Глава 11 ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ АГРОХИМИИ

Анализ позитивного и негативного действия агрохимических средств в агроэкосистеме, взаимовлияния и взаимодействия факторов в агроэкосистеме, и прежде всего почвы, климата, удобрения и растения, позволяют сформулировать основные экологические функции агрохимии.

1. Обеспечение оптимального круговорота биогенных элементов в агроценозе с активным их балансом.

Еще М.Г. Павлов (1825) писал, что целью применения удобрений является умножение питательных веществ в почве или, по крайней мере, возвращение того их количества, которое было взято из почвы растениями для создания урожая.

Спустя 15 лет немецкий ученый Ю. Либих четко высказал идею

о              сознательном регулировании обмена веществ между человеком и природой в своем учении о необходимости возврата питательных веществ, вынесенных растением с урожаем, в почву, что, по мнению К.А. Тимирязева, явилось важнейшим достижением науки.

Поддерживать активный баланс питательных элементов в агроценозе как критерий оценки состояния круговорота веществ в земледелии можно только при научно обоснованном применении удобрений. Поэтому Д.Н. Прянишников считал, что главной задачей агрохимии является изучение круговорота веществ в земледелии и выявление тех мер воздействия на химические процессы, протекающие в почве и растениях, которые могут повышать урожай и качество продукции.

Это определение находится в полном соответствии с общей стратегической задачей земледелия - сохранением и приумножением плодородия почвенного покрова, его экологической чистоты как главного богатства любого государства, материальной основы существования человечества на нашей планете.

Поддержание положительного баланса и активного биологического круговорота элементов в земледелии - основа продуктивности агроэкосистем.

Нарушение баланса биогенных элементов в системе почва- растение ведет к ухудшению химического состава почв, природных вод и растений, а это отрицательно влияет на питательную ценность продукции и может привести к различным функциональным заболеваниям человека и животных.

В.В. Ковальский ввел понятие «пороговые концентрации элементов в среде», выше и ниже которых наблюдается определенная биологическая реакция (в том числе и заболевания). Поэтому, регулируя биологический круговорот веществ, создавая их оптимальный баланс и содержание в почвах и растениях, агрохимия выполняет важную экологическую функцию.

2. Воспроизводство плодородия, улучшение свойств и гумус- ного состояния почв. Эти задачи современного земледелия успешно решаются при комплексном использовании агрохимических средств, в частности системы органических и минеральных удобрений в сочетании с химической мелиорацией почв. Именно научно обоснованная система использования агрохимических средств позволяет оптимизировать параметры показателей плодородия и основных химических и физико-химических свойств почвы.

Хорошо известна роль гумуса в решении различных аспектов почвенной экологии практически во всех земледельческих районах. А между тем уровень этого важного показателя плодородия почв систематически снижается во всех почвенно-климатических зонах. По данным Почвенного института им. В.В. Докучаева, потери гумуса на черноземах за 100 лет составили около 25-30% его запасов. В среднем с 1 га пашни ежегодно теряется около 400-600 кг гумуса, а там, где сильно развиты процессы эрозии, потери гумуса достигают

1. т/га. Предотвратить эти негативные экологические процессы в агроценозе можно при комплексном использовании агрохимических средств. Высокий эффект от их применения отмечается особенно на слабоокультуренных дерново-подзолистых почвах (табл. 11.1).

   11.1. Влияние длительного применения системы агрохимических средств на улучшение свойств и плодородия дерново-подзолистых почв*

* Применение удобрений в течение 41 года.

Применение агрохимических средств в течение 41 года позволило преобразовать кислую слабоокультуренную дерново- подзолистую почву в высокоплодородную, обеспечивающую по своим свойствам реализацию потенциальной продуктивности выращиваемых культурных растений.

3. Оптимизация питания культурных растений биогенными макро- и микроэлементами. Обеспечение сельскохозяйственных культур в процессе вегетации питательными элементами в оптимальных дозах и соотношении усиливает деятельность физиологических барьеров, препятствующих поступлению токсических элементов и веществ в растения, особенно в генеративную их часть, которая является часто продуктом питания человека.

Многочисленными исследованиями, выполненными в разных странах, установлен характер распределения тяжелых металлов (ТМ) в биомассе растений: корни gt; надземная часть gt; зерно. Это свидетельствует о наличии, по крайней мере, трех защитных механизмов (барьеров): на границе почва-корень, корень-стебель, стебель-зерно. Зная механизм поступления биогенных и токсических элементов в корни, транслокацию их в надземную часть, в том числе и в генеративные органы, можно существенно снизить накопление токсикантов в растениях, а следовательно, и в продукции растениеводства. Эта экологическая функция агрохимии требует более глубокого и обстоятельного исследования.

Оптимизация питания усиливает экологические функции растений, непосредственно улучшая рост и развитие культуры, обеспечивая реализацию ее потенциальной продуктивности, формирование более качественной продукции, а также опосредованно, путем придания стойкости культурным растениям против экстремальных условий роста и развития (засухи, пониженных температур, поражения болезнями и т.д.).

4. Снижение негативных последствий от глобального и локального техногенного загрязнения агроэкосистем тяжелыми металлами и другими токсическими элементами. Эта экологическая функция агрохимии во времени будет приобретать все большую актуальность, так как нарастает глобальное и локальное загрязнение окружающей среды различными токсическими веществами, которые представляет серьезную угрозу. Их динамическая аккумуляция в почвенном покрове, а затем и в культурных растениях может привести к накоплению ТМ в продуктах питания выше допустимой предельной концентрации, что небезопасно для здоровья человека.

Всестороннее исследование данной проблемы позволяет заключить, что агрохимия имеет большие потенциальные возможности по инактивации подвижных форм тяжелых металлов в почве и существенному снижению поступления их в растения.

В исследованиях, выполненных в длительном стационарном опыте на учебно-опытном поле почвенно-экологического центра МГУ, система органических и минеральных удобрений в сочетании с периодическим известкованием снижала содержание подвижного кадмия в пахотном слое почвы в 2 раза, свинца - в 4 раза (табл. 11.2).

11.2. Влияние применения системы агрохимических средств на содержание подвижных форм тяжелых металлов в пахотном слое дерново-подзолистых

почв

Такая система применения агрохимических средств значительно снижала поступление тяжелых металлов в выращиваемые культурные растения (табл. 11.3).

11.3. Влияние применения системы агрохимических средств на поступление тяжелых металлов в растения, мг/кг сухого вещества

5. Улучшение радиоэкологической ситуации в агроэкосистеме.

Радионуклиды, попадая в трофические цепи, оказывают серьезное негативное воздействие на биосферу, и в частности на организм человека.

В почве радионуклиды подвергаются различным процессам: аккумуляции, мобилизации и иммобилизации, миграции по профилю почвы, антагонизму и синергизму с биогенными элементами при транслокации в растения.

В этом отношении такие агрохимические приемы, как внесение органических удобрений, известкование кислых почв, применения повышенных доз фосфорных и калийных удобрений, являются существенными факторами иммобилизации радиоактивных элементов в почве и снижения их поступления в растения.

По данным Всероссийского научно-исследовательского института сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии (ВНИИСХ- РАЭ), оптимальное питание растений калием в сочетании с другими питательными элементами снижало загрязнение продукции радионуклидами в 2-3 раза (рис. 11.1), известкование кислых черноземных почв по 0,5-1 г.к. приводило к уменьшению концентрации 137С8 и 908г в растениях в 2-3 раза.

1              2              3              4              5              6

Рис. 11.1. Влияние уровня калийного питания на содержание цезия-137 в зерне ячменя (% к контролю):

1 - контроль - N90P6o; 2 - Ы9оРбоКбо; 3 - N9oP6oK90; 4 - N90P60 К,2о;

5 - N9oP(,o К|50; 6 - N90P60K,80

Такой же эффект по цезию установлен от применения фосфорных и калийных удобрений в дозах 60-90 кг/га. Применение же системы органических и минеральных удобрений в сочетании с известкованием на кислых серых лесных и дерново-подзолистых почвах легкого гранулометрического состава и на торфяных почвах снижало поступление 137С8 в урожай более чем в 3 раза.

Все это свидетельствует о важной функциональной роли агрохимии в решении проблем радиоэкологии.

6. Создание оптимальных культурных агроландшафтов для различных природных регионов в соответствии с их специализацией. А.Н.Перельман отмечал, что, применяя удобрения, минеральную подкормку домашних животных, осушая болота, мобилизуя внутренние ресурсы ландшафта, человек обеспечивает растения и домашних животных необходимыми элементами, т.е. создает культурный ландшафт с оптимальным геохимическим режимом. Такой ландшафт является наилучшим в гигиеническом отношении и отвечает оптимальным условиям жизни человечества.

Геохимический ландшафт по Б.Б. Полынову - это взаимосвязь химического состава отдельных звеньев ландшафта: почвы, растительности, поверхностных и грунтовых вод и т.д., их миграционной способности, а также факторов, оказывающих существенное влияние на миграцию химических элементов. В.И. Вернадский считал, что источником подвижности химических элементов в биосфере являются живое вещество и природные воды, т.е. синтез и минерализация органических соединений - процессы, составляющие круговорот химических, особенно биогенных элементов в системе почва-растение.

Вновь созданный аграрный тип ландшафта является качественно отличным от естественных природных комплексов. Систематическое применение агрохимических средств по существу изменяет химический состав почвы, растений, грунтовых вод и т.д., а следовательно, и круговорот веществ в данном ландшафте. Это влияние может быть позитивным и негативным. Зная оптимальные параметры химического состава звеньев агроландшафта, научно обоснованным применением агрохимических средств можно существенно его улучшить. Если в развитие понятия о ландшафте Б.Б. По- лынова учитывать это комплексное агрохимическое воздействие на звенья агроландшафта, то оно, по существу, приобретает новое агрогеохимическое содержание. В этом суть одной из важных экологических функций агрохимии.

7. Удобрения и химические мелиоранты - важное звено в системе противоэрозионных мероприятий.

На эрозионно-опасном почвенном покрове применение удобрений существенно снижает негативные последствия от водной эрозии. Это подтверждают исследования, выполненные в различных почвенно-климатических условиях. Так, на типичном черноземе Центрально-Черноземной зоны на фоне систематического внесения удобрений размеры смыва веществ сокращались на 14-15%, что связано с большим накоплением биомассы на удобренных посевах и лучшим закреплением почвы корневой системой растений (Чуян, 1994) (табл.

11.4).

11.4. Влияние систематического применения минеральных удобрений на потери питательных веществ при эрозии почвы (среднее за 6 лет)

Научно обоснованная система применения удобрений является мощным агротехническим средством повышения противоэрозионной устойчивости почв. Это объясняется тем, что культурные растения, выросшие на удобренной почве, развивают более мощную корневую систему, улучшают физические свойства почвы, что в совокупности способствует лучшей защите ее от эрозии и снижает потери питательных веществ (табл. 11.5, Фокин, 1986).

11.5. Изменение эрозионных потерь почвенной массы и питательных веществ под влиянием минеральных удобрений, кг/га в год (озимая пшеница на дерново-подзолистой почве)

8. Повышение биологической активности и улучшение структуры микробоценоза почвы. Агрохимические средства оказывают существенное влияние на биологическую активность и улучшение структуры микробоценоза почвы. Воздействие удобрений на различные стороны биологических свойств агроэкосистемы может быть непосредственным и опосредованным, через изменение условий жизни растений и биоты почвы.

Непосредственно удобрения оказывают существенное влияние на регулирование процессов симбиотической и ассоциативной азотфиксации, регулирование фосфорного питания растений за счет использования везикулярно-арбускулярной микоризы (ВАМ) грибов и др., а также общей биологической и ферментативной активности почвы (рис. 11.2).

О              N              МРК

мг/кг почвы

40

0              N              МРК

Рис. 11.2. Целлюлозолитическая активность почвы (Л) и суммарное количество свободных аминокислот (В):

1 - кислая дерново-подзолистая почва, 2 - кислая почва + навоз,

3 - известкованная почва, 4 - известкованная почва + навоз

Хорошо известно положительное действие фосфорно-калийных и микроудобрений на симбиотическую азотфиксацию (табл. 11.6).

Что же касается симбиотрофного питания растений фосфором при использовании ВАМ-грибов, то исследования показали, что микориза не только способствует лучшему усвоению фосфора, но и повышает уровень использования этого элемента из применяемых удобрений. Дополнительное поглощение анионов фосфорной кислоты микотрофными растениями приводит и к увеличению поглощения азота. Растения клевера под влиянием микоризации лучше перезимовывали. Микоризованная пшеница практически не заболевала корневой гнилью, а у растений пшеницы, зараженных патогенами, ВАМ-грибы снижали интенсивность болезни с 90 до 12-14%.

11.6. Влияние минеральных удобрений на азотфиксирующую способность многолетних бобовых трав 2-го года пользования (в среднем за 1980-1982)

(Азаров, 1995)

Если многоплановое воздействие ВАМ-грибов на выращиваемые сельскохозяйственные культуры пока еще изучено недостаточно, то симбиотическая азотфиксация - дар природы, который до сих пор в практике нашего земледелия недооценивается. Невелик удельный вес, который бобовые культуры занимают в полевых и кормовых севооборотах, незначительны и площади пашни, занятой бобовыми, высеваемыми в качестве зеленого удобрения (сидератов). Еще Д.Н. Прянишников, хорошо представляя масштабы отечественного земледелия, обращал внимание на решение проблемы азота

путем оптимального сочетания технической, органической и биологической его форм.

9. Повышение устойчивости культурных растений к грибным и другим болезням. Оптимизация плодородия почвы и условий питания растений оказывает существенное влияние на повышение устойчивости растений к грибным патогенам, изменение инфекционного потенциала почвы (гельминтоспориоз зерновых, склеротиния подсолнечника и др.) (Е.П. Дурынина). Фитозащитный эффект зависит от видов и форм удобрений (рис. 11.3).

Число конидий патогена, шт/г почвы

600 500 400 300 200 100 0

Варианты: 1              2              3              4 5              6              7

Число конидий, шт/г почвы 160

Варианты 1 2 3 4 5 6 7

Варианты опыта: 1 - контроль; 2 - КС1; 3 - KN03; 4 - К2С03; 5 - K2S04;

6 - калийная соль; 7 - КН2Р04

Рис. 11.3. Влияние форм калийных удобрений на сохранение Helminthosporium sativum в нестерилизованной дерново-подзолистой почве в течение 30 мес. при дефиците влаги в модельном опыте (А) и уровень инфицированности почвы Н. sativum в оптимальных гидротермических условиях в модельном опыте (срок взаимодействия - 6 месяцев) (В)

Кроме того, существуют культуры с активным ингибирующим воздействием корневых эксудатов на репродуктивную способность фитопатогенов. Отмечена положительная роль минеральных удобрений в снижении развития фитопатогенов, в частности сапротрофных грибов в плодосмене.

Таким образом, и в биологическом аспекте четко проявляется экологическая функция агрохимии.

10. Улучшение химического состава и питательной ценности растениеводческой продукции. Исследования и реализация научно обоснованных технологий возделывания основных сельскохозяйственных культур на основе диагностики минерального питания и оптимизации применения удобрений в нашей стране и за рубежом показали большие потенциальные возможности агрохимии не только в реализации генотипа конкретной культуры по продуктивности, но и в улучшении основных показателей качества продукции. И в этом трудно переоценить фундаментальное и прикладное экологическое значение агрохимии как науки, занимающей активные позиции в обеспечении постоянно растущего населения планеты высококачественными продуктами питания.

Удобрения выполняют многосторонние функции в земледелии, а многочисленные научные публикации, особенно за последние годы, подтверждают, что агрохимия является не только приоритетной прикладной, но и важной фундаментальной биолого-экологической наукой.