Surowce chemiczne w rolnictwie

 

Środki chemiczne w rolnictwie to nawozy, środki wapnujące i zakwaszające (mające na celu zmianę pH), środki ulepszające glebę, pestycydy i chemikalia stosowane w hodowli zwierząt, takie jak witaminy, antybiotyki i hormony.

 

Agrochemikalia są coraz bardziej istotne dla współczesnych gospodarstw rolnych. Ponieważ gospodarstwa stały się ogromne, wzrosły wyzwania związane z utrzymaniem plonów wolnych od uszkodzeń.

 

Nawozy

 

Nawozy są substancjami dodawanymi do gruntów rolnych w celu uzupełnienia niedoborów składników odżywczych, umożliwiając znaczne zwiększenie tempa wzrostu upraw. Od 2006 roku na całym świecie w rolnictwie zużywa się ponad 150 milionów ton nawozów. W Stanach Zjednoczonych średnia dawka nawożenia wynosi około 100 kilogramów na hektar. Łącznie zużywa się około 21 milionów ton (19 milionów ton metrycznych) rocznie.

 

Najczęściej stosowanymi nawozami są nieorganiczne związki azotu (N). W warunkach, w których uprawy rolnicze mają dostęp do wystarczającej ilości wody, ich produktywność jest najczęściej ograniczana przez dostarczanie dostępnych form azotu, zwłaszcza azotanu (NO3-), a czasem amonu (NH4 +). Rolnicy zwykle zwiększają dostępność tych nieorganicznych form azotu, stosując odpowiednie nawozy, takie jak mocznik lub azotan amonu. Szybkość nawożenia w intensywnych systemach rolniczych wynosi zwykle ponad tonę azotu na hektar rocznie.

 

Fosfor (P) i potas (K) są innymi powszechnie stosowanymi składnikami odżywczymi w rolnictwie. Większość nawozów fosforowych wytwarzanych jest z fosforanu kamiennego i jest znana jako superfosforan i potrójny superfosfat. Niektóre inne nawozy fosforowe są wytwarzane z mączki kostnej lub guano ptaków morskich. Nawozy potasowe produkowane są głównie z wydobywanego potażu.

 

Często te trzy makroskładniki odżywcze są stosowane w preparacie złożonym, który zawiera azot, w tak zwanym nawozie N-P-K. Na przykład nawóz 10-10-10 zawierałby materiały takie jak: 10% azotu (N), 10% P2O5 (źródło fosforu [P]) i 10% K2O (źródło potasu [K]), podczas gdy 4-8-16 zawierałby te składniki odżywcze w stężeniach odpowiednio 4%, 8% i 16%. Pożądane proporcje tych trzech składników odżywczych zależą od jakości nawożonej gleby i potrzeb konkretnej uprawy.

 

Na przykład siarka, wapń lub magnez ograniczają wydajność upraw w niektórych miejscach. Rzadko należy stosować mikroelementy, takie jak miedź, molibden lub cynk, aby uzyskać optymalny wzrost plonów.

 

Środki wapnujące i zakwaszające

 

Ziemie uprawne są zwykle zbyt kwaśne lub zbyt zasadowe dla optymalnego wzrostu wielu gatunków roślin uprawnych. W takim przypadku do gleby można dodawać nawozy, aby dostosować jej pH do bardziej odpowiedniego zakresu. Surowce chemiczne w rolnictwie poprawiają jakość gleby.

 

Gleby kwaśne są szczególnie powszechnym problemem w rolnictwie. Kwaśna gleba może być spowodowana przez różne czynniki, np.: usunięcie zasad neutralizujących kwas zawartych w biomasie zebranych roślin, stosowanie niektórych rodzajów nawozów, kwaśne deszcze, utlenianie minerałów siarczkowych oraz obecność niektórych rodzajów substancji organicznych w glebie. Ponieważ zakwaszenie gleby jest tak powszechnym zjawiskiem, materiały neutralizujące (lub wapnujące) są jednymi z najważniejszych stosowanych środków agrochemicznych pod względem ilości dodawanych do gleby każdego roku.

 

Gleby kwaśne są zwykle neutralizowane przez dodanie minerałów zawierających wapń, zwykle kalcytu (CaCO3) w postaci sproszkowanego wapienia lub pokruszonych muszli ostryg lub małży. Alternatywnie, kwasowość gleby można zneutralizować za pomocą wapna o szybszym działaniu (Ca[OH]2). Ilość stosowanego produktu substancji neutralizujących kwasy w rolnictwie może się znacznie różnić, od tony na hektar rocznie do ponad 3 ton na hektar rocznie. Stosowane dawki zależą od kwasowości gleby, szybkości, z jaką generowana jest nowa kwasowość, oraz potrzeb określonych upraw.

 

Znacznie rzadziej gleby mogą reagować alkalicznie i mogą wymagać pewnego zakwaszenia, aby doprowadzić je do zakresu pH odpowiedniego do wzrostu większości upraw. Problem ten może być szczególnie powszechny w glebach rozwiniętych z materiałów macierzystych o dużych ilościach wapienia (CaCO3) lub dolomitu (CaMg [CO3]2). Gleba może zostać zakwaszona przez dodanie związków siarki, które wytwarzają kwasowość podczas utleniania, lub przez dodanie niektórych rodzajów kwaśnych substancji organicznych, takich jak torf wydobywany z torfowisk.

 

Odżywki do gleby

 

Środki ulepszające glebę to bogate w organiczne materiały, które czasami dodaje się do gleb w celu poprawy napowietrzania i zdolności zatrzymywania wody, które są bardzo ważnymi aspektami jakości gleby. Jako środki polepszające jakość gleby można wykorzystać różne materiały, w tym torf, resztki pożniwne, nawóz zwierzęcy, osad ściekowy, a nawet rozdrobnione gazety. Jednak kompost jest najbardziej pożądanym środkiem kondycjonującym glebę. Kompost zawiera duże ilości dobrze nawilżonych związków organicznych, a także dostarcza glebie składniki odżywcze w postaci związków organicznych o powolnym uwalnianiu.

 

Pestycydy

 

Pestycydy są agrochemikaliami stosowanymi w celu zmniejszenia liczebności szkodników, to znaczy organizmów uważanych za zakłócające niektóre ludzkie cele. W rolnictwie stosuje się wiele rodzajów pestycydów, ale można je podzielić na proste grupy na podstawie rodzajów szkodników, które są celem stosowania tych chemikaliów. Herbicydy są stosowane do zabijania chwastów, to znaczy niepożądanych roślin, które zakłócają wzrost upraw, a tym samym zmniejszają ich plon. Surowce chemiczne w rolnictwie są niezbędne w dzisiejszym świecie.

 

Środki grzybobójcze stosuje się w celu ochrony roślin rolnych przed patogenami grzybowymi, które mogą czasami powodować całkowitą awarię upraw. Środki owadobójcze stosuje się do zabijania owadów, które defoliują uprawy lub żywią się przechowywanymi ziarnami lub innymi produktami rolnymi. Akarycydy (lub miticydy) są stosowane do zabijania roztoczy, które są szkodnikami upraw, takich jak jabłka i kleszcze, które mogą przenosić wyniszczające choroby zwierząt gospodarskich. Środki nicieniobójcze są stosowane do zabijania nicieni, które są pasożytami korzeni niektórych gatunków roślin uprawnych. Rodentycydy są używane do zabijania szczurów, myszy, sierści i innych gryzoni, które są szkodnikami na polach lub zjadają zmagazynowane rośliny. Konserwanty to agrochemikalia dodawane do przetworzonej żywności, aby zapobiec psuciu się.

 

Podział pestycydów

 

Pestycydy są chemicznie różnorodnymi substancjami. Obecnie stosuje się około 300 różnych insektycydów, a także około 290 herbicydów, 165 fungicydów i innych pestycydów. Jednak każdy konkretny pestycydowy środek chemiczny (znany również jako „składnik aktywny”) może być sprzedawany w różnych formułach, które zawierają dodatkowe substancje, które działają w celu zwiększenia skuteczności rzeczywistego pestycydu. Te tak zwane „obojętne” składniki formulacji mogą obejmować rozpuszczalniki, detergenty, emulgatory i chemikalia, które pozwalają składnikowi aktywnemu lepiej przylegać do liści. W sumie istnieje ponad 3000 różnych preparatów pestycydowych.

 

Pestycydy można również klasyfikować według podobieństwa ich struktur chemicznych. Na przykład pestycydy nieorganiczne są prostymi związkami toksycznych pierwiastków, takich jak arsen, miedź, ołów i rtęć. Nieorganiczne pestycydy były wcześniej stosowane w dużych ilościach, zwłaszcza jako fungicydy. Zostały jednak w dużej mierze zastąpione różnymi pestycydami organicznymi (zawierającymi węgiel).

 

Kilka powszechnie stosowanych organicznych pestycydów opiera się na substancjach, które są naturalnie syntetyzowane przez rośliny jako środki obrony biochemicznej i można je ekstrahować i stosować przeciwko szkodnikom. Pyretryna jest na przykład środkiem owadobójczym na bazie złocienia, który jest uzyskiwany z gatunku chryzantemy, podczas gdy rotenon jest rodentycydem ekstrahowanym z tropikalnego krzewu.

 

Syntetyczne pestycydy

 

Jednak większość organicznych pestycydów została zsyntetyzowana przez chemików. Syntetyczne pestycydy organiczne obejmują takie dobrze znane grupy, jak chlorowane węglowodory (w tym insektycyd DDT i herbicydy 2, 4-D i 2, 4, 5-T), fosforany organiczne (takie jak paration i malation), karbaminiany (dla np. karbaryl i karbofuran) i herbicydy triazynowe (takie jak atrazyna i symazyna).

 

Ostateczna klasa pestycydów opiera się na działaniu bakterii, grzybów lub wirusów, które są patogenne dla określonych szkodników i można je stosować jako preparat pestycydowy. Najczęściej stosowany biologiczny środek owadobójczy jest wytwarzany przy użyciu zarodników bakterii Bacillus thuringiensis, znanej również jako Bt. Zarodniki te można produkować masowo w fabrykach podobnych do laboratoryjnych, a następnie wykorzystywać do przygotowania roztworu owadobójczego. Środki owadobójcze zawierające Bt stosuje się głównie przeciwko ćmom zjadającym liście, gryzącym muchom, takim jak muchy i komary. Większość innych owadów ma niewielki wpływ na środki owadobójcze na bazie Bt, więc niezamierzone niecelowe efekty ich użycia są stosunkowo niewielkie.

 

Agrochemikalia stosowane w hodowli zwierząt

 

Zaraźliwe choroby zwierząt gospodarskich mogą stanowić problem we współczesnym rolnictwie. Jest to szczególnie niebezpieczne, gdy zwierzęta są hodowane w dużej ilości. W takich warunkach można stosować różne środki agrochemiczne do zwalczania chorób zakaźnych i pasożytów. Antybiotyki są szczególnie ważne w tym zakresie. Te chemikalia można podawać przez wstrzyknięcie za każdym razem, gdy zdiagnozowane zostaną choroby bakteryjne. Jednak antybiotyki są czasami podawane z paszą, jako leczenie profilaktyczne, aby zapobiec wystąpieniu infekcji. Ze względu na bardzo zatłoczone warunki, kiedy zwierzęta hodowane są w „fabrycznych gospodarstwach”, antybiotyki muszą być podawane rutynowo.

 

Czasami hormony i inne regulatory wzrostu zwierząt stosuje się w celu zwiększenia wydajności zwierząt gospodarskich. Na przykład bydlęcy hormon wzrostu jest rutynowo podawany w niektórych systemach rolniczych w celu zwiększenia tempa wzrostu krów i produkcji mleka. Takie użycie jest również sporne; krytycy twierdzą, że niejasny wpływ hormonu na zdrowie przemawia przeciwko suplementacji hormonu wzrostu.

 

Wpływ stosowania agrochemikaliów na środowisko

 

Dzięki zastosowaniu agrochemikaliów uzyskuje się wiele ważnych korzyści. Są one w dużej mierze związane ze zwiększonymi plonami roślin i zwierząt oraz mniejszym psuciem się podczas przechowywania. Korzyści te są znaczne. W połączeniu z genetycznie ulepszonymi odmianami gatunków roślin agrochemicznych przyczyniły się w istotny sposób do sukcesu „zielonej rewolucji”. Pomogło to zwiększyć podaż żywności dla szybko rosnącej populacji ludzi na Ziemi.

 

Jednak stosowanie niektórych agrochemikaliów wiąże się również z pewnymi istotnymi szkodami dla środowiska i ekologii. Nadmierne stosowanie nawozów może prowadzić do zanieczyszczenia wód gruntowych azotanem, co czyni je niezdatnymi do spożycia przez ludzi lub zwierzęta gospodarskie. Woda zawierająca duże stężenie azotanów może zatruć zwierzęta, unieruchamiając część hemoglobiny we krwi, zmniejszając zdolność transportu tlenu. Ponadto spływ nawozów rolniczych do strumieni, jezior i innych wód powierzchniowych może powodować zwiększoną wydajność tych ekosystemów wodnych, problem znany jako eutrofizacja. Ekologiczne skutki eutrofizacji mogą obejmować dużą śmiertelność ryb i innych zwierząt wodnych, a także nadmierny wzrost szkodliwych glonów i nieprzyjemny smak wody pitnej.

 

Stosowanie pestycydów może również powodować problemy środowiskowe. Pestycydy w rolnictwie występują w celu zmniejszenia liczebności gatunków szkodników docelowych do poziomu poniżej dopuszczalnego poziomu szkód, który jest ekonomicznie określony. Niestety podczas wielu zastosowań pestycydów w rolnictwie, narażone są także inne organizmy, w tym ludzie. Jest to szczególnie dotkliwe, gdy całe pola są opryskiwane, na przykład z samolotu. Podczas tego rodzaju opryskiwania wiele organizmów niebędących przedmiotem zwalczania jest narażonych na pestycydy.