Потери азота (газообразного аммиака) из азотных удобрений

Азотные (N) удобрения необходимы для выращивания большинства сельскохозяйственных культур. Некоторые удобрения на основе аммония и мочевины подвержены потерям в виде газообразного аммиака (NH3), особенно если они остаются на поверхности почвы. Потери аммиака из удобрений могут привести к значительным экономическим потерям и могут отрицательно сказаться на качестве воздуха и здоровье человека. Здесь обсуждаются основные факторы, контролирующие потери NH3 из удобрений и отходов животноводства.

Выбросы NH3 в атмосферу увеличились более чем вдвое с доиндустриальных времен из-за увеличения поголовья скота, использования азотных удобрений и сжигания ископаемого топлива. Улетучивание NH3 из удобрений и отходов животноводства может быть основным путем потери питательных веществ. Это одновременно и экономическая потеря ценного ресурса, и потенциальная проблема для качества воздуха (рис. 1).

Факторы, контролирующие потери NH3 в системах растениеводства, хорошо изучены, и знание этих факторов может помочь уменьшить эти потери. Выбросы NH3 из удобренных почв могут варьироваться от почти нуля до 50% от внесенного азота. Потери аммиака могут быть в значительной степени устранены за счет правильного размещения или выбора оптимального времени внесения азотных удобрений. В плане сокращения выбросов NH3 отходами животноводства управлять труднее, чем удобрениями, но их также следует использовать как можно более эффективно.

Примите во внимание следующие факторы, влияющие на потерю NH3:

🟧Источник азота

Все удобрения, содержащие или производящие аммоний (NH4+), в той или иной степени теряют летучие вещества. Каждый из этих материалов азотного удобрения реагирует по-своему, что приводит к разнице в вероятности потери азота из почвы в зависимости от источника (рис. 2). Уязвимость к испарению NH3 из удобрений в значительной степени определяется щелочностью (pH) зоны, окружающей гранулу или каплю, при её взаимодействии с почвой.

Некоторые удобрения, содержащие NH4+ (например, нитрат аммония или сульфат аммония) сначала образуют слабокислый раствор при растворении в почве (pH от 4,5 до 5,5). В большинстве случаев эти кислые источники азота не теряют значительное количество NH3 - лишь до нескольких процентов от общего количества азота.

Другие азотные удобрения образуют щелочные условия, которые более чувствительны к потере NH3. Например, когда мочевина вносится в почву, она быстро реагирует с водой и ферментами уреазы в процессе, называемом гидролизом, образуя карбонат аммония - нестабильное соединение, которое быстро разлагается с выделением газообразного NH3.

Безводное аммиачное удобрение (NH3) подвержено значительным потерям летучих веществ при неправильном применении. Это азотное удобрение вносится непосредственно в почву в виде жидкости под давлением, которая сразу же превращается в пар после выхода из резервуара. Аммиак всегда помещают минимум на 4-8 дюймов ниже поверхности почвы, чтобы предотвратить его потерю в атмосферу. Для размещения NH3 в правильном месте используются различные типы ножей и хвостовиков, приводимых в движение трактором. Аммиак быстро вступает в реакцию с почвенной водой с образованием NH+, который удерживается на участках катионного обмена в почве.

Аммиак иногда растворяют в воде, чтобы получить «водный аммиак», - популярное жидкое азотное удобрение в некоторых регионах. В некоторых случаях значительное количество NH3 может быть потеряно при нанесении на поверхность или при нанесении водного раствора аммиака.

🟧Размещение

Правильное внесение мочевины и аммиачных удобрений является одним из ключевых факторов минимизации потерь NH3. Оставление удобрений, содержащих мочевину, на поверхности почвы без внесения внутрь (путем обработки почвы или осадков / орошения) значительно увеличивает риск улетучивания NH3 в первые дни после внесения. Поскольку мочевина свободно перемещается с водой до тех пор, пока не гидролизуется, мочевину часто вносят непосредственно перед дождем или поливом, чтобы она могла перемещаться с водой под поверхность почвы.

Потеря аммиака является проблемой в растениеводстве при нулевой обработке почвы, когда удобрения обычно разбрасываются по поверхности, чтобы не нарушать почву. Практика нулевой обработки почвы, при которой образуется слой растительных остатков, может увеличить риск потерь NH3 из-за поверхностного внесения мочевины по сравнению с голой почвой. В этих обстоятельствах потери летучих веществ могут быть значительными, поскольку 1) активность фермента уреазы в растительных остатках обычно высока, 2) растительные остатки (мульча) образуют барьер, который может препятствовать попаданию мочевины в минеральную почву, и 3) растительная мульча может поддерживать почву более влажной - все это может привести к увеличению потерь NH3.

Когда применение под землей невозможно, размещение мочевины в поверхностных полосах (лентах) лучше, чем применение разбросного сева для минимизации потерь NH3. Это происходит, когда способность почвы гидролизовать мочевину превышается в пределах этой локализованной полосы, что дает дополнительное время для нисходящего движения мочевины в почву, где она защищена от потери NH3.

🟧рH почвы

Превращение NH4+ в газообразный NH3 зависит от pH. После внесения азотных удобрений происходит множество реакций, влияющих на pH вблизи гранулы или капли. Во время гидролиза мочевины pH вокруг гранулы первоначально повышается (> pH 8) по мере образования карбоната аммония. Наиболее вероятно, что потеря NH3 происходит во время гидролиза мочевины и повышения pH. На скорость гидролиза мочевины влияют многие факторы окружающей среды, такие как концентрация мочевины, активность фермента уреазы, температура, влажность и наличие растительных остатков. В теплый период вегетации большая часть применяемой мочевины обычно гидролизуется в течение недели.

Потеря аммиака может происходить и в кислых почвах, поскольку гидролиз мочевины вызывает повышение pH непосредственно вокруг гранул удобрения. Пример на Рис. 3 показывает повышение pH почвы в этой зоне с 4,6 до более чем 9 после внесения мочевины. Почва с более высокой буферной способностью pH (с высоким содержанием глины или органических веществ) обычно имеет меньше потерь летучего NH3, чем плохо буферизованная почва (песчаная текстура).

🟧Влажность почвы

Когда удобрения на основе мочевины или NH4+ вносятся в сухие почвы с низкой влажностью, они, как правило, медленно растворяются. Такие условия могут замедлить многие биологические и химические реакции, включая улетучивание NH3. С другой стороны, если почва влажная, теплая и вода испаряется с поверхности, существует более высокий потенциал потери NH3 после поверхностного внесения удобрений.

🟧Свойства почвы

Участки обмена катионов в почве важны для удаления NH4+ из почвенного раствора. Почвы с большей катионообменной способностью (CEC) обычно обладают способностью удерживать больше NH4+ и снижать потери летучих веществ. Поскольку песчаные почвы обычно имеют более низкую катионообменную способность и буферную емкость, величина изменений pH почвы и потери NH3 в этих почвах обычно больше.

🟧Скорость ветра

Потери NH3 из мочевины, нанесенной на поверхность, обычно увеличиваются в ветреную погоду. Поскольку ветреные условия и высыхание почвы часто связаны между собой, оба этих фактора имеют тенденцию увеличивать вероятность потери летучего NH3.

🟧Температура

Потери аммиака обычно увеличиваются с повышением температуры, что ускоряет гидролиз мочевины и смещает химическое равновесие в пользу газа NH3 по сравнению с NH4+. Поэтому потери NH3 часто выше в более теплое время года, а ежедневные всплески обычно происходят в более теплое время дня (рис. 4).

🟧Условия при паводковом (лиманном) поливе

Летучие потери NH3 от орошения и паводковых вод могут быть большими. Высокая концентрация NH3, высокий уровень pH воды, теплая температура и повышенная скорость ветра - все это увеличивает вероятность улетучивания. При попадании в паводковые воды (например, с затопляемым рисом) мочевина более подвержена улетучиванию, чем удобрение, такое как сульфат аммония, поскольку pH, вероятно, повысится по мере того, как мочевина будет гидролизироватья до карбоната аммония. При выращивании затопленного риса фотосинтез растениями и водорослями, растущими в воде, увеличивает pH воды по мере снижения содержания CO2 в дневное время, в результате чего pH повышается до 9. Ночью CO2 выделяется во время дыхания растений (образуя углекислоту), и pH воды снова снижается.

🟧Модификации удобрений

Иногда необходимо вносить удобрения, даже если условия для этого не оптимальны. В этих условиях можно использовать несколько подходов для минимизации потерь NH3, включая ингибиторы уреазы, покрытия удобрений и подкисление удобрений (рис. 2).

Было проверено большое количество соединений, чтобы определить эффективный способ блокирования или задержки гидролиза мочевины. Наиболее часто используемым продуктом является триамид N- (н-бутил) тиофосфорной кислоты (NBPT), продаваемый под коммерческим названием Agrotain®. Этот продукт в сочетании с мочевиной ингибирует фермента уреазы на период от нескольких дней до двух недель в зависимости от нормы внесения. NBPT особенно полезен для увеличения времени, чтобы осадки или орошение могли переместить поверхностно нанесенную мочевину в почву, где она не подвержена потере летучих веществ.

В качестве покрытий для удобрений с контролируемым высвобождением для ограничения растворимости мочевины успешно использовались различные материалы. Покрытия могут эффективно уменьшить количество растворимой мочевины, попадающей в почву в любой момент времени, и значительно снизить потери азота во многих случаях.

Мочевина может вступать в реакцию с множеством сильных кислот для поддержания низкого pH вблизи гранулы или капли удобрения. Коммерческие продукты, такие как карбамид-серная кислота и карбамид-фосфорная кислота, доступны для специализированных целей и позволят снизить потери NH3.

🔆Выбросы аммиака из других сельскохозяйственных источников🔆

На сельское хозяйство приходится более трех четвертей выбросов NH3 в США, при этом животноводство составляет основную долю. Аммиак становится частью отходов животноводства, когда богатый азотом белок в кормах не полностью превращается в продукты животного происхождения (такие как мясо, молоко, шерсть и яйца). Например, только от 25 до 35% азота, скармливаемого дойным коровам, используется животным для производства молока, а остальная часть выводится с мочой и навозом в виде различных соединений. Химические и микробные процессы разрушают эти выделяемые соединения, что приводит к выбросу NH3 в воздух. Азот в помете домашней птицы находится в основном в форме мочевой кислоты, которая быстро превращается в мочевину, а затем в NH3.

Улетучивание аммиака начинается почти сразу после того, как мочевина выводится из организма животных. Наибольшие потери от животноводства обычно происходят в животноводческих помещений и коровниках, а также при внесении навоза в почву. На одном из молочных заводов в Калифорнии, за которым ведется тщательный мониторинг, 70% NH3, потерянного с фермы, произошло во время использования сточных вод в полевых условиях. Потери NH3 во время выпаса скота и хранения навоза также могут быть большими.

Высокие концентрации NH3 в воздухе отрицательно сказываются на животных в замкнутых помещениях, поэтому важна соответствующая вентиляция коровников и помещений. Рабочие фермы также должны избегать длительного воздействия высоких концентраций NH3. Аммиак легче воздуха и будет подниматься вверх, поэтому его легко удалить из зданий с соответствующей вентиляцией.

Выбросы аммиака происходят от автомобилей и сжигания ископаемого топлива. Согласно одному отчету, 62 +/- 24 метрических тонны NH3 ежедневно выбрасываются в воздушный бассейн Южного побережья Южной Калифорнии из транспортных источников.

Аммиак испаряется из листьев растений, когда белки начинают разлагаться. Величина потери NH3 не совсем понятна, но, как сообщается, иногда она превышает 20 кг азота / га для кукурузы и 40 кг азота / га для сои. Газообразный аммиак также поглощается листьями через устьица, но эти процессы до конца не изучены.

Образование и осаждение частиц аммиака🆘

Атмосферный NH3 представляет собой экологическую проблему для окружающей среды по двум причинам:

1. образование очень мелких частиц в воздухе
2. неконтролируемое осаждение (отложение) азота обратно в почву и растительность.

Когда NH3 (щелочное соединение) выделяется в воздух, он прилипает к близлежащим поверхностям, и значительные его количества могут осаждаться в пределах нескольких сотен ярдов от источника. Оставшийся NH3 может быстро вступать в реакцию с кислотными соединениями в воздухе (такими как азотная или серная кислота) с образованием очень мелких вторичных аэрозольных частиц. Эти мелкие твердые частицы имеют диаметр <2,5 микрон (называемый PM 2,5), что примерно в 30 раз меньше человеческого волоса (рис. 5). Некоторые из этих очень мелких частиц могут оставаться в воздухе в течение нескольких недель и вызывать атмосферную дымку.

Частицы PM 2,5 представляют опасность для здоровья, поскольку они могут глубоко вдыхаться в легкие. Кратковременное воздействие аэрозолей PM 2.5 может вызвать раздражение глаз, носа, горла и легких, а также кашель и чихание. Существуют и другие источники PM 2.5, но поступление NH3 из сельского хозяйства может быть значительным.

Газообразный аммиак может переноситься ветром и осаждаться на расстоянии сотен миль от первоначального источника. Осажденный на почву аммоний обычно превращается в нитрат с повышением кислотности во время нитрификации. Широко распространенное удобрение NH3 за счет атмосферного осаждения может стимулировать рост растений в нетронутых районах, где ранее уровень азота был ограничен. Изменения видов растений отмечаются в ненарушенных экосистемах, где наблюдается высокое осаждение NH3.

При тщательном управлении можно поддерживать потери NH3 из азотных удобрений на уровне менее нескольких процентов от общего количества внесенных удобрений. Применение принципов 4R Nutrient Stewardship («Рациональное использование питательных веществ по принципу 4П (правильный источник, расход, время и место)) минимизирует риск потери NH3.