Удобрение ( американский английский ) или удобрение ( британский английский ) — это любой материал природного или синтетического происхождения, который вносится в почву или ткани растения для снабжения растений питательными веществами . Удобрения могут отличаться от известковых материалов или других непитательных удобрений для почвы . Существует множество источников удобрений, как природных, так и промышленных. [1] В большинстве современных методов ведения сельского хозяйства внесение удобрений сосредоточено на трех основных макроэлементах: азоте (N), фосфоре (P) и калии (K) с периодическим добавлением добавок, таких как каменная мука, для микроэлементов. Фермеры применяют эти удобрения различными способами: в сухом виде, в виде гранул или в жидком виде, с использованием крупного сельскохозяйственного оборудования или ручных инструментов.
Исторически удобрения поступали из природных или органических источников: компоста , навоза животных , человеческого навоза , собранных минералов, севооборотов и побочных продуктов антропогенно-природной промышленности (например , отходов переработки рыбы или кровяной муки от убоя животных ). Однако начиная с 19 века, после инноваций в питании растений , на основе синтетически созданных удобрений развилась сельскохозяйственная промышленность . Этот переход сыграл важную роль в преобразовании глобальной продовольственной системы , позволив создать крупномасштабное промышленное сельское хозяйство с высокой урожайностью.
Азотфиксирующие химические процессы, такие как процесс Габера, изобретенный в начале 20 века и усиленный производственными мощностями, созданными во время Второй мировой войны, привели к буму использования азотных удобрений. [2] Во второй половине 20-го века рост использования азотных удобрений (рост на 800% в период с 1961 по 2019 год) стал важнейшим компонентом повышения производительности традиционных продовольственных систем (более 30% на душу населения) в рамках так называемая « Зеленая революция ». [3]
Использование искусственных и промышленных удобрений привело к таким экологическим последствиям, как загрязнение воды и эвтрофикация из-за питательных стоков; выбросы углерода и другие выбросы от производства и добычи удобрений; а также загрязнение и загрязнение почвы . Различные методы устойчивого сельского хозяйства могут быть реализованы для уменьшения неблагоприятного воздействия на окружающую среду использования удобрений и пестицидов , а также другого экологического ущерба, причиняемого индустриальным сельским хозяйством .
Управление плодородием почвы занимало фермеров на протяжении тысячелетий. Египтяне, римляне, вавилоняне и ранние германцы — все они использовали минералы или навоз для повышения производительности своих ферм. [1] Наука о питании растений зародилась задолго до работы немецкого химика Юстуса фон Либиха, хотя его имя упоминается чаще всего. Николя Теодор де Соссюр и его коллеги в то время поспешили опровергнуть упрощения фон Либиха. Существовало сложное научное понимание питания растений, в котором центральную роль играли гумус и органо-минеральные взаимодействия, что соответствовало более поздним открытиям, сделанным в 1990 году. [ нужна цитата ] Выдающимися учеными, на которых опирался фон Либих, были Карл Людвиг Шпренгер и Герман Хеллригель . В этой области произошла «эрозия знаний» [6] , частично вызванная смешением экономики и исследований. [7] Джон Беннет Лоуз , английский предприниматель , начал экспериментировать по влиянию различных навозов на растения, растущие в горшках, в 1837 году, а год или два спустя эксперименты были распространены на сельскохозяйственные культуры в полевых условиях. Одним из немедленных последствий стало то, что в 1842 году он запатентовал навоз, полученный путем обработки фосфатов серной кислотой, и, таким образом, стал первым, кто создал промышленность по производству искусственного навоза. В следующем году он заручился услугами Джозефа Генри Гилберта ; вместе они проводили эксперименты по выращиванию сельскохозяйственных культур в Институте исследования пахотных культур . [8]
Процесс Биркеланда -Эйда был одним из конкурирующих промышленных процессов на заре производства азотных удобрений. [9] Этот процесс использовался для фиксации атмосферного азота (N 2 ) в азотную кислоту (HNO 3 ), один из нескольких химических процессов, обычно называемых азотфиксацией . Полученную азотную кислоту затем использовали в качестве источника нитрата (NO 3 - ). Завод на основе этого процесса был построен в Рьюкане и Нотоддене в Норвегии в сочетании со строительством крупных гидроэлектростанций . [10]
1910-е и 1920-е годы стали свидетелями подъема процесса Габера и процесса Оствальда . Процесс Габера производит аммиак (NH 3 ) из метана (CH 4 ) ( природный газ ) и молекулярный азот (N 2 ) из воздуха. Аммиак, полученный в процессе Габера, затем частично превращается в азотную кислоту (HNO 3 ) в процессе Оствальда . [11] После Второй мировой войны заводы по производству азота, которые были приспособлены для производства бомб военного времени, были переориентированы на использование в сельском хозяйстве. [12] Использование синтетических азотных удобрений неуклонно росло за последние 50 лет, увеличившись почти в 20 раз и достигнув нынешнего уровня в 100 миллионов тонн азота в год. [13]
Разработка синтетических азотных удобрений существенно поддержала рост мирового населения. Подсчитано, что почти половина людей на Земле в настоящее время питается за счет использования синтетических азотных удобрений. [14] Использование фосфорных удобрений также увеличилось с 9 миллионов тонн в год в 1960 году до 40 миллионов тонн в год в 2000 году.
