56. Соль биосферы Земли

[albercul]

Лимитирующий фактор жизни

Начало: (43), (44), (45), (46), (47), (48), (49), (50), (51), (52), (53), (54), (55)



14. Агрохимическая зависимость цивилизации

В результате длительных природных процессов (связанных с магматическими явлениями, гипергенезом, жизнедеятельностью океанических и континентальных организмов, осадконакоплением), имевших место в далеком геологическом прошлом, на Земле образовались локальные скопления полезных ископаемых, в том числе содержащие в концентрированном виде главные элементы минерального питания культивируемых растений - азот, фосфор, калий (NPK, в агрохимической аббревиатуре). Известный советский геолог Я.В. Самойлов назвал их агрономическими рудами. Эти руды и послужили сырьевой основой для промышленного производства главнейших минеральных удобрений.

Меньше всего в сырьевом отношении «повезло» азоту. Природные нитраты - ка­лиевая и натриевая селитры имеют исключительно биогенное происхождение (они образуются в результате фиксации атмосферного азота прокариотами, а также в результате использования специальными бактериями аммиака) и выступают в качестве агрономических руд нечасто. Крупные и богатые за­лежи нитратов в природе очень редки. Обычно встречаются (в том числе и в нашей стране) бедные селитро­носные солонцы, пригодные для использования лишь в ка­честве местного азотного удобрения. Ми­неральные соединения азота в списке агрономических руд в на­стоящее время обычно не фигу­рируют.

И, тем не менее, именно с применением на полях природной селитры начинается история всеобщей химизации мирового земледелия. Дело в том, что на Южно-Американском континенте, в северной части Чили (пустыня Атакама) были открыты весьма значительные месторождения азотнокислого натрия, который получил название «чилийской селитры». Эти месторождения, к разработке которых приступили в 1930-х годах, стали глав­ным источником удобрительного азота в течение многих десятиле­тий. До 1960-х годов добыча селитры в Чили обеспечивала почти на 3/4 мировой спрос в азотных удобрениях. Увы, этот ценнейший природный ресурс так интенсивно добывали и расходовали, что залежи чилийской селитры почти полностью иссякли. Значение чилийских месторож­дений в мировом азотном балан­се стало не превышать первых десятых долей процента и сейчас они продолжают эксплуатироваться в основном ради получения некоторых побочных продуктов, главным образом йода.

Другой источник минерального удобрения - гуано (исп. guano) - был связан в своем образовании с деятельностью морских птиц (чистиков, чаек, трубконосых, бак­ланов, олуш и др.), склонных устраивать массовые и очень плотные колониальные гнездовья. Птичьи базары (птичьи горы) обыч­но расположенные на приморских скалах, распространены на побережьях Европы, Азии, Северной и Южной Америки, Южной Африки, Новой Зеландии и на океанических островах Южного полушария. Все они приурочены к плодородным районам моря, характеризующимся высокой биологической продуктивностью (которая, как мы видели выше, может значительно усиливаться вертикальной циркуляцией вод), обильным размножением планктона и ры­б. Некоторые колонии морских птиц простираются вдоль побережий на десятки километров и насчитывают сотни тысяч особей.

Колониальные птицы обильно питаются морской рыбой, оставляя после себя огромное количество помёта, богатого различными минеральными веществами. Эти вещества частично смываются дождями и возвращаются в море. Однако в условиях сухого климата помёт морских   птиц остается на месте гнездования, наслаиваясь вперемешку с перьями и пухом, которые скрепляют его (текстуральный эффект!), препятствуя эрозионному разрушению. В дальнейшем происходит его постепенное разложение и превращение в превосходное азотно-фосфорное удобрение - гуано, которое со­держит около 9% N, 13% Р2О5 , а также калий и кальций.

Залежи гуано характерны для островов, расположенных близ побережья Чили, Перу, Южной Африки, а также в Карибском море. После размола гуано используется как многоцелевое комплексное удобрение на почвах различных ти­пов под все сельскохозяйственные культуры. За многие века гуано накопилось мощными пластами толщиной в несколько десятков метров. Теперь же от этих былых запасов почти ничего не осталось.









Азот как важнейший элемент минерального питания растений не лимитирует продуктив­ность природных экосистем, поскольку все звенья его биогеохи­мического цикла сбалансирова­ны деятельностью прокариотных организмов. Напротив, в агроэкосистемах он становится главным фактором, ограни­чивающим урожай большинства культурных растений. Ведь в па­хотных почвах круговорот азота не только нарушен, но и нередко разорван из-за частых механических обрабо­ток и непрерывного плодосмена, которые разрушают почвенные микробные ценозы, ответствен­ные за азотфиксацию. Это обстоятельство (наряду с регулярным выносом азота вместе с урожаем) обусловливает его острый дефицит на полях.

Проблема азота в земледелии была, однако, успешно решена в первой половине 20-го столетия в результате крупномасштабного промышленного освоения синтеза аммиака из водорода и атмо­сферного азота (при высоких давлениях, низкой температуре и в присутствии катализаторов). По сути дела был смоделирован естественный процесс фиксации молекулярного азота, только на принципиально иной, техногенной основе.



Иначе сложилась судьба калия. Значительные месторождения калийных руд исторически образовались на месте солёных водоемов (главным образом морских) вследствие испарения воды и осаждения содержащихся в ней минералов. Высыхая и отступая, море оставляло на своём дне слои каменных солей. Наиболее благоприятные условия для накопления калийных соединений складывались в геологические периоды с сухим и тёплым климатом. Месторождения природных калийных солей географически распределены неравномерно. Они залегают среди каменной соли (хлорида натрия) в виде пластов или линз мощностью в несколько десятков и сотен метров.





Первое круп­ное месторождение природных калийных солей было открыто в Штасфурте в 1940-х годах. С этих пор стали применять калийные удобрения, на которые долгие годы Германия сохраняла монополию. В последующие годы были открыты, однако, новые залежи ка­лийных солей в той же Германии, а также во Франции, Канаде, США и некоторых других странах. Кроме того, были разведаны и оценены запасы калийных солей в различных регионах СССР: Пермская область, Белоруссия, Предкар­патье, Прикаспийский бассейн, Средняя Азия, позднее Иркутская область. Причем уникальное Верхнекамское месторождение в Уральском регионе оказалось крупнейшим и богатейшим в мире. Калийные удобрения получили тем самым широкое распространение.



Фосфор. Горнорудным сырьём для производства фосфорных удобрений явились апатиты и фосфориты. В природе наиболее распространены апатиты Ca5(PO4)3(F, C1, ОН), состав­ляющие 95% массы всех минералов фосфора. Апатиты - минералы из группы фосфорнокислых со­лей кальция, содержащие переменное количество фтора и хлора, а также другие химические элементы (марганец, стронций, натрий, калий, барий, редкоземельные элементы) в качестве примесей и заместителей кальция. Апатиты образовались вследствие различных геологических процессов. В глубоких зонах земной коры перераспределение фосфора происходит весьма активно. Значительные его количества выпа­дают при кристаллизации магмы, а также из охлаждающихся оста­точных магматических газо-водных растворов. Из­вестны крупные месторождения магматического апатита. Одно из них - уникальное по своим запасам и качеству сырья - Хибинское расположено в России на Кольском полуострове. За рубежом крупные скопления апатитов обнаружены в железорудных месторождениях Швеции, Центральной и Восточной Африки.








Фосфориты имеют осадочное происхождение. Более чем на 50% они сложены из аморф­ных или микрокристаллических разновидностей минералов группы апатитов. Крупные месторождения фосфоритов разведаны в США, Казахстане, на европейской части России (Егорьевское, Вятско-Камское, Щигровское месторождения), а также в Алжире, Марокко, Тунисе, Перу.

Фосфорные удобрения - первые из минераль­ных туков, полученных промышленным пу­тём.   Суперфосфат впервые   стали вырабатывать в Великобритании в 1842 году. Разработка фосфо­ритов для производства удобрений была на­чата в 1855 года во Франции.

С середины 20-го века производство и потребление минеральных удобрений быстро увеличивается во всём мире. Возникает мощная индустрия химических удобрений. В категорию агрономических руд вошли также карбонатные породы (мел, известняк, доломит), а также гипс и некоторые другие. Для изготовления микроудобрений стали использовать руды меди, бора, марганца, цинка, кобальта, молибдена.





Внесение на поля минеральных удобрений стало наиболее эффективным фактором повышения урожайности сельскохозяйственных культур и качества продукции. Считается, что из общей прибавки урожая примерно 50% её обес­печивается удобрениями, 25% достоинст­вом сорта и 25% прогрессивной технологией возделыва­ния. Каждый килограмм удобрений, приме­нённых при правильном соотношении NPK, даёт в среднем 10 килограммов зерна или эквива­лентное количество другой сельскохозяйственной продукции.





В то же время тотальная химизация земледелия (как и вся его технологическая система в целом) сопровождается многосторонними отрицательными экологическими последствиями. Их анализ не входит в мою задачу, поскольку это увело бы настоящее исследование в сторону от намеченного курса. К тому же различные аспекты этой проблемы широко освещаются в экологической, природоохранной и агрономической литературе. [1] Тем не менее, считаю необходимым сделать в этой связи следующее замечание общего характера.

Земледелие и растениеводство привели за короткое время в небывалое движение и превращение минеральные ресурсы планеты, созданные длительными усилиями всех былых биосфер. Минеральные вещества, которые локально аккумулировались на протяжении геологических эпох, теперь извлекаются из недр, рассеиваются на просторах полей и безвозвратно теряются. Для получения урожая каждый раз требуется внесение всё новых и новых доз минеральных удобрений («закон возврата» неумолим). В результате современная цивилизация очень быстро оказалась в состоянии глубокой агрохимической зависимости.

Между тем, естественные запасы агрономических руд (прежде всего, калийных и фосфорных) как основного сырья для производства минеральных туков неуклонно приближаются к своему исчерпанию. Настанет время, и эти невозобновимые ископаемые ресурсы, как бы ни велики они были вначале, полностью исчезнут с лица земли (как это уже случилось с чилийской селитрой и гуано), и тогда уже нечем будет «солить» поля, предназначенные для выращивания культурных растений. Даже получение в перспективе новых, супервысокоурожайных сортов культурных растений на основе генетической инженерии не решит продовольственной проблемы, поскольку невозможно по определению создать такое растение, которое смогло бы реализовать свой биологический потенциал в отсутствии надлежащего минерального питания. Что тогда?

[1] Свою позицию по этим вопросам я изложил отчасти в статье: Кулик А.В. Тук Земли // Экология и жизнь.-2005.- № 4(45).- С. 8 - 14.