Удобрение ( американский английский ) или fertiliser ( британский английский ) — это любой материал природного или синтетического происхождения, который вносится в почву или в ткани растений для снабжения растений питательными веществами . Удобрения могут отличаться от известковых материалов или других непитательных почвенных добавок . Существует множество источников удобрений , как природных, так и производимых промышленным способом . [1] Для большинства современных методов ведения сельского хозяйства удобрение фокусируется на трех основных макроэлементах: азоте (N), фосфоре (P) и калии (K) с периодическим добавлением добавок, таких как каменная мука, для микроэлементов. Фермеры вносят эти удобрения различными способами: посредством процессов сухого, гранулированного или жидкого внесения, с использованием большого сельскохозяйственного оборудования или ручными инструментами.
Исторически удобрения происходили из природных или органических источников: компоста , навоза животных , человеческого навоза , собранных минералов, севооборотов и побочных продуктов отраслей промышленности, связанных с человеком и природой (например, отходов переработки рыбы или кровяной муки от убоя животных ). Однако, начиная с 19 века, после инноваций в питании растений , сельскохозяйственная промышленность развивалась вокруг синтетических агрохимических удобрений . Этот переход имел важное значение для преобразования глобальной продовольственной системы , позволяя масштабное промышленное сельское хозяйство с большими урожаями.
Химические процессы фиксации азота , такие как процесс Габера , изобретенный в начале 20-го века, и усиленный производственными мощностями, созданными во время Второй мировой войны, привели к буму использования азотных удобрений. [2] Во второй половине 20-го века возросшее использование азотных удобрений (рост на 800% между 1961 и 2019 годами) стало важнейшим компонентом повышения производительности традиционных продовольственных систем (более 30% на душу населения) в рамках так называемой « зеленой революции ». [3]
Использование искусственных и промышленных удобрений привело к экологическим последствиям, таким как загрязнение воды и эвтрофикация из-за питательных стоков; выбросы углерода и других веществ при производстве и добыче удобрений; а также загрязнение почвы . Различные методы устойчивого ведения сельского хозяйства могут быть реализованы для снижения неблагоприятных экологических последствий использования удобрений и пестицидов и экологического ущерба , наносимого промышленным сельским хозяйством .
Управление плодородием почвы занимало фермеров с самого начала развития сельского хозяйства. Ближневосточная, китайская, мезоамериканская культуры и культуры Центральных Анд были ранними приверженцами сельского хозяйства. Считается, что это привело к более быстрому росту населения их культур, что позволило экспортировать культуру в соседние группы охотников-собирателей. Использование удобрений наряду с сельским хозяйством дало некоторым из этих ранних обществ решающее преимущество над соседями, что привело к тому, что они стали доминирующими культурами в своих регионах (P Bellwood - 2023 [6] ) [7] . Египтяне, римляне, вавилоняне и ранние немцы, как известно, использовали минералы или навоз для повышения производительности своих ферм. [1] Научные исследования питания растений начались задолго до работы немецкого химика Юстуса фон Либиха , хотя его имя чаще всего упоминается как «отец индустрии удобрений». [8] Николя Теодор де Соссюр и его коллеги-ученые того времени быстро опровергли упрощения фон Либиха. Выдающимися учеными, которых привлек фон Либих, были Карл Людвиг Шпренгер и Герман Хелльригель . В этой области произошла «эрозия знаний» [9] , отчасти вызванная смешением экономики и исследований. [10] Джон Беннет Лоус , английский предприниматель , начал экспериментировать с воздействием различных удобрений на растения, растущие в горшках, в 1837 году, а год или два спустя эксперименты были распространены на сельскохозяйственные культуры в поле. Одним из непосредственных последствий стало то, что в 1842 году он запатентовал навоз, полученный путем обработки фосфатов серной кислотой, и таким образом стал первым, кто создал индустрию искусственного удобрения. В следующем году он заручился услугами Джозефа Генри Гилберта ; вместе они проводили эксперименты с посевами в Институте исследований пахотных культур . [11]
Процесс Биркеланда-Эйде был одним из конкурирующих промышленных процессов в начале производства азотных удобрений. [12] Этот процесс использовался для фиксации атмосферного азота (N 2 ) в азотную кислоту (HNO 3 ), один из нескольких химических процессов, называемых фиксацией азота . Полученная азотная кислота затем использовалась в качестве источника нитрата (NO 3 − ). Завод, основанный на этом процессе, был построен в Рьюкане и Нутоддене в Норвегии, а также были построены крупные гидроэлектростанции . [13]
1910-е и 1920-е годы стали свидетелями расцвета процесса Габера и процесса Оствальда . Процесс Габера производит аммиак (NH 3 ) из метана (CH 4 ) ( природный газ ) и молекулярного азота (N 2 ) из воздуха. Аммиак из процесса Габера затем частично преобразуется в азотную кислоту (HNO 3 ) в процессе Оствальда . [14] Подсчитано, что треть ежегодного мирового производства продуктов питания использует аммиак из процесса Габера-Боша, и что это поддерживает почти половину населения мира. [15] [16] После Второй мировой войны заводы по производству азота, которые были наращиваны для производства бомб военного времени, были переориентированы на сельскохозяйственное использование. [17] Использование синтетических азотных удобрений неуклонно росло в течение последних 50 лет, увеличившись почти в 20 раз до нынешнего показателя в 100 миллионов тонн азота в год. [18]
Разработка синтетических азотных удобрений существенно способствовала росту населения планеты. Подсчитано, что почти половина людей на Земле в настоящее время питается за счет использования синтетических азотных удобрений. [19] Использование фосфатных удобрений также возросло с 9 миллионов тонн в год в 1960 году до 40 миллионов тонн в год в 2000 году.
Сельскохозяйственное использование неорганических удобрений в 2021 году составило 195 миллионов тонн питательных веществ, из которых 56% приходилось на азот. [20] На Азию приходилось 53% от общего мирового сельскохозяйственного использования неорганических удобрений в 2021 году, за ней следовали Америка (29%), Европа (12%), Африка (4%) и Океания (2%). Этот рейтинг регионов одинаков для всех питательных веществ. Основными пользователями неорганических удобрений являются, в порядке убывания, Китай, Индия, Бразилия и Соединенные Штаты Америки (см. Таблицу 15), причем Китай является крупнейшим потребителем каждого питательного вещества. [20]
Для выращивания кукурузы, дающей 6–9 тонн зерна с гектара (2,5 акра), требуется внесение 31–50 килограммов (68–110 фунтов) фосфорных удобрений; для выращивания сои требуется около половины, 20–25 кг на гектар. [21] Yara International — крупнейший в мире производитель азотных удобрений. [22]
Удобрения усиливают рост растений. Эта цель достигается двумя способами, традиционный из которых — добавки, которые обеспечивают питательные вещества. Второй способ действия некоторых удобрений — повышение эффективности почвы путем изменения ее водоудержания и аэрации. Эта статья, как и многие другие статьи об удобрениях, подчеркивает питательный аспект. Удобрения обычно обеспечивают в различных пропорциях : [24]
Питательные вещества, необходимые для здоровой жизни растений, классифицируются по элементам, но элементы не используются в качестве удобрений. Вместо этого соединения , содержащие эти элементы, являются основой удобрений. Макроэлементы потребляются в больших количествах и присутствуют в растительной ткани в количествах от 0,15% до 6,0% по сухому веществу (СВ) (0% влажности). Растения состоят из четырех основных элементов: водорода, кислорода, углерода и азота. Углерод, водород и кислород широко доступны соответственно в углекислом газе и в воде. Хотя азот составляет большую часть атмосферы , он находится в форме, недоступной для растений. Азот является наиболее важным удобрением, поскольку азот присутствует в белках ( амидные связи между аминокислотами ), ДНК ( пуриновые и пиримидиновые основания) и других компонентах (например, тетрапиррольный гем в хлорофилле ). Чтобы быть питательным для растений, азот должен быть доступен в «фиксированной» форме. Только некоторые бактерии и их растения-хозяева (особенно бобовые ) могут фиксировать атмосферный азот ( N2 ) , преобразуя его в аммиак ( NH3 ). Фосфат ( PO3−4) необходим для производства ДНК ( генетического кода ) и АТФ , основного носителя энергии в клетках , а также некоторых липидов ( фосфолипидов , основных компонентов двойного липидного слоя клеточных мембран ).
Два набора ферментативных реакций имеют большое значение для эффективности азотных удобрений.
Первый - гидролиз (реакция с водой) мочевины ( CO(NH2 ) 2 ) . Многие почвенные бактерии обладают ферментом уреазой , который катализирует превращение мочевины в ион аммония ( NH +4) и ион бикарбоната ( HCO−3).
Бактерии , окисляющие аммиак (AOB), такие как виды Nitrosomonas , окисляют аммиак ( NH3 ) до нитрита ( NO−2), процесс, называемый нитрификацией . [26] Бактерии, окисляющие нитрит , особенно Nitrobacter , окисляют нитрит ( NO−2) в нитрат ( NO−3), который чрезвычайно растворим и подвижен и является основной причиной эвтрофикации и цветения водорослей .
