В агроэкосистемах
Известно, что естественные экосистемы проявляют значительное однообразие в общей реакции на случайные природные стрессы (действие низких температур, затопление, пожары, эпифитотии вредителей, болезней и т. д.), сохраняя относительную стабильность. В условиях же длительных интенсивных или хронических стрессов изменения экосистем становятся необратимыми. Отбор человеком из дикой природы полезных для себя растений и животных Ч. Дарвин (1859) назвал искусственным отбором. Выступая в роли одомашливателя, организатора и инициатора искусственного отбора и изменяя таким образом дикие виды, человек тоже претерпевает изменения в социальном и экологическом отношениях. Ю. Одум (1975) по этому поводу сделал следующее высказывание, что человек в той же мере зависит от кукурузы, как кукуруза зависит от человека. Общество, хозяйство которого построено на возделывании кукурузы, в культурном отношении развивается совершенно иначе, чем общество, занятое пастбищным скотоводством. Следовательно, одомашнивание животных, создание культурных растений — это особая форма мутуализма.
Культивируемое растение является главным компонентом агроэкосистемы. Посевы сельскохозяйственных культур, кормовых и лекарственных трав, обеспечивая потребности людей в продукции растительного происхождения (пища, корма, сырье для промышленности и т. д.), являются не только продуктом природы, но и объектом человеческого труда. Отсюда их рост и развитие определяются антропогенными факторами. Из общего количества видов растений на Земле человек интенсивно использует не многим больше 20, при этом 85% их площади занимают злаковые (рис, пшеница, кукуруза, ячмень, овес, сорго, просо, сахарный тростник, рожь) и бобовые (соя, арахис, кормовые бобы, горох,вика).
Культурные растения, занимая центральное место в агроце-нозе, оказывают наиболее сильное, зачастую господствующее влияние на агрофитоценоз.
Культурные растения в агроценозе являются доминантами-эдификаторами, чаще всего это пшеница, рожь или кукуруза.
Реже встречаются смешанные посевы двух или более видов (кон-доминантов), например вика или горох с овсом, многокомпонентная травяная смесь. Эдификаторные воздействия растений-доминантов, а также кондоминантов разнообразны. Эдифакторы изменяют микроклимат агроэкосистемы, оказывают влияние на физико-химические свойства почвы и почвенной влаги. Выделяя биологически активные вещества, эдификаторы оказывают существенное влияние на флору и фауну агроэкосистемы. Культурные растения воздействуют на среду при помощи выделения метаболитов. Важную эдификаторную роль в фитоценозе среды метаболитов играют колины (агенты влияния высших растений на высшие) и фитонциды (агенты влияния высших растений на низшие).
В. В. Туганаевым культурные растения по способности влиять на среду подразделены на три группы.
— Первая группа — силъноэдификаторные растения. Сюда относятся растения сплошного посева, со 100% покрытием занимаемой площади. В эту группу отнесены высокорослые (до 3 м) и среднерослые растения, быстро развивающиеся с весны, такие, как озимая рожь, рапс, подсолнечник на силос.
— Вторая группа — среднеэдификаторные растения. Это растения сплошного и рядкового весеннего посева, сравнительно высокорослые, с 70—80% покрытием занимаемой площади, как правило, быстро развивающиеся после появления всходов (яровые зерновые, включая рис), пропашные (кукуруза, гречиха и др.).
— Третья группа — слабоэдификаторные растения. К данной группе относят растения с медленным развитием после появления всходов и покрытием не выше 50% занимаемой площади: овощные, бахчевые культуры, горох и др. Возделываемые культурные растения, выполняя роль доминантов-эдификаторов, определяют структуру и функцию агроэкосистем, их компонентный состав, на вредных и полезных насекомых, возбудителей болезней и сорные растения.
Насекомые. К классу насекомых на нашей планете относится самое большое число форм жизни и самое большое число видов живых организмов (в России и странах СНГ 80—100 тыс. видов), участвующих в круговороте веществ. Например, в среднем даа каждый гектар естественного биоценоза приходится 500 г птиц, 3—4 кг грызунов, до 15 кг крупных млекопитающих и до 300кг насекомых. В отдельные годы масса некоторых бабочек и их гусениц возрастает до 600 кг на 1 га, а саранчи — до нескольких тонн. Эти фитофаги поглощают огромное количество фитомассы. В переработанном виде они вместе с погибшими насекомыми попадают в почву, превращаясь в плодородный гумус.
Важнейшей функцией многих видов насекомых в биоценозе является опыление цветковых растений. Без насекомых человечество было бы лишено значительной части урожая полей, садов и лесов. Вредными насекомыми является лишь 1% общей их численности в агроценозах и сопутствующих им естественных биоценозах. Зачастую насекомые, опыляя растения, ими же и питаются. В естественных условиях насекомые-фитофаги, как правило, не наносят растениям невосполнимый урон, не вызывают их гибель. Например, гусеницы некоторых чешуекрылых, весной объедая листья и хвою лесных деревьев, способствуют более равномерному отложению опада, а поступление испражнений (капролитов) насекомых способствует подкормке растений.
Вместе с тем любое насекомое-фитофаг в агроценозе становится потенциальным вредителем. Назовем главнейшие причины.
Первая — это разрушение исторически сложившихся экосистем, свойственных им межвидовых отношений и механизмов регуляции численности живых организмов. Там, где природа еще не тронута человеком, существует уравновешенность взаимоотношений между растениями: питающимися ими животными и хищниками, паразитами этих животных. Выжить способны только те формы, которые не могут полностью истребить свою кормовую базу. Чтобы этого не случилось, выработались сложные механизмы отношений между живыми организмами. Более того, как теперь установлено, животные, питающиеся растениями, даже оказывают содействие процветанию видов животных, являющихся их пищей. В целом же взаимоотношения видов-компонентов гарантирует устойчивое существование этого природного комплекса.
