Химизация сельского хозяйства

Известно, что земледельцы Древнего мира использовали минералы и навоз для повышения продуктивности полей, широкое распространение получило применение древесной золы в качестве удобрения. Первые свидетельства использования удобрений на территории Европы относятся к 5900 г. до н. э., первые упоминания об использовании пестицидов – к 2500 г. до н. э., когда шумерские народы современного Ирака использовали соединения серы для отпугивания и уничтожения насекомых-вредителей. Первые гербициды были описаны^[1] Теофрастом, который в 4 в. до н. э. в своих работах утверждал, что деревья можно уничтожать, обрабатывая их корни маслами растительного происхождения. В 1 в. до н. э. Вергилий указывал на вредное действие солёной или морской воды на растения, а в 1 в. н. э. Плиний Старший описал^[2] использование мергеля для обогащения почв Галльских провинций и Британских о-вов. С 16–18 вв. почва стала важным фактором экономики и начались активные исследования, направленные на поиск способов повышения её продуктивности. Одной из первых работ в этой области стал «Научный трактат о различных почвах (солях) и сельском хозяйстве» (1563) Б. Палисси, в котором почва рассматривалась как источник питания растений минеральными солями и высказывалась мысль о необходимости возврата в почву зольных веществ в виде удобрений. В Германии И. Ф. Майер на основании серии экспериментов по применению гипса в своей работе «Учение о гипсе как о преимущественно полезном навозе для всех сельскохозяйственных культур на полях и лугах, хмеле и виноградниках» (1768) предлагал использовать измельчённый гипс в качестве удобрения. В 1765 г. в России учреждено Вольное экономическое общество, которое начало регулярно печатать работы по вопросам применения удобрений и мелиорации. В 1771 г. вышла статья А. А. Нартова «Об удобрении земли жжёной известью», посвящённая необходимости известкования. Российский учёный-агроном А. Т. Болотов в работах «О удобрении земель» (1770), «О употреблении гипса для удобрения пашен» (1785), «О удобрении земли золою» (1789) указывал в качестве возможных минеральных удобрений золу, гипс, известь. Немецкий ботаник К. Шпренгель в работе «О веществах в верхнем и нижнем слоях почвы, в частности, как их можно обнаружить с помощью химического анализа и как отделить друг от друга; в каких случаях они стимулируют или препятствуют росту растений и как они разлагаются в почве» (1828) перечислил в общей сложности 20 элементов, которые он рассматривал как питательные вещества для растений, включая N, P, K, S, Mg и Ca, и обосновывал необходимость их возврата в почву. В 1840 г. вышла книга Ю. фон Либиха «Химия в приложении к земледелию и физиологии», в которой он указал, что растениям для роста необходимы азотные, фосфатные и калийные соли, и сформулировал закон возврата: «Вещество и энергия, отчуждённые из почвы с урожаем, должны быть компенсированы (возвращены в почву) с определённой степенью превышения» (Баздырев Г. И. и др. Земледелие : Учеб. для студентов вузов по агроном. специальностям. Москва : КолосС, 2002. С. 25). В Германии в 1840 г. были опубликованы первые рекомендации по использованию в качестве гербицида извести, в 1854 г. – хлорида натрия, а в 1855 г. – серной кислоты и сульфата железа.

Теоретические принципы минерального питания растений в изложении Либиха получили широкое признание. Впервые появился широкий спрос на минеральные удобрения и возрос интерес к использованию различных химических веществ в сельском хозяйстве. В 1844 г. французский химик Э. Грис впервые применил внекорневую подкормку растений растворами железа для коррекции хлороза. Открыты первые заводы по производству суперфосфатов в Германии (1841), Англии (1846), России (1868). В Германии в 1855 г. начался крупномасштабный ввоз селитры. В 1867–1869 гг. Д. И. Менделеев проводил первые исследования эффективности известкования почв в России. В 1882 г. французский ботаник П. М. А. Мильярде описал фунгицидные свойства «препарата Пруста» – бордосской жидкости и разработал рекомендации по его использованию. В 1896–1897 гг. практически одновременно во Франции, Германии и Америке открыто избирательное гербицидное действие солей меди на двудольные сорные растения в посевах зерновых. В 1909 г. открыт синтез аммиака из смеси азота и водорода (процесс Габера – Боша), в 1913 г. в Германии основан первый завод по производству аммиачной селитры. Таким образом, на рубеже 19–20 вв. в сельском хозяйстве началось широкое использование различных химических веществ в качестве удобрений и пестицидов.

