Результаты обширных исследований, полученные по всему миру, убедительно показывают, что дефицит серы снижает продуктивность и качество сельскохозяйственных культур, влияя тем самым на экономические показатели. Использование серных удобрений важно для устойчивого экономического развития сельского хозяйства. Предлагаемые для различных стран рекомендации по применению серы могут существенно различаться, что объясняется частично различными видами почв, их склонностью к выщелачиванию, особенностями сельскохозяйственных культур и погодно-климатическими условиями. Сера повышает содержание белков, клейковины и жиров в семенах, улучшает хлебопекарные свойства муки, питательные свойства кормовых растений. Серное питание растений повышает общую эффективность удобрений.
Серосодержащие продукты широко востребованы. Прежде всего, в сельском хозяйстве, гражданском строительстве и строительстве дорог. Практически все страны ведут исследования свойств серы и её применения в строительстве, в органо-минеральных смесях, чтобы улучшить их прочностные показатели. Высокоэффективные дорожные покрытия содержат до 40% серы.
В настоящий момент производство серы в мире превышает потребление на 10%, что отчасти связано с переработкой высокосернистой нефти (большая часть российской нефти является высокосернистой). Многие страны эффективно перерабатывают нефть и повышают её качество, убирая все примеси, включая серу. Бизнес на серосодержащих продуктах является высоко прибыльным, это доказывает опыт США и Катара.
Источники серы
Существуют 3 основных ресурса поступления серы растениям:
- с атмосферными осадками (в результате техногенного загрязнения, при вулканических извержениях);
- при разложении в почве органических остатков;
- с органическими и минеральными удобрениями.
Количество атмосферной серы, попадающей в почву с осадками, изменяется в очень широких пределах — от 2 до 200 кг/га в год. Отдельные исследователи считают, что при выпадении с осадками более 10 кг/га серы в год растения считаются обеспеченными этим элементом. В разных районах стран бывшего СССР в 1960-х годах ежегодно выпадало 3-46 кг/га серы. По данным лизиметрической станции, за 1981-2010 гг. в г. Минске при среднегодовом количестве осадков 598 мм среднегодовое выпадение серы составляло 18,7 кг/га.
В то же время есть основания утверждать, что осадкам не принадлежит первостепенная роль в обогащении почвы серой. Установлено, что способность растений к усвоению серы из атмосферы находится в прямой зависимости от уровня корневого питания.
Усвоение возрастает с увеличением содержания сульфатов в почве и достигает максимума при оптимальной обеспеченности почв серой. До половины необходимого количества серы растения могут усваивать из атмосферы в форме двуокиси серы.
В Беларуси, начиная с 1990-х, сократилось внесение органических удобрений, изменилась структура ассортимента удобрений: увеличилось производство высококонцентрированных и комплексных удобрений, не содержащих серу, прежний суперфосфат (16%-ый P2O5 и 12-14% S) был заменен на другие формы (фосфат аммония, полифосфаты), произошла замена каменного угля другими источниками энергии, что привело к значительному сокращению поступления элемента в почву.
Улавливание серы из дымовых газов на предприятиях промышленности привело к снижению количества серосодержащих газов, в результате чего выбросы сернистого ангидрида в атмосферный воздух Беларуси, которые в 1985 году составляли около 700 тыс. тонн, снизились более, чем в три раза. Вместе с этим планомерное известкование кислых почв республики неоднозначно влияет на поведение серы в почве.
Подробнее остановимся на отдельных аспектах баланса серы в земледелии. С различными видами органических удобрений в почву может поступить от 0,1 до 3,0 кг/т SO4, с минеральными удобрениями в форме сульфатов аммония, калия, магния и натрия вносится соответственно 24%, 18%, 18,6% и 22,6% серы, с фосфогипсом – 17,7-20,6%. Потери серы (SO4)при выщелачивании из наиболее распространенных почв республики составляют: 24 кг/га в год из суглинистых, 25 и 34 кг/га — из супесчаных и песчаных, 37 кг/га из торфяных. Удельный (нормативный) вынос SO4 с 1 т основной и соответствующим количеством побочной продукции по зерновым в среднем составляет 6,6 кг, по зернобобовым — 12 кг, льном-долгунцом — 16 кг, сахарной свеклой — 1,6 кг, рапсом — 3,5 кг, растениеводческой продукцией — 4,5 кг. Рост урожайности культур увеличивает вынос азота и серы с урожаями, что является одной из причин отрицательного баланса элемента на пашне.
Обеспеченность почв серой
Земная кора содержит около 0,06% серы, а общий запас элемента в почве определяется почвообразующими породами и содержанием в них органического вещества. С органическим веществом почвы связано 70-90% серы от ее валовых запасов. Неорганическая сера почвы подразделяется на сульфаты почвенного раствора, адсорбированные почвой сульфаты и серу минералов. Сульфаты почвенного раствора полностью доступны для поглощения растениями. При изменении реакции почвы от нейтральной до кислой часть труднорастворимых сульфатов почвы переходит в растворимую форму, увеличивая поглощение серы. Растворимость сульфатов сравнительно высокая и зависит от катиона (К, Na, Ca, Fe, NH4, Mn и др.).
По почвенному профилю сера распределяется вместе с гумусом. Между углеродом гумуса и серой установлена линейная зависимость и по мере повышения степени дисперсности почвенных фракций происходит увеличение серы и углерода.
Начиная с 1996 года, в республике отмечается устойчивая тенденция снижения содержания гумуса и серы в пахотных почвах. Тесная взаимосвязь всех фактов плодородия почв налицо. Причиной всему — изменения в структуре посевных площадей, связанные с интенсификацией сельскохозяйственного производства, а также со снижением доз органических удобрений. Существенно расширились посевы пропашных культур, особенно кукурузы, при одновременном сокращении доли многолетних трав — главного гумусообразующего и почвозащитного фактора современного земледелия.
Содержание серы в почвах является одним из параметров прогнозирования величины и качества урожая, эффективности серосодержащих удобрений. Однако содержание серы в почвах — очень динамичный показатель, который быстро изменяется за короткий период времени под влиянием многих факторов. Песчаные почвы, содержащие малое количество органического вещества, в большей мере подвержены серному дефициту. Это происходит из-за того, что сера, подобно азоту, легко вымывается.
Для почв Беларуси разработаны градации по содержанию и запасам серы (табл. 1).
Таблица 1. Градации почв по содержанию и запасам серы, мг/кг
| Содержание | Минеральные почвы | Торфяные почвы | Запасы в слое 0-25 см, кг/га |
| Низкое | менее 6,0 | менее 20 | менее 20 |
| Среднее | 6,1-12,0 | 20,1-40,0 | 20,1-40,0 |
| Высокое | 12,1-18,0 | 40,1-60,0 | 40,1-60,0 |
| Очень высокое | более 18,0 | более 60,0 | более 60,0 |
Однако указанные в таблице уровни содержания серы для почв разной степени окультуренности должны отличаться. Следует учитывать, что положительное действие серы наиболее сильно проявляется только при достаточном обеспечении растений другими элементами питания, особенно азотом и фосфором.
По результатам исследований отдела плодородия почв РУП «Институт почвоведения и агрохимии», средневзвешенное содержание сульфатной серы в гумусовом горизонте пахотных земель республики за последние 15 лет уменьшилось почти наполовину и в настоящее время составляет 6,4 мг/кг почвы с колебаниями по областям от 4,3 кг/га (в Гродненской области) до 7,9 кг/кг (в Минской области).
Для 60% минеральных пахотных земель республики характерно очень низкое содержание элемента (менее 6,0 мг/кг), около 29% почв характеризуются средним содержанием серы (6,1-12,0 мг/кг), 6,2% — высоким (12,1-18,0 мг/кг) и 3,7% — очень высоким (более 18 мг/кг). Немногим лучше ситуация складывается с улучшенными сенокосами и пастбищами, где почвы с низкой и средней обеспеченностью составляют более 80%.
Значение серы для растения и человека
Сера является важнейшим биофильным элементом. Она входит в состав белков, аминокислот (метионин, цистеин), гормонов (инсулин), витаминов (В1, H, U), таурина и глутатиона, активных центров многих ферментов, участвует в синтезе хлорофилла, входит в состав пенициллина, горчичного и чесночного масел, способствует фиксации азота из атмосферы клубеньками бобовых растений.
Признаки недостаточности серы для культур схожи с признаками азотного голодания: молодые листья слабо развиваются, скручиваются, на жилке появляется розоватая окраска, черешки становятся деревянистыми, сдерживается цветение, образуются щуплые семена, ухудшается хранение продукции.
При внесении азотных удобрений признаки серного голодания усиливаются (идеальное соотношение азота к сере в растении — 15:1). Родственный с серой селен в своем специфическом действии не может выполнять ее функции. Подтверждено участие серы в таком важном для растений процессе, как ассимиляция нитратов, в сдерживании накопления нитратов в клубнях картофеля, также известно противогрибковое действие элемента.
Сера играет важную роль и в генерации энергии для процессов жизнедеятельности человека, в процессах свертывания крови, в синтезе белка коллагена, входящего в состав костей, сухожилий и хрящей, кожи, волос и ногтей.
Сера оказывает противоаллергическое действие, очищает кровь, стимулирует клеточное дыхание, улучшает работу мозга, поддерживает упругость и здоровый цвет кожи, способствует секреции желчи в печени. Она необходима для образования кератина (белка суставов, волос и ногтей) и меланина (пигмента, предохраняющего глубокие слои кожи от вредного действия ультрафиолетовой радиации). Особенно богаты серой поверхностные слои кожи и волосы. Соответственно, недостаток серы в питании человека проявляется в болезненности суставов, повышении уровня сахара и жира в крови, потускнении волос, ломкости ногтей.
Физиологическая потребность организма человека в сере пока не установлена, суточная норма потребления элемента около 1 г практически легко удовлетворяется обычным пищевым рационом. Так, сыр содержит 263 мг серы в 100 г съедобной части продукта, рыба — 175, яйца, мясо — 230, горох, фасоль, овсяная крупа — более 200, другие крупы и хлеб — более 100 мг.
Использование серы в сельском хозяйстве
При разработке системы удобрения отдельных сельскохозяйственных культур и в севообороте сере, как питательному элементу для растений, до недавнего времени не уделялось особого внимания. Отчасти это объясняется тем, что в ассортименте выпускаемых ранее минеральных удобрений содержалось большое количество серы как сопутствующего элемента, что обеспечивало питание им растений. В перспективном земледелии сера может оказаться элементом, сдерживающим рост урожаев и качество продукции.
В настоящее время сера является самым дешевым из четырех основных питательных веществ (N, P, K, S), но применяется недостаточно широко. С этой позиции, при одинаковых уровнях эффективности, выгода от серы выше, чем от других основных питательных веществ.
Для прогноза эффективности серосодержащих удобрений необходим учет целого комплекса факторов, включающих биологические особенности культур, степень окультуренности почв, концентрации и соотношения в почве катионов кальция к магнию, сбалансированность доз удобрений.
Существует ряд культур, которые особенно требовательны к сере — это рапс, гречиха, капуста, пшеница, а также сахарная свекла, картофель, подсолнечник, кукуруза, овощи, кормовые культуры.
Относительно соотношения в почве катионов кальция к магнию для дерново-подзолистых легкосуглинистых почв республики установлено, что во избежание потерь урожайности и снижения эффективности минеральных удобрений не следует размещать посевы на почве с эквивалентным соотношением Ca2+ : Mg2+ <3,0 и содержанием обменного магния более 300 мг/кг почвы. За последние 15 лет доля почв республики с высоким содержанием обменного магния и узким эквивалентным соотношением Ca2+ : Mg2+ <3,0 продолжает увеличиваться, что происходит, в основном, за счет известкования кислых почв республики доломитовой мукой. В целом по стране эквивалентное соотношение Ca2+ : Mg2+ находится в допустимом диапазоне ина пахотных землях составляет 3,8, на луговых — 4,4.
В Германии для получения оптимальных урожаев рапса считается достаточным применение 20-30 кг/га серы, а в отдельных случаях дозу увеличивают до 70 кг/га. Во Франции, при внесении серы в дозах 20-40 кг/га, прибавки семян рапса в сравнении с контролем достигали 94%. В Индии данная культура обеспечивала прирост по сравнению с контролем 9-88% при внесении 20-90 кг/га серы.
Серосодержащие удобрения и их эффективность
Специально серные удобрения промышленность ранее не выпускала. В качестве источника серы применяли такие соединения, как сульфат аммония (NH4)2SO4 (содержит 24% серы и 21% азота по массе), сульфат магния (28-30% серы), сульфат-нитрат аммония (15%), сульфат калия K2SO4 (18%), простой суперфосфат (12%), а также фосфогипс (17,7-23,4%). В рекомендациях белорусских ученых за 1988 год по применению серосодержащих удобрений предложено вносить под рапс 5-6 ц/га фосфогипса. В современных рекомендациях экономически оправданной дозой внесения серы под рапс является 60 кг/га.
Имеются сведения об использовании для удобрения полей желтой серы. Элементарная сера становится доступной растениям после перевода ее микроорганизмами в сульфатную форму. Она слабее выщелачивается из пахотного слоя почвы и отличается более длительным последействием по сравнению с другими удобрениями, содержащими сульфаты. Сера входит и в состав нитрофоски сульфатной. Фосфогипс может служить серосодержащим удобрением местного значения, однако имеет некоторые недостатки — влажность (25%) и примесь фтора.
Для повышения эффективности карбамида (мочевины) разработано покрытие ее серой. На гранулы карбамида носится слой серы. Данное удобрение содержит до 38% азота и 20% серного покрытия. Содержащейся в покрытии серы может быть недостаточно для устранения серного дефицита сразу после внесения и в течение первого года, но она становится необходимым источником серы в дальнейшем.
Кристаллический сульфат аммония является универсальным азотно-серным удобрением с химически-нейтральным составом, но не лишен недостатков. Прежде всего, недостатки связаны с неравномерной подкормкой и большим расходом удобрения. Стоимость в республике кристаллического сульфата аммония без НДС составляет около $ 120 за 1 т физического веса, при этом стоимость за 1 т д.в. (по азоту) достаточно высокая — $ 568.
Сопряженность азотного и серного питания очевидна на зерновых культурах, где роль каждого из них возрастает на фоне другого. При внесении высоких доз азота под пшеницу на фоне дефицита серы выход биомассы снижался вдвое, а урожайность зерна падала на 60%.
Существует прямая зависимость между азотом и серой, фиксируемых при разложении растительных остатков, а также выявлено воздействие серы на фосфатный режим почв. Динамика азота и серы находится в тесной зависимости с осадками, их интенсивностью и распределением. По данным Института серы (США), внесение в почву серы и фосфора в соотношении 1/3, а также серы и азота в соотношении 1/5 является наиболее эффективным в повышении коэффициента использования фосфора и азота.
При запашке соломы на удобрение внесение совместно с ней сульфата аммония в дозе 10 кг азота на 1 т соломы обеспечивает поступление в почву 35-45 кг/га серы. С целью повышения эффективности азотных удобрений при первой подкормке озимых зерновых культур ранней весной в КАС добавляют 15 кг/га сульфата аммония.
В Беларуси до недавнего времени основными серосодержащими удобрениями являлись сульфат аммония и отход производства Гомельского химического завода – фосфогипс. На ОАО «Гродно-Азот» выпускались только опытные партии азотно-серосодержащих удобрений (NS) АСУ и КСА, для производства которых использовались промышленные формы твердых и жидких азотных удобрений и промышленные отходы химического производства Новополоцкого ПО «Полимир». К настоящему времени РУП «Институт почвоведения и агрохимии» совместно с ОАО «СветлогорскХимволокно» разработал новые формы жидких азотно-серосодержащих удобрений: АСУ 1 (N – 20 S – 4) и АСУ 2 (N – 12 S – 8), а также Свежка 1 (N – 20 S – 4) и Свежка 2 (N – 12 S – 8) с включением микроэлементов (бора, меди, марганца и цинка) для зерновых, рапса, картофеля, кукурузы и начато их промышленное производство. Удобрения применяют как в основное внесение в почву, так и в некорневые подкормки требовательных к сере культур.
Расчет доз азотно-серосодержащих удобрений производится по азоту с учетом биологических особенностей культур и величины планируемого урожая. При расчете доз удобрений в физическом весе и приготовлении рабочих растворов учитывается его плотность – 1,2 г/см3 и содержание азота. Например, необходимо внести 30 кг/га д.в. азота в форме удобрения Свежка 2. Для этого вносимую дозу азота (30 кг/га)делят на содержание азота в удобрении(12) и умножают на 100, получаем 250 кг/га Свежка 2, что при пересчете в литры будет составлять 208 л/га (250 кг/га :1,2 г/см3).
В соответствии с рекомендациями разработчиков, данные виды азотно-серосодержащих удобрений применяют:
Под озимые зерновые культуры
- в предпосевное внесение с осени в дозах азота 15-30 кг/га (АСУ 1 и Свежка 1 — 60-125 л/га, АСУ 2 и Свежка 2 — 105-210 л/га);
- в ранневесеннюю подкормку в начале вегетации в дозах азота 60-70 кг/га (без разбавления водой) (АСУ 1 и Свежка 1 — 250-290 л/га, АСУ 2 и Свежка 2 — 415-485 л/га).
Под яровые зерновые культуры
- под предпосевную культивацию в дозах азота 60-90 кг/га (АСУ 1 и Свежка 1 — 248-370 л/га, АСУ 2 и Свежка 2 — 415-625 л/га).
Под озимый рапс
- в предпосевное внесение с осени в дозах азота 25-30 кг/га (АСУ 1 и Свежка 1 — 105-125 л/га, АСУ 2 и Свежка 2 —175-210 л/га).
- в ранневесеннюю подкормку в начале вегетации в дозах азота 60-80 кг/га (без разбавления водой) (АСУ 1 и Свежка 1 — 250-330 л/га, АСУ 2 и Свежка 2 — 415-555 л/га).
Под яровой рапс
- под предпосевную культивацию в дозах азота 70-120 кг/га (АСУ 1 и Свежка 1 — 290-495 л/га, АСУ 2 и Свежка 2 — 485-830 л/га).
Под картофель
- в один прием в дозах азота 80-120 кг/га (АСУ 1 и Свежка 1 — 330-495 л/га, АСУ 2 и Свежка 2 — 555-830 л/га).
Под кукурузу
- под предпосевную культивацию в дозах азота 70-90 кг/га (АСУ 1 и Свежка 1 — 290-370 л/га, АСУ 2 и Свежка 2 — 485-625 л/га).
При использовании азотно-серосодержащих удобрений в подкормки посевов следует учитывать, что они могут вызывать ожоги на растениях при температуре воздуха более 20º С, при внесении их на мокрые листья растений (после дождя) и в яркую солнечную погоду. Подкормку посевов лучше проводить в послеобеденное или ночное время, используя опрыскиватели с дефлекторными или щелевыми распылителями, образующими капли очень малого размера.
Ввиду значительного влияния серы на урожайность и качество выявляется ее значительный экономический эффект. Применение в республике жидкого азотно-серосодержащего удобрения АСУ на фоне фосфорно-калийных удобрений на яровой пшенице обеспечивало чистый доход 11,2 USD/га при рентабельности 31%, удобрений Свежка с микроэлементами – соответственно 28-45 USD/га при рентабельности 69-103%. На картофеле рентабельность удобрений АСУ и Свежка соответственно составляла 387% и 401-415%.
Если не применять хотя бы один вид серосодержащего удобрения в севообороте, есть вероятность потерять значительную часть потенциального урожая и прибыли, даже внося известные марки других удобрений. Поэтому всем заинтересованным в повышении эффективности сельскохозяйственного производства необходимо обеспечить контроль в сфере удобрения земель с включением серосодержащих удобрений.
