Fertilizzante -Fertilizer

Un agricoltore che sparge letame per migliorare la fertilità del suolo

Un fertilizzante ( inglese americano ) o fertilizzante ( inglese britannico ; vedere le differenze di ortografia ) è qualsiasi materiale di origine naturale o sintetica che viene applicato al suolo o ai tessuti delle piante per fornire nutrienti alle piante . I fertilizzanti possono essere distinti dai materiali calcarei o da altri ammendanti del suolo non nutrienti . Esistono molte fonti di fertilizzanti, sia naturali che prodotti industrialmente. Per la maggior parte delle moderne pratiche agricole, la fertilizzazione si concentra su tre macronutrienti principali: Azoto (N), Fosforo (P) e Potassio (K) con l'aggiunta occasionale di integratori comepolvere di roccia per micronutrienti. Gli agricoltori applicano questi fertilizzanti in vari modi: attraverso processi di applicazione a secco o pellettizzati o liquidi, utilizzando grandi attrezzature agricole o metodi manuali.

Storicamente la fertilizzazione proveniva da fonti naturali o organiche: compost , letame animale , letame umano , minerali raccolti, rotazioni delle colture e sottoprodotti delle industrie della natura umana (es . scarti di lavorazione del pesce o farina di sangue dalla macellazione degli animali). Tuttavia, a partire dal 19° secolo, dopo le innovazioni nella nutrizione delle piante , un'industria agricola si sviluppò attorno a fertilizzanti creati sinteticamente. Questa transizione è stata importante per trasformare il sistema alimentare globale , consentendo un'agricoltura industriale su larga scala con grandi raccolti. In particolare, i processi chimici di fissazione dell'azoto come il processo Haber all'inizio del XX secolo, amplificati dalla capacità produttiva creata durante la seconda guerra mondiale, hanno portato a un boom nell'utilizzo di fertilizzanti azotati. Nella seconda metà del 20° secolo, l'uso crescente di fertilizzanti azotati (aumento dell'800% tra il 1961 e il 2019) è stato una componente cruciale dell'aumento della produttività dei sistemi alimentari convenzionali (oltre il 30% pro capite) come parte del chiamata " Rivoluzione Verde ".

Storia

Produzione totale di fertilizzanti per tipologia.
Popolazione mondiale sostenuta con e senza fertilizzanti azotati sintetici.
Fondata nel 1812, Mirat , produttore di concimi e fertilizzanti , è considerata la più antica attività industriale di Salamanca (Spagna).

La gestione della fertilità del suolo ha preoccupato gli agricoltori per migliaia di anni. Si dice che egiziani, romani, babilonesi e primi tedeschi usassero minerali o letame per aumentare la produttività delle loro fattorie. La scienza della nutrizione delle piante iniziò ben prima del lavoro del chimico tedesco Justus von Liebig , anche se il suo nome è più citato. Nicolas Théodore de Saussure e colleghi scientifici dell'epoca si affrettarono a smentire le semplificazioni di Justus von Liebig . C'era una complessa comprensione scientifica della nutrizione delle piante, in cui il ruolo dell'humus e delle interazioni organo-minerali erano centrali, e che era in linea con le scoperte più recenti dal 1990 in poi. Scienziati di spicco su cui attirò Justus von Liebig furono Carl Ludwig Sprenger e Hermann Hellriegel . In questo campo si è verificata una "erosione della conoscenza", in parte guidata da una commistione di economia e ricerca. John Bennet Lawes , un imprenditore inglese , iniziò a sperimentare gli effetti di vari concimi sulle piante che crescevano in vaso nel 1837, e un anno o due dopo gli esperimenti furono estesi alle colture in campo. Una conseguenza immediata fu che nel 1842 brevettò un letame formato dal trattamento dei fosfati con acido solforico, e fu così il primo a creare l'industria del letame artificiale. L'anno successivo si arruolò ai servizi di Joseph Henry Gilbert ; insieme hanno eseguito esperimenti sulle colture presso l' Istituto di ricerca sui raccolti di seminativi .

Il processo Birkeland–Eyde è stato uno dei processi industriali concorrenti all'inizio della produzione di fertilizzanti a base di azoto. Questo processo è stato utilizzato per fissare l' azoto atmosferico (N2 ) in acido nitrico ( HNO3 ) , uno dei numerosi processi chimici generalmente indicati come fissazione dell'azoto . L'acido nitrico risultante è stato quindi utilizzato come fonte di nitrato (NO 3 ). Una fabbrica basata sul processo è stata costruita a Rjukan e Notodden in Norvegia, combinata con la costruzione di grandi impianti idroelettrici .

Gli anni '10 e '20 furono testimoni dell'ascesa del processo Haber e del processo Ostwald . Il processo Haber produce ammoniaca (NH 3 ) dal gas metano (CH 4 ) ( gas naturale ) e azoto molecolare (N 2 ) dall'aria. L'ammoniaca del processo Haber viene quindi parzialmente convertita in acido nitrico (HNO 3 ) nel processo Ostwald . Dopo la seconda guerra mondiale, gli impianti di produzione di azoto che erano stati potenziati per la produzione di bombe in tempo di guerra furono orientati verso usi agricoli. L'uso di fertilizzanti azotati sintetici è aumentato costantemente negli ultimi 50 anni, aumentando di quasi 20 volte fino all'attuale tasso di 100 milioni di tonnellate di azoto all'anno.

Lo sviluppo di fertilizzanti azotati sintetici ha sostenuto in modo significativo la crescita della popolazione mondiale  : è stato stimato che quasi la metà delle persone sulla Terra viene attualmente nutrita grazie all'uso di fertilizzanti azotati sintetici. Anche l'uso di fertilizzanti fosfatici è aumentato da 9 milioni di tonnellate all'anno nel 1960 a 40 milioni di tonnellate all'anno nel 2000. Un raccolto di mais che produce 6–9 tonnellate di grano per ettaro (2,5 acri) richiede 31–50 chilogrammi (68–110 lb) di concime fosfatico da applicare; le colture di soia richiedono circa la metà, pari a 20–25 kg per ettaro. Yara International è il più grande produttore mondiale di fertilizzanti a base di azoto.

Meccanismo

Sei piante di pomodoro coltivate con e senza fertilizzante nitrato su terreno sabbioso/argilloso povero di nutrienti. Una delle piante nel terreno povero di nutrienti è morta.
Uso di fertilizzanti inorganici per regione

I fertilizzanti migliorano la crescita delle piante. Questo obiettivo viene raggiunto in due modi, quello tradizionale essendo gli additivi che forniscono nutrienti. La seconda modalità con cui agiscono alcuni fertilizzanti è quella di potenziare l'efficacia del terreno modificandone la ritenzione idrica e l'aerazione. Questo articolo, come molti sui fertilizzanti, sottolinea l'aspetto nutrizionale. I fertilizzanti in genere forniscono, in proporzione variabile :

I nutrienti necessari per una vita sana delle piante sono classificati in base agli elementi, ma gli elementi non vengono utilizzati come fertilizzanti. Invece i composti contenenti questi elementi sono la base dei fertilizzanti. I macronutrienti vengono consumati in quantità maggiori e sono presenti nei tessuti vegetali in quantità dallo 0,15% al ​​6,0% su base di sostanza secca (DM) (0% di umidità). Le piante sono composte da quattro elementi principali: idrogeno, ossigeno, carbonio e azoto. Carbonio, idrogeno e ossigeno sono ampiamente disponibili come acqua e anidride carbonica. Sebbene l'azoto costituisca la maggior parte dell'atmosfera, è in una forma che non è disponibile per le piante. L'azoto è il fertilizzante più importante poiché l'azoto è presente nelle proteine , nel DNA e in altri componenti (es. clorofilla ). Per essere nutriente per le piante, l'azoto deve essere reso disponibile in forma "fissa". Solo alcuni batteri e le loro piante ospiti (in particolare i legumi ) possono fissare l'azoto atmosferico (N2 ) convertendolo in ammoniaca . Il fosfato è necessario per la produzione di DNA e ATP , il principale vettore energetico nelle cellule, così come di alcuni lipidi.

Considerazioni microbiologiche

Due serie di reazioni enzimatiche sono altamente rilevanti per l'efficienza dei fertilizzanti a base di azoto.

ureasi

Il primo è l'idrolisi (reazione con l'acqua) dell'urea. Molti batteri del suolo possiedono l'enzima ureasi , che catalizza la conversione dell'urea in ione ammonio (NH 4 + ) e ione bicarbonato (HCO 3 ).

Ossidazione dell'ammoniaca

I batteri ossidanti l'ammoniaca (AOB), come le specie di Nitrosomonas , ossidano l'ammoniaca in nitrito , un processo chiamato nitrificazione . I batteri ossidanti i nitriti, in particolare il Nitrobacter , ossidano il nitrito in nitrato, che è estremamente mobile ed è una delle principali cause di eutrofizzazione .

Classificazione

I fertilizzanti sono classificati in diversi modi. Sono classificati a seconda che forniscano un singolo nutriente (es. K, P o N), nel qual caso sono classificati come "fertilizzanti semplici". I "fertilizzanti multinutrienti" (o "fertilizzanti complessi") forniscono due o più nutrienti, ad esempio N e P. I fertilizzanti sono talvolta classificati anche come inorganici (l'argomento della maggior parte di questo articolo) rispetto a quelli organici. I fertilizzanti inorganici escludono i materiali contenenti carbonio ad eccezione delle uree . I fertilizzanti organici sono solitamente (riciclati) materiale di origine vegetale o animale. Gli inorganici sono talvolta chiamati fertilizzanti sintetici poiché per la loro fabbricazione sono necessari vari trattamenti chimici.

Concimi mononutrienti ("dritti").

Il principale fertilizzante lineare a base di azoto è l'ammoniaca o le sue soluzioni. Anche il nitrato di ammonio (NH 4 NO 3 ) è ampiamente utilizzato. L'urea è un'altra fonte popolare di azoto, avendo il vantaggio di essere solida e non esplosiva, a differenza rispettivamente dell'ammoniaca e del nitrato di ammonio. Una piccola percentuale del mercato dei fertilizzanti azotati (4% nel 2007) è stata soddisfatta dal nitrato di calcio ammonio ( Ca(NO 3 ) 2 · NH 4 · 10 H 2 O ).

I principali fertilizzanti fosfatici semplici sono i superfosfati . Il "singolo superfosfato" (SSP) è costituito dal 14–18% di P 2 O 5 , sempre sotto forma di Ca(H 2 PO 4 ) 2 , ma anche da fosfogesso ( Ca SO 4 · 2 H 2 O ). Il triplo superfosfato (TSP) è tipicamente costituito dal 44-48% di P 2 O 5 e non da gesso. Una miscela di perfosfato singolo e perfosfato triplo è chiamata doppio superfosfato. Più del 90% di un tipico fertilizzante superfosfato è solubile in acqua.

Il principale fertilizzante semplice a base di potassio è il muriato di potassio (MOP). Il muriato di potassio contiene il 95–99% di KCl ed è generalmente disponibile come fertilizzante 0-0-60 o 0-0-62.

Concimi multinutrienti

Questi fertilizzanti sono comuni. Sono costituiti da due o più componenti nutritivi.

Concimi binari (NP, NK, PK).

I principali fertilizzanti bicomponenti forniscono sia azoto che fosforo alle piante. Questi sono chiamati fertilizzanti NP. I principali fertilizzanti NP sono il fosfato monoammonico (MAP) e il fosfato biammonico (DAP). Il principio attivo in MAP è NH 4 H 2 PO 4 . Il principio attivo in DAP è (NH 4 ) 2 HPO 4 . Circa l'85% dei fertilizzanti MAP e DAP sono solubili in acqua.

fertilizzanti NPK

I fertilizzanti NPK sono fertilizzanti a tre componenti che forniscono azoto, fosforo e potassio. Esistono due tipi di fertilizzanti NPK: composti e miscele. I fertilizzanti NPK composti contengono ingredienti legati chimicamente, mentre i fertilizzanti NPK misti sono miscele fisiche di singoli componenti nutritivi.

La classificazione NPK è un sistema di classificazione che descrive la quantità di azoto, fosforo e potassio in un fertilizzante. Le classificazioni NPK consistono in tre numeri separati da trattini (ad es. 10-10-10 o 16-4-8) che descrivono il contenuto chimico dei fertilizzanti. Il primo numero rappresenta la percentuale di azoto nel prodotto; il secondo numero, P 2 O 5 ; il terzo, K 2 O. I fertilizzanti in realtà non contengono P 2 O 5 o K 2 O, ma il sistema è una scorciatoia convenzionale per la quantità di fosforo (P) o potassio (K) in un fertilizzante. Un sacco di fertilizzante da 50 libbre (23 kg) etichettato 16-4-8 contiene 8 libbre (3,6 kg) di azoto (16% delle 50 libbre), una quantità di fosforo equivalente a quella in 2 libbre di P 2 O 5 (4% di 50 libbre) e 4 libbre di K 2 O (8% di 50 libbre). La maggior parte dei fertilizzanti sono etichettati secondo questa convenzione NPK, sebbene la convenzione australiana, seguendo un sistema NPKS, aggiunga un quarto numero per lo zolfo e utilizzi valori elementari per tutti i valori inclusi P e K.

Micronutrienti

I micronutrienti vengono consumati in quantità minori e sono presenti nei tessuti vegetali nell'ordine delle parti per milione (ppm), che vanno da 0,15 a 400 ppm o meno dello 0,04% di sostanza secca. Questi elementi sono spesso necessari per gli enzimi essenziali per il metabolismo della pianta. Poiché questi elementi abilitano catalizzatori (enzimi), il loro impatto supera di gran lunga la loro percentuale in peso. I micronutrienti tipici sono boro, zinco, molibdeno, ferro e manganese. Questi elementi sono forniti come sali idrosolubili. Il ferro presenta problemi speciali perché si converte in composti insolubili (bio-non disponibili) a pH del suolo e concentrazioni di fosfati moderati. Per questo motivo, il ferro viene spesso somministrato come complesso chelato , ad esempio i derivati ​​EDTA o EDDHA . Il fabbisogno di micronutrienti dipende dalla pianta e dall'ambiente. Ad esempio, le barbabietole da zucchero sembrano richiedere il boro e i legumi richiedono il cobalto , mentre le condizioni ambientali come il caldo o la siccità rendono il boro meno disponibile per le piante.

Ambiente

I fertilizzanti sintetici utilizzati in agricoltura hanno conseguenze ambientali di ampia portata . Secondo il Rapporto speciale del Gruppo intergovernativo sui cambiamenti climatici (IPCC) sui cambiamenti climatici e il territorio , la produzione di questi fertilizzanti e le pratiche di uso del suolo associate sono fattori trainanti del riscaldamento globale . L'uso di fertilizzanti ha anche portato a una serie di conseguenze ambientali dirette: deflusso agricolo che porta a effetti a valle come zone morte degli oceani e contaminazione dei corsi d'acqua, degradazione del microbioma del suolo e accumulo di tossine negli ecosistemi. Gli impatti ambientali indiretti includono: gli impatti ambientali del fracking per il gas naturale utilizzato nel processo Haber , il boom agricolo è in parte responsabile della rapida crescita della popolazione umana e le pratiche agricole industriali su larga scala sono associate alla distruzione dell'habitat , alla pressione sulla biodiversità e all'agricoltura perdita di suolo .

Al fine di mitigare le preoccupazioni ambientali e di sicurezza alimentare , la comunità internazionale ha incluso i sistemi alimentari nell'obiettivo di sviluppo sostenibile 2 , che si concentra sulla creazione di un sistema di produzione alimentare sostenibile e rispettoso del clima . La maggior parte degli approcci politici e normativi per affrontare questi problemi si concentra sull'orientamento delle pratiche agricole verso pratiche agricole sostenibili o rigenerative : queste utilizzano meno fertilizzanti sintetici, una migliore gestione del suolo (ad esempio l'agricoltura no-till ) e più fertilizzanti organici.

Produzione

La produzione di fertilizzanti sintetici o inorganici richiede prodotti chimici preparati, mentre i fertilizzanti organici sono derivati ​​dai processi organici di piante e animali in processi biologici che utilizzano prodotti biochimici.

Concimi azotati

Consumo totale di fertilizzanti azotati per regione, misurato in tonnellate di nutriente totale all'anno.

I migliori utilizzatori di fertilizzanti a base di azoto
Paese Consumo totale di N
(Mt pa)
amt. adibito a
mangime/pascolo
(Mt pa)
Cina 18.7 3.0
India 11.9 N / A
NOI 9.1 4.7
Francia 2.5 1.3
Germania 2.0 1.2
Brasile 1.7 0.7
Canada 1.6 0.9
Tacchino 1.5 0.3
UK 1.3 0.9
Messico 1.3 0.3
Spagna 1.2 0,5
Argentina 0.4 0.1

I fertilizzanti azotati sono costituiti da ammoniaca (NH 3 ) prodotta dal processo Haber-Bosch . In questo processo ad alta intensità energetica, il gas naturale (CH 4 ) fornisce solitamente l'idrogeno e l'azoto (N 2 ) è derivato dall'aria . Questa ammoniaca viene utilizzata come materia prima per tutti gli altri fertilizzanti azotati, come il nitrato di ammonio anidro (NH 4 NO 3 ) e l' urea (CO(NH 2 ) 2 ).

Depositi di nitrato di sodio (NaNO 3 ) ( salnitro cileno ) si trovano anche nel deserto di Atacama in Cile ed era uno dei fertilizzanti ricchi di azoto originali (1830) utilizzati. È ancora estratto per il fertilizzante. I nitrati sono anche prodotti dall'ammoniaca mediante il processo di Ostwald .

Concimi fosfatici

Una miniera di apatite a Siilinjärvi , Finlandia.

I fertilizzanti fosfatici sono ottenuti per estrazione dalla roccia fosfatica , che contiene due principali minerali contenenti fosforo, la fluorapatite Ca 5 (PO 4 ) 3 F (CFA) e l' idrossiapatite Ca 5 (PO 4 ) 3 OH. Questi minerali vengono convertiti in sali fosfatici idrosolubili mediante trattamento con acido solforico (H 2 SO 4 ) o fosforico (H 3 PO 4 ). La grande produzione di acido solforico è principalmente motivata da questa applicazione. Nel processo nitrofosfato o processo Odda (inventato nel 1927), la roccia fosfatica con un contenuto di fosforo (P) fino al 20% viene sciolta con acido nitrico (HNO 3 ) per produrre una miscela di acido fosforico (H 3 PO 4 ) e calcio nitrato (Ca(NO 3 ) 2 ). Questa miscela può essere combinata con un fertilizzante di potassio per produrre un fertilizzante composto con i tre macronutrienti N, P e K in forma facilmente dissolvibile.

Concimi potassici

La potassa è una miscela di minerali di potassio usati per produrre fertilizzanti di potassio (simbolo chimico: K). Il potassio è solubile in acqua, quindi lo sforzo principale per produrre questo nutriente dal minerale comporta alcune fasi di purificazione; ad esempio, per rimuovere il cloruro di sodio (NaCl) ( sale comune ). A volte la potassa è indicata come K 2 O, per comodità di coloro che descrivono il contenuto di potassio. Infatti, i fertilizzanti potassici sono solitamente cloruro di potassio , solfato di potassio , carbonato di potassio o nitrato di potassio .

fertilizzanti NPK

Esistono quattro percorsi principali per la produzione di fertilizzanti NPK: 1) granulazione a vapore, 2) granulazione chimica, 3) compattazione, 4) miscelazione sfusa. I primi tre processi vengono utilizzati per produrre NPK composti. Durante la granulazione a vapore le materie prime vengono miscelate e ulteriormente granulate utilizzando il vapore come legante. Il processo di granulazione chimica si basa su reazioni chimiche tra materie prime liquide (come acido fosforico, acido solforico, ammoniaca) e materie prime solide (come cloruro di potassio, materiale di riciclo). La compattazione implementa l'alta pressione per agglomerare i materiali in polvere secca. Infine, le miscele sfuse vengono prodotte miscelando fertilizzanti semplici.

Concimi organici

Compostiera per la produzione su piccola scala di fertilizzanti organici
Una grande operazione commerciale di compostaggio

" fertilizzanti organici " possono descrivere quei fertilizzanti di origine organica - biologica - cioè fertilizzanti derivati ​​​​da materiali vivi o precedentemente vivi. I fertilizzanti organici possono anche descrivere prodotti disponibili in commercio e frequentemente confezionati che si sforzano di seguire le aspettative e le restrizioni adottate da " agricoltura biologica ” e giardinaggio “ ecologico ” – sistemi di produzione alimentare e vegetale correlati che limitano o evitano rigorosamente l'uso di fertilizzanti sintetici e pesticidi. I prodotti "fertilizzanti organici" contengono tipicamente sia alcuni materiali organici che additivi accettabili come polveri di roccia nutritiva, conchiglie marine macinate (granchi, ostriche, ecc.), Altri prodotti preparati come farina di semi o alghe e microrganismi coltivati ​​e derivati .

I fertilizzanti di origine organica (prima definizione) comprendono i rifiuti animali , i rifiuti vegetali dell'agricoltura, le alghe , il compost e i fanghi di depurazione trattati ( biosolidi ). Oltre ai concimi, le fonti animali possono includere prodotti della macellazione degli animali: farina di sangue , farina di ossa, farina di piume , pelli, zoccoli e corna sono tutti componenti tipici. I materiali di origine organica disponibili per l'industria, come i fanghi di depurazione, potrebbero non essere componenti accettabili dell'agricoltura biologica e del giardinaggio, a causa di fattori che vanno dai contaminanti residui alla percezione pubblica. D'altra parte, i "fertilizzanti organici" commercializzati possono includere e promuovere prodotti organici trasformati perché i materiali attirano il consumatore. Indipendentemente dalla definizione o dalla composizione, la maggior parte di questi prodotti contiene sostanze nutritive meno concentrate e le sostanze nutritive non sono facilmente quantificabili. Possono offrire vantaggi nella costruzione del suolo oltre ad essere attraenti per coloro che stanno cercando di coltivare / orticolare in modo più "naturale".

In termini di volume, la torba è l'ammendante organico confezionato più utilizzato. È una forma immatura di carbone e migliora il suolo mediante aerazione e assorbimento di acqua ma non conferisce alcun valore nutritivo alle piante. Non è quindi un fertilizzante come definito all'inizio dell'articolo, ma piuttosto un emendamento. La fibra di cocco (derivata dalle bucce di cocco), la corteccia e la segatura quando vengono aggiunti al terreno si comportano tutti in modo simile (ma non identico) alla torba e sono anche considerati ammendanti organici del suolo - o texturizzanti - a causa dei loro limitati apporti nutritivi. Alcuni additivi organici possono avere un effetto inverso sui nutrienti - la segatura fresca può consumare i nutrienti del suolo mentre si scompone e può abbassare il pH del suolo - ma questi stessi texturizzanti organici (così come il compost, ecc.) possono aumentare la disponibilità di nutrienti attraverso un miglioramento scambio cationico o attraverso una maggiore crescita di microrganismi che a loro volta aumentano la disponibilità di determinati nutrienti vegetali. I fertilizzanti organici come compost e letame possono essere distribuiti localmente senza entrare nella produzione industriale, rendendo più difficile quantificare il consumo effettivo.

Applicazione

Applicazione manuale di fertilizzante superfosfato , Nuova Zelanda, 1938

I fertilizzanti sono comunemente usati per la coltivazione di tutte le colture, con tassi di applicazione che dipendono dalla fertilità del suolo, solitamente misurata da un test del suolo e in base alla coltura particolare. I legumi, ad esempio, fissano l'azoto dall'atmosfera e generalmente non richiedono fertilizzanti azotati.

Liquido vs solido

I fertilizzanti vengono applicati alle colture sia come solidi che come liquidi. Circa il 90% dei fertilizzanti vengono applicati come solidi. I fertilizzanti inorganici solidi più utilizzati sono l' urea , il fosfato diammonico e il cloruro di potassio. Il fertilizzante solido è generalmente granulato o in polvere. Spesso i solidi sono disponibili come prill , un globulo solido. I fertilizzanti liquidi comprendono ammoniaca anidra, soluzioni acquose di ammoniaca, soluzioni acquose di nitrato di ammonio o urea. Questi prodotti concentrati possono essere diluiti con acqua per formare un fertilizzante liquido concentrato (es. UAN ). I vantaggi del fertilizzante liquido sono il suo effetto più rapido e la copertura più facile. L'aggiunta di fertilizzante all'acqua di irrigazione è chiamata " fertirrigazione ".

Urea

L'urea è altamente solubile in acqua ed è quindi anche molto adatta per l'uso in soluzioni di fertilizzanti (in combinazione con nitrato di ammonio: UAN), ad esempio, in fertilizzanti per 'alimentazione fogliare'. Per l'uso di fertilizzanti, i granuli sono preferiti ai prill a causa della loro distribuzione delle dimensioni delle particelle più stretta, che è un vantaggio per l'applicazione meccanica.

L'urea viene solitamente distribuita a tassi compresi tra 40 e 300 kg/ha (da 35 a 270 libbre/acro), ma i tassi variano. Le applicazioni più piccole comportano perdite inferiori dovute alla lisciviazione. Durante l'estate, l'urea viene spesso sparsa appena prima o durante la pioggia per ridurre al minimo le perdite dovute alla volatilizzazione (un processo in cui l'azoto viene perso nell'atmosfera sotto forma di gas di ammoniaca).

A causa dell'elevata concentrazione di azoto nell'urea, è molto importante ottenere una diffusione uniforme. La semina non deve avvenire a contatto o in prossimità del seme, a causa del rischio di danneggiamento della germinazione. L'urea si dissolve in acqua per l'applicazione a spruzzo o attraverso sistemi di irrigazione.

Nelle colture di grano e cotone, l'urea viene spesso applicata al momento dell'ultima coltivazione prima della semina. Nelle aree ad alta piovosità e su terreni sabbiosi (dove l'azoto può essere perso a causa della lisciviazione) e dove sono previste buone precipitazioni durante la stagione, l'urea può essere vestita lateralmente o dall'alto durante la stagione di crescita. Il top-dressing è anche popolare su pascoli e colture foraggere. Nella coltivazione della canna da zucchero, l'urea viene tranciata dopo la semina e applicata a ogni raccolto di ratoon .

Poiché assorbe l'umidità dall'atmosfera, l'urea viene spesso conservata in contenitori chiusi.

Il sovradosaggio o il posizionamento dell'urea vicino ai semi sono dannosi.

Concimi a lenta e controllata cessione

La metilene diurea (MDU) è un componente dei più diffusi fertilizzanti a rilascio controllato .
Un fertilizzante a rilascio controllato (CRF) è un fertilizzante granulare che rilascia i nutrienti gradualmente nel terreno (cioè con un periodo di rilascio controllato ). Il fertilizzante a rilascio controllato è anche noto come fertilizzante a disponibilità controllata, fertilizzante a rilascio ritardato, fertilizzante a rilascio misurato o fertilizzante ad azione lenta. Di solito CRF si riferisce a fertilizzanti a base di azoto. Il rilascio lento e controllato interessa solo lo 0,15% (562.000 tonnellate) del mercato dei fertilizzanti (1995).

Applicazione fogliare

I fertilizzanti fogliari vengono applicati direttamente sulle foglie. Questo metodo è quasi invariabilmente utilizzato per applicare fertilizzanti azotati solubili in acqua e utilizzato soprattutto per colture di alto valore come la frutta. L'urea è il fertilizzante fogliare più comune.

Bruciore di fertilizzante

Sostanze chimiche che influenzano l'assorbimento di azoto

N-butiltiofosforiltriammide, un fertilizzante ad alta efficienza.

Vari prodotti chimici vengono utilizzati per migliorare l'efficienza dei fertilizzanti a base di azoto. In questo modo gli agricoltori possono limitare gli effetti inquinanti del deflusso di azoto. Gli inibitori della nitrificazione (noti anche come stabilizzanti dell'azoto) sopprimono la conversione dell'ammoniaca in nitrato, un anione più incline alla lisciviazione. Sono popolari 1-Carbamoil-3-metilpirazolo (CMP), diciandiammide , nitrapirina (2-cloro-6-triclorometilpiridina) e 3,4-dimetilpirazolo fosfato (DMPP). Gli inibitori dell'ureasi sono usati per rallentare la conversione idrolitica dell'urea in ammoniaca, che è soggetta all'evaporazione e alla nitrificazione. La conversione dell'urea in ammoniaca catalizzata da enzimi chiamati ureasi . Un popolare inibitore delle ureasi è la N-(n-butil)triammide tiofosforica (NBPT).

Sovrafertilizzazione

L'uso attento delle tecnologie di fertilizzazione è importante perché i nutrienti in eccesso possono essere dannosi. L'ustione del fertilizzante può verificarsi quando viene applicato troppo fertilizzante, causando danni o addirittura la morte della pianta. I fertilizzanti variano nella loro tendenza a bruciare grossolanamente in base al loro indice di sale .

Statistiche

Uso di fertilizzanti (2018). Dal World Food and Agriculture – Statistical Yearbook 2020 della FAO

Recentemente i fertilizzanti azotati si sono stabilizzati nella maggior parte dei paesi sviluppati. Tuttavia, la Cina è diventata il più grande produttore e consumatore di fertilizzanti azotati. L'Africa ha poca dipendenza dai fertilizzanti azotati. I minerali agricoli e chimici sono molto importanti nell'uso industriale dei fertilizzanti, il cui valore è di circa 200 miliardi di dollari. L'azoto ha un impatto significativo nell'uso globale dei minerali, seguito da potassio e fosfato. La produzione di azoto è aumentata drasticamente dagli anni '60. Il prezzo del fosfato e della potassa è aumentato dagli anni '60, che è più grande dell'indice dei prezzi al consumo. La potassa è prodotta in Canada, Russia e Bielorussia, e insieme costituiscono oltre la metà della produzione mondiale. La produzione di potassio in Canada è aumentata nel 2017 e nel 2018 del 18,6%. Stime prudenti riportano che dal 30 al 50% dei raccolti sono attribuiti a fertilizzanti commerciali naturali o sintetici. Il consumo di fertilizzanti ha superato la quantità di terreni agricoli negli Stati Uniti . È probabile che il valore del mercato globale aumenterà a oltre 185 miliardi di dollari entro il 2019. Il mercato europeo dei fertilizzanti crescerà fino a generare ricavi di ca. 15,3 miliardi di euro nel 2018.

I dati sul consumo di fertilizzanti per ettaro di seminativo nel 2012 sono pubblicati dalla Banca Mondiale . Il diagramma seguente mostra il consumo di fertilizzanti da parte dei paesi dell'Unione Europea (UE) in chilogrammi per ettaro (libbre per acro). Il consumo totale di fertilizzanti nell'UE è di 15,9 milioni di tonnellate per 105 milioni di ettari di seminativi (o 107 milioni di ettari di seminativi secondo un'altra stima). Questa cifra equivale a 151 kg di fertilizzanti consumati in media per terreno coltivabile dai paesi dell'UE.

Il diagramma mostra le statistiche sul consumo di fertilizzanti nelle contee dell'Europa centrale e occidentale dai dati pubblicati dalla Banca Mondiale per il 2012.

Effetti ambientali

Deflusso di terreno e fertilizzante durante una tempesta di pioggia

L'uso di fertilizzanti è utile nel fornire nutrienti alle piante sebbene abbiano alcuni effetti ambientali negativi. Il grande consumo crescente di fertilizzanti può influenzare il suolo, le acque superficiali e sotterranee a causa della dispersione dell'uso dei minerali.

Grande mucchio di rifiuti di fosfogesso vicino a Fort Meade, Florida .

Per ogni tonnellata di acido fosforico prodotta dalla lavorazione della roccia fosfatica si generano cinque tonnellate di rifiuti. Questi rifiuti prendono la forma di un solido impuro, inutile, radioattivo chiamato fosfogesso . Le stime vanno da 100.000.000 e 280.000.000 di tonnellate di rifiuti di fosfogesso vengono prodotte ogni anno in tutto il mondo.

Acqua

I cerchi rossi mostrano la posizione e le dimensioni di molte zone morte .

I fertilizzanti a base di fosforo e azoto, quando usati comunemente, hanno importanti effetti ambientali. Ciò è dovuto alle elevate precipitazioni che causano il lavaggio dei fertilizzanti nei corsi d'acqua. Il deflusso agricolo contribuisce in modo determinante all'eutrofizzazione dei corpi idrici dolci. Ad esempio, negli Stati Uniti, circa la metà di tutti i laghi sono eutrofici . Il principale contributo all'eutrofizzazione è il fosfato, che normalmente è un nutriente limitante; alte concentrazioni favoriscono la crescita di cianobatteri e alghe, la cui scomparsa consuma ossigeno. Le fioriture di cianobatteri (" fioriture algali ") possono anche produrre tossine nocive che possono accumularsi nella catena alimentare e possono essere dannose per l'uomo.

I composti ricchi di azoto presenti nel deflusso dei fertilizzanti sono la causa principale del grave esaurimento dell'ossigeno in molte parti degli oceani , specialmente nelle zone costiere, nei laghi e nei fiumi . La conseguente mancanza di ossigeno disciolto riduce notevolmente la capacità di queste aree di sostenere la fauna oceanica . Il numero di zone morte oceaniche vicino alle coste abitate è in aumento. A partire dal 2006, l'applicazione di fertilizzanti azotati è sempre più controllata nell'Europa nordoccidentale e negli Stati Uniti. Se l'eutrofizzazione può essere invertita, potrebbero volerci decenni prima che i nitrati accumulati nelle acque sotterranee possano essere scomposti da processi naturali.

Inquinamento da nitrati

Solo una frazione dei fertilizzanti a base di azoto viene convertita in materia vegetale. Il resto si accumula nel terreno o si perde come ruscellamento. Gli elevati tassi di applicazione di fertilizzanti contenenti azoto combinati con l'elevata solubilità in acqua dei nitrati portano a un maggiore deflusso nelle acque superficiali e alla lisciviazione nelle acque sotterranee, causando così l' inquinamento delle acque sotterranee . L'uso eccessivo di fertilizzanti azotati (sia sintetici che naturali) è particolarmente dannoso, in quanto gran parte dell'azoto non assorbito dalle piante si trasforma in nitrato facilmente lisciviabile.

Livelli di nitrati superiori a 10 mg/L (10 ppm) nelle acque sotterranee possono causare la " sindrome del bambino blu " ( metemoglobinemia acquisita ). I nutrienti, in particolare i nitrati, nei fertilizzanti possono causare problemi per gli habitat naturali e per la salute umana se vengono dilavati dal suolo nei corsi d'acqua o lisciviati attraverso il suolo nelle acque sotterranee.

Suolo

Acidificazione

I fertilizzanti contenenti azoto possono causare l'acidificazione del suolo se aggiunti. Ciò può portare a una diminuzione della disponibilità di nutrienti che può essere compensata dalla calcinazione .

Accumulo di elementi tossici

Cadmio

La concentrazione di cadmio nei fertilizzanti contenenti fosforo varia considerevolmente e può essere problematica. Ad esempio, il fertilizzante a base di fosfato monoammonico può avere un contenuto di cadmio fino a 0,14 mg/kg o fino a 50,9 mg/kg. La roccia fosfatica utilizzata nella loro fabbricazione può contenere fino a 188 mg/kg di cadmio (esempi sono i depositi di Nauru e le isole di Natale ). L'uso continuo di fertilizzanti ad alto contenuto di cadmio può contaminare il suolo (come mostrato in Nuova Zelanda) e le piante . La Commissione Europea ha considerato i limiti al contenuto di cadmio dei fertilizzanti fosfatici . I produttori di fertilizzanti contenenti fosforo ora selezionano la roccia fosfatica in base al contenuto di cadmio.

Fluoruro

Le rocce fosfatiche contengono alti livelli di fluoruro. Di conseguenza, l'uso diffuso di fertilizzanti fosfatici ha aumentato le concentrazioni di fluoruro nel suolo. È stato riscontrato che la contaminazione degli alimenti da fertilizzanti è di scarsa importanza poiché le piante accumulano poco fluoro dal suolo; di maggiore preoccupazione è la possibilità di tossicità del fluoro per il bestiame che ingerisce suoli contaminati. Altrettanto preoccupanti sono gli effetti del fluoro sui microrganismi del suolo.

Elementi radioattivi

Il contenuto radioattivo dei fertilizzanti varia considerevolmente e dipende sia dalla loro concentrazione nel minerale madre che dal processo di produzione del fertilizzante. Le concentrazioni di uranio-238 possono variare da 7 a 100 pCi/g nella roccia fosfatica e da 1 a 67 pCi/g nei fertilizzanti fosfatici. Laddove vengono utilizzati tassi annui elevati di fertilizzante al fosforo, ciò può comportare concentrazioni di uranio-238 nei suoli e nelle acque di drenaggio diverse volte superiori a quelle normalmente presenti. Tuttavia, l'impatto di questi aumenti sul rischio per la salute umana dovuto alla contaminazione da radinuclidi degli alimenti è molto limitato (meno di 0,05 m Sv /a).

Altri metalli

I rifiuti dell'industria siderurgica, riciclati in fertilizzanti per i loro alti livelli di zinco (essenziale per la crescita delle piante), possono includere i seguenti metalli tossici: piombo arsenico , cadmio , cromo e nichel. Gli elementi tossici più comuni in questo tipo di fertilizzante sono mercurio, piombo e arsenico. Queste impurità potenzialmente dannose possono essere rimosse; tuttavia, questo aumenta significativamente i costi. I fertilizzanti altamente puri sono ampiamente disponibili e forse meglio conosciuti come i fertilizzanti altamente idrosolubili contenenti coloranti blu usati nelle famiglie, come Miracle-Gro . Questi fertilizzanti altamente idrosolubili sono utilizzati nel settore dei vivai e sono disponibili in confezioni più grandi a un costo notevolmente inferiore rispetto alle quantità al dettaglio. Alcuni fertilizzanti da giardino granulari economici al dettaglio sono realizzati con ingredienti di elevata purezza.

Traccia l'esaurimento dei minerali

L'attenzione è stata rivolta alla diminuzione delle concentrazioni di elementi come ferro, zinco, rame e magnesio in molti alimenti negli ultimi 50-60 anni. Le pratiche agricole intensive , compreso l'uso di fertilizzanti sintetici, sono spesso suggerite come ragioni di questi declini e l'agricoltura biologica è spesso suggerita come soluzione. Sebbene sia noto che le migliori rese delle colture risultanti dai fertilizzanti NPK diluiscono le concentrazioni di altri nutrienti nelle piante, gran parte del calo misurato può essere attribuito all'uso di varietà di colture progressivamente più produttive che producono alimenti con concentrazioni di minerali inferiori rispetto alle loro meno produttive antenati. È quindi improbabile che l'agricoltura biologica o il ridotto utilizzo di fertilizzanti risolvano il problema; Si ipotizza che gli alimenti con un'elevata densità di nutrienti siano ottenuti utilizzando varietà più vecchie e a basso rendimento o lo sviluppo di nuove varietà ad alto rendimento e ricche di nutrienti.

È infatti più probabile che i fertilizzanti risolvano i problemi di carenza di minerali in tracce piuttosto che causarli: nell'Australia occidentale le carenze di zinco , rame, manganese , ferro e molibdeno sono state identificate come una limitazione della crescita di colture e pascoli di ampi acri negli anni '40 e '50 . I suoli nell'Australia occidentale sono molto vecchi, molto alterati e carenti di molti dei principali nutrienti e oligoelementi. Da questo momento questi oligoelementi vengono regolarmente aggiunti ai fertilizzanti utilizzati in agricoltura in questo stato. Molti altri terreni in tutto il mondo sono carenti di zinco, il che porta a una carenza sia nelle piante che nell'uomo, e i fertilizzanti a base di zinco sono ampiamente utilizzati per risolvere questo problema.

Cambiamenti nella biologia del suolo

Alti livelli di fertilizzante possono causare la rottura delle relazioni simbiotiche tra radici delle piante e funghi micorrizici .

Consumo di energia e sostenibilità

Negli Stati Uniti nel 2004, 317 miliardi di piedi cubi di gas naturale sono stati consumati nella produzione industriale di ammoniaca , meno dell'1,5% del consumo totale annuo di gas naturale negli Stati Uniti . Un rapporto del 2002 ha suggerito che la produzione di ammoniaca consuma circa il 5% del consumo globale di gas naturale, che è leggermente inferiore al 2% della produzione mondiale di energia.

L'ammoniaca è prodotta da gas naturale e aria. Il costo del gas naturale rappresenta circa il 90% del costo di produzione dell'ammoniaca. L'aumento del prezzo dei gas naturali nell'ultimo decennio, insieme ad altri fattori come l'aumento della domanda, hanno contribuito all'aumento del prezzo dei fertilizzanti.

Contributo al cambiamento climatico

I gas serra anidride carbonica , metano e protossido di azoto vengono prodotti durante la produzione di fertilizzanti azotati. Si stima che la CO2 superi l'1% delle emissioni globali di CO2. Il fertilizzante azotato può essere convertito dai batteri del suolo in protossido di azoto , un gas serra . Tra il 2007 e il 2016 le emissioni di protossido di azoto da parte dell'uomo, la maggior parte delle quali provenienti da fertilizzanti, sono state stimate in 7 milioni di tonnellate all'anno, il che è incompatibile con la limitazione del riscaldamento globale al di sotto dei 2°C.

Atmosfera

Concentrazioni globali di metano (superficiale e atmosferico) per il 2005; notare pennacchi distinti

Attraverso il crescente utilizzo di fertilizzanti azotati, che nel 2012 sono stati utilizzati a una velocità di circa 110 milioni di tonnellate (di N) all'anno, sommandosi alla quantità già esistente di azoto reattivo, il protossido di azoto (N 2 O) è diventato il terzo importante gas serra dopo anidride carbonica e metano. Ha un potenziale di riscaldamento globale 296 volte maggiore di una massa uguale di anidride carbonica e contribuisce anche all'esaurimento dell'ozono stratosferico. Modificando processi e procedure, è possibile mitigare alcuni, ma non tutti, questi effetti sul cambiamento climatico antropogenico .

Le emissioni di metano dai campi coltivati ​​(in particolare le risaie ) sono aumentate dall'applicazione di fertilizzanti a base di ammonio. Queste emissioni contribuiscono al cambiamento climatico globale poiché il metano è un potente gas serra.

Politica

Regolamento

In Europa, i problemi con elevate concentrazioni di nitrati nel deflusso vengono affrontati dalla direttiva sui nitrati dell'Unione europea. All'interno della Gran Bretagna, gli agricoltori sono incoraggiati a gestire la loro terra in modo più sostenibile nell'"agricoltura sensibile al bacino". Negli Stati Uniti, alte concentrazioni di nitrati e fosforo nelle acque di deflusso e di drenaggio sono classificate come inquinanti di origine non puntuale a causa della loro origine diffusa; questo inquinamento è regolamentato a livello statale. Oregon e Washington, entrambi negli Stati Uniti, hanno programmi di registrazione dei fertilizzanti con database in linea che elencano le analisi chimiche dei fertilizzanti.

In Cina sono state implementate normative per controllare l'uso dei fertilizzanti N in agricoltura. Nel 2008, i governi cinesi hanno iniziato a ritirare parzialmente i sussidi ai fertilizzanti, compresi i sussidi al trasporto di fertilizzanti e all'uso di elettricità e gas naturale nel settore. Di conseguenza, il prezzo dei fertilizzanti è aumentato e le aziende agricole su larga scala hanno iniziato a utilizzare meno fertilizzanti. Se le aziende agricole su larga scala continuano a ridurre il loro uso di sussidi per i fertilizzanti, non hanno altra scelta che ottimizzare il fertilizzante di cui dispongono, il che guadagnerebbe quindi un aumento sia della resa del grano che del profitto.

Due tipi di pratiche di gestione agricola includono l'agricoltura biologica e l'agricoltura convenzionale. Il primo incoraggia la fertilità del suolo utilizzando le risorse locali per massimizzare l'efficienza. L'agricoltura biologica evita gli agrofarmaci di sintesi. L'agricoltura convenzionale utilizza tutti i componenti che l'agricoltura biologica non utilizza.

Guarda anche

Riferimenti

link esterno