Использование неорганических удобрений в сельском хозяйстве в 2021 году составило 195 млн тонн питательных веществ, из которых 56% — азот. [15] На долю Азии в 2021 году приходилось 53% мирового общего использования неорганических удобрений в сельском хозяйстве, за ней следовали Америка (29%), Европа (12%), Африка (4%) и Океания (2%). Этот рейтинг регионов одинаков для всех питательных веществ. Основными потребителями неорганических удобрений являются (в порядке убывания) Китай, Индия, Бразилия и Соединенные Штаты Америки (см. Таблицу 15), при этом Китай является крупнейшим потребителем каждого питательного вещества. [15]
Урожай кукурузы, дающий 6–9 тонн зерна на гектар (2,5 акра), требует внесения 31–50 кг (68–110 фунтов) фосфорных удобрений; на посевы сои требуется около половины, 20–25 кг на гектар. [16] Yara International — крупнейший в мире производитель азотных удобрений. [17]
Удобрения ускоряют рост растений. Эта цель достигается двумя способами: традиционным является добавление питательных веществ. Второй способ действия некоторых удобрений заключается в повышении эффективности почвы за счет изменения ее водоудержания и аэрации. В этой статье, как и во многих других статьях об удобрениях, особое внимание уделяется питательному аспекту. Удобрения обычно содержат в различных пропорциях : [19]
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 количествах 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 соответственно в углекислом газе и воде. Хотя азот составляет большую часть атмосферы , он находится в форме, недоступной для растений. Азот является наиболее важным удобрением, поскольку азот присутствует в белках ( амидная связь между аминокислотами ), ДНК ( пуриновые и пиримидные основания) и других компонентах (например, тетрапиррольный гем в хлорофилле ). Чтобы быть питательным для растений, азот должен быть доступен в «фиксированной» форме. Лишь некоторые бактерии и растения - хозяева (особенно бобовые ) могут фиксировать атмосферный азот ( N2 ), превращая его в аммиак ( NH3 ). Фосфат ( ПО3-4) необходим для производства ДНК ( генетического кода ) и АТФ , основного переносчика энергии в клетках , а также некоторых липидов ( фосфолипидов , основных компонентов двойного липидного слоя клеточных мембран ).
Два набора ферментативных реакций очень важны для эффективности азотных удобрений.
Первый – гидролиз (реакция с водой) мочевины ( CO (NH 2 ) 2 ). Многие почвенные бактерии обладают ферментом уреазой , катализирующим превращение мочевины в ион аммония ( NH +4) и бикарбонат- ион ( HCO−3).
Бактерии, окисляющие аммиак (АОБ), такие как виды Nitrosomonas , окисляют аммиак ( NH 3 ) до нитрита ( NO−2), процесс, называемый нитрификацией . [20] Нитритоокисляющие бактерии , особенно Nitrobacter , окисляют нитрит ( NO−2) в нитраты ( NO−3), который чрезвычайно растворим и подвижен и является основной причиной эвтрофикации и цветения водорослей .
Удобрения классифицируются по нескольким признакам. Они классифицируются в зависимости от того, содержат ли они одно питательное вещество (например, K, P или N), и в этом случае они классифицируются как «простые удобрения». «Мультипитательные удобрения» (или «комплексные удобрения») содержат два или более питательных веществ, например N и P. Удобрения также иногда классифицируются как неорганические (тема большей части этой статьи) и органические. Неорганические удобрения исключают углеродсодержащие материалы, за исключением мочевины . Органические удобрения обычно представляют собой (переработанные) вещества растительного или животного происхождения. Неорганические удобрения иногда называют синтетическими, поскольку для их производства требуются различные химические обработки. [21]
Основным азотным удобрением прямого действия является аммиак (NH 3 ), аммоний (NH 4 + ) или его растворы, в том числе:
Основными прямыми фосфорными удобрениями являются суперфосфаты :
Смесь одинарного и тройного суперфосфата называется двойным суперфосфатом. Более 90% типичного суперфосфатного удобрения растворимы в воде.
