«Неквапливі» азотні добрива: менші втрати, більший зиск

21 декабря 2019 г.
Статьи Агротехнологии «Неквапливі» азотні добрива: менші втрати, більший зиск
добрива

Добрива бувають ефективні та не дуже. Це залежить від хімічного складу, якості виробництва, технології застосування. Але існують добрива ефективні та «добрива з підвищеною ефективністю» (EEF). Завдяки асоціації контролю мінеральних добрив (AAPFCO) у США з’явився цікавий термін: «добрива з підвищеною ефективністю» (EEF). Що це таке? Американська асоціація контролю мінеральних добрив (AAPFCO відносить до цієї категорії добрива, які забезпечують максимальну ефективність з мінімальними втратами. Тобто майже повністю засвоюються рослинами та не забруднюють навколишнє середовище.

На жаль, поєднати «два в одному» дуже складно. Чому? Тому що компроміс між мобільністю та стабільністю – це компроміс між взаємовиключними властивостями. Майже як назва кінострічки «Швидкий та мертвий» («The Quick and the Dead»).

Рослини засвоюють мінеральні добрива в розчиненому вигляді. Ефективність засвоєння добрив залежить від того, як швидко вони можуть перейти у ґрунтовий розчин. Та якої кількості вологи буде досить для іх повного розчинення. Саме тому для більшості добрив «висока розчинність» та «висока ефективність» є майже синонімами.

Якщо вміст вологи у ґрунті є оптимальним, а надходження води (опади, зрошення) відбувається регулярно та у помірній кількості, добрива з високою розчинністю «працюють» без проблем. Волога розчиняє гранули, рослина «смокче» розмочене добриво та росте. Якби на цю тему знімали кінострічку в Індії, ії мабуть завершили б традиційним «всі танцюють».

Але кількість (та швидкість) надходження вологи може перевищувати оптимальні показники. Наприклад, внаслідок зливи. Що тоді відбувається?

1. Сечовина (карбамід) є одним з найпоширеніших видів мінеральних добрив. Але, на жаль, значна частина діючої речовини сечовини втрачається під впливом ґрунтової мікрофлори. На кожному етапі перетворень сечовина щось втрачає : частку азоту у вигляді аміаку, частку азоту з втраченими («змитими») нітратами, частку – у вигляді молекулярного азоту при денітріфікаціі у ґрунті.

Волога починає рухатися, просочується за межи шару, де знаходиться коріння. А по дорозі захоплює з собою розчинені мінеральні добрива. Крім вертикальної міграції, існує також горизонтальний рух з потоками води — поверхневий стік. При цьому добриво взагалі залишає межі поля. Від промивання та поверхневого стоку найбільші втрати зазвичай у нітратних добрив: це їх «розплата» за високу розчинність.

Якщо добриво погано розчиняється у воді, воно не «втече». Але рослинам користі від нього буде небагато. Винятком є амонійні і амідні добрива. Ці форми азоту трансформуються ґрунтовою мікрофлорою в нітрати. До того ж, рослини чудово можуть засвоювати амонійний азот без будь-яких перетворень.

Досвідчені аграрії використовують «швидкий» нітратний азот переважно для дрібного внесення. Підживлення проводять невеликими нормами, що зменшує ризик втрат під час «потопу».

Дещо «повільніший» амонійний азот вносять за принципом «зробив та забув». Тобто 1-2 рази за сезон. Одного внесення інколи вистачає для забезпечення рослин азотом від сходів до досягнення повної стиглості. Так само можна вносити карбамід (сечовину) – амідну форму азоту.

2. Скоротити втрати можливо, якщо тимчасово ізолювати карбамід від контакту з вологою та повітрям. Наприклад, можна «натягнути» на гранулу щільну водонепроникну оболонку. Також можна на деякий час «вимкнути» біологічну трансформацію сечовини за допомогою інгібіторів та стабілізаторів.

На жаль, амонійний чи амідний азот також можуть «загубитися». Гранули випаровують аміак, а після нітрифікації (перетворення в нітратну форму) діюча речовина може бути «вкрадена» потоком вологи. Тому безводний аміак, сульфат амонію та карбамід не відповідають критеріям «добрива з підвищеною ефективністю». Іх поведінка залежить від багатьох неконтрольованих (та непередбачених) факторів: температури, вологості, кількості опадів, мікробіологічної активності ґрунту.

