Применение минеральных удобрений и охрана окружающей среды

Важнейшим направлением повышения урожая сельскохозяйственных культур является сбалансированная химизация земледелия

Ежегодно с урожаем из почвы удаляется некоторая часть химических элементов. Например, урожай 1 т зерновых в среднем выносит 65 кг основных действующих веществ. Следовательно, для нормального развития растений нового урожая необходимо внести в почву минеральные удобрения. С помощью минеральных удобрений можно регулировать процессы обмена веществ в растениях, способствовать накоплению в урожае основных ингредиентов— составных частей пищи человека и животных: белков, жиров, углеводов, витаминов и др.

Мировой опыт сельскохозяйственного производства показывает, что существует прямая зависимость между уровнями применения удобрений и урожайностью зерновых и других сельскохозяйственных культур.

Применение минеральных удобрений во всем мире прогрессивно увеличивается. В 1969 г. во всех странах мира было произведено 29,6 млн. т, в 1970 г. — 67,7 млн., в 1980 г — 222,7 млн. т действующих веществ. По прогнозу специалистов производство минеральных удобрений будет расти (Унянц Г. П., 1981).

Общие сведения о минеральных удобрениях. Минеральные удобрения (минеральные туки) — неорганические вещества (главным образом соли), содержащие необходимые для растений элементы питания. В зависимости от назначения минеральные удобрения принято подразделять на прямые и косвенные. К прямым относятся удобрения, содержащие элементы непосредственного питания растений - N, Р, К, Mg, В, Сu, Мn и др.; к косвенным — удобрения, способствующие улучшению агрономических и физико-химических свойств почвы и мобилизации ее питательных веществ. Одно и то же удобрение может оказывать как прямое, так и косвенное действие.

Прямые минеральные удобрения делятся на односторонние и комплексные. Односторонние удобрения содержат один питательный элемент. К ним относятся азотистые, фосфорные и калийные удобрения, а также микроудобрения. Комплексные удобрения включают два питательных элемента и более.

По структуре минеральные удобрения делят на твердые (порошковидные и гранулированные) и жидкие. По характеру влияния на реакцию почвенного раствора выделяют минеральные удобрения физиологически кислые, щелочные и нейтральные. К физиологически кислым относятся удобрения, катионы которых поглощаются почвой лучше, чем анионы. За счет катионов подкисляется почвенный раствор. При физиологически щелочных удобрениях лучше ассимилируются анионы. В результате происходит подщелачивание почвы. При применении физиологически нейтральных минеральных удобрений реакция почвенного раствора не изменяется.

Азотные удобрения. Азот исключительно важен в жизни растений. Он входит в состав белков, хлорофилла, аминокислот, витаминов и некоторых других соединений, участвующих в обмене веществ. Азотные удобрения увеличивают содержание белка в зерне пшеницы, кукурузы, гречихи, проса и других зерновых культур. Они оказывают благоприятное влияние на содержание клейковины, стекловидность зерна, выход муки, ее -хлебопекарные качества.

Азотные удобрения делятся на следующие виды: а) аммиачные, в которых весь азот или подавляющая его часть находится в виде свободного аммиака (безводный и водный аммиак); б) аммонийные, где азот представлен ионом аммония, связанным с какой-либо кислотой (сульфат аммония); в) нитратные, где азот содержится в окисленной форме в виде азотной кислоты (натриевая селитра); г) аммонийно-нитратные, содержащие азотлак в аммонийной, так и нитратной форме (аммиачная селитра); д) амидные, в которых азот содержится в амидной форме (мочевина). В зависимости от способа производства азотные удобрения подразделяются на жидкие и твердые. Их токсичность для человека и животных определяется химическим составом и агрессивностью отдельных компонентов. Основным сырьем для получения азотных удобрений являются аммиак и азотная кислота.

Фосфорные удобрения. Соединения фосфора участвуют в синтезе аминокислот, белков, жиров, крахмала, сахара и других продуктов обмена непосредственно из неорганических веществ, поступающих из почвы и воздуха. Поэтому фосфорные удобрения оказывают активное влияние на урожай. При их недостатке в почве нарушается развитие зерновых культур, ухудшается качество зерна, уменьшаются содержания белков, входящих в клейковину, и аминокислот. Фосфорные удобрения повышают сахарность свеклы, способствуют увеличению урожая и качества подсолнечника, масляничных культур, табака, картофеля. При их применении на лугах и пастбищах увеличивается питательная ценность сена.

