Химия вокруг нас - Юрий Кукушкин

Почвы обладают ионообменными свойствами, аналогичными свойствам ионообменных смол. Благодаря им почвы задерживают катионы и анионы солей и постепенно замещают их на другие, поступающие извне. Плохо закрепляются в почве анионы NO3– и Cl– и потому они очень подвижны. При избытке влаги эти анионы легко вымываются из поверхностных слоев почв и переносятся в более глубокие слои. Считают, что в подземные воды уходит до 13% нитратного азота, содержащегося во вносимых на поля удобрениях. Поэтому нитратные удобрения вводят в почву во время посева или в период развития растений в виде подкормки.

Почва как ионообменник из катионов «заряжена» главным образом ионами кальция Ca2+, в меньшей мере — магния Mg2+ и еще в меньшей мере ионами аммония NH4+, натрия Na+ и калия К+. Ионы кальция Ca2+ и магния Mg2+ способствуют поддержанию прочной структуры почвы. Под структурностью почвы работники сельского хозяйства понимают ее способность распадаться на отдельные комочки. Ионы К+ или NH4+ и особенно Na+, напротив, способствуют разрушению структурных агрегатов почвы и усиливают вымывание гумуса и минеральных веществ. Во влажном состоянии такая почва становится липкой, а в сухом — превращается в глыбы, не поддающиеся обработке (солонец). Вытекающая из такой почвы вода имеет цвет чайного настоя, что указывает на потерю гумуса.

Важное значение играет химическое связывание почвой анионов некоторых кислот. Нитратные NO3– и хлоридные Cl– анионы не дают малорастворимых соединений с катионами, обычно содержащимися в почве. Напротив, анионы фосфорной, угольной, серной кислот образуют с ионами кальция малорастворимые соединения. Это и обусловливает химическую поглотительную способность почв.

Для развития и роста растению необходимо много различных химических элементов. Их растения берут главным образом из почвы. С наибольшей скоростью почва истощается азотом, фосфором и калием. Эти химические элементы усваиваются растениями в наибольшем количестве и поэтому для поддержания плодородия полей в почву необходимо вносить соответствующие удобрения.

На протяжении тысячелетий земледелие знало лишь органические удобрения — различные отходы хозяйства и прежде всего навоз. Однако даже в сбалансированном хозяйстве, где растениеводство сочетается с животноводством, внесение в почву навоза не обеспечивает восполнения азота и фосфора, выведенных из почвы с урожаем.

Продукцию растениеводства делят на товарную и нетоварную. Например, зерно и овощи — товарная продукция. Она направляется к потребителю и содержащиеся в ней химические элементы в основном не возвращаются на поля. Солома, ботва, пожнивные остатки и корни, как правило, возвращаются в почву. Солома идет на подстилку и возвращается в почву в виде навоза, а ботва и другие отходы запахиваются. Товарная продукция содержит много азота и фосфора, а нетоварная — содержит много калия. Таким образом, в результате круговорота веществ в земледелии калий может быть в основном возвращен в почву, а возврат азота и фосфора не обеспечивается даже внесением навоза.

Поэтому какие бы ни были предубеждения против минеральных удобрений, в научно обоснованных количествах их необходимо вносить в почву.

Установлено, что каждая тонна кукурузы забирает из земли 55 кг питательных веществ, тонна колосовых — примерно 60 кг, а тонна хлопчатника — почти 120 кг. Такого рода цифры позволяют вести расчет вносимых в почву удобрений. Безусловно, при этом ведется учет различного рода потерь удобрений.

Соединения азота (оксиды и азотная кислота) в небольших количествах образуются в атмосфере. Вследствие электрических разрядов азот взаимодействует с кислородом в соответствии с уравнением

N2 + O2 = 2NO

Далее оксид азота окисляется до диоксида:

2NO + O2 = 2NO2

В присутствии кислорода и воды последний превращается в азотную кислоту:

4NO2 + O2 + 2H2О = 4HNO3

С атмосферными осадками на 1 га площади в год поступает 2,5...4 кг связанного азота. За счет свободно живущих в почве бактерий и грибков (азотофиксаторов), ассимилирующих атмосферный азот, 1 га почвы ежегодно получает от 5 до 15 кг связанного азота. Если учесть, что даже при урожае озимой пшеницы 25 ц с зерном из почвы уносится около 70 кг связанного азота, то станет ясно, что естественного пополнения азотом почв никак недостаточно. Однако уместно подчеркнуть, что клубеньковые бактерии бобовых растений и особенно бобовых трав поставляют в почву в год 100...200 кг связанного азота на 1 га. Зерновые бобовые, хотя и дают почве несколько меньше (до 70 кг), но тем не менее это может позволить обойтись без азотных удобрений. Таким образом, при использовании клевера и люцерны и при рациональном севообороте азотный баланс в почве может быть достигнут.

Если содержание связанного азота различным путем почва может восполнять, то источников естественного пополнения почв фосфором нет. Его необходимо вносить с тем или иным видом удобрений.

Навоз. В навозе в среднем содержится 0,5% связанного в химические соединения азота, 0,25% фосфора и 0,6% калия. Содержание этих питательных элементов зависит от вида скота, характера скармливаемых кормов, от вида подстилки и других факторов. Кроме азота, фосфора и калия навоз содержит все элементы, включая и микроэлементы, необходимые для жизни растений. В качестве подстилки используют солому, опилки, но наилучшей считается торф. Подстилка позволяет лучше сохранять в навозе питательные вещества.

Ценным и быстродействующим средством является навозная жижа. Она содержит до 0,8% азота и до 1% калия, но сравнительно небольшое количество фосфора. Ее применяют для подкормки растений в весенне-летний сезон и для приготовления компостов. Компосты — смеси двух или нескольких удобрений. Для их приготовления используют главным образом торф. В результате получают торфо-навозные, торфо-жижевые, торфо-фекальные, торфо-фосфоритные и другие компосты.

Концентрированным и весьма эффективным удобрением является птичий помет. Он содержит в среднем 6% азота, 4,3% калия и 2,6% фосфора. Для избежания потерь питательных веществ птичий помет хранят в смеси с торфом.

Для обогащения почвы азотом применяют так называемое зеленое удобрение — это специально выращенная и запаханная растительная масса. Для этой цели используют главным образом бобовые растения, которые способны связывать в химические соединения азот воздуха. Обычно молекулярный азот недоступен для растений в качестве питания. Однако он способен усваиваться некоторыми микроорганизмами. Давно установлено, что на корневой системе бобовых растений размножаются клубеньковые бактерии, которые обладают способностью переводить молекулярный азот в химические соединения. В процессе своей жизнедеятельности клубеньковые бактерии и обогащают почву соединениями азота. Кроме того, некоторые бобовые растения имеют корневую систему, уходящую глубоко в землю. Благодаря этому они переносят в пахотный слой извлеченные из глубоких горизонтов питательные вещества и таким путем также способствуют повышению урожайности.

Минеральные удобрения. В мире минеральные удобрения начали применять сравнительно недавно. Инициатором и активным поборником их использования в земледелии был немецкий химик Юстус Либих. В 1840 г. он выпустил в свет книгу «Химия в приложении к земледелию». В 1841 г. по его почину в Англии была построена первая суперфосфатная установка. Калийные удобрения начали производить в 70-х годах прошлого века. Минеральный азот в то время поставлялся в почву с чилийской селитрой. Следует отметить, что в настоящее время считают рациональным вносить в почву фосфорные, калийные и азотные удобрения в отношении питательных веществ, примерно равном 1:1,5:3.

Спрос на минеральные удобрения быстро увеличивается так, что их мировое потребление с начала текущего столетия удваивается за каждые десять лет.

К счастью, запасы главных элементов удобрений на Земле большие и их истощения пока не предвидится.

Азотные удобрения. Для синтеза белков растениям необходим азот. Поэтому азотные удобрения могут приводить к увеличению в зерне белков и, что особенно важно, они повышают содержание клейковины, от которой в значительной степени зависит качество хлеба, его рассыпаемость. Таким образом, азотные удобрения повышают кормовую и пищевую ценность продукции.

Азотсодержащие минеральные удобрения подразделяют на аммиачные, нитратные и амидные. К первой группе относится сам аммиак NH3 (безводный и водные растворы) и его соли — прежде всего сульфат (NH4)2SO4 и хлорид аммония NH4Cl. Ко второй группе — селитры: натриевая NaNO3, калиевая KNO3 и кальциевая Ca(NO3)2. Промышленностью также выпускаются аммиачно-нитратные удобрения, например аммиачная селитра NH4NO3. К амидным удобрениям относятся цианамид кальция CaCN2 и мочевина (карбамид) NH2CONH2. Для уменьшения пыления цианамида кальция часто к нему добавляют до 3% нефтяных масел. В результате такое удобрение имеет запах керосина. Цианамид кальция при гидролизе дает аммиак и карбонат кальция: