20.1: Сільське господарство та хімічні речовини - добрива

Цілі навчання

• Визначте три основні макроелементи, вторинні макроелементи та мікроелементи, необхідні для росту рослин.
• Опишіть різні види комерційних добрив.

Добриво - це будь-який матеріал природного або синтетичного походження, який вноситься в грунт або в тканини рослин для постачання одного або декількох поживних речовин рослин, необхідних для росту рослин. Існує безліч джерел добрив, як природних, так і промислово вироблених. ^[1] Комерційні добрива, вносяться до сільськогосподарських культур для підвищення врожайності сільськогосподарських культур, використовуючи обладнання, аналогічне тому, що показано на рис\(\PageIndex{1}\). До 1950-х років більшість землеробства відбувалося на невеликих сімейних фермах з обмеженим використанням хімічних речовин. Відтоді перехід до більш великих корпоративних фермерських господарств збігся з використанням хімічних добрив у сучасній сільськогосподарській практиці. Три основні типи комерційних добрив, що використовуються в США, - це азот, фосфат та поташ.

Добрива підсилюють ріст рослин. Ця мета досягається двома способами, традиційним є добавки, що забезпечують поживні речовини. Другий режим, за допомогою якого діють деякі добрива, - це підвищення ефективності ґрунту шляхом зміни його затримки води та аерації. Ця стаття, як і багато про добрива, підкреслює поживний аспект. Добрива, як правило, забезпечують в різних пропорціях: ^[15]

• три основних макроелементи:
  • Азот (N): ріст листя
  • Фосфор (P): розвиток коренів, квітів, насіння, плодів;
  • Калій (К): Сильний ріст стебла, рух води в рослині, сприяння цвітінню і плодоношенню;
• три вторинних макроелементи: кальцій (Ca), магній (Mg) і сірка (S);
• мікроелементи: мідь (Cu), залізо (Fe), марганець (Mn), молібден (Mo), цинк (Zn), бор (B). Періодичне значення мають кремній (Si), кобальт (Co) і ванадій (V).

Поживні речовини, необхідні для здорового життя рослин, класифікуються відповідно до елементів, але елементи не використовуються як добрива. Натомість сполуки, що містять ці елементи, є основою добрив. Макронутрієнти споживаються у більшій кількості і присутні в рослинній тканині в кількості від 0,15% до 6,0% на основі сухої речовини (DM) (0% вологи). Рослини складаються з чотирьох основних елементів: водню, кисню, вуглецю та азоту. Вуглець, водень та кисень широко доступні у вигляді води та вуглекислого газу. Хоча азот становить більшу частину атмосфери, він знаходиться у формі, недоступній рослинам. Азот є найважливішим добривом, оскільки азот присутній у білках, ДНК та інших компонентах (наприклад, хлорофілі). Щоб бути поживним для рослин, азот повинен бути доступний у «фіксованій» формі. Лише деякі бактерії та їх рослини-господарі (особливо бобові) можуть фіксувати атмосферний азот (N ₂), перетворюючи його на аміак. Фосфат необхідний для виробництва ДНК і АТФ, основного енергоносія в клітині, а також деяких ліпідів. У таблиці\(\PageIndex{1}\) перераховані особливості різних рослинних необхідних поживних речовин.

Основні поживні речовини для рослин - Texas A & M Agri-Life Extension (основні поживні речовини для рослин)

https://agrilifeextension.tamu.edu/l...ts-for-plants/

Малюнок\(\PageIndex{1}\) A Lite-Trac Agri-Розкидач вапна та добрив на сільськогосподарській виставці. Джерело: Вікіпедія

\(\PageIndex{2}\)Малюнок Великий сучасний розкидач добрив (праворуч). Джерело: Вікіпедія

Азотні добрива

Азотні добрива виготовляються з аміаку (NH ₃), виробленого за технологією Haber-Bosch. У цьому енергоємному процесі природний газ (СН ₄) зазвичай постачає водень, а азот (N ₂) отримується з повітря. Цей аміак використовується як вихідна сировина для всіх інших азотних добрив, таких як безводна аміачна селітра (NH ₄ NO ₃) та сечовина (CO (NH ₂) ₂).

Родовища нітрату натрію (NaNO ₃) (чилійська селітра) також знайдені в пустелі Атакама в Чилі і були одним з оригінальних (1830) використовуваних добрив, багатих азотом. Його добувають як і раніше для добрива. Нітрати також виробляються з аміаку методом Оствальда. Детальна інформація про різних азотних добривах наведена в (табл.\(\PageIndex{2}\)).

Азотні добрива - USDA

Таблиця \(\PageIndex{2}\)USDA Керівництво по азотним добривам.

https://www.nrcs.usda.gov/Internet/F...4p2_068185.pdf

Фосфорні добрива

Фосфорні добрива отримують шляхом екстракції з фосфатної породи, яка містить два основних фосфорсодержащих мінералу, фтороапатит Ca ₅ (PO ₄) ₃ F (CFA) і гідроксиапатит Ca ₅ (PO ₄) ₃ OH. Ці мінерали перетворюються в водорозчинні фосфатні солі шляхом обробки сірчаною (H ₂ SO ₄) або фосфорними кислотами (H ₃ PO ₄). Велике виробництво сірчаної кислоти в першу чергу мотивоване цим додатком. У процесі нітрофосфату або Odda (винайдений в 1927 році) фосфатна порода з вмістом фосфору до 20% (P) розчиняється азотною кислотою (HNO ₃) для отримання суміші фосфорної кислоти (H ₃ PO ₄) і нітрату кальцію (Ca (NO ₃) ₂). Цю суміш можна поєднувати з калійним добривом для отримання складного добрива з трьома макроелементами N, P і K у легко розчиненому вигляді.

Калійні добрива

Поташ - це суміш калійних мінералів, яка використовується для внесення калійних (К) добрив. Поташ розчинний у воді, тому основні зусилля у виробництві цієї поживної речовини з руди включають деякі етапи очищення; наприклад, для видалення хлориду натрію (NaCl) (звичайної солі). Іноді поташ називають K ₂ O, як питання зручності тим, хто описує вміст калію. Насправді калійними добривами зазвичай є хлористий калій, сульфат калію, карбонат калію або нітрат калію. ^[29]

Інші важливі елементи

Кальцій, магній та сірка необхідні для росту рослин, але потрібні в менших кількостях, ніж азот, фосфор та калій, але у більшій кількості, ніж мікроелементи. Кальцій, магній та фосфор змінюють рН при додаванні в грунт. Кальцій і магній призводить до підвищення рівня рН, тоді як сірка робить навпаки.

Кальцій забезпечує структурну підтримку при вирощуванні рослин. Магній є центральним атомом, що міститься в молекулі хлорофілу і, таким чином, відіграє важливу роль у фотосинтезі. Сірка необхідна для розвитку хлорофілу і синтезу білка.

Мікроелементи споживаються в менших кількостях і присутні в рослинній тканині на порядку частин-мільйон (ppm), в межах від 0,15 до 400 ppm або менше 0,04% сухої речовини. ^{[16] [17]} Ці елементи часто присутні на активних ділянках ферментів, які здійснюють метаболізм рослини. Оскільки ці елементи дозволяють каталізатори (ферменти), їх вплив набагато перевищує їх ваговий відсоток. Основними мікроелементами є молібден, цинк, бор, мідь. Ці елементи забезпечуються у вигляді водорозчинних солей. Залізо представляє особливі проблеми, оскільки воно перетворюється на нерозчинні (біологічно недоступні) сполуки при помірних концентраціях рН ґрунту та фосфатів. З цієї причини залізо часто вводять як хелатний комплекс, наприклад, похідне ЕДТА. Потреби в мікроелементах залежать від рослини та навколишнього середовища. Наприклад, цукровий буряк, здається, вимагає бору, а бобові - кобальт, ^[1] тоді як умови навколишнього середовища, такі як спека або посуха, роблять бор менш доступним для рослин. ^[23]

Добрива в змішаному мішку

Багатоживильні добрива є звичайними. Вони складаються з двох і більше поживних компонентів.

Бінарні (НП, НК, ПК) добрива. Основні двокомпонентні добрива забезпечують рослини як азотом, так і фосфором. Вони називаються NP добривами. Основними добривами NP є моноамонійфосфат (MAP) і діаммонійфосфат (DAP). Діючою речовиною в МАП є NH ₄ H ₂ PO ₄. Діючою речовиною в DAP є (NH ₄) ₂ HPO ₄. Близько 85% добрив MAP і DAP розчинні у воді.

Добрива NPK - це трикомпонентні добрива, що забезпечують азот, фосфор та калій.

Рейтинг NPK - це рейтингова система, яка описує кількість азоту, фосфору та калію в добриві. Номінальні показники NPK складаються з трьох чисел, розділених тире (наприклад, 10-10-10 або 16-4-8), що описують хімічний вміст добрив. ^{[20] [21]} Перше число представляє відсоток азоту в продукті; друге число - P ₂ O ₅; третє, K ₂ O. Добрива фактично не містять P ₂ O ₅ або K ₂ O, але система є звичайною стенограма для кількості фосфору (P) або калію (K) у добриві. 50-фунтовий (23 кг) мішок добрива з маркуванням 16-4-8 містить 8 фунтів (3,6 кг) азоту (16% від 50 фунтів), кількість фосфору, еквівалентну кількості фосфору в _{2 фунтах P 2} O ₅ (4% від 50 фунтів) та 4 фунтів K ₂ O (8% від 50 фунтів). Більшість добрив маркуються відповідно до цієї конвенції N-P-K, хоча австралійська конвенція, слідуючи системі N-P-K-S, додає четверте число для сірки та використовує елементні значення для всіх значень, включаючи P і K ^[22]

Органічні добрива

«Органічні добрива» можна охарактеризувати як добрива з органічним - біологічним - походженням, тобто добривами, отриманими з живих або раніше живих матеріалів. Органічні добрива також можуть описувати комерційно доступні та часто упаковані продукти, які прагнуть слідувати очікуванням та обмеженням, прийнятим «органічним сільським господарством» та «екологічно чистим» садівництвом - пов'язаними системами харчового та рослинного виробництва, які суттєво обмежують або суворо уникають застосування синтетичних добрив і пестицидів. Продукти «органічних добрив» зазвичай містять як деякі органічні матеріали, так і прийнятні добавки, такі як поживні порошки гірських порід, мелені морські раковини (краб, устриця тощо), інші готові продукти, такі як насіннєве борошно або ламінарія, а також культивовані мікроорганізми та похідні.

Добрива органічного походження (перше визначення) включають відходи тваринного походження, рослинні відходи сільського господарства, компост, очищений мул стічних вод (біотверді речовини). Окрім навоїв, джерела тварин можуть включати продукти забою тварин - кров'яне борошно, кісткове борошно, пір'яне борошно, шкури, копита та роги - все це типові компоненти. ^[15] Органічно отримані матеріали, доступні для промисловості, такі як мул стічних вод, можуть бути неприйнятними компонентами органічного землеробства та садівництва через фактори, починаючи від залишкових забруднень і закінчуючи сприйняттям громадськості. З іншого боку, що продаються «органічні добрива» можуть включати та сприяти переробленій органіці, оскільки матеріали мають споживчу привабливість. Незалежно від визначення та складу, більшість цих продуктів містять менш концентровані поживні речовини, а поживні речовини не так легко кількісно оцінити. Вони можуть запропонувати переваги будівництва грунту, а також бути привабливими для тих, хто намагається ферму/сад більш «природно». ^[30]

За обсягом торф є найбільш широко використовуваною упакованою органічною поправкою грунту. Це незріла форма вугілля і покращує ґрунт шляхом аерації та поглинання води, але не надає рослинам поживної цінності. Тому це не добриво, як визначено на початку статті, а скоріше поправка. Койра (отримана з кокосового лушпиння), кора та тирса при додаванні в грунт діють аналогічно (але не однаково) з торфом, а також вважаються органічними поправками до ґрунту - або текстурізаторами - через їх обмежені поживні речовини. Деякі органічні добавки можуть мати зворотний вплив на поживні речовини - свіжі тирса можуть споживати поживні речовини ґрунту, коли він руйнується, і можуть знижувати рН ґрунту - але ці самі органічні текстуризатори (а також компост тощо) можуть збільшити доступність поживних речовин за рахунок покращеного катіонного обміну або через посилений ріст мікроорганізмів, які, в свою чергу, підвищують доступність певних поживних речовин рослин. Органічні добрива, такі як компости та гній, можуть поширюватися на місцевому рівні, не виходячи у промислове виробництво, що ускладнює кількісну оцінку фактичного споживання.

Вплив стоків добрив

Фосфорні та азотні добрива при загальному використанні мають серйозні наслідки для навколишнього середовища. Це пов'язано з великою кількістю опадів, що спричиняє вимивання добрив у водні шляхи. Сільськогосподарський стік є основним фактором евтрофікації прісних водойм. Наприклад, в США приблизно половина всіх озер є евтрофічними. Основним фактором евтрофікації є фосфат, який зазвичай є обмежуючою поживною речовиною; високі концентрації сприяють зростанню ціанобактерій і водоростей, при зниженні яких споживається кисень. Цвіте ціанобактерії («цвітіння водоростей») також можуть виробляти шкідливі токсини, які можуть накопичуватися в харчовому ланцюзі і можуть бути шкідливими для людини.

Багаті азотом сполуки, що містяться в стоці добрив, є основною причиною серйозного виснаження кисню в багатьох районах океанів, особливо в прибережних зонах, озерах та річках. Виникає в результаті нестача розчиненого кисню значно знижує здатність цих районів підтримувати океанічну фауну. Кількість океанічних мертвих зон поблизу населених берегових ліній зростає. Станом на 2006, застосування азотних добрив все більше контролюється в північно-західній Європі та США. Якщо евтрофікацію можна змінити, може знадобитися десятиліття ^{[потрібне цитування]}, перш ніж накопичені нітрати в підземних водах можуть бути розщеплені природними процесами.

Резюме

• Добриво - це будь-який матеріал (природного або синтетичного походження), який вноситься в грунт або в тканини рослин, що забезпечує одне або кілька поживних речовин рослин, необхідних для росту рослин.
• Азот, фосфор і калій є основними макроелементами, а кальцій, магній та сірка є вторинними макроелементами в добривах.
• Мідь (Cu), залізо (Fe), марганець (Mn), молібден (Mo), цинк (Zn), бор (B) є необхідними мікроелементами, які потрібні рослинам у відносно менших кількостях, ніж макроелементи.
• Фосфорні та азотні добрива при загальному використанні мають серйозні наслідки для навколишнього середовища. Це пов'язано з великою кількістю опадів, що спричиняє вимивання добрив у водні шляхи. Сільськогосподарський стік є основним фактором евтрофікації прісних водойм.

Дописувачі та атрибуція

• Wikipedia

  US Department of Agriculture (USDA)

  “Secondary Plant Nutrients: Calcium, Magnesium, and Sulfur.” Mississippi State University Extension Service, extension.msstate.edu/publications/secondary-plant-nutrients-calcium-magnesium-and-sulfur.

  “Essential Nutrients for Plants - How Do Nutrients Affect Plant Growth?” Texas A&M AgriLife Extension Service, 4 Mar. 2019, agrilifeextension.tamu.edu/library/gardening/essential-nutrients-for-plants/.

• Template:ContribAgnewM