При освоении же территории под земледелие создаются новые условия: меняется кормовая база, возможности существования многих видов. Те из них, которые способны существовать за счет культурных растений, становятся более многочисленными. Из их среды и образуется вредная фауна. Это можно показать сопоставлением состава насекомых, обитающих в ковыльной степи и на расположенном рядом посеве пшеницы. На посевах пшеницы численность хлебной полосатой блохи была в 20,6 раза, серой зерновой совки в 25 раз больше, чем в степи. Так, в условиях степей южного Зауралья, Западной Сибири до 50-х гг. XX в. серая зерновая совка не считалась опасным вредителем, хотя массовые вспышки происходили каждые 11 лет. После освоения целинных и залежных земель в этих регионах в середине 50-х гг. произошло значительное нарастание численности серой зерновой совки, и она стала главным и постоянным вредителем пшеницы.
Вторая причина — генетическая и селекционная работа, проведенная человеком, в значительной степени изменила культурные растения, придав им новые качества, которых не было у их диких прародителей. Приобретая все более ценные качества для человека, культурные растения в неменьшей степени являются благоприятной кормовой базой и для вредителей. Обеспечение потребностей в пище вредными организмами способствует более быстрому их размножению.
Третья причина — изменение условий для выживания (резервации) и расселение вредных видов, связаны в первую очередь с перестройкой технологии сельскохозяйственного производства.
Четвертая причина — разрушая механизмы, уравновешивающие межведовые отношения в природе, человек тем самым создал условия для более быстрой микроэволюции отдельных видов. Они быстрее приспосабливаются к изменившейся среде, отбор закрепляет эту приспособленность. Установлено, что даже на тех территориях, где влияние человека на природу сказывается косвенным образом, микроэволюция идет ускоренно. У вредных видов этот процесс вызывает расширение зон их обитания, так называемых зон вредности. В 80—90-х гг. XX в. в России появились и широко распространились такие опасные вредители, как колорадский жук, американская белая бабочка и т. д.
Мировое сельское хозяйство в конце XX в.пла-тит насекомым—вредителям сельскохозяйственных культур дань, достигающую 1/5 части выращенного урожая и более (рис. 18.14).
Рис. 18.14. Потери урожая до его сбора для основных
культур во всех странах мира, % (по Н. Ф. Реймерсу, 1990)
Вредители приобрели свое значение не вследствие того, что ослабло влияние на их численность хищников и паразитов, а в результате исключительной благоприятности для них всего комплекса условий, созданных человеком на полях, и их приспособи-тельной изменчивости к этим условиям.
В снижении потерь урожая от вредителей важная роль должна отводиться полезным насекомым-энтомофагам (рис. 18.15).
Рис. 18.15. Полезные насекомые-энтомофаги (по В. Н. Корчагину, 1987):
1 — златоглазка: а — взрослое насекомое, б — яйца, в — личинка, уничтожающая тлей. 2 — семиточечная божья коровка: а — взрослое насекомое, б — кладка яиц, в — личинка, уничтожающая тлей. 3 — муха-журчалка: а — взрослое насекомое, б — личинки, уничтожающие тлей. 4 — трихограмма: а — взрослое насекомое, б — самка, откладывающая яйцо в яйцо бабочки. 5 — жужелица, поедающая гусеницу
В агроэкосистемах структура ценозов вредных и полезных членистоногих в значительной мере определяется наличием севоо-боротов, лесных полос и в целом методами ведения сельского хозяйства. Должна способствовать сохранению комплекса хищник — жертва.
Фитопатогенные грибы. Паразитирует на культурных растениях не менее 10 тыс. видов грибов. В агроценозах основой вызываемых ими эпифитотий являются несколько причин, которые обусловлены особенностями размножения, распространения и сохранения этих организмов.
Современное сельское хозяйство связано с возделыванием на больших площадях однородных в генетическом отношении культурных растений-хозяев. Здесь, как правило, доминируют возбудители болезней, которые лучше приспособлены к распространению в пространстве, выживанию во времени. Распространяются грибы — возбудители болезней в пространстве быстрее при воздушно-капельной инфекции, медленнее — при почвенной. Промежуточное положение занимают возбудители семенных и трансмиссионных инфекций. Отсюда огромная опасность, что при расширении площадей под генетически однородными культурами преимущество будут иметь воздушно-капельные инфекции, особенно ржавчинных грибов, с возможностями заражения растений на значительных расстояниях от первичного очага инфекции. При повторном же возделывании культур на огромных площадях, в первую очередь при монокультуре, будет возрастать вредоносность почвенных патогенов, лучше адаптированных для выживания во времени.
При бессменных посевах сельскохозяйственных культур и несоблюдении севооборотов не случайно на первое место по вредоносности во всем мире выходят корневые и прикорневые инфекции.
По В. А. Чулкиной (1991), различают основные (+) и дополнительные [(+)] экологические ниши возбудителей болезней сельскохозяйственных культур (табл. 18.2).
Таблица 18.2
Экологические ниши различных возбудителей эпифитотиологических групп инфекций на уровне агроэкосистем (по В. А. Чулкиной, 1991)
| Основные (и дополнительные) экологические ниши | Группы и нфекций | |||
| почвенные | воздушно- капельны | семенные | трансмиссионные | |
| Корневая система и другие | ||||
| прикорневые органы | + | ~ | (+) | |
| Листья, стебли | (+) | + | ~ | (+) |
| Генеративные органы | (+) | (+) | + | (+) |
| Проводящая система | (+) | (+) | (+) | + |
Данные, приведенные в табл. 18.2, согласуются с законом конкурентного исключения Гаузе:
— если два вида занимают в фитоценозе одну и ту же экологическую нишу, то один из них должен элиминироваться;
—дифференциация экологических ниш снижает конкуренцию между вредными видами;
— системы отношений в сообществе дифференцированы по нишам популяций разных видов.
В целом средний недобор, например, урожая пшеницы от грибных болезней составляет при интенсивных технологиях более 20% (рис. 18.16).
