Вред и польза химии в сельском хозяйстве
Ситуация, сложившаяся сейчас на земном шаре, достаточно сложна: с одной стороны, для производства пищевых продуктов используется не более 15% всей поверхности нашей планеты, но, с другой стороны, увеличить посевные площади в мире не хватает возможностей. Но население Земли неуклонно растет, и ему требуется все большее количество животной и растительной пищи. Единственный вариант выхода из этой ситуации – быстрое и значительное повышение урожайности, для которого, собственно, и используется весь «ассортимент» удобрений, в основном, химических.
В вопросах выбора удобрений растения гораздо менее щепетильны, чем люди при выборе продуктов питания. Растениям абсолютно все равно, является ли их «еда» неорганическим соединением (т.е. химическим удобрением) или же органикой (столь любезным сердцу борцов за экологию навозом, растительными останками или компостом). Главное тут как раз в другом: насколько правильно и точно организовано соотношение основных элементов, которые требуется растениям для полноценного роста и жизни.
Негативное отношение к технологиям, основывающимся на использовании химических удобрений, вызвано (по крайней мере, у нас в России) пристрастием многих аграриев к т.н. «социалистическому способу» повышения урожайности сельхозкультур – их перенасыщению азотными удобрениями. Более того, довольно долго наши хозяйственники, получая химические удобрения практически даром, не могли придумать ничего лучше, как разбрасывать эти удобрения по полям, не соблюдая никаких мер дозировки. Естественно, выросшие на таких «перекормленных» полях овощи буквально напичканы пестицидами и нитратами. Кроме того, они очень плохо хранятся и, в лучшем случае, не содержат радиоактивных веществ.
Однако прежде, чем детально рассматривать пользу либо вред, ожидаемые от применения химических удобрений, необходимо определить, что они из себя представляют.
Наверняка большинству вспоминается самое простое определение из школьного курса химии: химическое удобрение – это удобрение, искусственно производимое на химических заводах. Таким образом, химизация сельского хозяйства подразумевает под собой «комплекс мероприятий, опирающийся на результаты агрохимической науки и химической промышленности и заключающийся в широком и планомерном использовании химических средств и методов:
– для увеличения урожая растений;
– для улучшения свойств почвы и качества сельскохозяйственной продукции;
– для повышения продуктивности животноводства;
– для защиты с помощью пестицидов полезных организмов от вредителей и болезней, а также от неблагоприятных условий среды».
Мировая промышленность выпускает удобрения, которые представляют собой соединения азота, фосфора и калия. При этом большинство традиционных химических удобрений представляют собой механическую смесь поликристаллов, поскольку использовать природные минералы в непереработанном виде в качестве удобрений не представляется возможным, как правило, по двум причинам: они либо совершенно не усваиваются растениями, либо при их усвоении растения впитывают вредные для себя элементы. Именно по этой причине производителям композиционных образцов приходится не просто выпускать привычные химические удобрения в их улучшенном варианте, но еще и думать о том, как оптимально ввести необходимые микроэлементы в кристаллическую структуру минеральных удобрений и как заодно в наибольшей степени учесть климатические условия, типы почв и характеры сельскохозяйственных культур.
Плюсы и минусы применения химических удобрений
Во-первых, достоверно известно, что химические процессы, которые происходят в растениях при синтезе в них углеводов, белков и жиров, совершенно не зависят от источника получения исходных веществ – химического или органического.
Во-вторых, вещества, которые входят в большую часть химических удобрений, достаточно легко обнаружить и в естественной почве, так что они присутствуют при любом способе производства овощей и при выращивании сельхозкультур на органике в том числе.
В-третьих, некоторые медики утверждают, что использование промышленных удобрений не только не вредит человеческому здоровью, но и способствует его укреплению.
В-четвертых, каким бы странным это ни казалось, но именно при использовании органических удобрений крайне трудно определить состав вносимых элементов и их количество, поскольку это очень сильно зависит от технологии приготовления удобрения.
И, наконец, в-пятых, провозглашенная чистой и полезной органика (компостирование), тем не менее, зачастую приводит растения к многочисленным болезням, гниению и засорению посевов сорняками.
Впрочем, в действии химических удобрений хватает и своих минусов. По большей части они возникают в силу поликристаллического характера многих минеральных удобрений, их ускоренного растворения и избирательного выщелачивания грунтовыми водами.
Начнем, пожалуй, с самого простого – огромной ударной нагрузки, которая приходится на долю растений в момент внесения удобрений и отрицательно воздействует на корневую систему. Следующий пункт в отрицательном списке – загрязнение водоемов, которое возникает как следствие перекачивания части внесенных минеральных удобрений через грунтовые воды (а избежать этого при нынешних технологиях практически невозможно). Третий минус химудобрений в том, что в период вегетации растений используется лишь небольшая часть полезных компонентов этих пищевых добавок, из-за чего ежегодно приходится повышать вносимую в почву дозу, создавая избыток удобрений.
При этом нельзя забывать еще и о том, что технология производства практически любой разновидности минеральных удобрений связана с определенными проблемами, которые иногда решаются довольно сложно. В качестве примера приведем те трудности, с которыми приходится сталкиваться «средним» производителям фосфатов. Наиболее известны аммофос, суперфосфат и некоторые другие разновидности удобрений, получаемые в результате переработки природных фосфатов. В качестве сырья для получения этих минеральных удобрений используются апатиты и фосфориты. И те, и другие имеют очень высокую температуру плавления – 1 700° С и обладают высокой химической устойчивостью. В результате перед производителями в полный рост встает «высокотемпературная» проблема: все сложности химической переработки по высокотемпературным технологиям, связанным с многоступенчатым получением сначала элементарного фосфора, затем его оксидов, фосфорной кислоты и, наконец, солей метафосфатов, которые являются быстроводорастворимыми.
Но в любом случае отказываться от использования химических удобрений в сельскохозяйственной деятельности не стоит. А вот поставить перед собой сложную, но вполне достижимую при определенном старании задачу – добиться получения идеальной пищевой добавки для сельхозкультур – российским производителям минеральных удобрений стоит прямо сейчас. И экологи перестанут ратовать за «органические» проекты, и почве станет легче дышать, и урожайность наконец-то реально повысится…
Химия и сельское хозяйство
Предмет и задачи химии в целом, неорганической химии и химической технологии.
Задачи химизации сельскохозяйственного производства. Классификация средств химизации. Роль неорганической химии в сельскохозяйственном образовании.
1.1 Химия: наука и технология
Химия — наука, изучающая состав, строение, свойства и превращения простых и сложных веществ.
С точки зрения химика, земной шар — это гигантский химический комбинат, действующий с момента возникновения нашей планеты, а живая клетка — миниатюрное химическое производство необычайной сложности. Весь окружающий нас мир — это мир химических веществ и их превращений. Большинство протекающих в нем процессов имеет химическую природу. К настоящему времени химия в такой степени вошла в жизнь каждого человека, что невозможно назвать область деятельности, где не использовались бы химические процессы или вещества, полученные с их помощью.
Химия — область естествознания. Особенность, выделяющая химию среди других естественных наук, состоит в том, что она, рассматривая вещество и процессы его превращения на уровне атомов и молекул, ограничивается только теми превращениями, которые затрагивают валентные электроны свободных и входящих в соединения атомов.
Химию принято подразделять на неорганическую, органическую, физическую и аналитическую.
Неорганическая химия — это раздел химии, изучающий химические элементы и образуемые ими простые и сложные неорганические вещества.
Границы между разделами химии, а также между химией и другими естественными науками условны. Во всех разделах химии используют общие, специфические для этой области естествознания методы исследования. Вместе с тем химики широко используют достижения физики и математики. Изучаемые биологическими науками фундаментальные процессы жизнедеятельности растительных и животных организмов, такие, как фотосинтез, дыхание, минеральное питание, происходят с участием неорганических веществ.
Теоретические основы неорганической химии объединяют учение о строении атомов и молекул и законы их взаимодействия. Многие из рассматриваемых при этом вопросов тесно смыкаются с проблемами, решаемыми физикой и физической химией. В то же время разработанные химиками-неорганиками теоретические представления широко используют в таких дисциплинах, как геохимия, биогеохимия, космохимия, радиохимия, биохимия и агрохимия.
Со времени своего зарождения в глубине веков и до наших дней химия была и остается наукой, тесно связанной с практической деятельностью человека. В процессе развития прикладной химии из нее выделилась самостоятельная научная дисциплина — химическая технология.
Химическая технология — наука об экономичных и безопасных для окружающей среды методах и процессах химического изменения состава, внутреннего строения и свойств вещества
с целью переработки природного сырья в химические продукты с нужными качествами.
На базе химической технологии существует нефтехимическая
промышленность” href=”/text/category/himicheskaya_i_neftehimicheskaya_promishlennostmz/” rel=”bookmark”>химическая промышленность и родственные ей области экономики. Происходит все более широкое внедрение достижений химической технологии во все сферы материального производства.
1.2. Химизация сельского хозяйства
Термин химизация введен в 1924 г. российским агрохимиком академиком для обозначения одного из главных направлений научно-технического прогресса по аналогии с уже давно общепризнанным в то время термином механизация
Химизация — это внедрение методов химической технологии и продукции химической промышленности в производство с целью его интенсификации и повышения эффективности.
Химизация любой отрасли материального производства, в том числе и сельского хозяйства, целесообразна потому, что она приводит к резкому повышению производительности труда в результате уменьшения расходов материалов и энергии, понижения капитальных затрат и затрат человеческого труда. Химизация сельского хозяйства включает в себя применение разнообразных химических продуктов: минеральных удобрений, пестицидов и мелиорантов в земледелии, кормовых добавок и ветеринарных препаратов в животноводстве
, искусственных субстратов и полимерных пленок в технологиях защищенного грунта, консервантов для сохранения продукции.
Минеральные удобрения — соединения, содержащие необходимые для питания растений химические элементы и используемые для повышения плодородия почвы.
Большинство минеральных удобрений представляет собой неорганические вещества, главным образом соли. Различают макроудобрения, которые содержат по крайней мере один из трех главных питательных элементов — азот, фосфор или калий (их называют макроэлементами), и микроудобрения, содержащие микроэлементы — бор, железо, кобальт, марганец, медь, молибден и цинк, которые потребляются растениями в небольших количествах, но без них растения не могут нормально развиваться. Химическая промышленность выпускает как простые удобрения: азотные, фосфорные, калийные, содержащие один питательный элемент, так и комплексные удобрения, которые содержат два или три макроэлемента. Современные интенсивные технологии в земледелии немыслимы без использования минеральных удобрений. При разумном и правильном применении минеральных удобрений не только возрастает урожайность, но и повышается качество сельскохозяйственной продукции. Например, при строгом соблюдении доз и необходимого соотношения питательных элементов, оптимальных сроков внесения и равномерности распределения удобрения по поверхности поля увеличивается содержание белка в зерне, улучшается его аминокислотный состав.
Однако внесение минеральных удобрений — это искусственное вмешательство в экологическую систему, нарушающее ее равновесие. Если такое вмешательство осуществляется с соблюдением норм, сроков и способов применения удобрений, то агроэкосистемы дают высокие урожаи. При нарушении правил внесения неиспользованные выращиваемыми растениями удобрения вымываются из почвы и загрязняют окружающую среду.
Инициатор химизации сельского хозяйства в нашей стране видел обе эти стороны химизации. Он говорил, что применение химических удобрений в сельскохозяйственном производстве равноценно освоению новых материков, но неправильное, неграмотное применение средств химизации означает химическую войну против самих себя.
Для улучшения физических, физико-химических и биологических свойств почв, для повышения их плодородия осуществляют химическую мелиорацию.
Химические мелиоранты — вещества, используемые для проведения мероприятий по коренному улучшению почв с неблагоприятными химическими и физическими свойствами.
Мелиорация обеспечивает повышение плодородия имеющихся угодий и использование земель, бывших ранее непригодными для выращивания сельскохозяйственных культур. Основные способы химической мелиорации почв — это известкование и гипсование.
Большой ущерб сельскохозяйственному производству наносят сорняки, насекомые, грибковые и вирусные заболевания растений, которые уничтожают, если с ними не бороться, около половины урожая.
Пестициды — химические средства борьбы с сорняками, вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений.
В зависимости от назначения пестициды подразделяют на инсектициды — средства борьбы с насекомыми, гербициды — с сорными растениями, фунгициды — с грибами, бактерициды — с бактериями, зооциды — с нежелательными позвоночными. К пестицидам относятся также репелленты и анптифиданты, отпугивающие насекомых, птиц и грызунов, гормональные инсектициды и хемостерилизаторы, препятствующие размножению и нормальному развитию сельскохозяйственных вредителей, и аттрактанты, привлекающие насекомых в ловушки для последующего их уничтожения. Перед машинной уборкой хлопчатник обрабатывают дефолиантами, ускоряющими опадание листьев и раскрытие коробочек. Для предуборочного высушивания надземных частей растений подсолнечника, картофеля, льна и других культур применяют десиканты. Регуляторы роста растений используют для предпосевной обработки семян (с целью интенсификации их прорастания) и для обработки растений в различных фазах вегетации с целью ускорения роста, увеличения биомассы, усиления устойчивости растений к неблагоприятным факторам окружающей среды, повышения урожайности и качества продукции.
Большая часть пестицидов используется в сельском хозяйстве. Однако они находят применение и в быту (средства борьбы с тараканами, муравьями, мухами, для отпугивания комаров), и в здравоохранении (для борьбы с насекомыми — переносчиками таких опасных болезней, как малярия и тиф).
При использовании пестицидов в сельском хозяйстве повышается производительность труда и снижаются потери продукции, однако систематическое применение таких сильнодействующих средств химизации невозможно без строжайшего контроля над их ассортиментом и технологией обработки растений, без специальных мер по предотвращению накопления остатков пестицидов в почвах, попаданием их в природные воды и сельскохозяйственную продукцию.
Химизация затронула также и животноводство. Для обеспечения рационального, биологически полноценного питания сельскохозяйственных животных используют кормовые добавки.
Кормовые добавки — химические или биологические препараты, вводимые в небольших количествах в рационы сельскохозяйственных животных для более полного удовлетворения их потребностей в питательных, минеральных и биологически активных веществах.
К, кормовым добавкам относятся производящиеся химической промышленностью синтетические аминокислоты, витамины, минеральные добавки, антибиотики, ферментные и гормональные препараты. Минеральные добавки позволяют нормировать содержание в рационах сельскохозяйственных животных как макроэлементов (кальций, фосфор, натрий, хлор, магний, калий, сера), так и микроэлементов (железо, цинк, медь, йод, марганец, кобальт, молибден, селен, фтор).
При заготовке силоса используют химические консерванты, которые не только подавляют нежелательные биохимические и микробиальные процессы, но и обогащают силос жизненно необходимыми макроэлементами: азотом, фосфором, серой. К их числу относятся аммиак, хлорид аммония, карбонат аммония и гидрокарбонат аммония, ортофосфорная кислота, дигидрофосфат натрия, дигидрофосфат и гидрофосфат аммония, серная кислота, сульфат натрия и др.
Несмотря на наметившуюся в постиндустриальных странах с середины 90-х гг. ХХ в. тенденцию к отказу от агрохимика, в качестве альтернативы которым предлагается переход на
трансгенные сорта и гибриды, большая часть товаропроизводителей продолжает совершенствовать традиционные системы сельскохозяйственного производства. Отказ от средств химизации сельского хозяйства в настоящее время невозможен как по экономическим, так и по экологическим причинам. Без применения минеральных удобрений, пестицидов и кормовых добавок резко уменьшатся как продуктивность земледелия и животноводства, так и питательная ценность продукции, что неминуемо приведет к падению качества жизни у подавляющего большинства населения Земли. В результате снижения урожайности сельскохозяйственных культур и роста потерь от болезней и вредителей возникнет необходимость в распашке новых земель, в уничтожении среды обитания диких видов растений и животных.
1.3 Влияние химии на биологические и сельскохозяйственные науки
Методы химического эксперимента, в особенности анализа, используются во многих областях науки. Особенно широко химическими методами исследования пользуются биологи и ученые-аграрники.
Широкое использование достижений химии в сельскохозяйственной науке началось в ХIХ в. Благодаря работам Ж Буссенго (1836) и Ю. Либиха (1840) были сформированы научные основы агрохимии — науки о химических и биохимических процессах в растениях и среде их обитания. В России становление и развитие агрохимии связано с именами таких выдающихся ученых, как , , . Достижения агрохимии внесли существенный вклад в резкое повышение урожайности сельскохозяйственных культур в начале 50-х гг. ХХ в. — так называемую «зеленую революцию». На основании агрохимических исследований по оценке плодородия почв делаются заключения о необходимости применения минеральных удобрений и проведения химической мелиорации. Новая отрасль агрохимии — химия пестицидов — занимается вопросами защиты растений от болезней, вредителей и сорняков, а также применением регуляторов роста растений.
Применение химии в биологии — очень масштабное явление: химия стала краеугольным камнем, который лежит в основе всех наук о жизни. Первой пограничной научной дисциплиной между химией и биологией стала биохимия, основы которой были заложены во второй половине ХУIII в. Изучая химическими методами вещества, входящие в состав живых организмов, биохимия стала родоначальницей новых химических дисциплин, например бионеорганической и биоорганической химий, молекулярной биологии, энзимологии, генной инженерии. Этот комплекс химических наук о живом веществе образует научную основу промышленной и сельскохозяйственной биотехнологии, медицины и экологии. Неорганическая химия является фундаментом этого комплекса.
Химизация сельского хозяйства и сельскохозяйственных наук приводит к тому, что специалисту, работающему в этой отрасли производства, необходимо владеть знаниями не только в области биологии, но и химии, так как в непосредственной работе ему очень часто приходится сталкиваться с химическими понятиями и закономерностями. При изучении неорганической химии создается научная база для понимания и усвоения последующих дисциплин химического цикла — аналитической, органической, физической и коллоидной химии, биохимия, агрохимии и почвоведения. Без освоения неорганической химии невозможно также глубокое изучение биологических дисциплин, составляющих основу подготовки специалиста сельского хозяйства. Неорганическая химия составляет неотъемлемую часть и профессионального, и мировоззренческого багажа любого специалиста сельского хозяйства.