Классификация и свойства минеральных и органических удобрений в агрохимии

Прямое и косвенное действие удобрений

Эффективность питания растений зависит от того, как удобрения взаимодействуют с почвенным комплексом. По характеру этого воздействия все средства делят на прямые и косвенные. Прямые удобрения поставляют элементы питания непосредственно растениям, а косвенные улучшают физико-химические свойства самой почвы. Однако такое разделение условно, поскольку практически любой препарат оказывает на почвенную среду двустороннее влияние.

Прямые минеральные и органические удобрения неизбежно меняют агрохимические показатели поля, и этот эффект может быть как положительным, так и отрицательным. В то же время косвенные удобрения часто работают и как прямые. Например, известь и гипс не только устраняют избыточную кислотность или щелочность, но и насыщают почву кальцием, который необходим для питания растений.

Классификация по происхождению и физическим свойствам

По способу производства удобрения делят на промышленные и местные. К промышленным относятся продукты химического синтеза и переработки агроруд, бактериальные препараты, а также выпускаемые заводами органические и органо-минеральные смеси. Местные удобрения заготавливают непосредственно в хозяйствах или вблизи них. К ним относят навоз, навозную жижу, птичий помет, фекалии, компосты, торф, золу, известковые туфы, прудовый или озерный ил, сидераты, а также отходы металлургической и гидролизной промышленности.

По составу и происхождению все удобрения разделяют на четыре ключевые группы. Они существенно отличаются по концентрации действующих веществ, скорости их усвоения и влиянию на почвенную структуру. Выбор конкретной группы зависит от агрохимических показателей поля и планируемой урожайности.

• Минеральные — промышленные продукты или ископаемые соли. На их долю приходится около 60 % в общем балансе вносимых в почву питательных веществ.
• Органические — свежие или биологически переработанные вещества растительного и животного происхождения.
• Органо-минеральные — химические или адсорбционные соединения органики с минеральными солями.
• Бактериальные — чистые культуры микроорганизмов, которые активизируют почвенные процессы.

Минеральные удобрения классифицируют по содержанию действующих веществ. В зависимости от объема потребления растениями элементы питания делят на макро-, мезо- и микроэлементы. Ниже приведена подробная классификация минеральных компонентов по этим группам.

Органо-минеральные удобрения получают путем обработки гуминосодержащего сырья аммиаком, фосфорной кислотой или смешиванием с сухими минеральными туками. Для их производства используют перегной (навоз-сыпец), торфяные компосты с навозной жижей и птичьим пометом, а также проветренный низинный торф. В качестве минерального компонента берут любые формы азотных, фосфорных и калийных туков, а также известковые материалы.

Физическая форма удобрений напрямую влияет на выбор техники для внесения и равномерность распределения по площади поля. По агрегатному составу минеральные удобрения производят твердыми, жидкими или суспендированными. По внутренней структуре они могут быть порошковидными, кристаллическими и гранулированными. Общее количество любого удобрения, вносимого под культуру за весь период ее выращивания, составляет норму удобрения.

Кислотность почвы и расчет действующего вещества

Минеральные удобрения напрямую влияют на кислотность почвы. По характеру этого воздействия их разделяют на физиологически кислые, щелочные и нейтральные. Физиологически кислые туки подкисляют почвенный раствор, так как растения активнее поглощают из них катионы, оставляя анионы. У щелочных удобрений, наоборот, быстрее усваиваются анионы, а накапливающиеся катионы связываются с гидроксильной группой и подщелачивают среду. Нейтральные удобрения не сдвигают уровень pH.

По концентрации элементов питания удобрения делят на четыре класса. Действующим веществом называют сам питательный элемент в пересчете на сухое вещество или оксид. В азотных удобрениях его считают по азоту (N), в фосфорных — по пятиоксиду фосфора (P₂O₅), в калийных — по оксиду калия (K₂O), в магниевых — по MgO, а в микроудобрениях — по соответствующему микроэлементу.

• Низкоконцентрированные — менее 25 % д. в.
• Концентрированные — от 25 до 60 % д. в.
• Высококонцентрированные — от 60 до 100 % д. в.
• Ультраконцентрированные — более 100 % д. в.

Для перевода показателей из оксидов и солей в чистые элементы и обратно используют специальные коэффициенты. Это необходимо для точного расчета дозировок при составлении баковых смесей и планов внесения питания. В таблице ниже приведены все коэффициенты пересчета.

Классификация комплексных удобрений и физические свойства туков

По составу минеральные удобрения делят на однокомпонентные (простые, односторонние) и комплексные (многосторонние). Простые удобрения содержат только один дефицитный элемент питания — например, азот, фосфор, калий или конкретный мезо- либо микроэлемент. В комплексных удобрениях объединены как минимум два ключевых элемента питания.

В маркировке комплексных туков содержание питательных элементов указывают цифрами через дефис (например, 17-17-17-2(B)). Первая цифра отражает процент азота (N), вторая — пятиоксида фосфора (P₂O₅), третья — оксида калия (K₂O), а отсутствующие компоненты обозначают нулем. Если в смеси есть микроэлементы, их указывают четвертым знаком. Действующие элементы сокращенно записывают как NPK для трехкомпонентных или NP, NK, PK для двухкомпонентных смесей, а соотношение их долей рассчитывают, принимая азот за единицу (для марки 17-17-17 соотношение составит 1:1:1).

По способу производства комплексные удобрения делят на четыре группы:

• Сложные — химические соединения, содержащие два или более дефицитных элементов, получаемые в едином технологическом цикле при химическом взаимодействии исходных компонентов.
• Комбинированные — удобрения, в каждой грануле которых находятся отдельные химические соединения элементов питания.
• Смешанные — механические смеси простых туков.
• Сложносмешанные — смеси, полученные добавлением односторонних удобрений к сложным.

В агрохимии важно различать понятия: «вид удобрения» определяет категорию по действующему веществу, а «форма» описывает его химический состав. При работе в поле нужно учитывать физико-химические и механические свойства туков. Качество внесения зависит от их гигроскопичности, слеживаемости, гранулометрического (фракционного) состава, среднего размера частиц, прочности гранул, угла естественного откоса (покоя), влагоемкости, истинной и насыпной плотности, однородности состава тукосмесей, расслаиваемости (сегрегации), рассеиваемости, солевого состава, кристаллической структуры, растворимости, давления паров и термодинамических характеристик.

Особое значение имеет гигроскопичность — способность удобрения поглощать влагу из воздуха. Ее оценивают по гигроскопической точке (h в %). Для водорастворимых солей этот показатель рассчитывают как отношение парциального давления паров воды над насыщенным раствором соли (P_a) к давлению паров воды в момент насыщения воздуха (P) при той же температуре, умноженное на 100: h = (P_a / P) × 100.

Гигроскопическая точка соответствует равновесной относительной влажности, т.е. относительной влажности при которой вещество не поглощает и не теряет влагу. При предельно допустимом содержании влаги удобрение должно иметь гигроскопическую точку не выше, чем среднегодовая относительная влажность воздуха.

Гигроскопичность оценивается по 10-балльной шкале. Сильной гигроскопичностью обладают кальциевая селитра (до 9,5 балла) и аммонийная селитра (9,3); средне- и слабогигроскопичны двойной гранулированный суперфосфат (4,7), мочевина (3,6), хлористый калий (3,2–4,4 балла). При высокой гигроскопичности удобрения слеживаются, гранулы становятся непрочными, ухудшается сыпучесть и рассеиваемость. Условия хранения, транспортировки удобрений, их упаковка зависят от их гигроскопичности. Без тары допускается перевозить и хранить только слабогигроскопичные удобрения – с баллом  3, сильногигроскопичные удобрения (7–10 баллов) хранят в полиэтиленовых мешках.

Слеживаемость – свойство удобрения терять сыпучесть и образовывать агломераты различной величины и прочности. Слеживаемость проявляется лишь после определенного периода хранения удобрений в статических условиях. Слеживаемость удобрений зависит от их влажности, гигроскопичности, гранулометрического состава, а также условий и продолжительности хранения. Слеживаемость определяется по сопротивлению к разрушению слежавшегося удобрения. Степень слеживаемости оценивается по семибалльной шкале (табл. 61; Кочетков В.Н., 1982).

Таблица 61 – Условная градация слеживаемости удобрений Сопротивление к разрушению Балл Степень слеживаемости агломератов, кПа

 I Слегка слеживается >98,1 II Слабо слеживается 98,1–196,2 III Несколько слеживается 196,3–392,4 IV Слеживается в средней степени 392,5–686,7 V Значительно слеживается 686,8–981,0 VI Сильно слеживается 981,1–1471,5 VII Очень сильно слеживается >1471,5

К сильнослеживающимся удобрениям относится мелкокристаллический хлористый калий – 6 баллов. Слеживаемость карбамида, сульфата аммония, аммонийной селитры (фракция 1–3 мм) оценивается соответственно 1–2, 2–3, 3–4 баллами. Практически не слеживаются сульфат калия и калимагнезия.

Слеживаемость водорастворимых минеральных удобрений может быть уменьшена в результате:

• гранулирования;
• снижения содержания влаги;
• повышения прочности гранул;
• охлаждения продукта перед складированием или затариванием;
• его кондиционирования;
• использования герметичной упаковки;
• создания необходимых условий хранения.

Сыпучесть (Сп) – свойство удобрений свободно истекать непрерывной струей под воздействием гравитационных сил.

Рассеиваемость – это способность удобрения поступать на дозирующие и разбрасывающие устройства машин для внесения и равномерно распределяться по поверхности почвы. Равномерность поступления удобрений на разбрасывающие устройства определяется их сыпучестью. Качество распределения удобрений современными машинами при поверхностном внесении зависит от фракционного состава туков. Рассеиваемость зависит от гранулометрического состава, сыпучести и прочности гранул. Оценивается по 12-балльной системе: чем лучше рассеиваемость, тем выше балл (табл. 62; Кочетков В.Н., 1982).

Таблица 62 – Шкала рассеиваемости удобрений в баллах

Равномерность распределения удобрений по поверхности почвы зависит от сыпучести удобрений и конструкции машин, вносящих удобрения.

Гранулометрический (фракционный) состав, или тонина помола (размер частиц), определяется механически – просеиванием удобрений через набор сит. От плотности крупных и мелких фракций зависят слеживаемость и рассеиваемость удобрений. При внесении удобрений, однородных по гранулометрическому составу, центробежными машинами они равномерно поступают на дозирующее устройство и распределяются по ширине захвата машины.

Средний размер частиц, близких по размеру, определяется по уравнению: D 1, где: D – средний диаметр частиц; D1 – диаметр отверстия сита, через которое проходит вся масса материала; D2 – диаметр отверстия сита, которое удерживает частицы.

Прочность гранул определяет сохранность гранулометрического состава удобрений при транспортировании, хранении и внесении их в почву. Она, прежде всего, зависит от влажности, размера, формы и плотности кристаллов, природы контактов срастания.

Прочность гранул характеризуется динамической прочностью Рд, прочностью на истирание Ри и статической прочностью Рс. Динамическая прочность гранул характеризует, в основном, их хрупкость. Ее оценивают числом разрушенных гранул после их сбрасывания с определенной высоты на твердую поверхность; прочность гранул на истирание – долей сохранившихся гранул при испытании. Статическая прочность гранул характеризуется средним пределом прочности при их одноосном сжатии. Статическая прочность гранул изменяется в пределах 0,5–8,0 МПа, она активно зависит от влажности, т. е. значительно более чувствительна (по сравнению с РД и РИ) к изменениям в физико-химической структуре гранул удобрений.

Угол естественного откоса (покоя) – угол, образованный между горизонтальной плоскостью и плоскостью откоса кучи сыпучего удобрения. Этот показатель учитывается при строительстве складов, где удобрения хранятся насыпью, проектировании бункеров, выборе транспортных средств. Угол естественного откоса является также показателем рассеиваемости удобрений.

Выщелачивание удобрений – выщелачивание водорастворимых компонентов из удобрений при их хранении под открытым небом. В лабораторных условиях выщелачивание применяется при необходимости экстрагирования из твердых удобрений элементов питания растений.

Влагоемкость удобрений – предельное количество влаги, которое удобрение способно удержать. Она соответствует максимальной влажности, позволяющей удобрению удовлетворительно рассеиваться туковыми сеялками. Сорбционная влагоемкость удобрений определяется максимальной массой влаги, поглощенной из воздуха при данной его влажности и температуре. "Буферная" влагоемкость определяет массу влаги, которую можно добавить к стандартному (по содержанию влаги) удобрению без ухудшения его способности рассеиваться.

Насыпная плотность – масса единицы объема сыпучего вещества, определяемая в т/м3. Она является функцией плотности вещества, размера частиц, фракционного состава, влажности и давления вышележащих слоев. Объем единицы массы (Y) – величина, обратная насыпной плотности:

Средняя масса (X) вещества определяется для бункеров и силосов с вертикальными стенками из следующего уравнения: ab

2, где: а – насыпная плотность свободно насыпанного продукта; b – насыпная плотность нижнего (сдавленного) слоя.

Насыпная плотность учитывается при проектировании складских помещений и бункеров.

Насыпную плотность, выщелачивание, угол естественного откоса, способность к расслаиванию (для смешанных удобрений) и вязкость необходимо учитывать для оценки состояния качества удобрений при их хранении. При организации хранения удобрений следует знать и такие их характеристики, как огне- и взрывоопасность, а также химические свойства – свободную кислотность, способность к ретроградации, выделению аммиака.

Кислотность – содержание свободной кислоты в удобрении, выраженное в процентах.

Щелочность – содержание свободного основания в удобрении, выраженное в процентах.

Растворимость удобрений – масса удобрения в килограммах, которая может быть растворена в 100 л воды при определенной температуре.

Ретроградация – понижение содержания водо- или цитратно- и лимоннорастворимых форм в удобрении при хранении или нейтрализации. Ретроградации в основном подвержены фосфорные удобрения. Ретроградация вызывается наличием в фосфорных удобрениях полуторных окислов, R2O3 (Fe2O3 + Al2O3), извести, а снижается при грануляции.

Дефлаграция (сигарообразное горение) удобрений – самораспространяющееся разложение удобрений. Удобрение считается подверженным дефлаграции, если небольшая реакционная зона в нем передвигается с определенной скоростью через всю разлагающуюся массу. Этот процесс протекает без пламени и не требует для реакции кислорода из воздуха. Разложение начинается в результате местного перегрева и сопровождается экзотермической реакцией с выделением газов и повышением температуры в зоне реакции до 250–500 °С. Выделяющееся при этом тепло путем конвекции, теплопроводности и излучения передается близлежащей еще не разложившейся части удобрения, в которой также происходит нагрев и инициирование процесса разложения. Чем выше температура, тем интенсивнее происходит процесс разложения.

Самоподдерживающееся экзотермическое разложение удобрений возможно при одновременном присутствии ионов NO3–, NH4+, и Cl–. При этом анион Cl– играет роль катализатора. Уже 0,05 % содержание анионов хлора в смеси приводит к потерям азота, которые достигают максимума при его концентрации – 0,5 %. Каталитическим действием обладают микроэлементы – Со, Сг, Сu. Введение меди в виде суспензии 0,01–0,5 % CuSO4∙5H2O в удобрения типа нитрофоски перед их гранулированием приводит к увеличению скорости дефлаграции с 6 до 24 см/ч. Аналогичная картина наблюдается и при опудривании гранул CuO, Сu2О 3)2. Одновременное добавление MgSO4·H2O (1,2 % Mg и 1,6 % S) и тетрабората натрия снижает способность сложного удобрения к самораспространяющемуся разложению. Кондиционирующие добавки увеличивают скорость горения удобрений. Температура горения у кондиционированного удобрения примерно 410оС, без кондиционирования 350–365 °С.

Снижение самопроизвольного разложения удобрений достигается введением нейтрализующих веществ – аммиака, гидратированной извести, цианамида, оксида кальция или магния, цементной пыли; изготовлением удобрений с большим содержанием фосфата аммония, т. к. его разложение происходит с поглощением тепла, что снижает суммарный тепловой эффект. По мере повышения влажности сложных удобрений тенденция к их разложению исчезает. Влажность от 5 до 15 % снижает или снимает способность удобрений к самоподдерживающемуся разложению. Присутствие иона SO42– в виде (NH4)2SO4 и K2SO4 оказывает стабилизирующее действие на нитрофосфаты, что объясняется образованием в этих удобрениях стабильных форм фосфатов.