Рис. 18.16. Возможные факторы снижения урожайности
яровой пшеницы (по В. П. Никонову и др., 1985)
Сорные растения. Высшие растения, конкурирующие с культурными за пространство, воду и питательные вещества, а нередко и служащие убежищем для вредных насекомых и паразитов, относят к сорнякам. Из тысячи сорных растений в России 100—120 видов особенно вредоносны. «Зеленым пожаром» называют в народе сорняки. Сорняки ведут непрерывную борьбу с культурными растениями за влагу и пишу. На засоренных полях значительная часть удобрений используется сорняками. Например, овсюг извлекает 45% внесенных удобрений, а яровая пшеница — лишь 39%. Осот розовый потребляет из почвы азота в 1,5, а калия в 2 раза больше, чем зерновые культуры. Научными исследованиями доказано, что сорняки на кукурузных полях содержат азота в 2 раза, фосфора — в 1,6, калия — в 3,5 раза больше, чем кукуруза. Однако основной ущерб от сорняков — снижение урожая и качества продукции сельскохозяйственных культур. Особую проблему представляют интродуцированные сорные растения. Из Америки в Европу завезены дурман, амброзия, ослинник, мелколепестник канадский, горчак розовый, из Европы в Америку — пырей, крапива, бодяк, подорожник. Интродуцированные сорняки, как правило, представляют большую угрозу местным культурным растениям.
Однако сорняки нередко являются резерватами как вредных, так и полезных насекомых. Они служат для полезных насекомых в качестве пищевого субстрата. Зачастую сорняки являются промежуточными хозяевами многих фитопатогенных микроорганизмов, но в то же время — резерватами их антагонистов. Сорняки, рост которых подавляется при обычной обработке почвы, выступают в системах с ее нулевой обработкой как промежуточное хранилище питательных веществ.
Здесь они играют роль полезных продуцентов-перехватчиков подвижных форм азота.
Полное уничтожение сорняков может способствовать переходу обитающих на них второстепенных вредных видов насекомых на возделываемую культуру. В отдельных случаях сорняки выступают как ее партнеры в симбиотической или ассоциативной азото-фикации.
Важную роль играют сорняки как компоненты агроценоза, ответственные за его сукцессию, при резкой смене системы землепользования. При проведении продукционно-биологических исследований на залежных землях поселяются однолетние сорняки. В дальнейшем они сменяются многолетними сорными растениями. Хотя видовой состав растений меняется из года в год, но уже со второго года, когда прекращается влияние прежнего землепользования, он стабилизируется.
Сорняки, наконец, служат источниками генетической информации, резервным растительным ресурсом для селекционеров. Есть мнение, что многие культуры, такие, как рожь, овес и др., — это бывшие сорняки пшеницы. Отсюда не прекращаются попытки использования генетической зародышевой плазмы различных диких растений для придания новым сортам культурных растений важных характеристик, которые имеются у диких растений.
В целом сложные взаимодействия между культурными растениями, их вредителями (насекомые, грибы, сорняки и др.) и окружающей их средой можно представить в общем и весьма упрощенном виде как группу перекрывающихся кругов (рис. 18.17).
Рис. 18.17. Взаимозависимость между растениями-жертвами,
их вредителями (насекомыми, сорняками, млекопитающими
и паразитами) и средой (по Д. А. Робертсу, 1981)
В зависимости от обстоятельств, данный вредитель может реагировать только с окружающей средой или же, достигнув своей жертвы, он может реагировать со своей жертвой и ее окружением, которое воздействует не только на вредителя и на жертву, но также и на взаимодействия между ними. Эти сложные взаимодействия могут быть еще далее усложнены взаимодействием всех исходных компонентов с одним, двумя или тремя дополнительными типами вредителей. Поэтому при выполнении мероприятий по снижению потерь урожая сельскохозяйственных культур от вредных организмов необходимо осуществлять системный подход, проведение интегрированной защиты растений. Борьба с вредителями культурных растений должна опираться, по меньшей мере, на семь принципов и мероприятия должны применяться для защиты семи жизненных функций растений, нарушаемых вредителями (рис. 18.18).
Каждая программа, разработанная для борьбы с тем или иным вредителем, должна учитывать меры, применяемые до, после и на протяжении всего цикла развития культурного растения.
Рис. 18.18. Взаимозависимость между семью принципами
борьбы с вредителями культурных растений
(по Д. А. Робертсу, 1981)
Экологические аспекты
Интенсификации земледелия
Продуктивность сельскохозяйственных культур зависит от многих факторов. Часть из них, таких, как температурный режим, солнечная радиация, не регулируются человеком в открытом поле, но учитываются в практике путем выбора сроков сева, густоты стояния растений, направления рядков и т. д.
Другие факторы обеспечиваются производственной деятельностью человека. К важнейшим из них относятся: наличие влаги в почве; обеспеченность растений элементами питания; сорт; качество семян; защита посевов от вредителей, болезней и сорняков; регулирование роста; уборка урожая.
Наивысшая продуктивность достигается при совокупности оптимальных условий роста и развития растений. Выпадение, даже частичное, только одного из этих факторов приводит к значительному недобру продукции. Сущность интенсификации земледелия, интенсивных технологий состоит в следующем: размещении посевов по лучшим предшественникам в системе севооборотов; возделывании высокоурожайных сортов интенсивного типа с хорошим качеством зерна; высоком обеспечении растений элементами минерального питания с учетом их содержания в почве; дробном применении азотных удобрений в период вегетации по данным почвенной и растительной диагностики; интегрированной системе защиты растений от вредителей, болезней и сорняков; регулировании роста ретардантами; своевременном и качественном выполнении всех технологических приемов, направленных на защиту почв от эрозии, накопление влаги, создание благоприятных физических условий развития сельскохозяйственных культур. Это достигается применением технологической колеи, более совершенных машин и приспособлений, их тщательной регулировкой.
Система севооборотов. Соблюдение севооборотов — чередования культур в пространстве и времени в конкретных условиях того или иного хозяйства —обеспечивает получение наиболее высокой продуктивности возделываемых культур, повышение плодородия почвы и фитосанитарное состояние полей, снижение численности вредителей, болезней и засоренности посевов. Далее перечисляются основные направления совершенствования систем севооборотов в земледелии.
1. Улучшение состава предшественников ведущих культур путем корректировки структуры использования пашни с целью повышения и стабилизации производства зерна, кормов и технических культур. Так, яровую пшеницу лучше размещать по парам, многолетним травам, пропашным культурам, ячмень — после кукурузы, пшеницы и зернобобовых культур. Не допускать соседства яровых и озимых культур, так как в противном случае будут создаваться условия для быстрого распространения инфекции многих болезней (ржавчина, мучнистая роса и др.) и вредителей (шведская муха, зеленоглазка и т. д.).
2. Специализация севооборотов, насыщение их до оптимальных размеров отдельными культурами (группами культур) с учетом особенностей почвенно-климатических зон, межхозяйственной и внутрихозяйственной специализации, разнокачес-твенности почв по уровню плодородия и подверженности эрозии.
3. Уплотнение севооборотов промежуточными культурами в целях повышения их общей продуктивности и почвозащитной эффективности, усиления положительного влияния на фитоса-нитарное состояние и плодородие почв.
4. Создание в севооборотах преимущественных условий для ведущих культур при возделывании их по интенсивным технологиям.
5. Укрупнение полей и севооборотных массивов в рамках строгого соблюдения принципа дифференцированного использования пашни.
Селекция и семеноводство сельскохозяйственных культур. Во многих странах мира, как показывает опыт, при интенсификации земледелия прирост урожайности зерновых культур на 70% обеспечен повышением общей культуры земледелия и на 30% — внедрением новых сортов с высоким продуктивным потенциалом. Например, повышение содержания белка в пшенице на 1% равносильно получению 600 тыс. т растительного белка, сахаристости свеклы на 1% — 700 тыс. т сахара, крахмала в картофеле на 1% — 820 тыс. т дополнительного урожая.
В России значительный прирост урожайности зерновых культур произошел после внедрения в производство сорта пшеницы Безостая 1, а затем сортов, созданных на ее основе: Одесская 51, Эритроспермум 127, Прибой.
Выведены новые сорта и особо ценной пшеницы — твердой, отличающейся высокими хлебопекарными свойствами. Так, потенциальная продуктивность сортов озимой пшеницы Парус и Коралл достигает 90 ц с гектара. Среди сортов яровой пшеницы имеются такие, потенциальная продуктивность которых превышает 50—60 ц с 1 га. Среди них Саратовская 46, Жигулевская, Омская 18, Омская 20, Терция, Тюменская 80 и др.
Для условий интенсивного земледелия созданы гибриды кукурузы — Код 215, Коллективный 100 ТВ, Коллективный 111 ТВ и другие. Данные сорта кукурузы устойчивы к полеганию, засухе и отличаются большей семенной продуктивностью, чем их родительские формы. Позволяют возделывать по зерновой технологии в более северных районах страны.
Использование для посева сортов, устойчивых к вредителям и болезням (важная задача, стоящая перед селекционерами при выведении новых сортов сельскохозяйственных культур), способствуют снижению потерь урожая без дополнительного применения химического метода. В связи с потерей сортовых качеств, устойчивости к вредным организмам из-за появления, например, новых рас возбудителей болезней, необходима периодическая сортосмена, а также возделывание двух-трех сортов с различными свойствами, что особенно важно в борьбе с головневыми и ржавчинными заболеваниями зерновых культур.
Высококачественные семена — важный резерв снижения потерь от вредных организмов, повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Селекция и семеноводство взаимосвязаны между собой. Применение приемов семеноводства, направленных на поддержание устойчивости, значительно продлевает жизнь нового сорта. Несоблюдение же приемов семеноводства может за несколько лет свести работу селекционера на нет. С этой точки зрения заслуживает внимания работа СибНИИСХоза (г. Омск). Здесь разработана и предложена система семеноводства новых перспективных сортов зерновых культур. На основе предварительного сортоиспытания и широкой проверки в производственных условиях начинается в институте размножение семян лучших сортов зерновых культур еще до их официального районирования или за пять-шесть лет, а к моменту районирования хозяйства области (региона) имеют возможность получить значительное количество семян для производственных посевов и организации семеноводства.
Система обработки почвы. Включает состав, последовательность и сроки проведения конкретных приемов рыхления или уплотнения почвы, технологию их выполнения, которые определяют в большей мере физико-химические свойства почвы, ее микробиологическую активность.
В 80—90-х гг. XX в. в России на обработку почвы приходилось 40% энергетических и 25% трудовых затрат от всего объема полевых работ по возделыванию и уборке сельскохозяйственных культур. Если все виды обработок при выращивании культур пересчитать на вспашку, то на 1 га пашни ежегодно перемещается 6000 т почвы, что далеко не всегда оправдано.
Обработка почвы должна быть подчинена решению главной задачи — обеспечению культурных растений водой, воздухом, элементами пищи, рациональному использованию потенциального плодородия почвы. С помощью различных приемов обработки почвы вносятся удобрения, создаются условия для нормального прорастания семян, ведется уход за посевами в период вегетации возделываемых культур, борьба с вредителями, болезнями и сорняками. Любой конкретный прием обработки почвы должен быть строго целенаправлен, а их комплекс и технология выполнения в данных конкретных условиях должны обеспечивать нужное изменение определенных качественных параметров почвы, на которых он применяется.
При выборе приемов обработки почвы и технологии их выполнения обязательно учитываются физико-механические свойства конкретных типов почв: их механический состав, удельное сопротивление при вспашке и рыхлении, физическая спелость, а также глубина пахотного горизонта. Сочетание приемов и видов обработки почвы должно быть тесно увязано с конкретными местными природными и почвенными условиями, биологическими особенностями выращиваемых культур. Например, в условиях Зауралья в августе-сентябре проводится основная обработка почвы. При проведении основной обработки почвы уничтожаются гусеницы зерновой совки, личинки трипса, возбудители обыкновенной гнили яровой пшеницы и ячменя, мучнистой росы, септориоза, пятнистостей листьев яровых зерновых культур, многолетние корнеотпрысковые сорняки (осот розовый и желтый, вьюнок полевой и др.), озимые, зимующие и яровые сорняки (овсюг, щетинники, гречиха вьюнковая, сурепка полевая, конопля и т. д.).
На полях, засоренных осотом розовым, и на солонцах обработка почвы на глубину 25—27 см проводится ПН-8-35Б или КПГ-2-150. На остальных полях и при засорении осотом желтым вспашка на 25 см ПН-8-35. Выравнивают отвальную зябь диско-ванием и борованием ЛДГ-10, БЗСС-1,0.
При предпосевной обработке почвы уничтожают всходы малолетних сорняков боронованием БЗСС-1,0 на 4—6 см. Перед посевом культивацией КПС-4, КПГ-4 на глубину 5—8 см уничтожают однодольные и двудольные сорняки, снижают вредоносность хлебной полосатой и стеблевой блох, шведской мухи, пшеничного трипса, зерновой совки и других вредителей.
Обработка почвы должна во всех зонах быть почвозащитной, обеспечивать расширенное воспроизводство ее плодородия. В связи с этим одно из направлений совершенствования обработки — ее минимализация в целях снижения деформации пахотного и подпахотного слоев почвы под воздействием тракторов и сельскохозяйственных машин при производстве сельскохозяйственной продукции.
Применение удобрений. Между продуктивностью земледелия и плодородием почвы объективно существует противоречие: чем больше мы берем с гектара продукции, тем выше вынос питательных веществ. Например, урожай 1 т зерновых в среднем выносит 65 кг основных действующих веществ (25 кгМ, 10 кгР^О^ и 30 кг Кзд). Это противоречие можно преодолеть только восполнением и наращиванием энергетического потенциала почв, внесением органических, минеральных веществ, микроэлементов.
Значение химизации сельского хозяйства в связи с этим трудно переоценить: оно позволяет повышать плодородие почв, улучшать кислые и засоленные земли, лучше сохранять и повышать питательную ценность кормов и т. д.
Азот оказывает влияние на фотосинтез растений, которое состоит в его использовании на синтез аминокислот. Азот также необходим для образования зеленых пигментов в растении (хлорофилла) и для синтеза белков — элементов структуры хлороп-ластов, ферментов, ответственных за различные реакции фотосинтеза. Стимулирует рост вегетативной массы растений, определяет уровень урожайности и качества продукции.
Действие фосфора (фосфорные удобрения) на фотосинтез растений заключается в том, что остатки фосфорной кислоты входят в состав акцептора-соединения, связывающего СО2 и промежуточных продуктов фотосинтеза. С помощью световой энергии из неорганического фосфата и аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) синтезируется аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), участвующая в реакциях восстановления СО2. Фосфаты также входят в состав фосфатидов и фосфопротеидов, нуклеиновых кислот.
Фосфор оказывает стимулирующее влияние на развитие корневой системы, формирование репродуктивных органов, ускоряет созревание. У озимых культур фосфорные удобрения повышают зимостойкость, на 15—20% снижают расход воды на единицу урожая.
Калий способствует накоплению растениями Сахаров, что предохраняет озимые культуры от вымерзания, повышает прочность соломины и устойчивость к поражению корневыми гнилями и ржавчиной, ускоряет передвижение углеводов из стеблей и листьев в колос, увеличивая натуральную массу зерна.
Азотные минеральные удобрения выпускаются и применяются в твердом и жидком видах. По форме азота твердые азотные удобрения подразделяются следующим образом.
1. Аммонийные (NH4): сульфат аммония, хлорид аммония.
2. Аммонийно-нитратные (NH4NO3): аммиачная селитра, сульфат-нитрат аммония.
3. Нитратные (NO3): нитрат натрия (натриевая селитра), нитрат кальция (кальциевая селитра).
4. Амидные (NH2): карбамид (мочевина), цианамид кальция.
Из жидких азотных удобрений более широкое применение находят аммиачные (NH3). Весь азот содержится в виде аммиака: водного или безводного.
Из фосфорных удобрений главным образом применяются водорастворимые удобрения, которые наиболее легко усваиваются растениями: суперфосфат, двойной суперфосфат, а также сложные удобрения — аммофос, диаммонийфосфат, нитроам-мофоска, карбоаммофоска.
Наиболее распространенными калийными удобрениями являются хлорид калия, сульфат калия, калийная соль и др.
В целом сельскому хозяйству России поставка минеральных удобрений в пересчете на 100% питательных веществ составила: в 1985 г. —12674 тыс. т, 1990 г. — 11051 тыс. т и в 1993 г. — 3721 тыс. т.
Растениям для роста и развития, наряду с азотом, фосфором и калием, требуются в очень малых количествах другие питательные вещества — микроэлементы. К ним относятся бор, молибден, медь, марганец, цинк, железо, кобальт, никель и другие. Главное действие микроэлементов в жизнедеятельности растений состоит в том, что они либо входят в состав биологических катализаторов-ферм ентов, либо являются активаторами их работы.
По данным агрохимического обследования почв, содержание подвижных форм микроэлементов в пахотных землях России невелико. Около 80% площади пашни характеризуется низ»-кой и средней обеспеченностью подвижным молибденом, почти 97% — цинком, 92% — кобальтом, 50% — бором, 34% — марганцем.
Микроэлементы применяют непосредственно, путем внесения в почву и опрыскиванием растений в виде растворов борной кислоты, молибдата аммония, молибдата натрия, сульфата меди, сульфата цинка, железа и т. д.
В 90-х гг. XX в. все более распространяется промышленное производство простых удобрений с микроэлементами: простой и двойной суперфосфат с бором, марганцем или молибденом, карбамид с медью, сложные удобрения (фосфаты аммония, нитрофосфаты) и другие.
Большое внимание должно уделяться мероприятиям по сохранению и увеличению содержания в почве гумуса. Так, по данным И. В. Кузнецовой (1979), увеличение содержания гумуса в дерново-подзолистой почве с 2,4—2,9% до 5—6% приводило к повышению содержания водопрочных агрегатов (>0,25 мм) в пахотном слое до 50%, влагоемкость увеличивалась до 43—44%, а диапазон активной влаги достигал в среднем 19—25%. Внесению органических удобрений, особенно на малогумусных почвах, должно уделяться особое внимание.
Отсутствие или недостаточное применение органических удобрений, приводит к уменьшению запасов почвенного азота и как следствие, к снижению гумусированности почв. Применение минеральных удобрений может лишь снизить темпы этого процесса, но не исключить его полностью. Результатом является выпаханность почв, истощение их гумусового фонда и снижение эффективного и потенциального плодородия. Это не только ухудшает режим почвенного питания, но и отрицательно влияет на физико-химические свойства, водно-воздушный и тепловой режимы, почвенно-поглощающий комплекс и биологическую активность минеральных удобрений и приводит к значительному недобору урожая сельскохозяйственных культур.
В Курганской области основным органическим удобрением являются навоз и солома. В среднем на 1 га пашни ежегодно вносится 2,2—2,5 т навоза в пересчете на полуперепревший навоз.
Побочное действие минеральных удобрений. Химизация сельского хозяйства, проводящаяся нарастающими темпами, занимает далеко не последнее место в ряду антропогенных факторов, воздействующих на почвы и на природу в целом (рис. 18.19).
Рис. 18.19. Миграция биогенных веществ при
сельскохозяйственном производстве (по Н. Ф. Винокуровой и др., 1994)
В результате интенсивного использования удобрений в природной среде рассеивается ряд химических элементов, что приводит к нарушению круговорота веществ.
Промышленный синтез азотных удобрений и их рассеивание по поверхности земли вносит серьезные изменения в его биогеохимический круговорот. Увеличение количества азота в природных средах за счет деятельности человека — опасное явление, так как вводимые в избытке нитраты не полностью денитрифицируются, а отсюда равновесие между процессами нитрификации и денитрификации нарушается. Ежегодно избыток нитратов достигает более 9 млн т. Они аккумулируются в гидросфере, растениях, а в дальнейшем в пищевых продуктах, вызывают тяжелое отравление (рис. 18.20).
Рис. 18.20. Загрязнение среды нитратами и опасность
заболевания человека (по Н. Ф. Реймерсу, 1990)
В отличие от азота фосфор характеризуется малой подвижностью, он почти полностью закрепляется в почве, обогащая ее. Вместе с тем фосфорные удобрения могут вызывать и отрицательные явления в виде накопления фтора, токсичного для человека и животных.
Подобные явления наблюдаются и при использовании калийных удобрений. Большинство их содержит значительные количества хлора, который зачастую накапливается в почве и отрицательно влияет на ее агрофизические свойства. Заметное увеличение содержания цинка и фтора в почвах связано с применением фосфорных удобрений, в состав которых входят данные элементы.
Дополнительное внесение минеральных удобрений нередко способствует загрязнению почв тяжелыми и токсическими металлами, которые через корм животных попадают в пищу человека. Таким образом, загрязняющие вещества оказывают и прямое влияние (разрушение и уменьшение урожая), и косвенное (аккумуляция этих веществ в почве, организмах животных и пищевых продуктах).
Отсюда есть необходимость сбалансированного (по всем необходимым макро- и микроэлементам), умеренного применения удобрений, проведения учета накопления и определения потенциальной опасности для населения и животных нитратов, нитритов и N-нитрозосоединений, содержащихся в водах, осадках, почве и растениях. Важен также расчет максимально возможных уровней загрязнения азотными соединениями при орошении. Данные о балансе и равновесии соединений азота с взаимодействующими веществами вод и почв должны служить основой рекомендаций о нормах, дозах и способах применения минеральных и органических удобрений, а также об использовании биологического азота для каждой сельскохозяйственной культуры севооборота.
Известкование и внесение в дерново-подзолистые почвы органических удобрений — важное условие уменьшения вредных для окружающей среды потерь питательных веществ. Снижение почвенной кислотности повышает эффективность удобрений в целом, а органические удобрения при этом существенно увеличивают водоудерживающую способность почвы и сорбционные свойства, что повышает ее плодородие, улучшает физико-химические свойства и обеспечивает более полное использование растениями питательных веществ, содержащихся в почве.
Мелиорация земель. Это система технических, агрономических и организационных мероприятий, направленных на преобразование неблагоприятных для сельскохозяйственного производства условий.
Нестабильность урожаев часто вызывается неустойчивым водообеспечением посевов в период вегетации. Практически ежегодно на территории страны в одних районах сельскохозяйственные культуры подвергаются губительному воздействию засухи, а в других страдают от избытка увлажнения. Примерно 40% пашни находится в зонах, где количество осадков не превышает 400 мм и растения хронически испытывают недостаток влаги, 9% — в зонах избыточного увлажнения. Остальные площади также страдают от недостаточного и неустойчивого увлажнения в течение вегетационного периода или в отдельные ответственные фазы развития растений. Мелиорация в наших условиях — неотъемлемое и мощное средство повышения устойчивости и продуктивности земледелия. Мелиорация:
— повышает устойчивость сельскохозяйственного производства, обеспечивая выравнивание урожаев, получаемых как в засушливые, так и дождливые годы;
— позволяет существенно повысить производительность труда и интенсифицировать сельскохозяйственное производство за счет рационального использования мощной сельскохозяйственной техники и удобрений на мелиоративных землях и выполнения всех агротехнических мероприятий в наиболее благоприятные сроки;
— создает возможность удовлетворить потребность народного хозяйства в такой ценной культуре, как рис, выращивать который в климатических условиях России можно главным образом на орошаемых землях.
Площадь орошаемых земель в бывшем СССР в 90-х гг. XX в. составляла 21—25 млн га и осушенных земель — 18—19 млн га. На орошаемых землях выращивали 3—3,5 т риса, производство кормов достигало 80—82 млн т кормовых единиц.
В России в 1993 году орошаемые земли занимали 5,3 млн га, из них пашня — 4,8 млн га. Посевная площадь сельскохозяйственных культур составляла 4,5 млн га, в том числе зерновых культур — 1,3 млн га, кормовых культур — 2,8 млн га.
Площадь осушенных земель равнялась 5,1 млн га, из них пашня — 2,7 млн га, посевная площадь сельскохозяйственных культур составляла 2,6 млн га, в том числе зерновых культур — 0,96 млн га, кормовых культур — 1,5 млн га. На орошаемых землях получен валовый сбор зерна 3276 тыс. т, сахарной свеклы (фабричной) — 954 тыс. т, семян подсолнечника — 55 тыс. т, овощей — 1996 тыс. т. На осушенных землях валовый сбор зерна составил 1395 тыс. т, картофеля — 443 тыс. т, сои — 53 тыс. т, льна-долгунца (волокно) — 9,5 тыс. т.
Применение средств защиты растений. Мировые потери урожая сельскохозяйственных культур от вредителей, болезней и сорняков, по подсчетам ученых, в 90-х гг. XX в. составляют от 25 до 48%. В США, например, они достигают 33% (13% продукции теряется от вредителей, 12% — от болезней и 8% от — сорняков).
Более столетия химические средства защиты растений (пестициды) играют важную роль в борьбе с вредителями, болезнями и сорняками сельскохозяйственных культур.
Мировое производство пестицидов в 1975 г. оценивалось в 1,6 млн т действующего вещества. В дальнейшем ежегодный прирост производства пестицидов составлял 10——15%. При таких темпах мировое производство пестицидов к 2000 г. должно достигуть 2,5—2,7 млн т действующего вещества.
В ассортименте химических средств защиты растений средства борьбы с сорняками (гербициды) занимают 40%, средства борьбы с вредителями (инсектициды) —35%, средства борьбы с болезнями (фунгициды) — 15%, прочие — 10% (рис. 18.21).
Из общего мирового производства пестицидов США и Канада используют 33%, Западная Европа — 25%, Юго-Восточная Азия — 22%, Восточная Европа (включая Россию)
— 10%, Латинская Америка — 9%, Австралия и Новая Зеландия — 1%. В 80—90-х гг. XX в. в бывшем СССР площади, обрабатываемые пестицидами и дефолиантами (в расчете на однократное применение), составляли около 140 млн га, в том числе гербицидами — около 70 млн га. В этот период для нужд сельского хозяйства поставлялось около 500 тыс. т д. в. пестицидов. Использование пестицидов в сельском хозяйстве стало соизмеримым с масштабами применения минеральных удобрений.
Рис. 18.21. Мировое производство средств защиты
растений-пестицидов в 80-х гг. XX в. (по Н. Ф. Реймерсу, 1990)
Об эффективности применения пестицидов свидетельствует такой пример: для получения урожайности пшеницы 50 ц/га затраты на пестициды составляют 30—35% общих. Использование пестицидов в Московской области обусловливает прибавку урожая пшеницы 6 ц/га.
При подавлении вредных организмов до экономического порога вредоносности применением пестицидов, по мнению В. А. Захаренко (1990), ежегодное производство продукции растениеводства в бывшем СССР могло бы возрасти на 25,7%. Другой пример. Если в США прекратить применение пестицидов, то для сохранения урожая на современном уровне потребуется дополнительно распахать 52 млн га и стоимость продукции растениеводства возрастет (за счет снижения производительности труда) на 50—70%.
Воздействие пестицидов на агроэкосистемы. Пестициды, применяемые в сельском хозяйстве, относятся к различным классам главным образом органических соединений (хлорорганические, фосфорорганические, симметричные триазины, гетероциклические соединения и др.), обладают токсичностью не только для вредных организмов, но и человека, животных, несут опасность для окружающей среды. Пестицид, каким бы он ни был, неизбежно вызывает глубокие изменения всей экосистемы, в которую его внедрили. Из совокупности экологических свойств, присущих всем пестицидам, действия их никогда не бывают однозначными.
1. Пестициды, как правило, имеют широкий спектр токсического действия как на виды растений, так и на виды животных. Отсюда названия инсектициды, фунгициды, гербициды и т. д. вводят в заблуждение, так как не дают представления о реальном диапазоне воздействия этих веществ.
2. Пестициды очень токсичны для животных и человека.
3. Человек использует пестициды для уничтожения ограниченного числа организмов, составляющих не более 0,5% общего числа видов, населяющих биосферу, в то время как пестициды при применении воздействуют на все живые организмы.
4. Пестициды всегда при проведении защитных мероприятий направлены против популяций.
5. Действие пестицидов не зависит от плотности популяции, но их используют только в том случае, когда численность популяции вредителя достигает большого значения.
6. Нередко применяют значительно больше пестицидов, чем необходимо для уничтожения вредителя: преднамеренные излишки обработки полей объясняют «надежностью» и т. д.
7. Площади, на которых используются пестициды, значительны, составляют сотни миллионов гектаров.
8. Многие пестициды обладают длительным сохранением в почве — от нескольких месяцев до 2—3 лет, а иногда и более.
Стабильность пестицидов опасна различными последствиями, которые еще более усугубляют проблемы, связанные с этим видом загрязнения.
Пестициды распространяются далеко за пределами тех агроэ-косистем, где они применяются. Даже в случае использования наименее летучих компонентов более 50% активных веществ в момент воздействия переходит прямо в атмосферу.
Большую опасность как источник загрязнения продуктов питания пестицидами представляет почва. В почву пестициды поступают различными путями: при непосредственном внесении их в почву для уничтожения почвообитающих вредителей, сорняков, с протравленными семенами, сносе препаратов при обработке посевов во время вегетации полевых культур (рис. 18.22), неосторожном выполнении различных операций с химическими препаратами (расфасовке, приготовлении рабочих растворов, транспортировке и т. д.), при поверхностном стоке с вышерасположенных участков, с осадками, оросительными, коллекторно-дренажными и сточными водами, с частицами почвы при ветровой эрозии.
Пестициды после целенаправленного внесения или случайного попадания в почву могут вызывать в окружающей среде следующие изменения:
— уничтожить вредителей и возбудителей болезней сельскохозяйственных культур, сорные растения или изменить процессы роста и развития растений в желательном для человека направлении, а затем минерализоваться в течение разного периода времени;
— вызвать нежелательные эффекты (фитотоксическое действие персистентных, например гербицидов, на последующие культуры, изменение химического состава культурных растений в отрицательную сторону и т. п.).
Рис. 18.22. Пестициды, их применение и концентрация остатков
Пестициды или продукты их распада и превращения по отношению к почвенным микроорганизмам, которые в значительной степени определяют плодородие почвы, действуют по-разному:
— угнетают их рост (некоторые фунгициды и средства для дезинфекции почвы);
—действуют нейтрально-подавляюще — большинство инсектицидов;
— изменяют их видовой состав в течение определенного периода.
Пестициды прямо или косвенно влияют на доступность питательных элементов, которые, в свою очередь, воздействуют на персистентность химических средств защиты растений непосредственно химическим способом или изменением микробиологических процессов.
После применения пестицидов в сельском хозяйстве значительная часть их вымывается из почвы и попадает в водоемы. Они могут ухудшать вкус, запах и цвет пресной воды. Многие пестициды устойчивы в водной среде и могут накапливаться в отдельных органах животных. Установлено, что до 25% применяемых пестицидов попадает в водные экосистемы. Водный дренаж с полей, обработанных пестицидами, загрязняет не только небольшие водоемы, реки, но и эстуарии (широкое устье реки, впадающее в море или океан). В Средней Азии при орошении сельскохозяйственных культур коллекгорно-дренажными водами выносится 1,1—2,5% хлорор-ганических и 0,2—0,5% фосфорорганических препаратов от общего количества внесенных на поля. В сбросных водах содержится 11,5% хлорорганических соединений, которые используются при первой и второй обработках полей, и около 0,3% фосфорорганических пестицидов. Суммарный вынос пестицидов, включая и дефолианты, составляют 2,5—4,2% применяемых.
Заслуживает пристального внимания изучение путей миграции пестицидов, применяемых в рисоводстве. Они легко попадают в коллекторно-дренажные воды и разносятся ими на большие расстояния. Например, пропанид обнаруживается в лиманах Азовского и Черного морей. При анализе свыше десяти видов рыб (линь, лещ, окунь, судак, тарань и др.) в органах и тканях был найден препарат и его метаболиты. Пропанид накапливается и в высших водных растениях. Водные организмы способны концентрировать пестициды, в большей или меньшей степени становясь источниками распространения их по трофическим цепям. Наибольшим коэффициентом кумуляции характеризуются водные беспозвоночные, особенно личинки некоторых насекомых и ракообразных (рис. 18.23).
Рис. 18.23. Накопление инсектицидов в пищевых цепях (по Eichler, 1969)
Таким образом, применение пестицидов влечет за собой отрицательные последствия для отдельных видов и биоценозов в целом. С экологической точки зрения, различают несколько форм воздействия пестицидов. Первая категория форм воздействия называется демэкологической и выражается совокупностью нарушающих воздействий на уровне популяций отдельных видов, чувствительных к какому-либо фитосанитарному веществу. Последствия подобных воздействий проявляются быстро и обусловлены повышенной токсичностью таких веществ для видов растений и животных. Это вымирание определенной части особей, входящих в состав зараженной популяции, прямо пропорциональное дозе примененного вещества. Пестицид является экологическим фактором, который не зависит от плотности популяции, т. е. какой бы ни была численность популяции, занимающей определенную территорию, данная концентрация пестицидов вызовет одинаковый процент смертности в популяции. Другие демэкологические эффекты характеризуются замедленным действием. Например, есть пестициды, как уже было отмечено выше, обладающие свойством накапливаться в пищевой цепи до тех пор, пока животное — пищевой объект хищника — не достигнет критического порога, с которого начинается хроническая интоксикация (рис. 18.24.2),
Помимо высокого уровня смертности вследствие хронической интоксикации, имеется и другая форма влияния пестицидов на биологические виды, не столь явная, но не менее вредная, которая выражается в уменьшении биотического потенциала вида (рис. 18.24.3).
Рис. 18.24. Основные последствия экологического
воздействия пестицидов (по Moore, 1967)
Хроническая интоксикация может изменить коэффициент рождаемости путем снижения обычной плодовитости, или снижения выживаемости яиц и молодняка, или в связи с действием указанных факторов одновременно. Эти отрицательные влияния сказываются на биотическом потенциале и в худшем случае могут привести к полной бесплодности популяции, подвергшейся интоксикации. Наряду с демэкологическими воздействиями пестицидов различают и биоценотические воздействия. Так, если какое-то животное абсолютно нечувствительно к данному пестициду, все же численность его популяции может значительно уменьшиться из-за уничтожения тех растений или животных, которые служат ему добычей или пищей (рис. 18.24.4). С другой стороны, разрушение гербицидами растения-хозяина исключает из экосистемы тех насекомых и других беспозвоночных, для которых это растение служило пристанищем и на котором они паразитировали.
Другие экологические последствия применения пестицидов характеризуются возрастанием численности популяций, плотность которых до применения пестицидов была относительно небольшой. Рост численности популяции может быть обусловлен исчезновением конкурирующего вида, имеющего аналогичные требования к корму и условиям гнездования или по-давлением хищников и паразитов.
Применение пестицидов вызывает необратимые потрясения структуры биоценоза, часто называемого нарушением биологического равновесия (рис. 18.24.6, 7). Иногда оно, как это ни парадоксально, проявляется в увеличении численности этой популяции, которую собирались уничтожить.
В связи с этим применение пестицидов в сельском хозяйстве должно быть строго регламентировано и использоваться только в том случае, когда другие методы защиты (агротехнические, селекционные, биологические и др.) не позволяют избежать потерь урожая возделываемых культур от вредителей, болезней и сорняков.
