3.6 Проблемы загрязнения почвенных экосистем

3.6.1 Проблема применения минеральных удобрений

Применение органических и минеральных удобрений – одно из основных условий повышения урожайности сельскохозяйственных культур, а также важное звено технологий их выращивания, поскольку функционирование агроценозов основывается на систематическом отчуждении больших количеств биогенных элементов. Использование удобрений (особенно органических) позволяет возвращать и вовлекать в круговорот питательные вещества взамен изъятых из агроценозов с основной о побочной продукцией, обеспечивая таким образом определенную устойчивость продукционных процессов. Статистические данные свидетельствуют о том, что в настоящее время за счет продукции, получаемой с помощью удобрений, обеспечивается пищей каждый четвертый житель нашей планеты. Неслучайно академик Д.Н. Прянишников сравнивал прирост продукции, получаемой благодаря внесению удобрений, с открытием новых земледельческих континентов. Д.Н. Прянишников еще в далеком 1937г. заметил, что авторы, думающие, что они знают секрет получения высоких урожаев без применения удобрений (и без знания агрохимии), напрасно называют себя учеными-материалистами.

Признавая исключительно важную роль агрохимии в увеличении производства продуктов питания для человека и кормов для животных и в повышении эффективности сельскохозяйственного производства в целом, нельзя не отметить, что те же самые химические средства при неправильном их использовании могут оказывать и оказывают негативноевоздействие на ОС. Именно неграмотное использование средств химизации, нарушение существующих регламентов служат источником наблюдающихся отрицательных последствий.

Основными причинами загрязнения ОС удобрениями считаютнесовершенство организационных форм, а также технологий транспортировки, хранения, тукосмешения и применения удобрений, нарушение агрономической технологии их внесения в севообороте и под отдельные культуры (в том числе неумеренное или несбалансированное), несовершенство самих удобрений, их химических, физических и механических свойств. Основным показателем следует считать прибавку урожая или повышение содержания того или иного элемента в почве, а не количество удобрений, внесенных на 1га поля. Это требование диктуется законом предельной урожайности, в соответствии с которым повышение урожайности имеет тенденцию к замедлению, по мере того как растет количество вносимого удобрения.

Неблагоприятное влияние удобрений на окружающую природную среду, те или иные компоненты агроценозов может быть самое различное:

– загрязнение почв;

– уплотнение почв;

– подкисление почв;

– нарушение круговорота и баланса питательных веществ, ухудшение агрохимических свойств и снижение плодородия почвы;

– ухудшение фитосанитарного состояния посевов и развитие болезней растений, снижение продуктивности сельскохозяйственных культур и качества получаемой продукции;

– загрязнение поверхностных и грунтовых вод, усиление эвтрофирования водоемов.

Азотные удобрения. Азот – основной элемент питания растений, поэтому вполне закономерно, что азотные удобрения относятся к базисным компонентам химизации земледелия. Однако при несбалансированности элементов питания, нарушении водного режима, недостаточной освещенности и других неблагоприятных условиях высокие доза азотных удобрений могут привести к снижению почвенного плодородия и загрязнению продуктов питания нитратами. По данным Б. Коммонера (автора знаменитых «четырех законов экологии») в США растения поглощают в среднем примерно половину азота, вносимого с удобрениями. Остальное его количество улетучивается в атмосферу, сбрасывается в водоемы и накапливается в почве, вызывая загрязнение ОС.

Процессом, в результате протекания которого в почве образуются нитраты, является нитрификация. Под воздействием организмов-нитрификаторов, присутствующих в любой почве, происходит минерализация органических веществ почвы и внесенных органических удобрений (навоза, торфа, перегноя). Один из конечных продуктов минерализации – нитраты. Еще один источник нитратов – азотные удобрения (сульфат аммония, нитрат аммония, нитрат калия, нитрат натрия, мочевина и др.). Под воздействием тех же нитрифицирующих микроорганизмов аммонийный и амидный азот в почве постепенно переходит в нитратный. При условиях, благоприятствующих нитрификации, весь внесенный в почву азот может в течение двух-трех дней превратиться в нитратный. Поэтому при внесении высоких доз азотных удобрений, даже не содержащих нитратного азота, в почве может накапливаться большое количество нитратов. Это естественный физиологический процесс. Нитратный азот в почве очень подвижен и при обильных поливах или в дождливую погоду легко вымывается за пределы корнеобитаемого слоя, особенно в легких почвах.

Наряду с аммонийным азотом нитраты являются основным источником питания растений. В последние годы прослеживается тенденция увеличения производства сельскохозяйственной продукции (особенно овощной) с повышенным содержанием нитратов. Сам факт наличия нитратов в сельскохозяйственной продукции не вызывает опасения. поскольку они представляют одну из форм существования азота – естественного составного элемента биосферы, присутствовавшего в ней еще до появления человека. Важно другое – в каких количествах присутствуют эти соединения в растениях. Накопление нитратов в растениях происходит в результате того, что поглощенный азот не полностью расходуется на синтез аминокислот и белков (т.е. не все поглощенные нитраты восстанавливаются до аммиака). В нарушении этого процесса важную роль играют ферменты азотного обмена – нитрат- и нитритредуктазы, а также углеводное питание растений.

Причин нарушения процессов ассимиляции нитратов в растениях насчитывается около 20, среди них такие как:

- сроки, формы и дозы внесения удобрений;

- метеорологические условия;

- сортовые различия;

- сроки посадки и густота посевов;

- качество известкования;

- наличие и соотношение питательных веществ и т.д.

Недостаток магния и серы в растениях, недостаток молибдена и марганца в почве, снижение температуры воздуха, которое приводит к падению активности нитратредуктазы, также способствуют накоплению нитратов.

Увеличение доз азотных удобрений приводит не только к повышению содержания нитратов в произведенной продукции, но и к снижению в ней содержания витамина С, сахаров и других веществ, а следовательно, и ее биологической ценности. Теряется устойчивость овощей и фруктов к длительному хранению.

Содержание нитратов различается в зависимости от органов растений. Их больше там, где превалируют ткани, в клетках которых хорошо развиты вакуоли, т.е. в частях, по которым осуществляется транспорт питательных веществ в растениях. Так, в корне, стебле и черешках листьев нитратов значительно больше, чем в листовой пластинке. В генеративных органах нитраты отсутствуют или содержатся в гораздо меньших количества, чем в вегетативных.

Азотные удобрения загрязняют природные воды. Вынос азота в водные объекты определяется как природными факторами (климат и погода, гидрология и рельеф), так и антропогенными (степень сельскохозяйственного использования территории, применяемые системы земледелия, дозы удобрений и т.д.). Например, из-за технологических нарушений в процессе хранения, подготовки и применения азотных удобрений от 3 до 20% (а возможно и больше) вносимых количеств попадает в водные объекты, что приводит к тем или иным негативным последствиям. Процесс вымывания нитратов из почвы ускоряет распашка лугов, увеличение доли зерновых и пропашных культур в севообороте, полный или частичный отказ от выращивания промежуточных культур. В районах интенсивного производства овощей, плодово-ягодных культур и винограда наблюдается загрязнение нитратами грунтовых вод.

Повышенное содержание нитратов в сельскохозяйственной продукции и питьевой воде приводит сразу к нескольким отрицательным последствиям. При попадании нитратов в организм человека происходит их восстановление до нитрит-ионов, которые переводят гемоглобин в метгемоглобин. Возникает болезнь под названием метгемоглобинемия. отравление 20% гемоглобина приводит к сердечной недостаточности, а 80% – к смерти. В кислой среде нитриты реагируют с вторичными аминами, образуя нитрозоамины, многие из которых канцерогенны для органов пищеварения и выделения. Канцерогенное действие нитрозоаминов обнаружено в 1956г. Сейчас ежегодно публикуется около 1500 сообщений по раковым заболеваниям, индуцированным нитрозоаминами. Считается, что не менее 5% злокачественных опухолей из-за повышенного содержания нитратов в пище. Роме того, азотные удобрения стимулируют образование в продукции сельского хозяйства микотоксинов, которые также могут приводить к раковым заболеваниям.

Суточное потребление нитратов с пищей не должно превышать 200мг, а нитритов – 10мг. В питьевой воде не должно содержаться более 45 мг/л нитрат-ионов и 3,0 мг/л нитрит-ионов.

Для сведения к минимуму непроизводительных потерь азота, предотвращения и снижения загрязнения нитратами овощеводческой продукции и водоемов необходимо четко соблюдать существующие регламенты по транспортировке, хранению и применению минеральных и органических удобрений.

Внесению удобрений должно предшествовать известкование почв, которое снижает почвенную кислотность и активизирует процесс восстановления нитратов.

Сроки проведения подкормок также играют важную роль в накоплении нитратов. Не рекомендуется применять подкормки в период массового созревания корнеплодов и кочанов.

Исключительно важным приемом снижения (предотвращения) нитратного загрязнения сельскохозяйственной продукции является внесение достаточного количества полноценногоорганического удобрения. Как свидетельствует опыт ряда стран органические удобрения целесообразно вносить в соотношении 4:1.

Перспективной альтернативой минеральному азоту в питании растений являетсябиологический азот, поставляемый растениям микроорганизмами-азотфиксаторами, как симбионтами, так и свободноживущими. С помощью методов генной инженерии ведутся поиски наиболее продуктивных штаммов. Исследуется возможность использования ассоциативных азотфиксирующих бактерий, микоризы, а также различных комбинаций этих микроорганизмов, что зачастую оказывается более эффективным, чем применение любого из них в отдельности.

Эффективность подкормок посевов возделываемых культур в немалой степени зависит от особенностей агрометеорологических условий. Учет этих особенностей позволяет повысить целесообразность и эффективность использования азотных удобрений.

Фосфорные удобрения. Используемые в сельском хозяйстве фосфорные удобрения представлены в основном наиболее легко усваиваемыми растениями водорастворимыми соединениями: суперфосфатом (смесьCa₃(PO₄)₂,CaHPO₄,Ca(H₂PO₄)₂ иCaSO₄) и двойным суперфосфатомCa(H₂PO₄)₂ , а также сложными удобрениями аммофосом (смесь (NH₄)₂HPO₄иNH₄H₂PO₄), нитроаммофосом (смесь (NH₄)₂HPO₄,NH₄H₂PO₄,CaHPO₄,NH₄NO₃,KNO₃ иKCl) и др.

Фосфор относится к важнейшим биогенным элементам. Хотя потребность организмов в фосфоре в 10 раз меньше, чем в азот, он не только является важным источником питания растений, но и играет основную роль в процессах массо- и энергообмена, а также в процессе размножения. Для создания условий, благоприятствующих получению высокого урожая, необходимо наличие в почве достаточного количества доступного фосфора. Однако примерно 1/3 посевных площадей России характеризуется низким и очень низким содержанием этого элемента. Наиболее остро эта проблема стоит в Нечерноземной зоне, поскольку здесь преимущественно распространены подзолистые и дерново-подзолистые почвы, отличающиеся низким плодородием. Если дефицит азота можно компенсировать внесением органических удобрений или фиксацией атмосферного азота, недостаток фосфора можно устранить только внесением минеральных удобрений.Обеспечение высокой потребности в фосфорных удобрениях является объективной необходимостью. При этом, однако, нельзя упускать из виду экологические проблемы фосфорного питания.

С фосфорными удобрениями в почву попадают многочисленные токсичные элементы, малоподвижные в почвенной среде (As, Ni, Cu, Cd, Pb, Cr, Zn,). Кроме того, в фосфорных удобрениях содержатся токсичные соединения фтора. В природных фосфатах содержатся радиоактивные элементы – уран, радий, стронций.По существующим кислотным способам переработки природного фосфатного сырья основная часть фтора, а также весь стронций остаются в удобрениях и попадают вместе с ними в почву. Длительное внесение суперфосфата, который обычно содержит 1,5% фтора, приводит к быстрому накоплению в почве доступной для растений формы этого элемента. Фтор ингибирует активность ряда ферментов, что отрицательно сказывается на процессах фотосинтеза и биосинтеза белков.

Значительная часть фосфора используемого в земледелии накапливается в водных объектах, в которые он поступает:

– в результате потерь при транспортировке и хранении удобрений (34% всех поступлений);

– из-за поверхностного стока и вымывания из почвы в растворенном виде и с продуктами эрозии (21% всех поступлений);

– вследствие «выпадения» фосфора из аграрного круговорота, обусловленного почти отсутствием утилизации органических веществ в коммунальном хозяйстве и снижением уровня утилизации органических веществ в животноводстве (45% все поступлений).

Увеличение содержания фосфора в природных объектах привело к эвтрофированию водных объектов:биомасса водорослей в ряде озер и водохранилищ в настоящее время превосходит валовую сельскохозяйственную продукцию в тех же регионах. Установлено, что на 1 кг поступившего в водоем фосфора образуется 100 кг фитопланктона. Когда концентрация фосфора в воде превысит 0,01 мг/л, начинается цветение воды, обусловленное массовым развитием водорослей, которое достигает оптимума при его содержании 0,9-3,5 мг/л.

Цветение воды приводит не только к ухудшению условий непосредственного водопотребления, но и к увеличению содержания в ней органического вещества в растворимой форме, а также к увеличению рН. Вода в цветущих водоемах существенно отличается по вкусу и по запаху. Эвтрофирование водоемов удорожает очистку воды.

Учитывая различия в длительности естественного возобновления вод в природе (300лет – для подземных вод, 3,5года – для проточных озер, 0,5 мес. – для речных вод), а также возможность поступления различных примесей, содержащихся в фосфорных удобрениях в пищевые цепи, необходимо строго соблюдать рекомендации по внесению фосфорных удобрений и принимать во внимание следующие факторы:

– наличие примесей в удобрениях;

– предельно допустимые уровни загрязнения почв тяжелыми металлами, радионуклидами и другими токсичными элементами (соединениями), содержащимися в удобрениях;

– необходимые для внесения фосфорных удобрений в почву условия (сроки проведения работ, месторасположение удобряемых площадей и т.д.).