ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЕ УДОБРЕНИЯ – ОСНОВА РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ

Коган В.Е.¹, Карапетян К.Г.²

¹ORCID: 0000-0001-7848-3792, Профессор, доктор химических наук, ²ORCID: 0000-0002-7305-403X, Доцент, кандидат химических наук, Санкт-Петербургский горный университет

ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЕ УДОБРЕНИЯ – ОСНОВА РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ

Аннотация

В статье рассмотрена глобальная задача современности – рациональное природопользование, улучшение экологической обстановки и защита окружающей среды. Показано, что быстрое и значительное увеличение урожайности, невозможное без использования удобрений, является решающим фактором в решении вопроса обеспечения постоянно растущего народонаселения нашей планеты продуктами питания. На основании анализа органических и минеральных удобрений сделан вывод о том, что наиболее эффективным является использование безбаластных сложных органоминеральных удобрений, представляющих собой смесь органических и минеральных удобрений. На основании объективной оценки основных типов выпускаемых промышленностью и используемых агрохимическим комплексом минеральных удобрений показано наличие у них принципиальных недостатков, обусловленных их поликристаллическим строением. Отмечено, что кардинальным путем реализации рационального природопользования является отказ от традиционных поликристаллических удобрений и обращение для разработки принципиально новых высокоэффективных удобрений к аморфным материалам. Приведены разработки авторов по созданию, промышленному производству и практическому применению экологически безопасного фосфорсодержащего стеклообразного удобрения пролонгированного действия.

Ключевые слова: рациональное природопользование, органические удобрения, минеральные удобрения, поликристаллическое строение, экологически безопасное фосфорсодержащее стеклообразное удобрение.

Kogan V.E.¹, Karapetian K.G.²

¹ORCID: 0000-0001-7848-3792, Professor, PhD in Chemistry, ²ORCID: 0000-0002-7305-403X, Associate Professor, PhD in Chemistry, St. Petersburg Mining University

ENVIRONMENTALLY SAFE FERTILIZERS – BASIS OF RATIONAL NATURAL RESOURCES MANAGEMENT

Abstract

The article considers one of the most important global tasks of nowadays – rational use of natural resources, improvement of the ecological situation and protection of the environment. It is shown that a rapid and significant increase in yield, which is impossible without the use of fertilizers, is a decisive factor in solving the problem of providing the ever growing population of our planet with food. Based on the analysis of organic and mineral fertilizers, it was concluded that the use of ballastless complex organic-mineral fertilizers is the most effective. They are a mixture of organic and mineral fertilizers. On the basis of an objective assessment of the main types of mineral fertilizers produced by the industry and mineral fertilizers used by the agrochemical complex, it is shown that they have fundamental shortcomings due to their polycrystalline structure. It was noted that the drastic way of implementing rational use of natural resources is the abandonment of traditional polycrystalline fertilizers and circulation for the development of fundamentally new highly effective fertilizers for amorphous materials. The author’s research on the creation, industrial production and practical application of ecologically safe phosphorus-containing vitreous fertilizers of prolonged action is presented in the article.

Keywords: rational use of natural resources, organic fertilizers, mineral fertilizers, polycrystalline structure, ecologically safe phosphorus-containing vitreous fertilizer.

Рациональное природопользование, улучшение экологической обстановки и защита окружающей среды – вот та глобальная задача, которую с особой остротой поставил перед человечеством наш век. На земном шаре сложилась весьма сложная ситуация, обусловленная тем, что, с одной стороны, наблюдается неуклонный рост населения, которому необходимо постоянно возрастающее количество различных продуктов питания, включая растительную пищу, а, с другой стороны, отсутствием возможности увеличения посевных площадей. Разрешение сложившейся ситуации возможно, прежде всего, посредством быстрого и значительного увеличения урожайности. Решить данную задачу можно лишь посредством своевременного сбалансированного питания растений, обеспечивающего их элементами, необходимыми для полноценного роста и жизни.

Источниками питания растений, как доказал еще в 1840 году немецкий химик Ю. Либих [1], являются воздух, вода и почвенные растворы минеральных веществ. В результате происходящего в природе естественного круговорота питательных элементов они возвращаются в почву. В то же время важно подчеркнуть, что часть элементов питания, израсходованная на развитие растений, выносится с урожаем, т.е. не возвращается в почву, а для сохранения плодородия почвы требуется полное возмещение элементов питания.

В процессе жизнедеятельности человек зачастую загрязняет и ухудшает почву, забывая о том, что этот тонкий верхний слой Земли не является чем-то быстро и легко воспроизводимым искусственным путем, а представляет собой результат естественных сложнейших физико-химических и биологических процессов, протекавших миллионы лет. Поэтому, наряду с вопросом повышения урожайности, не менее остро встает вопрос о научно обоснованном использовании земельных ресурсов. При этом большое внимание требует к себе проблема восстановления утраченного плодородия почв вплоть до их полной сельскохозяйственной непригодности, приводящей к необходимости проведения сложных, длительных и дорогостоящих работ по рекультивации. Их осуществление становится все более насущной задачей и потому, что загрязнение окружающей среды, засорение земель наносят огромный ущерб планете.

Решение всех сформулированных вопросов однозначно невозможно без использования удобрений. Это утверждение, пожалуй, сегодня ни у кого не вызывает возражений. Однако сразу же возникает, на наш взгляд, искусственно создаваемая полемика (обычно весьма острая) о типе (по происхождению) удобрений, которые следует использовать: органические или минеральные? Органические удобрения – это продукты естественного происхождения (торф, солома, навоз, фекалии и др.), в которых питательные элементы преимущественно находятся в органических соединениях, в то время как минеральные удобрения – это неорганические вещества (или продукты переработки ископаемых минералов), в основном минеральные соли, специально производящиеся на химических и горно-химических предприятиях. Безусловно, использование как одних, так и других типов удобрений имеет свои плюсы и минусы. Однако тот факт, что процессы, происходящие в растениях при синтезе в них углеводов, жиров и белков не зависят от источника исходных веществ (органического или химического), говорит в пользу убежденности авторов в том, что наиболее эффективным является использование безбаластных сложных органоминеральных удобрений, представляющих собой смесь органических и минеральных удобрений.

Урожайность сельскохозяйственных культур коррелирует с общим содержанием гумуса. Именно этот показатель служит оценкой состояния почвенного плодородия в системе агрохимического мониторинга по природно-сельскохозяйственным зонам [2]. Не применение органических удобрений, как и использование лишь минеральных удобрений, усиливающих минерализацию гумуса, снижает его содержание в почве и, в свою очередь, требует его компенсации. Факторами, в значительной степени определяющими воспроизводство и баланс гумуса в почве, являются специализация севооборота, свойства почвы и система удобрений. Здесь необходимо отметить, что именно совместное использование органических и минеральных удобрений способствует не только воспроизводству гумуса, но и улучшает его качественный состав, а также азотный, фосфорный и калийный режимы почвы.

Не только бездефицитный баланс гумуса, но и расширенное его воспроизводство – вот тот комплекс, который должна предусматривать научная организация земледелия. Реализация сказанного становится возможной лишь при рациональном сочетании органических и минеральных удобрений с учетом специализации севооборота и конкретных почвенно-климатических условий. Вопрос же состоит в том, что разработчики и производители удобрений как органических, так и минеральных, должны стремиться к решению сложной, но, безусловно, разрешимой задачи – получению пищевой добавки для сельскохозяйственных культур, максимально исключающей имеющиеся на сегодня недостатки, присущие удобрениям независимо от их происхождения. Нахождение путей и методов оперативного решения этой задачи имеет большое социально-экономическое и экологическое значение, должно способствовать открытию практически неисчерпаемого источника обеспечения сельскохозяйственных предприятий технически и экономически доступной продукцией для восстановления, сохранения и повышения плодородия почв, а также создания благоприятной экологической обстановки.

Ежегодно на предприятиях агрохимического комплекса и других отраслей образуются сотни миллионов тонн органического сырья (навоз, птичий помет, солома, опилки и др.). Лишь небольшая часть его, после соответствующей переработки, используется в качестве удобрений. Большая же доля этого сырья накапливается годами возле животноводческих и птицеводческих предприятий, предприятий деревообрабатывающей промышленности и др. Это приводит как к ухудшению его качественного состава, так и к ухудшению экологической обстановки, т.е. к обострению проблемы охраны окружающей среды.

Использования лишь органических удобрений (навоза, помета, растительных отходов или компостов), не говоря уже об агрохимических проблемах, которые не могут не возникнуть при этом, приводит к внесению в почву большого количества жизнеспособных семян сорных растений и болезнетворных микроорганизмов. Что же касается технологий приготовления органических удобрений из навоза и помета, известных на сегодняшний день, то они необоснованно сложны, энергоемки, требуют больших затрат труда и средств, не обеспечивают в полной мере сохранность питательных веществ, содержащихся в навозе и помете, и экологическую безопасность при использовании таких удобрений.

Сельскохозяйственные отходы, которые наряду с торфом, соломой опилками и т.п., являются материалами растительного происхождения, создают критическую санитарно-микробиологическую обстановку, способствуя прогрессирующему размножению возбудителей различных болезней.

В составе химических удобрений преимущественно содержатся вещества, которые имеются в естественной почве, т.е. присутствуют и при использовании органических удобрений.

Невольно возникает вопрос: «Чем обусловлено столь отрицательное отношение к использованию химических удобрений?». Одна из определяющих причин этого – укоренившийся в социалистический период хозяйствования метод увеличения урожайности сельскохозяйственных культур, основанный на их пересыщении азотными удобрениями. В указанный период совхозы и колхозы практически за бесценок получали химические удобрения и пестициды. Борясь за высокие показатели по урожайности, хозяйственники, не думая о завтрашнем дне и о том, чем станет такой урожай для потребителя, использовали эти химикаты без соблюдения мер дозировки. Понятно, что результат не заставил себя ждать. Агрокультуры, возросшие на таких полях, были перенасыщены пестицидами и нитратами, очень плохо хранились и, в лучшем случае, не содержали радионуклидов.

Отрицательная роль химизации в сельском хозяйстве – результат завышения доз минеральных удобрений, неоправданно вносящихся в почву, в результате чего приводящих к ухудшению урожая и к проникновению в биосферу значительного количества химикатов, не использованных растениями. Это, в свою очередь, приводит к гибели не только вредных, но и полезных представителей фауны и флоры.

Оптимизация применения удобрений вследствие многочисленности влияющих на урожай факторов достаточно сложная, но, тем не менее, решаемая современной агрохимической наукой задача. В то же время, объективная оценка показывает, что у основных типов выпускаемых промышленностью и используемых агрохимическим комплексом минеральных удобрений имеются и свои отрицательные моменты. Принципиальные недостатки всех этих удобрений обусловлены их поликристаллическим строением, приводящим к ускоренному растворению, вымыванию и выветриванию и, наконец, к избирательному выщелачиванию грунтовыми водами. Следствием сказанного является комплекс негативных моментов, обусловленных использованием минеральных удобрений.

Вымывание и выветривание приводят не только к тому, что внесение удобрений не всегда обеспечивает подкормку растений (велики потери также при транспортировке и ежегодном внесении поликристаллических минеральных удобрений), но и ухудшает экологическое состояния водоемов. Так, нитраты, а менее интенсивно аммиачный азот, калий и фосфаты, выносятся из почвы грунтовыми водами и вместе с ними попадают в водоемы, что вызывает их зарастание в результате эвтрофикации. Бурно разрастаясь, водоросли поглощают питательные вещества, что приводит к гибели рыбы и других обитателей водоемов.

Огромная ударная нагрузка в момент внесения удобрений, отрицательно влияющая на корневую систему, использование растениями в период вегетации лишь небольшой части полезных компонентов, содержащихся в удобрениях, приводящее к необходимости ежегодного повышения вносимой в почву дозы, создавая их избыток, также являются минусами используемых агрохимическим комплексом многотоннажных минеральных удобрений.

Для полноты картины следует отметить и то, что технология производства практически любой разновидности минеральных удобрений связана с определенными проблемами, которые иногда решаются довольно сложно, зачастую не обеспечивая при этом полномасштабного содержания питательных компонентов в формах, наиболее усвояемых растениями.

Авторы настоящей статьи не претендуют на полноту изложения всей многогранной проблемы минеральных удобрений. Приводимый материал – это скорее их видение и анализ путей преодоления имеющихся проблем. Это те поиски и исследования, которые позволили найти кардинальный путь преодоления вышесформулированных недостатков, а именно: отказ от традиционных поликристаллических удобрений и обращение для разработки принципиально новых высокоэффективных удобрений к аморфным материалам.

Среди аморфных материалов, обеспечивающих, исходя из особенностей строения, достижение комплекса заданных физико-химических свойств, технологических параметров и эксплуатационных показателей, первое место, безусловно, принадлежит стеклу. В то же время, использование стеклообразных материалов в качестве минеральных удобрений [3], [4], не говоря уже об их промышленном выпуске [5], [6], [7], [8], [9], до реализуемого нами проекта практически никем не рассматривалось. Отмеченное, на наш взгляд, наиболее вероятно, обусловлено, как минимум, двумя причинами: научной направленностью ученых, традиционно занятых в области разработки минеральных удобрений, с одной стороны, и необходимостью обращения для создания таких удобрений к специальным видам стекол, с другой стороны, что еще недавно (до начала широкого использования конверсионных технологий в народном хозяйстве) было неприемлемо. При этом следует учитывать и то, что природа стеклообразного состояния и понимание процессов стеклования на атомно-молекулярном уровне еще далеки от создания теории стеклообразного состояния, аналогичной по своей общности теории кристаллического состояния.

Результатом указанного проекта явилась разработка конкурентоспособных отечественных материалов и технологий, являющихся «ноу-хау» авторов, для производства экологически безопасного фосфорсодержащего стеклообразного удобрения пролонгированного действия «Агравитаква-AVA», восстанавливающего природные ресурсы, и его различных модификаций. В ходе проведения работ было установлено, что функциональное назначение материалов типа AVA выходит далеко за рамки удобрений [10].

Список литературы / References

1. ЛибихЮ. Химия в приложении к земледелию и физиологии / Ю.Либих. – М. – Л.: ОГИЗ – СЕЛЬХОЗГИЗ, 1936. – 408 с.
2. Рекомендации по использованию органических, минеральных макро- и микроудобрений, мелиорантов для выполнения обязательных мероприятий по улучшению земель сельскохозяйственного назначения в Ростовской области [Электронный ресурс]. – п.Рассвет, 2011. – 35с. – URL: www.donplodorodie.by.ru (дата обращения 19.07.2017).
3. Свидетельство на полезную модель № 9840 Россия, МКИ С 05 D 9/02. Гранулированное удобрение «Агровитакво» / Г.О.Карапетян, К.Г. Карапетян, Л.Г. Зарагацкий (Россия) и др. Опубл. 16.05.99, Бюл. № 5.
4. КарапетянГ.О. Минеральные удобрения XXI века в свете проблем экологии / Г.О. Карапетян, К.Г. Карапетян // Научно-технические ведомости СПбГТУ. 2000. – № 1 (19). – С. 76 – 83.
5. ЛимбахИ.Ю. Ноосферная технология рационального природопользования / И.Ю. Лимбах, К.Г. Карапетян, В.Е. Коган // Экономика, экология и общество России в 21-м столетии: Тр. 3-й международной научно-практической конференции. СПб.: СПбГТУ, 2001. – С. 865 – 870.
6. КарапетянГ.О. Экологически безопасное стеклообразное удобрение «Агровитаква-AVA», восстанавливающее природные ресурсы / Г.О. Карапетян, К.Г. Карапетян, В.Е. Коган // Юбилейная научно-техническая конференция, посвященная 85-летию А.М. Прохорова и 10-летию образования АИН РФ. Сб. тр. под ред. В.В. Рыбина. СПб.: СПбГТУ, 2001. – С. 56 – 60.
7. КоганВ.Е. Основные этапы развития промышленного производства некристаллических минеральных удобрений / В.Е.Коган, К.Г. Карапетян // Сб. научных трудов, посвященный 75-летию СЗГЗТУ. – СПб.: СЗТУ, 2005. – С. 225 – 229.
8. НапсиковВ.В. Некристаллические минеральные удобрения и их промышленное производство / В.В.Напсиков, В.Е. Коган, К.Г. Карапетян // Новые технологии в металлургии, химии, обогащении и экологии / Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). – СПб., 2005. – С. 123 – 127 (Записки Горного института; т. 165).
9. Коган В.Е. Специфика промышленного производства стеклообразных фосфатных удобрений / В.Е.Коган, К.Г.Карапетян // Теория и практика современной науки: материалы VI Международной научно-практической конференции. – М.: Изд-во «Спецкнига», 2012. – С. 123 – 126.
10. Коган В.Е. Поликристаллические и стеклообразные фосфорсодержащие удобрения: Монография / В.Е.Коган, К.Г.Карапетян. – СПб.:ЛЕМА, 2015. – 150 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Libig J. Himija v prilozhenii k zemledeliju i fiziologii [Chemistry in the application to agriculture and physiology] / J. Libig. – Moscow – Leningrad: OGIZ – SELHOZGIZ, 1936. – 408 p. [in Russian]
2. Rekomendacii po ispol'zovaniju organicheskih, mineral'nyh makro- i mikroudobrenij, meliorantov dlja vypolnenija objazatel'nyh meroprijatij po uluchsheniju zemel' sel'skohozjajstvennogo naznachenija v Rostovskoj oblasti [Recommendations on the use of organic, mineral macro- and microfertilizers, meliorants for the implementation of mandatory measures to improve agricultural land in the Rostov region] [Electronic resource]. – poselok Rassvet, 2011. 35 p. – URL: www.donplodorodie.by.ru (accessed:19.07.2017). [in Russian]
3. Svidetel'stvo na poleznuju model' № 9840 Rossija, MKI C 05 D 9/02. Granulirovannoe udobrenie «Agrovitakvo» [The certificate on useful model N 9840 Russia, MCI C 05 D 9/02. The granulated Agrovitakvo fertilizer] / G.O. Karapetyan, K.G. Karapetyan, L.G. Zaragatskiy et all. Opubl. 16.05.99, Bjul. № 5. [in Russian]
4. Karapetyan G.O. Mineral'nye udobrenija XXI veka v svete problem jekologii [Mineral fertilizers of the 21st century in the light of environmental problems] / G.O. Karapetyan, K.G. Karapetyan // Nauchno-tehnicheskie vedomosti SPbGTU [Scientific and technical statements of SPbSTU]. – 2000. – N 1 (19). – P. 76 – 83. [in Russian]
5. Limbakh I.Ju. Noosfernaja tehnologija racional'nogo prirodopol'zovanija [Noosphere technology of rational environmental management] / I.Ju. Limbakh, K.G. Karapetyan, V.E. Kogan // Jekonomika, jekologija i obshhestvo Rossii v 21-m stoletii: Tr. 3-j mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii [Economy, ecology and society of Russia in the 21st century: Works of the 3rd international scientific and practical conference]. – SPb.: SPbGTU, 2001. – P. 865 – 870. [in Russian]
6. Karapetyan G.O. Jekologicheski bezopasnoe stekloobraznoe udobrenie «Agrovitakva-AVA», vosstanavlivajushhee prirodnye resursy [Environmentally safe vitreous fertilizer "Agrovitakva-AVA", restoring natural resources] / G.O. Karapetyan, K.G. Karapetyan, V.E. Kogan // Jubilejnaja nauchno-tehnicheskaja konferencija, posvjashhennaja 85-letiju A.M. Prohorova i 10-letiju obrazovanija AIN RF. Sb. tr. pod red. V.V. Rybina [The anniversary scientific and technical conference devoted to A.M. Prokhorov's 85 anniversary and the 10 anniversary of formation of AIN Russian Federation. The collection of works under the editorship of V.V. Rybin]. – SPb.: SPbGTU, 2001. – P. 56 – 60. [in Russian]
7. Kogan V.E. Osnovnye jetapy razvitija promyshlennogo proizvodstva nekristallicheskih mineral'nyh udobrenij [The main stages of development of industrial production of non-crystalline mineral fertilizers] / V.E. Kogan, K.G. Karapetyan // Sb. nauchnyh trudov, posvjashhennyj 75-letiju SZGZTU [The collection of scientific works devoted to the 75 anniversary of SZGZTU]. – SPb.: SZTU, 2005. – P. 225 – 229. [in Russian]
8. Napsikov V.V. Nekristallicheskie mineral'nye udobrenija i ih promyshlennoe proizvodstvo [Non-crystalline mineral fertilizers and their industrial production] / V.V. Napsikov, V.E. Kogan, K.G. Karapetyan // Novye tehnologii v metallurgii, himii, obogashhenii i jekologii / Sankt-Peterburgskij gosudarstvennyj gornyj institut (tehnicheskij universitet) [St. Petersburg state mining institute (technical university)]. – SPb, 2005. – P. 123 – 127. (Zapiski Gornogo instituta, v. 165) [(Notes of mining institute, v. 165)]. [in Russian]
9. 9. Kogan V.E. Specifika promyshlennogo proizvodstva stekloobraznyh fosfatnyh udobrenij [Specifics of industrial production of vitreous phosphatic fertilizers] / E. Kogan, K.G. Karapetyan // Teorija i praktika sovremennoj nauki: materialy VI Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii [Theory and practice of modern science: materials of the VI International Scientific and Practical Conference]. – M.: Speckniga, 2012. – P. 123 – 126. [in Russian]
10. Kogan V.E. Polikristallicheskie i stekloobraznye fosforsoderzhashhie udobrenija: Monografija [Polycrystalline and vitreous phosphorus-containing fertilizers: Monograph] / V.E. Kogan, K.G. Karapetyan. – SPb.: LEMA, 2015. – 150 p. [in Russian]