Основным калийным удобрением прямого действия является хлористоводородная кислота (MOP, 95–99 % KCl). Обычно оно доступно в виде удобрений 0-0-60 или 0-0-62.
Эти удобрения распространены. Они состоят из двух или более питательных компонентов.
Основные двухкомпонентные удобрения обеспечивают растения азотом и фосфором. Это так называемые NP-удобрения. Основными удобрениями НП 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 представляют собой трехкомпонентные удобрения, содержащие азот, фосфор и калий. Существует два типа NPK-удобрений: комплексные и смеси. Сложные 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 цифр, разделенных тире (например, 10-10-10 или 16-4-8), описывающих химический состав удобрений. [23] [24] Первая цифра обозначает процентное содержание азота в продукте; второе число P 2 O 5 ; третий — K 2 O. Удобрения на самом деле не содержат P 2 O 5 или K 2 O, но эта система представляет собой общепринятое обозначение количества фосфора (P) или калия (K) в удобрении. Мешок удобрений весом 50 фунтов (23 кг) с маркировкой 16-4-8 содержит 8 фунтов (3,6 кг) азота (16% от 50 фунтов), количество фосфора, эквивалентное количеству фосфора в 2 фунтах P 2 O 5. (4% от 50 фунтов) и 4 фунта K 2 O (8% от 50 фунтов). Большинство удобрений маркируются в соответствии с этой конвенцией NPK, хотя австралийская конвенция, следуя системе NPKS, добавляет четвертое число для серы и использует значения элементов для всех значений, включая P и K. [25]
Микронутриенты потребляются в меньших количествах и присутствуют в тканях растений в количестве частей на миллион (ppm), в диапазоне от 0,15 до 400 ppm или менее 0,04% сухого вещества. [26] [27] Эти элементы часто необходимы для ферментов, необходимых для метаболизма растений. Поскольку эти элементы активизируют катализаторы (ферменты), их воздействие намного превышает их весовой процент. Типичными микроэлементами являются бор , цинк , молибден , железо и марганец . [19] Эти элементы представлены в виде водорастворимых солей. Железо представляет особые проблемы, поскольку оно превращается в нерастворимые (бионедоступные) соединения при умеренном pH почвы и концентрации фосфатов. По этой причине железо часто назначают в виде хелатного комплекса , например, производных ЭДТА или ЭДДГА . Потребности в микроэлементах зависят от растения и окружающей среды. Например, сахарной свекле требуется бор , а бобовым — кобальт , [1] в то время как условия окружающей среды, такие как жара или засуха, делают бор менее доступным для растений. [28]
Для производства синтетических или неорганических удобрений требуются подготовленные химикаты, тогда как органические удобрения получаются в результате органических процессов растений и животных в биологических процессах с использованием биохимикатов.
Азотные удобрения производятся из аммиака (NH 3 ), производимого процессом Габера -Боша . [22] В этом энергоемком процессе природный газ (CH 4 ) обычно поставляет водород , а азот (N 2 ) получается 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 ) ( чилийской селитры ) также обнаружены в пустыне Атакама в Чили и были одним из первых (1830 г.) использованных богатых азотом удобрений. [31] Его до сих пор добывают для производства удобрений. [32] Нитраты также производятся из аммиака по процессу Оствальда .
Фосфорные удобрения получают экстракцией из фосфоритной руды , которая содержит два основных фосфорсодержащих минерала: фторапатит Ca 5 (PO 4 ) 3 F (CFA) и гидроксиапатит Ca 5 (PO 4 ) 3 OH. Ежегодно добываются миллиарды кг фосфоритной руды, но размер и качество оставшейся руды снижается. Эти минералы превращаются в водорастворимые фосфатные соли при обработке кислотами . [33] Крупное производство серной кислоты в первую очередь обусловлено этим применением. [34] В нитрофосфатном процессе или процессе Одды (изобретен в 1927 году) фосфоритную руду с содержанием фосфора (P) до 20% растворяют азотной кислотой (HNO 3 ) с получением смеси фосфорной кислоты (H 3 PO 4 ) и нитрат кальция (Ca(NO 3 ) 2 ). Эту смесь можно объединить с калийным удобрением для получения комплексного удобрения с тремя макроэлементами N, P и K в легко растворяемой форме. [35]
Поташ — это смесь калийных минералов, используемых для производства калийных (химический символ: К) удобрений. Поташ растворим в воде, поэтому основные усилия по получению этого питательного вещества из руды включают в себя некоторые этапы очистки; например, для удаления хлорида натрия (NaCl) (поваренная соль ). Иногда поташ называют K 2 O для удобства тех, кто описывает содержание калия. Фактически, калийные удобрения обычно представляют собой хлорид калия , сульфат калия , карбонат калия или нитрат калия . [36]
Существует четыре основных маршрута производства NPK-удобрений (названных в честь их основных ингредиентов: азота (N), фосфора (P) и калия (K)):
Первые три процесса используются для производства сложных NPK. Во время паровой грануляции сырье смешивается и далее гранулируется с использованием пара в качестве связующего вещества. Процесс химической грануляции основан на химических реакциях между жидким сырьем (таким как фосфорная кислота , серная кислота , аммиак ) и твердым сырьем (таким как хлорид калия , вторсырье). При уплотнении применяется высокое давление для агломерации сухих порошкообразных материалов. Наконец, сыпучие смеси производятся путем смешивания простых удобрений.