Добриво з «підвищеною ефективністю» має добре розчинятися у воді. Повністю, але не відразу. Як це можна зробити?

По-перше, тимчасово «законсервувати» початкову форму добрива, яка не розчиняється (чи погано розчиняється) у воді та міцно «чіпляється» за ґрунт. До того часу, поки рослина не потребує поживних речовин. Можна, наприклад, зупинити процес трансформації амідного та амонійного азоту ґрунтовою мікрофлорою. Якщо тимчасово «заблокувати» небажану дію ферменту уреази, можна суттєво скоротити газоподібні втрати амонійного азоту з карбаміду.

3. Поверхню гранул сечовини можна захистити шаром сірки. Для цього на гранули карбаміду розпилюють розплавлену до рідкого стану сірку. Існують різні технології нанесення сірчаної оболонки, але вони використовують загальний принцип

Для цього існують спеціальні хімічні препарати — інгібітори уреази, які можна нанести на гранули карбаміду. Також можна зупинити процес небажаної нітрифікації амонійного азоту. Внесення у ґрунт інгібіторів нітрифікації не дозволяє аміаку та його солям перетворитися в нітрати і «втекти» після дощу за межі кореневого шару.

По-друге, можна створити водонепроникну фізичну перешкоду між вологою та діючою речовиною добрива. Наприклад, «упакувати» кожну гранулу у суцільну оболонку. Під дією вологи, або в результаті активності ґрунтових мікроорганізмів через певний час водонепроникна оболонка «лусне», та карбамід у вигляді розчину буде доступним для споживання кореневою системою рослин.

Якщо оболонка напівпроникна, то вона зберігає цілісність і діє як «дозатор», випускаючи з гранули невеликі порції розчиненого азотного добрива на протязі тривалого періоду.

Класифікація «добрив з підвищеною ефективністю» включає три класи добрив і допоміжних речовин:

  1. Добрива, які оброблені інгібіторами та/або стабілізаторами, що блокують або уповільнюють мікробіологічну трансформацію амідної та амонійної форм азоту у ґрунті.
  2. Добрива з повільним вивільненням діючої речовини. Це відносно стабільні у ґрунті сполуки азоту, які під час мікробіологічного розкладу повільно виділяють доступні для рослин форми мінерального азоту. Інтенсивність процесу вивільнення мінерального азоту (нітратів, амонійних солей, амідів) залежить від особливостей конкретного виду «повільного» добрива та біологічної активності ґрунту.
  3. Продукти з контрольованим вивільненням діючої речовини. Це гранульовані мінеральні добрива, вкриті оболонкою. Азотне добриво надходить з гранули при контакті з вологою через пори або тріщини в оболонці. Інтенсивність процесу залежить від матеріалу і товщини покриття, температури та вологості ґрунту.

Ця класифікація досить умовна, деякі види добрив можуть бути віднесені як до другої, так і до третьої групи. Наприклад, сечовину в оболонці з сірки деякі науковці вважають добривом з повільним вивільненням діючої речовини, а інші — з контрольованим.

4. Оболонка з сірки виконує захисну функцію поки зберігає цілісність. Через певний проміжок часу оболонка «втомлюється» і тріскається. Волога може вільно «входити та виходити» та розчиняти вміст гранули.

МІКРОБІОЛОГІЧНИЙ «ТАЙМЕР» ДЛЯ АЗОТУ

Добрива пролонгованої дії (SRF- slow release fertilizer), які у подальшому будемо називати «повільними», мають органічне або мінеральне походження.

Спочатку елементи живлення у «повільних» добривах знаходяться в недоступній для рослин формі, яка практично не розчиняється у воді. Тобто вони «закриті» на хімічний «замок».

Цей «замок» відчиняють ґрунтові мікроорганізми. Наприклад, в процесі мінералізації органічних сполук. До речі, органічні добрива (компост, гній, солома, водорості, рибна емульсія) — це типові SRF, тобто «повільні» добрива.

Мікробіологічна активність ґрунту активізується при підвищенні температури при наявності достатньої кількості вологи. Зазвичай, така комбінація (тепло+волога) також сприятлива для росту рослин. Тому темпи вивільнення елементів живлення з «повільних» органічних добрив співпадають з темпами споживання добрив с/г культурами.

У теорії це має чудовий вигляд. А на практиці? Іноді ґрунтова мікробіота не встигає своєчасно «перетравити» органічні сполуки. Тому культура, яка швидко зростає, залишається «голодною». А іноді навпаки, мікрофлора ґрунту заздалегідь готує рослинам багато «смачного», але кілька рясних дощів «краде» мінеральні солі азоту.

Трансформація «повільних» органічних добрив залежить від сукупної дії багатьох факторів, у тому числі — особливостей клімату, погоди, типу ґрунту, способу його обробку. Та від присутності в його верхньому шарі достатньої кількості мікроорганізмів-«помічників». Саме тому гарантувати своєчасне постачання рослинам елементів живлення з органічних SRF неможливо.

Більш передбачуваною є дія синтетичних «повільних» добрив. Їх виробництво розпочалося приблизно 50 років тому, тому визначення «інноваційні» для них застосовувати не варто.

«Повільні» синтетичні добрива — це продукти реакції карбаміду з альдегідами. Наприклад, з формальдегідом (UF-мочевіноформальдегід), ізотбутіральдегідом (IBDU-ізобутілідендіурет), альцетальдегідом (CDU).

Такі добрива є полімерами, довжина ланцюга (кількість ланок-мономерів) яких залежить від співвідношення компонентів реакції. У воді ці сполуки розчиняються погано. Але після «втручання» ґрунтових мікроорганізмів хімічні зв’язки в молекулах «азотних полімерів» репаються та карбамід опиняється «на волі». Інтенсивність процесу залежить від температури та вологості ґрунту.

5. Такий вигляд мають тріщини на оболонці гранули під мікроскопом.

Для синтезу «повільних» добрив використовують не тільки карбамід (сечовину), але і аміак. Реакцією аміаку з альдегідами у водному розчині карбаміду отримують рідке «повільне» добриво, в якому мінеральний азот «замкнений» тріазоном. Це добриво, до речі, також використовують для позакореневого підживлення: воно менше «обпікає» листя, ніж КАС або карбамід.

«Повільні» мінеральні добрива мають чимало переваг, але мають також недоліки. Найбільший з них — висока ціна. Саме це обмежує їх використання на польових культурах.

Більш ефективними та доступними за ціною є добрива з контрольованим вивільненням (CRF -controlled release fertilizer). Що це таке?

ОБОЛОНКА ГРАНУЛИ: «ШКАРАЛУПА» АБО «ДОЗАТОР»?

Добрива з контрольованим вивільненням діючої речовини — це гранули карбаміду, запаковані у щільну оболонку. Ця оболонка перешкоджає занадто швидкому розчиненню сечовини. І, крім того, перешкоджає втратам від випаровування.

Оболонка не повинна бути токсичною і повинна бути недорогою. Вона повинна тривалий час зберігати цілісність, і при цьому повністю розкладатися у ґрунті.

Швидкість надходження мінерального азоту з покритих оболонкою гранул карбаміду повинна відповідати нормативам. Наприклад, CRF добриво в штаті Флорида при температурі ґрунту менш ніж 25°С має «випускати» поживну речовину певними «порціями»: 1) протягом 24 годин – менш ніж 15%; 2) протягом 28 днів – менш ніж 75%; 3) до закінчення періоду дії (40-360 днів, в залежності від характеристик) — не менш ніж 75%.

Для покриття гранул використовують сірку, синтетичні (поліетилен, полісульфон, полівінілхлорид, полістирол) і натуральні (хітозан, крохмаль, латекс) полімери. Але лідером, як і багато років тому, залишаються сірка і синтетичні матеріали.

«Одягнути» гранули карбаміду в оболонку з сірки придумали в США ще у 1961 році. Науковці Tennessee Valley Authority’s National Fertilizer Development Center (TVA/NFDC) розробили технологію, яку з 1967 року застосувала у промислових масштабах компанія Canadian Industries Ltd (CIL). А потім — інші виробники мінеральних добрив.

Процесс «вдягання» карбаміду відбувається у величезному сталевому барабані, що обертається під час роботі. На гранули сечовини, нагріті до 60-75°С, розпилюють дрібні краплі сірки, розплавленої до рідкого стану. Сірка застигає на поверхні гранул суцільним тонким шаром.

Потім гранули обробляють воском (або розчином полімеру), який зміцнює покриття і «затикає» щілини, тріщини та інші дефекти. Гранули остигають, їх додатково обробляють речовиною, яка перешкоджає злипанню добрива в грудки.

6. Дефекти оболонки можуть виникати у процесі виробництва, а також під час транспортування, зберігання та внесення добрива. Тому деякі гранули (пошкоджені) розчинюються швидко , а інші «тримаються» на протязі декількох тижнів.

Цей виробничий процес є досить складним, трудомістким та небезпечним. Тому в 1975 році в Університеті Британської Колумбії (UBC) Mathur&Meisen розробили більш досконалу технологію. Гранули карбаміду «літають» вгору та вниз в потужному струмені повітря. Процес відбувається у циліндричній колоні з конічною основою. Поки гранули літають, з форсунок на їх поверхню розбризкують сірку. Завдяки тому, що маса гранул тривалий час «ширяє» у повітрі, кожна гранула отримує якісне покриття.

Після завершення процесу вміст у добриві азоту д.р. сягає 30-40%, сірки – приблизно 20%. Завдяки наявності сірки це добриво може дещо зменшити рН лужних ґрунтів. Це покращує засвоєння рослинами фосфору з ґрунту та дозволяє зменшити застосування недешевих фосфорних добрив.

Але у кислому ґрунті додаткове зниження рН небажане та може мати негативний ефект.

Оболонка з сірки захищає вміст гранули від контакту з вологою. Але через деякий час оболонка «втомлюється», і її цілісність порушується. Вода отримує «доступ до тіла» гранули, після чого карбамід швидко розчиняється. Оболонка з сірки працює як «шкаралупа», яка своєчасно повинна «луснути».

Швидкість руйнування оболонки залежить від дії багатьох чинників: товщини покриття, технології її нанесення. Та, звичайно ж, умов навантаження-розвантаження, транспортування та зберігання. Чим більше «товкуть» добриво, тим вищим є відсоток гранул з «побитим» покриттям. При внесенні добрива розкидачем мінеральних добрив або сівалкою гранули отримують ще одну добрячу порцію стусанів.

Тому приблизно через тиждень з моменту внесення у (або на) вологий ґрунт, розчиняється більш 30% карбаміду з гранул. А якщо добриво «били» довго та часто, то у ґрунтовий розчин переходить до 60% азоту.

Для того, щоб захистити поверхню гранул, на тонкий шар сірки наносять ще тонкий шар полімеру. Це трохи підвищує собівартість добрива, але істотно покращує міцність та «тривалість життя» покриття.

7. Оболонка з полімеру зазвичай залишається неушкодженою до повного «випорожнення» гранули. Полімерна плівка працює як дозатор для води та розчину карбаміду. Спочатку вода через пори повільно поступає всередину гранули, а потім гранула «віджимає» у навколишній простір трохи розчину карбаміду.

Гранули з синтетичною оболонкою коштують дорожче, але у певних ситуаціях ці витрати є доцільними.

Плівки з деяких синтетичних полімерів (поліетилену, наприклад) є гідрофобними, тобто непроникними для води. Але деякі (поліамід, целофан) є гідрофільними і, до того ж, напівпроникними. Через дрібнесенькі пори целофану, наприклад, вода може мігрувати за градієнтом концентрації. Тобто рухатися з менш концентрованого розчину до більш концентрованого. Це цінна властивість полімерів використовується для перетворення звичайних гранул карбаміду на гранули з контрольованим вивільненням. Як це працює?

Напівпроникна оболонка пропускає вологу з ґрунту до вмісту гранули. Карбамід набухає, збільшується в об’ємі. Незначна частина розчиненого карбаміду «видавлюється» назовні. І так повторюється багато разів протягом декількох тижнів. Або навіть місяців.

Якщо покриття було нанесено на гранули якісно, воно залишається неушкодженим практично до повного «виснаження» гранули. Потім, через 18-24 місяці його «з’їдають» ґрунтові мікроорганізми. Кінцевими продуктами розкладання оболонки є вуглекислий газ, аміак і вода.

Швидкість вивільнення карбаміду залежить від матеріалу та товщини оболонки-мембрани. А також певні зміни її проникності обумовлені температурою і вологістю ґрунту. На цей процес мало впливають рН грунту, його механічний склад, ємність катіонного обміну, мікробіологічна активність. Тому поведінка добрив подібного типу більш передбачувана, аніж поведінка карбаміду в оболонці з сірки.

У мороз та посуху карбамід в полімерній оболонці практично не «спілкується» з навколишнім середовищем. Якщо випадають рясні дощі, добриво не розчиняється та не промивається. Проте, при поверхневому внесенні частина гранул може буквально «піти за водою», тому що іх об’ємна вага є відносно невеликою.

Для того, щоб «вдягнуті у синтетику» добрива забезпечили очікуваний результат, необхідно контролювати можливі причини погіршення якості гранул:

1) механічні пошкодження від тертя і ударів при навантаженні, транспортуванні та внесенні;

2) передчасне зволоження: при контакті з вологим повітрям при тривалому зберіганні гранули можуть поглинути багато вологи і завчасно почати виділяти карбамід через пори оболонки;

3) тривалі терміни і погані умови зберігання: им довше зберігається добриво, тим більша ймовірність негативного впливу температури, вологи та інших факторів;

4) нерівномірна товщина оболонки: через порушення технології виробництва в партію добрив можуть потрапити гранули різного розміру і з різною товщиною полімерної оболонки.

8. Тоненька плівка працює як неквапний митник на кордоні. Тому процес виходу добрива назовні розтягується на декілька місяців.

ЕКОНОМНА ЕКОНОМІЯ

Все має свою ціну, і за все доводиться платити. Полімерний «скафандр» на гранулі додає приблизно 30% до вартості добрива в порівнянні з «голим» карбамідом. Тому додаткові технологічні переваги такого виду добрив не дають економічного ефекту у свідомо несприятливих для рослинництва умовах. Наприклад, на переущільнених ґрунтах, які потерпають від дефіциту вологи та/або поживних речовин.

Але в умовах, коли лімітуючим фактором є забезпеченість азотом на тлі оптимальної забезпеченості вологою (на зрошенні, наприклад), їх використання цілком виправдане. Застосування CRF і SRF може зменшити норму внесення азотних добрив на 20-30% (у перерахунку на д.р.) у порівнянні з рекомендованою нормою «звичайних» добрив.

Застосування карбаміду у полімерній оболонці замість звичайних «голих» гранул дозволяє суттєво зменшити втрати азоту на легких піщаних і супіщаних ґрунтах. А також скоротити втрати на важких вологих суглинках, де періодично відбувається денітрифікація, тобто розкладання нітратів у анаеробних умовах.

Можливість «нагодувати» рослини за одне внесення є величезною перевагою в умовах, коли недостатня забезпеченість технікою, занадто велика відстань до поля або несприятливі погодні умови заважають або взагалі виключають дробове внесення добрив.

При вирощуванні високорослих культур, які швидко зростають (соняшнику, кукурудзи або сорго) це дозволяє обійтися без спеціальної техніки для міжрядних та позакореневих підживлень.

Внесення «повільного» добрива у ґрунт при посіві (або до посіву) дозволяє рослинам використовувати азот більш ефективно, аніж при поверхневому внесенні. По-перше, відстань до коріння є меншою, а по-друге, вологість середовища є вищою, ніж на поверхні.

Проте, у «діжці меду» є «ложка дьогтю» — висока ціна гранул карбаміду в оболонці. Ціна добрива відповідає якості та цілком окупається додатковими перевагами при застосуванні в інтенсивному землеробстві. Але у деяких умовах подібні «інвестиції» є невиправданою розкішшю. Наприклад, у посушливому степу без зрошення. Тому варто заздалегідь обміркувати «за» та «проти». На жаль, інколи доцільно відмовитися від найкращого, та обрати задовільне.

Олександр Гончаров