Удобрения — вещества, предназначенные для улучшения питания растений и воспроизводства плодородия почв в целях увеличения урожайности сельскохозяйственных культур и повышения качества растениеводческой продукции.
Слово «удобрение» в русском языке имеет двойной смысл. Во-первых, он обозначает технологический процесс удобрения почвы, во-вторых, обозначает применяемые для этой цели вещества. Д.Н. Прянишников вкладывал в понятие «удобрение» следующий смысл: удобрение — пища для растений, способное усиливать мобилизацию питательных веществ в почве, повышать энергию жизненных процессов и изменять свойства почвы, то есть удобрение оказывает многостороннее прямое и косвенное воздействие на почву и растения.
Значение удобрений
В связи с многофункциональной ролью удобрений в агроценозе их значение возрастает с повышением продуктивности земледелия, что подтверждается опытом ведения сельского хозяйства во многих высокоразвитых странах мира.
Органические и минеральные удобрения влияют на структуру почвы, реакцию почвенного раствора, скорость микробиологических процессов, активно участвуют в воспроизводстве плодородия, влияют на питание, рост и развитие растений, устойчивость к неблагоприятным внешним факторам и, в целом, на урожай и его качество. Например, почвы, систематически удобряемые навозом, характеризуются меньшей кислотностью, большим содержанием доступных для растений форм фосфора, повышенным количеством гумуса и общего азота, большей степенью насыщенности основаниями. Удобрения являются основой химизации земледелия.
При возделывании сельскохозяйственных культур происходит отчуждение питательных веществ с урожаем, потеря с поверхностным стоком и инфильтрации в глубоки слои, эрозии. В результате изменяется баланс питательных веществ, снижается плодородие, урожайность культур и качество продукции. Для нивелирования дефицит биогенных элементов в почве применяют удобрения.
Растения в процессе своей жизнедеятельности образуют сухое вещество за счет поглощения углекислого газа воздуха, воды и минеральных веществ почвы. В результате растения накапливают определенные вещества, которые характеризуют химический состав растений.
Наиболее важными, так называемыми биофильными, питательными элементами являются азот, фосфор и калий. Количество усвоенных растениями элементов питания, содержащиеся во всех органах и во всей массе урожая, позволяет определить их потребность в питательных веществах. Потребление питательных веществ выражают в кг на 1 га или в кг на 1 т товарной продукции с учетом побочной. Оптимальное содержание и соотношение элементов питания в почве при условии достаточности других факторов жизни растений позволяет получать максимально возможные урожаи культур с высоким качеством.
Д.Н. Прянишников отмечал: странам Западной Европы потребовалось 100 лет для увеличения урожайности пшеницы с 0,7 до 1,6 т с 1 га за счет применения плодосмена и улучшения обработки почвы, и 25 лет для повышения урожайности с 1,6 до 3 т с помощью удобрений.
В России до половины всего прироста урожая культур обеспечивает использование удобрений. Например, внесение удобрений на почвах Нечерноземной зоны, характеризующихся низким естественным плодородием, или на южных почвах с ограниченной влагообеспеченностью, позволяют получать прирост урожая до 75%.
Физико-механические свойства удобрений
Потери удобрений при транспортировке и хранении могут быть связаны с их способностью к расслоению — сегрегации (для смешанных удобрений), упругостью паров и вязкостью (для жидких форм), насыпной плотностью и углом естественного откоса (для порошковидных форм). Организация транспортировки и хранения удобрений связана и с огне- и взрывоопасными свойствами, остаточной кислотностью, скоростью и условиями разложения, токсичностью. Например, калийная селитра при смешивании с опилками способна образовывать пожаро- и взрывоопасные смеси, а жидкий аммиак или его водные растворы имеют сильный удушающий запас.
Свойства удобрений могут варьировать в широких пределах в зависимости от технических особенностей производства, исходного сырья и его состава, регламентируются техническим условиями (ГОСТами и ТУ). Так, для мочевины допустимая влажность составляет не более 0,2-0,3%, кальциевой селитры — не более 14%, порошковидного суперфосфата — не более 12%, калийных удобрений — от 1 до 6%. Не соответствие предъявляемым требованиям влечет изменения физико-механических свойств удобрений, что делает их малопригодными для использования.
Одним из свойств удобрений, сильно влияющим на использование удобрений, является гигроскопичность — способность поглощать влагу из воздуха. К сильногигроскопичным удобрениям относят кальциевую (9,5 балла из 10 возможных) и аммонийную (9,3 балла) селитры, хлорид калия 3,2-4,4 балла, сульфат калия 0,2 балла. Условия хранения, транспортировки и упаковки удобрений определяются этим свойством. Сильногигроскопичные удобрения хранят и транспортируют в герметичной таре, чаще, в полиэтиленовых мешках.
Сыпучесть — пригодность удобрений для механического внесения с помощью туковысевающих агрегатов, зависит от влагоемкости. Предельная влагоемкость минеральных удобрений соответствует максимальной влажности, при которой сохраняется способность рассеиваться туковыми сеялками.
При хранении или длительной перевозке удобрения могут слеживаться. Использование слежавшихся удобрений связано с большими затратами на измельчение перед внесением в почву. Слеживаемость зависит от гигроскопичности, влажности, гранулометрического состава, условий и длительности хранения. Слеживаемость оценивается по 7-балльной шкале и определяется по сопротивлению к разрушению слежавшегося удобрения. К сильному слеживанию склонны простой порошковидный суперфосфат (7 баллов), мелкокристаллический хлорид калия (6 баллов); слабо слеживается сульфат аммония (2-3 балла), устойчив к слеживанию сульфат калия, калимагнезия (1 балл).
Физико-механические свойства минеральных удобрений связаны с гранулометрическим составом, то есть с размером частиц. Его определяют при методом сит. Гранулометрический состав влияет на равномерность внесения по площади поля. Однородный гранулометрическим составом при разбрасывании центробежными разбрасывателями обеспечивает равномерность распределения по ширине захвата агрегата. При неоднородном гранулометрическом составе наблюдается сепарация, то есть разбрасывание частиц удобрения различных размеров и массы на разное расстояние от туковысевающего агрегата: более крупные и тяжелые частицы отлетают на большее расстояние, что создает неравномерность распределения.
Сохранение гранулометрического состава при хранении, транспортировке и внесении в почву зависит от прочности гранул, который характеризуется механической прочностью на раздавливание (в кгс/см3) и истирание (в %). Прочность гранул связана с влажностью, размером и формой частиц, наличия гидрофобных добавок, плотности упаковки удобрений, длительности хранения.
Рассеиваемость, или сыпучесть, — подвижность частиц удобрений при их внесении туковыми сеялками. Рассеиваемость оценивают по 12-балльной системе.
При транспортировке удобрений и расчете размеров складских помещений учитывают плотность удобрений, то есть объем единицы массы (1 т/м3) и массу единицы объема. К наименее плотным относятся хлорид аммония и мочевина (0,58—0,65 т/м3), тяжелым — томасшлак, известняковая и фосфоритная мука (2,01-1,62 т/м3).
Некоторые удобрения, обладающие хорошими физико-механическими свойствами, например, сульфат аммония, сульфат калия, допустимо транспортировать и хранить бестарным способом — насыпью. При их хранении учитывают угол естественного откоса (покоя), который образуется горизонтальной плоскостью (поверхностью) и линией откоса кучи удобрения.
На эффективность и рациональное использование удобрений влияют время внесения и способы заделки.
Таблица. Прибавка урожайности сахарной свеклы (т/га) в зависимости от времени внесения и способов заделки удобрений
| Харьковская | ||
| Мироновская | ||
| Курская | ||
Эффективность минеральных удобрений возрастает в условиях орошения или достаточного увлажнения за счет атмосферных осадков.
Дефицит влаги в почве снижает эффективность удобрений, однако избыточное увлажнение так же негативно сказывается на эффективности из-за вымывания питательных веществ.
Окультуренность почв еще один фактор эффективности удобрений. Высокая засоренность, плохая обработка, нарушение агротехнических требований снижает отдачу удобрений. Например, прибавка урожая зерновых колосовых на 1 кг действующего вещества удобрений в среднем составляет более 4 кг зерна. В зависимости от условий питания она варьирует у разных культур: озимой пшеницы — 3,2-5,8 кг, яровой пшеницы — 2-6,2 кг, кукурузы — 3,3-7,6 кг зерна, сахарной свеклы — 19,3-37,8 кг корнеплодов, картофеля — 25-37,6 кг клубней.
Эффективность удобрений
Эффективность удобрения зависит от:
- вида и формы удобрения;
- оптимальной дозы;
- соотношения между вносимыми элементами питания;
- сроков внесения;
- способов внесения.
При выборе удобрений учитывают свойства почв и климатические условия, биологические и сортовые особенности выращиваемых культур. При выборе форм удобрения — отношение растений к его ионному составу, физиологическую реакцию удобрения, способность корневой системы усваивать питательные вещества из труднорастворимых форм.
Для правильного определения удобрений требуется знать характер взаимодействия удобрения в системе почва — растение — удобрение — окружающая среда.
Для эффективного применения удобрений имеет значение условия транспортировки, хранения, подготовки для внесения в почву. Поэтому необходимо учитывать физико-механических и химических свойств удобрений, например, растворимость, гигроскопичность, слеживаемость, влагоемкость, рассеиваемость, гранулометрический состав, прочность гранул.
Использование удобрений в большинстве случаев экономически выгодно. Согласно расчетам, 1 рубль, затраченный на минеральные удобрения, обеспечивает прибавку урожая в среднем стоимостью 2,2 рубля. Доля экономических затрат на приобретение и использование минеральных удобрений в целом по стране до 1990 г. составляла 15-17% от всех затрат растениеводства.
Экономическая отдача удобрений зависит от естественного плодородия почвы. Например, в Нечерноземной зоне с высокой влагообеспеченностью, но низким естественным плодородием при урожайности зерновых культур 3 т/га в результате внесения удобрений получается 70-80% прироста урожая. В сухой степи на долю удобрений приходится 50% прироста.
Удобрение - основной фактор повышения урожаев
Мировая практика земледелия показывает, что урожайность связана с количеством применяемых удобрений.
Таблица. Применение минеральных удобрений и урожай зерновых (в среднем за 1986-1988 гг., Попов, 1999)
| Россия | ||
| США | ||
| Англия | ||
| ФРГ | ||
| Голландия |
Зависимость между производством зерна и использованием минеральных удобрений хорошо прослеживается на примере России, где произошло резкое снижение применения минеральных удобрений и плодородия почв.
Таблица. Применение минеральных удобрений и производство зерна в России (в среднем за год, Попов, 1999)
| Поставлено минеральных удобрений | |||
| - млн т д.в. | |||
| - кг/га пашни | |||
| Валовой сбор зерна, млн т | |||
| Урожайность зерновых, т/га |
Таблица. Баланс питательных веществ в земледелии России, кг/га (в среднем за год, Попов, 1999)
Согласно данным полевых опытов агрохимической службы России, прибавка урожая от применения минеральных удобрений составляет: озимой пшеницы — 0,49-1,27 т/га; озимой ржи — 0,48-1,08 т/га; ярового ячменя — 0,32-1,29 т/га; кукурузы (зерно) — 0,65-2 т/га; картофеля — 4,9-9,1 т/га; сахарной свеклы — 5-14,4 т/га; кукурузы на силос — 2,3-18,1 т/га; естественных трав на сено — 0,6-3 т/га.
Интенсификация земледелия приводит к дальнейшему росту урожаев, ускоряет вынос питательных веществ из почвы и минерализацию гумуса. Регулирование этих процессов становится возможным с помощью внесения удобрений. В 80-е годы примерно 60% питательных веществ вносилось в почву с минеральными удобрениями, а применение органических удобрений составляло свыше 4 т на 1 га в год. В 90-е годы внесение органических удобрений снизилось более чем в 5 раз, а минеральных — в 10 раз. Дефицит гумуса составил 0,52 т на 1 га пашни, потребность в навозе для покрытия дефицита составила 6,5 т/га.
В середине XX в. произошла так называемая «зеленая революция», основы которой заложил Норман Борлауг. Страны с высоким уровнем химизации сельского хозяйства отличаются более высокими урожаями, повышение которых основано на новых сортах интенсивного типа и прогрессивной агротехники.
Согласно обобщенным данным академика РАСХН В.Ф. Ладонина (1999), производство зерна в мире выросло в 3 раза: с 630 млн т в 1950 г. до 1970 млн т в 1990 г. За тот же период применение минеральных удобрений выросло в 10 раз: с 14 до 140 млн т. При этом производство зерна возрастало благодаря интенсификации земледелия, а не расширению посевных площадей. Урожайность зерновых культур во второй половине XX в. увеличилась в 2,5 раза, в среднем на 2,1% в год.
В развитых странах с 1970 по 1990 г. применение удобрений увеличилось с 26 до 83 кг/га, в странах Восточной Азии и Тихого океана — с 36 до 190 кг/га, в Европе — с 88 до 142 кг/га, в СНГ и КНДР с 46 до 110 кг/га. В 1990 г. урожайность зерновых в КНДР составила 4,2 т/га. Мировые рекорды по пшенице составили свыше 16 т/га, по кукурузе — свыше 22 т/га.
Прирост урожайности культур на 50% определяется удобрениями, остальные 50% приходятся на другие факторы. Согласно исследований, проведенных в США, рост урожайности в послевоенные годы в США был на 41% за счет минеральных удобрений, на 15-20% — гербицидов и химических средств защиты растений, 15% — агротехники, 8% — гибридных семян, 5% — ирригации, 11-18% — прочих факторов.
Рост урожайности приводит к росту потребления питательных веществ растениями, поэтому чем выше планируемая урожайность культуры, тем больше необходимо удобрений. Однако, урожай возрастает в прямой зависимости от увеличения доз удобрений до определенного уровня, при котором достигается максимальная оплата одной единицы удобрения получаемой сельскохозяйственной продукцией.
Увеличение доз удобрений экономически оправданно до момента, когда затраты на внесение дополнительного количества удобрений полностью окупаются прибавкой урожая.
Эффективное применение удобрений возможно при условии высокой агротехникой.
Таблица. Действие комплекса агроприемов на урожай картофеля на песчаных почвах
| Без удобрений, поздняя посадка, мелкие клубни, недостаточный уход | ||
| Удобрение | ||
| Улучшенная агротехника, без удобрений | ||
| Улучшенная агротехника, с удобрениями |
Многочисленными опытами в различных почвенно-климатических условиях доказано влияние доз и форм азотных удобрений на качество зерна, прежде всего белковости зерна озимой пшеницы.
Химизация земледелия не заменяет органические удобрения. Д.Н. Прянишников считал: неправильное отношение к навозу — это неправильное отношение к элементам питания минеральных удобрений. Органические удобрения являются одним из основных элементов системы удобрения.
Так, в Нечерноземной зоне 20-30 т навоза на 1 га, дают прибавку урожая зерновых 0,6-0,7 т/га, картофеля 6-7 т/га, корнеплодов до 15 т/га, силосных культур 15-20 т/га. Последействие навоза сохраняется в течение 4-5 лет. За это время одна тонна навоза дает 0,1 т прибавки продукции в пересчете на зерно.
В опытах Долгопрудной станции внесение 36 т/га навоза на четырех культурах севооборота позволили получить 3,4 т/га дополнительной продукции в пересчете на зерно.
Таблица. Прибавки урожая в севообороте от внесения 36 т/га навоза (среднее за 15 лет)
| Рожь (зерно) | ||
| Овес (зерно) | ||
| Клевер (сено) | ||
| Кормовая свекла (корни) | ||
| Всего |
Классификация удобрений
По характеру воздействия на почву
По характеру воздействия на почву и питательный режим растений удобрения делятся на прямые и косвенные.
Удобрения прямого действия — удобрения, которые улучшают питание растений питательными элементами. К этой группе относятся все виды минеральных, соответственно, азотные, фосфорные, калийные и др., и органических удобрений.
Косвенные удобрения улучшают свойства почвы, мобилизуют имеющиеся запасы питательных веществ. К косвенным относятся средства химической мелиорации почв (известь, гипс), бактериальные удобрения.
Деление удобрений на прямые и косвенные условное, так как каждое из них может оказать как прямое, так и косвенное действие. Попадая в почву, удобрения улучшают минеральное питание растений и оказывает влияние на агрохимические свойства. Например, известь или гипс устраняют избыточную кислотность или щелочность почвы и являются одновременно источником кальция для питания растений.
По химическому составу
По химическому составу, или происхождению, удобрения подразделяют на:
- минеральные,
- органические,
- микробиологические.
Минеральные удобрения в зависимости от состава подразделяются на:
- однокомпонентные, или простые, или односторонние, — содержащие только один питательный элемент;
- комплексные — содержащие два или более питательных элементов.
По видам питательных элементов минеральные удобрения делятся на азотные, фосфорные, калийные, цинковые и т.д. В свою очередь каждый вид может подразделяться в зависимости от форм, например, азотные включают нитратные, аммонийные, аммонийно-нитратные и амидные формы.
В зависимости от основного компонента удобрения их подразделяют на макро- и микроудобрения.
По влиянию на реакцию почвенного раствора минеральные удобрения различают:
- физиологически кислые;
- физиологически щелочные;
- физиологически нейтральные.
К физиологически кислым относятся удобрения, катионы которых в большей степени поглощаются растениями, чем анионы. Соответственно, к физиологически щелочным — удобрения, анионы которых в большей степени поглощаются. Физиологически нейтральные минеральные удобрения не оказывают влияния на реакцию почвенного раствора.
По способу производства
По способу производства удобрения подразделяются на:
- промышленные,
- местные,
- нетрадиционные.
Промышленные удобрения — минеральные удобрения, получаемые на химических заводах.
Местные удобрения — удобрения, получаемые в местах их применения, непосредственно в хозяйствах или вблизи них. К местным относятся навоз, навозная жижа, птичий помет, компосты, торф, зола, известковые туфы, зеленое удобрение.
По агрегатному состоянию
По агрегатному состоянию удобрения подразделяются на:
- твердые:
- порошковидные, с размером части менее 1 мм;
- кристаллические, с размером кристаллов более 0,5 мм;
- гранулированные, с размером гранул более 1 мм;
- жидкие;
- газообразные.
Минеральные удобрения
Минеральные удобрения — промышленные вещества или полезные ископаемые, в состав которых входит один или несколько элементов питания растений, чаще, в минеральной форме, реже в органической. В настоящее время на долю минеральных удобрений от количества вносимых в почву питательных веществ приходится примерно 60%.
Действующее вещество — элемент питания, содержащийся в удобрении. Содержание в удобрении действующего вещества выражается в процентах от массы: для азотных удобрениях — в расчете на N, в фосфорных — на Р2O5, в калийных — на K2O, в магниевых — на MgO, в кальциевых — в CaO или CaCO3, в микроудобрениях — на соответствующий микроэлемент.
Состав комплексных удобрений принято выражать в содержание действующих веществ цифрами, отделяемыми друг от друга знаками тире или двоеточием. Первая цифра, как правило, обозначает процентное содержание азота (N), вторая — фосфора (Р2O5), третья — калия (K2O). Например, N:Р:K — 17:17:17.
Соотношение действующих веществ в комплексных удобрениях принято обозначать цифрами, при этом содержание азота принимают за единицу. Для вышеприведенного примера соотношение будет 1:1:1.
Норму внесения или дозу удобрений принято обозначать в действующем веществе (кг/га) в виде подстрочного индекса: N60P90K30.
Органические удобрения
Основная статья: Органические удобрения
Органические удобрения — свежие или биологически переработанные вещества сложного состава растительного или животного происхождения, используемые в качестве удобрения.
Микробиологические удобрения
Основная статья: Микробиологические и бактериальные удобрения
Микробиологические удобрения — препараты, содержащие культуру микроорганизмов, жизнедеятельность которых при попадании в почву способствует улучшению состава, повышению активности микробиологического сообщества почвы, создавая таким образом благоприятные условия для питания растений.
Взаимодействие удобрений с почвой
При внесении в почву удобрения в результате взаимодействия с почвой и под действием почвенных микроорганизмов подвергается различным превращениям, что влияет на способность к перемещению в почве, растворимость и доступность растениям. Так, на песчаных почвах скорость разложения органических удобрений выше, чем на суглинистых и глинистых. Фосфоритная мука под влиянием кислой реакции почвы или кислых выделений корневой системы, например, люпина переходит в растворимую доступную растений форму.
Минеральные удобрения могут вступать в реакции обмена с почвенными коллоидами или поглощаться микроорганизмами, временно закрепляясь в живой плазме.
Скорость процессов превращения удобрений в почве зависит от:
- природы удобрений,
- свойств почвы,
- климатических условий,
- комплекса агротехнических мероприятий.
Взаимодействие удобрений с почвой может носить как положительный, так и отрицательный характер для питания растений. Положительный эффект от систематического внесения органических и минеральных удобрений проявляется в изменении физико-химических свойств почв. Так, длительное внесение навоза ведет к росту содержания органического вещества в почве, увеличению ёмкости поглощения, снижается обменная и гидролитическая кислотность, увеличивается степень насыщенности основаниями.
Отрицательный характер от длительного применения минеральных удобрений связан с подкислением реакции почвенного раствора из-за вытеснения из поглощающего комплекса ионов водорода и алюминия, применения физиологически кислых азотных и калийных удобрений. Отрицательное действие часто является следствием неправильного использования агрохимических средств, так как современный уровень научно обоснованной системы удобрения позволяет избежать негативных последствий. Например, сочетание минеральных и органических удобрений, проведение известкования, применение нейтрализующих добавок в физиологически кислых удобрениях исключает повышение кислотности почв.
Удобрения изменяют свойства почвы: реакцию раствора, интенсивность и направленность микробиологических процессов, то есть оказывают прямое воздействие на плодородие почвы.
Литература
Ягодин Б.А., Жуков Ю.П., Кобзаренко В.И. Агрохимия/Под ред. Б.А. Ягодина. — М.: Колос, 2002. — 584 с.: ил.
Агрохимия. Учебник/В.Г. Минеев, В.Г. Сычев, Г.П. Гамзиков и др.; под ред. В.Г. Минеева. — М.: Изд-во ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова, 2017. — 854 с.
Основы технологии сельскохозяйственного производства. Земледелие и растениеводство. Под ред. В.С. Никляева. — М.: «Былина», 2000. — 555 с.
Основы агрономии: учебное пособие/Ю.В. Евтефеев, Г.М. Казанцев. — М.: ФОРУМ, 2013. — 368 с.: ил.