« Органические удобрения » могут описывать те удобрения биологического происхождения, полученные из живых или ранее живых материалов. Органические удобрения также могут описывать коммерчески доступные и часто расфасованные продукты, которые стремятся соответствовать ожиданиям и ограничениям, принятым в « органическом сельском хозяйстве » и « экологичном » садоводстве – системах производства продуктов питания и растений, которые значительно ограничивают или строго избегают использования синтетических удобрений. и пестициды. Продукты «органических удобрений» обычно содержат как некоторые органические материалы, так и приемлемые добавки, такие как питательные каменные порошки, молотые морские ракушки (крабы, устрицы и т. д.), другие готовые продукты, такие как мука из семян или водорослей, а также культивируемые микроорганизмы и их производные. .
К удобрениям органического происхождения (первое определение) относятся отходы животного происхождения, растительные отходы сельского хозяйства, морские водоросли , компост и очищенные осадки сточных вод ( твердые биологические вещества ). Помимо навоза, источники животного происхождения могут включать продукты убоя животных – кровяную муку , костную муку , перьевую муку , шкуры, копыта и рога – все они являются типичными компонентами. [19] Материалы органического происхождения, доступные для промышленности, такие как осадки сточных вод, могут быть неприемлемыми компонентами органического сельского хозяйства и садоводства из-за различных факторов, от остаточных загрязнителей до общественного мнения. С другой стороны, продаваемые «органические удобрения» могут включать и продвигать переработанную органику, поскольку эти материалы привлекательны для потребителя. Независимо от определения и состава, большинство этих продуктов содержат менее концентрированные питательные вещества, и питательные вещества не так легко определить количественно. Они могут предложить преимущества в создании почвы, а также быть привлекательными для тех, кто пытается заниматься сельским хозяйством / садоводством более «естественным путем». [37]
По объему торф является наиболее широко используемым упакованным органическим удобрением почвы. Это незрелая форма угля, которая улучшает почву за счет аэрации и поглощения воды, но не придает питательной ценности растениям. Таким образом, это не удобрение, как оно определено в начале статьи, а скорее поправка. Койра (полученная из кокосовой скорлупы), кора и опилки при добавлении в почву действуют аналогично (но не идентично) торфу и также считаются органическими улучшителями почвы – или текстуризаторами – из-за их ограниченного питательного содержания. Некоторые органические добавки могут оказывать обратное воздействие на питательные вещества – свежие опилки могут потреблять питательные вещества почвы при разложении и могут снижать pH почвы – но те же самые органические текстуризаторы (а также компост и т. д.) могут повысить доступность питательных веществ за счет улучшения катионного обмена или увеличения роста микроорганизмов, что, в свою очередь, увеличивает доступность определенных питательных веществ для растений. Органические удобрения, такие как компосты и навоз, можно распространять на местном уровне, не затрагивая промышленное производство, что затрудняет количественную оценку фактического потребления.
Китай стал крупнейшим производителем и потребителем азотных удобрений [39] , в то время как Африка мало зависит от азотных удобрений. [40] Сельскохозяйственные и химические минералы очень важны для промышленного использования удобрений, стоимость которого оценивается примерно в 200 миллиардов долларов. [41] Азот оказывает значительное влияние на глобальное использование полезных ископаемых, за ним следуют калий и фосфат. Производство азота резко возросло с 1960-х годов. Фосфат и калий выросли в цене с 1960-х годов, что превышает индекс потребительских цен. [41] Калий производится в Канаде, России и Беларуси, что вместе составляет более половины мирового производства. [41] Производство калия в Канаде выросло в 2017 и 2018 годах на 18,6%. [42] По скромным оценкам, от 30 до 50% урожайности приходится на натуральные или синтетические коммерческие удобрения. [36] [43] Потребление удобрений превысило количество сельскохозяйственных угодий в Соединенных Штатах. [41]
Данные о расходе удобрений на гектар пашни в 2012 году публикует Всемирный банк . [44] На диаграмме ниже показано потребление удобрений странами Европейского Союза (ЕС) в килограммах на гектар (фунты на акр). Общий расход удобрений в ЕС составляет 15,9 млн тонн на 105 млн га пашни [45] (или 107 млн га пашни по другой оценке [46] ). Эта цифра соответствует 151 кг удобрений, потребляемых на гектар пашни в среднем по странам ЕС.
