Суперфосфат
Суперфосфат — это химическое удобрение, впервые синтезированное в 1840-х годах путем реакции костей с серной кислотой . Впоследствии процесс был усовершенствован путем взаимодействия фосфат- копролитов с серной кислотой. Впоследствии были открыты и использованы другие богатые фосфатами месторождения, такие как фосфориты . Растворимый фосфат является важным питательным веществом для всех растений, а доступность суперфосфата произвела революцию в производительности сельского хозяйства.
История
[ редактировать ]Первые богатые фосфатами удобрения изготавливались из гуано , навоза или измельченных костей. [1] Эти ресурсы были настолько ценными во время промышленной революции , что кладбища и катакомбы по всей Европе были разграблены в поисках человеческих костей, чтобы удовлетворить спрос. [1]
В 1842 году преподобный Джон Стивенс Хенслоу нашел копролиты – окаменелый навоз динозавров – в скалах южного Саффолка в Англии. Ему было известно о предыдущих исследованиях Уильяма Бакленда в Дорсете , которые показали, что копролиты богаты фосфатами, которые можно сделать доступными для растений путем растворения в серной кислоте. Джон Беннет Лоуз , который занимался сельским хозяйством в Хартфордшире , узнал об этих открытиях и провел собственные исследования на своей ферме в Ротамстеде (позже сельскохозяйственная исследовательская станция), назвав полученный продукт «суперфосфатом извести». [2] Он запатентовал открытие и в 1842 году начал производить суперфосфат из окаменелого навоза динозавров в промышленных масштабах; это был первый химический навоз, произведенный в мире. [1]
Эдвард Паккард , осознавая значимость работы Лоуза, переоборудовал мельницу в Ипсвиче для производства этого нового удобрения из копролитов, добытых в деревне Киртон . В 1850-х годах он перенес свое производство в Брэмфорд, рядом с аналогичной новой фабрикой, которой управлял Джозеф Файсонс. Эти предприятия должны были стать частью компании по производству удобрений Fisons . Улица, на которой стояла первоначальная мельница, до сих пор называется улицей Копролита . [3]
Сельскохозяйственное значение
[ редактировать ]Всем растениям и животным для нормального обмена веществ необходимы соединения фосфора, хотя у растений они могут составлять всего лишь 2% их сухого вещества. [4] Фосфор может находиться в форме растворимых неорганических фосфатов или органических соединений, содержащих фосфор. В живой клетке энергия накапливается или расходуется с помощью сложного ряда биохимических процессов, которые включают преобразование аденозинтрифосфата в аденозиндифосфат при расходовании энергии и наоборот, когда энергия накапливается, как при фотосинтезе . [5]
Суперфосфат относительно дешев. [6] по сравнению с другими доступными источниками фосфата. Более низкая цена способствует его широкому распространению, особенно в развивающихся регионах, где стоимость сельскохозяйственных ресурсов имеет большое значение. [7]
Судьба фосфатов в почве сложна, поскольку они легко образуют комплексы с другими минералами, такими как глины, соли алюминия и железа. [4] и обычно может быть недоступен для растений, за исключением выветривания и действия бактерий и почвенного микробиома . [4] Преимущество суперфосфатных удобрений состоит в том, что значительная часть содержащихся в них фосфатов растворима и сразу же доступна растениям. Таким образом, это обеспечивает очень быстрый стимул для роста растений. Однако сложная динамика почвы имеет тенденцию к иммобилизации фосфатов в минеральных комплексах или органических лигандах, что снижает их доступность для растений. Фосфаты также попадают в почву и растительную среду, когда урожай собирают или потребляют животные, или иным образом попадают в местную систему. Фосфаты имеют тенденцию прочно связываться с мелкими отложениями в почве. [8] Выщелачивание осадков из почвы может привести к повышению концентрации фосфатов в принимающем водотоке. [9]
Добавление фосфора в виде суперфосфата позволяет значительно повысить урожайность сельскохозяйственных культур. [4] Хотя происходит некоторое пополнение почвенного фосфора из минеральных источников и высвобождение из почвенных комплексов за счет физических и биологических механизмов, скорость повторной солюбилизации слишком низка для поддержания современной продуктивности сельского хозяйства. Органический фосфор, содержащийся в растительных или животных веществах, гораздо легче повторно растворяется по мере разложения материала под действием микробов . [4]
Однако ключевое качество, которое сделало суперфосфат таким привлекательным — растворимость фосфата — также создало постоянный спрос на этот продукт, поскольку растворимые соли фосфора и фосфат, связанные с мелкими отложениями, вымываются с полей в реки и ручьи, где они теряются для сельского хозяйства. [10] но способствовать нежелательной эвтрофикации . [5]
Производство
[ редактировать ]Суперфосфаты производятся во всех основных промышленных центрах мира, включая Европу, Китай и США. [11] В 2021 году было произведено около 689 916 тонн суперфосфата, более половины из которых - в Польше, а значительные объемы - в Индонезии, Бангладеш, Китае и Японии. [12]
Составы
[ редактировать ]Все составы суперфосфатов содержат значительную долю растворимых и доступных фосфат-ионов, что является ключевым качеством, которое сделало их незаменимыми для современного сельского хозяйства. [7]
Одиночный суперфосфат
[ редактировать ]Единый суперфосфат получают традиционным методом экстракции фосфоритной руды серной кислотой , смесью примерно 1:1. Ca(H 2 PO 4 ) 2 и СаСО 4 . [13]
Двойной суперфосфат
[ редактировать ]Термин «двойной суперфосфат» относится к смеси тройного и одинарного суперфосфата, образующейся в результате экстракции фосфоритной руды смесью фосфорной и серной кислот. [13]
Тройной суперфосфат
[ редактировать ]Тройной суперфосфат входит в состав многих фирменных удобрений . В основном он состоит из монокальцийфосфата . Са(Н 2 РО 4 ) 2 . Его получают путем обработки фосфоритной руды фосфорной кислотой. Многие патентованные удобрения получают из тройного суперфосфата, например, путем смешивания с сульфатом аммония и хлоридом калия . Типичный тройной суперфосфат для удобрений содержит 45% P 2 O 5 экв, одинарный суперфосфат 20% P 2 O 5 экв. [13]
Негативные последствия суперфосфата
[ редактировать ]Постоянное использование суперфосфата может привести к подкислению почвы, особенно на плохо забуференных почвах, изменяя уровень pH и потенциально ограничивая доступность питательных веществ. [14] Это требует тщательного мониторинга и управления pH почвы для предотвращения долгосрочной деградации почвы . [15]
Производство и транспортировка производят значительные количества CO 2, составляющие, по некоторым оценкам, 1,2 кг/кг при производстве суперфосфата и 238 г/кг при транспортировке. [16] Другие источники отмечают, что если предположить, что вся сера для серной кислоты извлекается из обессеривания нефти и газа , [17] а реакция производства суперфосфата является экзотермической: при условии, что выделяемое тепло полностью используется повторно, весь цикл может иметь отрицательный углеродный след всего лишь -518 г/кг только для производства. [16]
Хотя суперфосфат обогащает почву фосфором, его чрезмерное или несбалансированное внесение может нарушить соотношение питательных веществ, что приведет к дефициту или токсичности растений. Появляются доказательства того, что повышенные уровни могут быть связаны со смертельными инфекциями, вызванными Phytophthora cinnamomi . [18] Устойчивые методы внесения удобрений, включая тестирование почвы и целевое внесение, необходимы для снижения этого риска. [19]
Доступность подходящих богатых фосфатами пород ограничена, а оценки « пика фосфора » варьируются от 30 лет до 2022 года. [20] или где-то между 2051 и 2092 годами. [21] По мере увеличения численности населения и увеличения спроса на продукты питания доступность суперфосфатных удобрений в будущем может стать менее безопасной, что позволяет предположить, что, возможно, потребуется разработать альтернативные источники фосфатов. [10]
Значительное количество растений, особенно тех, которые возникли в Гондване , обладают чувствительностью к избытку фосфора. [18] получают все необходимое от ассоциаций с арбускулярной микоризой . Примеры растений, непереносимых к внесению суперфосфата, включают Hakea prostrata и Grevillea crithmifolia . Многие наземные орхидеи, которые зависят от микоризных ассоциаций, могут иметь аналогичную чувствительность к повышенному уровню фосфатов. [22] популяцию можно подавить применением удобрений, содержащих суперфосфат. [23]
Эвтрофикация рек, озер и морей имеет хорошо документированную связь с увеличением концентрации фосфатов. Однако оценить вклад, вносимый в эту проблему использованием суперфосфата, сложно из-за широкого спектра других источников соединений фосфора в потоках отходов как человека, так и животных. Недавние проблемы на реке Уай были связаны с интенсивным выращиванием птицы с избытком фосфатов, поступающим из плохо убираемого куриного помета. [24] [25]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с О'Коннор, Бернард (2005). «Истоки и развитие британской промышленности копролита» (PDF) . История горного дела: Бюллетень Исторического общества Пик-Дистрикт . 14 (5). Архивировано из оригинала (PDF) 2 февраля 2017 г. Проверено 27 марта 2024 г.
- ^ Ивелл, Дэвид М. (2012). «Производство фосфорных удобрений – с 1830-х по 2011 год и далее» . Процедия Инжиниринг . 46 : 166–171. дои : 10.1016/j.proeng.2012.09.461 . Архивировано из оригинала 26 апреля 2024 года . Проверено 28 марта 2024 г.
- ^ «История Корполитной улицы» . Ипсвичский морской фонд. 26 октября 2019 г. Архивировано из оригинала 17 мая 2020 г. . Проверено 28 марта 2024 г.
- ^ Jump up to: а б с д и «Основы фосфора: понимание форм фосфора и их круговорота в почве» . Университеты A&M Алабамы и Оберна. 19 апреля 2019 года. Архивировано из оригинала 28 марта 2024 года . Проверено 28 марта 2024 г.
- ^ Jump up to: а б «Почему фосфор важен» . Департамент первичной промышленности Нового Южного Уэльса. Архивировано из оригинала 28 марта 2024 года . Проверено 28 марта 2024 г.
- ^ «История: Суперфосфат» . Энциклопедия Новой Зеландии - Теара. 24 ноября 2008 г. Архивировано из оригинала 8 апреля 2024 г. Проверено 8 апреля 2024 г.
- ^ Jump up to: а б «Фосфор: ограниченный ресурс, необходимый для жизни, критически важный для сельского хозяйства и продовольственной безопасности» . CSIRO _ Австралийское научное агентство. 26 июня 2019 года. Архивировано из оригинала 28 марта 2024 года . Проверено 28 марта 2024 г.
- ^ «Фосфор» . Гавайский университет в Маноа. Архивировано из оригинала 8 апреля 2024 года . Проверено 8 апреля 2024 г.
- ^ «Вымывание фосфора из почв» . Научный вклад Альтера - Университет Вагенингена. 26 мая 2015 г. Архивировано из оригинала 29 марта 2024 г. . Проверено 8 апреля 2024 г.
- ^ Jump up to: а б «Фосфор: необходим для жизни. Неужели мы на исходе?» . Колумбийская климатическая школа. 1 апреля 2013 года. Архивировано из оригинала 8 апреля 2024 года . Проверено 8 апреля 2024 г.
- ^ «Нормальные суперфосфаты» (PDF) . Агентство по охране окружающей среды. Архивировано (PDF) из оригинала 28 марта 2024 года . Проверено 28 марта 2024 г.
- ^ «Суперфосфат выше 35% – производство» . Кноэма. Архивировано из оригинала 29 марта 2024 года . Проверено 28 марта 2024 г.
- ^ Jump up to: а б с Конгшауг, Гуннар; Брентналл, Бернард А.; Чейни, Кейт; Грегерсен, Ян-Хельге; Стокка, Пер; Перссон, Бьёрн; Кольмейер, Ник В.; Конрадсен, Арне; Легард, Торбьёрн; Мунк, Харальд; Скаули, Эйвинд; Кийски, Харри; Сольхейм, Кай Роджер; Легард, Торбьёрн; Брентналл, Бернард А.; Рауман-Аалто, Паулина (2014). «Фосфорные удобрения». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. стр. 1–49. дои : 10.1002/14356007.a19_421.pub2 . ISBN 978-3527306732 .
- ^ Хорснелл, ЖЖ (1985). «Выращивание улучшенных пастбищ на кислых почвах. 1. Влияние суперфосфата и извести на рН почвы, а также на укоренение и рост фаляриса и люцерны» . Австралийский журнал экспериментального сельского хозяйства . 25 . CSIRO: 149. doi : 10.1071/ea9850149 . Архивировано из оригинала 28 марта 2024 года . Проверено 28 марта 2024 г.
- ^ фон Тухер, С.; Хёрндль, Д.; Шмидхальтер, У. (24 ноября 2017 г.). «Взаимодействие pH почвы и эффективности фосфора: долгосрочное воздействие фосфорных удобрений и извести на пшеницу, ячмень и сахарную свеклу» . Амбио . 47 (Приложение 1): 41–49. дои : 10.1007/s13280-017-0970-2 . ПМЦ 5722739 . ПМИД 29178058 .
- ^ Jump up to: а б «Таблица 7: Коэффициенты выбросов парниковых газов для фосфорных удобрений» (PDF) . Стэнфордский университет. Июнь 2004 г. Архивировано (PDF) из оригинала 28 марта 2024 г. Проверено 28 марта 2024 г.
- ^ «Минеральный ресурс месяца – Сера» . Американский геологический институт. Июль 2023 г. Архивировано из оригинала 29 марта 2024 г. Проверено 29 марта 2024 г.
- ^ Jump up to: а б «Сверхчувствительные растения» (PDF) . Университет Западной Австралии. Апрель 2024 г. Архивировано (PDF) из оригинала 26 апреля 2024 г. Проверено 28 марта 2024 г.
- ^ «Профилактика заражения фитофторой в восстановительных питомниках» . Государственный университет Орегона. Январь 2022 года. Архивировано из оригинала 8 апреля 2024 года . Проверено 8 апреля 2024 г.
- ^ «Приближаемся к пику фосфора» . Природные растения . 8 . 15 сентября 2022 года. Архивировано из оригинала 27 марта 2024 года . Проверено 28 марта 2024 г.
- ^ Риски и возможности на мировом рынке фосфоритной руды (PDF) . Гаагский центр стратегических исследований. ISBN 978-94-91040-69-6 . Архивировано (PDF) из оригинала 26 апреля 2024 года . Проверено 29 марта 2024 г.
- ^ Дэвис, Б.; Лим, Вашингтон; Ламберс, Х.; Диксон, КВ; Рид, диджей (12 мая 2022 г.). «Питание неорганическим фосфором в сеянцах зеленолистных наземных орхидей» . Анналы ботаники . 129 (6): 669–678. дои : 10.1093/aob/mcac030 . ПМЦ 9113155 . ПМИД 35247265 .
- ^ Нури, Э.; Сюрв, Р.; Бапом, Л.; Стампе, М.; Чен, М.; Чжан, Ю.; Рюйтер-Спира, К.; Баумистер, Х.; Глаузер, Г.; Брюссон, С.; Рейнхардт, Д. (28 июня 2021 г.). «Фосфат-подавление арбускулярного микоризного симбиоза включает передачу сигналов гибберелловой кислоты» . Физиология растений и клеток . 62 (6). Национальная медицинская библиотека: 959–970. дои : 10.1093/pcp/pcab063 . ПМЦ 8504448 . ПМИД 34037236 .
- ^ «Анализ: переломный момент для фосфатов и реки Уай» . MA Сельское хозяйство. 20 февраля 2023 года. Архивировано из оригинала 29 марта 2024 года . Проверено 29 марта 2024 г.
- ^ «Ривер Уай: Загрязнение не вызвано сельским хозяйством, - говорит НФУ» . Новости Би-би-си . 14 августа 2023 года. Архивировано из оригинала 29 марта 2024 года . Проверено 29 марта 2024 г.