Удобрение -Fertilizer

Фермер разбрасывает навоз для повышения плодородия почвы

Удобрение ( американский вариант английского языка ) или удобрение ( британский вариант английского языка ; см. различия в правописании ) — это любой материал природного или синтетического происхождения, который вносится в почву или в ткани растений для снабжения растений питательными веществами . Удобрения могут отличаться от материалов для известкования или других непитательных почвенных добавок . Существует множество источников удобрений, как природных, так и промышленного производства. В большинстве современных методов ведения сельского хозяйства внесение удобрений сосредоточено на трех основных макроэлементах: азоте (N), фосфоре (P) и калии (K) с периодическим добавлением таких добавок, каккаменная пыль для микроэлементов. Фермеры вносят эти удобрения различными способами: в сухом, гранулированном или жидком виде, используя крупную сельскохозяйственную технику или ручные инструменты.

Исторически удобрение происходило из естественных или органических источников: компоста , навоза животных , человеческого навоза , собранных минералов, севооборотов и побочных продуктов человеческой природы (т . Однако, начиная с 19 века, после нововведений в области питания растений , сельскохозяйственная промышленность развивалась вокруг синтетических удобрений. Этот переход сыграл важную роль в преобразовании глобальной продовольственной системы , позволив создать крупномасштабное промышленное сельское хозяйство с высокой урожайностью. В частности, азотфиксирующие химические процессы, такие как процесс Габера в начале 20 века, усиленные производственными мощностями, созданными во время Второй мировой войны, привели к буму использования азотных удобрений. Во второй половине 20-го века более широкое использование азотных удобрений (увеличение на 800% в период с 1961 по 2019 год) стало важнейшим компонентом повышения производительности традиционных продовольственных систем (более 30% на душу населения) в рамках так называемого под названием « Зеленая революция ».

История

Общее производство удобрений по видам.
Население мира, поддерживаемое синтетическими азотными удобрениями и без них.
Основанная в 1812 году компания Mirat , производитель навоза и удобрений, считается старейшим промышленным предприятием в Саламанке (Испания).

Управление плодородием почвы занимало фермеров на протяжении тысячелетий. Известно, что египтяне, римляне, вавилоняне и первые германцы использовали минералы или навоз для повышения производительности своих ферм. Наука о питании растений началась задолго до работы немецкого химика Юстуса фон Либиха , хотя его имя упоминается чаще всего. Николя Теодор де Соссюр и его коллеги-ученые в то время поспешили опровергнуть упрощения Юстуса фон Либиха . Существовало сложное научное понимание питания растений, в котором роль гумуса и органо-минеральных взаимодействий была центральной, и которое соответствовало более поздним открытиям, сделанным в 1990 году. Выдающимися учеными, на которых опирался Юстус фон Либих , были Карл Людвиг Шпренгер и Герман Хельригель . В этой области произошла «эрозия знаний», отчасти вызванная смешением экономики и исследований. Джон Беннет Лоуз , английский предприниматель , начал эксперименты по влиянию различных удобрений на растения, растущие в горшках, в 1837 году, а через год или два опыты были распространены на посевы в поле. Непосредственным следствием этого стало то, что в 1842 году он запатентовал навоз, полученный путем обработки фосфатов серной кислотой, и, таким образом, первым создал промышленность по производству искусственного навоза. В следующем году он заручился услугами Джозефа Генри Гилберта ; вместе они проводили опыты с культурами в Институте исследования сельскохозяйственных культур .

Процесс Биркеланда-Эйде был одним из конкурирующих промышленных процессов в начале производства азотных удобрений. Этот процесс использовался для фиксации атмосферного азота (N 2 ) в азотную кислоту (HNO 3 ), один из нескольких химических процессов, обычно называемых фиксацией азота . Полученную азотную кислоту затем использовали в качестве источника нитрата (NO 3 - ). Завод, основанный на этом процессе, был построен в Рьюкане и Нотоддене в Норвегии, а также построены крупные гидроэлектростанции .

1910-е и 1920-е годы стали свидетелями подъема процесса Габера и процесса Оствальда . Процесс Габера производит аммиак (NH 3 ) из газа метана (CH 4 ) ( природный газ ) и молекулярного азота (N 2 ) из воздуха. Аммиак из процесса Габера затем частично превращается в азотную кислоту (HNO 3 ) в процессе Оствальда . После Второй мировой войны заводы по производству азота, которые были модернизированы для производства бомб военного времени, были переориентированы на использование в сельском хозяйстве. Использование синтетических азотных удобрений неуклонно росло за последние 50 лет, увеличившись почти в 20 раз до нынешнего уровня в 100 миллионов тонн азота в год.

Разработка синтетических азотных удобрений значительно поддержала рост населения планеты  — было подсчитано, что почти половина людей на Земле в настоящее время питается за счет использования синтетических азотных удобрений. Использование фосфорных удобрений также увеличилось с 9 миллионов тонн в год в 1960 году до 40 миллионов тонн в год в 2000 году. Для урожая кукурузы, дающего 6–9 тонн зерна с гектара (2,5 акра), требуется 31–50 кг (68–110 lb) вносимых фосфорных удобрений; под посевами сои требуется примерно половина, а 20–25 кг с гектара. Yara International — крупнейший в мире производитель азотных удобрений.

Механизм

Шесть растений томатов, выращенных с азотными удобрениями и без них на бедной питательными веществами песчано-глинистой почве. Одно из растений в бедной питательными веществами почве погибло.
Использование неорганических удобрений по регионам

Удобрения усиливают рост растений. Эта цель достигается двумя способами, традиционный из которых заключается в добавках, обеспечивающих питательные вещества. Второй способ действия некоторых удобрений заключается в повышении эффективности почвы за счет изменения ее влагоудержания и аэрации. В этой статье, как и во многих других, посвященных удобрениям, особое внимание уделяется аспекту питания. Удобрения обычно обеспечивают в различных пропорциях :

Питательные вещества, необходимые для здоровой жизни растений, классифицируются по элементам, но элементы не используются в качестве удобрений. Вместо этого соединения , содержащие эти элементы, составляют основу удобрений. Макроэлементы потребляются в больших количествах и присутствуют в тканях растений в количестве от 0,15% до 6,0% в пересчете на сухое вещество (СВ) (0% влаги). Растения состоят из четырех основных элементов: водорода, кислорода, углерода и азота. Углерод, водород и кислород широко доступны в виде воды и двуокиси углерода. Хотя азот составляет большую часть атмосферы, он находится в форме, недоступной для растений. Азот является наиболее важным удобрением, так как азот присутствует в белках , ДНК и других компонентах (например, хлорофилле ). Чтобы быть питательным для растений, азот должен быть доступен в «фиксированной» форме. Только некоторые бактерии и их растения-хозяева (особенно бобовые ) могут фиксировать атмосферный азот (N 2 ), превращая его в аммиак . Фосфат необходим для производства ДНК и АТФ , основного переносчика энергии в клетках, а также некоторых липидов.

Микробиологические соображения

Два набора ферментативных реакций имеют большое значение для эффективности азотных удобрений.

уреаза

Первый – это гидролиз (реакция с водой) мочевины. Многие почвенные бактерии обладают ферментом уреазой , который катализирует превращение мочевины в ион аммония (NH 4 + ) и ион бикарбоната (HCO 3 - ).

Окисление аммиака

Бактерии, окисляющие аммиак (AOB), такие как виды Nitrosomonas , окисляют аммиак до нитритов , процесс, называемый нитрификацией . Нитритоокисляющие бактерии, особенно Nitrobacter , окисляют нитрит до нитрата, который чрезвычайно подвижен и является основной причиной эвтрофикации .

Классификация

Удобрения классифицируют по нескольким признакам. Они классифицируются в зависимости от того, обеспечивают ли они одно питательное вещество (например, K, P или N), и в этом случае они классифицируются как «прямые удобрения». «Мультипитательные удобрения» (или «комплексные удобрения») содержат два или более питательных вещества, например N и P. Удобрения также иногда классифицируют как неорганические (тема большей части этой статьи) по сравнению с органическими. Неорганические удобрения исключают углеродосодержащие материалы, кроме мочевины . Органические удобрения обычно представляют собой (переработанные) вещества растительного или животного происхождения. Неорганические иногда называют синтетическими удобрениями, так как для их производства требуется различная химическая обработка.

Одноэлементные ("прямые") удобрения

Основным азотным удобрением прямого действия является нашатырный спирт или его растворы. Нитрат аммония (NH 4 NO 3 ) также широко используется. Мочевина — еще один популярный источник азота, имеющий то преимущество, что он твердый и невзрывоопасный, в отличие от аммиака и аммиачной селитры соответственно. Несколько процентов рынка азотных удобрений (4% в 2007 г.) приходится на известково-аммиачную селитру ( Ca(NO 3 ) 2 · NH 4 · 10 H 2 O ).

Основными прямыми фосфорными удобрениями являются суперфосфаты . «Одинарный суперфосфат» (SSP) состоит из 14–18% P 2 O 5 , опять же в виде Ca(H 2 PO 4 ) 2 , а также из фосфогипса ( Ca SO 4 · 2 H 2 O ). Тройной суперфосфат (TSP) обычно состоит из 44–48% P 2 O 5 и не содержит гипса. Смесь простого суперфосфата и тройного суперфосфата называется двойным суперфосфатом. Более 90% типичного суперфосфатного удобрения растворимо в воде.

Основным прямым удобрением на калийной основе является хлористый калий (MOP). Муриат калия состоит из 95–99% KCl и обычно доступен в виде удобрения 0-0-60 или 0-0-62.

Многоэлементные удобрения

Эти удобрения распространены. Они состоят из двух или более питательных компонентов.