Удобрения обычно используются для выращивания всех сельскохозяйственных культур, при этом нормы внесения зависят от плодородия почвы, обычно определяемого с помощью анализа почвы и в зависимости от конкретной культуры. Бобовые, например, фиксируют азот из атмосферы и обычно не требуют азотных удобрений.
Удобрения вносят под посевы как в твердом, так и в жидком виде. Около 90% удобрений вносятся в твердом виде. Наиболее широко применяемыми твердыми неорганическими удобрениями являются мочевина , диаммонийфосфат и хлорид калия. [47] Твердые удобрения обычно гранулируются или порошкообразные. 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 можно разбавлять водой с образованием концентрированного жидкого удобрения (например, КАС ). Преимущества жидких удобрений – более быстрый эффект и более легкое покрытие. [19] Добавление удобрений в поливную воду называется « фертигацией ». [36]
Мочевина хорошо растворима в воде и поэтому очень пригодна для использования в растворах удобрений (в сочетании с нитратом аммония: КАС), например, в удобрениях для внекорневой подкормки. При использовании удобрений гранулы предпочтительнее гранул из-за более узкого распределения частиц по размерам, что является преимуществом при механическом внесении.
Карбамид обычно вносится в нормах 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 разбрасывают непосредственно перед дождем или во время него, чтобы свести к минимуму потери от испарения (процесс, при котором азот попадает в атмосферу в виде газообразного аммиака).
Из-за высокой концентрации азота в мочевине очень важно добиться равномерного распределения. Посев не должен производиться при контакте с семенами или вблизи них из-за риска повреждения прорастания. Мочевина растворяется в воде для применения в виде спрея или через ирригационные системы.
В посевах зерновых и хлопчатника мочевину часто вносят во время последней обработки перед посадкой. В районах с большим количеством осадков и на песчаных почвах (где азот может быть потерян из-за выщелачивания) и там, где ожидается обильное количество осадков в сезон, в течение вегетационного периода можно вносить мочевину как подкормку, так и подкормку. Подкормки также популярны на пастбищных и кормовых культурах. При выращивании сахарного тростника мочевину вносят после посадки и вносят под каждую культуру .
Поскольку карбамид поглощает влагу из атмосферы, его часто хранят в закрытых емкостях.
Передозировка или размещение мочевины рядом с семенами вредны. [48]
Внекорневые удобрения вносят непосредственно в листья. Этот метод почти всегда используется для внесения водорастворимых азотных удобрений и особенно применяется для ценных культур, таких как фрукты. Мочевина – самое распространенное внекорневое удобрение. [19]
Для повышения эффективности азотных удобрений используются различные химические вещества. Таким образом, фермеры могут ограничить загрязняющее воздействие стоков азота . 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 ). [51] 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 уреазы является триамид N-(н-бутил)тиофосфорной кислоты ( NBPT ).
Важно осторожно использовать технологии внесения удобрений, поскольку избыток питательных веществ может быть вредным. [52] При внесении слишком большого количества удобрений может произойти ожог , что приведет к повреждению или даже гибели растения. Удобрения различаются по склонности к горению примерно в зависимости от их солевого индекса. [53] [54]
Синтетические удобрения, используемые в сельском хозяйстве, имеют далеко идущие последствия для окружающей среды .
Согласно специальному докладу Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) об изменении климата и земле , производство этих удобрений и связанные с ним методы землепользования являются движущими силами глобального потепления . [3] Использование удобрений также привело к ряду прямых последствий для окружающей среды: сельскохозяйственный сток , который приводит к последствиям ниже по течению, таким как мертвые зоны океана и загрязнение водных путей, деградация почвенного микробиома [55] и накопление токсинов в экосистемах. Косвенное воздействие на окружающую среду включает в себя: воздействие на окружающую среду гидроразрыва пласта для добычи природного газа, используемого в процессе Хабера , сельскохозяйственный бум частично ответственен за быстрый рост населения , а крупномасштабные промышленные методы ведения сельского хозяйства связаны с разрушением среды обитания , давлением на биоразнообразие и сельскохозяйственную деятельность. потеря почвы .
