Насущной проблемой традиционных удобрений под культурные растения является их низкая эффективность вследствие значительных потерь (50-70%) из почвы питательных веществ, разрушения структуры почвы, ухудшения экологического состояния водоемов и грунтовых вод. Примерами таких рисков выступают случаи загрязнения подземных вод нитратами или эвтрофикация поверхностных вод, вызванная избытком соединений азота и фосфора. В итоге растения приходится подкармливать несколько раз в течение вегетационного сезона, что приводит к потере времени и средств. Иногда, сразу после внесения большинства традиционных удобрений, почва перенасыщается солями, а в случае засушливой погоды это вызывает у растений стресс.
Проблема решается с помощью использования удобрений нового класса с замедленным высвобождением питательных элементов (пролонгированного действия), из которых элементы питания поступают в почву в соответствии со скоростью усвоения их растениями на протяжении всей вегетации. К удобрению данного типа применяется эпитет «интеллектуальное», отражающее специфику его растворения и воздействия на почву и растения.
Преимущества
Значение медленнодействующих удобрений для инновационной технологии природопользования с точки зрения экономической эффективности подчеркивается следующими основными моментами:
- улучшением экологической обстановки;
- увеличением эффективности использования удобрений за счет снижения потерь и экономии материально-технических ресурсов;
- улучшением условий труда при транспортировке и внесении удобрений.
При оценке стоимости использования средств химизации, необходимо учитывать не только прямые и косвенные затраты, но и отрицательные последствия их применения, к которым относятся:
- загрязнение продукции растениеводства остатками удобрений;
- снижение ее биологической полноценности и потребительских свойств;
- загрязнение окружающей среды;
- снижение плодородия почв.
Расчеты, проведенные с учетом известных среднестатистических норм, частоты внесения, цен, коэффициентов вымываемости и ресурсозатрат, показали, что стоимость применения медленнодействующих удобрений в 2 раза ниже стоимости применения традиционных.
Наиболее эффективные виды медленнодействующих удобрений (преимущественно стекловидные, типа AVA) при однократном внесении могут обеспечивать эффект на протяжении 2,5-3-х лет без потери активности, оказывая действие в малых и сверхмалых дозах. Удобрения данного класса имеют определенную температурную зависимость растворения: процесс начинается при температуре выше +8°C, что соответствует началу активного роста растений и периоду потребления элементов питания из почвы. Растворение прекращается при снижении температуры ниже указанной в соответствии с физиологическими потребностями растений.
Важным преимуществом данных комплексных удобрений является сбалансированность по основным элементам питания и наличие микроэлементов. Большое число микроэлементов в стекловидных удобрениях благотворно влияет на растительную продукцию, обеспечивая сбалансированное питание человека и его здоровье. Данные удобрения можно вносить до начала холодных и увлажненных сезонов с сохранением внесенного удобрения в почве к моменту начала вегетации (+4-8°C).
Медленнодействующие удобрения устойчивы к вымыванию с полей, расположенных на любой местности с пересеченным рельефом, на грунтах с высокой степенью проницаемости воды и высокой сезонной влажностью. Отсутствие гигроскопичности позволяет обойти традиционные сложности с хранением и транспортировкой. Технология производства позволяет выпускать медленнодействующие удобрения разного типа для различных видов растений, обеспечивая широкий спектр применения.
Капсулированные удобрения
Мочевина с серой (рис. 1). Сера используется для покрытия гранул мочевины в связи с ее способностью плавиться при относительно низких температурах, низкой стоимостью и восприимчивостью к разрушению в результате микробиологической деятельности.
Скорость высвобождения азота из мочевины с серой зависит от размера гранул, толщины и качества покрытия. Отдельные серные оболочки имеют механические дефекты в виде трещин или отверстий. В типичном удобрении мочевины с серой присутствует 3 типа гранул:
- с поврежденной оболочкой в виде трещин;
- с оболочкой, где трещины залиты воском;
- с неповрежденными, плотными оболочками.
На разложение в почве мочевины с серой оказывает влияние температура, содержание воды и активность почвенных микроорганизмов. Из поврежденной гранулы (с трещинами) азот высвобождается сразу после попадания в почву и контакта с водой. Восковая оболочка второго типа гранул подвергается разложению почвенными микроорганизмами, открывая трещины, через которые проникает вода. Процесс высвобождения азота из неповрежденных гранул с плотной оболочкой продолжается дольше всего. Соотношением всех трех типов гранул в удобрении регулируется необходимый объем высвобождения азота.