Бинарные (NP, NK, PK) удобрения

Основные двухкомпонентные удобрения обеспечивают растения как азотом, так и фосфором. Они называются удобрениями NP. Основными удобрениями NP являются моноаммонийфосфат (МАФ) и диаммонийфосфат (ДАФ). Активным ингредиентом MAP является NH 4 H 2 PO 4 . Активным ингредиентом DAP является (NH 4 ) 2 HPO 4 . Около 85% удобрений MAP и DAP растворимы в воде.

NPK удобрения

Удобрения NPK представляют собой трехкомпонентные удобрения, содержащие азот, фосфор и калий. Существует два типа NPK-удобрений: составные и смеси. Комплексные NPK-удобрения содержат химически связанные ингредиенты, тогда как смешанные NPK-удобрения представляют собой физические смеси отдельных питательных компонентов.

Рейтинг NPK — это рейтинговая система, описывающая количество азота, фосфора и калия в удобрении. Рейтинги NPK состоят из трех чисел, разделенных тире (например, 10-10-10 или 16-4-8), описывающих химический состав удобрений. Первое число представляет собой процентное содержание азота в продукте; второе число Р 2 О 5 ; в-третьих, K 2 O. Удобрения на самом деле не содержат P 2 O 5 или K 2 O, но система представляет собой условное обозначение количества фосфора (P) или калия (K) в удобрении. 50-фунтовый (23-килограммовый) мешок удобрения с маркировкой 16-4-8 содержит 8 фунтов (3,6 кг) азота (16% от 50 фунтов), количество фосфора эквивалентно 2 фунтам P 2 O 5 . (4% от 50 фунтов) и 4 фунта K 2 O (8% от 50 фунтов). Большинство удобрений маркируются в соответствии с этим соглашением об NPK, хотя австралийское соглашение, следуя системе NPKS, добавляет четвертое число для серы и использует значения элементов для всех значений, включая P и K.

микроэлементы

Питательные микроэлементы потребляются в меньших количествах и присутствуют в тканях растений в количестве частей на миллион (частей на миллион), в диапазоне от 0,15 до 400 частей на миллион или менее 0,04% сухого вещества. Эти элементы часто необходимы для ферментов, необходимых для метаболизма растений. Поскольку эти элементы включают катализаторы (ферменты), их влияние намного превышает их массовый процент. Типичными микроэлементами являются бор, цинк, молибден, железо и марганец. Эти элементы представлены в виде водорастворимых солей. Железо представляет собой особую проблему, поскольку оно превращается в нерастворимые (бионедоступные) соединения при умеренном рН почвы и концентрации фосфатов. По этой причине железо часто вводят в виде хелатного комплекса , например, производных ЭДТА или ЭДДГК . Потребность в микроэлементах зависит от растения и окружающей среды. Например, сахарной свекле , по-видимому, требуется бор , а бобовым культурамкобальт , в то время как условия окружающей среды, такие как жара или засуха, делают бор менее доступным для растений.

Окружающая среда

Синтетические удобрения, используемые в сельском хозяйстве, имеют далеко идущие последствия для окружающей среды . Согласно специальному отчету Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) об изменении климата и земле , производство этих удобрений и связанные с ними методы землепользования являются движущими силами глобального потепления . Использование удобрений также привело к ряду прямых экологических последствий: сельскохозяйственный сток , который приводит к последствиям ниже по течению, таким как мертвые зоны океана и загрязнение водных путей, деградация почвенного микробиома и накопление токсинов в экосистемах. Косвенные воздействия на окружающую среду включают: воздействие на окружающую среду гидроразрыва природного газа , используемого в процессе Габера , сельскохозяйственный бум частично ответственен за быстрый рост населения , а крупномасштабные промышленные методы ведения сельского хозяйства связаны с разрушением среды обитания , давлением на биоразнообразие и сельскохозяйственными потеря почвы .

Чтобы смягчить проблемы, связанные с окружающей средой и продовольственной безопасностью , международное сообщество включило продовольственные системы в цель 2 в области устойчивого развития , которая направлена ​​на создание безвредной для климата и устойчивой системы производства продуктов питания . Большинство политических и нормативных подходов к решению этих проблем сосредоточены на повороте сельскохозяйственных методов к устойчивым или регенеративным методам ведения сельского хозяйства : они используют меньше синтетических удобрений, более эффективное управление почвой (например , земледелие с нулевой обработкой ) и больше органических удобрений.

Производство

Для производства синтетических или неорганических удобрений требуются подготовленные химические вещества, тогда как органические удобрения получают в результате органических процессов растений и животных в биологических процессах с использованием биохимических веществ.

Азотные удобрения

Общее потребление азотных удобрений по регионам, измеряемое в тоннах общего количества питательных веществ в год.

