Экологические аспекты применения азотных ,фосфорных и калийных удобрений.

Агрофитоценоз относится к числу важнейших компонентов агроэкосистемы, а его продуктивность в наибольшей мере характеризует устойчивость и стабильность экосистемы, находящейся в сельскохозяйственном использовании. В отличие от природной экосистемы, где продуктивность фитоценоза регулируется внутренними механизмами, продукционный процесс в агроэкосистеме требует постоянного контроля и управления в виде разнообразных форм аграрной деятельности человека. Поэтому растения в ходе онтогенеза испытывают интенсивные прямые или трансформированные антропогенные воздействия, которые не всегда приводят к увеличению урожайности.

Поддержание в течение определенного промежутка времени заданного уровня урожайности как показателя стабильности агроэкосистемы может быть не достигнуто из-за экстремальных метеоусловий, загрязненности атмосферного воздуха, выпадения кислотных осадков, неблагоприятных свойств и режимов почвы, ее загрязнения, стрессовой реакции почвенных микроорганизмов на антропогенные нагрузки и возникновения почвенной токсичности, почвоутомления, возде­лывания сортов некоторых культур, малоустойчивых к болезням, вредителям и сорным растениям, адаптации последних к пестицидам, неодинаковой реакции видов и сортов растений на возрастающие дозы агрохимикатов, которые оказывают полифункциональное влияние на растения, выступая в зависимости от концентрации стимулятором или ингибитором физиологических процессов, и других причин.

По характеру действия фактор может быть лимитирующим, нормальным, оптимальным и угнетающим. Реакция растений на каждый природный или антропогенный фактор подчиняется известной криволинейной зависимости, характерной для всех биологических систем, в пределах которой проявляется несколько характерных зон, соответствующих типу реакции растений (рис. 22.5).

Каждая зона соответствует определенному типу реакции. На основе анализа закономерности изменений продуктивности растений в широком интервале доз азотных удобрений можно выделить три типа (нормы) реакции растений на количество внесенного азота, проявляющиеся в изменении продуктивности и характера обмена веществ: кинетический (А), физиологический (Б) и метаболический (В). Первый тип реакции (А) характерен при лимитирующем и нормальном обеспечении растений азотом, второй (Б) — при нормальном и оптимальном и третий (В) — при избыточном (угнетающем).

 

 

В кинетической зоне растения активно реагируют на увеличение концен­трации азота, усиливаются ростовые процессы, дыхание, синтез белковых соединений, повышается продуктивность в линейной зависимости от доз применяемых удобрений.

В физиологической зоне растения могут достигать максимальной продуктивности, однако прирост сухого вещества от вносимых доз азота минимален. Физиологические изменения растительного организма в пределах этой зоны достигают предпатологических значений, подтверждением чего служит ухудшение многих показателей качества урожая в области максимальных его величин. Известно, что оптимум качества достигается при меньших дозах азота, чем те, которые необходимы для получения наибольшего урожая.

Для зоны с метаболическим типом реакции характерно ограничение ростовых процессов, в растениях накапливаются промежуточные продукты метаболизма, значительная часть поглощенного азота нитратов не метаболизируется, снижаются скорость образования хлорофилла и интенсивность фотосинтеза, нарушается обмен углеводов и минеральных веществ и, как следствие, снижается продуктивность растений. Растения, произрастающие в условиях, вызывающих метаболический тип реакции, подвержены различным болезням и нападению вредителей, их продукция не отвечает технологическим и гигиеническим требованиям.

Необходимо отметить, что многие признаки метаболического типа реакции свойственны растениям, испытывающим острый дефицит того или иного элемента минерального питания. Следовательно, при остродефицитном или избыточном обеспечении растений азотом создаются предпосылки потери агрофитоценозом своей устойчивости, последствия чего могут проявиться в самых разнообразных вариантах (массовые поражения посевов вредителями и болезнями, ограниченное поступление в почву корневых выделений и растительного опада, получение некондиционного семенного материала, загрязнение водоисточников, деградация почвы и т.д.). Следует отметить, что подобная ситуация может иметь место лишь при многолетнем отсутствии агрономического контроля за посевами и в принципе маловероятна. Поскольку остродефицитный или избыточный режим питания растений легкоустраним (например, внесение минеральных удобрений в первом случае или соломы во втором), а границы проявления метаболической реакции достаточно подвижны и легко смещаются, в частности, изменением соотношения между азотом, фосфором и калием или использованием различных модификаций внесения удобрений в почву, подобные нарушения устойчивости агрофитоценоза в этих условиях являются временными и не ведут к потере стабильности агроэкосистемы. Кроме того, для каждого вида и сорта характерны свои пределы нормального, оптимального и избыточного содержания азота в почве, в рамках которых растения развиваются по одному из перечисленных типов реакции на азотное питание.

Таким образом, непременными условиями сохранения устойчивости и стабильности агроэкосистемы являются оптимизация структуры посевных площадей и дифференцированное размещение культур, что позволит ограничить негативные эффекты узкой специ­ализации растениеводства. При этом удобрение сельскохозяйственных культур должно обеспечивать кинетический или, в крайнем случае, физиологический тип реакции растений.

Поиск и разработка экологически безопасных технологий выращивания сельскохозяйственных культур до сих пор актуальны, поскольку они соответствуют принципам рационального природопользования. К ним относится, например, технология локального применения азотных удобрений. Она упорядочивает превращение азота в корне-обитаемом слое почвы, регулирует потребление азота удобрений и азота почвы растениями в онтогенезе; оказывает направленное воздействие на продукционный процесс и формирование урожая с оптимальными показателями качества. Аккумуляция азотистых соединений в системе почва — растение существенно улучшается, что способствует повышению устойчивости возделываемых культур к неблагоприятным абиотическим факторам (рис. 22.6).

Согласно технологии локального применения азотные удобрения вносят в почву на глубину 10... 12 см и на расстоянии 6...7 см от рядка высеваемых семян, если высев семян и внесение удобрений осуществляют одновременно с помощью комбинированной сеялки (рис. 22.7).

При локальном применении удобрений их вносят в почву в виде узкой ленты или экрана на заданную глубину. Если же удобрения вносят заблаговременно (перед посевом культуры), то их размещают перпендикулярно будущим рядкам высеваемых семян. При этом расстояния между лентами удобрений составляют для зерновых культур 15 см, для пропашных — 30 см.

Благодаря специфике поведения азота удобрений, которая складывается при локализации их в почве, растения используют в 1,2... 1,6 раза больше азота, чем при разбросном применении туков. При этом резко снижаются газообразные потери азота (в 1,6...3,2 раза), что придает этой технологии эко­логическую целесообразность.

Что касается агрономической эффективности, то при локальном внесении азотных удобрений продуктивность сельскохозяйственных культур на 22...46 % выше, чем при разбросном их применении. Наибольшей эффективностью эта технология отличается при возделывании кукурузы и викоовсяной смеси.

Повышению устойчивости растений к биотическим факторам (болезням) способствуют защитно-стимулирующие составы на природной основе, поскольку использование химических средств защиты растений привело к значительному загрязнению объектов окружающей среды, что создает реальную угрозу здоровью человека. К таким негативным последствиям не приводит использование биостимуляторов, созданных на основе природных препаратов, к которым относится культура цианобактерий.

 

Пестициды в окружающей среде

Мировая и отечественная политика в области сельского хозяйства пока ориентирована на широкое применение средств химической защиты растений. Мировой уровень потребления пестицидов, согласно прогнозам, будет возрастать ежегодно в среднем на 2,3%. При этом отмечается, что одним из факторов, сдерживающих объем потребления пестицидов, будет ужесточение законодательства по защите окружающей среды. В то же время подсчитано, что в случае отказа от пестицидов в США, например, производство сельскохозяйственных культур и продукции животноводства снизится на 30%, а стоимость сельскохозяйственной продукции возрастет на 50-70%.

Некоторые пестицидные препараты обладают аллергическим действием (ГХЦГ, Цинеб), вызывают дерматиты (гранозан), бронхиальную астму и нервнопаралитический синдром (фосфорные соединения), обладают эндокринным, катарактогенным, канцерогенным последствием (некоторые фосфор- и хлорорганические пестициды, карбонаты и др.).

Для характеристики поведения пестицидов в объектах окружающей среды введены два показателя: коэффициент биодеградации (КБД), который характеризует скорость деградации (разрушения) пестицида в экосистеме, и коэффициент биологического усилия (КБУ), который определяет усилие биологических организмов, направленное на разложение данного препарата. Чем выше КБД, тем быстрее разлагается препарат, а чем выше КБУ, тем препарат более персистентен (устойчив).

Анализ применения пестицидов, а также данные специальных исследований говорят о том, что в большинстве случаев лишь незначительная часть применяемых препаратов достигает целевых объектов. Остальная же часть попадает в окружающую среду уже как антропогенный загрязнитель и создает соответствующие эколого-гигиенические проблемы. Миграция пестицидов в окружающей среде и по цепям питания приводит к накоплению остаточных количеств препарата в большинстве природных объектов и в организме человека.

Рис. 2.15. Схема циркуляции пестицидов

В настоящее время накоплен большой фактический материал по изучению поведения различных пестицидов в объектах окружающей среды, в естественных и искусственных экосистемах, в организме человека и животных. При осуществлении своих функций пестициды проходят большой путь в экосистеме (рис. 2.15).

В местах интенсивной химизации значительное число пестицидов может концентрироваться в атмосферном воздухе. Снос пылевидных препаратов часто происходит на большие расстояния (табл. 2.8), что практически всегда является результатом нарушения технологии опыления и может иметь нежелательные последствия.

Таблица 2.8

Диаметр частиц, мкм	Снос частиц при падении с высоты, м
	5	10
25	179,2	358,4
100	11,2	22,4
200	2,8	5,8

Исследованиями установлено, что дусты с диаметром частиц 10 мкм переносятся ветром при скорости 5 км/час на расстояние 1,6 км, а диаметром 2 мкм - на 33 км. Главное в борьбе с пестицидным загрязнением атмосферного воздуха - строжайшее соблюдение режима технологических операций авиационных химических работ, широкое применение новых препаратов пестицидов, позволяющих снизить их испарение в атмосферу практически до нуля (гранулы, микрокапсулы).

Однако основная роль в циркуляции пестицидов и накоплении их в объектах окружающей среды принадлежит почве, а в разложении (до токсикации) - почвенным микроорганизмам. Почва в основном выступает в качестве преемника пестицидов, где они разлагаются и, отходя, постепенно перемещаются в растения или окружающую среду, либо в качестве хранилища, где некоторые из них могут существовать много лет спустя после внесения. Пестициды - тонкодисперсные вещества и в почве подвержены многочисленным воздействиям биотического и небиотического характера, которые определяют их поведение, преобразование и, наконец, минерализацию.

На пестициды, попавшие в почву, оказывают влияние различные факторы как в период их применения, так и в дальнейшем, когда препарат уже становится остаточным. В почве происходят разложения: пестицидов при гидролизе, окислительно-восстановительного типа, с образованием нитрозосоединений, фотохимическое и др.

Рядом исследователей подчеркивается роль почвенных микроорганизмов в разложении пестицидов. Разложение действующих веществ пестицидов осуществляется бактериями, ак-тиномицетами, грибами и высшими растениями. Продолжительность разложения пестицидов микроорганизмами может колебаться от нескольких лет до десятков лет, в зависимости от специфики действующего вещества, видов микроорганизмов и свойств почв. Однако данных о процессах разложения современных групп пестицидов почвенными микроорганизмами крайне мало.

Продукты превращения и разложения пестицидов, побочные продукты реакций относятся к остаточным количествам пестицидов. Учитывая потенциальную опасность загрязнения почв, окружающей среды остаточными количествами пестицидов, в настоящее время все больше используют легкоразлагаемые пестициды - карбамидные инсектициды и большинство фосфорорганических инсектицидов, а также пиретроидные инсектициды. Однако при распаде некоторых легкоразлагаемых пестицидов образуются соединения, обладающие большой токсичностью, которые могут существовать в почве в течение нескольких месяцев, что необходимо учитывать при их применении.

В почвах, загрязненных остаточными количествами пестицидов, многие беспозвоночные накапливают их в количестве, во много раз превышающем концентрацию пестицидов в почве, т.е. происходит процесс бионакопления. Обычно вещества с пониженной растворимостью (менее 0,1 мг/л) обладают более высокой способностью к накоплению биологическим путем.

Способность поглощения пестицидов зависит и от вида растений. Например, кукуруза (зерно) обладает большей способностью к биоконцентрации ГХЦГ, чем пшеница (зерно). Пестициды легко поглощаются растениями из песчаных и торфяных почв, содержащих большое количество органических веществ.

В нормальных условиях очистка почвы от остаточных количеств пестицидов происходит медленно под влиянием различных мероприятий по обработке почв или климатических факторов. Иногда для быстрой очистки почв следует стимулировать этот процесс. С этой целью используют различные мероприятия, зависящие от химического состава пестицидов, степени насыщения почв и их свойств, культивируемых растений, технологии их возделывания и т. д.

В настоящее время разработаны математические методы прогнозирования накопления и разложения пестицидов в агроэкосистеме, позволяющие определить концентрацию данного пестицида в агроэкосистеме в данный момент.

В связи с тем, что пестициды являются биологически активными веществами, к ним предъявляют особые требования, обеспечивающие наибольшую эффективность их использования и наименьшую вредность для человека, полезных животных и растений. Для предупреждения пестицидного загрязнения сельскохозяйственной продукции, охраны здоровья населения и предотвращения циркуляции пестицидов в окружающей среде - экспериментально обоснованы и установлены санитарно-гигиенические нормативы предельно допустимых остаточных количеств (ПДОК) пестицидов в продуктах питания, зеленом корме и фураже, предельно допустимых концентраций (ПДК) пестицидов в воздухе рабочей зоны, атмосферном воздухе, в воде открытых водоемов и водоемов санитарно-бытового водопользования, в почве. Регламентированы сроки применения пестицидов в течение вегетационного периода растений. Предельно допустимое остаточное количество (ПДОК) пестицидов такое, которое, поступая в организм с продуктами питания, не вызывает никаких нарушений у человека. ПДОК пестицида выражают в миллиграммах действующего вещества на 1 кг продукта (корма, фураж) и экспериментально устанавливают с таким расчетом, чтобы обеспечить совершенно безопасный для человека уровень содержания остатков пестицидов в продуктах питания. Показатель ПДОК устанавливают для конкретного пестицида и вида сельскохозяйственной продукции. Они координируются Всемирной организацией по сельскому хозяйству и продовольствию ООН (ФАО) и Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ).

Предельно допустимые концентрации пестицидов в окружающей среде представлены в табл. 2.9.

Таблица 2.9. Предельно допустимые концентрации пестицидов в почве, воздухе и воде

Пестицид	Почва, мг на 1 кг	Воздух, мг на 1 м3	Вода, мг на 1 л
ГХЦГ	0,1	0,05	0,02
Гамма-изомер	0,1	0,05	0,02
ГХЦГ
Полизлорпенин	0,5	0,2	0,2
Полихроркамфен	0,5	0,5	0,2
Севин	0,05	1,0	0,1
Карбофос	2,0	0,5	0,05
2,4-Д	-	0,5	0 2
Симазин	-	0,2	не допускается
Хлорофос	0,5	0,5	0,05

Особого внимания заслуживает нормирование пестицидов в почве. Контроль за содержанием пестицидов в почве осуществляют весной перед началом полевых работ и осенью - после завершения уборочной страды.

Для предотвращения возможного отравления людей регламентированы сроки и условия работы на обработанных площадях. Так, после применения стойких пестицидов работы, не связанные с рыхлением почвы, разрешаются через неделю, а предусматривающие обработку почвы - через 2 недели.

Токсикологический и санитарно-гигиенический контроль за применением новых импортных пестицидов осуществляет широкая сеть токсикологических лабораторий; контроль за правильным использованием препаратов в хозяйствах обеспечивают межобластные контрольно-токсикологические лаборатории, республиканские, областные, районные органы здравоохранения.

В соответствии со статьей 5 Федерального закона от 10 января 1996 г. N 4-ФЗ "О мелиорации земель" (с изменениями от 10 января 2003 г.), принятого Государственной Думой 8 декабря 1995 года «Типы и виды мелиорации земель» в зависимости от характера мелиоративных мероприятий различают следующие типы мелиорации земель: гидромелиорация; агролесомелиорация; культуртехническая мелиорация; химическая мелиорация. В составе отдельных типов мелиорации земель этим же Федеральным законом устанавливаются виды мелиорации земель.