Суперфосфат — это химическое удобрение, впервые синтезированное в 1840-х годах путем реакции костей с серной кислотой . Впоследствии этот процесс был усовершенствован путем реакции фосфатных копролитов с серной кислотой. Впоследствии были обнаружены и использованы другие богатые фосфатом месторождения, такие как фосфорит . Растворимый фосфат является необходимым питательным веществом для всех растений, а доступность суперфосфата произвела революцию в сельскохозяйственной производительности.
Самые ранние удобрения, богатые фосфатом, изготавливались из гуано , навоза животных или измельченных костей. [1] Эти ресурсы были настолько ценными во время промышленной революции , что кладбища и катакомбы по всей Европе были разграблены в поисках человеческих костей, чтобы удовлетворить спрос. [1]
В 1842 году преподобный Джон Стивенс Хенслоу обнаружил копролиты — окаменевшие экскременты динозавров — в скалах южного Саффолка в Англии. Он знал о предыдущих исследованиях Уильяма Бакленда в Дорсете , которые показали, что копролиты богаты фосфатом, который может быть доступен для растений путем растворения в серной кислоте. Джон Беннет Лоус , занимавшийся фермерством в Хартфордшире , узнал об этих открытиях и провел собственные исследования на своей ферме в Ротамстеде (позже сельскохозяйственная исследовательская станция), назвав полученный продукт «суперфосфатом извести». [2] Он запатентовал открытие и в 1842 году начал производить суперфосфат из окаменевших экскрементов динозавров в промышленных масштабах; это был первый химический навоз, произведенный в мире. [1]
Эдвард Паккард , осознавая значимость работы Лоуса, переоборудовал мельницу в Ипсвиче для производства этого нового удобрения из копролитов, добытых в деревне Киртон . В 1850-х годах он перенес свое производство в Брэмфорд, рядом с похожей новой фабрикой, которой управлял Джозеф Фисонс. Этим предприятиям было суждено стать частью компании по производству удобрений Фисонс . Улица, где стояла оригинальная мельница, до сих пор называется Копролит-стрит . [3]
Всем растениям и животным нужны фосфорные соединения для осуществления их нормального метаболизма, хотя в случае растений он может составлять всего 2% от их сухого вещества. [4] Фосфор может быть в форме растворимых неорганических фосфатов или органических соединений, содержащих фосфор. В живой клетке энергия накапливается или расходуется с использованием сложного ряда биохимических процессов, которые включают преобразование аденозинтрифосфата в аденозиндифосфат , когда энергия расходуется, и обратное, когда энергия накапливается, как при фотосинтезе . [5]
Суперфосфат относительно дешев [6] по сравнению с другими доступными источниками фосфата. Более низкая цена способствует его широкому распространению, особенно в развивающихся регионах, где стоимость сельскохозяйственных ресурсов является существенным фактором. [7]
Судьба фосфатов в почве сложна, поскольку они легко образуют комплексы с другими минералами, такими как глины, соли алюминия и железа, [4] и могут быть, как правило, недоступны для растений, за исключением выветривания и через действие бактерий и микробиома почвы . [4] Преимущество суперфосфатных удобрений заключается в том, что значительная часть содержания фосфата растворима и немедленно доступна растениям. Таким образом, это обеспечивает очень быстрый толчок росту растений. Однако сложная динамика почвы имеет тенденцию иммобилизовать фосфат в минеральных комплексах или органических лигандах, снижая доступность для растений. Фосфаты также теряются в почве и растительной среде, когда урожай собирают или потребляют животные или иным образом теряются в местной системе. Фосфаты, как правило, прочно связаны с мелкими отложениями в почве. [8] Выщелачивание отложений из почвы может привести к повышенным концентрациям фосфата в принимающем водотоке. [9]
Добавление фосфора в виде суперфосфата позволяет значительно повысить урожайность. [4] Хотя есть некоторое пополнение почвенного фосфора из минеральных источников и высвобождение из почвенных комплексов физическими и биологическими механизмами, скорость повторной растворимости слишком низкая для поддержки современной сельскохозяйственной производительности. Органический фосфор, содержащийся в растительном или животном веществе, гораздо легче повторно растворяется, поскольку материал разлагается под действием микробов . [4]
