Фосфорное лесное удобрение, способ его приготовления и способ подкормки лесных почв с его использованием - RU2286969C2

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к невыщелачиваемому фосфорному удобрению, предназначенному для подкормки (удобрения) неплодородных лесных почв, а также к способу производства и применению указанного удобрения. В добавление к фосфору длительного действия удобрение содержит железо.

Уровень техники

Финляндия имеет 20 миллионов гектаров леса, из которых 7 миллионов относятся к неплодородному, заболоченному типу. рН заболоченной лесной почвы составляет приблизительно 4 и остается стабильным в течение всего года. Кислые среды, характерные для заболоченных лесов, способствуют, кроме всего прочего, выщелачиванию содержащегося в удобрении фосфора, который нерастворим в воде, но растворяется в кислоте, как это имеет место, например, в случае апатитового фосфора. Выщелачивание является специфической проблемой для зон кислых почв, в которых от природы отсутствуют связывающие фосфор минеральные компоненты, такие как соединения Fe и Al. Выщелачивание питательных веществ приносит не только экономический ущерб, но и служит причиной вредного заболачивания водостоков, т.к. избыточные количества питательных веществ ускоряют там рост растений и водорослей. Вследствие этого в водостоках увеличивается количество органического вещества, при разложении которого потребляется кислород. Недостаток кислорода, в свою очередь, еще больше ускоряет выщелачивание питательных веществ из донных отложений, усиливая тем самым заболачивание.

В плане обмена веществ в растениях фосфор является очень важным питательным элементом. Особо важен он для растений с точки зрения экономии энергии. Для сельскохозяйственных культур дефицит фосфора проявляется прежде всего в количестве и качестве урожая. Исследования и эксперименты, связанные с удобрением заболоченных лесов, начались в Финляндии еще в 50-е годы. В результате экспериментов было показано, что для такой обработки в добавление к азоту наиболее важными требуемыми питательными элементами являются фосфор и калий.

Один из традиционных материалов для медленно растворимых удобрений, служащих источником фосфора, который уже долгое время находит промышленное применение, представляет собой апатитовые минералы, например фторапатит Ca₁₀(PO₄)₆F₂ или гидроксиапатит Са₁₀ (PO₄)₆(ОН)₂. В этих соединениях фосфор нерастворим в воде и сам по себе способен усваиваться растениями только частично.

Количество растворимого фосфора зависит также от рН почвы и от других присутствующих в ней соединений. Если кислая почва содержит связывающие фосфор минеральные компоненты, такие как соединения Fe и AI, растворимый фосфор удерживается главным образом на поверхностях присутствующих в почве оксигидроксидов железа и алюминия. Это происходит за счет реакций лигандного обмена, в ходе которых, например, лиганды ОН или Н₂O могут заместиться группой Н₂PO₄. рН почвы и активность корневой системы растений, в свою очередь, зависят от того, как растения могут использовать эти запасы фосфора, присоединенные к почве.

Наиболее проблематичная ситуация имеет место в неплодородных кислых заболоченных лесных почвах, имеющих низкие концентрации железа и алюминия. Поскольку подкормку лесов, как известно, проводят с интервалами более 10 лет, фосфорное удобрение для таких зон должно являться нерастворимым в воде источником фосфора длительного действия. Источниками фосфора, обладающими, в общем, длительным действием и низкой растворимостью, являются апатитовые минералы. Однако по сравнению с более нейтральной в среднем полевой почвой кислотность почв неплодородных заболоченных зон (рН<4) вызывает значительно более легкое растворение этих минералов в почвенном растворе. Повышенная растворимость вследствие кислотности почвы в комбинации с недостатком Fe- и Al-компонентов, связывающих фосфор, служит причиной того, что в неплодородных заболоченных лесных почвах часть фосфора выщелачивается даже из нерастворимого в воде апатитового минерала. Из-за большой вероятности выщелачивания питательных веществ неплодородные торфяные болота в настоящее время обычно не удобряют вообще.

Попытка разрешить проблему выщелачивания фосфора в кислой почве описана в патентной публикации WO 9212945. Использовалось специальное удобрение, приготавливаемое смешиванием извести и суперфосфата в пропорции 1:1. В результате был получен продукт, плохо растворимый в воде, но растворимый в цитрате. Поставленная задача заключалась в предотвращении выщелачивания фосфата и, одновременно с этим, в регулировании кислотности почвы. В методике, описанной в публикации, для связывания растворимого в воде фосфора к почве добавляют кальций. Однако конечным результатом при этом является формирование в почве фосфатов кальция, стабильность которых в кислых заболоченных почвах так же низка, как и у апатитовых минералов, с химической точки зрения тоже являющихся фосфатом кальция. Обработка известью влияет на регулирование рН почвы заболоченного леса лишь в незначительной степени.

В патентной публикации US 5693119 для оранжерейных растений, которые растут в искусственном грунте, обедненном питательными веществами, применяют удобрение, содержащее комбинацию фосфора и алюминия. Решаемые при этом проблемы включают в себя и предотвращение выщелачивания фосфора. Естественно, при удобрении все питательные вещества нужно добавлять к искусственному грунту отдельно друг от друга. Однако выбор алюминия в качестве связывающего соединения представляется не очень удачным, т.к. алюминиевые соединения в высоких концентрациях токсичны и могут повредить присутствующим в почве микроорганизмам. Даже небольшие количества могут обременить почву и сделать ее непригодной для сельскохозяйственных целей.

Воздействия железа и алюминия на связывание фосфора исследовались очень активно. Твердые фосфаты этих металлов долго считались конечными продуктами фосфорной цепочки в тех случаях, когда перемещения растворимого неорганического фосфора наблюдались в нейтральных или кислых почвах. Однако применение таких соединений для целей удобрения изучено сравнительно мало. Было показано, что в щелочных известковых почвах фосфаты Fe и Al высвобождают фосфор для усвоения растениями лучше, чем, например, фосфаты кальция. Огромную роль в этом процессе играет рН почвы, т.к. растворимость фосфатов железа и алюминия увеличивается по мере роста этого параметра.

Свойства фосфорных удобрений, имеющих низкую растворимость, и их применение для удобрения неплодородных торфяников были рассмотрены в статье Niemen, опубликованной в Suo 48 (4), 1997, pp.115-126. Специальное внимание уделялось факторам, влияющим на выщелачивание фосфора. В статье дополнительно приводились различные варианты приготовления удобрений, содержащих фосфор, из различных минералов, таких как штренгит, которые в дополнение к фосфору содержат железо. Однако на практике применение штренгитового минерала в качестве сырьевого материала для удобрений свелось к нулю вследствие того, что отложения его встречаются редко, а рентабельность потенциального приготовления низка.

Раскрытие изобретения

Перечисленные выше проблемы можно разрешить, применяя невыщелачиваемое фосфорное удобрение длительного действия, приготовленное согласно настоящему изобретению. Это удобрение, с одной стороны, содержит источник железа, а с другой - специально предназначено для неплодородных кислых заболоченных лесных почв. Таким образом, согласно изобретению получают фосфорное удобрение длительного действия, содержащее источник фосфора и источник железа, при этом, по меньшей мере, 10 мас.% фосфора, присутствующего в фосфорном удобрении, нерастворимо в воде, но растворимо в нейтральном цитрате аммония, а само фосфорное удобрение находится в гранулированной или таблетированной форме.

Кроме того, согласно изобретению предлагается способ приготовления такого удобрения. В соответствии с данным способом

а) смешивают друг с другом твердые, растертые в порошок сырьевые материалы,

б) при необходимости сформированную порошкообразную смесь спрессовывают в твердую массу и

в) указанную массу или порошкообразную смесь формируют в гранулы или таблетки, имеющие прочность, по меньшей мере, 10 Н и пригодные для применения в качестве удобрения.

Согласно изобретению дополнительно разработан способ подкормки (удобрения) лесных почв, имеющих кислый характер и обедненных железом. При применении указанного способа описанное выше фосфорное удобрение длительного действия согласно изобретению распределяют по лесной почве, подлежащей подкормке, а присутствующее в удобрении железо предотвращает фосфор от выщелачивания. Внесение предпочтительно проводить центробежным методом, посредством соответствующего разбросного аппарата. рН лесной почвы, подлежащей подкормке, обычно составляет величину ниже 5, предпочтительно приблизительно 4 или менее 4.

Одновременно с введением в почву медленно растворяющегося фосфора применение удобрения согласно изобретению добавляет в нее также компонент, например железо, который связывает способный к выщелачиванию фосфор. В лесных удобрениях, задача которых заключается в обеспечении максимально возможного периода эффективности, предпочтителен особо медленно растворяющийся фосфор.

Невыщелачиваемое фосфорное удобрение длительного действия согласно изобретению содержит источник фосфора и источник железа.

Фосфор и железо можно извлечь из одного и того же соединения. Это может быть, например, содержащий железо фосфат, у которого присутствующий фосфор нерастворим в воде, но растворим в растворе нейтрального цитрата аммония. Для удобрений и их сырьевых материалов существует несколько способов оценки пропорции фосфора, полезного растениям. Наиболее распространенные способы имеют в своей основе использование выщелачивающих растворов, таких как раствор нейтрального цитрата аммония, 2% раствор лимонной кислоты или 2% раствор муравьиной кислоты. Применение указанных растворов основано на допущении, что они наилучшим образом имитируют растворимость фосфора в усредненном почвенном растворе, из которого растения усваивают питательные вещества.

Согласно изобретению фосфор и железо частично или полностью можно извлекать и из раздельных соединений.

В типичном случае из фосфорного соединения, содержащего железо, извлекают 25-100 мас.% фосфора в составе невыщелачиваемого фосфорного удобрения длительного действия согласно изобретению. Остальную часть фосфора можно извлечь, например, из источников фосфора, растворимых в кислоте, предпочтительно из фосфатов кальция, таких как апатитовый минерал.

Предпочтительно, чтобы из фосфорного соединения, содержащего железо, извлекалось 30-70 мас.% фосфора в составе невыщелачиваемого фосфорного удобрения длительного действия. Остальную часть, т.е. 70-30 мас.%, можно извлечь, например, из источников фосфора, растворимых в кислоте, предпочтительно из фосфатов кальция, таких как апатитовый минерал.

Молярное отношение железа к фосфору в невыщелачиваемом фосфорном удобрении длительного действия согласно изобретению показывает, насколько эффективно можно предотвратить выщелачивание. Предпочтительно, чтобы это отношение лежало в интервале 0,1-1,0, причем наиболее предпочтителен интервал 0,4-0,6.

Источником железа согласно изобретению может быть неорганическое соединение железа, не содержащее фосфор, такое как сульфат, гидроксид, оксид или нитрат, например, сульфат железа. Таким источником может служить также соединение железа, содержащее фосфор, такое как фосфат железа. Фосфорно-кислое железо является предпочтительным фосфатом такого типа. Соединение железа может представлять собой также побочный продукт другого химического процесса. На практике наиболее предпочтительным источником железа является фосфорно-кислое железо, присутствующее в шламе, который получен посредством осаждения в ходе обработки сточной воды. Далее фосфорно-кислое железо обрабатывают таким образом, чтобы сделать его пригодным для применения в качестве сырьевого материала удобрения.

Фосфор, присутствующий в источниках фосфора и железа/фосфора согласно изобретению, должен обладать достаточной растворимостью в нейтральном цитрате аммония. Предпочтительно, чтобы при расчете, исходящем из общей концентрации фосфора, этот параметр превышал 30%.

Кроме того, на практике в источниках фосфора и в источниках железа/фосфора, не должны быть превышены максимальные концентрации примесных компонентов, разрешенные для удобрений. Например, в Финляндии эти величины определены регламентами (№45/1994), которые для соединений, пригодных в качестве удобрений, предписывают пределы концентраций тяжелых металлов и других вредных примесей.

Чтобы получить желаемый состав удобрения, можно дополнительно прибавить к нему в добавление к фосфору другие питательные вещества, такие как калий. В таком случае примененный сырьевой материал может представлять собой, например, хлорид, сульфат, нитрат или азот. При этом сырьевым материалом может быть, в частности, нитрат калия, нитрат аммония, мочевина или метиленмочевина медленного действия, или и то, и другое вместе. Кроме того, при необходимости можно добавить и другие питательные вещества, такие как бор, медь, магний, цинк, кальций и/или сера.

Невыщелачиваемое фосфорное удобрение длительного действия согласно изобретению можно приготовить различными методами, в частности, посредством прессования. В этом случае твердые, растертые в порошок сырьевые материалы имеют размер частиц менее 500 мкм, предпочтительно менее 200 мкм и содержание влаги в интервале 1-4 мас.%. Примеси в них регламентируются качеством удобрения. Указанным требованиям к сырьевым материалам отвечают апатит, фосфорно-кислое железо, хлорид калия, гипс, сульфат магния, борат натрия и сульфат меди. Сырьевые материалы смешивают друг с другом, формируя однородный по качеству порошок. Его спрессовывают, применяя усилие прессования, составляющее предпочтительно, по меньшей мере, 100 кН, при надлежащем содержании влаги (предпочтительно в интервале 2-4 мас.%). Прессование происходит между двумя валиками с формированием листа, при этом применяется серийная аппаратура, например прессующая машина Верех GmbH. Полученный лист измельчают в прилагаемой к аппаратуре дробильной установке до состояния гранул надлежащего размера, которые пропускают через сито. При необходимости пыль, состоящую из частиц нежелательного размера, повторно возвращают в процесс.

Размер частиц удобряющего продукта, приготовленного согласно изобретению, может составлять 1-5 мм, предпочтительно 2-4 мм; содержание влаги равно 1-3 мас.%.

В порядке альтернативы фосфорное удобрение длительного действия согласно изобретению можно приготовить также и другими компрессионными методами, например, применяя тарельчатую мельницу. В этом случае сырьевой материал удобрения продавливают посредством валков через отверстия в матрице, формируя цилиндрические таблетки.

Другой возможный вариант альтернативного гранулирования удобрения длительного действия согласно изобретению использует так называемое прокатное гранулирование. В этом случае образование гранул осуществляют посредством воды, пара или одновременного воздействия обоих этих факторов, применяя тарельчатый или барабанный гранулятор.

Лесные удобрения должны выдерживать процесс внесения посредством, например, центробежного разбросного аппарата, работающего на уровне земли, или с помощью вертолета или самолета при нанесении с воздуха, все чаще применяемого в настоящее время. Для гранул удобрения согласно изобретению минимальная достаточная прочность в зависимости от рецептуры и формы гранул составляет 10-20 Н. Гранулы удобрения длительного действия, приготовленные согласно изобретению, в высокой степени отвечают требованиям для внесения посредством центробежного разбросного аппарата.

Содержащее железо фосфорное удобрение согласно изобретению особенно эффективно для длительной подкормки неплодородных, обедненных железом заболоченных лесных почв, которые имеют рН ниже 5 и для которых интервал между циклами подкормки может превышать 10 лет. Из удобряющего продукта согласно изобретению фосфор, предназначенный для усвоения растениями, медленно высвобождается в течение нескольких лет. Выщелачивание фосфора из удобрения незначительно и составляет во время первого года менее 0,1 мг/л. В течение следующих нескольких лет этот уровень выщелачивания предположительно сохраняется при условии, что свойства почвы остаются неизменными.

Далее продукт согласно изобретению и способ его приготовления описываются с помощью примеров, которые, однако, не ограничивают рамок изобретения. Если нет специальных оговорок, проценты в настоящем описании соответствуют мас. процентам.

Краткое описание чертежа

На чертеже представлены результаты, полученные из сравнительных испытаний.

Осуществление изобретения

Пример 1

Приготовили четыре различных удобрения с четырьмя различающимися между собой рецептурами. Все удобрения по своему составу соответствовали типу N-P-K 0-9-16, применявшемуся для подкормки заболоченных лесов и содержащему 8-9 мас.% фосфора.

Для этих четырех различающихся между собой удобрений растворимость присутствующего в удобрениях фосфора в воде и цитрате аммония изменяли, применяя различные источники фосфора.

Из приготовленных удобрений два, А и Б, представляли собой удобрения согласно изобретению, а остальные, В и Г, использовались для сравнения.

Чтобы получить в удобрениях желаемые концентрацию фосфора и его растворимость, в удобрении А источниками фосфора были апатитовый минерал (Kola) и перекристаллизованное фосфорно-кислое железо (ferric phosphate, FP), осажденное из шлама в процессе обработки сточной воды. При этом 50% общего количества фосфора извлекалось из минерала Kola, а остальные 50% - из фосфорно-кислого железа. В удобрении Б применяли только описанное выше фосфорнокислое железо. В удобрениях В и Г источником фосфора служили, соответственно, только апатит (Kola) и только суперфосфат (superphosphate, SSP).

Растворимости примененных в качестве источников фосфора соединений, т.е. апатит, фосфорно-кислого железа и суперфосфата, приведены в Таблице 1. Расчеты проводились для пентоксида фосфора.

Химические составы апатита, фосфорно-кислого железа и суперфосфата, примененных в качестве источников фосфора, приведены в Таблице 2.

Источником калия, примененным во всех рецептурах удобрений, был KCI с концентрацией К 50%. Функцию гипса выполнял дигидрат гипса фирмы Kemira Agro (Финляндия).

В Таблице 3 приведены рецептуры для приготовления удобрений. Концентрации фосфора в апатите, фосфорно-кислом железе и суперфосфате составляли, соответственно, 17%, 13,5% и 8,2%.

Удобрения приготавливали посредством прессования, применяя прессующую машину Верех GmbH. Твердые, растертые в порошок сырьевые материалы сначала смешали друг с другом, а затем при содержании влаги 2-4% спрессовали между двумя валиками при усилии прессования 100-150 кН, получив листы. Далее листы измельчили в гранулы размером 2-4 мм.

Полученные таким образом удобряющие продукты проанализировали; их свойства приведены в Таблице 4.

Пример 2

Свойства удобрений А, Б, В и Г, приготовленных в соответствии с Примером 1, были сопоставлены в последующих испытаниях по культивированию и выщелачиванию.

Для семян японской березы было проведено проращивание в культивационных камерах до стадии двух или трех семядолей. Семена засевали в контейнерах, наполненных обедненным минералами, болотным торфом, причем состав торфа соответствовал составу почвы заболоченного леса. Контейнеры обрабатывали удобрениями согласно Примеру 1 таким образом, чтобы количества удобрений при всех обработках составляли для Р и К соответственно 45 и 80 кг на гектар. Для каждого удобрения было зарезервировано семь испытательных контейнеров, и по полученным в них результатам рассчитывались средние значения. Для поддерживания баланса питательных веществ сеянцы во время испытаний смачивались водой, содержащей азот.

Рост сеянцев японской березы и содержание фосфора в орошающей воде, протекающей через контейнеры, были прослежены в виде функции времени. На чертеже показаны полученные результаты роста в виде длины (см) сеянцев во время прослеженного периода, равного 169 дням. Выщелачивание фосфора, мг Р/л, было прослежено в течение 140 дней (Таблица 5).

В дополнение к этому для контрольного испытания Д применяли контейнеры, в которых подкормка вообще не проводилась.

В начале культивации (см. чертеж) рост сеянцев, удобренных удобрениями, которые содержали фосфорно-кислое железо, был однозначно медленнее по сравнению с сеянцами, удобренными апатитовым и суперфосфатным удобрениями. Однако через 140 дней рост растений, удобренных удобрениями с фосфорно-кислым железом, продолжался вследствие активирования функционирования корневой системы, в то время как рост других сеянцев начал замедляться. Высокая концентрация фосфорно-кислого железа в удобрении замедляет рост, но уже в случае смеси апатит/фосфорно-кислое железо в пропорции 50:50 через 169 дней достигается уровень роста, полученный с апатитовым и суперфосфатным удобрениями. Вообще без подкормки рост постоянно и однозначно слабее.

В Таблице 5 представлены результаты по концентрациям фосфора в продуктах выщелачивания, мг Р/л.

В соответствии с этими данными при применении удобрений А и Б согласно изобретению концентрации фосфора в продуктах выщелачивания (Таблица 5) оставались низкими, менее 0,1 мг/л во время всего испытания на рост. В случае контрольных продуктов В и Г эти концентрации изменялись в интервале 1-50 мг/л, т.е. они были выше в 10 или 100 раз.

Базовое значение концентрации фосфора в продуктах выщелачивания, измеренное для почвы без удобрений, было менее 0,1 мг/л. Сопоставление с соответствующими продуктами из неудобренных контейнеров показывает, что выщелачивание из удобрений, содержащих фосфорно-кислое железо, было действительно низким.

Эти результаты исследований роста демонстрируют, что вследствие активности своей корневой системы деревья способны усваивать в качестве своего питательного вещества также и фосфор фосфорно-кислого железа, растворимого в цитрате. Присутствующее в этом соединении железо хорошо ингибирует направленное в водостоки выщелачивание фосфора, растворенного в почве, но еще не усвоенного растениями. Таким образом, данные удобрения хорошо соответствуют задачам, для решения которых требуется удобрение, содержащее фосфор длительного действия, по существу не выщелачиваемый из удобрения в водостоки.

Из полученных результатов можно дополнительно заключить, что вследствие низкого выщелачивания при применении удобрения согласно изобретению растениям даже в течение нескольких следующих друг за другом сезонов роста будут доступны ресурсы фосфора. В случаях В и Г эти ресурсы существенно ниже или даже полностью удаляются из почвы посредством выщелачивания.

Реферат

Изобретение относится к фосфорному удобрению длительного действия, содержащему источник фосфора и источник железа. По меньшей мере, 10 мас.% фосфора, присутствующего в удобрении, нерастворимо в воде, но растворимо в нейтральном цитрате аммония. Удобрение находится в форме гранул или таблеток. Кроме того, изобретение относится к способу подкормки кислых, обедненных железом лесных почв, в ходе которого указанное удобрение распределяется по почве. Внесение удобрения предпочтительно проводить центробежным методом. Использование удобрения предотвращает выщелачивание фосфора за счет присутствия железа в нем при одновременном регулировании кислотности почвы. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 табл., 1 ил.

Формула