Фосфорные и фосфорсодержащие удобрения по степени растворимости и усвояемости растениями подразделяют на три группы: а) водорастворимые — легко усваиваются растениями (суперфосфат, двойной суперфосфат, а также сложные удобрения — моноаммонийфосфат, диаммонийфосфат, нитроаммофоска, карбоаммофоска); б) цитратнорастворимые — фосфор содержится в формах, растворимых в аммиачном растворе лимоннокислого аммония (преципитат- дикальцийфосфат); в) лимоннорастворимые — нерастворимые в воде и аммиачном растворе цитрата аммония, но растворимые в 2%-ном растворе лимонной кислоты. К ним относятся томасшлаки, обесфторенные фосфаты, частично фосфоритная мука. Лимоннорастворимые удобрения медленно переходят в почвенный раствор и действие их продолжается несколько лет.

Степень опасности фосфорных удобрений для живых организмов определяется их химическим составом, а также возможностью выделения при хранении вредных газообразных веществ.

Калийные удобрения. Калий в отличие от азота и фосфора не входит в органические соединения растений, но имеет важное значение в их углеводном и белковом обмене. Он усиливает фотосинтез и отток сахаров из листьев в другие органы, способствует поддержанию тургора клеток и, следовательно, прочности стеблей и злаков, увеличивает накопление сахаров в клеточном соке. Применение калийных удобрений повышает качество корней сахарной свеклы, волокон льна долгунца, семян подсолнечника, корнеплодов.

Калийные удобрения делятся на три группы: а) концентрированные — продукты заводской переработки сырых солей (калий хлористый, калий углекислый, сульфат калия, калиймагнезия и др.), б) смешанные, получаемые при смешении сырых солей с концентрированными; в) сырые соли (сильвинит и др.). Как калиевые удобрения используют также отходы промышленности (калиевая цементная пыль, древесная зола и др.).

Комплексные удобрения. Они содержат два или три основных питательных элемента для растений (азот, фосфор, калий). В их состав могут входить также магний, микроэлементы: бор, медь, марганец, цинк и др.

По количеству основных питательных веществ комплексные удобрения подразделяются на двойные (фосфорно-калийные, азотно-фосфорные, азотно-калийные) и тройные (азотно-фосфорно-калийные). По способу получения выделяют: а) сложные (аммофос гранулированный из фосфоритов, селитра калиевая техническая); б) сложносмешанные (нитрофоска, нитрофос) и в) смешанные комплексные удобрения.

Комплексные удобрения отличаются высокой концентрацией действующих веществ и являются наиболее экономичными по затрате труда на внесение их в почву и расходом на тару и др.

Химические мелиоранты. К ним относятся известкование и гипсование. Известковые удобрения — это разнообразные известковые материалы, предназначенные для кислых почв. Они подразделяются на природные карбонатные твердые породы, требующие размола (известняки, доломиты), и многочисленные отходы промышленности, содержащие известь. К известковым удобрениям относятся: мука известковая, мука доломитовая, жженая или комовая известь, гашеная известь и др. Известно более 25 известковых удобрений. Все они представляют собой высокодисперсную пыль. Частички пыли могут попадать в дыхательные пути и вызывать раздражение слизистых оболочек. Особенно опасно попадание пыли известковых удобрений в глаза. Предельно допустимые концентрации в воздухе рабочей зоны (мг/м³) для доломита 6,.известняка 6, цемента 6.

Гипсование применяется для обогащения почв со значительным содержанием натрия. В качестве гипсового материала применяют гипс сыромолотый (гипсовая мука), штукатурный гипс (алебастр) и фосфогипс - отход при производстве экстракционной фосфорной кислоты.

Бактерийные удобрения. К их числу относятся: азотбактерин, нитрогин, фосфоробактерин сухой. Бактерийные удобрения при кратковременном контакте не представляют опасности. Однако не исключена повышенная чувствительность отдельных лиц к сухим бактерийным препаратам.

Микроудобрения. Микроэлементам (бор, медь, цинк, марганец, железо, молибден, кобальт) принадлежит важная роль в процессе питания растений. Внесение их в почву дает эффект на фоне основных действующих веществ — азота, фосфора и калия. Применяются путем внесения в почву и опрыскивания растений растворами борной кислоты, молибдата аммония, сульфата меди, а также в виде смеси микроэлементов.

Минеральные удобрения и окружающая среда. В связи с ростом объема производства минеральных удобрений во всем мире все чаще ставится вопрос, не причиняют ли они ущерба в отдельных случаях плодородию почвы и окружающей природе. Как показывают результаты многочисленных опытов, очень длительное применение минеральных удобрений (даже при сравнительно высоких их нормах) не только не снижает плодородия почвы, но и способствует его росту благодаря накоплению остатков фосфора и калия, а также интенсивности микробиологической деятельности. Правда, физиологически кислые туки (в основном азотные) при длительном применении (особенно на малобуферных легких почвах) могут значительно повышать кислотность почв. Длительное использование минеральных удобрений приводит также к нежелательному накоплению в почве анионных (хлор, фтор, серная кислота) и катионных остатков. Однако эти отрицательные последствия вполне устранимы путем подбора соответствующих форм удобрений.

Ущерб окружающей природе (нарушение сложившихся природных циклов оборота веществ и энергии, ухудшение качества получаемой продукции и др.) минеральные удобрения наносят только при несоблюдении научно обоснованных принципов и приемов работы с ними (производство, транспортировка, хранение и применение). В таких случаях происходит разложение химикатов, выделение нежелательных продуктов в атмосферу, вымывание их из почвы, минерализация подземных и поверхностных вод. При современной технологии внесения удобрений растения усваивают только 50% их, остальные уходят со стоком. Попадая в реки и озера, минеральные удобрения резко нарушают условия развития водных организмов, могут усилить развитие водорослей и высших водных растений, создать неблагоприятные условия для многих видов рыб. При нерациональном применении удобрений окружающая среда загрязняется азотом, фосфором и калием.

Азот поступает в почву в аммиачной, амидной и нитратной формах. Нитратная форма вследствие подвижности легко вымывается из почвы. Вода с повышенным содержанием нитратов - потенциальная опасность для здоровья животных и человека. Поэтому Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) рекомендует ПДК нитратов: для умеренных широт 22 мг/л, для тропических — 10 мг/л. Во многих странах приняты свои ПДК для нитратов. Так, по Федеральному стандарту США уровень нитратов в питьевой воде не должен превышать 45 мг/л, в ФРГ этот показатель составляет 50 мг/л. В нашей стране по ГОСТ 2874 — 73 ПДК нитратов в питьевой воде не должно быть более 10 мг/л.

Количество нитратов, поступающих в поверхностные и грунтовые воды, зависит от объема и способа применения минеральных удобрений, а также от местных климатических особенностей. Много азота удобрений теряется в процессе эрозии. В Нидерландах при средней дозе внесения азота 124 кг/га с водами поверхностного стока уносится от 5 до 25% азота. В специально поставленных опытах в штате Висконсин (США) в намытой почве рек и озер обнаружено органического вещества в 2,1 раза, азота в 2,7, фосфора в 3,4 и обменного калия в 19,3 раза больше, чем в оставшейся на месте.

Загрязненная нитратами грунтовая вода имеет интенсивный горько-соленый вкус. Она непригодна для питьевых целей. Внесение чрезвычайно высоких доз при определенном сочетании факторов (низкая влажность почвы и воздуха, высокая температура почвы, несбалансированность элементов питания, дефицит фосфора, калия и молибдена и др.) может привести к накоплению нитратов в растениях. Содержание нитратов в растениях выше 0,5% представляет потенциальную опасность отравления животных.

Под действием некоторых видов кишечных бактерий нитраты могут переходить в нитриты, обладающие значительной токсичностью. Нитриты, соединяясь с гемоглобином крови, переводят его в метгемоглобин, который препятствует переносу кислорода кровеносной системой. Развивается заболевание, получившее название метгемглобинемии. Оно обычно встречается у детей. У ребенка, пораженного такой болезнью, появляется синюшность от недостатка кислорода, удушье, и может наступить смерть.

