Класифікація та властивості мінеральних і органічних добрив в агрохімії

Пряма та непряма дія добрив

Ефективність живлення рослин залежить від того, як добрива взаємодіють із ґрунтовим комплексом. За характером цього впливу всі засоби поділяють на прямі та непрямі. Прямі добрива постачають поживні речовини безпосередньо рослинам, а непрямі покращують фізико-хімічні властивості самого ґрунту. Однак такий поділ є умовним, оскільки практично будь-який препарат чинить на ґрунтове середовище двосторонній вплив.

Прямі мінеральні та органічні добрива неминуче змінюють агрохімічні показники поля, і цей ефект може бути як позитивним, так і від’ємним. Водночас непрямі добрива часто працюють і як прямі. Наприклад, вапно та гіпс не тільки усувають надмірну кислотність або лужність, а й насичують ґрунт кальцієм, який необхідний для живлення рослин.

Класифікація за походженням та фізичними властивостями

За способом виробництва добрива поділяють на промислові та місцеві. До промислових належать продукти хімічного синтезу та переробки агроруд, бактеріальні препарати, а також органічні та органо-мінеральні суміші, що випускаються заводами. Місцеві добрива заготовляють безпосередньо в господарствах або поблизу них. До них відносять гній, гноївку, пташиний послід, фекалії, компости, торф, золу, вапнякові туфи, ставковий або озерний мул, сидерати, а також відходи металургійної та гідролізної промисловості.

За складом та походженням усі добрива поділяють на чотири ключові групи. Вони суттєво відрізняються за концентрацією діючих речовин, швидкістю їх засвоєння та впливом на ґрунтову структуру. Вибір конкретної групи залежить від агрохімічних показників поля та запланованої урожайності.

• Мінеральні — промислові продукти або викопні солі. На їхню частку припадає близько 60 % у загальному балансі поживних речовин, що вносяться в ґрунт.
• Органічні — свіжі або біологічно перероблені речовини рослинного та тваринного походження.
• Органо-мінеральні — хімічні або адсорбційні сполуки органіки з мінеральними солями.
• Бактеріальні — чисті культури мікроорганізмів, які активізують ґрунтові процеси.

Мінеральні добрива класифікують за вмістом діючих речовин. Залежно від обсягу споживання рослинами поживні речовини поділяють на макро-, мезо- та мікроелементи. Нижче наведено детальну класифікацію мінеральних компонентів за цими групами.

Органо-мінеральні добрива отримують шляхом обробки гумусовмісної сировини аміаком, фосфорною кислотою або змішуванням із сухими мінеральними туками. Для їхнього виробництва використовують перегній (гній-сипець), торф’яні компости з гноївкою та пташиним послідом, а також провітрений низинний торф. Як мінеральний компонент беруть будь-які форми азотних, фосфорних та калійних туків, а також вапнякові матеріали.

Фізична форма добрив безпосередньо впливає на вибір техніки для внесення та рівномірність розподілу по площі поля. За агрегатним складом мінеральні добрива виробляють твердими, рідкими або суспендованими. За внутрішньою структурою вони можуть бути порошкоподібними, кристалічними та гранульованими. Загальна кількість будь-якого добрива, що вноситься під культуру за весь період її вирощування, становить норму добрива.

Кислотність ґрунту та розрахунок діючої речовини

Мінеральні добрива безпосередньо впливають на кислотність ґрунту. За характером цього впливу їх поділяють на фізіологічно кислі, лужні та нейтральні. Фізіологічно кислі туки підкислюють ґрунтовий розчин, оскільки рослини активніше поглинають із них катіони, залишаючи аніони. У лужних добрив, навпаки, швидше засвоюються аніони, а катіони, що накопичуються, зв’язуються з гідроксильною групою і підлужнюють середовище. Нейтральні добрива не зміщують рівень pH.

За концентрацією поживних речовин добрива поділяють на чотири класи. Діючою речовиною називають сам поживний елемент у перерахунку на суху речовину або оксид. В азотних добривах його рахують за азотом (N), у фосфорних — за п’ятиоксидом фосфору (P₂O₅), у калійних — за оксидом калію (K₂O), у магнієвих — за MgO, а в мікродобривах — за відповідним мікроелементом.