Удобрения классифицируются несколькими способами. Они классифицируются в зависимости от того, содержат ли они одно питательное вещество (например, K, P или N), в этом случае они классифицируются как «простые удобрения». «Многоэлементные 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 иногда называют синтетическими удобрениями, поскольку для их производства требуются различные химические обработки. [27]
Основным азотным удобрением прямого действия является аммиак ( NH3 ) или его растворы, в том числе :
Основными прямыми фосфорными удобрениями являются суперфосфаты :
Смесь простого суперфосфата и тройного суперфосфата называется двойным суперфосфатом. Более 90% типичного удобрения суперфосфат растворяется в воде.
Основным прямым удобрением на основе калия является хлористый калий (MOP, 95–99% KCl). Обычно он выпускается в виде удобрения 0-0-60 или 0-0-62.
Эти удобрения являются обычными. Они состоят из двух или более питательных компонентов.
Основные двухкомпонентные удобрения обеспечивают растения как азотом, так и фосфором. Они называются удобрениями NP. Основные удобрения NP
Около 85% удобрений MAP и DAP растворимы в воде.
Удобрения NPK — это трехкомпонентные удобрения, содержащие азот, фосфор и калий. Существует два типа удобрений NPK: сложные и смешанные. Сложные удобрения NPK содержат химически связанные ингредиенты, тогда как смешанные удобрения NPK 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 чисел, разделенных тире (например, 10-10-10 или 16-4-8), описывающих химический состав удобрений. [29] [30] Первое число представляет собой процент азота в продукте; второе число — P 2 O 5 ; третье — K 2 O. Удобрения на самом деле не содержат P 2 O 5 или K 2 O, но система является общепринятым сокращением для количества фосфора (P) или калия (K) в удобрении. Мешок удобрения весом 50 фунтов (23 кг) с маркировкой 16-4-8 содержит 8 фунтов (3,6 кг) азота (16% от 50 фунтов), количество фосфора, эквивалентное 2 фунтам P2O5 ( 4% от 50 фунтов) и 4 фунтам K2O ( 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 элементарные значения для всех значений, включая P и K. [ 31]
Микроэлементы потребляются в меньших количествах и присутствуют в растительной ткани в количестве порядка частей на миллион (ppm), в диапазоне от 0,15 до 400 ppm или менее 0,04% сухого вещества. [32] [33] Эти элементы часто требуются для ферментов, необходимых для метаболизма растения. Поскольку эти элементы активируют катализаторы (ферменты), их воздействие намного превышает их весовой процент. Типичными микроэлементами являются бор , цинк , молибден , железо и марганец . [24] Эти элементы поставляются в виде водорастворимых солей. Железо представляет особые проблемы, поскольку оно превращается в нерастворимые (бионедоступные) соединения при умеренном pH почвы и концентрации фосфата. По этой причине железо часто вводят в виде хелатного комплекса , например, производных EDTA или EDDHA . Потребности в микроэлементах зависят от растения и окружающей среды. Например, сахарной свекле , по-видимому, требуется бор , а бобовым — кобальт [1], в то время как условия окружающей среды, такие как жара или засуха, делают бор менее доступным для растений [34] .
Для производства синтетических, или неорганических, удобрений требуются готовые химические вещества, тогда как органические удобрения получают в результате органических процессов растений и животных в биологических процессах с использованием биохимикатов.
Азотные удобрения производятся из аммиака (NH 3 ) , полученного по процессу Габера–Боша . [28] В этом энергоемком процессе природный газ (CH 4 ) обычно поставляет водород , а азот (N 2 ) получают из воздуха . Этот аммиак используется в качестве сырья для всех других азотных удобрений, таких как безводный аммиачный нитрат (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) используемых азотных удобрений. [35] Его до сих пор добывают для получения удобрений. [36] Нитраты также производятся из аммиака по процессу Оствальда .
Фосфатные удобрения получают путем извлечения из фосфатной породы , которая содержит два основных фосфорсодержащих минерала: фторапатит Ca5 ( PO4 ) 3F ( CFA) и гидроксиапатит Ca5 (PO4 ) 3OH . Ежегодно добываются миллиарды кг фосфатной породы, но размер и качество оставшейся руды ухудшаются. Эти минералы превращаются в водорастворимые фосфатные соли путем обработки кислотами . [ 37 ] Большое производство серной кислоты в первую очередь мотивировано этим применением. [38] В нитрофосфатном процессе или процессе Одда (изобретенном в 1927 году) фосфатная порода с содержанием фосфора (P) до 20% растворяется азотной кислотой (HNO3 ) для получения смеси фосфорной кислоты (H3PO4 ) и нитрата кальция (Ca(NO3 ) 2 ) . Эту смесь можно объединить с калийным удобрением для получения сложного удобрения с тремя макроэлементами N, P и K в легкорастворимой форме. [39]
Поташ — это смесь калийных минералов, используемых для производства калийных (химический символ: K) удобрений. Поташ растворим в воде, поэтому основные усилия по производству этого питательного вещества из руды включают некоторые этапы очистки, например, для удаления хлорида натрия (NaCl) (поваренная соль ). Иногда поташ называют K2O , для удобства тех, кто описывает содержание калия. Фактически, калийные удобрения обычно представляют собой хлорид калия , сульфат калия , карбонат калия или нитрат калия . [40]
Существует три основных способа производства удобрений NPK (названных по их основным ингредиентам: азот (N), фосфор (P) и калий (K)):
Шаг 2. Удаление нитрата кальция. Важно удалить нитрат кальция, поскольку нитрат кальция чрезвычайно гигроскопичен .
« Органические удобрения » могут описывать удобрения биологического происхождения — полученные из живых или ранее живых материалов. Органические удобрения могут также описывать коммерчески доступные и часто упакованные продукты, которые стремятся следовать ожиданиям и ограничениям, принятым « органическим сельским хозяйством » и « экологически чистым » садоводством — связанными с системами производства продуктов питания и растений, которые значительно ограничивают или строго избегают использования синтетических удобрений и пестицидов. Продукты «органических удобрений» обычно содержат как некоторые органические материалы, так и приемлемые добавки, такие как питательные каменные порошки, молотые ракушки (краб, устрицы и т. д.), другие готовые продукты, такие как мука из семян или водоросли, а также культивируемые микроорганизмы и производные.
Удобрения органического происхождения (первое определение) включают отходы животных , растительные отходы сельского хозяйства, морские водоросли , компост и обработанные осадки сточных вод ( биотвердые вещества ). Помимо навоза, животные источники могут включать продукты убоя животных – кровяная мука , костная мука , перьевая мука , шкуры, копыта и рога – все это типичные компоненты. [24] Органически полученные материалы, доступные для промышленности, такие как осадки сточных вод, могут не быть приемлемыми компонентами органического земледелия и садоводства из-за факторов, варьирующихся от остаточных загрязняющих веществ до общественного восприятия. С другой стороны, продаваемые «органические удобрения» могут включать и продвигать переработанную органику , поскольку материалы имеют потребительскую привлекательность. Независимо от определения или состава, большинство этих продуктов содержат менее концентрированные питательные вещества, и питательные вещества не так легко количественно определить. Они могут предложить преимущества для формирования почвы, а также быть привлекательными для тех, кто пытается заниматься сельским хозяйством / садоводством более «естественно». [41]
С точки зрения объема торф является наиболее широко используемым упакованным органическим почвенным улучшителем. Это незрелая форма угля, которая улучшает почву за счет аэрации и поглощения воды, но не придает никакой питательной ценности растениям. Поэтому это не удобрение, как определено в начале статьи, а скорее улучшитель. Кокосовое волокно (полученное из кокосовой скорлупы), кора и опилки при добавлении в почву действуют аналогично (но не идентично) торфу и также считаются органическими почвенными улучшителями — или текстуризаторами — из-за их ограниченного количества питательных веществ. Некоторые органические добавки могут оказывать обратное воздействие на питательные вещества — свежие опилки могут потреблять питательные вещества почвы по мере их разложения и могут снижать pH почвы — но эти же органические текстуризаторы (а также компост и т. д.) могут повышать доступность питательных веществ за счет улучшения катионного обмена или за счет увеличения роста микроорганизмов, которые, в свою очередь, повышают доступность определенных питательных веществ для растений. Органические удобрения, такие как компосты и навоз, могут распределяться на местном уровне, не попадая в промышленное производство, что затрудняет количественную оценку фактического потребления.
Китай стал крупнейшим производителем и потребителем азотных удобрений [45], в то время как Африка мало зависит от азотных удобрений. [46] Сельскохозяйственные и химические минералы очень важны для промышленного использования удобрений, которое оценивается примерно в 200 миллиардов долларов. [47] Азот оказывает значительное влияние на мировое использование минералов, 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. [47] Калий производится в Канаде, России и Беларуси, вместе составляя более половины мирового производства. [47] Производство калия в Канаде выросло в 2017 и 2018 годах на 18,6%. [48] По консервативным оценкам, от 30 до 50% урожайности приходится на натуральные или синтетические коммерческие удобрения. [40] [49] Потребление удобрений превысило площадь сельскохозяйственных угодий в Соединенных Штатах. [47]
Данные о потреблении удобрений на гектар пахотных земель в 2012 году опубликованы Всемирным банком . [50] На диаграмме ниже показано потребление удобрений странами Европейского союза (ЕС) в килограммах на гектар (фунтах на акр). Общее потребление удобрений в ЕС составляет 15,9 млн тонн на 105 млн гектаров пахотных земель [51] (или 107 млн гектаров пахотных земель по другой оценке [52] ). Эта цифра соответствует 151 кг удобрений, потребляемых на гектар пахотных земель в среднем по странам ЕС.
Удобрения обычно используются для выращивания всех культур, с нормами внесения в зависимости от плодородия почвы, обычно измеряемого путем анализа почвы и в соответствии с конкретной культурой. Бобовые, например, фиксируют азот из атмосферы и, как правило, не требуют азотных удобрений.
Удобрения применяются к сельскохозяйственным культурам как в твердом, так и в жидком виде. Около 90% удобрений применяются в твердом виде. Наиболее широко используемые твердые неорганические удобрения - это мочевина , диаммонийфосфат и хлорид калия. [53] Твердые удобрения обычно гранулируются или порошкообразуются. Часто твердые вещества доступны в виде гранул , твердых глобул. Жидкие удобрения включают безводный аммиак, водные растворы аммиака, водные растворы аммиачной селитры или мочевины. Эти концентрированные продукты можно разбавлять водой для получения концентрированного жидкого удобрения (например, КАС ). Преимуществами жидких удобрений являются их более быстрое действие и более легкое покрытие. [24] Добавление удобрений в поливную воду называется « фертигацией ». [40] Гранулированные удобрения более экономичны в транспортировке и хранении, не говоря уже о том, что их легче применять. [54]
Мочевина хорошо растворяется в воде и поэтому также очень подходит для использования в растворах удобрений (в сочетании с нитратом аммония: UAN), например, в удобрениях для «кормления листвой». Для использования в качестве удобрения гранулы предпочтительнее приллов из-за более узкого распределения размеров частиц, что является преимуществом для механического внесения.
Мочевина обычно вносится в нормах от 40 до 300 кг/га (от 35 до 270 фунтов/акр), но нормы варьируются. Меньшие применения приводят к меньшим потерям из-за выщелачивания. Летом мочевину часто вносят непосредственно перед дождем или во время него, чтобы минимизировать потери от испарения (процесс, при котором азот теряется в атмосфере в виде аммиачного газа).
Из-за высокой концентрации азота в мочевине очень важно добиться равномерного распределения. Посев не должен производиться в контакте с семенами или вблизи них из-за риска повреждения прорастания. Мочевина растворяется в воде для использования в виде спрея или через системы орошения.
В зерновых и хлопковых культурах мочевина часто применяется 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 где ожидаются хорошие сезонные осадки, мочевина может быть подкормкой сбоку или сверху в течение вегетационного периода. Подкормка также популярна на пастбищах и кормовых культурах. При выращивании сахарного тростника мочевина подкормка сбоку после посадки и применяется к каждой культуре ратуна .
Поскольку мочевина поглощает влагу из атмосферы, ее часто хранят в закрытых емкостях.
Передозировка или размещение мочевины вблизи семян вредно. [55]
Лиственные удобрения вносятся непосредственно в листья. Этот метод почти всегда используется для внесения водорастворимых прямых азотных удобрений и применяется, в частности, для высокоценных культур, таких как фрукты. Мочевина является наиболее распространенным лиственным удобрением. [24]
Различные химикаты используются для повышения эффективности азотных удобрений. Таким образом, фермеры могут ограничить загрязняющее воздействие азотного стока . Ингибиторы нитрификации (также известные как стабилизаторы азота) подавляют превращение аммиака в нитрат , анион, который более склонен к выщелачиванию. Популярны 1-карбамоил-3-метилпиразол (CMP), дициандиамид , нитрапирин (2-хлор-6-трихлорметилпиридин) и 3,4-диметилпиразолфосфат (DMPP). [58] 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 уреаз является N- ( н -бутил)тиофосфорный триамид ( NBPT ).
Осторожное использование технологий удобрения важно, поскольку избыток питательных веществ может быть вредным. [59] Ожог от удобрения может произойти, если внести слишком много удобрения, что приведет к повреждению или даже гибели растения. Удобрения различаются по своей склонности к горению примерно в соответствии с их солевым индексом. [60] [61]
Синтетические удобрения, используемые в сельском хозяйстве, имеют далеко идущие экологические последствия .
Согласно Специальному докладу Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) об изменении климата и землепользовании , производство этих удобрений и связанные с ними методы землепользования являются движущими силами глобального потепления . [3] Использование удобрений также привело к ряду прямых экологических последствий: сельскохозяйственный сток , который приводит к эффектам ниже по течению, таким как мертвые зоны океана и загрязнение водных путей, деградация микробиома почвы , [62] и накопление токсинов в экосистемах. Косвенные экологические воздействия включают: экологическое воздействие фрекинга для природного газа, используемого в процессе Хабера , сельскохозяйственный бум частично ответственен за быстрый рост населения , а крупномасштабные промышленные сельскохозяйственные методы связаны с разрушением среды обитания , давлением на биоразнообразие и потерей сельскохозяйственных земель .
Для смягчения проблем, связанных с окружающей средой и продовольственной безопасностью , международное сообщество включило продовольственные системы в Цель устойчивого развития 2 , которая направлена на создание благоприятной для климата и устойчивой системы производства продовольствия . [63] Большинство политических и нормативных подходов к решению этих проблем сосредоточены на повороте сельскохозяйственных методов в сторону устойчивых или восстановительных методов ведения сельского хозяйства: они используют меньше синтетических удобрений, лучшее управление почвой (например, земледелие с нулевой обработкой почвы ) и больше органических удобрений.
На каждую тонну фосфорной кислоты, полученную в результате переработки фосфатной руды, образуется пять тонн отходов. Эти отходы принимают форму нечистого, бесполезного, радиоактивного твердого вещества, называемого фосфогипсом . Оценки варьируются от 100 000 000 до 280 000 000 тонн отходов фосфогипса, производимых ежегодно во всем мире. [64]
Фосфорные и азотные удобрения могут влиять на почву, поверхностные и грунтовые воды из-за рассеивания минералов [47] в водоемах из-за обильных осадков [65] [66] таяния снегов и могут со временем вымываться в грунтовые воды. [67] Сельскохозяйственные стоки являются основным фактором эвтрофикации пресноводных водоемов. Например, в США около половины всех озер являются эвтрофными . Основным фактором эвтрофикации является фосфат, который обычно является ограничивающим питательным веществом; высокие концентрации способствуют росту цианобактерий и водорослей, гибель которых потребляет кислород. [68] Цветение цианобактерий (« цветение водорослей ») также может производить вредные токсины , которые могут накапливаться в пищевой цепи и могут быть вредны для человека. [69] [70] Сток удобрений можно сократить, используя оптимизированные под погоду стратегии удобрения. [65]
Богатые азотом соединения, обнаруженные в стоках удобрений, являются основной причиной серьезного истощения кислорода во многих частях океанов , особенно в прибрежных зонах, озерах и реках . В результате недостаток растворенного кислорода значительно снижает способность этих областей поддерживать океаническую фауну . [71] Количество мертвых зон океана вблизи обитаемых береговых линий увеличивается. [72]
Начиная с 2006 года применение азотных удобрений все больше контролируется в северо-западной Европе [73] и Соединенных Штатах. [74] [75] В случаях, когда эвтрофикацию можно обратить вспять, тем не менее могут потребоваться десятилетия [76] и значительное управление почвой [77], прежде чем накопленные в грунтовых водах нитраты смогут быть разрушены естественными процессами.
Только часть азотсодержащих удобрений преобразуется в растительное вещество. Остальная часть накапливается в почве или теряется в виде стока. [78] Высокие нормы внесения азотсодержащих удобрений в сочетании с высокой растворимостью нитрата в воде приводят к увеличению стока в поверхностные воды , а также выщелачиванию в грунтовые воды, тем самым вызывая загрязнение грунтовых вод . [79] [80] [81] Чрезмерное использование азотсодержащих удобрений (будь то синтетические или натуральные) особенно разрушительно, поскольку большая часть азота, не усваиваемого растениями, преобразуется в нитрат, который легко выщелачивается. [82]
Уровень нитратов выше 10 мг/л (10 частей на миллион) в грунтовых водах может вызвать « синдром синего ребенка » (приобретенную метгемоглобинемию ). [83] Питательные вещества, особенно нитраты, в удобрениях могут вызывать проблемы для естественной среды обитания и здоровья человека, если они смываются с почвы в водотоки или выщелачиваются через почву в грунтовые воды. [84] Сток может привести к цветению водорослей, которые потребляют весь кислород и оставляют огромные «мертвые зоны», где другие рыбы и водные организмы не могут жить. [85]
Подкисление почвы относится к процессу, при котором уровень pH почвы становится более кислым с течением времени. pH почвы является мерой кислотности или щелочности почвы и определяется по шкале от 0 до 14, где 7 является нейтральным. Значение pH ниже 7 указывает на кислую почву, тогда как значение pH выше 7 указывает на щелочную или основную почву.
Подкисление почвы является серьезной проблемой в сельском хозяйстве и садоводстве. Это процесс, при котором почва становится более кислой с течением времени.
Азотсодержащие удобрения могут вызывать закисление почвы при добавлении. [86] [87] Это может привести к снижению доступности питательных веществ, что может быть компенсировано известкованием . Эти удобрения выделяют ионы аммония или нитрата, которые могут закислять почву, поскольку они подвергаются химическим реакциям.
При внесении в почву этих азотсодержащих удобрений они увеличивают концентрацию ионов водорода (H+) в почвенном растворе, что снижает pH почвы.
Концентрация кадмия в фосфорсодержащих удобрениях значительно варьируется и может быть проблематичной. [88] Например, моноаммонийфосфатное удобрение может иметь содержание кадмия от 0,14 мг/кг до 50,9 мг/кг. [89] Фосфатная порода, используемая при их производстве, может содержать до 188 мг/кг кадмия [90] (примерами являются месторождения на Науру [91] и островах Рождества [92] ). Постоянное использование удобрений с высоким содержанием кадмия может загрязнять почву (как показано в Новой Зеландии) [93] и растения . [94] Пределы содержания кадмия в фосфатных удобрениях были рассмотрены Европейской комиссией . [95] [96] [97] Производители фосфорсодержащих удобрений теперь выбирают фосфатную породу на основе содержания кадмия. [68]
Фосфатные породы содержат высокие уровни фторида. Следовательно, широкое использование фосфатных удобрений увеличило концентрацию фторида в почве. [94] Было обнаружено, что загрязнение продуктов питания удобрениями не вызывает особого беспокойства, поскольку растения накапливают мало фторида из почвы; большую обеспокоенность вызывает возможность токсичности фторида для скота, который потребляет загрязненную почву. [98] [99] Также возможное беспокойство вызывает воздействие фторида на почвенные микроорганизмы. [98] [99] [100]
Радиоактивное содержание удобрений значительно варьируется и зависит как от их концентрации в исходном минерале, так и от процесса производства удобрений. [94] [101] Концентрации урана-238 могут варьироваться от 7 до 100 пКи/г (пикокюри на грамм) в фосфатной руде [102] и от 1 до 67 пКи/г в фосфатных удобрениях. [103] [104] [105] При использовании высоких годовых норм внесения фосфорных удобрений это может привести к концентрации урана-238 в почвах и дренажных водах, которые в несколько раз превышают обычные. [104] [106] Однако влияние этих повышений на риск для здоровья человека от загрязнения пищевых продуктов радинуклидами очень мало (менее 0,05 мЗв / год). [104] [107] [108]
Отходы сталелитейной промышленности, переработанные в удобрения из-за высокого содержания цинка (необходимого для роста растений), отходы могут включать следующие токсичные металлы : свинец [109] мышьяк , кадмий , [109] хром и никель. Наиболее распространенными токсичными элементами в этом типе удобрений являются ртуть , свинец и мышьяк. [110] [111] [112] Эти потенциально вредные примеси можно удалить; однако это значительно увеличивает стоимость. Высокочистые удобрения широко доступны и, возможно, наиболее известны как высокорастворимые в воде удобрения, содержащие синие красители, используемые в домашних хозяйствах, такие как Miracle-Gro . Эти высокорастворимые в воде удобрения используются в питомниках и доступны в больших упаковках по значительно более низкой цене, чем в розничных количествах. Некоторые недорогие розничные гранулированные садовые удобрения 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. [113] [114] Интенсивные методы ведения сельского хозяйства, включая использование синтетических удобрений, часто предлагаются в качестве причин этого снижения, а органическое земледелие часто предлагается в качестве решения. [114] Хотя известно, что повышение урожайности в результате использования удобрений NPK снижает концентрацию других питательных веществ в растениях, [113] [115] большую часть измеренного снижения можно отнести к использованию прогрессивно более высокоурожайных сортов сельскохозяйственных культур, которые производят продукты с более низкой концентрацией минералов, чем их менее продуктивные предки. [113] [116] [117] Поэтому маловероятно, что органическое земледелие или сокращение использования удобрений решат эту проблему; предполагается, что продукты с высокой плотностью питательных веществ будут получены с использованием старых, менее урожайных сортов или путем разработки новых высокоурожайных, богатых питательными веществами сортов. [113] [118]