Удобрения, покрытые серой и органическими полимерами. В связи с ростом требований потребителей возникла необходимость в создании удобрений с еще более точным механизмом высвобождения питательных элементов. Это привело к разработке новых методов инкапсуляции, в которых для покрытия гранул были использованы различные органические соединения. Среди них наиболее важными являются полиэтилен и полипропилен, а также алкидные и полиуретановые смолы. Для покрытия гранул также используют воск, парафин, латекс, масло, акриламид и полистирол.
С целью улучшения свойств мочевины, покрытой серой, разработано дополнительное покрытие ее тонким слоем из органических полимеров — полиолефинов или смолы. В таком виде мочевина обладает гораздо лучшими свойствами, а внешний тонкий слой полимера позволяет точнее регулировать высвобождение азота.
Контроль над высвобождением питательных веществ из удобрений достигается за счет подбора разного состава и толщины покрытий. Для этого гранулы покрывают даже несколькими различными слоями одинаковых или разных веществ, причем в полимерное покрытие могут добавляться особые вещества, изменяющие их действие (рис. 2).
Большинство органических полимеров, используемых для инкапсуляции гранулы, очень плотно прилегают к неорганическому центру (ядру) гранулы. Это делает гранулу устойчивой к стиранию. В отличие от мочевины с серой, высвобождение компонентов из полимерных гранул гораздо меньше зависит от таких свойств почвы, как рН, структура и микробиологическая активность, а больше — от температуры и водопроницаемости нанесенного покрытия. Это позволяет более точно высвобождать компоненты в конкретный момент времени. Новые, инкапсулированные полимерами удобрения содержат обычно мочевину или многокомпонентные смеси NPK с добавлением микроэлементов.
Также проводились исследования с удобрениями, которые представляют собой сочетание традиционных медленнодействующих продуктов типа мочевино-формальдегидных удобрений (МФУ) и капсулированных удобрений. В ядро инкапсулированных гранул были помещены продукты конденсации мочевины с альдегидами или другие вещества медленно действующего удобрения.
Механизм высвобождения компонентов из удобрений, инкапсулированных полимерами
Время от попадания гранул в почву до полного освобождения питательных веществ из них иногда называют «жизненным циклом» удобрения (рис. 3). Высвобождение компонентов из капсулированных гранул происходит постепенно и состоит из трех этапов: предварительное высвобождение, собственно растворение и конец высвобождения. На первом этапе вода проникает через капсулу и растворяет содержимое гранулы. Давление внутри гранул постепенно увеличивается при одновременном повышении концентрации раствора. С этого момента начинается второй этап высвобождения, который может проходить по двум различным схемам:
- Постепенное высвобождение — оболочка выдерживает внутреннее давление, а после насыщения раствора питательные вещества выходят из гранулы устойчивыми темпами благодаря явлению диффузии. Высвобождение путем диффузии происходит в удобрениях, капсулированных полимерами, такими как полиуретаны, алкаидные смолы, полиолефин.
- Высвобождение скачкообразное — оболочка разрывается под действием внутреннего давления и все содержимое гранулы сразу оказывается в почве (рис. 4). Разрыв гранул характерен для хрупких, неэластичных оболочек.
Последний третий этап «жизни гранулы» — это более медленное высвобождение за счет снижения концентрации внутри гранулы, пока все питательные вещества не перейдут в почву.
Описанный механизм попадания удобрения в почву относится к поведению отдельной гранулы. Тем не менее, вся партия удобрения, как правило, неоднородна по свойствам гранул. Различия в толщине и качестве оболочек отдельных гранул позволяют высвобождать питательные вещества на протяжении определенного времени.
Конечно, механизм через диффузию дает больше возможностей контроля темпов высвобождения питательных веществ из удобрения. Сегодня проводится много исследований по контролю темпов выделения питательных веществ из медленнодействующих удобрений. Для этого используются математические модели, позволяющие предсказать динамику высвобождения питательных веществ в зависимости от состояния почвы и погодных условий. Помимо этого, проводятся исследования по нанесению покрытий из биоразлагаемых — экологически безопасных материалов.
В отличие от традиционных удобрений, которые растворяются сразу после поступления в почву, кривая поступления питательных веществ из медленнодействующих удобрений приближается к кривой потребностей растений (рис. 5).
Важным вопросом также является разработка достоверных тестов по определению скорости высвобождения компонентов из медленнодействующих удобрений. Промышленные лаборатории пытаются разработать тест, который можно использовать в качестве стандарта. К сожалению, во многих случаях эти усилия сосредоточены на тестах, которые служат преимущественно интересам производителей.
Статья подготовлена на основе аналитического обзора, выполненного польскими специалистами Института агрохимии и почвоведения (IUNG-PIB), а также информационных материалов европейских компаний-производителей медленнодействующих удобрений.
Перевод с польского и английского Анны Кислековой.
Подготовлено по материалам, опубликованным в журнале «Наше сельское хозяйство»(2013 г., №9).