В начале 20 в. расширился список химических веществ, представлявших интерес для сельского хозяйства. Продемонстрирована роль микроэлементов цинка (М. Хавилье, 1908) и бора (Х. Агульон, 1910) в питании растений. Появились первые исследования по созданию кормовых добавок. В 1912 г. Ф. Г. Хопкинс опубликовал работу о необходимости в рационе животных «вспомогательных факторов» (цит. по: Summons. 1968.^[3] P. 306), позже получивших название витамины. К концу 1920-х гг. описаны витамины A, B, C, D, E; показано, что животные нуждаются в микроэлементах (Zn, Cu, Mn, I), а также в Ca и P. В 1924 г. Д. Н. Прянишников впервые предложил термин «химизация» (Химия и современность ... 1985.^[4] С. 5) по аналогии с термином «механизация» (первоначально «химификация» по аналогии с «электрификация»), под которым он подразумевал главным образом применение и производство минеральных удобрений. Благодаря инициативе Прянишникова в СССР появилась туковая промышленность: запущены первый в стране цех синтеза аммиака на Чернореченском химическом заводе (1927) и завод по производству калийных удобрений – Соликамский комбинат (1934). В 1930 г. вышла первая «Инструкция по известкованию почв» (Д. Л. Аскенази, Г. В. Дружинин, Н. П. Ремезов).

С 1930-х гг. начался рост производства удобрений, достигнув максимума в начале – середине 1980-х гг. В 1930–1940-х гг. наблюдался взрывной рост использования минеральных и витаминных добавок в животноводстве, связанный с необходимостью удовлетворить спрос на мясо в военное время. В 1938 г. на рынок поступил первый синтетический гербицид «Синокс» (натриевая соль 4,6-динитро-орто-крезола), а в 1941 г. – гербицид «Видан» (2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота), положившие начало эре синтетических пестицидов. В 1948 г. американский садовод Э. М. Эммерт впервые использовал ацетат целлюлозы вместо стекла при обустройстве теплицы, что стало началом широкого использования различных пластмасс в сельском хозяйстве – т. н. пластикультура. Таким образом, с 1930-х гг. химизация стала неотъемлемой частью сельского хозяйства, являясь одной из составляющих зелёной революции в 1940–1970-х гг., приведшей к значительному увеличению мировой сельскохозяйственной продукции.

С 1980-х гг. в странах с развитой рыночной экономикой уровень использования минеральных удобрений перестал расти, однако в мире этот показатель продолжил увеличиваться, и в период с 1980 по 2019 гг. применение удобрений выросло с 139,55 до 215,37 млн т. С 2010 по 2020 гг. мировое потребление пестицидов практически не изменилось (2,60 млн т в 2010; 2,66 млн т в 2020). В некоторых регионах наблюдался устойчивый рост этого показателя (например, в Африке за рассматриваемый период использование пестицидов с 2010 по 2020 увеличилось с 84,762 до 105,758 т; в Океании – с 48,519 до 70,421 т). Наблюдаемое снижение или стабилизация уровня применения удобрений и пестицидов в развитых странах связаны, с одной стороны, с экологическими проблемами, вызванными высокими дозами использования агрохимикатов (загрязнение почв и сельскохозяйственной продукции), а с другой – с применением новых подходов для повышения эффективности удобрений [переход на точное земледелие, замена традиционных удобрений на удобрения с замедленным или контролируемым высвобождением, наноудобрения (удобрения, полностью или частично состоящие из наноструктурированных соединений) и нанобиоудобрения (биоудобрения, инкапсулированные наноматериалами в частицы размером 1–100 нм); замена традиционных пестицидов на нанопестициды (пестициды, полностью или частично состоящие из наноструктурированных соединений) и т. д.].

