聚天冬氨酸保水固沙剂简介

——北京化工大学

1. 背景介绍

1.1 沙漠化概况

近年来自然和人为因素的破坏，造成我国水土流失面积达360万平方公里，土地荒漠化面积达262万平方公里，而且以每年2460平方公里的速度在蔓延。改造荒漠、防止水土流失和土地荒漠化已经成为我国环境保护的重点问题之一。

1.2 固沙方法概况

目前固沙方法有物理法固沙、化学法固沙和植物固沙等。其中：物理固沙法主要是利用人工搭建障碍阻止沙漠的扩张，但其操作繁琐，工作量大。化学法固沙是指利用化学材料和工艺，在沙丘或沙质土地表面形成固结层，起到保水固沙的效果。其中，无机材料固沙一般采用钙化剂或无机材料如硅酸盐等，有机材料固沙目前主要采用聚丙烯酰胺、聚丙烯酸及其盐等聚合物材料。化学固沙法的主要问题是只能固定相对不流动的沙土，容易导致沙土表面板结。植物固沙法主要是采用耐旱植物种植在沙丘表面，利用其根系固结沙土，但受自然条件影响很大。

由于物理法固沙、化学法固沙和植物固沙各有优缺点，因此目前的治沙研究倾向于将不同固沙方法相结合来应用，达到既治标又治本的目的。研究的热点在于，如何将化学固沙剂应用于植物固沙中，通过化学固沙来保护植物的生长，通过植物来巩固化学固沙的效果，并改善干旱、半干旱地区的环境。

1.3保水固沙剂概况

目前所使用的固沙剂中，包括聚丙烯酰胺、聚丙烯酸及其或酯、羧甲基纤维素、变性淀粉等在内的聚合物材料，因其可以在固沙的同时，还可以保存部分水分，起到保水固沙的效果，因此能更好的与植物固沙相结合而受到广泛关注。

2001年开始，日本三井公司对10年来以色列和沙特阿拉伯使用无机材料和有机不可生物降解高分子材料如聚丙烯酸酯等固沙的情况进行了研究，得出的结论为不可降解的高分子和无机吸水材料对土壤的土质和板结的影响，建议必须使用可生物降解的高吸水材料固沙。而羧甲基纤维素、变性淀粉等吸水量有限，作为保水剂的效能不足。

最近的研究发现，部分聚氨基酸材料既具有一定的沙土粘结性，又能够吸附大量的水分，还可通过自然降解增加沙土中的C、N含量和促进植物生长，因此从理论上讲，是一种优秀的保水固沙剂。具有此种性能的聚氨基酸材料主要由多氨基或多羧基的氨基酸构成，如天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸等。其中，聚谷氨酸、聚赖氨酸多由谷氨酸、赖氨酸经微生物发酵的方法制得，发酵过程中的提纯工艺复杂，导致产品成本很高，限制了其大量应用。而聚天冬氨酸目前一般由天冬氨酸或马来酸酐经由化学聚合得到，生产成本较低，并且产物分子量较高，吸水效果好，因此非常适合作为保水固沙剂而应用于干旱和半干旱地区的环境治理中。

2 聚天冬氨酸材料概述

聚天冬氨酸（Polyaspartic acid，PASP）是由天冬氨酸或马来酸酐为原料，经由化学聚合方法制备得到的一种氨基酸聚合物，是一种在农业、环境（植物生长促进剂、保水固沙剂、重金属吸附剂）等领域具有重要用途的可生物降解的、生物相容性好的高分子材料。PASP合成过程中所需原料为大宗发酵产品，价格低廉；聚合工艺简单，成本较低。美国NanoChem Solutions公司（原Donlar公司）率先在1995年开发成功PASP产品，并因此获得了1996年美国总统绿色化学奖。以该公司为代表的国内外少数公司已经建立PASP工业化生产线，并成功将其应用于植物生长促进剂和水处理剂。

图2.1 聚天冬氨酸的合成工艺

通过化学交联的方法，可将PASP分子链交联形成空间网状结构，从而得到高吸水性的水凝胶产品，其主要特点有：

A与变性淀粉高吸水凝胶相比：（1）吸水倍数高，最高可达1000倍，供水时间长；（2）配伍和分散性好，可以和其它固水及固沙材料如优质土壤混合，固沙效果好。

B与丙烯酰胺类和丙烯酸类聚合物材料相比：（1）可生物降解；（2）PASP本身可以作为植物生长促进剂，而且降解产物可以为作物提供氮源作为营养成分，可全部得到利用。

但目前现有的PASP水凝胶生产工艺复杂、产量低、耗用大量有机溶剂，使得其成本高昂、生产过程易造成环境污染，所以其应用领域受到极大限制。无法低成本、无污染的制备PASP水凝胶，成为PASP材料生产、应用中的一个难题。目前，尚无研究单位将PASP水凝胶进行工业化生产并大规模应用。

北京化工大学经由多年的研究，已经自主开发了无溶剂真空PASP合成新工艺和新型聚合釜，填补了国内空白，合成工艺已达到国际领先水平。在河南洛阳建立了4000吨/年以上的PASP工业化试生产线，产品销往河南、山东、新疆，黑龙江，吉林并出口美国。同时，自主开发了不使用有机溶剂的交联/水解制备PASP水凝胶工艺，并进行了中试，其产品质量、产量、成本等指标均达到国际先进水平。近些年来进行了一系列PASP水凝胶的固沙试验，结果证明其不但可以固沙，而且可以促进干旱地区植被的生长，固沙成本低，具备了进一步开发及产业化的基础。

PASP水凝胶作为保水固沙剂，已对其考察的应用性能包括：

2.1 PASP水凝胶对土壤中所含水分的影响

2.2 PASP水凝胶对土壤微观结构的影响

2.3 PASP水凝胶对沙土固结能力的影响

3 PASP水凝胶用作固沙保水剂的使用方法

目前，农用保水剂已经得到广泛的应用，但只有在适宜的土壤水分条件范围内，根据不同植物种类采用不同方法应用，才能获得最佳效果。并且，PASP保水剂除保水效果外，还具有促进植物生长的作用，并且通过降解得到的氨基酸还可补充植株所需。通过文献报道的保水剂使用方法和本课题组的实践经验，PASP水凝胶用于保剂的使用方法主要有：

1.拌种（种子涂层）：将PASP水凝胶按0.5~5%的比例与水搅拌形成水分散体，再将种子与该分散体均匀混合，使种子表面形成一层包衣，摊开晾干后进行播种。由于PASP水凝胶薄膜可保持一定的湿度和缩小昼夜温差，能加速种子发芽，提高种子出苗率和幼苗成活率。

2. 用作育苗培养基质：将PASP水凝胶（干粉或凝胶）按0.5~2%的比例与育苗床土相混合，可用于花卉、蔬菜、苗木的工厂化育苗。可减少苗床浇水次数，加速幼苗生长，促进插枝早生根，提前出圃。

3. 干播：将PASP水凝胶与化肥或细土均匀混合后（最佳比例为质量比1：20），按600~1000Kg/公顷散施于地表，或均匀撒入播种沟或播种穴内（播种后浇足水用土填平）。散施于地表可形成覆盖保水膜层，减少浇水次数。

4. 地面喷洒：将PASP水凝胶按0.5~5%的比例与水搅拌混合均匀，用喷雾器喷洒在地表（以PASP水凝胶计30~50kg/公顷），使其与地面覆盖物混合在一起。既可降低土壤被侵蚀的程度，又可向作物提供水分。

5. 流体播种：将PASP水凝胶按0.5~5%的比例与水搅拌形成水分散体，然后与发芽种子混合，再通过专门的流体播种机直播入土，多用于蔬菜催芽种子的播种。对种子出苗效果明显，是近年欧、美、日采用的新工艺。

6. 根部涂层(蘸根)：幼苗移栽时，将PASP水凝胶按0.5~5%的比例与水搅拌形成水分散体，将要移植的苗木蘸足保水剂后（约20分钟）取出栽种。可防止根部干燥，提高幼苗抗逆性，延长植物萎焉期，提高成活率。

7. 附土：将PASP水凝胶按0.5~5%的比例与水搅拌形成水分散体，再与土壤均匀混合（最佳比例为质量比1：20），埋入林木根系旁，用于带土移栽。可防止根部干燥，迅速恢复植株水分平衡，达到“立地成景”效果。

8. 挖沟：将PASP水凝胶按0.5~5%的比例与水搅拌形成水分散体，再与土壤均匀混合（最佳比例为质量比1：20）。在林木树冠投影边缘挖一环状沟或若干条状沟，深度以露出吸收根为准约25cm，施入上述保水剂/土壤混合物，施用量为每平米4~10Kg（按投影面积计）。也可直接施加PASP水凝胶干粉或凝胶，施用量为每平米5~15g。

9. 穴施：在树冠滴水线以内、约距树干0.3~2米处，环树干挖3~5个直径15~40cm、深20cm以上至根系分布层的坑。将PASP水凝胶按每株用PASP水凝胶2~12kg，与挖出的三分之一左右的土拌匀后平均施入，再覆盖余土。

此外，PASP水凝胶还具有优良的固沙性能，因此非常适合应用于干旱、半干旱地区，可在固化沙土的同时，保存水分用于供给植物生长所需，达到将化学固沙与植物固沙两种方法相结合以改善环境的目的。将PASP水凝胶用作固沙保水剂，针对实际情况还可采用以下方法：

1. 保育棒种植：将PASP水凝胶与沙土按质量比1~5%相混合，通过成型工具制作成具有通透孔的柱型，如图3.1（一般情况下，外径为15~15cm，内径为5~10cm，高10~20cm）。将营养土、少量保水剂（质量比约0.5~2%）混合后放入中通孔中，再将植物种子播种于孔内。

图3.1 保育棒示意图

该保育棒由PASP水凝胶和沙土的混合物构成，通过PASP的粘结性使沙土成型。其具有一定的硬度，可规范植株幼苗的根竖直向下生长，尽快达到含水层。一定时间后，PASP可自然降解，使得保育棒解体，从而防止其对植物根系的束缚。同时，保育棒及其内孔中的PASP水凝胶又能起到保水作用，供给植物生长。此方法适合于地表干旱但地下含水层浅的地区，一般用于乔木或灌木的种植。

    2. 流体播种：将PASP水凝胶按0.5~5%的比例与水搅拌形成水分散体，再与沙土混合成流动性较强的泥浆，掺入植物种子后，铺洒于地表。因PASP水凝胶具有良好的土壤固结能力，可减少沙化地表的风蚀；同时，PASP水凝胶作为保水剂还可为其中的种子续存水分。该方法适用于附近有地表径流的干旱、半干旱地区，一般种植草本植物。