Крупнейшие пользователи азотных удобрений
Страна Общее использование азота
(млн тонн в год)
Амт. используется на
корм/пастбище
(млн тонн в год)
Китай 18,7 3.0
Индия 11,9 Н/Д
НАС 9.1 4.7
Франция 2,5 1,3
Германия 2.0 1,2
Бразилия 1,7 0,7
Канада 1,6 0,9
Турция 1,5 0,3
Великобритания 1,3 0,9
Мексика 1,3 0,3
Испания 1,2 0,5
Аргентина 0,4 0,1

Азотные удобрения производятся из аммиака (NH 3 ) , полученного в процессе Габера-Боша . В этом энергоемком процессе природный газ (CH 4 ) обычно поставляет водород , а азот (N 2 ) получают из воздуха . Этот аммиак используется в качестве сырья для всех других азотных удобрений, таких как безводная аммиачная селитра (NH 4 NO 3 ) и мочевина (CO(NH 2 ) 2 ).

Залежи нитрата натрия (NaNO 3 ) ( чилийская селитра ) также обнаружены в пустыне Атакама в Чили и были одним из первых (1830 г.) используемых азотных удобрений. Его до сих пор добывают для удобрений. Нитраты также производятся из аммиака по процессу Оствальда .

Фосфорные удобрения

Апатитовый рудник в Сиилинъярви , Финляндия.

Фосфорные удобрения получают экстракцией фосфоритов , которые содержат два основных фосфорсодержащих минерала: фторапатит Ca 5 (PO 4 ) 3 F (CFA) и гидроксиапатит Ca 5 (PO 4 ) 3 OH. Эти минералы превращаются в водорастворимые фосфатные соли при обработке серной (H 2 SO 4 ) или фосфорной кислотами (H 3 PO 4 ). Большое производство серной кислоты в первую очередь мотивировано этим применением. В нитрофосфатном процессе или процессе Одда (изобретен в 1927 г.) фосфоритная порода с содержанием фосфора (P) до 20 % растворяется в азотной кислоте (HNO 3 ) для получения смеси фосфорной кислоты (H 3 PO 4 ) и кальция . нитрат (Ca(NO 3 ) 2 ). Эту смесь можно комбинировать с калийным удобрением для получения сложного удобрения с тремя макроэлементами N, P и K в легко растворимой форме.

Калийные удобрения

Калий представляет собой смесь калийных минералов, используемых для производства калийных (химический символ: K) удобрений . Калий растворим в воде, поэтому основные усилия по получению этого питательного вещества из руды включают несколько этапов очистки; например, для удаления хлорида натрия (NaCl) (поваренная соль ). Иногда поташ называют K 2 O для удобства тех, кто описывает содержание калия. На самом деле калийные удобрения обычно представляют собой хлорид калия , сульфат калия , карбонат калия или нитрат калия .

NPK удобрения

Существует четыре основных способа производства NPK-удобрений: 1) паровая грануляция, 2) химическая грануляция, 3) прессование, 4) объемное смешивание. Первые три процесса используются для производства сложных NPK. При паровой грануляции сырье смешивается и затем гранулируется с использованием пара в качестве связующего. Процесс химической грануляции основан на химических реакциях между жидким сырьем (таким как фосфорная кислота, серная кислота, аммиак) и твердым сырьем (таким как хлорид калия, переработанный материал). Уплотнение реализует высокое давление для агломерации сухих порошковых материалов. Наконец, объемные смеси производятся путем смешивания простых удобрений.

Органические удобрения

Компостная яма для мелкосерийного производства органических удобрений
Крупное коммерческое производство компоста

« Органические удобрения » могут описывать те удобрения органического – биологического – происхождения, то есть удобрения, полученные из живых или ранее живых материалов. Органические удобрения могут также описывать имеющиеся в продаже и часто упаковываемые продукты, которые стремятся соответствовать ожиданиям и ограничениям, принятым « « органическое сельское хозяйство » и « экологически чистое » садоводство – связанные системы производства продуктов питания и растений, которые значительно ограничивают или строго исключают использование синтетических удобрений и пестицидов. Продукты «органических удобрений» обычно содержат как некоторые органические материалы, так и приемлемые добавки, такие как питательные каменные порошки, молотые морские раковины (крабы, устрицы и т. д.), другие готовые продукты, такие как мука из семян или водоросли, а также культивируемые микроорганизмы и их производные. .

Удобрения органического происхождения (первое определение) включают отходы животноводства , растительные отходы сельского хозяйства, морские водоросли , компост и очищенный осадок сточных вод ( твердые биологические вещества ). Помимо навоза, источники животного происхождения могут включать продукты забоя животных — типичные компоненты — кровяная мука , костная мука , перьевая мука , шкуры, копыта и рога. Материалы органического происхождения, доступные для промышленности, такие как осадки сточных вод, могут быть неприемлемыми компонентами органического земледелия и садоводства из-за факторов, варьирующихся от остаточных загрязнителей до общественного мнения. С другой стороны, продаваемые «органические удобрения» могут включать переработанные органические вещества и продвигать их, потому что материалы имеют потребительскую привлекательность. Независимо от определения или состава, большинство этих продуктов содержат менее концентрированные питательные вещества, и питательные вещества не так легко поддаются количественному определению. Они могут предложить преимущества в построении почвы, а также быть привлекательными для тех, кто пытается вести хозяйство / садоводство более «естественно».

