Химия в сельском хозяйстве
Химия в сельском хозяйстве решает три главные задачи: накормить растения (минеральные удобрения), улучшить почву (известкование кислых и гипсование засолённых почв) и защитить урожай (средства защиты растений). Кроме того, химия даёт животноводству кормовые добавки и дезинфицирующие средства, растениеводству — плёнки для теплиц и трубки для полива, а агрономам — методы анализа почв и продукции. Без химии невозможно современное земледелие, но и ошибки химизации обходятся дорого — от нитратов в овощах до «цветения» водоёмов.
Роль химии в сельском хозяйстве
Урожай — результат химии в самом прямом смысле. Растение при фотосинтезе превращает углекислый газ и воду в глюкозу и кислород: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂↑ свет, хлорофилл. Из глюкозы оно строит крахмал и целлюлозу, а добавляя азот, фосфор и серу из почвы, — белки и нуклеиновые кислоты. Когда мы едим хлеб, организм окисляет эти вещества обратно: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O в клетках.
Углекислого газа и воды растению хватает, а почвенных элементов — нет: каждый урожай уносит их с поля. Роль химии в сельском хозяйстве — замкнуть этот круговорот: вернуть в почву то, что ушло с урожаем, исправить то, что мешает растению (кислотность, засоление), и сохранить то, что вырастило поле. Науку, которая этим занимается, называют агрохимией.
Применение химии в сельском хозяйстве
| Область | Вещества | Химия процесса |
|---|---|---|
| Питание растений | азотные, фосфорные, калийные, комплексные удобрения, микроудобрения | корни поглощают ионы NH₄⁺, NO₃⁻, H₂PO₄⁻, K⁺ |
| Улучшение кислых почв | мел, известняковая и доломитовая мука, известь | нейтрализация кислот карбонатами |
| Улучшение засолённых почв | гипс CaSO₄·2H₂O | замена ионов натрия ионами кальция |
| Защита растений | гербициды, фунгициды, инсектициды | избирательное действие на ферменты и нервную систему вредных организмов |
| Животноводство | кормовые фосфаты, поваренная соль, карбамид, микроэлементы | восполнение минеральных веществ и азота в рационе |
| Заготовка кормов | консерванты для силоса — органические кислоты, например муравьиная | кислая среда подавляет гнилостные бактерии |
| Гигиена и ветеринария | гипохлорит натрия, хлорная известь, перманганат калия | окисление и гибель микробов |
| Материалы | полиэтилен, поливинилхлорид, нетканый полипропилен | плёнки для теплиц, трубки капельного полива, укрывной материал |
Отдельное направление — химический анализ. Агрохимические лаборатории определяют кислотность и состав почв (подробнее об анализе почвы), содержание белка в зерне, нитратов в овощах, остатков пестицидов в продукции.
Химическая мелиорация: известкование и гипсование почв
Мелиорация — коренное улучшение земель, а химическая мелиорация исправляет реакцию почвы.
Известкование применяют на кислых почвах — дерново-подзолистых, торфяных. Карбонат кальция нейтрализует почвенные кислоты, а освободившиеся ионы кальция улучшают структуру почвы. Как определить, нужна ли известь, и чем раскислять огород, — на странице «Кислотность почвы». Сырьё для известкования — известняк, мел, доломит, а также богатые карбонатом кальция отходы производств. Негашёную известь получают обжигом известняка: CaCO₃ → CaO + CO₂↑ t°.
Гипсование нужно на солонцах — почвах, где почвенные частицы насыщены ионами натрия. Во влажном состоянии такие почвы вязкие, в сухом — твёрдые, как камень, а сода Na₂CO₃ делает их сильнощелочными. Гипс заменяет натрий на кальций и связывает соду в нерастворимый карбонат кальция:
Na₂CO₃ + CaSO₄ → CaCO₃↓ + Na₂SO₄
Сульфат натрия хорошо растворим, и его вымывают из верхнего слоя поливом или осадки. Почва становится рыхлее и менее щелочной.
Значение химии для урожая и животноводства
Значение химии в сельском хозяйстве хорошо видно на истории азотных удобрений. До XX века азот на поля приходил с навозом, бобовыми растениями и природной чилийской селитрой NaNO₃. В 1913 году заработала первая промышленная установка синтеза аммиака по способу Габера — Боша: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ t°, давление, катализатор. Азот воздуха стал сырьём для удобрений, азотные удобрения стали массовыми — это одна из главных причин роста урожаев в XX веке. Сегодня почти все азотные удобрения делают из синтетического аммиака: аммиачную селитру, карбамид, сульфат аммония, аммофос.
В животноводстве химия обеспечивает сбалансированное питание. Кормовые фосфаты кальция восполняют фосфор и кальций для костей, поваренная соль NaCl — натрий и хлор (её дают в виде брикетов-лизунцов), соединения железа, меди, цинка, кобальта, иода — микроэлементы. Жвачным животным в корм добавляют карбамид: бактерии рубца строят из его азота белок (подробнее о карбамиде).
Экологические проблемы химизации и их решение
- Нитраты в продукции. При избытке азотных удобрений растения накапливают нитраты, особенно листовые овощи, корнеплоды и бахчевые. В организме часть нитратов может превращаться в более опасные нитриты.
- «Цветение» водоёмов (эвтрофикация). Нитраты и фосфаты, смытые с полей, становятся удобрением для водорослей. Водоросли бурно размножаются, а отмирая и разлагаясь, отнимают у воды кислород — гибнет рыба.
- Подкисление почв при многолетнем внесении аммонийных удобрений без известкования.
- Остатки пестицидов в почве, воде и урожае, гибель пчёл и полезных насекомых (подробнее — на странице «Пестициды»).
- Парниковые газы. Часть азота удобрений почвенные бактерии превращают в оксид азота(I) N₂O — сильный парниковый газ.
Решает эти проблемы тоже химия: точное внесение удобрений по результатам анализа почвы, удобрения с медленным высвобождением (гранулы в оболочке), вещества, замедляющие нитрификацию, биологические средства защиты растений, быстрые тесты на нитраты и остатки пестицидов. Главный принцип — давать растению столько, сколько оно может усвоить, и тогда, когда ему это нужно.
Химия и профессии в сельском хозяйстве
Химия нужна почти каждому специалисту аграрной отрасли. Агроном подбирает удобрения и средства защиты, агрохимик анализирует почвы и составляет планы удобрения полей, почвовед изучает свойства почв, специалист по защите растений выбирает препараты и следит за сроками ожидания. Ветеринарный врач работает с лекарствами и дезинфицирующими средствами, технолог перерабатывающего производства — с консервантами и контролем качества продукции, лаборант агрохимической лаборатории выполняет анализы. Химики-технологи работают и на заводах, где делают удобрения.
Поэтому в агроклассах химии уделяют особое внимание. Темы, опыты и материалы для занятий собраны в разделе «Агроклассы», а план занятий для учителя — на странице «Агрокласс: программа и материалы».
Проведите опыт онлайн
Эти опыты есть в виртуальной лаборатории: запустите прямо здесь или откройте на весь экран.
Читайте также
Частые вопросы
Какова роль химии в сельском хозяйстве?
Химия возвращает в почву элементы питания, унесённые урожаем (удобрения), исправляет кислотность и засоление почв (известкование, гипсование), защищает урожай от сорняков, болезней и вредителей, даёт кормовые добавки, материалы и методы анализа.
Где применяется химия в сельском хозяйстве?
В растениеводстве — удобрения, мелиоранты, средства защиты растений, регуляторы роста; в животноводстве — кормовые фосфаты, соль, карбамид, микроэлементы, дезинфицирующие средства, консерванты для силоса; в технике и строительстве — полимерные плёнки, трубки для полива, топливо; в лабораториях — анализ почв и продукции.
Что такое химическая мелиорация почв?
Улучшение почв с помощью веществ, исправляющих их реакцию: известкование кислых почв карбонатом кальция и гипсование засолённых солонцов сульфатом кальция.
Почему избыток удобрений вреден?
Растение не усваивает лишнее: нитраты накапливаются в овощах, излишки азота и фосфора смываются в водоёмы и вызывают их «цветение», почва засоляется или подкисляется. Поэтому дозы берут по инструкции и по результатам анализа почвы.
Какие профессии сельского хозяйства связаны с химией?
Агроном, агрохимик, почвовед, специалист по защите растений, ветеринарный врач, технолог переработки продукции, лаборант агрохимической лаборатории, химик-технолог завода удобрений.