Агрохимия, 2019, № 12, стр. 39-46

ВВЕДЕНИЕ

Оптимальное соотношение основных элементов питания растений – азота, фосфора и калия – в применяемых удобрениях в первую очередь определяется агрохимическими свойствами почвы, выращиваемыми сельскохозяйственными культурами, используемыми агротехническими приемами и методами, климатическими условиями. Для культур, выращиваемых на территории Российской Федерации, оптимальным является соотношение 1.0 : 0.9 : 0.7 в пересчете на N, P₂O₅ и K₂O [1, 2]. До 1990 г. это соотношение было близким к научно обоснованному, однако затем в результате произошедших экономических преобразований, одновременно с резким сокращением объемов внесения удобрений оно изменилось в сторону увеличения доли азота. К 2000 г. доля фосфора и калия в потребляемых в РФ удобрениях достигла минимума (соотношение основных питательных элементов составило 1.0 : 0.2 : 0.2) и в последующие годы практически не изменилось [3–5].

В результате сложившегося отрицательного баланса элементов назрела необходимость восполнения дефицита фосфора и калия для сохранения плодородия почв. Одним из инструментов для покрытия указанного дефицита могут выступать фосфорно-калийные удобрения, однако большинство известных способов их производства либо экономически не эффективно, либо не позволяет получать продукт, удовлетворяющий требованиям потребителей по качеству. В зарубежных странах фосфорно-калийные удобрения в основном получают путем сухого смешения готовых гранулированных простых фосфорных и калийных удобрений [6], при этом смешанные удобрения обладают рядом существенных недостатков, связанных с сегрегацией компонентов и различным химическим составом отдельных гранул, что приводит к неравномерному распределению питательных веществ при их внесении в почву [5]. В связи с этим в АО “НИУИФ” была разработана гибкая технология производства сложных гранулированных PKS- и NPKS-удобрений на основе фосфатов кальция и аммония с использованием аппарата, совмещающего стадии гранулирования и сушки – барабанного гранулятора-сушилки (БГС). Процесс получения РКS-удобрений заключается в нейтрализации экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК) или ее смеси с серной кислотой карбонатом кальция с последующим введением в полученную нейтрализованную пульпу хлористого калия. Серная кислота может быть заменена на сульфат кальция из гипса или полупродукта производства ЭФК – пульпы ЭФК без отделения фосфогипса. Для получения NPKS-удобрений в нейтрализованную пульпу помимо хлористого калия вводят сульфат аммония или NP-удобрения. Технология защищена 3‑мя патентами РФ [7–9] и реализована в Волховском филиале АО “Апатит” (г. Волхов).

Согласно результатам анализов промышленных образцов, РКS- и NPKS-удобрения обладают хорошими физико-механическими свойствами и представляют собой сферичные, прочные (статическая прочность не ниже 5–6 МПа) и однородные по гранулометрическому и химическому составу гранулы (рис. 1, 2), имеющие низкую пылимость и склонность к слеживанию. Содержание фосфора в усвояемой форме составляет не менее 95% от общего содержания.

Рис. 1.

Гранулы PKS-удобрения марки 0-20-20(5S).

Рис. 2.

Микрофотография скола гранулы PKS-удобрения марки 0-20-20(5S) и распределение различных химических элементов по поверхности скола.

Для оценки агрохимической эффективности PKS-удобрений в течение 2-х лет была проведена серия вегетационных опытов с использованием промышленных образцов удобрений. Опыты проводили по общепринятой методике [10] в четырехкратной повторности в сосудах Митчерлиха, вмещающих по 5 кг сухой почвы, в вегетационном домике при кафедре агрономической, биологической химии и радиологии РГАУ–МСХА. В опытах использовали дерново-подзолистую почву тяжелосуглинистого и супесчаного гранулометрического состава с содержанием подвижного фосфора на уровне II и III группы обеспеченности, обменного калия – на уровне II и I группы. Поскольку исходная почва характеризовалась сильнокислой реакцией среды, перед закладкой опытов она была произвесткована жженой известью (СаО), дозу которой рассчитывали по величине гидролитической кислотности, измеренной титриметрическим методом по Каппену. После известкования почва имела нейтральную реакцию и степень насыщенности основаниями >85%.

В первый год изучали прямое действие PKS-удобрений на урожай ярового ячменя и ярового рапса. В качестве источника азота во всех опытах применяли аммиачную селитру (NH₄NO₃), фосфора, калия и серы – промышленные образцы PKS-удобрения марки 0-20-20(5S) различного гранулометрического состава или гранулированный двойной суперфосфат (Ca(H₂PO₄)₂ · H₂O), хлористый калий (KCl) и гипс (CaSO₄ · 2H₂O). Все удобрения вносили в почву при набивке сосудов. Двойной суперфосфат, гипс и PKS-удобрение вносили в виде сухих навесок, аммиачную селитру и хлористый калий – в виде растворов. Схема опыта включала 4 варианта (табл. 1). Дозы удобрений составили N₉₀, P₉₀, K₉₀, S₁₂. Действие удобрений оценивали относительно варианта 4 (без внесения фосфора) и варианта 1 (с внесением двойного суперфосфата).

Полив растений осуществляли водопроводной водой, во время вегетации проводили однократную корневую подкормку растений аммиачной селитрой в дозе 50 мг N/кг почвы. После сбора и высушивания урожая была определена масса основной и побочной продукции и проведена статистическая обработка результатов по [11]. Результаты вегетационных опытов по изучению прямого действия PKS-удобрения марки 0-20-20(5S) на урожай ярового ячменя и ярового рапса на тяжелосуглинистой и супесчаной почвах приведены в табл. 2.

Показано, что при выращивании ярового рапса на дерново-подзолистой супесчаной почве все фосфорсодержащие удобрения оказали существенное влияние на величину урожая. При этом наибольшая прибавка урожая по отношению к контрольному варианту (вариант 4) была получена при внесении PKS-удобрения с размером гранул 2 мм (вариант 2), которое не уступало в действии эквивалентному по содержанию фосфора количеству двойного суперфосфата (вариант 1). PKS-удобрение с размером гранул 4 мм (вариант 3) существенно уступало в действии двойному суперфосфату и PKS-удобрению с размером гранул 2 мм.

При выращивании ячменя на супесчаной почве удобрения оказали меньший положительный эффект по сравнению с рапсом. Максимальный урожай зерна и соломы был получен в варианте 2 с внесением PKS-удобрения с размером гранул 2 мм. Гранулы PKS-удобрения размером 4 мм и двойной суперфосфат оказали более слабое действие на урожай.

При выращивании рапса и ячменя на тяжелосуглинистой почве отмечена низкая эффективность всех фосфорсодержащих удобрений. По действию на урожай зерна рапса PKS-удобрения с гранулами размером 2 мм и двойной суперфосфат показали бóльшую эффективность по сравнению с гранулами 4 мм, при этом все фосфорсодержащие удобрения оказали одинаковое действие на урожай соломы и биомассы растений в целом. При выращивании ячменя PKS-удобрения не оказали положительного воздействия на урожай, в то время как двойной суперфосфат влиял незначительно, но положительно на урожай зерна и соломы.

Во 2-й год опыта было изучено последействие внесенных удобрений. Опыты проводили в тех же сосудах, но с другими сельскохозяйственными культурами: после ярового рапса выращивали горох, после ярового ячменя – райграс многоукосный. Во все сосуды перед посевом были дополнительно внесены NH₄NO₃ и KCl, из расчета 1.3 г N и 0.75 г K₂O на сосуд. Данные опыта по изучению последействия PKS-удобрения марки 0-20-20(5S) на урожай гороха и райграса на тяжелосуглинистой и супесчаной почвах приведены в табл. 3.

Показано, что на супесчаной почве самым эффективным удобрением при выращивании гороха оказался двойной суперфосфат, обеспечивший получение максимального урожая зеленой массы. PKS-удобрение также обеспечило получение достоверной прибавки урожая. При этом следует отметить, что прибавка урожая зерна гороха при внесении PKS-удобрения с размером гранул 4 мм была больше, а прибавка массы соломы значительно меньше по сравнению с PKS-удобрением с размером гранул 2 мм, что объясняется, вероятно, более медленным растворением гранул крупной фракции.

По последействию на урожай сена райграса при выращивании его на супесчаной почве PKS-удобрения не уступали в эффективности суперфосфату, а максимальным последействием обладало PKS-удобрение с размером гранул 2 мм.

На тяжелосуглинистой почве наибольшая прибавка урожая зерна гороха по сравнению с контрольным вариантом получена при применении PKS-удобрения с размером гранул 2 мм. При выращивании райграса на тяжелосуглинистой почве максимальным последействием обладал суперфосфат, при этом PKS-удобрение с размером гранул 4 мм практически не уступало ему по эффективности.

Таким образом, установлено, что РКS-удобрения обладают пролонгированным действием и продолжают обеспечивать растения фосфором на следующий год после их внесения в почву.

Используя 2-летние данные и исходя из величины выноса фосфора урожаем сельскохозяйственных культур, разностным методом (с учетом выноса фосфора в варианте 4) были рассчитаны коэффициенты использования (КИ) фосфора из изученных удобрений (табл. 4).

При сопоставлении коэффициентов использования установлено, что доступность фосфора из гранул PKS-удобрения с размером гранул 2 мм во всех опытах была несколько больше, чем из гранул 4 мм. В опытах, проведенных на супесчаной почве, использование растениями фосфора из гранул PKS-удобрения с размером гранул 2 мм практически не отличалось от двойного суперфосфата, однако в опытах на тяжелосуглинистой почве доступность фосфора из PKS-удобрения оказалась меньше, чем из двойного суперфосфата.

Пролонгированный характер действия PKS-удобрений подтвержден также исследованием скорости растворения гранул по алгоритму, предложенному IFDC [12]. В табл. 5 представлены результаты испытания для PKS-удобрения марки 0-20-20(5S) для гранул размером 2 мм и 4 мм по сравнению с двойным суперфосфатом. Из приведенных данных видно, что скорость растворения PKS-удобрения марки 0-20-20(5S) в воде была меньше по сравнению с двойным суперфосфатом.

Сколы гранул удобрения PKS 0-20-20(5S) (исходных образцов и образцов после растворения) исследовали методом сканирующей электронной микроскопии с применением электронного микроскопа TM3030 (HITACHI). Методом рентгенофлуоресцентного микроанализа на EDX-приставке Quantax-70 исследовали распределение химических элементов по сколу гранул. На рис. 3 показана микрофография скола гранулы PKS-удобрения марки 0-20-20(5S) и распределение химических элементов по сколу гранулы после ее растворения в течение 30 мин. В табл. 6 приведен химический состав поверхности сколов гранул исследованных образцов, определенный методом рентгенофлуоресцентного микроанализа.

Рис. 3.

Микрофотография скола гранулы PKS-удобрения марки 0-20-20(5S) и распределение химических элементов по сколу гранулы после растворения в воде в течение 30 мин.

Исходя из представленных данных, можно сделать вывод, что растворение гранул PKS-удобрений начинается с поверхностного слоя, причем глубина его возрастает с увеличением времени растворения. В первую очередь из гранулы вымывается KCl, в приповерхностном слое его содержание значительно снижается по сравнению с центром гранулы. Следует отметить, что степень растворения в значительной мере определяется гранулометрическим составом продукта: гранулы крупной фракции (4 мм) растворяются в меньшей степени, чем гранулы мелкой фракции (2 мм), что связано с уменьшением площади контакта образца с водой.

Таким образом, пролонгированный характер действия РКS-удобрений обусловлен особенностью микроструктуры гранул, состоящей из взаимосокристаллизованных микрокристаллов хлористого калия, моно- и дикальцийфосфата и сульфата кальция. Такая структура замедляет растворение хлористого калия и монокальцийфосфата за счет экранирующего действия медленно растворяющихся дикальцийфосфата и сульфата кальция.

Содержание дикальцийфосфата в продукте в свою очередь при необходимости изменения скорости растворения может регулироваться за счет корректировки технологических параметров процесса его получения. По мере увеличения нормы мела, подаваемого на нейтрализацию фосфорной кислоты, происходит снижение содержания P₂O₅ в водорастворимой форме (рис. 4), что обусловлено возрастанием содержания в продукте малорастворимого в воде дикальцийфосфата [13, 14]. При этом содержание P₂O₅ в усвояемой форме от нормы мела практически не зависит, поскольку P₂O₅ в составе дикальцийфосфата является усвояемым, и его доля во всех продуктах составляет 96.2–97.5% от общего содержания.

Рис. 4.

Зависимость соотношений Р₂О_5вод : Р₂О_5общ и Р₂О_5усв : Р₂О_5общ в PKS-удобрениях различных марок от нормы мела, подаваемого на нейтрализацию кислот.

ВЫВОДЫ

1. Исследованные сложные гранулированные PKS-удобрения показали свою высокую эффективность при выращивании различных сельскохозяйственных культур в условиях вегетационных опытов. Наиболее полно их действие раскрывается при использовании на почве более легкого гранулометрического состава, а коэффициенты использования P₂O₅ из этих удобрений не уступают коэффициентам использования фосфора из двойного суперфосфата при внесении их в эквивалентном количестве.

2. Коэффициенты использования фосфора из PKS-удобрения с размером гранул 2 мм выше, чем из гранул размером 4 мм, что обусловлено более низкой скоростью растворения крупных гранул вследствие меньшей площади поверхности контакта с почвой.

3. По результатам двухлетних лабораторных и вегетационных испытаний установлено, что РКS-удобрения обладают пролонгированным действием и продолжают обеспечивать растения фосфором на следующий год после внесения в почву. Пролонгированный характер действия РКS-удобрений, в том числе, обусловлен особенностью строения микроструктуры гранул, состоящей из взаимосокристаллизованных микрокристаллов хлористого калия, моно- и дикальцийфосфата и сульфата кальция и замедляющей растворение гранулы за счет экранирующего действия медленно растворяющихся дикальцийфосфата и сульфата кальция.