С точки зрения объема, торф является наиболее широко используемым упакованным органическим удобрением для почвы. Это незрелая форма угля, улучшающая почву за счет аэрации и поглощения воды, но не придающая питательной ценности растениям. Следовательно, это не удобрение, как определено в начале статьи, а скорее поправка. Кокосовая койра (полученная из кокосовой шелухи), кора и опилки при добавлении в почву действуют аналогично (но не идентично) торфу и также считаются органическими добавками к почве — или текстуризаторами — из-за их ограниченного количества питательных веществ. Некоторые органические добавки могут оказывать обратное влияние на питательные вещества — свежие опилки могут поглощать питательные вещества из почвы по мере их разложения и могут снижать pH почвы, — но те же самые органические текстуризаторы (а также компост и т. д.) могут увеличить доступность питательных веществ за счет улучшения катионный обмен или усиление роста микроорганизмов, что, в свою очередь, повышает доступность определенных питательных веществ для растений. Органические удобрения, такие как компосты и навоз, могут распределяться на месте, не погружаясь в промышленное производство, что затрудняет количественную оценку фактического потребления.

Заявление

Внесение суперфосфатных удобрений вручную, Новая Зеландия, 1938 год.

Удобрения обычно используются для выращивания всех сельскохозяйственных культур, при этом нормы внесения зависят от плодородия почвы, обычно определяемого тестом почвы и в зависимости от конкретной культуры. Бобовые, например, фиксируют азот из атмосферы и обычно не требуют азотных удобрений.

Жидкость против твердого вещества

Удобрения вносятся под посевы как в твердом, так и в жидком виде. Около 90% удобрений вносится в виде твердых веществ. Наиболее распространенными твердыми неорганическими удобрениями являются мочевина , диаммонийфосфат и хлористый калий. Твердое удобрение обычно гранулируют или измельчают. Часто твердые вещества доступны в виде гранул , твердых шариков. Жидкие удобрения включают безводный аммиак, водные растворы аммиака, водные растворы аммиачной селитры или мочевины. Эти концентрированные продукты могут быть разбавлены водой для получения концентрированного жидкого удобрения (например, КАС ). Преимущества жидких удобрений заключаются в более быстром воздействии и более легком покрытии. Добавление удобрений в воду для полива называется « фертигацией ».

Мочевина

Мочевина хорошо растворяется в воде и поэтому также очень подходит для использования в растворах удобрений (в сочетании с аммиачной селитрой: КАС), например, в удобрениях для внекорневой подкормки. Для использования в качестве удобрения гранулы предпочтительнее гранул из-за их более узкого распределения частиц по размерам, что является преимуществом при механическом внесении.

Мочевина обычно вносится в количестве от 40 до 300 кг/га (от 35 до 270 фунтов/акр), но нормы варьируются. Меньшие приложения несут меньшие потери из-за выщелачивания. Летом мочевину часто вносят непосредственно перед дождем или во время него, чтобы свести к минимуму потери от испарения (процесс, при котором азот выбрасывается в атмосферу в виде газообразного аммиака).

Из-за высокой концентрации азота в мочевине очень важно добиться равномерного распределения. Сверление не должно происходить при контакте с семенами или рядом с ними из-за риска повреждения прорастания. Мочевина растворяется в воде для применения в виде спрея или через ирригационные системы.

При выращивании зерновых и хлопчатника мочевину часто вносят во время последней культивации перед посевом. В районах с большим количеством осадков и на песчаных почвах (где азот может теряться в результате выщелачивания) и там, где ожидается хорошее сезонное количество осадков, мочевину можно вносить сбоку или сверху в течение вегетационного периода. Подкормка также популярна на пастбищных и кормовых культурах. При выращивании сахарного тростника после посадки мочевину вносят в боковую подкормку и применяют к каждой культуре ратуна .

Поскольку мочевина поглощает влагу из атмосферы, ее часто хранят в закрытых емкостях.

Передозировка или размещение мочевины рядом с семенами вредны.

Удобрения с медленным и контролируемым высвобождением

Метилендимочевина (МДУ) является компонентом самых популярных удобрений с контролируемым высвобождением .
Удобрение контролируемого высвобождения (CRF) представляет собой гранулированное удобрение , которое постепенно высвобождает питательные вещества в почву (т. е. с контролируемым периодом высвобождения). Удобрение с контролируемым высвобождением также известно как удобрение с контролируемой доступностью, удобрение с отсроченным высвобождением, удобрение с дозированным высвобождением или удобрение медленного действия. Обычно CRF относится к удобрениям на основе азота. На удобрения с медленным и контролируемым высвобождением приходится всего 0,15% (562 000 тонн) рынка удобрений (1995 г.).

Внекорневая подкормка

Внекорневые удобрения вносятся непосредственно в листья. Этот метод почти всегда используется для внесения водорастворимых азотных удобрений прямого действия и используется особенно для ценных культур, таких как фрукты. Мочевина – самое распространенное внекорневое удобрение.

Горение удобрений

Химические вещества, влияющие на усвоение азота

N-бутилтиофосфорилтриамид, удобрение повышенной эффективности.

Для повышения эффективности азотных удобрений используются различные химические вещества. Таким образом, фермеры могут ограничить загрязняющее воздействие азотных стоков. Ингибиторы нитрификации (также известные как стабилизаторы азота) подавляют превращение аммиака в нитрат, анион, более склонный к выщелачиванию. Популярны 1-карбамоил-3-метилпиразол (CMP), дициандиамид , нитрапирин (2-хлор-6-трихлорметилпиридин) и 3,4-диметилпиразолфосфат (DMPP). Ингибиторы уреазы используются для замедления гидролитического превращения мочевины в аммиак, который склонен к испарению, а также к нитрификации. Превращение мочевины в аммиак катализируется ферментами, называемыми уреазами . Популярным ингибитором уреаз является триамид N-(н-бутил)тиофосфорной кислоты (NBPT).

Избыточное удобрение

Осторожное использование технологий удобрения важно, потому что избыток питательных веществ может быть вредным. Ожог удобрениями может произойти, когда вносится слишком много удобрений, что приводит к повреждению или даже гибели растения. Удобрения различаются по склонности к горению примерно в соответствии с их солевым индексом .

Статистика

Использование удобрений (2018 г.). Из Статистического ежегодника ФАО «Всемирное продовольствие и сельское хозяйство» за 2020 год.

В последнее время азотные удобрения в большинстве развитых стран вышли на плато. Однако Китай стал крупнейшим производителем и потребителем азотных удобрений. Африка мало зависит от азотных удобрений. Сельскохозяйственные и химические минералы очень важны для промышленного использования удобрений, стоимость которых оценивается примерно в 200 миллиардов долларов. Азот оказывает значительное влияние на глобальное использование полезных ископаемых, за ним следуют калий и фосфат. Производство азота резко возросло с 1960-х годов. Фосфаты и калий выросли в цене с 1960-х годов, что больше, чем индекс потребительских цен. Калий производится в Канаде, России и Беларуси, что в совокупности составляет более половины мирового производства. Производство калия в Канаде выросло в 2017 и 2018 годах на 18,6%. По самым скромным оценкам, от 30 до 50% урожая приходится на натуральные или синтетические коммерческие удобрения. Потребление удобрений превысило количество сельскохозяйственных угодий в Соединенных Штатах . Стоимость мирового рынка , вероятно, вырастет до более чем 185 миллиардов долларов США к 2019 году. Европейский рынок удобрений вырастет и принесет доход в размере ок. 15,3 млрд евро в 2018 году.

Данные о потреблении удобрений на гектар пашни в 2012 году публикует Всемирный банк . На приведенной ниже диаграмме показано потребление удобрений странами Европейского союза (ЕС) в килограммах на гектар (фунты на акр). Общее потребление удобрений в ЕС составляет 15,9 млн тонн на 105 млн га пашни (или 107 млн ​​га пашни по другой оценке). Эта цифра соответствует 151 кг удобрений, потребляемых на гектар пашни в среднем по странам ЕС.

На диаграмме представлена ​​статистика потребления удобрений в странах Западной и Центральной Европы по данным, опубликованным Всемирным банком за 2012 год.

Экологические последствия

Сток почвы и удобрений во время ливня

Использование удобрений полезно для обеспечения растений питательными веществами, хотя они имеют некоторые негативные последствия для окружающей среды. Большое растущее потребление удобрений может повлиять на почву, поверхностные и подземные воды из-за рассредоточения использования минеральных ресурсов.

На каждую тонну фосфорной кислоты, полученной при переработке фосфоритов, образуется пять тонн отходов. Эти отходы принимают форму нечистого, бесполезного радиоактивного твердого вещества, называемого фосфогипсом . По оценкам, ежегодно во всем мире производится от 100 000 000 до 280 000 000 тонн отходов фосфогипса.

Вода

Красные круги показывают расположение и размер многих мертвых зон .

Фосфорные и азотные удобрения, когда они широко используются, оказывают серьезное воздействие на окружающую среду. Это связано с обильными дождями, из-за которых удобрения смываются в водоемы. Сельскохозяйственные стоки вносят основной вклад в эвтрофикацию пресноводных водоемов. Например, в США около половины всех озер являются эвтрофными . Основной вклад в эвтрофикацию вносят фосфаты, которые обычно являются ограничивающим питательным веществом; высокие концентрации способствуют росту цианобактерий и водорослей, на гибель которых расходуется кислород. Цветение цианобактерий (« цветение водорослей ») также может производить вредные токсины , которые могут накапливаться в пищевой цепи и могут быть вредны для человека.