Удобрения, по сути, скорее решают проблемы дефицита микроэлементов, чем вызывают их: в Западной Австралии дефицит цинка , меди, марганца , железа и молибдена был выявлен как ограничивающий рост широкоакровых культур и пастбищ в 1940-х и 1950-х годах. [119] Почвы в Западной Австралии очень старые, сильно выветренные и дефицитные по многим основным питательным веществам и микроэлементам. [119] С тех пор эти микроэлементы регулярно добавляются в удобрения, используемые в сельском хозяйстве в этом штате. [119] Во многих других почвах по всему миру дефицит цинка, что приводит к дефициту как у растений, так и у людей, и цинковые удобрения широко используются для решения этой проблемы. [120]
Высокий уровень удобрений может привести к нарушению симбиотических отношений между корнями растений и микоризными грибами. [121]
Большинство удобрений производится из грязного водорода. [122] Аммиак производится из природного газа и воздуха. [123] Стоимость природного газа составляет около 90% стоимости производства аммиака. [124] Рост цен на природные газы за последнее десятилетие, наряду с другими факторами, такими как рост спроса, способствовали росту цен на удобрения. [125]
Количество парниковых газов, углекислого газа , метана и закиси азота , образующихся при производстве и использовании азотных удобрений, оценивается примерно в 5% от антропогенных выбросов парниковых газов . Одна треть образуется при производстве и две трети при использовании удобрений. [126] Азотные удобрения могут быть преобразованы почвенными бактериями в закись азота , парниковый газ . [127] Выбросы закиси азота людьми, большая часть которых приходится на удобрения, в период с 2007 по 2016 год оцениваются в 7 миллионов тонн в год, [128] что несовместимо с ограничением глобального потепления ниже 2 °C. [129]
Благодаря растущему использованию азотных удобрений, которые использовались в размере около 110 миллионов тонн (N) в год в 2012 году, [130] [131] добавляя к уже существующему количеству реактивного азота, закись азота (N 2 O) стала третьим по важности парниковым газом после углекислого газа и метана. Он имеет потенциал глобального потепления в 296 раз больше, чем эквивалентная масса углекислого газа, и он также способствует истощению стратосферного озона. [132] Изменяя процессы и процедуры, можно смягчить некоторые, но не все, из этих воздействий на антропогенное изменение климата . [133]
Выбросы метана с полей (особенно рисовых полей ) увеличиваются из-за применения удобрений на основе аммония. Эти выбросы способствуют глобальному изменению климата, поскольку метан является мощным парниковым газом. [134] [135]
В Европе проблемы с высокими концентрациями нитратов в стоках решаются Директивой Европейского союза по нитратам. [136] В Великобритании фермеров призывают управлять своими землями более устойчиво в «сельском хозяйстве, чувствительном к водосбору». [137] В США высокие концентрации нитратов и фосфора в стоках и дренажных водах классифицируются как неточечные источники загрязнения из-за их диффузного происхождения; это загрязнение регулируется на уровне штата. [138] В Орегоне и Вашингтоне , оба в Соединенных Штатах, есть программы регистрации удобрений с онлайн-базами данных, перечисляющими химические анализы удобрений. [139] [140]
В Китае были введены правила для контроля использования азотных удобрений в сельском хозяйстве. В 2008 году китайское правительство начало частично отменять субсидии на удобрения, включая субсидии на транспортировку удобрений и на использование электроэнергии и природного газа в промышленности. В результате цены на удобрения выросли, и крупные фермы начали использовать меньше удобрений. Если крупные фермы продолжат сокращать использование субсидий на удобрения, у них не останется выбора, кроме как оптимизировать имеющиеся у них удобрения, что, следовательно, увеличит как урожайность зерна, так и прибыль. [141]
В марте 2022 года Министерство сельского хозяйства США объявило о новом гранте в размере 250 млн долларов на продвижение американского производства удобрений. Являясь частью Корпорации товарного кредитования, эта программа грантов будет поддерживать производство удобрений, независимое от доминирующих поставщиков удобрений, произведенное в Америке и использующее инновационные методы производства для стимулирования будущей конкуренции. [142]
Два типа методов управления сельским хозяйством включают органическое сельское хозяйство и традиционное сельское хозяйство. Первое поощряет плодородие почвы, используя местные ресурсы для максимизации эффективности. Органическое сельское хозяйство избегает синтетических агрохимикатов. Традиционное сельское хозяйство использует все компоненты, которые не использует органическое сельское хозяйство. [143]
{{cite book}}
: |website=
проигнорировано ( помощь ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь ){{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( 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 )