Удобрения

Как уже было описано в предыдущей главе, настоящий прорыв в удовлетворении растущего спроса на азотные удобрения произошел только в 1909 году, когда Фриц Габер продемонстрировал синтез аммиака из его составных элементов, после чего реакцию, показанную на лабораторном стенде, быстро внедрили в масштабное промышленное производство. BASF - ведущая химкомпания Германии сделала это к 1913 г. под руководством Карла Боша. Я уже высказывался ранее, что синтез по методу Габера-Боша заслуживает звания самой важной технической инновации ХХ века: столь значимым он был для мировой пищевой промышленности (Smil, 2001). Однако в течение десятилетий производители продовольствия не могли воспользоваться преимуществами аммиака, так как сначала большая его часть уходила на изготовление взрывчатки для боевых действий в Первой мировой войне, а затем наступили Великая депрессия и Вторая Мировая война. После 1950 года производство аммиака быстро росло, увеличившись с менее чем 6 миллионов тонн в 1950 году до примерно 120 миллионов тонн в 1989, а вот в начале 90-х наблюдалась некоторая стагнация, обусловленная двумя факторами: 1) использование азота во многих богатых странах стало избыточным; 2) распался СССР - на тот момент крупнейший производитель аммиака в мире. К 2000 году синтезировалось уже более 130 миллионов тонн в год, в 2010 было синтезировано 159 миллионов тонн, в 2011 — 164 миллиона тонн (USGS, 2013). В том же году в мире было израсходовано порядка 200 миллионов тонн серной кислоты, но так как у аммиака молекулярная масса гораздо ниже (17), чем у H2 SO4 (98), NH3 опережает любое другое соединение с точки зрения синтезируемого количества (в молях): его синтезируют почти в 4 раза больше, чем H2 SO4 . Около двух третей (65–57%) всего синтезируемого NH3 еще недавно использовалось в качестве удобрения; общемировой расход утроился с 33 миллионов тонн азота в 1970 году до 106 в 2010. Поскольку аммиак при обычном атмосферном давлении является газом, вносить его в чистом виде (безводный) в землю можно только с помощью специального оборудования (полых лезвий) в процессе культивации. Такое оборудование в значительных количествах используется только в Северной Америке. Обычно аммиак не использовали в чистом виде и включали в состав различных удобрений (нитратных, сульфатных), однако теперь выбором №1 (особенно в рисоводческих регионах Азии — крупнейшего в мире потребителя азотных удобрений) является мочевина, на 45% состоящая из N. На втором месте находится нитрат аммония, или аммиачная селитра (35% N). За последние два поколения изменилась сама структура расхода азотных удобрений. Расходы стабилизировались во многих богатых странах (в США было израсходовано 11,5 миллиона тонн азота в 1996 году, 10,5 миллиона тонн в 2000, 11,5 миллионов тонн в 2010), а в некоторых из них даже заметно сократились: с почти 800 тысяч тонн азота в Японии в 1979 году до 450 тысяч тонн в 2010 (FAO, 2013). Густонаселенные модернизирующиеся страны, во главе которых стоит Китай, стали крупнейшими потребителями. Китай обогнал США и стал ведущим потребителем химически активного азота в 1979 году, а десять лет спустя — еще и крупнейшим производителем. В 2000 году Китай произвел 22,1 миллиона тонн азота, в 2010 — 35 миллионов тонн. Доступность дешевых азотных удобрений в больших количествах позволила реализовать урожайный потенциал новых сортов сельхозкультур. Первой появилась гибридная кукуруза (начали выращивать в США в 30-х гг.); в 60-х Международный центр селекции кукурузы и пшеницы (CIMMYT), Мексика, и Международный институт исследований риса (IRRI), Филиппины, представили сорта пшеницы и риса с высокой урожайностью и короткими стеблями (Smil, 2000). По сравнению с обычной культурой наилучшие достигнутые показатели по этим трем важнейшим зерновым достигли примерно 10 т/га (американская кукуруза, до ВМВ получали всего 2 тонны с гектара), 8–10 т/га (европейская пшеница, в 30-х гг. получали также около 2 тонн с гектара), 6 т/га (восточноазиатский рис, ранее собирали 2 т/га). Высокоурожайная американская кукуруза в среднем удобряется 160 кг азота на гектар, европейская озимая пшеница — более 200 кг азота/га, китайский рис — 260 кг, то есть в тех регионах, где собирают два урожая разных культур с одного участка в год, ежегодно расходуется примерно 500 кг азота на гектар. По моим расчетам, в 2000 году источником примерно 40% всего азота, присутствующего в пищевых белках, стали удобрения, произведенные путем синтеза аммиака по методу Габера-Боша (Smil, 2001). Эффективность удобрений зависит не только от применения их в правильных количествах и правильным способом, но также от обеспечения потребностей растения в трех макроэлементах (N, P, K) и, при необходимости, от поступления достаточного количества микроэлементов, прежде всего бора, меди, железа, марганца, молибдена и цинка. Расходы фосфора и калия росли вместе с расходами азота, и, как и в случае с последним, рост этот временно прекратился после 1989 года в основном из-за коллапса экономик советского блока (где часто удобрения использовались в избыточных количествах), а также по причине того, что в западном сельском хозяйстве удобрения использовались более эффективно. Исходя из массы, вторым важнейшим удобрением является фосфор, преимущественно используемый в виде обогащенной фосфатной породы, добываемой из поверхностных месторождений. Хронологически добыча фосфатов опередила синтез аммиака: в 1885 году мировое их производство достигло 1 миллиона тонн, в 1928 — 10 миллионов тонн, в 1974 — 100 миллионов тонн. В 2000 году производство достигло 133 миллионов тонн, а десять лет спустя — 181 миллиона тонн, при этом основная доля приходится на Китай (86 миллионов тонн), Марокко и Западную Сахару (26 миллионов тонн), а также США (тоже около 26 миллионов тонн, добывается преимущественно во Флориде и Северной Каролине) (USGS, 2012). Почти вся (> 95%) фосфатная порода в США идет на производство фосфорной и суперфосфорной кислоты — двух разновидностей промежуточного сырья, используемого в производстве твердых и жидких фосфатных удобрений, а также кормовых добавок. Обработкой H2 SO4 получают одинарный суперфосфат (содержит 8–9% Р); фосфорная кислота (H3 PO4 ) используется для производства тройных суперфосфатов (примерно 20% Р), а H3 PO4 и NH3 — в производстве фосфатов аммония (до 23% P). Обычно расход фосфатов в сельском хозяйстве измеряют по пентаоксиду фосфора P2 O5 , но я предпочитаю измерять по фактическому расходу самогó питательного элемента (умножаем P2 O5 на 0,436, получаем количество P). Мировой сельскохозяйственный расход фосфатов увеличивался до 1989 года, когда он достиг 16,5 миллиона тонн, а когда рост продолжился (в 2000 расходы составили всего 14,3 миллиона тонн), общее значение составило 20,3 миллиона тонн фосфора в 2010 году. Калий применяется в полях в основном в измельченном виде (KCl), в котором его получают преимущественно подземной добычей сильвинитов — смеси, на треть состоящей из KCl и на две трети из NaCl; самые большие запасы этой породы находятся в Саскачеване, который является крупнейшим мировым производителем. Мировая добыча, выраженная в эквиваленте K2 O, почти достигла 34 миллионов тонн к 2010 году, при этом основными производителями и экспортерами являются Канада (почти 10 миллионов тонн) и Россия (более 6 миллионов тонн). Примерно 85% всего KCl16 в мире идет на удобрения, остальное расходуется химической промышленностью, при этом расход этого вещества в качестве удобрения за последние четыре десятилетия вырос не слишком значительно: составлял менее 18 миллионов тонн калия в 1975 году и достиг примерно 22,5 миллиона тонн в 2010 (FAO, 2013). Таким образом, глобальное соотношение питательных веществ N:P:K составило 1:0, 19:0,21 в 2010 году (для сравнения — 1:0, 25:0,40 в 1975 году). Значительно увеличить урожайность сельхозкультур удалось также благодаря появлению синтетических пестицидов (в основном инсектицидов) и гербицидов в 40-х гг. Дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ) стал первым важным инсектицидом (Müller, 1948), но из-за избыточного применения у вредителей выработалась устойчивость к данному химикату, а его биоаккумуляция в липидах нанесла серьезный ущерб экологии. После того, как в США было израсходовано примерно 6000 тонн этого вещества в середине 40-х гг., его запретили к использованию в 1972 году (USEPA, 1972), но теперь используется множество новых и менее вредных инсектицидов (Hodgson, 1990; MacBean, 2013). Применять гербициды начали в 1945 году, первым из них стал 2,4-D17, затем появились и другие соединения, но ни одно из них не сравнится по важности с глифосатом, впервые синтезированным в 1971 году Джоном Э. Францем, компания Monsanto (Franz, 1974). Этот гербицид широкого спектра действия, более известный под своим брендовым наименованием Roundup™, ингибирует продукцию ключевого фермента роста и разрушает корни сорных растений, но не перемещается в почве, благодаря чему не оказывает воздействия на другие растения и не отравляет воду (Wesseler, 2005). Быстрое внедрение трансгенных сортов глифосат-резистентных культур, появившихся в 90-х годах, оказало серьезное влияние на выращивание кукурузы, сои и рапса в США и Канаде, а затем и в Бразилии, Аргентине и Китае, однако дальнейшему распространению трансгенных сортов препятствуют европейцы и индийцы (Ruse and Castle, 2002; Kole and Michler, 2010).

Создание современного мира. Материалы и дематериализация. Глава 3.