Соединения, богатые азотом, содержащиеся в стоках удобрений, являются основной причиной серьезного истощения запасов кислорода во многих частях океанов , особенно в прибрежных зонах, озерах и реках . В результате нехватка растворенного кислорода значительно снижает способность этих районов поддерживать океаническую фауну . Количество океанических мертвых зон вблизи обитаемых береговых линий увеличивается. По состоянию на 2006 год применение азотных удобрений все больше контролируется в северо-западной Европе и США. Если эвтрофикацию удастся обратить вспять, могут пройти десятилетия, прежде чем накопленные нитраты в грунтовых водах смогут быть разрушены естественными процессами.

Нитратное загрязнение

Только часть азотных удобрений превращается в растительные вещества. Остаток накапливается в почве или теряется со стоком. Высокие нормы внесения азотосодержащих удобрений в сочетании с высокой растворимостью нитратов в воде приводят к повышенному стоку в поверхностные воды , а также выщелачиванию в подземные воды, вызывая тем самым загрязнение подземных вод . Чрезмерное использование азотсодержащих удобрений (как синтетических, так и натуральных) особенно вредно, так как большая часть азота, не усваиваемого растениями, превращается в нитраты, которые легко выщелачиваются.

Уровни нитратов выше 10 мг/л (10 частей на миллион) в грунтовых водах могут вызвать « синдром синего ребенка » (приобретенная метгемоглобинемия ). Питательные вещества, особенно нитраты, содержащиеся в удобрениях, могут создавать проблемы для естественной среды обитания и для здоровья человека, если они смываются с почвы в водотоки или выщелачиваются через почву в грунтовые воды.

Почвы

подкисление

Азотсодержащие удобрения при внесении могут вызывать закисление почвы . Это может привести к уменьшению доступности питательных веществ, что может быть компенсировано известкованием .

Накопление токсичных элементов

Кадмий

Концентрация кадмия в фосфорсодержащих удобрениях значительно варьируется и может быть проблематичной. Например, моноаммонийфосфатное удобрение может иметь содержание кадмия от 0,14 мг/кг до 50,9 мг/кг. Фосфатная порода, используемая при их производстве, может содержать до 188 мг/кг кадмия (примерами являются месторождения на Науру и островах Рождества ). Непрерывное использование удобрений с высоким содержанием кадмия может загрязнить почву (как показано в Новой Зеландии) и растения . Пределы содержания кадмия в фосфорных удобрениях были рассмотрены Европейской комиссией . Производители фосфорсодержащих удобрений теперь выбирают фосфориты по содержанию кадмия.

Фтор

Фосфатные породы содержат большое количество фтора. Следовательно, широкое использование фосфорных удобрений привело к увеличению концентрации фторидов в почве. Было обнаружено, что загрязнение пищевых продуктов удобрениями не вызывает особого беспокойства, поскольку растения накапливают мало фтора из почвы; большую озабоченность вызывает возможность токсичности фтора для домашнего скота, который глотает загрязненную почву. Также возможное беспокойство вызывает воздействие фтора на почвенные микроорганизмы.

Радиоактивные элементы

Радиоактивный состав удобрений значительно варьируется и зависит как от их концентрации в исходном минерале, так и от процесса производства удобрений. Концентрация урана-238 может варьироваться от 7 до 100 пКи/г в фосфатной породе и от 1 до 67 пКи/г в фосфорных удобрениях. При использовании высоких годовых норм фосфорных удобрений это может привести к концентрации урана-238 в почве и дренажных водах, в несколько раз превышающей нормальную концентрацию. Однако влияние этих повышений на риск для здоровья человека от загрязнения пищевых продуктов радинуклидами очень мало (менее 0,05 мЗв /год).

Другие металлы

Отходы сталелитейной промышленности, перерабатываемые в удобрения из-за высокого содержания цинка (необходимого для роста растений), могут включать следующие токсичные металлы: свинец , мышьяк , кадмий , хром и никель. Наиболее распространенными токсичными элементами в этом типе удобрений являются ртуть, свинец и мышьяк. Эти потенциально вредные примеси можно удалить; однако это значительно увеличивает стоимость. Высокочистые удобрения широко доступны и, возможно, наиболее известны как хорошо растворимые в воде удобрения, содержащие синие красители, используемые в домашнем хозяйстве, такие как Miracle-Gro . Эти хорошо растворимые в воде удобрения используются в питомниках растений и доступны в больших упаковках по значительно меньшей цене, чем в розничных магазинах. Некоторые недорогие розничные гранулированные садовые удобрения изготавливаются из ингредиентов высокой чистоты.

Следы истощения минералов

Внимание было обращено на снижение концентрации таких элементов, как железо, цинк, медь и магний, во многих пищевых продуктах за последние 50–60 лет. Интенсивные методы ведения сельского хозяйства , включая использование синтетических удобрений, часто предлагаются в качестве причин такого снижения, а органическое земледелие часто предлагается в качестве решения. Хотя известно, что повышение урожайности в результате применения NPK-удобрений приводит к разбавлению концентрации других питательных веществ в растениях, большая часть измеренного снижения может быть связана с использованием все более высокоурожайных сортов сельскохозяйственных культур, которые производят продукты с более низкой концентрацией минералов, чем их менее продуктивные растения. предки. Поэтому маловероятно, что органическое земледелие или сокращение использования удобрений решат проблему; Предполагается, что продукты с высокой плотностью питательных веществ можно получать с использованием старых низкоурожайных сортов или выведением новых высокоурожайных сортов с высоким содержанием питательных веществ.

Удобрения, на самом деле, скорее решают проблемы дефицита микроэлементов, чем вызывают их: в Западной Австралии дефицит цинка , меди, марганца , железа и молибдена был определен как ограничивающий рост посевов и пастбищ на больших акрах в 1940-х и 1950-х годах. . Почвы в Западной Австралии очень старые, сильно выветрелые и бедные многими основными питательными веществами и микроэлементами. С этого времени эти микроэлементы регулярно добавляются в удобрения, используемые в сельском хозяйстве в этом состоянии. Многие другие почвы по всему миру испытывают дефицит цинка, что приводит к его дефициту как у растений, так и у людей, и цинковые удобрения широко используются для решения этой проблемы.

Изменения в биологии почвы

Высокий уровень удобрений может привести к нарушению симбиотических отношений между корнями растений и микоризными грибами.

Энергопотребление и устойчивость

В 2004 году в США при промышленном производстве аммиака было израсходовано 317 миллиардов кубических футов природного газа, что составляет менее 1,5% от общего годового потребления природного газа в США . В отчете за 2002 год предполагается, что на производство аммиака расходуется около 5% мирового потребления природного газа, что составляет несколько менее 2% мирового производства энергии.

Аммиак производится из природного газа и воздуха. Стоимость природного газа составляет около 90% стоимости производства аммиака. Рост цен на природный газ за последнее десятилетие, наряду с другими факторами, такими как растущий спрос, способствовал росту цен на удобрения.

Вклад в изменение климата

Парниковые газы углекислый газ , метан и закись азота образуются при производстве азотных удобрений. CO2 оценивается как более 1% глобальных выбросов CO2. Азотные удобрения могут быть преобразованы почвенными бактериями в закись азота , парниковый газ . Выбросы закиси азота людьми, большая часть которых связана с удобрениями, в период с 2007 по 2016 год оцениваются в 7 миллионов тонн в год, что несовместимо с ограничением глобального потепления до уровня ниже 2°C.

Атмосфера

Глобальные концентрации метана (приземные и атмосферные) за 2005 г.; обратите внимание на отчетливые перья

За счет увеличения использования азотных удобрений, которые использовались в размере около 110 миллионов тонн (N) в год в 2012 году, добавляя к уже существующему количеству реактивного азота, закись азота (N 2 O) стала третьей по величине. важный парниковый газ после углекислого газа и метана. Он имеет потенциал глобального потепления в 296 раз больше, чем эквивалентная масса углекислого газа, а также способствует истощению стратосферного озона. Путем изменения процессов и процедур можно смягчить некоторые, но не все, последствия антропогенного изменения климата .

Выбросы метана с полей (особенно с рисовых полей ) увеличиваются за счет применения удобрений на основе аммония. Эти выбросы способствуют глобальному изменению климата, поскольку метан является мощным парниковым газом.

Политика

Регулирование

В Европе проблемы с высокой концентрацией нитратов в стоках решаются Директивой Европейского союза по нитратам. В Британии фермеров поощряют к более устойчивому управлению своей землей в рамках «фермерства с учетом водосбора». В США высокие концентрации нитратов и фосфора в стоках и дренажных водах классифицируются как загрязнители с неточечными источниками из-за их диффузного происхождения; это загрязнение регулируется на государственном уровне. Орегон и Вашингтон, оба в Соединенных Штатах, имеют программы регистрации удобрений с онлайновыми базами данных, в которых перечислены химические анализы удобрений.

В Китае были введены правила, регулирующие использование азотных удобрений в сельском хозяйстве. В 2008 году китайские правительства начали частично отменять субсидии на удобрения, в том числе субсидии на транспортировку удобрений и использование электроэнергии и природного газа в промышленности. Как следствие, цены на удобрения выросли, и крупные фермы стали использовать меньше удобрений. Если крупные фермы продолжат сокращать использование субсидий на удобрения, у них не будет иного выбора, кроме как оптимизировать имеющиеся у них удобрения, что, таким образом, приведет к увеличению как урожая зерна, так и прибыли.

Два типа методов управления сельским хозяйством включают органическое сельское хозяйство и традиционное сельское хозяйство. Первый поощряет плодородие почвы, используя местные ресурсы для максимальной эффективности. Органическое сельское хозяйство избегает синтетических агрохимикатов. Обычное сельское хозяйство использует все компоненты, которые не использует органическое сельское хозяйство.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки