Калийные удобрения
Калийные удобрения — минеральные удобрения, обеспечивающие потребность сельскохозяйственных культур в калии.
Круговорот и баланс калия в земледелии
Основная страница: Круговорот и баланс калия в земледелии
Сырьё для производства калийных удобрений
В качестве сырья для производства калийных удобрений используются природные калийные соли, месторождения которых находятся в России, Германии, Франции, США, Канаде, Израиле, Италии, Польше, Англии, Украине, Белоруссии, Казахстане и других странах. Из 120 калийсодержащих минералов лишь небольшая часть имеет промышленное значение.
Таблица. Минералы, используемые для производства калийных удобрений.
| Минерал | Примерное содержание K2O, % |
|---|---|
| Сильвинит — nNaCl + mKCl | 15-25 |
| Карналлит — KCl⋅MgCl2⋅6H2O | 17 |
| Каинит — KCl⋅MgSO4⋅3H2O | 19 |
| Шенит — K2SO4⋅MgSO4⋅6H2O | 23 |
| Лангбейнит — K2SO4⋅2MgSO4 | 23 |
| Алунит — (K, Na)2SO4⋅Al2(SO4)3⋅4Al(OH)3 | 23 |
| Полигалит — K2SO4⋅MgSO4⋅2CuSO4⋅2H2O | 16 |
| Нефелин — (K, Na)2O⋅Al2O3⋅Al2O3⋅2SiO2 | 6-7 |
К крупнейшим месторождением калийных пород в России является Верхнекамское (более 12 млрд т), расположено вблизи городов Соликамск и Березники на левом берегу Камы на западном склоне Северного Урала. Образовалось в результате высыхания древнего Пермского моря. Разработка месторождения началось в 1925 г., а производство удобрений — в 1929 г. Верхняя часть пласта представлена карналлитом с примесью NaCl, CaSO4⋅2H2O, глины, содержание K2O — до 17% (10-25%). Карналлит имеет пёструю окраску от сочетания жёлтого, оранжевого, бурого и красного цветов, обусловленных примесью оксида железа Fe2O3 (железного блеска). Ниже карналлита залегает мощный пласт сильвинита, содержащий хлориды калия и натрия в различных соотношениях.
Сульфатные калийные удобрения получают из минералов каинитовых, лангбейнитовых, смешанных лангбейнито-каинитовых пород и алунитов. Залежи полигалита, каинита и глазерита (ЗK2SO4⋅Na2SO4) имеются в Саратовской, Оренбургской областях и Башкирии (Заволжское месторождение).
Крупные месторождения калийных минералов есть на Украине в Ивано-Франковской и Львовской областях. В минералах этих месторождений преобладают лангбейнит (K2SO4⋅2MgSO4), каинит (KCl⋅MgSO4⋅3H2O), полигалит (K2SO4⋅MgSO4⋅2CaSO4⋅2H2O), шенит (K2SO4⋅MgSO4⋅6H2O). Сырьё этих месторождений перерабатывается на Стебниковском и Калушском комбинатах. Доля примеси составляет до 30%, преимущественно в виде ила.
Белорусские залежи калийных солей находятся в Полесье (г. Солигорск), которые, вероятно, являются продолжением прикарпатских месторождений. Представлены минералами сильвинитом, карналлитом и галитом.
Жилянское месторождение в Актюбинской области Казахстана представлено преимущественно полигалитом. Присутствуют также карналлит, сильвинит, глазерит. Полигалитовые минералы является сырьём для производства сульфата калия, сернокислых калийно-магниевых и комплексных минеральных удобрений. После размола она может использоваться как сульфатная форма калийно-магниевого удобрения, содержащая 13-15% K2O и 6-7% MgO.
В качестве удобрений могут использоваться другие минералы, содержащие калий. Например, алюмосиликат калия и натрия — нефелин (Na, K)2O⋅Al2O3⋅2SiO2, встречается в месторождениях апатита, например, в Хибинском месторождении. Содержание калия в нём составляет 5-6%. Он плохо растворим в воде, в кислых почвах частично обменно разлагается. В нём также содержится 10-13% Na2O и 8-10% CaO, поэтому на кислых почвах проявляет нейтрализующее действие. Как правило, используют как местное удобрение на кислых и торфяных почвах.
При производстве алюминия из нефелина в виде отхода получают карбонат калия, содержащий 63-67% K2O, который является ценным калийным удобрением.
Классификация калийных удобрений
Калийные удобрения классифицируются на сырые калийные соли и концентрированные калийные удобрения.
Сырые калийные соли — сильвинит и каинит.
Концентрированные калийные удобрения — хлористый калий, калийная соль, сульфат калия, сульфат калия-магния.
Сырые калийные соли
Сырые калийные соли (сильвинит, каинит) получают дробление и размолом природных калийных солей. Как правило, для производства используют концентрированные пласты месторождения, менее концентрированные — на переработку. Первое время в качестве удобрения преимущественно применяли сырые калийные соли, впоследствии стали вытесняться концентрированными по причине того, что содержат много балластных веществ, который увеличивают расходы на транспортировку и внесение.
По причине дорогой транспортировки сырые калийные соли используются в районах их добычи в ограниченных масштабах. Основная часть используется для получения концентрированных калийных удобрений.
Сильвинит
Сильвинит — минерал, представляющий смесь хлоридов калия и натрия, содержит 12-18% K2O и 35-40% Na2O. Согласно техническим условиям сильвинит Соликамского месторождения должен содержать 15% K2O. Гигроскопичен, при хранении слеживается.
Выпускается в грубом помоле с размером кристаллов 1-5 мм. Розовато-бурого цвета с включением синих кристаллов. Транспортируют бестарным способом. Вносят под натриелюбивые культуры.
Каинит
Каинит — KCl⋅MgSO4⋅3H2O) — минерал каинито-лангбейнитовой породы, представляющий крупные розовато-бурые кристаллы, с механическими примесями каменной соли (NaCl), CaSO4, MgSO4 и др. Содержит примерно 10-12% K2O, 6-7% MgO, 32-35% Cl-, 22-25% Na2O, 15-17% SO42-. При смешивании каинита и хлористого калия, получают калийную соль, содержащую 30-40% K2O. Влажность не более 5%. Не слеживается, транспортируют навалом (насыпью).
Является хорошим удобрением для сахарной свёклы на чернозёмах. Добывается в Стебнике (Западная Украина), по составу каинит этих месторождений близок к Соликамскому сильвиниту.
Концентрированные калийные удобрения
Хлористый калий
Хлористый калий, или хлорид калия, (KCl) — высококонцентрированное основное и наиболее применяемое в России калийное удобрение. Производство составляет 80-90% от общего производства калийных удобрений. Получают из сильвинита. Химически чистый хлорид калия содержит 63% K2O. В зависимости от способа производства хлорид калия, используемый для удобрения, содержит 50-60% K2O. Представляет собой мелкокристаллический порошок розового или белого цвета с сероватым оттенком. Имеет небольшую гигроскопичность, часто слеживается.
В промышленности применяют разные способы производства, например, галургический, флотационный, гравитационный.
Галургический способ — разделение хлоридов калия и натрия на основе их разной растворимости. Растворимость KCl при повышении температуры с 0 °С до 100 °С увеличивается вдвое, тогда как растворимость NaCl почти не меняется. Размолотый сильвинит растворяют при температуре 110 °C в растворительном щёлоке — насыщенном растворе NaCl, при этом растворяется только KCl сильвинита, a NaCl остаётся нерастворимым в виде осадка.
При охлаждении полученного раствора выпадает кристаллический осадок KCl, маточный насыщенный раствор NaCl используется для обработки новых партий сильвинита. Отходом производства является до 95% NaCl, которую используют для получения соды, технической и поваренной соли.
Флотационный способ разделение минералов сильвина (KCl) и галита (NaCl) на основе различной способности поверхности частиц этих минералов к смачиванию водой. Предварительно измельченную руду взмучивают в водном растворе с добавлением алкилсульфатов в качестве реагента-собирателя в расчёте на 1 т руды 100-200 г реагента. Реагент адсорбируется на поверхности частиц хлористого калия. Затем через пульпу продувают воздух в виде мелких пузырьков. Частицы гидрофобизированного сильвина выносятся с пузырьками воздуха на поверхность в виде пены. Пенный концентрат KCl обезвоживается центрифугированием и сушится. Частицы галита собираются на дне флотационной машины.
Флотационный хлорид калия имеет более крупные кристаллы розового цвета. Гидрофобные добавки уменьшают гигроскопичность и слёживаемость. Преимуществом метода является отсутствие необходимости в высоких температурах, продукт получается с лучшими физическими свойствами. Флотационный способ применяют на Березниковском калийном комбинате, выпускаемый хлористый калий содержит 60% K2O.
Флотационный способ получил в наибольшее распространение в России.
Гравитационный метод, относительно новый, применяется во Франции и других странах, основан на разной плотности KCl (1,987 г/см3) и NaCl (2,17 г/см3). В России метод был усовершенствован. Для разделения мелких частиц KCl и NaCl применяют гидроциклоны. Метод используется на Соликамском комбинате.
Применяют также методы подземного выщелачивания руды (сальвинита) с последующей переработкой раствора выпариванием и кристаллизацией.
Применение крупнокристаллического и гранулированного калия более предпочтительно, так как мелкокристаллический имеет плохие физические свойства, не удобен для приготовления тукосмесей с гранулированным суперфосфатом и гранулированной аммиачной селитрой. Внесение таких тукосмесей центробежными разбрасывателями приводит к расслоению (сегрегации) удобрений и неравномерному внесению. Крупнокристаллический калий на 30% меньше поглощается почвой, более длительное время сохраняется в доступном для растений форме, что увеличивает эффективность крупнокристаллического калия.
Калийная соль
Калийная соль содержит 40-44% K2O, 20% Na2O и 50% Cl. Получают смешиванием хлористого калия с сырыми калийными солями, чаще размолотым сильвинитом, реже каинитом. По внешнему виду — мелкие пёстро окрашенные кристаллы. Согласно техническим условиям должна содержать не менее 40% K2O.
Выпускается 30%-я калийная соль — смесь сильвинита и каинита, подходит для культур, потребляющих много магния, на песчаных и супесчаных почвах бедных магнием.
Смешанные калийные соли являются наиболее подходящими удобрениями для свёклы, овощных культур семейства крестоцветных, моркови и других, положительно отзывающихся на натрий и магний на лёгких почвах.
Сульфат калия
Сернокислый калий, или сульфат калия — концентрированное бесхлорное калийное удобрение, содержит 45-52% K2O. Представляет собой мелкокристаллический порошок белого цвета с жёлтым или серым оттенком, влажность 1,2%. Не слеживается, транспортируется в мешках или насыпью. Получают переработкой полиминеральных калийных руд, например, лангбейнита, шенита, или обменной реакцией с хлоридом калия:
В насыщенном растворе сульфат калия вследствие невысокой растворимости первым выпадает в осадок, который отфильтровывают и сушат.
Сульфат калия производят на Западной Украине переработкой лангбейнитовой соли. Удобрение обладает хорошими физическими свойствами, негигроскопично, не слеживается.
Преимущество сульфата калия заключается в том, что он не содержит хлор. По сравнению с хлорсодержащими удобрениями сульфат калия обеспечивает прибавки урожая винограда, гречихи, табака и других хлорофобных культур. Широко используют в овощеводстве, особенно в защищённом грунте. Серы также положительно влияет на крестоцветные, бобовые и некоторые другие культуры.
Однако по себестоимости сульфат калия одно из самых дорогих калийных удобрений.
Калимагнезия, сульфат калия-магния
Калимагнезия, сульфат калия-магния (K2SO4⋅MgSO4) содержит 26-29% K2O и 9% MgO. Получают из каинито-лангбейнитовой породы. По составу представляет обезвоженный минерал шенит, поэтому иногда так и называют. Представляет белый сильнопылящий порошок с сероватым или розоватым оттенком, или серовато-розовые гранулы неправильной формы. Не слеживается, транспортируется в мешках или насыпью.
Используют прежде всего под культуры, чувствительные к хлору или на лёгких почвах.
Калимаг
Калимаг содержит 16-20% K2O и 8-9% MgO. Производят из лангбейнита (K2SO4⋅2MgSO4) после размалывания и выщелачивания хлорида натрия. Примерный состав: K2SO4 — 39%, MgSO4 — 55%, NaCl — 1%, нерастворимого остатка — 5%. Выпускается в виде гранул серого цвета. Не слеживается, транспортируется насыпью. По эффективности приближается к калимагнезии.
Хлоркалий электролит
Хлоркалий электролит — хлорид калия с примесями хлоридов натрия и магния. Является побочным продуктом при производстве магния из карналлита. Содержит 34-42% K2O, 5% MgO, 5% Na2O и до 50% Cl. Сильнопылящий мелкокристаллический порошок с жёлтым оттенком. Не слеживается, перевозят в бумажных мешках или насыпью. По действию приближается к хлористому калию; на бедных магнием почвах более эффективен, чем хлорид калия. Выпускается в Соликамске.
Калийсодержащая цементная пыль
Калийсодержащая цементная пыль содержит 14-35% K2O, является отходом производства цемента. Включает в состав карбонат (K2CO3), гидрокарбонат (KHCO3) и сульфат калия (K2SO4). Содержится также CaCO3, MgO (3-4%), кремнекислота, полуторные оксиды и некоторые микроэлементы. Обладает щелочной реакцией не содержит хлор, поэтому может использоваться под картофель, гречиху, виноград, табак, цитрусовые.
В Голландии, Норвегии, Финляндии калийсодержащую цементную пыль используют как калийное и известковое удобрение. Хорошо растворима в воде и доступна растениям. Содержащийся карбонат кальция придаёт гигроскопичность. Цементную пыль можно использовать для производства фосфата калия и гранулировать.
Печная зола
Печная зола используется как местное калийно-фосфатно-известковое удобрение. Эффективна под все культуры и на всех типах почв. Калий содержится в виде карбоната калия (K2CO3, поташа). Фосфор золы усваивается растениями так же, как преципитата и томасшлака, в отличие от суперфосфата, не связывается в труднорастворимые фосфорные соединения. Известь устраняет отрицательное действие поташа на структуру почвы.
Содержание K2O зависит от сжигаемого топлива. Так, зола лиственных пород содержит 10-14% K2O, 7% P2O5, 36% CaO, хвойных пород — 3-7% K2O, 2,0-2,5% P2O5 и 25-30% CaO. От молодых деревьев золы получается больше, а содержание питательных элементов выше.
В золе содержатся микроэлементы. Доза золы под вспашку или культивацию составляет 5-6 ц/га. Торфяную золу и отзол для нейтрализации избыточной кислотности вносят в количестве 1,5-3 т/га, лучше под вспашку.
Взаимодействие калийных удобрений с почвой
Калийные удобрения хорошо растворимы в воде. При внесении в почву растворяются в почвенном растворе и вступают обменное (физико-химическое) взаимодействие с почвенным поглощающим комплексом, частично в необменного взаимодействие.
Обменное поглощение катионов калия составляет небольшую часть всей ёмкости поглощения. Реакция обмена обратима:
В обменно-поглощённом состоянии калий теряет подвижность, что предотвращает вымывание за пределы пахотного слоя, за исключением лёгких почв с низкой ёмкостью поглощения. Обменно-поглощённый калий остаётся доступен растениям.
Вторичные процессы взаимодействия почвенного раствора и почвенного поглощающего комплекса постепенно вытесняют катионы калия из него. Активное участие в этом обмене принимает корневая система растений за счёт корневых выделений.
Катионы калия вытесняют из ППК эквивалентное количество катионов кальция, магния, аммония, водорода, алюминия. На слабокислых и нейтральных почвах с высокой ёмкостью поглощения и буферностью обменные процессы почти не отражаются на реакции почвенного раствора. На кислых и сильнокислых почвах, прежде всего лёгкого гранулометрического состава, имеющих в составе ППК обменный водород и алюминий, внесение калийных удобрений приводит к подкислению почвенного раствора. Поэтому на таких почвах эффективность калийных удобрений уменьшается.
Дополнительное подкисление почвенного раствора возникает в результате физиологической кислотности калийных солей, однако она значительно меньше, чем у аммонийных, и проявляется только при длительном применении под калиелюбивые культуры.
Необменный (фиксированный) калий значительно менее подвижен, чем обменно-поглощённый, практически не доступен растениям. Необменное поглощение (фиксация) катионов с радиусом ионов 0,130-0,165 нм (K+, NH4+, Rb+, Cs+) характерно для глинистых минералов монтмориллонитовой группы и группы гидрослюд с трёхслойной разбухающей кристаллической решеткой. Поэтому величина необменного поглощения калия зависит от минералогического состава: чем больше минералов монтмориллонитовой группы и гидрослюд, тем сильнее выражена фиксация калия.
Фиксации протекает вследствие проникновения катионов в межпакетные пространства минералов в состоянии набухания, занимают в сетке кислородных атомов тетраэдрических слоёв гексагональные пустоты, стягивают оба отрицательно заряженных кислородных слоя, в результате чего оказываются в замкнутом пространстве. Переменное увлажнение и высыхание почвы усиливают процесс фиксации. Фиксация калия происходит и во влажной почве, но в меньшей степени.
Доля фиксации калия удобрений на разных почвах в зависимости от минералогического состава и дозы удобрений составляет от 14 до 82% от внесенного количества.
Согласно результатам опытов, проведенных в ВНИИУА, форма калийного удобрения не влияет на фиксацию калия почвой. На этот процесс влияют размеры частиц удобрений: при внесении крупнокристаллических или гранулированных удобрений фиксация снижается на 20-30% за счёт меньшего контакта удобрения с почвой.
Размер необменного поглощения зависит также от дозы удобрения: абсолютное количество фиксированного калия с увеличением дозы возрастает, в процентном отношении — несколько снижается. Потенциальная способность почвы фиксировать калий велика. В лабораторном опыте В. У. Пчёлкина при дозе калия 1000мг/100г почвы слабовыщелоченный чернозём фиксировал 147,3 мг/100 г, что эквивалентно 4420 кг/га почвы.
При систематическом внесении калийных удобрений и положительном балансе калия в почве увеличивается содержание подвижных форм (водорастворимых и обменных) и фиксированных форм.
При отрицательном балансе калия протекает обратный процесс. По мере расходования доступных водорастворимых и обменных форм калия происходит постепенный переход фиксированного калия и части калия кристаллической решетки в более подвижные формы. Так, в опыте на суглинистой почве (Англия) за 101 год растениями вынесено с урожаями в 3-4 раза больше калия, чем его содержалось в почве в обменной форме. В опытах Кобзаренко (1998), растения на контрольных вариантах вынесли из дерново-подзолистой лёгкосуглинистой почвы (Московская область) за 17 лет 583 кг/га калия, что в 2,9 раза больше исходного содержания обменного калия в почве. В то же время существенных изменений в содержании обменного калия за учётный период не произошло. Эти исследования подтверждают возможность постепенного восполнения запасов обменного калия за счёт других форм.
Опытами также подтверждается слабая миграция калия удобрений по профилю почвы, за исключением песчаных и супесчаных. В лизиметрических опытах ежегодное вымывание калия за пределы корнеобитаемого слоя составило в Нечернозёмной зоне на суглинистых почвах — 0,4-7,0 кг/га, на супесчаной — до 12 кг/га.
Применение калийных удобрений
Основная страница: Применение калийных удобрений
Эффективность калийных удобрений
В районах, в которых действие калийных удобрений наиболее эффективно, их применение обеспечивает на каждый килограмм внесенного калия удобрений прибавку урожая: 2-3 кг зерна, 20-33 кг картофеля, 35-40 кг сахарной свёклы, 1-1,5 кг льноволокна, 20-33 кг сена сеяных трав и 8-18 кг сена луговых трав.
В соотношении N:Р:К у калиелюбивых культур преобладает калий (2,5-4,5:1:3,5-6), у зерновых культур — азот (2-3:1:1,5-3,5).
Средний вынос калия с урожаем культур на 1 т товарной продукции и соответствующим количеством побочной составляет для зерновых 25-30 кг; картофеля — 7-10 кг; сахарной свёклы — 6,7-7,5 кг; овощных культур — 4-5 кг; многолетних трав в сене — 20-24 кг.
Об обеспеченности культур калием можно судить по его содержанию в почве в обменной форме. Методы определения различны для типов почв:
- для почв дерново-подзолистой — метод Кирсанова (0,2 н. НCl), метод Пейве (1 н. NaCl), метод Масловой (1 н. CH3COONH4);
- для серых лесных почв и чернозёмов (кроме карбонатных) — метод Чирикова (0,5 н. CH3COOH);
- для карбонатных чернозёмов, каштановых почв и серозёмов — метод Мачигина (1%-м (NH4)2CO3).
Все методы определения калия в почве, доступного растениям, основываются на извлечении обменной формы, адсорбционно удерживаемого коллоидными частицами. В это количество входит также водорастворимый калий.
Эффективность калийных удобрений зависит от:
- типа и гранулометрического состава почвы;
- наличия доступного калия в почве;
- потребностей культур севооборота;
- количества атмосферных осадков;
- температуры;
- содержания органического вещества в почве;
- от применения азотно-фосфорных удобрений;
- способа заделки;
- форм калийных удобрений.
Высокую эффективность калийные удобрения показывают на дерново-подзолистых почвах, краснозёмах, серых лесных почвах и северных чернозёмах. Особенно бедны подвижным (обменным) калием дерново-подзолистые песчаные и супесчаные почвы, осушенные торфяники и торфяно-болотные почвы.
Калийные удобрения более эффективны на торфяных, затем на дерново-подзолистых и серых лесных почвах. На серозёмах, чернозёмах и каштановых почвах их эффективность снижается, нередко отсутствует.
Калийные удобрения оказывают положительное действие при содержании в почве подвижного калия на уровне 1-3-го классов. При более высокой обеспеченности эффективность калийных удобрений снижается и определяется прежде всего культурами севооборота, дозами азотных и фосфорных удобрений и агротехническими приёмами.
Эффективность калийных удобрений, так же как фосфорных и азотных, на слабокислых и нейтральных почвах выше, чем на сильнокислых. Поэтому известкование кислых почв — условие повышения эффективности. Однако из-за антагонизма ионов калия и кальция в произвесткованных почвах, дозы калийных удобрений увеличивают.
Таблица. Эффективность калийных удобрений в зависимости от кислотности дерново-подзолистых почв (по Минееву).
| pHKCl | Прибавка урожайности от 1 кг K2O, т/га | ||
|---|---|---|---|
| ячмень | озимая рожь | картофель | |
| < 4,5 | 0,29 | 0,38 | 2,01 |
| 4,6-5,0 | 0,46 | 0,30 | 2,67 |
| 5,1-5,5 | 0,50 | 0,63 | 2,99 |
| 5,6-6,0 | 0,56 | 0,67 | 3,76 |
Внесение навоза, который сам является хорошим источником калия, обычно снижает действие минеральных калийных удобрений.
Наибольшая эффективность калийных удобрений достигается при оптимальном соотношении с азотными и фосфорными. Одностороннее внесение калийных удобрений проводят на осушенных торфяниках и торфяно-болотных почвах, с достаточным содержанием других элементов питания.
Литература
- Ягодин Б. А., Жуков Ю. П., Кобзаренко В. И. Агрохимия. / Под ред. Б. А. Ягодина М.: Колос. 2002
- Евтефеев Ю. В., Казанцев Г. М. Основы агрономии: учебное пособие. М.: ФОРУМ. 2013
- Минеев В. Г., Сычёв В. Г., Гамзиков Г. П. и др. Агрохимия. Учебник. / Под ред. Минеева В. Г. М.: Изд-во ВНИИА им. Д. Н. Прянишникова. 2017