一、技术研发背景
（一）肥料（主要是化肥）
我国水稻、玉米、小麦三大粮食作物氮肥、磷肥和钾肥当季平均利用率分别为33%、24%、42%。肥料利用率水平仍然处于较低的水平。另一方面，我国荒漠化土地面积261.16万平方公里，沙化土地面积172.12万平方公里，分别占国土面积的1/4以上和1/6以上，成为我国最为严重的生态问题。 “十三五”期间，全国需要完成10万平方公里的沙化土地治理任务，任务十分艰巨。另外，我国盐碱地总面积超过5亿亩，占中国耕地总面积10%以上。盐碱地的最主要的成因土壤中的水分蒸发量大，促进地下水中的盐分向上运动和累积，增加到一定值时，即形成盐碱地，重复盐碱化问题也很突出。主要原因是水分蒸发过快，土壤没有有效的锁水机制。
我们研发的肥料增效剂，就是要利用γ-聚谷氨酸（γ-PGA）强大的保水性和缓释性（能够吸收比自身体积大3500倍的水），提高化肥的使用效率、降低重复盐碱化和治理干旱、沙漠土壤。我们的实验结果也证明，在达到相同的效果前提下，化肥增效剂的加入，可以使化肥的使用量减少10-50%；显著减少重复盐碱化问题。
（二）农药（主要是化学农药）
农药是重要的农业生产资料，对农业发展和人类粮食供给做出了巨大的贡献。近年来，我国每年使用农药制剂250 万吨左右，防治面积达3 亿hm2 次以上。我国已经成为世界上第二大农药生产国，年产值近200亿元。
但是农药的过量使用也导致了很多环境问题。为满足农业生产需要及达到保护环境的目的，农药工作者们在加强农药新品种研究开发的同时，更加注重对农药剂型的研究。2005 年，国家立项了“农药专用助剂的开发与应用”项目，其目标就是开发农药新剂型，一些高效、安全、经济、使用方便的农药新剂型正在兴起。
虽然我国农药制剂发生较大变化，但目前落后制剂还占有相当比例。所谓落后制剂，主要是指乳油、可湿性粉剂等制剂。这类制剂农药残留高，剂型落后，其中添加的许多助剂对环境影响很大。使用农药防治农作物病、虫、草害，目的是要用最少量的农药取得最佳防治效果，并且不引起人畜中毒和环境污染等负面效应。但实际上， 喷撒出去的农药只有极少部分能达到要防治的靶标上，从施药器械喷撒出去的农药只有25％-50％能沉积在作物叶片上，不足1％的药剂能沉积在靶标上，只有不足0.03％的药剂能起到防治有害生物的作用。我国农药有效利用率很低，喷出的农药只有20％～30％持留在作物上，喷撒的大部分农药流失到环境中， 造成了严重的环境污染和人畜中毒，同时造成了农产品农药残留量的增加，而且药液在作物上的分布也极不均匀。远低于发达国家50％的平均水平。农药使用中的低效率，不仅浪费大量农药，还使大量农药流失到非靶标环境中，造成人畜中毒、环境污染。据统计，全球农业生产每年要使用约350万吨的农药，其中，中国、美国、阿根廷占到了70%，仅中国就占到了世界农药使用总量的约一半，2014年中国农药使用量为180.69万吨。《科学》根据2005-2009年的数据测算，就每公顷耕地上的农药使用量而言，美国使用2.2公斤的农药，法国使用2.9公斤，英国使用3公斤，中国使用10.3公斤，约为美国的4.7倍。
我们研发的农药增效剂，针对农药在叶面上易干燥、易蒸发和易流失等缺陷，创造性的提出了农药保水、农药停留时间延长等理念，仅施用20-70%的农药量，就可以达到同样的杀虫效果，是世界首创。
二、技术介绍
本项目所涉及的肥料和农药增效剂是以γ-聚谷氨酸为主要原料，形成两类增效剂产品：肥料增效剂和农药增效剂。其中，肥料增效剂以γ-聚谷氨酸为主要原料，另添加部分黄腐酸、元素肥等，组合形成一种复合配方，添加重量为肥料（如尿素、硝铵、磷肥、钾肥）总重量的0.03-0.1%。农药增效剂以γ-聚谷氨酸为主要原料，并与有机硅聚氧乙烯醚化合物、乳化剂等助剂混合后形成的复配制剂。
肥料增效剂的使用可以使传统肥料尤其是化肥的使用量减少10%-50%，社会和环境效益显著。农药增效剂能使传统农药在叶片中的停留时间延长1倍以上，有机硅聚氧乙烯醚化合物、乳化剂等起到低表面张力和乳化作用，仅施用20-70%的农药量，就可以达到同样的杀虫效果，是世界首创。
γ-聚谷氨酸(Poly γ-glutamic acid ，γ-PGA) 是微生物发酵法制得的，由L-谷氨酸、D-谷氨酸通过γ-酰胺键结合形成的一种可生物降解的生物高分子聚合物，具有优良的保水性、缓释性和成膜性，降解后为小分子氨基酸，不会带来二次污染。γ-聚谷氨酸分子式如图1所示，γ-聚谷氨酸的产品化学名称、分子式、结构式、CAS 号如表1所示。
图1 γ-聚谷氨酸分子式
表1 γ-聚谷氨酸的产品化学名称、分子式、结构式、CAS 号
农业级γ-聚谷氨酸特性如下：
易溶解 — γ-PGA的链间存在大量氢键，因此具有良好溶解性，如图2所示；
生物可降解 — γ-PGA的主链上存在大量肽键，可降解成无毒的短肽和氨基酸单体，因此具有优良的生物相容性和生物可降解性；
保水性 — γ-PGA的主链上存在大量游离羧基，因此具有强吸水保湿性，如图3所示；
图2 农业级γ-聚谷氨酸易溶解性
图3 农业级γ-聚谷氨酸保水性