• Низькоконцентровані — менше 25 % д. р.
• Концентровані — від 25 до 60 % д. р.
• Висококонцентровані — від 60 до 100 % д. р.
• Ультраконцентровані — понад 100 % д. р.

Для переведення показників з оксидів і солей у чисті елементи та навпаки використовують спеціальні коефіцієнти. Це необхідно для точного розрахунку дозувань при складанні бакових сумішей і планів внесення живлення. У таблиці нижче наведено всі коефіцієнти перерахунку.

Класифікація комплексних добрив і фізичні властивості туків

За складом мінеральні добрива ділять на однокомпонентні (прості, однобічні) та комплексні (багатобічні). Прості добрива містять лише один дефіцитний елемент живлення — наприклад, азот, фосфор, калій або конкретний мезо- чи мікроелемент. У комплексних добривах об'єднано як мінімум два ключові елементи живлення.

У маркуванні комплексних туків вміст поживних елементів вказують цифрами через дефіс (наприклад, 17-17-17-2(B)). Перша цифра відображає відсоток азоту (N), друга — п'ятиоксиду фосфору (P₂O₅), третя — оксиду калію (K₂O), а відсутні компоненти позначають нулем. Якщо в суміші є мікроелементи, їх вказують четвертим знаком. Діючі елементи скорочено записують як NPK для трикомпонентних або NP, NK, PK для двокомпонентних сумішей, а співвідношення їхніх часток розраховують, приймаючи азот за одиницю (для марки 17-17-17 співвідношення становитиме 1:1:1).

За способом виробництва комплексні добрива ділять на чотири групи:

• Складні — хімічні сполуки, що містять два або більше дефіцитних елементів, які отримують у єдиному технологічному циклі при хімічній взаємодії вихідних компонентів.
• Комбіновані — добрива, у кожній гранулі яких знаходяться окремі хімічні сполуки елементів живлення.
• Змішані — механічні суміші простих туків.
• Складнозмішані — суміші, отримані додаванням однобічних добрив до складних.

В агрохімії важливо розрізняти поняття: «вид добрива» визначає категорію за діючою речовиною, а «форма» описує його хімічний склад. При роботі в полі потрібно враховувати фізико-хімічні та механічні властивості туків. Якість внесення залежить від їхньої гігроскопічності, злежуваності, гранулометричного (фракційного) складу, середнього розміру часток, міцності гранул, кута природного укосу (спокою), вологоємності, істинної та насипної щільності, однорідності складу тукосумішей, розшаровуваності (сегрегації), розсіюваності, сольового складу, кристалічної структури, розчинності, тиску пари та термодинамічних характеристик.

Особливе значення має гігроскопічність — здатність добрива поглинати вологу з повітря. Її оцінюють за гігроскопічною точкою (h у %). Для водорозчинних солей цей показник розраховують як відношення парціального тиску пари води над насиченим розчином солі (P_a) до тиску пари води в момент насичення повітря (P) при тій самій температурі, помножене на 100: h = (P_a / P) × 100.

Гігроскопічна точка відповідає рівноважній відносній вологості, тобто відносній вологості, при якій речовина не поглинає і не втрачає вологу. При гранично допустимому вмісті вологи добриво повинно мати гігроскопічну точку не вище, ніж середньорічна відносна вологість повітря.

Гігроскопічність оцінюється за 10-бальною шкалою. Сильною гігроскопічністю володіють кальцієва селітра (до 9,5 бала) та амонійна селітра (9,3); середньо- та слабогігроскопічні подвійний гранульований суперфосфат (4,7), сечовина (3,6), хлористий калій (3,2–4,4 бала). При високій гігроскопічності добрива злежуються, гранули стають неміцними, погіршується сипкість та розсіюваність. Умови зберігання, транспортування добрив, їх пакування залежать від їхньої гігроскопічності. Без тари допускається перевозити та зберігати тільки слабогігроскопічні добрива – з балом  3, сильногігроскопічні добрива (7–10 балів) зберігають у поліетиленових мішках.

Злежуваність – властивість добрива втрачати сипкість і утворювати агломерати різної величини та міцності. Злежуваність проявляється лише після певного періоду зберігання добрив у статичних умовах. Злежуваність добрив залежить від їхньої вологості, гігроскопічності, гранулометричного складу, а також умов і тривалості зберігання. Злежуваність визначається за опором до руйнування злежалого добрива. Ступінь злежуваності оцінюється за семибальною шкалою (табл. 61; Кочетков В.Н., 1982).

Таблиця 61 – Умовна градація злежуваності добрив Опір до руйнування Бал Ступінь злежуваності агломератів, кПа

 I Легко злежується >98,1 II Слабо злежується 98,1–196,2 III Дещо злежується 196,3–392,4 IV Злежується в середньому ступені 392,5–686,7 V Значно злежується 686,8–981,0 VI Сильно злежується 981,1–1471,5 VII Дуже сильно злежується >1471,5

До сильнозлежуваних добрив належить дрінокристалічний хлористий калій – 6 балів. Злежуваність карбаміду, сульфату амонію, амонійної селітри (фракція 1–3 мм) оцінюється відповідно 1–2, 2–3, 3–4 балами. Практично не злежуються сульфат калію та калімагнезія.

Злежуваність водорозчинних мінеральних добрив може бути зменшена в результаті:

• гранулювання;
• зниження вмісту вологи;
• підвищення міцності гранул;
• охолодження продукту перед складуванням або таруванням;
• його кондиціювання;
• використання герметичного пакування;
• створення необхідних умов зберігання.

Сипкість (Сп) – властивість добрив вільно витікати безперервним струменем під впливом гравітаційних сил.

Розсіюваність – це здатність добрива надходити на дозувальні та розкидальні пристрої машин для внесення і рівномірно розподілятися по поверхні ґрунту. Рівномірність надходження добрив на розкидальні пристрої визначається їхньою сипкістю. Якість розподілу добрив сучасними машинами при поверхневому внесенні залежить від фракційного складу туків. Розсіюваність залежить від гранулометричного складу, сипкості та міцності гранул. Оцінюється за 12-бальною системою: чим краща розсіюваність, тим вищий бал (табл. 62; Кочетков В.Н., 1982).

Таблиця 62 – Шкала розсіюваності добрив у балах

Рівномірність розподілу добрив по поверхні ґрунту залежить від сипкості добрив та конструкції машин, що вносять добрива.

Гранулометричний (фракційний) склад, або тоніна помелу (розмір частинок), визначається механічно – просіюванням добрив через набір сит. Від щільності великих і дрібних фракцій залежать злежуваність і розсіюваність добрив. При внесенні добрив, однорідних за гранулометричним складом, відцентровими машинами вони рівномірно надходять на дозувальний пристрій і розподіляються по ширині захвату машини.

Середній розмір частинок, близьких за розміром, визначається за рівнянням: D 1, де: D – середній діаметр частинок; D1 – діаметр отвору сита, крізь яке проходить уся маса матеріалу; D2 – діаметр отвору сита, яке утримує частинки.

Міцність гранул визначає збереження гранулометричного складу добрив при транспортуванні, зберіганні та внесенні їх у ґрунт. Вона, насамперед, залежить від вологості, розміру, форми та щільності кристалів, природи контактів зростання.

Міцність гранул характеризується динамічною міцністю Рд, міцністю на стирання Рі та статичною міцністю Рс. Динамічна міцність гранул характеризує, в основному, їхню крихкість. Її оцінюють числом зруйнованих гранул після їх скидання з певної висоти на тверду поверхню; міцність гранул на стирання – часткою збережених гранул при випробуванні. Статична міцність гранул характеризується середньою межею міцності при їх одноосьовому стисканні. Статична міцність гранул змінюється в межах 0,5–8,0 МПа, вона активно залежить від вологості, тобто значно чутливіша (порівняно з РД і РІ) до змін у фізико-хімічній структурі гранул добрив.

Кут природного укосу (спокою) – кут, утворений між горизонтальною площиною та площиною укосу купи сипкого добрива. Цей показник враховується при будівництві складів, де добрива зберігаються насипом, проєктуванні бункерів, виборі транспортних засобів. Кут природного укосу є також показником розсіюваності добрив.

Вимивання добрив – вимивання водорозчинних компонентів із добрив при їх зберіганні просто неба. У лабораторних умовах вимивання застосовується при необхідності екстрагування з твердих добрив поживних речовин рослин.

Вологоємність добрив – гранична кількість вологи, яку добриво здатне утримати. Вона відповідає максимальній вологості, що дозволяє добриву задовільно розсіюватися туковими сівалками. Сорбційна вологоємність добрив визначається максимальною масою вологи, поглинутої з повітря при даній його вологості та температурі. "Буферна" вологоємність визначає масу вологи, яку можна додати до стандартного (за вмістом вологи) добрива без погіршення його здатності розсіюватися.

Насипна щільність – маса одиниці об'єму сипучої речовини, що визначається в т/м3. Вона є функцією щільності речовини, розміру часток, фракційного складу, вологості та тиску вищерозташованих шарів. Об'єм одиниці маси (Y) – величина, обернена до насипної щільності:

Середня маса (X) речовини визначається для бункерів і силосів з вертикальними стінками з наступного рівняння: ab

2, де: а – насипна щільність вільно насипаного продукту; b – насипна щільність нижнього (здавленого) шару.

Насипна щільність враховується при проєктуванні складських приміщень і бункерів.

Насипну щільність, вилуговування, кут природного укосу, здатність до розшарування (для змішаних добрив) і в'язкість необхідно враховувати для оцінки стану якості добрив при їх зберіганні. При організації зберігання добрив слід знати й такі їхні характеристики, як вогне- та вибухонебезпечність, а також хімічні властивості – вільну кислотність, здатність до ретроградації, виділення аміаку.

Кислотність – вміст вільної кислоти в добриві, виражений у відсотках.

Лужність – вміст вільної основи в добриві, виражений у відсотках.

Розчинність добрив – маса добрива в кілограмах, яка може бути розчинена в 100 л води при певній температурі.

Ретроградація – зниження вмісту водо- або цитратно- і лимоннорозчинних форм у добриві при зберіганні або нейтралізації. Ретроградації в основному піддаються фосфорні добрива. Ретроградація викликається наявністю у фосфорних добривах полуторних оксидів, R2O3 (Fe2O3 + Al2O3), вапна, а знижується при грануляції.

Дефлаграція (сигароподібне горіння) добрив – самопоширюване розкладання добрив. Добриво вважається таким, що піддається дефлаграції, якщо невелика реакційна зона в ньому пересувається з певною швидкістю через усю масу, що розкладається. Цей процес відбувається без полум'я і не потребує для реакції кисню з повітря. Розкладання починається в результаті місцевого перегріву і супроводжується екзотермічною реакцією з виділенням газів і підвищенням температури в зоні реакції до 250–500 °С. Тепло, що при цьому виділяється, шляхом конвекції, теплопровідності та випромінювання передається прилеглій ще не розкладеній частині добрива, в якій також відбувається нагрівання й ініціювання процесу розкладання. Чим вища температура, тим інтенсивніше відбувається процес розкладання.

Самопідтримуване екзотермічне розкладання добрив можливе за одночасної присутності іонів NO3–, NH4+, та Cl–. При цьому аніон Cl– відіграє роль каталізатора. Вже 0,05 % вміст аніонів хлору в суміші призводить до втрат азоту, які досягають максимуму при його концентрації – 0,5 %. Каталітичну дію мають мікроелементи – Со, Сг, Сu. Введення міді у вигляді суспензії 0,01–0,5 % CuSO4∙5H2O у добрива типу нітрофоски перед їх гранулюванням призводить до збільшення швидкості дефлаграції з 6 до 24 см/год. Аналогічна картина спостерігається і при опудрюванні гранул CuO, Сu2О 3)2. Одночасне додавання MgSO4·H2O (1,2 % Mg і 1,6 % S) і тетраборату натрію знижує здатність складного добрива до самопоширюваного розкладання. Кондиціонуючі добавки збільшують швидкість горіння добрив. Температура горіння у кондиційованого добрива приблизно 410оС, без кондиціонування 350–365 °С.

Зниження мимовільного розкладання добрив досягається введенням нейтралізуючих речовин – аміаку, гідратованого вапна, ціаніаміду, оксиду кальцію або магнію, цементного пилу; виготовленням добрив з великим вмістом фосфату амонію, оскільки його розкладання відбувається з поглинанням тепла, що знижує сумарний тепловий ефект. По мірі підвищення вологості складних добрив тенденція до їх розкладання зникає. Вологість від 5 до 15 % знижує або знімає здатність добрив до самопідтримуваного розкладання. Присутність іона SO42– у вигляді (NH4)2SO4 і K2SO4 справляє стабілізуючу дію на нітрофосфати, що пояснюється утворенням у цих добривах стабільних форм фосфатів.