В отличие от удобрений и пестицидов, использование пластмасс продолжает расти во всём мире. По прогнозам ФАО, к 2030 г. мировой спрос на плёнки для теплиц, мульчирования и силоса увеличится примерно на 50 %. Преимущественно используемые в сельскохозяйственном секторе пластмассы (сополимер этилена и винилацетата, полиэтилен, поликарбонат, полипропилен, поливинилхлорид) относятся к труднодеградируемым. Поэтому современные исследования в этой области направлены на разработку биоразлагаемых и реутилизирумых пластмасс, а также способов многократного использования пластиковых материалов. В связи с ростом потребительского спроса на продукцию животноводства в странах со средним уровнем дохода и переходом к крупным животноводческим хозяйствам, ныне ожидается рост использования различных кормовых добавок. Согласно существующим прогнозам, потребление кормовых антибиотиков с 63,151 т в 2010 г. в среднем в мире вырастет на 67 % и почти удвоится к 2030 г. в Бразилии, России, Индии, Китае и Южной Африке. Отмеченная тенденция указывает на необходимость обеспечения продовольственной безопасности с точки зрения качества и безопасности пищевых продуктов.

К основным химическим продуктам, используемым в рамках химизации сельского хозяйства, можно отнести:

• Минеральные удобрения. В 2020 г. внесение удобрений в России составляло 24,95 кг/га при среднемировом 128,98 кг/га; максимальное внесение удобрений 641,89 кг/га (Кувейт), минимальное – 0,08 кг/га (Науру).
• Мелиоранты – материалы для известкования, гипсования и фосфоритования. К 2031 г. в России запланировано известкование кислых почв на площади 2,3 млн га. Гипсование и фосфоритование почв в России в середине 1990-х гг. осуществлялось на площади 0,9 и 23,2 млн га соответственно, но с конца 1990-х гг. и поныне практически не проводится.
• Химические средства защиты растений и стимуляторы роста растений. В 2020 г. в России было внесено 0,73 кг/га пестицидов при среднемировом 1,81 кг/га. Максимальное количество пестицидов было внесено в Сент-Люсии (20,48 кг/га), минимальное – в Анголе (0,01 кг/га).
• Кормовые добавки для сельскохозяйственных животных – витаминно-минеральные добавки, аминокислоты, антиоксиданты, ферменты, подкислители кормов, нейтрализаторы микотоксинов, кормовые антибиотики. Объём потребления кормовых добавок в России в 2020 г. оценивался более чем в 440 тыс. т, глобальный рынок кормовых добавок в 2020 г. составил 36,12 млн т.
• Полимерные материалы – полиэтиленовая плёнка, нетканые материалы на основе полипропилена, материалы для систем орошения, теплиц, средств механизации и др. По данным ФАО, в 2019 г. общемировое использование пластмасс в растениеводстве и животноводстве составило 12,5 млн т, в упаковке пищевых продуктов – 37,3 млн т.
• Консерванты – неорганические кислоты (серная, соляная, фосфорная и их смеси), органические кислоты (муравьиная, уксусная, пропионовая, бензойная и их смеси), соли, обладающие антибактериальной активностью (дигидрофосфат натрия, дигидрофосфат и гидрофосфат аммония, нитрит натрия, бензоат натрия, пиросульфат натрия, бисульфат натрия и др.), газообразные консерванты (оксид серы, аммиак, оксид углерода, азот и др.). Используются при хранении зерна и семян, консервации силоса, сенажа и плющенного зерна.

К направлениям химизации также можно отнести активное воздействие на гидрометеорологические процессы – методы и средства модификации облаков, осадков, туманов и др.