Способ получения и применение медленновысвобождаемых удобрений для использования в сельском хозяйстве

EDN:

Национальный исследовательский Мордовский государственный университет,

Одной из важных проблем классических удобрений, применяемых в растениеводстве, считается существенная потеря полезных веществ вследствие их вымывания из почвы, что негативно сказывается на эффективности удобрений. Следовательно, актуальной задачей, стоящей перед исследователями, является разработка новых типов удобрений [1; 2].

Перспективным вариантом считаются системы, способные дозированно выделять в почву необходимые растениям компоненты, так называемые медленновысвобожда-емые удобрения. Также удобрения повышают эффективность питательных веществ и сводят к минимуму их потери. Их применение снижает частоту внесения удобрений, уменьшает затраты труда и средств, а также избавляет от регулярной транспортировки и обработки обширных площадей, обеспечивая экономию ресурсов [3–5]. Основное достоинство таких удобрений состоит в положительном влиянии на прирост урожая культурных растений: постоянное поступление элементов питания поддерживает максимальную активность растений на всех этапах роста. Это улучшает качество урожая – белковый состав, витамины и прочие полезные элементы.

С точки зрения экологии важно, что медленно высвобождаемые удобрения минимизируют риск попадания вредных веществ в водоемы, препятствовуют заболачиванию земель и поддерживают разнообразие водной флоры и фауны. Эти особенности приобретают особую важность ввиду глобального потепления и учащения экстримальных осадков, усугубляющих риск потери питательных веществ из почвы. Создание усовершенствованных препаратов, обладающих повышенной стойкостью в почве, целенаправленной доступностью для растений и совместимостью с различными культурами, открывает возможности для совершенствования агротехнологий и роста производительности отрасли.

Современные научные исследования ориентированы на создание новейших видов материалов, в том числе аэрогелей, способные выступать в роли полимерных матриц для удерживая полезных растениям веществ [6–10]. Уделяется значительное внимание исследованию взаимодействий между наночастицами и растениями, а также почвенными микроорганизмами; параллельно оценивается экологическая безопасность таких технологий.

Полимерные удобрения выступают важным этапом в эволюции аграрных технологий, способствуя значительному повышению урожайности и уменьшению негативного воздействия на окружающую среду. Тем не менее, для полного раскрытия возможностей этих разработок требуются дальнейшие исследования и усовершенствования, гарантирующие их безопасность и надежность.

Цель исследования – разработка подходов для получения медленновысвобожаемых целлюлозосодержащих удобрений – экологически безопасного материала, способного выступать в роли полимерной матрицы для необходимых растениям компонентов.

Для достижения поставленной цели было необходимо установить лабораторный регламент синтеза удобрений на основе целлюлозы, провести апробацию полученных материалов в реальных условиях, определить активные формы азота в почве по истечении определенного времени и оценить микробиологическую активность.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Медленновысвобождаемые удобрения являются перспективным направлением развития агрохимии благодаря своей способности постепенно высвобождать питательные вещества, обеспечивая растения необходимыми элементами питания в течение длительного периода времени. Эта технология позволяет минимизировать негативные последствия чрезмерного внесения минеральных удобрений, уменьшить загрязнение окружающей среды и повысить продуктивность сельскохозяйственных культур.

Одним из наиболее часто применяемых подходов является создание специальных покрытий для гранул удобрений, состоящих из различных полимеров, восковых композиций или биоразлагаемых пленок [11].

Другой подход к решению текущей проблемы заключается в использовании микроорганизмов, способствующих контролируемому высвобождению питательных веществ, что существенно повышает доступность микро- и макрокомпонентов для растений [12].

Третий, и наименее изученный, но перспективный подход заключается в разработке наноматериалов, которые могут служить носителями питательных веществ. В этом случае, особое внимание уделяется изучению механизмов взаимодействия наночастиц с растениями и почвенными микроорганизмами, а также оценке их экологической безопасности, поскольку важно понимать, как наночастицы проникают в растение и влияют на его физиологические процессы, чтобы минимизировать любые потенциальные негативные эффекты1 [13].

Ряд исследований показывают, что контролируемое высвобождение увеличивает эффективность азотных удобрений за счет снижения скорости поступления питательных веществ в почву, тем самым уменьшая риск загрязнения окружающей среды2. Установлено, что применение удобрений с контролируемым высвобождением азота позволяет увеличить продуктивность культурных растений и изменить их химический состав. Так в условиях закрытого грунта подобные удобрения повысили урожайность и содержание питательных веществ в томатах. В других исследованиях отмечено увеличение содержания хлорофилла в флаговом листе, злаковых культур, положительное влияние на накопление белка в рисе и повышение содержания витамина С в перце3 [14].

Однако эффективность таких удобрений ограничивается в большинстве исследований неполным высвобождением элементов питания, а также повышением кислотности почвы после их применения [15].

Несмотря на большой объем проведенных исследований, нельзя не упомянуть трудности, которые ограничивают широкомасштабное внедрение этих технологий. Во-первых, не хва-таетданныходолгосрочныхпоследствияхиспользованияконтролируемовысвобождаемыхудо- брений н а экосистемы, как и ограниченное понимание взаимодействия различных видов

покрытий и материалов, используемых при получении удобрений на микробиоту почв. Во-вторых, отсутствуют стандартизированные методы оценки эффективности данного класса удобрений. Кроме того, большинство существующих работ сосредоточено на лабораторных исследованиях, тогда как полевых испытаний представлено мало.

Анализ научной литературы показал значительные достижения в области создания мед-ленновысвобождаемых удобрений, однако ряд важных вопросов остается нерешенным. Дальнейшие исследования должны быть направлены на расширение экспериментальной базы, проведение масштабных полевых экспериментов и изучение воздействия на природные экосистемы. Решение этих проблем позволит значительно расширить возможности внедрения медленновысвобождаемых удобрений в сельское хозяйство, минимизируя риски загрязнения окружающей среды и увеличивая продуктивность сельхозкультур.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для выполнения эксперимента были использованы следующее оборудование и реактивы: гидроксипропилметилцеллюлоза (HPMC MH-200000S, «Merrid», Китай), азотно-фос-форное минеральное удобрение – аммофос ((NH4)2HPO4 + NH4H2PO4, «Нов-Агро», Россия) (ГОСТ 18918-854), вода дистиллированная (ГОСТ Р 58144-20185), верхнеприводное перемешивающее устройство ПЭ-8300, сушильный шкаф RF-53 с конвекцией.

Методика эксперимента заключается в следующем: удобрение предварительно растворяют в дистиллированной воде. Затем при постоянном перемешивании в раствор соли вносится гидроксипропилметилцеллюлоза в определенном соотношении. Смесь перемешивается на верхнеприводном перемешивающем устройстве с частотой вращения от 800 до 900 об/мин в течение 15 минут до образования устойчивой пены. Образующуюся массу сушат в сушильном шкафу в атмосфере воздуха при температуре 100 °С до полного удаления воды в течение от 2 до 5 часов. Получают белый пористый материал, который затем измельчают в лабораторной мельнице МЛ-1 до размера частиц 0,5–1 см и вносят в почву (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид готового целюллозосодержащего удобрения

Fig. 1. Appearance of the finished cellulose-containing fertilizer

Источник : здесь и далее в статье рисунки составлены авторами по результатам исследования.

Source : hereinafter in the article, the figures were prepared by the authors based on the results of the study.

• ⁴    Аммофос. Технические условия [Электронный ресурс] : ГОСТ 18918-85 от 01.01.1986. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200019301 (дата обращения: 16.10.2025).

• ⁵    Вода дистиллированная. Технические условия [Электронный ресурс] : ГОСТ Р 58144-2018 от 29.05.2018. URL: https://cdn.termexlab.ru/files/4385340a/f801/428e/9766/de94c9e1741c.pdf (дата обращения: 16.10.2025).

Agricultural science                                                                 307

Исследования по изучению эффективности удобрений на основе целлюлозы были проведены в 2025 году на территории филиал ФГБУ «Госсорткомиссия» Мордовская ГСИС (г.о. Саранск, с. Макаровка). Почва опытного участка – чернозем выщелоченный легкосуглинистый. Содержание гумуса 4,2 %, доступного фосфора – 160 мг/кг, обменного калия – 138 мг/кг, pHKCl – 6,92 мг/кг.

Схема опыта включала следующие варианты:

• 1 ) контроль (без удобрений);

• 2 ) аммофос N₁₆P₇₂ (120 кг/га в физическом весе);

• 3 ) удобрение на основе целлюлозы N₄ P₁₈ (30 кг/га в физическом весе);

• 4 ) удобрение на основе целлюлозы N₈ P₃₆ (60 кг/га в физическом весе).

Удобрения на основе целлюлозы вносили из расчета 1/2 и 1/4 физического веса аммофоса. Удобрения внесены ручным разбросным способом с последующей обработкой почвы дисковой бороной на глубину 8–10 см. Опыт выполнен в четырехкратной повторности, площадь учетной делянки 2 м2.

Опыт проведен 06.10.2025 – 03.11.2025 г. За период исследования выпало 33 мм осадков, среднесуточная температура воздуха составляла 4,5 – 12,2 °С

Перед обработкой почвы на 7, 14, 21 и 28 день после внесения отбирались образцы почвы с каждой учетной делянки (средняя проба отбиралась с глубины 0–10 см методом конверта с пяти точек, общая масса средней пробы – 0,1 кг). В образцах почвы устанавливали содержание различных форм азота (аммонийной NH₄ + , нитритной NO₂-и нитратной NO₃-) по ГОСТ Р 53219-2008⁶. Содержания форм азота в почве определяли на спектрометре ПЭ-5400УФ и иономере И-510.

Определение целлюлозолитической активности микроорганизмов на плотной питательной среде проводили на 21 день после внесения удобрений. В качестве субстрата для роста использовали фильтровальную бумагу. Состав питательной среды включал сульфат аммония (1,0 г/л) в дигидрофосфат калия (1,0 г/л), хлорид натрия (1,0 г/л), сульфат магния (0,5 г/л) и хлорид кальция (0,1 г/л). Для создания плотной среды в раствор добавляли 20 г/л агар-агара. Среду стерилизовали автоклавированием при 120 °C в течение 150 минут. Посев микроорганизмов осуществляли добавлением 1 мл раствора почвенной суспензии (концентрация раствора 10-3 г/л), путем разведения 1 г средней пробы почвы в 1 л дистиллированной воды. Инокулированные чашки инкубировали в перевернутом положении при температуре 28–30 °C в течение 7 суток в стерильном боксе. Определение биологической активности определяли по проценту заселенности чашки Петри целлюлозоразлагающими бактериями и количеству наросших колоний. Определение проводили при помощи библиотеки scikit-image среды программирования Python, с использованием алгоритомов морфологического разделения изображений.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Анализ динамики содержания форм азота в почве при разных вариантах опыта выявил существенную зависимость трансформации удобрений от типа вносимого агрохимиката и времени (табл. 1).

• ⁶    Качество почвы. Определение содержания нитратного азота, аммонийного азота и общего азота в воздушносухих почвах с помощью хлорида кальция в качестве экстрагирующего вещества [Электронный ресурс] : ГОСТ Р 53219-2008 от 25.12.2008. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200075085 (дата обращения: 16.10.2025).

308                                              Сельскохозяйственные науки

Таблица 1. Влияние удобрений на содержание в почве различных форм азота (среднее ± стандартное отклонение)

Table 1. Effect of fertilizer on the content of various forms of nitrogen in the soil (average value ± standard deviation)

Период внесения / Application period	Вариант опыта / Experimental variants	NH4 + , мг/кг (mg/kg)	NO2 - , мг/кг (mg/kg)	NO3 - мг/кг (mg/kg)
Перед внесением / Before applying	Фон / Background	45,9±1,3	16,6±0,8	6,3±0,3
7 дней после внесения / 7 days after applying	Контроль / Control	56,0±1,4	16,5±0,7	6,4±0,5
	Удобрение с целлюлозой N4P18 / Cellulose-containing fertilizer N4P18	154,9±4,8	21,9±1,1	9,9±0,7
	Удобрение с целлюлозой N8P36 / Cellulose-containing fertilizer N8P36	191,2±6,3	22,6±1,2	28,8±0,9
	Аммофос N16P72 / Ammophos N16P72	260,9±8,5	47,1±3,8	12,8±0,8
14 дней после внесения / 14 days after applying	Контроль / Control	103,8±12,4	13,5±0,7	4,6±0,3
	Удобрение с целлюлозой N4P18 / Cellulose-containing fertilizer N4P18	245,3±21,6	17,0±0,9	4,2±0,3
	Удобрение с целлюлозой N8P36 / Cellulose-containing fertilizer N8P36	236,2±20,8	22,1±1,3	22,9±0,8
	Аммофос N16P72 / Ammophos N16P72	303,7±29,6	48,5±2,1	7,8±0,4
21 день после внесения / 21 days after applying	Контроль / Control	230,2±12,3	6,8±0,4	3,4±0,2
	Удобрение с целлюлозой N4P18 / Cellulose-containing fertilizer N4P18	321,1±17,6	10,7±0,7	6,3±0,3
	Удобрение с целлюлозой N8P36 / Cellulose-containing fertilizer N8P36	341,1±19,5	17,6±0,9	18,6±0,7
	Аммофос N16P72 / Ammophos N16P72	349,0±19,8	33,8±1,2	3,6±0,2
28 дней после внесения / 28 days after applying	Контроль / Control	106,3±8,3	17,5±0,5	3,0±0,2
	Удобрение с целлюлозой N4P18 / Cellulose-containing fertilizer N4P18	145,5±9,3	32,5±1,1	4,2±0,4
	Удобрение с целлюлозой N8P36 / Cellulose-containing fertilizer N8P36	209,6±11,5	36,3±1,4	7,6±0,8
	Аммофос N16P72 / Ammophos N16P72	247,1±15,8	67,3±2,7	3,2±0,3

Источник : здесь и далее в статье таблицы составлены авторами по результатам исследования.

Source : hereinafter in the article, the tables are compiled by the authors based on the results of the study.

Анализ динамики содержания минеральных форм азота в почве в условиях применения различных удобрительных композиций демонстрирует существенную зависимость трансформации азотсодержащих соединений от типа вносимого агрохимиката и временного фактора. Исходное фоновое содержание аммонийного (45,9 мг/кг), нитритного (16,6 мг/кг) и нитратного (6,3 мг/кг) азота характеризует почву до начала эксперимента. На 7 сутки после внесения удобрений наблюдается резкая дифференциация по содержанию NH4+: в варианте с аммофосом (N16P72) концентрация аммонийной формы достигает 260,9 мг/кг, тогда как в вариантах с целлюлозосодержащими удобрениями N4P18 и N8P36 – 154,9 и 191,2 мг/кг соответственно, что свидетельствует о более интенсивном процессе аммонификации при внесении минеральной формы сложного удобрения. Концентрация NO2– варьирует от 16,5 мг/кг в контроле до 47,1 мг/кг в варианте с аммофосом. Содержание NO3– достигает максимума (28,8 мг/кг) в варианте удобрения с целлюлозой N8P36, указывая на активацию нитрификационных процессов при средних дозах азота в присутствии целлюлозы.

Через 14 дней после внесения во всех опытных вариантах отмечается значительный прирост аммонийного азота, с максимальным значением 303,7 мг/кг в варианте с аммофосом, что связано с продолжающимся растворением удобрений на фоне осенних осадков. При этом в варианте удобрения с целлюлозой N8P36 сохраняется повышенное содержание нитратов (22,9 мг/кг), тогда как в других вариантах оно снижается.

На 21-е сутки после внесения происходит дальнейшее накопление NH ₄+ во всех вариантах с максимальным значением 349,0 мг/кг для аммофоса, однако содержание NO₂ – и NO₃ – начинает снижаться, за исключением варианта удобрение с целлюлозой N₈P₃₆, где сохраняется относительно высокий уровень нитратной формы (18,6 мг/кг).

К окончанию исследования на 28-е сутки после внесения наблюдается резкое снижение содержания NH ₄+ во всех вариантах, наиболее выраженное в контроле (106,3 мг/кг), при одновременном увеличении концентрации NO₂ – , особенно в варианте с аммофосом (67,3 мг/кг). Содержание NO₃– продолжает снижаться в большинстве вариантов, демонстрируя минимальные значения в контроле (3,0 мг/кг) и варианте с аммофосом (3,2 мг/кг), что свидетельствует о протекании процессов иммобилизации азота. Вариант удобрение с целлюлозой N₈P₃₆ сохраняет наибольшее содержание NO₃ – (7,6 мг/кг) к концу эксперимента, указывая на более сбалансированный характер трансформации азотных соединений в условиях применения целлюлозосодержащего удобрения со средней дозой азота.

Полученные данные свидетельствуют о значительном влиянии целлюлозного компонента на направленность и интенсивность процессов азотного обмена в почвенной системе, более стабильном соотношении в почве аммонийной и нитратной форм азота.

Кроме влияния на химический состав почвы, важным аспектом применения удобрений является активизация микробиологических процессов в почве, влияющая на процессы разложения растительных остатков в осенний период. Активность микробиоты можно оценить по размножению целлюлозоразлагающих бактерий, выделенных из почвы и культивируемых в лабораторных условиях. При анализе интенсивности накопления микроорганизмов установлено положительное влияние удобрений на основе целлюлозы на этот процесс (табл. 2).

Анализ данных по микробиологической активности почвы показывает положительное влияние всех опытных вариантов на развитие почвенных микроорганизмов. Наибольшая заселенность чашек Петри наблюдается в варианте с целлюлозосодержащим удобрением N8P36 (94,2 %), что на 9,5 % превышает контроль. Варианты N4P18 (89,5 %) и аммофос N16P72 (89,3 %) также показывают достоверное увеличение заселенности относительно контроля.

По количеству колоний целлюлозоразрушающих микроорганизмов прослеживается аналогичная тенденция – максимальные значения зафиксированы в вариантах с целлюлозосодержащими удобрениями N8P36 (6,3 шт.) и N4P18 (6,1 шт.), тогда как аммофос N16P72 (5,8 шт.) и контроль (5,5 шт.) демонстрируют меньшую эффективность.

Таблица 2. Влияние внесения удобрений на микробиологическую активность почвы

Table 2. Effect of fertilizer application on the soil microbiological activity

Вариант опыта / Experimental variants	Заселенность чашки Петри бактериями / Petri dish bacterial population, %	Количество колоний, шт / Number of colonies, pcs
Контроль / Control	84,7	5,5
Удобрение с целлюлозой N4P18 / Cellulose-containing fertilizer N4P18	89,5	6,1
Удобрение с целлюлозой N8P36 / Cellulose-containing fertilizer N8P36	94,2	6,3
Аммофос N16P72 /Ammophos N16P72	89,3	5,8
НСР 05 ч.р. / LSD 05	1,65	F ф т

ОБСУЖДЕНИЕ

Скорость высвобождения элементов питания из удобрений на основе целлюлозы остается одним из важнейших параметров их эффективности. Динамика нарастания различных форм азота при внесении удобрения с целлюлозой совпадает с изменением проведенных в ряде опытов с аналогичными видами агрохимикатов. Установлено, что выход азота на 6 и 21-й день исследований составляет 75 и 95 % от общего содержания элемента соответственно [16]. Выход азота в течение первых дней исследований характеризуется так называемым «взрывным высвобождением», связанным с высокой концентрацией удобрений в целлюлозной матрице. В дальнейшем выход элементов питания существенно замедлился. Подобная динамика также представлена в ряде других исследований7 [17; 18].

Меньшее количество высвобожденного азота на вариантах с целлюлозным удобрением по сравнению с минеральными формами удобрений также получено в исследованиях [19]. Последующее сокращение запасов азота во всех вариантах опыта отражает фазу задержки развития почвенных микроорганизмов8, с последующим ростом иммобилизации ими азота в качестве источника роста и энергии [20].

Установленный рост микробиологической активности почвы при внесении удобрений с целлюлозой объясняется сложными процессами ее разложения в почве при увеличении содержания доступного азота и достаточном количестве осадков. Микроорганизмы

разлагают целлюлозу до глюкозы на завершающем этапе метаболического пути образуется пируват – универсальный предшественник ряда последующих превращений [21]. В зависимости от набора микроорганизмов и условий окружающей среды пируват может подвергаться различным преобразованиям, в результате которых образуются углекислый газ, вода, этанол или органические кислоты [22; 23]. Высвобождение азотных соединений способствует более интенсивному разложению субстрата, а температура и влажность регулируют активность определенных микробных сообществ, участвующих в этом процессе9. По мере истощения запасов легкодоступных органических веществ скорость разложения, как и совокупность микроорганизмов, ответственных за этот процесс, могут снижаться, что в наших исследованиях подтверждается минимальной микробиологической активностью на контрольном варианте [24; 25].

Следует отметить, что интерпретация полученных результатов сопряжена с рядом методологических и экспериментальных ограничений, которые определяют границы применимости выводов. Прежде всего, выявленные закономерности справедливы для конкретного диапазона температур, в то время как систематическое варьирование этих параметров в работе не проводилось, что не позволяет экстраполировать данные на засушливые, холодные или избыточно увлажненные регионы.

Временн о й горизонт наблюдений ограничен 28-суточным периодом, при этом основное внимание уделено начальному «взрывному» высвобождению и фазе иммобилизации; долгосрочный кумулятивный эффект на протяжении вегетационного периода остался за рамками представленного исследования.

Помимо прочего, во многом эффективность удобрения критически зависит от исходного микробиологического статуса почвы, который не контролировался, а таксономический состав активных деструкторов целлюлозы не идентифицирован, что затрудняет воспроизводимость результатов в разных почвенных экосистемах.

Кроме того, сравнительный анализ проведен лишь с минеральными формами, без сопоставления с другими медленнодействующими или органическими аналогами, а потенциальные потери азота за счет денитрификации и вымывания в начальный период не оценивались количественно.

Учет перечисленных ограничений необходим при планировании дальнейших экспериментов, направленных на расширение диапазона условий, увеличение сроков мониторинга и углубленное изучение микробиальных механизмов трансформации матрицы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты свидетельствуют, что применение целлюлозосодержащих удобрений в дозировке N8P36 способствует оптимальному соотношению аммонийного и нитратного азота в почве. Также внесение удобрений создает благоприятные условия для развития целлюлозолитической микробиоты почвы, что имеет важное значение для активизации процессов трансформации органического вещества и улучшения питательного режима почв.

Перспективными направлениями дальнейших исследований являются создание цифровых моделей прогнозирования высвобождения азота в зависимости от температуры

312 Сельскохозяйственные науки и влажности, а также изучение синергетических эффектов при сочетании целлюлозной матрицы с микроэлементами и биостимуляторами.

Важным вектором станет создание «умных» удобрений с программируемым профилем растворения для конкретных культур и биофортифицированных форм, обогащенных полезными штаммами микроорганизмов, при этом отдельного внимания заслуживает адаптация технологии к условиям засушливых регионов и кислых почв.

Наряду с этим практическая реализация имеет высокую значимость для профильных сфер: в образовании – как наглядный кейс замкнутого цикла использования возобновляемого сырья в курсах агрохимии и биотехнологии; для органов управления – как основа региональных программ импортозамещения и субсидирования «зеленых» удобрений. В смежных областях, например в областях экологического мониторинга, рекультивации нарушенных земель, представленная технология позволит создавать долговременные питательные материалы, сокращая кратность внесений и антропогенное давление на агроландшафты, что в совокупности обеспечивает комплексный подход к устойчивому сельскохозяйственному производству.

Таким образом, предлагаемая технология может быть интересна для современного сельского хозяйства за счет того, что эти материалы позволяют постепенно вводить питательные элементы в почву, минимизируя потерю необходимых растениям микроэлементов, улучшая их усваиваемость и повышая эффективность используемых агротехнологий.

Анализ результатов показывает, что данная технология обладает значительным потенциалом для производства экологически безопасных и экономически выгодных удобрений с возможностью контроля над выделением питательных веществ.

В будущем, исследования будут посвящены оптимизации состава матрицы и обеспечению большей устойчивости удобрений в разных почвенных и климатических зонах, а также разработке новых типов целлюлозосодержащих медленновысвобождаемых удобрений.