Однако ключевое качество, сделавшее суперфосфат столь привлекательным, — растворимость фосфата — также создало постоянный спрос на этот продукт, поскольку растворимые соли фосфора и фосфат, связанные с мелкими отложениями, вымываются с полей в реки и ручьи, где они теряются для сельского хозяйства [10], но способствуют нежелательной эвтрофикации . [5]
Суперфосфаты производятся во всех основных промышленных центрах мира, включая Европу, Китай и США. [11] В 2021 году было произведено около 689 916 тонн суперфосфата, из которых более половины — в Польше, а значительные объемы — в Индонезии, Бангладеш, Китае и Японии. [12]
Все формулы суперфосфата содержат значительную долю растворимых и доступных фосфатных ионов, что является ключевым качеством, которое сделало их незаменимыми для современного сельского хозяйства. [7]
Простой суперфосфат производится с использованием традиционного метода экстракции фосфоритной руды серной кислотой , приблизительной смесью 1:1 Ca ( H2PO4 ) 2 и CaSO4 . [13]
Термин «двойной суперфосфат» относится к смеси тройного и простого суперфосфата, получаемой в результате экстракции фосфоритной руды смесью фосфорной и серной кислот. [13]
Тройной суперфосфат является компонентом многих фирменных удобрений . Он в основном состоит из монокальцийфосфата , Ca( H2PO4 ) 2 . Его получают путем обработки фосфоритной руды фосфорной кислотой. Многие фирменные удобрения получают из тройного суперфосфата, например, путем смешивания с сульфатом аммония и хлоридом калия . Типичный тройной суперфосфат для удобрений содержит 45% P2O5 экв . , простой суперфосфат 20% P2O5 экв. [13]
Постоянное использование суперфосфата может привести к закислению почвы, особенно на почвах с плохой буферизацией, изменяя уровень pH и потенциально ограничивая доступность питательных веществ. [14] Это требует тщательного мониторинга и управления pH почвы для предотвращения долгосрочной деградации почвы . [15]
Производство и транспортировка производят значительные количества CO 2 , составляющие по некоторым оценкам 1,2 кг/кг для производства суперфосфата и 238 г/кг для транспортировки. [16] Другие источники отмечают, что если предположить, что вся сера для серной кислоты извлекается из очистки нефти и газа , [17] а реакция получения суперфосфата является экзотермической: при условии, что вырабатываемое тепло полностью используется повторно, весь цикл может иметь отрицательный углеродный след, составляющий всего лишь -518 г/кг для производства. [16]
В то время как суперфосфат обогащает почву фосфором, чрезмерное или несбалансированное внесение может нарушить соотношение питательных веществ, что приведет к дефициту или токсичности для растений. Появляются доказательства того, что повышенные уровни могут быть связаны со смертельными инфекциями Phytophthora cinnamomi . [18] Устойчивые методы удобрения, включая тестирование почвы и целевое внесение, имеют важное значение для снижения этого риска. [19]
Доступность подходящих богатых фосфатом пород ограничена, и оценки « пика фосфора » варьируются от 30 лет с 2022 года [20] или где-то между 2051 и 2092 годами. [21] По мере увеличения численности населения и спроса на продукты питания доступность суперфосфатных удобрений в будущем может стать менее надежной, что предполагает необходимость разработки альтернативных источников фосфата. [10]
Значительное количество растений, особенно те, которые эволюционировали в Гондване , имеют чувствительность к избытку фосфора, [18] получая все, что им нужно, из ассоциаций с арбускулярной микоризой . Примерами растений, которые не переносят применение суперфосфата, являются Hakea prostrata и Grevillea crithmifolia . Многие наземные орхидеи, которые полагаются на микоризные ассоциации, могут иметь схожую чувствительность к повышенным уровням фосфата [22] , и популяции могут быть подавлены применением удобрения, содержащего суперфосфат. [23]
Эвтрофикация рек, озер и морей имеет хорошо документированную связь с повышением концентрации фосфата. Однако, выявление вклада в эту проблему, вносимого использованием суперфосфата, затруднено из-за широкого спектра других источников фосфорных соединений в потоках отходов как человека, так и животных. Недавние проблемы на реке Уай были прослежены до интенсивного выращивания птицы с избытком фосфата, поступающего из плохо управляемого куриного помета. [24] [25]