Загрязнение среды фосфором минеральных удобрений из-за небольшой подвижности элемента невелико, и практически концентрация его в природных поверхностных водах не возрастает. Повышенное поступление фосфорных удобрений в воду может быть связано с эрозией почвы. При многолетнем применении больших доз фосфорных удобрений в почве могут накапливаться содержащиеся в них в небольших количествах тяжелые металлы: уран, торий и их дочерние продукты радиоактивного распада. Особенно много таких примесей в суперфосфате. Кроме урана и тория в фосфорных удобрениях содержатся стронций, фтор и редкоземельные элементы. Поэтому во избежание возможности вовлечения в биологический круговорот токсических и радиоактивных элементов применение фосфорных удобрений должно находиться под постоянным контролем агрохимиков.

Определенную опасность представляет и внесение необоснованно повышенных доз калийных удобрений. Увеличение их концентрации может привести к значительному изменению массового отношения калия и натрия к массе кальция и магния. Нарушение баланса указанных элементов в пастбищном корме и разрастание отношения калия к сумме магния и кальция нередко приводит к заболеванию скота пастбищной тетанией.

Перечисленные отрицательные последствия применения минеральных удобрений не идут ни в какое сравнение с огромным положительным их значением в повышении плодородия почвы. Ущерб, причиняемый окружающей среде, чаще всего связан с неумелым использованием минеральных удобрений и поэтому не может служить причиной запрещения или хотя бы ограничения их применения.

Меры по безопасности работы с минеральными удобрениями. В целях профилактики воздействия минеральных удобрений на организм человека, работающего с ними, и предохранения окружающей среды от загрязнения необходимо строго соблюдать рекомендованные правила.

Пока отсутствуют радикальные способы борьбы с загрязнением окружающей среды нитратами и фосфатами минеральных удобрений. Однако разработано достаточно эффективных частных способов и приемов, позволяющих исключить ущерб, причиняемый ими природе и человеку. Прежде всего, должны соблюдаться правила хранения, транспортировки и применения удобрений. Как показывает мировая практика, отрицательные последствия обусловлены не самими удобрениями как таковыми, а главным образом ошибками, допускаемыми при их производстве, хранении, транспортировке и применении. В профилактике загрязнения окружающей среды большое значение имеют рациональные технологии применения удобрений (правильный выбор дозы, сроки и способы внесения, способы регулирования процессов нитрификации, использование высококонцентрированных удобрений с малым количеством балластных веществ и др.). Это прежде всего касается азотных удобрений, нитратная форма азота которых обладает способностью к быстрым превращениям в почве. Не рекомендуется вносить азотные удобрения в почву без заделки.

Удобрения должны вноситься в почву ленточным способом на глубину 15 см и на расстоянии 10-15 см между рядами. При таком методе в местах внесения удобрений создается высокая концентрация ионов аммония, подавляющих жизнедеятельность нитрифицирующих организмов. Для замедления процесса нитрификации рекомендуется также использование различных ингибиторов. Так, в мочевину рекомендуется добавлять ингибиторы уреазы, в сульфат аммония и кальциевую селитру — 2-хлор (трихлорметил)-перидин.

Большое значение в снижении потерь азота имеет применение новых видов удобрений с длительным сроком действия. К числу их относятся капсулированные удобрения.

Как отмечалось выше, значительная часть потерь активных элементов удобрений связана с эрозионными процессами, поэтому борьба с эрозией почв является в то же время эффективным методом охраны окружающей среды от загрязнения. Необходимо избегать обогащения питательными веществами грунтовых вод в условиях орошения путем подбора соответствующих норм внесения туков. К их числу можно отнести интенсивное использование земель, в частности выращивание пожнивных и допосевных культур, а в садоводстве и виноградарстве — использование под посевы междурядий; чередование выращивания интенсивно удобряемых культур с растениями, не требующими больших норм удобрений, и др.

В районах с интенсивным промывным режимом и высокими нормами применения азотных удобрений необходимо наблюдение за режимом грунтовых вод и содержанием в них нитратов. Оно позволит более рационально использовать удобрения, а после соответствующего изучения установить для каждого поля максимум однократного внесения азота.