Россия
УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
ГРНТИ 68.05 Почвоведение
Цель исследований – сократить потери азота при использовании азотных удобрений и пролонгировать их действие для более рационального обеспечения азотом растений в течение всего вегетационного периода. Для сокращения потерь азота из азотных удобрений впервые разработаны силикатные покрытия с регулируемой скоростью растворения. Преимущества силикатов и в том, что они нетоксичны, не являются загрязнителями окружающей среды и представляют питательную ценность для растений. Разработка технологии получения удобрений пролонгированного действия на основе использования силикатных покрытий и оптимизация приемов их применения является важной и актуальной народнохозяйственной задачей. Разработана и реализована технология нового медленно-действующего удобрения на основе мочевины капсулированной продуктом взаимодействия силиката натрия и хлорида кальция. Изучены физико-химические свойства капсулированной мочевины. Показана эффективность применения капсулированной мочевины в вегетационном опыте с ячменём сорта Атлант с использованием изотопа азота 15N. Прибавка урожая ячменя на слабоокультуренной дерново-подзолистой почве составляет 12,0% (2,9 г/сосуд), коэффициент использования азота увеличился с 49,0 до 55,0%, его потери уменьшились с 31,0 до 26,0%. Эффективность применения капсулированной мочевины, как основного азотного удобрения под яровую пшеницу на выщелоченном черноземе и серой лесной почве, в различные годы проявляется неодинаково. Прибавка урожая зерна яровой пшеницы в увлажненном 2012 году от капсулирования мочевины составляет 11,8% при урожае 30,4 ц/га, в засушливом 2013 году – 12,8% при урожае 19,4 ц/га, в 2014 году – 15,7% при урожае на контроле 21,7 ц/га. Изучено влияние капсулированной мочевины с ингибиторами уреазы (гидрохинон и гумат натрия) на урожай и качество картофеля сорта Невский и столовой свеклы.
азот, мочевина, силикат, ингибитор, удобрение
Самым концентрированным (46,6% азота) твердым азотным удобрением является мочевина, на выпуск которой в последние годы переориентируется большинство химических предприятий. Быстрый рост производства и потребления мочевины по сравнению с другими азотными удобрениями объясняется следующими преимуществами: 1) высокое содержание азота (46,6%) экономически выгодно; 2) мочевина не взрывоопасна, менее гигроскопична, слабее слёживается и поэтому более транспортабельна; 3) в виду использования дешёвой углекислоты CO2 стоимость исходных материалов для производства мочевины относительно ниже, чем для производства аммиачной
селитры и сульфата аммония, но наряду с преимуществами мочевина имеет существенные
недостатки – она менее стабильна, чем другие азотные удобрения (разлагается при более низкой температуре – 30-50℃, без взрыва или загорания; 4) большие потери азота мочевины вследствие гидролиза и улетучивания выделяющегося аммиака (до 75%) [9]:
CO(NH2)2 + H2O → (NH4)2CO3 → 2NH3 +CO2,
поэтому для сокращения потерь азота мочевины разработаны силикатные покрытия с регулируемой скоростью растворения и использованием азота в течение всего вегетационного периода растений.
Разработка технологии получение удобрений пролонгированного действия на основе использования силикатных покрытий и оптимизация приемов их применения является актуальным и имеет большое практическое значение.
Цель исследований – сократить потери азота при использовании азотных удобрений и пролонгировать их действие для более рационального обеспечения азотом растений в течение всего вегетационного периода.
Задачи исследований – разработать технологию капсулирования мочевины силикатом кальция; изучить основные физико-химические свойства капсулированной мочевины в сравнении с некапсулированной; определить эффективность применения капсулированной силикатами мочевины в вегетационных и полевых опытах с зерновыми культурами на разных типах почв в условиях Северного Зауралья Тюменской области.
Материалы и методы исследований. При проведении исследований использовалась гранулированная мочевина (ГОСТ 2081-75, марка Б): 20% Na2SiO3, 33% CaCl2, лабораторная установка с «кипящим» слоем и полупромышленная установка, действующая по тому же принципу.
Для характеристики полученного продукта было проведено изучение следующих физико-химических свойств капсулированной мочевины:
1) масса силикатной плёнки – гравиметрически после озоления;
2) механическая прочность – методом раздавливания под прессом;
3) рассеваемость – с помощью воронки Меринга;
4) влажность – методом высушивания в термостате;
5) растворимость – рефрактометрическим методом.
После уборки урожая в растениях ячменя (зерне, соломе, корнях), яровой пшеницы и почве определяли общее содержание азота по методу Къельдаля, а изотопный состав – на оптическом анализаторе МСД. Общее содержание белка в зерне яровой пшеницы определяли по методу Къельдаля, фосфора – по методу Кирсанова, калия – на пламенном фотометре ПФМ.
Уборка урожая проводилась вручную, методом связывания в снопы с последующим обмолачиванием и взвешиванием. Математическую обработку результатов опытов проводили методом дисперсионного анализа по В. А. Доспехову.
Результаты исследований. Для понижения растворимости мочевины (ГОСТ 2081-75, марка Б) и улучшения её физико-химических свойств с целью более эффективного использования в качестве основного удобрения, была разработана и реализована в лабораторных условиях и на производстве технология капсулирования гранул мочевины силикатом кальция.
Сущность технологии состоит в следующем: гранулы мочевины обрабатывались в «кипящем слое» аэрозолем 20% водного раствора силиката натрия с модулем 2,8, концентрациями SiO2 и Na2O 435 г/л и 158 г/л соответственно и 33% водным раствором хлорида кальция при температуре 30-40℃ в течение 9-12 минут с расходом: по Na2SiO3 – 0,026 кг, по CaCl2 – 0,024 кг в расчёте на
1 кг удобрения при условии, что силикатная плёнка составляет 2,52% от массы удобрения. При этом поверхность гранул покрывается прочной медленнорастворимой плёнкой из силиката кальция: Na2SiO3 + CaCI2 → CaSiO3 + 2NaCI.
Для осуществления процесса капсулирования в лабораторных условиях использовалась установка, состоящая из стеклянной колонки с металлической сеткой, подставки и пылесоса, из которого поступает тёплый воздух с определённой скоростью и приводит в движение гранулы мочевины, при этом весь слой гранул переходит из неподвижного состояния во взвешенное. В таком состоянии гранулы передвигаются во всех направлениях, что позволяет равномерно покрыть их плёнкой. Внешний вид слоя напоминает кипящую жидкость [3, 4].
Наработка больших количеств капсулированной мочевины была проведена в Санкт-Петербурге на полупромышленной установке, действующей по тому же принципу.
Для характеристики полученного продукта было проведено изучение следующих физико-химических свойств капсулированной мочевины: масса силикатной плёнки, механическая прочность, рассеваемость, влажность, растворимость.
Результаты экспериментальных исследований растворимости обычной мочевины и мочевины капсулированной силикатом кальция показали, что характер зависимости изменения концентраций во времени при растворении некапсулированной мочевины и мочевины капсулированной силикатом кальция, одинаков, но время достижения максимума различно (5 минут в случае растворения некапсулированной мочевины и 10 минут в случае растворения мочевины капсулированной силикатом кальция).
Следовательно, растворимость капсулированной мочевины уменьшается в среднем в 2 раза, механическая прочность гранул силикатной плёнкой увеличивается на 54,6 г/гранулу, рассеваемость и влажность отвечают стандартным требованиям (табл. 1).
Таблица 1
Изменения физико-химических свойств мочевины, капсулированной силикатом кальция
|
Удобрения |
Масса силикатной плёнки, масс.% |
Содержание SiO2, масс.% |
Механическая прочность гранул, г/гранула |
Растворимость |
Рассеваемость, баллы |
|
Мочевина |
- |
- |
Не менее 300,00 |
51,14 |
9,6 |
|
Мочевина |
2,52 |
1,30 |
354,60 |
25,57 |
9,4 |
Основной питательный компонент капсулированной мочевины – азот – полностью сохраняется, чему способствуют условия капсулирования гранул силикатом кальция (температура обработки и сушки гранул).
Предложенная технология проста не требует дополнительного опудривания гранул удобрений другими веществами, а силикатное покрытие более экологически «чистое», так как не содержит загрязняющих окружающую среду примесей органического происхождения. Таким образом, в предложенной технологии присутствуют элементы новизны, а также преимущество практической реализации на производстве при сходных количественных параметрах конечного продукта.
Десилицированные почвы – торф и краснозёмы. Мало доступного кремния и в почвах Западной Сибири (Г. П. Гамзиков), поэтому назрела необходимость в кремниевых удобрениях как экологически чистых, но химическая промышленность их пока не выпускает. При внесении в почву соединения кремния разлагаются силикатными микроорганизмами, превращаясь в доступные для растений формы [1, 2].
Для оценки эффективности применения мочевины, капсулированной силикатом кальция, по разработанной авторами технологии были проведены вегетационные и полевые опыты с зерновыми культурами на разных типах почв.
Влияние некапсулированной и капсулированной мочевины на продуктивность зерна и соломы ячменя в вегетационном опыте с изотопом азота 15N показано в таблице 2.
Таблица 2
Влияние некапсулированной и капсулированной мочевины на продуктивность ячменя
(вегетационный опыт с ячменём сорта Атлант)
|
Вариант |
Почва 1 |
Почва 2 |
||
|
Урожайность, г/сосуд |
||||
|
Зерна |
Соломы |
Зерна |
Соломы |
|
|
РК |
5,2 |
5,5 |
8,6 |
10,8 |
|
РК + некапсулированная мочевина |
24,6 |
24,8 |
32,2 |
30,5 |
|
РК + капсулированная мочевина |
27,5 |
24,4 |
31,9 |
32,3 |
|
НСР0.5, г/сосуд |
2,1 |
1,9 |
2,7 |
2,5 |
|
Sx, % |
3,1 |
2,9 |
3,1 |
2,9 |
Из таблицы 2 видно, что на слабоокультуренной дерново-подзолистой почве (почва 1) при внесении капсулированной мочевины достоверная прибавка зерна ячменя 2,9 г/сосуд, что составляет 12,0% по сравнению с некапсулированной мочевиной.
На хорошо окультуренной почве (почва 2) урожайность зерна ячменя на всех вариантах была примерно одинакова и составляла 31,9-32,2 г/сосуд. Это объясняется достаточной обеспеченностью азотом, фосфором и калием хорошо окультуренной почвы, вследствие чего, внесение удобрений не оказало существенного влияния на повышение урожайности.
Полевые деляночные опыты проводились на выщелоченном черноземе с яровой пшеницей сорта Ранг и на серой лесной почве с яровой пшеницей сорта Новосибирская-67 в условиях северной лесостепи Тюменской области.
Схема полевых опытов: 1) Контроль( фон Р90К60 ); 2) Фон Р90К60 + N90 (мочевина некапсулированная); 3) Фон Р90К60 + N90 (мочевина капсулированная).
Учетная площадь делянок 120 м2, размещение делянок одноярусное, последовательное, повторность четырехкратная. Учет и наблюдения проводились по общепринятым методикам. Предшественники – чистый пар и кукуруза.
За годы исследований прибавка урожайности яровой пшеницы сорта Ранг составила
11,8-12,8 % по сравнению с некапсулированной мочевиной.
В целом за годы исследований, несмотря на недостаток тепла в отдельные периоды развития при обеспеченности влагой, создавались благоприятные условия для получения хороших урожаев яровой пшеницы на серой лесной почве. На посевах контрольного варианта урожай яровой пшеницы сорта Новосибирская-67 составляет 21,7 ц/га, на фоне применения некапсулированной мочевины – 34,5 ц/га, использование капсулированной мочевины даёт урожай 39,9 ц/га. Таким образом, прибавка урожайности от капсулирования мочевины составляет 15,7%.
В полевом опыте с яровой пшеницей сорта Новосибирская-67 на выщелоченном черноземе получено высококачественное зерно яровой пшеницы с максимальным содержанием белка на варианте с капсулированной мочевиной – 17,3% (табл. 3).
Таблица 3
Влияние капсулированной мочевины на содержание белка, фосфора и калия
в зерне яровой пшеницы сорта Новосибирская-67
|
Вариант |
Содержание в абсолютно сухом зерне, % |
||
|
Белок |
K2O |
P2O5 |
|
|
Контроль (Фон P90K60) |
15,6 |
0,6 |
0,8 |
|
Фон P90K60+N90 (мочевина некапсулированная) |
16,8 |
0,6 |
0,7 |
|
Фон P90K60+N90 (мочевина капсулированная) |
17,3 |
0,6 |
0,7 |
Полевые опыты показали, что в условиях северной лесостепи Тюменской области лимитирующим фактором в получении высокой урожайности, наряду с запасами продуктивной влаги и среднесуточной температурой, является применение мочевины капсулированной силикатом кальция, медленное высвобождение азота из капсулированной мочевины в течение всего вегетационного периода яровой пшеницы способствовало, наряду с увеличением урожайности, повышению содержания белка в зерне.
Следовательно, мочевина, капсулированная силикатами, эффективна при внесении под зерновые культуры в качестве основного удобрения на разных типах почв.
В 2012 году при кафедре «Общая химия» ГАУ Северного Зауралья организовано ОАО «Биотех» с полупромышленной установкой, работающей по технологии авторов. Она применяется для производства капсулированной мочевины и изучения её эффективности при внесении под овощные культуры (картофель, столовая свёкла и др.), причем в силикатную плёнку вводятся ингибиторы уреазы (гидрохинон и гумат натрия), а также гербициды. Преимущество гумата натрия в том, что он является стимулятором роста растений и дешевле других ингибиторов [6].
Применение капсулированной мочевины с ингибиторами уреазы даёт прибавку урожайности картофеля сорта Невский 5,5-8,1 т/га по сравнению с применением некапсулированной мочевины, содержание крахмала в клубнях картофеля самое высокое: 13,68% (с гидрохиноном) и 14,5%
(с гуматом натрия) [7].
Изучено влияние капсулированной мочевины с ингибиторами уреазы (гидрохинон и гумат натрия) на урожайность и качество столовой свёклы [8].
Самая низкая урожайность столовой свёклы в варианте с некапсулированной мочевиной – 43,98 т/га. Применение капсулированной мочевины увеличивает урожайность на 3,3 т/га. Самая большая урожайность корнеплодов получена с применением капсулированной мочевины и гумата натрия – 53,25 т/га, т.е. введение в силикатную композицию ингибиторов уреазы даёт дополнительную прибавку урожайности.
Самое высокое содержание углеводов в корнеплодах свёклы – в варианте с капсулированной мочевиной и гидрохиноном по годам исследований 13,46% и 9,98% соответственно [8].
Заключение. Разработана технология получения нового азотного удобрения пролонгированного действия на основе мочевины, капсулированной продуктом взаимодействия силиката натрия и хлорида кальция, с целью сокращения потерь азота из азотных удобрений. Оптимизированы параметры технологического процесса капсулирования гранул мочевины силикатом кальция: капсулирование в «кипящем слое» – 9-12 минут, сушка гранул – 15-20 минут при температуре
60+5 ℃. Изучены физико-химические и механические свойства нового медленнодействующего удобрения – мочевины капсулированной силикатом кальция. Капсулирование снижает растворимость гранул мочевины в 2 раза, что позволяет пролонгировать действие удобрения и уменьшить потери азота. Гранулы нового удобрения обладают более высокой механической прочностью
354,6 г/гранул, чем исходная мочевина (ГОСТ 2081-75). В вегетационном опыте с ячменем сорта Атлант на дерново-подзолистых почвах разной степени окультуренности использование мочевины, меченой изотопом азота 15N, позволило установить, что капсулирование гранул силикатом кальция повышает коэффициент использования азота удобрений с 49 до 55%, уменьшает потери азота с
31 до 26%, прибавка урожайности ячменя составляет 12,0%. В полевых опытах с яровой пшеницей показана высокая эффективность действия капсулированной мочевины на урожайность зерновых культур и содержание белка в зерне. Применение капсулированной мочевины на разных типах почв в различные годы проявилось неодинаково. Прибавка урожайности зерна составляет от 11,8 до 15,7%. Медленное высвобождение азота из капсулированной мочевины в течение всего вегетационного периода яровых культур, наряду с увеличением урожайности, способствует улучшенному азотному питанию растений и повышению содержания белка в зерне до 17,3%.
1. Неумывакин, И. П. Кремний. Мифы и реальность / И. П. Неумывакин. - М. : Диля, 2009. - 160 с.
2. Рассел, Д. Кремний / Д. Рассел. - М. : Книга по требованию, 2012. - 64 с.
3. А. с. 1353767 СССР, МКИ3 МПК С 05 G 3/00. Способ получения медленнодействующих удобрений / И. Д. Комиссаров, Л. А. Панфилова. - опубл. 23.11.87, Бюл. №43.
4. Баранова, А. Л. Технология капсулирования мочевины силикатной плёнкой и эффективность её приме-нения под зерновые культуры / Л. А. Баранова, И. Д. Комиссаров, Т. А. Малюгина // Инновационное разви-тие АПК Северного Зауралья : мат. региональной науч.-практ. конф. молодых учёных. - Тюмень, 2013. - С. 80-82.
5. Баранова, Л. А. Экологически чистое азотное удобрение / Л. А. Баранова // Вестник ГАУ Северного За-уралья. - 2013. - №3. - С. 15-18.
6. Пат. 2224732 РФ, МПК C05G3/08. Способ получения медленнодействующих капсулированных удобре-ний / Комиссаров И. Д., Уступалова В. А., Козел Е. Г., Филисюк Г. Н. - №2002128714/15 ; заявл. 25.10.02 ; опубл. 27.02.04.
7. Филисюк, Г. Н. Получение и эффективность применения новой формы капсулированной мочевины под картофель на выщелоченном чернозёме Тюменской области : дис. … канд. с.-х. наук : 06.01.04 / Филисюк Григорий Николаевич. - Тюмень, 2004. - 152 с.
8. Козел, Е. Г. Эффективность применения новой формы капсулированной мочевины под столовую свёк-лу на выщелоченных чернозёмах Тюменской области : дис. … канд. с.-х. наук : 06.01.06 / Козел Елена Ген-надьевна. - Тюмень, 2000. - 141 с.
9. Осипов, А. И. Потери азота удобрений и некоторые пути их сокращения // Доклады Российской акаде-мии сельскохозяйственных наук (Доклады ВАСХНИЛ). - 2009. - №4. - С. 42-44.
