтвердили, что эффект ингибирования отложений полиаспарагиновой кислоты тесно связан с ее молекулярной массой, но не с температурой системы. Обычно считается, что эффект ингибирования отложений полиаспарагиновой кислоты, синтезированной различными методами, тесно связан с соответствующим масштабом. Например, полиаспарагиновая кислота, использующая аспарагиновую кислоту в качестве сырья, оказывает лучший эффект ингибирования отложений на CaF2, тогда как полиаспарагиновая кислота, использующая малеиновый ангидрид и его производные, оказывает лучший эффект ингибирования отложений на BaSO4, SrSO4, CaSO4 и т. д. Ross et al. подтвердили, что оптимальный диапазон средневесовой молекулярной массы для диспергирования полиаспарагиновой кислоты, такой как карбонат кальция, сульфат кальция и сульфат бария, составляет от 10 000 до 4 000. Цюань Чжэньхуа и другие обнаружили, что, когда температура воды ниже 60 ℃, изменение температуры незначительно. влияние на скорость ингибирования отложений полиаспарагиновой кислоты; Когда Ca2+ составляет 800 мг/л, а дозировка полиаспарагиновой кислоты составляет всего 3 мг/л, степень ингибирования отложений все равно может достигать более 90%. При 20 ℃ полиаспарагиновая кислота вызывает задержку образования зародышей карбоната кальция как минимум на 150 минут. Все эти исследования указывают на универсальность ингибирования отложений полиаспарагиновой кислоты в зависимости от температуры. 

1.2 Ингибирование коррозии полиаспарагиновой кислоты

Обычно считается, что полярные группы (включая группы N и O) в полиаспарагиновой кислоте адсорбируются на металлических трубопроводах, что значительно повышает энергию активации процесса ионизации металла. При этом неполярные группы (алкил R) располагаются направленно от металла, образуя гидрофобную пленку, тем самым препятствуя коррозии металлических трубопроводов водными растворами, эффективно защищая системы капельного орошения при комплексировании воды и удобрений, продлевая срок службы оборудования и снижая производственные затраты. Полиаспарагиновая кислота оказывает ингибирующее коррозионное действие на различные металлические материалы, такие как углеродистая сталь, медь, латунь и белая медь, в различных системах [25]; Когда концентрация полиаспарагиновой кислоты составляет 100 мг/л, степень ингибирования коррозии углеродистой стали может достигать 93%, и при этой концентрации полиаспарагиновая кислота может замедлять скорость коррозии углеродистой стали на 90%, эффективно продлевая срок службы трубопровод. 

В соответствующих исследованиях ученые установили, что полиаспарагиновая кислота оказывает хорошее ингибирующее действие на коррозию трубопроводов в водных системах при различных условиях pH. Исследования Бентона показывают, что использование полиаспарагиновой кислоты и ее солей с молекулярной массой от 1000 до 5000 и концентрацией 25 мг/л в агрессивной среде раствора соли с pH от 4,0 до 6,6 может эффективно ингибировать коррозию углеродистой стали углекислым газом. . Когда Калота и др. и Сильверман и др. [30] изучили эффективность ингибирования коррозии полиаспарагиновой кислоты на железе при различных условиях pH, температуры и влажности. Они обнаружили, что полиаспарагиновая кислота обладает хорошими характеристиками ингибирования коррозии, когда pH превышает 10. Mansfeld et al. [31] обнаружили, что хорошие результаты могут быть достигнуты и при pH в диапазоне от 8 до 9. Таким образом, полиаспарагиновая кислота может решить проблему коррозии трубопроводов при использовании различных формул водорастворимых удобрений, что полезно для применения фиксированных или полустационарные трубопроводные системы. 

1.3 Синергический и улучшающий качество эффекты полиаспарагиновой кислоты

Сообщалось, что полиаспарагиновая кислота как синергист удобрений или усилитель питательных веществ характеризуется медленным высвобождением и повышением эффективности, увеличением использования удобрений, улучшением качества сельскохозяйственных культур, а также увеличением урожайности и доходов. Исследования показали, что добавление полиаспарагиновой кислоты к водорастворимым удобрениям может продлить эффективность удобрений, обеспечить равномерное поглощение питательных веществ сельскохозяйственными культурами на протяжении всего процесса роста и, таким образом, обеспечить эффективное использование удобрений. Эксперимент, проведенный Лэй Цюанькуй и др. показали, что эффективность использования азотных, фосфорных и калиевых удобрений арахисом в разной степени увеличивалась после внесения полиаспарагиновой кислоты, а арахис был менее склонен к симптомам дефицита питательных веществ на протяжении всего вегетационного периода. Цао Дань и др. изучили стойкость полиаспарагиновой кислоты и продемонстрировали, что использование полиаспарагиновой кислоты один раз в год увеличивает урожайность обеих культур. 

Согласно имеющимся данным, полиаспарагиновая кислота может эффективно активировать необходимую среду и микроэлементы для роста сельскохозяйственных культур, повысить эффективность поглощения большого количества элементов и, таким образом, увеличить использование удобрений. После использования он может повысить устойчивость сельскохозяйственных культур к стрессу, регулировать активность ферментов в сельскохозяйственных культурах, повысить урожайность и улучшить качество урожая. Ли Цзянган и др. обнаружили, что применение полиаспарагиновой кислоты к таким культурам, как зеленые овощи, приводит к разной степени увеличения содержания витамина С и растворимого сахара, что может эффективно улучшить качество овощей и фруктов. Цзяо Юнкан и др. Путем опрыскивания листьев различными типами хелатов полиаспарагиновой кислоты обнаружено, что использование полиаспарагиновой кислоты не только увеличивает урожайность и качество груши Хуангуань, но и уменьшает пожелтение. Убытки, вызванные болезнью «гусиного когтя» грушевого дерева. Тан Хуэйхуэй и др. в ходе своего исследования по применению полиаспарагинового азотного удобрения для северо-восточной яровой кукурузы обнаружили, что PASP N использовался для выращивания кукурузы при условии снижения общего азота на 1/3, без снижения урожайности кукурузы и эффективного регулирования активности ферментов в кукурузе на разных стадиях, что полезно для снижения веса и повышения эффективности. Сюй Яньвэй и др. обнаружили, что после внесения в рис мочевины, содержащей полиаспарагиновую кислоту, эффективность удобрения значительно улучшалась, и удобрение не удалялось в течение вегетационного периода. Цао Дань и др. обнаружили, что применение полиаспарагиновой кислоты для выращивания саженцев тополя требует соответствующего сокращения использования азота, чтобы облегчить высокий азотный стресс, вызванный высокой эффективностью использования азота.

1.4 Экологические характеристики полиаспарагиновой кислоты

Полиаспарагиновая кислота представляет собой полимер, состоящий в основном из аминокислот, который может полностью разлагаться микроорганизмами в окружающей среде до пригодных для использования низкомолекулярных аминокислот, воды и углекислого газа. Кто-то использовал метод OECD301A для изучения биоразлагаемости полиаспарагиновой кислоты и обнаружил, что количество углекислого газа, выделившегося при обработке полиаспарагиновой кислотой, было близко к эталонной глюкозе. Кроме того, Сюн Жунчунь и другие также продемонстрировали, что полиаспарагиновая кислота является экологически чистым химическим веществом с превосходной биоразлагаемостью. 

2 Перспективы

С постепенной реализацией цели «один контроль, два сокращения и три основных» в сельском хозяйстве Китая процесс интеграции воды и удобрений становится все более быстрым, а спрос на водорастворимые удобрения, особенно высококачественные водные удобрения, становится все более быстрым. растворимых удобрений, увеличивается. Полиаспарагиновая кислота, являясь экологически чистым и экологически чистым хелатным диспергатором и синергистом удобрений, может не только эффективно предотвращать образование накипи в химических удобрениях и коррозию трубопроводов, но также повышать эффективность и качество, что имеет большие перспективы применения. 

В ответ на текущий статус применения полиаспарагиновой кислоты в водорастворимых удобрениях в сочетании с характеристиками полиаспарагиновой кислоты, способствующими образованию корней, регулирующими активность ферментов сельскохозяйственных культур, улучшающими усвоение питательных веществ и хелатирующими диспергированные металлические элементы, автор считает, что разработка полиаспарагиновой кислоты Водорастворимые удобрения на кислотной основе должны быть сосредоточены на специальных водорастворимых удобрениях и высококачественных водорастворимых удобрениях, особенно подходящих для картофеля и других культур для сбора клубней и клубней, а также на специализированных водорастворимых удобрениях для фруктов и овощей с поглощением питательных веществ. барьеры, такие как болезнь груши и куриной лапки.