Азотные удобрения

Азотные удобрения — это минеральные или органические вещества, содержащие азот в форме, доступной для усвоения растениями. Они относятся к группе макроудобрений и являются основным источником азота для сельскохозяйственных культур, поскольку атмосферный азот, несмотря на его высокое содержание в воздухе (около 78 %), не может быть непосредственно использован большинством растений. Азот входит в состав белков, нуклеиновых кислот, хлорофилла и других жизненно важных соединений, поэтому его недостаток в почве приводит к замедлению роста, пожелтению листьев и снижению урожайности.

История

Первые научные сведения о роли азота в питании растений были получены в середине XIX века. В 1840 году немецкий химик Юстус фон Либих сформулировал теорию минерального питания растений, согласно которой для роста культур необходимы определённые химические элементы, включая азот. Однако промышленное производство азотных удобрений стало возможным только после разработки процесса синтеза аммиака. В 1908 году немецкие химики Фриц Габер и Карл Бош создали метод получения аммиака из азота и водорода под высоким давлением (процесс Габера — Боша). Это изобретение позволило наладить массовое производство аммиачной селитры, мочевины и других азотных удобрений, что кардинально изменило сельское хозяйство в XX веке.

В СССР первые заводы по производству азотных удобрений были построены в 1930-е годы в рамках индустриализации. Крупнейшими центрами стали города Березники, Горловка, Днепродзержинск. После Второй мировой войны производство азотных удобрений в мире резко возросло, что способствовало «зелёной революции» — значительному увеличению урожайности зерновых культур в развивающихся странах.

Классификация

Азотные удобрения классифицируют по форме содержащегося азота, что определяет их свойства, скорость действия и условия применения.

По форме азота

• Аммиачные удобрения — содержат азот в форме аммония (NH₄⁺). К ним относятся сульфат аммония ((NH₄)₂SO₄) и хлорид аммония (NH₄Cl). Аммонийный азот хорошо удерживается почвой, не вымывается осадками, но медленно усваивается растениями, так как требует предварительной нитрификации.
• Нитратные удобрения — содержат азот в форме нитрата (NO₃⁻). Основной представитель — натриевая селитра (NaNO₃) и кальциевая селитра (Ca(NO₃)₂). Нитратный азот легко растворяется в воде, быстро усваивается растениями, но может вымываться из почвы при обильных осадках.
• Аммонийно-нитратные удобрения — содержат обе формы азота. Наиболее распространённое — аммиачная селитра (NH₄NO₃), которая содержит 34–35 % азота. Она сочетает быстродействие нитратной формы и пролонгированное действие аммонийной.
• Амидные удобрения — содержат азот в форме амидной группы (-NH₂). Классический пример — мочевина (карбамид, CO(NH₂)₂), содержащая 46 % азота. В почве мочевина под действием фермента уреазы превращается в аммоний, а затем в нитрат. Мочевина менее гигроскопична, чем аммиачная селитра, и удобна для хранения.

По физическому состоянию

• Твёрдые удобрения — гранулированные или кристаллические порошки (аммиачная селитра, мочевина, сульфат аммония). Гранулированные формы менее слёживаются и лучше распределяются.
• Жидкие удобрения — водные растворы (аммиачная вода, КАС — карбамидно-аммиачная смесь). Жидкие формы удобнее для внесения с помощью опрыскивателей, но требуют специального оборудования для хранения и транспортировки.

Производство

Основным сырьём для производства азотных удобрений служит природный газ (метан), из которого получают водород для синтеза аммиака. Процесс включает несколько этапов:

1. Получение синтез-газа — конверсия метана с водяным паром при высокой температуре (700–1000 °C) с образованием смеси водорода и оксида углерода.
2. Очистка от оксида углерода — каталитическая конверсия CO в CO₂ с последующим удалением углекислого газа.
3. Синтез аммиака — реакция азота (из воздуха) и водорода при давлении 15–30 МПа и температуре 400–500 °C в присутствии железного катализатора.
4. Переработка аммиака — для получения аммиачной селитры аммиак нейтрализуют азотной кислотой; для получения мочевины — взаимодействие аммиака с диоксидом углерода.

Крупнейшие производители азотных удобрений в мире — Китай, Россия, Индия, США. В России основными предприятиями являются «ФосАгро», «Еврохим», «Уралхим», «Акрон». Россия занимает второе место в мире по экспорту азотных удобрений (после Китая), поставляя продукцию в страны Европы, Азии и Латинской Америки.

Применение

Азотные удобрения вносятся в почву для обеспечения растений азотом на всех этапах вегетации. Наиболее эффективны они для культур, требующих большого количества азота: зерновые (пшеница, рис, кукуруза), технические (сахарная свёкла, хлопчатник), овощные (капуста, томаты, картофель). Дозировки зависят от типа почвы, культуры и климатических условий. В среднем для зерновых культур вносят 60–120 кг/га азота в пересчёте на действующее вещество.

Способы внесения

• Основное (предпосевное) — удобрения заделывают в почву осенью или весной перед посевом. Используют аммиачные и аммонийно-нитратные формы, которые медленно высвобождают азот.
• Припосевное (рядковое) — вносят в небольших дозах одновременно с посевом семян для стимулирования начального роста.
• Подкормка (вегетационная) — удобрения вносят в период активного роста растений, чаще всего в виде растворов или гранул. Для подкормки используют нитратные и амидные формы, которые быстро усваиваются.

Влияние на окружающую среду

Чрезмерное применение азотных удобрений может приводить к негативным экологическим последствиям. Избыток нитратов вымывается из почвы в грунтовые воды и водоёмы, вызывая эвтрофикацию — бурное разрастание водорослей, которое снижает содержание кислорода в воде и приводит к гибели рыбы. Кроме того, в процессе денитрификации в почве образуется закись азота (N₂O) — парниковый газ, который в 300 раз активнее углекислого газа в плане парникового эффекта.

Для снижения негативного воздействия разрабатываются технологии точного земледелия, позволяющие вносить удобрения с учётом потребностей конкретных участков поля, а также используются ингибиторы нитрификации — вещества, замедляющие превращение аммония в нитрат, что уменьшает вымывание азота.

Экономическое значение

Азотные удобрения являются одним из ключевых факторов повышения урожайности в сельском хозяйстве. По оценкам Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО), около 40–50 % прироста мирового производства продовольствия в XX веке связано с применением минеральных удобрений, в первую очередь азотных. Мировой рынок азотных удобрений оценивается в десятки миллиардов долларов США. Цены на них сильно зависят от стоимости природного газа, который составляет до 70–80 % себестоимости производства аммиака.

Интересные факты

• В 2022 году, после начала полномасштабного конфликта на Украине, цены на азотные удобрения в мире резко выросли из-за сокращения поставок из России и Беларуси, что привело к кризису продовольственной безопасности в ряде стран Африки и Азии.
• Аммиачная селитра используется не только как удобрение, но и как компонент взрывчатых веществ, поэтому её производство и оборот контролируются государством.
• В 1913 году первый завод по синтезу аммиака в Германии производил всего 30 тонн аммиака в сутки; современные предприятия могут выпускать до 3000 тонн в сутки.