Чтобы смягчить проблемы окружающей среды и продовольственной безопасности , международное сообщество включило продовольственные системы в Цель устойчивого развития 2 , которая направлена на создание экологически чистой и устойчивой системы производства продуктов питания . [56] Большинство политических и нормативных подходов к решению этих проблем сосредоточены на повороте методов ведения сельского хозяйства к устойчивым или регенеративным методам ведения сельского хозяйства: они используют меньше синтетических удобрений, лучшее управление почвой (например, нулевая обработка почвы ) и больше органических удобрений.
На каждую тонну фосфорной кислоты, полученной при переработке фосфоритной руды, 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. [57]
Фосфорные и азотные удобрения могут повлиять на почву, поверхностные и грунтовые воды из-за рассеивания минералов [41] в водные пути из-за обильных осадков, [58] [59] таяния снегов и их выщелачивания в грунтовые воды с течением времени. [60] Сельскохозяйственные стоки вносят основной вклад в эвтрофикацию пресных водоемов. Например, в США около половины всех озер являются эвтрофными . Основной вклад в эвтрофикацию вносит фосфат, который обычно является лимитирующим питательным веществом; высокие концентрации способствуют росту цианобактерий и водорослей, гибель которых потребляет кислород. [61] Цветение цианобактерий (« цветение водорослей ») также может производить вредные токсины , которые могут накапливаться в пищевой цепи и быть вредными для человека. [62] [63] Слив удобрений можно уменьшить, используя стратегии внесения удобрений, оптимизированные с учетом погодных условий. [58]
Богатые азотом соединения, обнаруженные в стоках удобрений, являются основной причиной серьезного истощения кислорода во многих частях океанов , особенно в прибрежных зонах, озерах и реках . Возникающая в результате нехватка растворенного кислорода значительно снижает способность этих районов поддерживать океаническую фауну . [64] Число океанических мертвых зон вблизи обитаемых береговых линий увеличивается. [65]
По состоянию на 2006 год применение азотных удобрений все больше контролируется в северо-западной Европе [66] и США. [67] [68] В тех случаях, когда эвтрофикацию можно обратить вспять, тем не менее, могут пройти десятилетия [69] и значительная обработка почвы [70] , прежде чем накопленные нитраты в грунтовых водах смогут быть расщеплены естественными процессами.
Лишь часть азотных удобрений превращается в растительные вещества. Остальная часть накапливается в почве или теряется со стоками. [71] Высокие нормы внесения азотсодержащих удобрений в сочетании с высокой растворимостью нитратов в воде приводят к увеличению стока в поверхностные воды , а также выщелачиванию в грунтовые воды, что приводит к загрязнению грунтовых вод . [72] [73] [74] Чрезмерное использование азотсодержащих удобрений (синтетических или натуральных) особенно вредно, так как большая часть азота, не усваиваемого растениями, превращается в нитраты, которые легко выщелачиваются. [75]
Уровни нитратов в грунтовых водах выше 10 мг/л (10 частей на миллион) могут вызвать « синдром голубого ребенка » (приобретенной метгемоглобинемии ). [76] Питательные вещества, особенно нитраты, содержащиеся в удобрениях, могут вызвать проблемы для естественной среды обитания и здоровья человека, если они смываются из почвы в водотоки или выщелачиваются через почву в грунтовые воды. [77] Сток может привести к цветению водорослей, которые потребляют весь кислород и оставляют после себя огромные «мертвые зоны», где не могут жить другие рыбы и водные обитатели. [78]
Подкислением почвы называется процесс, при котором уровень pH почвы со временем становится более кислым. pH почвы является мерой кислотности или щелочности почвы и определяется по шкале от 0 до 14, где 7 — нейтрально. Значение pH ниже 7 указывает на кислую почву, а значение pH выше 7 указывает на щелочную или щелочную почву.
Закисление почвы является серьезной проблемой в сельском хозяйстве и садоводстве. Это относится к процессу, когда почва со временем становится более кислой.
Азотсодержащие удобрения при внесении могут вызвать закисление почвы . [79] [80] Это может привести к снижению доступности питательных веществ, что может быть компенсировано известкованием . Эти удобрения выделяют ионы аммония или нитрата, которые могут подкислять почву, подвергаясь химическим реакциям.
Когда эти азотсодержащие удобрения вносятся в почву, они увеличивают концентрацию ионов водорода (Н+) в почвенном растворе, что снижает pH почвы.
Концентрация кадмия в фосфорсодержащих удобрениях значительно варьируется и может быть проблематичной. [81] Например, моноаммонийно-фосфатное удобрение может иметь содержание кадмия от 0,14 мг/кг до 50,9 мг/кг. [82] Фосфатная руда, используемая при их производстве, может содержать до 188 мг/кг кадмия [83] (примерами являются месторождения на Науру [84] и островах Рождества [85] ). Постоянное использование удобрений с высоким содержанием кадмия может загрязнять почву (как показано в Новой Зеландии) [86] и растения . [87] Ограничения на содержание кадмия в фосфорных удобрениях были рассмотрены Европейской Комиссией . [88] [89] [90] Производители фосфорсодержащих удобрений теперь выбирают фосфориты по содержанию кадмия. [61]
Фосфатные породы содержат высокий уровень фторида. Следовательно, широкое использование фосфорных удобрений привело к увеличению концентрации фторида в почве. [87] Было обнаружено, что загрязнение пищевых продуктов удобрениями не вызывает особого беспокойства, поскольку растения накапливают мало фтора из почвы; большую озабоченность вызывает возможность токсичности фторида для домашнего скота, который потребляет загрязненную почву. [91] [92] Также возможное беспокойство вызывает воздействие фторида на почвенные микроорганизмы. [91] [92] [93]
Радиоактивное содержание удобрений значительно варьируется и зависит как от их концентрации в исходном минерале, так и от процесса производства удобрений. [87] [94] Концентрация урана-238 может варьироваться от 7 до 100 пКи/г (пикокури на грамм) в фосфоритной руде [95] и от 1 до 67 пКи/г в фосфорных удобрениях. [96] [97] [98] При использовании высоких ежегодных норм фосфорных удобрений это может привести к концентрации урана-238 в почвах и дренажных водах, которая в несколько раз превышает нормальную. [97] [99] Однако влияние этих повышений на риск для здоровья человека от загрязнения пищевых продуктов радинуклидами очень незначительно (менее 0,05 мЗв / год). [97] [100] [101]
Отходы сталелитейной промышленности, перерабатываемые в удобрения из-за высокого содержания цинка (необходимого для роста растений), могут включать следующие токсичные металлы : свинец [102] мышьяк , кадмий , [102] хром и никель. Наиболее распространенными токсичными элементами в этом типе удобрений являются ртуть , свинец и мышьяк. [103] [104] [105] Эти потенциально вредные примеси можно удалить; однако это значительно увеличивает стоимость. Высокочистые удобрения широко доступны и, пожалуй, наиболее известны как хорошо растворимые в воде удобрения, содержащие синие красители, используемые в домашних условиях, такие как Miracle-Gro . Эти хорошо растворимые в воде удобрения используются в питомниках растений и доступны в более крупных упаковках по значительно меньшей цене, чем в розничных количествах. Некоторые недорогие гранулированные садовые удобрения, продающиеся в розницу, производятся из ингредиентов высокой чистоты.
Внимание было обращено на снижение концентрации таких элементов, как железо, цинк, медь и магний, во многих продуктах питания за последние 50–60 лет. [106] [107] Интенсивные методы ведения сельского хозяйства, включая использование синтетических удобрений, часто называют причинами такого снижения, а органическое земледелие часто предлагается в качестве решения. [107] Хотя известно, что повышение урожайности сельскохозяйственных культур в результате применения NPK-удобрений снижает концентрацию других питательных веществ в растениях, [106] [108] большая часть измеренного снижения может быть связана с использованием все более высокоурожайных сортов сельскохозяйственных культур, которые производят продукты питания. с более низкой концентрацией минералов, чем их менее продуктивные предки. [106] [109] [110] Поэтому маловероятно, что органическое земледелие или сокращение использования удобрений решат проблему; Предполагается, что продукты с высокой плотностью питательных веществ можно получить, используя старые, малоурожайные сорта или выведя новые высокоурожайные и богатые питательными веществами сорта. [106] [111]
Удобрения, по сути, скорее решают проблемы дефицита микроэлементов, чем вызывают их: в Западной Австралии дефицит цинка , меди, марганца , железа и молибдена был идентифицирован как ограничивающий рост посевов и пастбищ на широких акрах в 1940-х и 1950-х годах. . [112] Почвы в Западной Австралии очень старые, сильно выветренные и испытывают дефицит многих основных питательных веществ и микроэлементов. [112] С этого времени эти микроэлементы регулярно добавляются в удобрения, используемые в сельском хозяйстве этого штата. [112] Многие другие почвы по всему миру испытывают дефицит цинка, что приводит к его дефициту как у растений, так и у людей, и для решения этой проблемы широко используются цинковые удобрения. [113]
