Минеральные удобрения

В 19 в. сформировались важнейшие фундаментальные положения агрохимии – теории питания растений. Исследования Н. Т. де Соссюра, А. Тэера, Ю. Либиха, Ж.-Б. Буссенго, Г. Гельригеля, М. Г. Павлова, А. Н. Энгельгардта, Д. Н. Прянишникова привели к пониманию необходимости применения минеральных элементов в качестве удобрений.

История промышленности по производству минеральных удобрений началась с 1840-х гг., когда было установлено, что при добавлении серной кислоты к природному фосфатному сырью можно получить водорастворимое удобрение, названное «суперфосфат». Первое в мире промышленное производство суперфосфата было организовано в Англии в 1842 г., в России – в 1868 г.

В 1860-х гг., после открытия месторождения калийных солей в г. Штасфурт (Германия), стали активно применять калийные удобрения. В дальнейшем с открытием новых месторождений, в том числе богатейших в мире Соликамских в СССР, калийные удобрения получили широкое распространение.

Развитие производства азотных удобрений началось после промышленного освоения синтеза аммиака из водорода и атмосферного азота в начале 20 в.

Минеральные удобрения классифицируют по нескольким параметрам.

По действующему веществу (д. в.) выделяют:

• азотные;
• фосфорные;
• калийные;
• магниевые;
• борные;
• медные;
• кобальтовые;
• марганцевые и др.

В зависимости от концентрации д. в. выделяют:

• низкоконцентрированные (менее 30 % д. в.);
• концентрированные (от 30 % до 50 % д. в.);
• высококонцентрированные (более 50 % д. в.).

В минеральных удобрениях промышленного производства содержание д. в. регламентировано ГОСТами. Высококонцентрированные удобрения более экономичны в применении, но требования к точности их дозирования намного выше.

По агрегатному состоянию выделяют:

• твёрдые;
• жидкие.

По строению твёрдые вещества подразделяют на кристаллические (почти все азотные и калийные удобрения) и аморфные или порошковидные (фосфорные и известковые удобрения).

По степени растворимости выделяют:

• водорастворимые (большинство минеральных удобрений);
• растворимые в слабых кислотах (известковые удобрения);
• практически нерастворимые (фосфоритная мука).

По химическому составу и способу производства выделяют:

• Азотные удобрения.

Синтезируются химической промышленностью. Исходным сырьём для их производства является аммиак, полученный из коксового или природного газа. Дальнейшие детали производства привязаны к конкретному виду удобрения: изготовление нитрата аммония основано на нейтрализации азотной кислоты аммиаком; производство мочевины подразумевает взаимодействие аммиака с углекислым газом при определённой температуре и давлении; сульфат аммония образуется при пропускании аммиачного газа через раствор серной кислоты.

• Фосфорные и калийные удобрения.

Производство фосфорных и калийных удобрений связано с горнодобывающей отраслью промышленности. Добывают руды и подвергают их ряду химических преобразований в зависимости от вида целевого продукта (суперфосфаты, вивианит и др.).

• Макро- и микроудобрения.

В зависимости от химического элемента, который является питательным, выделяют макроудобрения и микроудобрения. Макроудобрения содержат макроэлементы (например, азот, фосфор, калий, сера, магний), т. е. элементы, которые входят в состав растений и поглощаются ими в количествах от сотых долей до нескольких процентов от веса сухой массы. Микроудобрения содержат микроэлементы (например, медь, цинк, марганец), которые входят в состав растений и поглощаются ими в микро- и ультрамикроколичествах, т. е. от тысячных долей процента и меньше на сухой вес растений.

• Комплексные удобрения.

По химическому составу и способу производства минеральные удобрения делятся на простые и комплексные, в зависимости от того, сколько питательных элементов в них содержится. Простые, или односторонние, содержат один основной питательный элемент, например, азот, фосфор или калий. Комплексные, или многосторонние, содержат два и более основных питательных элементов, например, аммиачная селитра или нитрофоска.

Важнейшая химическая характеристика минеральных удобрений – концентрация д. в. (количество основного питательного элемента, содержащегося в удобрении), которую выражают в процентах массы: для азотных удобрений в пересчёте на азот (N), фосфорных – в пересчёте на оксид фосфора (P₂ O₅ ), калийных – на оксид калия (K₂ O), магниевых – на оксид магния (МgO), микроудобрений – на микроэлемент (Mо, Zn, Mn и др.), известняковых – на карбонат кальция (СaСО₃ ). Этот показатель необходим для расчёта дозы удобрений.

Помимо целевого питательного элемента в минеральных удобрениях содержатся балластные вещества, т. е. сопутствующие химические элементы и соединения, которые могут быть как полезными или безвредными (кальций и сера в простом суперфосфате; магний, калий и микроэлементы в ряде известковых удобрений), так и токсичными для растений (фтор – в фосфорных удобрениях, хлор – в калийных, тяжёлые металлы – в известковых и фосфорных). Балластные элементы при систематическом внесении удобрений могут накапливаться в почве, ухудшая её свойства и плодородие, а также снижая урожаи возделываемых культур и их качество. Токсические элементы попадают в минеральные удобрения с сырьём для их производства, а иногда в технологическом процессе. Минеральные удобрения, все элементы которых служат для питания растений, называют безбалластными.

Для эффективного применения, транспортировки и хранения минеральных удобрений важны их физические свойства:

• агрегатное состояние;
• растворимость;
• влажность;
• гигроскопичность;
• гранулометрический состав и форма частиц;
• прочность и механическая устойчивость гранул.

Эти свойства определяются химическим составом и методом производства минеральных удобрений.

Негативным свойством некоторых минеральных удобрений является их способность поглощать воду из атмосферы – гигроскопичность (например, высоко гигроскопичные удобрения – кальциевая и аммиачная селитра, азофоска; средне гигроскопичные – мочевина, сульфат аммония; мало гигроскопичные – суперфосфат, хлористый калий; негигроскопичные – фосфоритная мука и аммофос). Избыточное увлажнение может сделать минеральные удобрения непригодными к механизированному внесению, поэтому содержание в них влаги ограничивается ГОСТами.

Технологии перевозки, хранения и внесения во многом определяются гранулометрическим составом минеральных удобрений. Минеральные удобрения имеют различные по размеру гранулы: аммиачная селитра и мочевина – 1–2 мм, гранулированный суперфосфат – 2–4 мм, хлористый калий – 0,5–2 мм. Приготовить качественную смесь удобрений можно лишь в том случае, если размер частиц отличается не более чем на 1 мм во избежание сегрегации смеси при транспортировке и внесении. Удобрения с низкой прочностью гранул (чаще из-за увлажнения) разрушаются рабочими органами машин, что резко ухудшает показатели качества их внесения.

Физико-химическими свойствами удобрений являются их кислотно-основные свойства, обусловленные химическими или физиологическими причинами. Если удобрение представлено солью слабого основания и сильной кислоты, то оно будет обладать химической (гидролитической) кислотностью (аммиачная селитра, сульфат аммония), а сильного основания и слабой кислоты – химической щёлочностью (карбонат калия или кальция). Физиологическая реакция солей определяется спецификой потребления растениями ионов. При первоочередном поглощении катионов удобрение будет оказывать подкисляющее действие на почву (физиологическая кислотность), а анионов – подщелачивать (физиологическая щёлочность). Общий эффект изменения удобрением кислотно-щелочных свойств почвы будет также зависеть от потерь элемента питания при выщелачивании, а также от происходящих трансформационных изменений элемента в почве после внесения. Типичные физиологически кислые удобрения – сульфат аммония, хлористый калий и сульфат калия; физиологически щелочные – кальциевая и натриевая селитра.

Применение минеральных удобрений позволяет увеличить урожайность, улучшить качество продукции и сохранить плодородие почвы. Одним из главных преимуществ использования минеральных удобрений является то, что они могут удовлетворить потребности растений в питательных веществах в течение всего периода их роста и развития, что особенно важно в условиях неблагоприятного климата или на почвах с низким содержанием питательных веществ. Научно обоснованное применение минеральных удобрений обеспечивает ведение высокоэффективного интенсивного сельского хозяйства с учётом широкого спектра агрохимических и агроэкологических факторов, добиваться быстрого и точно направленного результата в оптимизации питательного процесса сельскохозяйственных культур. Минеральные удобрения также дают возможность в ограниченные сроки оптимизировать агрохимические свойства почв по содержанию и соотношению питательных элементов, а также в целом повышать уровень плодородия почв и регулировать экологическую ситуацию в агроценозе.

Из минеральных удобрений больше всего в мире производится и потребляется азотных удобрений, далее следуют фосфорные и калийные.

Мировое потребление удобрений, млн т д. в.