Высокие дозы удобрений могут привести к нарушению симбиотических отношений между корнями растений и микоризными грибами. [114]
В США в 2004 году 317 миллиардов кубических футов природного газа было потреблено при промышленном производстве аммиака , что составляет менее 1,5% от общего годового потребления природного газа в США . [115] В докладе 2002 года говорится, что производство аммиака потребляет около 5% мирового потребления природного газа, что составляет чуть менее 2% мирового производства энергии. [116]
Аммиак производят из природного газа и воздуха. [117] Стоимость природного газа составляет около 90% стоимости производства аммиака. [118] Рост цен на природный газ за последнее десятилетие, наряду с другими факторами, такими как растущий спрос, способствовал увеличению цен на удобрения. [119]
Количество парниковых газов углекислого газа , метана и закиси азота, образующихся при производстве и использовании азотных удобрений, оценивается примерно в 5% антропогенных выбросов парниковых газов . Одна треть производится при производстве и две трети при использовании удобрений. Единственный и наиболее важный способ сократить выбросы от него — использовать меньше удобрений. По словам доктора Андре Кабреры Серреньо: «Мы невероятно неэффективно используем удобрения», «Мы используем гораздо больше, чем нам нужно». [120] Азотные удобрения могут превращаться почвенными бактериями в закись азота , создавая теплицу. [121] Выбросы закиси азота человеком, большая часть которых приходится на удобрения, в период с 2007 по 2016 год оцениваются в 7 миллионов тонн в год, [122] что несовместимо с ограничением глобального потепления ниже 2 °C. [ 123 ] ]
За счет увеличения использования азотных удобрений, которые использовались в размере около 110 миллионов тонн (N) в год в 2012 году, [124] [125] добавляя к уже существующему количеству реактивного азота закись азота (N 2 O ) стал третьим по важности парниковым газом после углекислого газа и метана. Его потенциал глобального потепления в 296 раз превышает потенциал такой же массы углекислого газа, а также способствует истощению стратосферного озона. [126] Изменяя процессы и процедуры, можно смягчить некоторые, но не все, последствия антропогенного изменения климата . [127]
Выбросы метана с сельскохозяйственных полей (особенно рисовых полей ) увеличиваются из-за применения удобрений на основе аммония. Эти выбросы способствуют глобальному изменению климата, поскольку метан является мощным парниковым газом. [128] [129]
В Европе проблемы высоких концентраций нитратов в сточных водах решаются Директивой Европейского Союза по нитратам. [130] В Британии фермеров поощряют более рационально управлять своей землей в «сельском хозяйстве, чувствительном к водосборному бассейну». [131] В США высокие концентрации нитратов и фосфора в сточных и дренажных водах классифицируются как загрязнители из неточечных источников из-за их диффузного происхождения; это загрязнение регулируется на государственном уровне. [132] В Орегоне и Вашингтоне , оба в Соединенных Штатах, есть программы регистрации удобрений с онлайновыми базами данных, в которых перечислены химические анализы удобрений. [133] [134]
В Китае были приняты правила по контролю за использованием азотных удобрений в сельском хозяйстве. В 2008 году правительство Китая начало частично отменять субсидии на удобрения, включая субсидии на транспортировку удобрений, а также на использование электроэнергии и природного газа в промышленности. В результате цены на удобрения выросли, и крупные фермы стали использовать меньше удобрений. Если крупные фермы продолжат сокращать использование субсидий на удобрения, у них не будет другого выбора, кроме как оптимизировать имеющиеся у них удобрения, что, следовательно, приведет к увеличению как урожайности зерна, так и прибыли. [135]
В марте 2022 года Министерство сельского хозяйства США объявило о выделении нового гранта в размере 250 миллионов долларов на продвижение американского производства удобрений. Программа грантов, являющаяся частью Товарно-кредитной корпорации, будет поддерживать производство удобрений, независимое от доминирующих поставщиков удобрений, произведенных в Америке, и использующее инновационные методы производства, чтобы дать толчок будущей конкуренции. [136]
Два типа методов управления сельским хозяйством включают органическое сельское хозяйство и традиционное сельское хозяйство. Первый способствует плодородию почвы с использованием местных ресурсов для максимизации эффективности. Органическое сельское хозяйство избегает синтетических агрохимикатов. В традиционном сельском хозяйстве используются все компоненты, которые не используются в органическом сельском хозяйстве. [137]
{{cite book}}
: |website=
игнорируется ( помощь ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь ){{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )