ПРИЧИНЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ УДОБРЕНИЯМИ И ВОЗМОЖНЫЕ НЕГАТИВНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ

Основные причины загрязнения природной среды удобрениями, пути их потерь и непроизводительного использования следующие:

• несовершенство технологии транспортировки, хранения, тукосмешения и внесения удобрений;
• нарушение агрономической технологии их применения в севообороте и под отдельные культуры;
• водная и ветровая (дефляция) эрозия почвы;
• несовершенство качества свойств минеральных удобрений;
• интенсивное использование различных промышленных, городских и бытовых отходов на удобрения без систематического и тщательного контроля их химического состава.

В несовершенстве технологии транспортировки и внесения удобрений необходимо выделить ряд моментов.

Увеличение объема складских емкостей для хранения минеральных удобрений, а также совершенствование механизированной технологии работы на складах, т.е. погрузочно-разгрузочных работ и тукосмешения с заданным соотношением питательных элементов в тукосмеси, существенно снижают потери минеральных удобрений, повышают их эффективность, сохраняют природную среду от загрязнения.

Существенным источником непроизводительного расходования минеральных удобрений, снижения их положительного действия являются неравномерное распределение по поверхности поля и их сегрегация (расслоение) при транспортировке и внесении. Например, потери урожая ячменя при внесении нитрофоски в дозах 60-80 кг/га ЫРК с неравномерностью 60-80% достигают 5 ц/га, картофеля - 15, сахарной свеклы - 20 ц/га. Недобор урожая от неравномерности внесения удобрений возрастает при использовании высококонцентрированных удобрений, повышении доз, высокой отзывчивости культуры на удобрения.

В Чехии в опытах с озимой пшеницей при неравномерности внесения минеральных удобрений под эту культуру в 40-70% урожай зерна в зависимости от зоны возделывания снижается от 3-5 (5-8%) до 10-11 ц/га (15-16%).

В Германии выделены группы культур по степени чувствительности к неравномерному внесению удобрений. К первой группе отнесены картофель и озимый ячмень - снижение урожая достигает 8-10 зерн. ед. с 1 га, ко второй - озимая пшеница и рожь, кукуруза на силос. Потери урожайности этих культур составили 4,5 ц/га зерн. ед. Сеяные злаковые травы и свекла снижали урожай лишь на 2^,5 ц/га зерн. ед. Негативное действие неравномерности рассева в большей степени проявлялось на подзолистых почвах па сравнению с черноземами.

В России проводится большая работа по совершенствованию техники внесения удобрений, повышению качества работ, снижению непроизводительных потерь удобрений, химических мелиорантов и других агрохимических средств, совершенствуются технологии работы с удобрениями. К таким технологиям следует отнести, прежде всего, технологию централизованного приготовления и внесения тукосмесей, контейнерную технологию, перегрузочную технологию транспортировки и внесения удобрений с использованием высокопроизводительных автомобильных перегрузчиков грузовместимостью 8 т, технологию дробного внесения удобрений (для интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур) и технологию внутрипочвенного внесения удобрений. Для осуществления этих прогрессивных технологий промышленность уже частично поставляет сельскохозяйственному производству необходимые средства механизации.

Для применения твердых минеральных удобрений используют тукосмесительные установки УТС-30, растариватели-измельчители слежавшихся удобрений АИР-20, машины по внесению удобрений для интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур РУМ-5-03 и СТТ-10 (обеспечивают дробное внесение удобрений с высоким качеством их распределения).

Для применения жидких минеральных удобрений (ЖКУ, аммиачной воды и жидкого аммиака) намечается серийный выпуск машин ПЖУ-2,5 и ПЖУ-5 (для поверхностного и внутрипочвенного внесения ЖКУ и аммиачной воды). Для внесения жидкого аммиака необходимый комплекс машин выпускается уже сегодня: транспортировщики типа МЖА, машины для внесения аммиака типа АБА и АША и машины для его внесения на лугах и пастбищах типа УЛП.

Для внесения пылевидных известковых удобрений вместо поставляемых сегодня сельскохозяйственному производству машин РУП-8 и АРУП-8, оснащенных устройствами для бокового рассева удобрений, будут поступать автомобильные транспортировщики большей грузовместимостью МТП-10 и МТП-13 (на 8 и 13 т) и тракторные машины для внесения РУП-10 и РУП-14, оснащенные штанговыми рассеивающими устройствами, существенно снижающие пыление и, следовательно, потери удобрений и загрязнение окружающей среды.

Для внесения жидких и твердых органических удобрений будет продолжена поставка машин типа РОУ, ПРТ и РЖТ грузовместимостью 5,16 т. Сейчас налаживается производство высокопроизводительного (200 т/ч) погрузчика ПНД-250. Поставка его решит проблему эффективной загрузки твердых органических удобрений в машины для их внесения.

Нарушение научно обоснованной агрономической технологии применения удобрений также является существенным источником их потерь и загрязнения окружающей среды. При рассмотрении влияния агрохимических средств на природную среду первостепенное значение имеет азот. Азотные удобрения решают проблему белка в сельском хозяйстве, а следовательно, и уровень продуктивности земледелия и животноводства. При нарушении же технологии их применения они могут оказать существенное негативное воздействие на биосферу - почву, воду, атмосферу, растения, а через них - на животных и человека.

Факторами, определяющими потери азота, являются дозы, формы, сроки и способы внесения азотных удобрений, правильное соотношение азота с другими питательными элементами; гранулометрический состав и другие свойства почвы, степень ее эродирован- ности; погодно-климатические условия; особенности технологии применения удобрений в условиях орошения и на осушенных землях; вид культуры и специализация севооборота. Доля азота удобрений в общих потерях азота от вымывания составляет 10-15%, остальная часть - азот почвы. Поэтому необходим комплексный подход к разработке приемов и мер борьбы с потерями азота.

В Нечерноземной зоне в среднем вымывается 10-15 кг/га нитратного азота, на супесчаных почвах - 20-25, а на суглинистых - до 10 кг/га. В годы с нормальным увлажнением эти показатели снижаются примерно вдвое. В целом же способность почвы удерживать питательные элементы определяется ее разновидностью (песок lt; суглинок lt; глина), но всегда она ограниченна. Поэтому избыток элементов питания, внесенных в почву с удобрениями, является потенциальным источником их вымывания. На дерново-под- золистых легких почвах Украины при внесении за 6 лет 345 кг азота потери его на рыхло-песчаной почве составили 161, а на связнопесчаной - 83 кг/га. Аналогичные примеры имеются во многих странах мира.

Важнейшим агрономическим мероприятием, предотвращающим потери удобрений и биогенных элементов почвы в природную среду, является освоение научно обоснованных севооборотов.

Зависимость между вымыванием питательных элементов и видом сельскохозяйственных культур можно представить следующим порядком: овощные gt; корнеплоды gt; зерновые gt; кормовые травы.

Значительный ущерб окружающей среде наносит бессистемное использование бесподстилочного навоза, навозных стоков и других отходов животноводства в нарушение научно обоснованных рекомендаций. Наиболее существенными нарушениями технологии использования органических удобрений являются:

1. недостаточное использование подстилочных материалов и несовершенство систем навозоудаления, что в 1,5-2 раза уменьшает выход высококачественных органических удобрений, приводит к ежегодным потерям миллионов тонн жидких органических фракций;
2. неравномерное внесение навоза и компостов из-за недостаточного количества навозоразбрасывателей и применения бульдозеров и других примитивных средств, значительно снижающих эффективность органических удобрений;
3. нарушение соотношения численности животных и удобряемой площади, что ведет к избыточному удобрению полей, загрязнению окружающей среды;
4. недостаток при животноводческих комплексах ирригационно-подготовленных площадей для использования животноводческих стоков (при гидросмыве) и жидкой фракции бесподстилочного навоза на орошение, а также слабое развитие трубопроводного транспорта и полевых навозохранилищ, что значительно повышает эксплуатационные затраты по сравнению с использованием мобильных средств, возрастают и потери навоза;
5. недооценка использования бесподстилочного навоза в сочетании с измельченной и рассеянной по полю во время уборки зерновых соломой и сидерацией полей.

Обобщение отечественного и зарубежного опыта использования органических удобрений позволяет заключить, что для предотвращения потерь биогенных элементов, особенно азота, необходимо руководствоваться следующими общими положениями:

1. на 1 га севооборотной площади должно вноситься ежегодно не более 200 кг азота;
2. в хозяйствах, имеющих животноводческие комплексы, в севооборотах необходимо вводить промежуточные культуры на корм скоту или в качестве зеленого удобрения (уплотненный посев сельскохозяйственных культур в севообороте практически предотвращает потери нитратов за счет вымывания, вследствие интенсивного их использования растениями);
3. осенью бесподстилочный навоз можно комбинировать с запахиваемой соломой или зеленым удобрением (в этом случае азот биологически иммобилизуется осенью и в весенне-летний период, что значительно сокращает потери).

Фосфор как биогенный элемент меньше теряется в окружающую среду вследствие малой его подвижности в почве и не представляет такой экологической опасности, как азот.

составляют не более 1 кг/га. Высокая фиксирующая способность глинистых и суглинистых почв препятствует его миграции по профилю почвы, тем более до грунтовых вод.

Потери калия более значительны, чем фосфора. В Нечерноземной зоне России вымывание калия составляет 5-10 кг/га пашни и более в зависимости от вида культуры, гранулометрического состава почвы, количества атмосферных осадков и т.д.

Интенсивное применение минеральных удобрений усиливает миграцию и потери кальция, магния, серы и других биогенных элементов. В табл. 10.1 представлены обобщенные данные по количеству вымывания питательных элементов в Нечерноземной зоне России в зависимости от гранулометрического состава почвы.

10.1. Средние количества элементов удобрений и почвы, вымываемых в Нечерноземной зоне России атмосферными осадками при внесении в почву 1ЧбоРбоКбо, кг/га пашни (по Бобрицкой)

Использование же современных методов оптимизации применения удобрений в севообороте с учетом правильного соотношения питательных элементов в зависимости от плодородия и свойств почвы в комплексе с другими приемами земледелия (специализированные севообороты, уплотненные посевы промежуточных культур, дифференцированные почвозащитные системы обработки почвы, химическая мелиорация почв, орошение и осушение и др.) - важнейшее условие повышения коэффициента использования питательных элементов удобрений, непроизводительных их потерь в окружающую среду.

Большой ущерб в условиях интенсивного земледелия на-носит эрозия почвы. Она приобретает глобальный характер и требует коллективных усилий всех стран, как и при решении других проблем охраны окружающей среды. Только овраги ежедневно «съедают» 100-200 га земли, а площадь, выводимая из сельскохозяйственного использования, в 3-4 раза превышает площадь оврага. В результате эрозии почвы теряется 20% продукции растениеводства. Степень развития эрозии почвы и размер ущерба от нее зависят от многих факторов: рельефа местности, вида культуры, гранулометрического состава почвы, интенсивности орошения или выпадающих атмосферных осадков, уровня удобренности полей, системы обработки почвы и др. Потери массы почвы и органического вещества за счет водной эрозии в зависимости от степени эродированности почв могут достигать больших величин (табл. 10.2).

10.2. Потери почвенной массы и органического вещества в результате развития водной эрозии

За счет водной эрозии пахотных почв потери органического вещества могут значительно превышать то количество, которое минерализуется при распашке и которое не может быть восстановлено запашкой растительных остатков и органических удобрений. Потери отдельных питательных элементов от эрозии почвы бывают разными в зависимости от характера использования сельскохозяйственных угодий, крутизны склона, интенсивности орошения и т.д. По обобщенным данным научных учреждений, недобор урожая на слабосмытых почвах составляет 10-12%, на среднесмытых - 30-50, а на сильносмытых - 60-80%.

Среди комплекса важнейших противоэрозионных мероприятий мощным агротехническим средством повышения противоэрозионной устойчивости почв является применение органических и минеральных удобрений. Растения на удобренной почве развивают более мощную корневую систему, улучшают физические свойства почв, что способствует защите почв от эрозии (табл. 10.3). Правильный выбор форм, доз, сроков и способов внесения и заделки удобрений является важным средством предотвращения потерь питательных веществ при смыве и выщелачивании из почвы.

Анализ причин появления эрозии почвы показывает, что это не неизбежное явление, а вызывается оно в значительной мере нарушением научных принципов и законов земледелия, научно обоснованного комплекса приемов агрономической технологии.

Анализ отечественных и зарубежных исследований и практической деятельности передовых хозяйств позволяет рекомендовать следующий комплекс основных агрономических мероприятий по предотвращению эрозии почвы и потерь питательных веществ.

10.3. Изменение эрозионных потерь почвенной массы и питательных веществ под влиянием минеральных удобрений, кг/га (озимая пшеница на дерново-подзолистой почве) (Фокин, 1986)

1. Разработка и освоение научно обоснованных специализированных с учетом степени эрозионной опасности почвозащитных севооборотов.
2. Система противозрозионной обработки почвы: безотвальная, плоскорезная, минимальная, полосная, контурная, гребнистая, ячеистая, чизелевание, щелевание почвы и т.д.
3. Внедрение контурного, террасного, полосного земледелия и комплекса противоэрозионных мелиоративных мероприятий.
4. Использование пожнивных посевов, а также уплотненный посев почвозащитной культуры в междурядье основной (пропашной). Этот прием особенно эффективен на легких почвах.
5. Залужение посевами многолетних трав участков, сильно подверженных эрозии.
6. Правильный выбор форм, доз, сроков и способов внесения минеральных и органических удобрений - важное средство предотвращения потерь питательных веществ при смыве и выщелачивании почвы.
7. Применение полимеров-структурообразователей.

Значительное количество биогенных элементов теряется в окружающую среду вследствие несовершенства свойств и химического состава удобрений и различных удобрительных средств. Например, потери азота мочевины, аммиачных форм удобрений в виде газообразного аммиака (ЫН3) происходят под влиянием химических и микробиологических процессов, особенно при поверхностном их внесении. Эти потери возрастают на легких по гранулометрическому составу и высококарбонатных почвах. Заделка мочевины в почву значительно снижает потери азота. При благоприятных условиях на богатых гумусом почвах процесс превращения мочевины в углекислый аммоний происходит в течение 2-3 дней. На нейтральных и щелочных почвах без осадков потери азота в виде аммиака возрастают. Внесение же мочевины с заделкой ее в почву (под вспашку, предпосевную культивацию, в рядки при севе и т.д.) весьма эффективно.

Второй биологический путь потери азота из удобрений - процесс денитрификации в почве. Г азообразные потери азота вследствие этого процесса достигают 15-25% и более от внесенной дозы этого элемента. Выделенные из почвы газообразные продукты азота представлены большей частью N2 и N20.

Наиболее существенный химический путь потерь азота из удобрений - выделение свободного аммиака (NH3) вследствие взаимодействия аммиачных форм удобрений со щелочными, высококарбонатными почвами. Часто биологические и химические процессы в почве взаимосвязаны. Например, потери NH3 из сернокислого аммония можно представить реакцией

(NH4)2S04+ СаСОз = CaS04+ (NH4)2C03.

Карбонат аммония - соединение нестойкое и распадается, как и при разложении мочевины, с выделением NH3, который улетучивается.

Все формы азота в естественных условиях в течение определенного времени переходят в наиболее подвижную форму, которая в значительном количестве может теряться с инфильтрационными водами. В настоящее время для торможения процесса нитрификации широко испытываются в производстве различные ингибиторы, позволяющие повысить коэффициент использования азота удобрений и существенно снизить потери его в окружающую среду. Среди ингибиторов нитрификации наиболее распространены американские препараты: нитрапирин (N-Serve), Extend, а также японский AM, которые задерживают нитрификацию как аммонийных ионов почвы, так и внесенных удобрений. Ингибиторы повышают коэффициент использования азота из удобрений на 10-15%, а в ряде случаев и более. Потери же азота из удобрений снижаются в 1,5-2 раза.

Существенным недостатком многих минеральных удобрений, особенно азотных, является их физиологическая кислотность, а также наличие остаточной кислоты вследствие технологии их производства. Интенсивное применение таких удобрений в севообороте приводит к заметному подкислению почв, созданию неблагоприятных условий для роста растений. В этом случае возрастает потребность в известковании почв и нейтрализации кислотности самих удобрений. Требуют улучшения и физические свойства минеральных удобрений, а также необходима разработка новых форм химических соединений в качестве удобрений. Эти исследования должны быть направлены на оптимизацию питания растений макро- и микроэлементами, сочетания питательных элементов со стимуляторами роста, ретардантами, ингибиторами нитрификации и т.д. В настоящее время распространен прием капсулирования удобрений, покрытия гранул различными пленками, элементарной серой. Важно получать удобрения с контролируемым освобождением питательных элементов, особенно азота, в процессе вегетации культур.

Еще одним недостатком многих минеральных удобрений является наличие в них сопутствующих балластных элементов (фтора, хлора, натрия), а также токсических тяжелых металлов (кадмия, свинца и др.). Некоторые из этих элементов в небольших количествах могут оказывать положительное действие на рост и развитие растений. При систематическом же внесении повышенных доз удобрений балластные элементы могут накапливаться в почве в значительных количествах, отрицательно влияя на ее свойства и плодородие, на урожай и его качество, а мигрируя в грунтовые воды, повышать в них концентрацию солей. Пределы колебаний содержания токсических элементов в минеральных удобрениях могут быть довольно значительными (табл. 10.4). Например, в фосфоритной муке содержится 2-3% фтора и 1,2-1,7% стронция; в суперфосфате - соответственно 1,2-2,7 и 1%, а также ряд других элементов. Другие примеси в суперфосфатах представлены в табл. 10.5.

10.4. Содержание технических примесей в минеральных удобрениях и мелиорантах

10.5. Основные примеси в суперфосфатах (Франсуа Рамад, 1981)

Токсические элементы попадают в минеральные удобрения главным образом с сырьем для их производства, частично загрязняют их в технологическом процессе. Например, 50-80% фтора, поступающего с фосфатным сырьем, остается в удобрениях, поэтому с 1 т необходимого растениям фосфора на поля поступает около 160 кг фтора. А это приводит к ухудшению свойств и плодородия почвы, к ингибированию в ней биологических процессов, нарушению биохимических процессов в растениях. Фтор отрицательно влияет на фотосинтез и биосинтез белка, нарушает деятельность таких ферментов, как энолаза, фосфоглукомутаза, фосфатаза. Он может накапливаться в продуктах питания, в пшенице, картофеле, рисе, отрицательно влияя на здоровье животных и человека.

В какой степени опасно загрязнение почв тяжелыми металлами в результате применения минеральных удобрений?

При современном уровне химизации на 1 га попадает, например, несколько граммов кадмия и для допустимого обогащения им почвы (0,1 мг/кг) потребуется 100 лет. Однако нужно учесть, что интенсивное техногенное загрязнение почвы происходит комплексно не только минеральными удобрениями и не только кадмием, а и другими токсическими элементами. Например, навоз также является некоторым источником накопления кадмия в почве. Содержание кадмия в стойловом навозе в среднем 0,4 мг/кг, свинца - 6,6 мг/кг сухого вещества. При норме расхода до 5 т сухого вещества на 1 га с навозом ежегодно вносится 1-4 г Сс1/га, что менее 1% от содержания кадмия в верхнем слое почвы.

Потенциальным источником загрязнения почв сельхозугодий являются представляющие особую опасность применяемые на удобрение отходы промышленности, осадки сточных вод (ОСВ), фосфо- гипс, а также сапропель и др. Обычно их применяют в высоких дозах, так как они содержат низкий процент биогенных элементов. Систематическое их использование может привести к накоплению в почве тяжелых металлов, различных токсических соединений. Так, пиритные огарки содержат 40-63% железа, 1-2 -серы, 0,33-0,47 - меди, 0,42-1,35 - цинка, 0,32-0,58% - свинца и другие металлы. В свежих отвалах пиритных огарков содержится до 0,15% мышьяка. Под воздействием атмосферных осадков из них выщелачиваются многие токсические вещества, которые загрязняют почву и водоемы. Использование же высоких доз (5-6 ц/га) пиритных огарков в качестве, например, медного удобрения приводит к загрязнению почвы свинцом, мышьяком и другими металлами, а следовательно, и к повышению их содержания в сельскохозяйственной продукции.

Средний химический состав фосфогипса из апатитового концентрата следующий (%): Са - 28,3; БОз - 55,5; Р2О5 - 1,5; 8г - 1,8-2. Норма фосфогипса в зависимости от условий и целей его использования составляет от 5 до 20 т/га, с ними в почву попадает от 100 до 400 кг/га 8г. Качество кормов в значительной мере определяется отношением в них Са (г) и 8г (мг). Оптимальная величина его 160. Уменьшение указанного соотношения до 80 и ниже делает корм неполноценным. Критическое содержание стронция может создаваться в почве при внесении 40 т/га этого отхода и более.

Содержащийся в фосфогипсе фтор снижает плодородие почвы и вызывает деградацию, имеется определенная опасность загрязнения растений фторидами.

Значительное загрязнение почв токсическими элементами возможно при использовании на удобрение осадков сточных вод. Для сравнения приведен средний уровень мг/кг микроэлементов, экстрагируемых раствором уксусной кислоты, в осадках сточных вод и в незагрязненных пахотных землях юго-востока Шотландии (среднее из 37 образцов ОСВ) (табл. 10.6).

По данным ученых Шотландии, удобрение осадком, содержащим 5 мг/кг доступного кадмия, даже в дозе 25 т/га может повысить уровень доступного кадмия в почве на 50%, а превышение 5 мг/кг доступного кадмия в почве опасно с точки зрения экологии.

10.6. Содержание микроэлементов в ОСВ и в незагрязненной почве в Шотландии

В США при условии непрерывного использования сточных вод для орошения на почвах всех типов концентрация Сс1 не должна превышать 0,01 мг/л, Сг - 0,10, Си - 0,20, РЬ - 5,0, N1 - 0,2 и Zn - 2 мг/л.

За последние годы довольно настоятельно ставится вопрос о широком использовании сапропеля в качестве органического удобрения. С ним возможно попадание в почву тяжелых металлов и токсических соединений. По данным Катре (1980, ФРГ), содержание кадмия в сапропеле из Мюнхена составляет 90-180 мг, а в сапропеле из Некара - 50-100 мг/кг сухой массы. При внесении последнего в почву содержание кадмия в растительной массе повышалось на 0,02- 1,1 мг/кг сухой массы, а в почве - на 6-73 мг/кг.

Наша страна располагает большими запасами сапропеля, и прежде чем его использовать, необходимо тщательно изучить его химический состав, установить допустимое содержание тяжелых металлов и токсических соединений в сапропеле, используемом в качестве удобрения.

Многочисленные пути возможного загрязнения природной среды агрохимическими средствами не остаются без последствий, а оказывают многостороннее негативное влияние практически на все звенья биосферы.

Неблагоприятное воздействие удобрений, различных отходов, применяемых в качестве удобрений и химических мелиорантов,

можно свести в основном к следующему.

1. Неправильное применение удобрений может ухудшить круговорот и баланс питательных веществ, агрохимические свойства и плодородие почвы.
2. Нарушение агрономической технологии применения удобрений, несовершенство качества и свойств минеральных удобрений могут снизить урожай сельскохозяйственных культур и качество продукции.
3. Попадание питательных элементов удобрений и почвы в грунтовые воды с поверхностным стоком может привести к усиленному развитию водорослей, образованию планктонов, т.е. к эвтрофи- рованию природных вод с вытекающими отсюда негативными последствиями.
4. Попадание удобрений и их соединений в атмосферу отрицательно сказывается на деятельности сельскохозяйственных и других предприятий, здоровье животных и человека. Высказываются также опасения о возможном разрушении озонового экрана стратосферы вследствие проникновения в нее N20, образующейся при денитрификации азотных соединений почвы и удобрений.
5. Нарушение оптимизации питания растений макро- и микроэлементами приводит к различным заболеваниям растений, а часто и способствует развитию фитопатогенных грибных болезней, ухудшает фитосанитарное состояние почв и посевов.

Влияние агрохимических средств на свойства и плодородие почвы. Почва - важное звено биосферы, и она прежде всего, подвергается сложному комплексному воздействию удобрений и других агрохимических средств, которые могут оказывать на нее следующее влияние: подкислять или подщелачивать среду; улучшать или ухудшать свойства почвы, ее биологическую и ферментативную активность; способствовать вытеснению ионов в почвенный раствор вследствие физико-химического их поглощения; способствовать или препятствовать химическому поглощению биогенных и токсических элементов; усиливать минерализацию гумуса или способствовать его синтезу; ослаблять или активизировать биологическую фиксацию N из атмосферы; усиливать или ослаблять действие других питательных элементов почвы или удобрений; мобилизовывать или иммобили- зовывать макро- и микроэлементы почвы; вызывать антагонизм или синергизм питательных элементов и, следовательно, существенно влиять на их поглощение и метаболизм в растениях.

Многостороннее воздействие на почву агрохимических средств можно показать на следующих примерах. Систематическое применение физиологически кислых минеральных удобрений на дерново- подзолистых почвах повышает их кислотность, ускоряет вымывание из пахотного слоя кальция и магния, увеличивает ненасыщенность почв основаниями, в целом снижает плодородие почвы. В этом случае применение минеральных удобрений необходимо сочетать с известкованием как приемом химической мелиорации почвы. В комплексе создаются оптимальные условия питания растений и улучшения свойств почвы. Известкование не только снижает кислотность почвы и улучшает ее свойства, но и усиливает биологическую активность, мобилизует фосфор, молибден, но иммобилизует железо, цинк, никель, медь, кобальт, марганец и другие элементы, ослабляет токсичность таких элементов, как кадмий, свинец, стронций, ртуть и другие, снижая их доступность растениям.

Применение удобрений может не только мобилизовывать отдельные питательные элементы почвы, но и иммобилизовывать, т.е. связывать их, превращая в недоступную для растений форму. Например, одностороннее использование высоких доз фосфорных удобрений, особенно на карбонатных черноземах, часто значительно снижает содержание подвижного цинка в почве, вызывая цинковое голодание растений, что отрицательно сказывается на количестве и качестве урожая. Поэтому применение высоких доз фосфорных удобрений нередко вызывает необходимость внесения цинкового удобрения. Положительное взаимодействие этих элементов подтверждается опытными данными (табл. 10.7).

10.7. Взаимодействие фосфорного и цинкового удобрений

Оптимизация применения удобрений под различные сельскохозяйственные культуры с учетом плодородия почвы существенно снижает поступление токсических элементов в растение. Чем лучше обеспеченность растений элементами питания и чем ближе их соотношения к оптимуму, тем меньше поступает, например, радионуклидов в растения, что подтверждается данными по 652п, 9 8г, 137Сз.

Вопросы влияния сбалансированного питания растений макро- и микроэлементами на поглощение ими тяжелых металлов и других токсических элементов имеют важное теоретическое и практическое значение, прежде всего для земледелия в районах с интенсивно развивающейся промышленностью, где возрастает техногенное загрязнение почв различными токсическими элементами и соединениями. На основе экспериментальных данных научно обоснована система агромероприятий, реализация которых существенно снижает поступления радионуклидов (стронция, цезия и др.) в продукцию растениеводства. Эти мероприятия включают:

1. разбавление поступающих в почву радионуклидов в виде практически невесомых примесей их химическими аналогами (кальцием, калием и др.);
2. уменьшение степени доступности радионуклидов в почве путем внесения веществ, переводящих их в менее доступные формы (органическое вещество, фосфаты, карбонаты и др.);
3. заделку загрязненного слоя почвы в подпахотный горизонт за пределы зоны распространения корневых систем (на глубину 50- 70 см);
4. подбор культур и сортов, накапливающих минимальное количество радионуклидов;
5. размещение на загрязненных почвах технических культур, использование этих почв под семенные участки.

Аналогичные системы мероприятий могут быть использованы и для снижения загрязнения сельскохозяйственной продукции другими токсическими веществами нерадиоактивной природы.

Техногенное загрязнение почвы различными элементами может оказать существенное влияние на ее химический состав; агрохимические, физико-химические и биохимические свойства; состав и активность почвенной биоты. В исследованиях на дерново-под- золистых и черноземных почвах установлено, что загрязнение медью, хромом, цинком, никелем, свинцом на уровне одного-двух кларков (в сравнении с незагрязненной почвой) сопровождалось существенным изменением биоты: уменьшением общего количества бактерий, спорообразованием их, резким сокращением числа актиномицетов и увеличением количества грибов, падением численности в почве насекомых (жужелиц, чернотелок и др.) и дождевых червей. Отмечено снижение ферментативной активности в почве. Мутагенная активность загрязненной почвы, регистрируемая в меристемати- ческих клетках корней растений, в 5-10 раз выше, чем в незагрязненной почве. Изменения гумусного состояния почвы и ППК (хранителя почвенного плодородия и потенциала самоочищающей ее способности) являются важными показателями неблагоприятного воздействия загрязнителей на почву. Поэтому должны нормироваться реакция среды, замещение в ППК кальция и магния тяжелыми металлами, минерализация гумуса, изменение физического состояния почвы, химического и санитарного состояния почвенного раствора и почвенного воздуха.

Получение высококачественной продукции растениеводства - центральная проблема человечества в условиях нынешнего и будущего земледелия с возрастающими темпами химизации.

Если применением удобрений и других агрохимических средств создаются оптимальные условия питания сельскохозяйственных культур, то имеются все предпосылки для получения высококачественной продукции. Например, оптимизация азотного питания озимой пшеницы позволяет практически во всех земледельческих зонах получать высокобелковое зерно, отвечающее требованиям по питательности и хлебопекарным свойствам. Правильное соотношение между макро- и микроэлементами в удобрениях, вносимых под сахарную свеклу, - реальный и эффективный путь увеличения сбора сахара за счет повышения сахаристости корнеплодов. То же можно сказать и о качестве клубней картофеля, повышении содержания жиров в семенах масличных культур, сахаров и витаминов в плодах и овощах и т.д.

Однако на качество растениеводческой продукции могут оказывать существенное влияние техногенное загрязнение природной среды токсическими веществами и нарушение научных принципов применения удобрений. Основными путями техногенного загрязнения окружающей среды являются: токсические соединения и элементы, выделяемые промышленностью и транспортом; попадание их в почву с удобрениями, в которых они находятся в качестве примесей; бессистемное и бесконтрольное использование различных отходов на удобрение. К загрязнителям окружающей среды часто относят фтор, ванадий, хром, марганец, кобальт, никель, цинк, мышьяк, молибден, ртуть, свинец и др. Многие из перечисленных элементов в небольших количествах положительно влияют на формирование количества и качества урожая сельскохозяйственных культур. Особое место среди загрязнителей занимают тяжелые металлы (свинец, кадмий, ртуть). Они хорошо адсорбируются пахотным слоем почвы, особенно при высокой гумусированности и тяжелом гранулометрическом составе.

Проявление токсического влияния тяжелых металлов на растение возможно разными путями. Это их денатурирующее действие на метаболически важные белки. Так как каталитическая и регуляторная роль белков для метаболической системы организмов является всеобъемлющей, нарушения могут захватывать самые различные звенья обмена. Возможен перевод фосфора в недоступную для метаболизма форму труднорастворимых фосфатов тяжелых металлов, а также конкуренция тяжелых металлов с необходимым элементом минерального питания, замена на специфических переносчиках и передатчиках этого элемента в метаболической цепи, что может привести к его дефициту. На почвах, загрязненных тяжелыми металлами, наблюдалось снижение урожайности зерновых культур на 20- 30%, сахарной свеклы - на 35, бобовых - на 40, картофеля - на 47%.

Проблема загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами вследствие интенсивного развития соответствующих отраслей промышленности обостряется еще и в связи с тем, что почва не единственное звено биосферы, откуда растения черпают питательные и токсические элементы. Они могут поступать в растения непосредственно из атмосферы некорневым путем, т.е. через листья.

Основные факторы, снижающие поступление тяжелых металлов из почвы в растения, следующие.

Известкование кислых почв. С понижением pH возрастают мобильность тяжелых металлов и их ингибирующая роль на рост растений. Известь увеличивает прочность связи их в почвах за счет образования труднорастворимых соединений.

Внесение органических удобрений в целях повышения содержания гумуса в почве. Органическое вещество обладает высокой способностью удерживать тяжелые металлы. Поэтому концентрация их в растениях выше на почвах с низким содержанием органического вещества. Кроме этого, органические коллоиды почвы могут образовывать с тяжелыми металлами стабильные комплексы типа хелагов.

Внесение фосфорных удобрений, снижающих поступление тяжелых металлов в растения. Эффективно совместное применение фосфорных удобрений и извести, особенно на кислых почвах.

Оптимизация минерального питания растений способствует снижению уровня тяжелых металлов в культурах.

В перспективе, ио-видимому, определенный интерес будет представлять более широкое применение клиноптиломитсодержащих туфов в качестве фильтров для предотвращения накопления тяжелых металлов в сельскохозяйственных культурах.

Основными причинами отрицательного влияния удобрений на качество урожая являются нарушение оптимальных доз, соотношения питательных элементов в удобрениях без учета их содержания в почве, форм и сроков их внесения, что отрицательно влияет на метаболизм органических соединений, особенно на синтез аминокислот и белков в растениях. Одновременно в растениях накапливаются в избыточном количестве нитраты, нитриты, которые в кислой среде реагируют с вторичными аминами, образуя нитрозоамины, обладающие канцерогенными и мутагенными свойствами. В здоровых растениях при нормальном азотном питании нитраты и нитриты в свободном состоянии не накапливаются. Поступив в растения, они подвергаются процессам восстановления под действием

нитратредуктазы и нитритредуктазы. Полученное промежуточное соединение - гидроксиламин или аммиак - связывается с органическими кислотами, которые превращаются в аминокислоты. Следовательно, нитраты могут накапливаться при избыточном их количестве в почве и при нарушенных биологических процессах в растении. Удобрение навозом или компостами как медленнодействующей формой азота приводит к меньшему содержанию нитратов в овощах по сравнению с эквивалентным количеством азота, внесенного с минеральными удобрениями.

Оптимизация азотного питания растений предусматривает и сроки внесения азотных удобрений в соответствии с биологическими требованиями растений. Это особенно важно учитывать при удобрении овощных культур и тех растений, у которых на питание используются вегетативные части. В процессе вегетации содержание нитратов в растениях снижается, поэтому убирать культуры, особенно овощные, необходимо в оптимальные сроки, а подкармливать азотом за 1,5-2 месяца до уборки урожая, чтобы растения смогли переработать поступившую нитратную форму азота.

Успешное использование растениями всех питательных элементов, поступивших через корневую систему, в том числе и утилизация нитратов, возможно при высокой фотосинтетической деятельности растений. Интенсивность света обусловливает активность фермента нитратредуктазы, обеспечивающего восстановление в растениях нитратов до аммония. При низкой освещенности процессы восстановления нитратов и образования аминокислот затормаживаются. Этим можно объяснить значительно большее содержание нитратов в овощах, выращенных в теплицах в зимнее время, чем в растениях открытого грунта.

Нарушение научно обоснованной технологии использования в земледелии различных видов органических удобрений также снижает качество продукции. Среднегодовая доза ежегодно вносимого навоза (без опасения ухудшения качества урожая и поедаемости корма) рекомендуется эквивалентной не более 200 кг азота на 1 га, а наиболее эффективный срок внесения навоза - осень, под зяблевую вспашку. Поскольку навоз влияет на ряд культур севооборота, то важно знать действие систематического использования высоких доз бесподстилочного навоза, а в сочетании его с соломой и минеральными удобрениями - действие на плодородие и свойства почвы, накопление в ней тяжелых металлов, образование гумуса и процессы его минерализации, на миграцию элементов питания растений по профилю почвы, загрязнение грунтовых вод нитратами и солями тяжелых металлов и другие вопросы, а также учитывать связь перечисленных показателей с комплексным воздействием на качество урожая всех культур севооборота.

Внесение агрохимических средств может вызвать в почве мобилизацию или иммобилизацию биогенных и токсических элементов и изменение качества урожая. В этом случае большая роль отводится гумусу почвы, который связывает тяжелые металлы в комплексные соединения хелатного типа, т.е. малодоступные для растений формы, снижая их токсичность. Этим можно объяснить частое отсутствие зависимости между содержанием тяжелых металлов и выносом их растениями на высоко гумусированных почвах.

Известкование кислых почв также является эффективным приемом по уменьшению токсичности тяжелых металлов, снижающим их растворимость.

Влияние агрохимических средств на эвтрофирование и качество природных вод. Антропогенное эвтрофирование - это увеличение поступления в воду питательных для растений веществ вследствие деятельности человека в бассейнах водных объектов и вызванное этим повышение продуктивности водорослей и высших водных растений. Это важнейшая проблема современности. В водоемы поступают стоки, содержащие много соединений азота и фосфора. Это связано со смывом в водоемы удобрений с окрестных полей. В результате и происходит антропогенная эвтрофикация таких водоемов, повышается их неполезная продуктивность, происходит усиленное развитие фитопланктона, прибрежных зарослей, водорослей, «цветение воды» и др. В глубинной зоне усиливаются анаэробные процессы, накапливается сероводород, аммиак и т.д. Нарушаются окислительно-восстановительные процессы и возникает дефицит кислорода. Это приводит к гибели ценных рыб и растений, вода становится непригодной не только для питья, но даже для купания. Такой эвтрофированный водоем утрачивает свое хозяйственное и биогеоценотическое значение. Поэтому борьба за чистую воду - одна из важнейших задач всего комплекса проблемы по охране природы.

Естественные эвтрофные системы хорошо сбалансированы. Искусственное же внесение биогенных элементов в результате антропогенной деятельности нарушает нормальное функционирование сообщества и создает в экосистеме гибельную для организмов неустойчивость. Если в такие водоемы прекратится поступление посторонних веществ, они могут вернуться в свое первоначальное состояние.

Оптимальный рост водных растительных организмов и водорослей наблюдается при концентрации фосфора 0,09-1,8 мг/л и нитратного азота 0,9-3,5 мг/л. Более низкие концентрации этих элементов ограничивают рост водорослей. На 1 кг поступившего в водоем фосфора образуется 100 кг фитопланктона. Цветение воды за счет водорослей возникает только в тех случаях, когда концентрация фосфора в воде превышает 0,01 мг/л.

С точки зрения охраны здоровья людей очень важно, чтобы содержание нитратов и токсических веществ в воде не превышало предельно допустимую концентрацию (ПДК). Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) установлена ПДК для нитратного азота в питьевой воде для умеренных широт 22 мг/л, а для тропиков - 10 мг/л. Однако в районах интенсивного применения азотных удобрений довольно часто в питьевой воде концентрация нитратного азота больше ПДК.

Биогенные элементы, и прежде всего азот и фосфор, попадают в реки и водоемы с промышленными и бытовыми сточными водами, со стоками с сельскохозяйственных угодий в результате биологической фиксации азота и т.д. Опасность эвтрофикации природных водных источников создают также отходы животноводства, особенно на крупных животноводческих комплексах промышленного типа с бесподстилочным содержанием скота. Несовершенство технологии накопления, хранения и использования бесподстилочного навоза на таких комплексах приводит часто к скоплению на фермах огромных масс жидких навозных стоков. Часть из них попадает в реки и овраги, принося большой ущерб природной среде, другая часть мигрирует по профилю почвы, достигая и загрязняя грунтовые воды, делая их непригодными для хозяйственных целей.

Использование бесподстилочного навоза в высоких дозах на ограниченной площади сельскохозяйственных угодий также может привести к загрязнению природных водных источников, к снижению плодородия и ухудшению свойств почвы, к получению растениеводческой продукции, не пригодной ни для пищевых целей, ни на корм скоту. Поэтому совершенствование технологии рационального использования отходов животноводства - важнейшее условие предотвращения загрязнения природной среды.

Значительная часть биогенных элементов попадает в реки и озера со стоковыми водами, хотя и в большинстве случаев смыв элементов поверхностными водами значительно меньший, чем в результате миграции по профилю почвы, особенно в районах с промывным режимом. Загрязнение природных вод биогенными элементами за счет удобрений и почвы и их эвтрофикация возникают прежде всего в тех случаях, когда нарушается агрономическая технология применения удобрений, не выполняется комплекс агротехнических мероприятий, в целом культура земледелия находится на низком уровне.

Проблема качества природных вод находится сейчас в центре внимания научных и научно-технических учреждений почти всех стран мира, так как ухудшение качества природных вод принимает угрожающие размеры. В табл. 10.8 показаны допустимые пределы содержания токсических веществ в питьевой воде.

10.8. Допустимые пределы содержания некоторых токсических веществ в питьевой воде, мг/л

Можно привести ряд требований по предотвращению загрязнения и эвтрофикации природных вод.

1. Строгое выполнение научно обоснованной технологии применения удобрений с учетом оптимальных доз, соотношений, форм, сроков и способов их внесения в соответствии с биологическими требованиями растений, почвенно-климатическими особенностями зоны и уровнем планируемого урожая.
2. Выполнение агрономических правил и санитарно-гигиени- ческих норм при накоплении, хранении и использовании различных видов органических удобрений, особенно навоза, полученного при бесподстилочном содержании скота, рациональное их сочетание с минеральными удобрениями.
3. Освоение научно обоснованных севооборотов, использование уплотненных посевов сельскохозяйственных растений, промежуточных культур, в том числе на корм скоту и на зеленое удобрение.
4. Выполнение комплекса мероприятий по предотвращению водной и ветровой эрозии почв: дифференцированная обработка почвы с учетом особенностей склона, запрещение вспашки вдоль склона, внедрение противоэрозионных севооборотов, залужение крутых склонов на кормовые угодья.
5. Посадка полезащитных, приовражных, прирусловых, а также на склонах лесных полос. Это эффективный путь предотвращения потерь биогенных элементов в реки, пруды и озера.

Для предотвращения процесса антропогенной эвтрофикации и загрязнения вод токсическими элементами необходима очистка промышленных и бытовых стоков от излишков минеральных соединений азота и фосфора, тяжелых металлов и других веществ.

Пути возможного загрязнения атмосферы при производстве и применении агрохимических средств. Основными источниками загрязнения атмосферы являются промышленность и транспорт. Хотя при применении удобрений загрязнение атмосферы незначительное, особенно при использовании гранулированных и жидких удобрений, тем не менее, оно имеет место. После применения удобрений в атмосфере обнаруживаются соединения, содержащие преимущественно азот, фосфор и серу. При производстве минеральных удобрений возможно существенное загрязнение атмосферы. Так, пылегазовые отходы калийного производства включают выбросы дымовых газов сушильных отделений, вредными компонентами которых являются пыль концентратов (КС1), хлористый водород, пары флотреагентов и антислеживателей аминов. При кислотных методах переработки хлористого калия на бесхлорные калийные удобрения, гидротермической переработке сульфатно-хлоридных калийных руд в качестве побочных продуктов образуются газы, содержащие хлористый водород, а при получении нитрата калия - С12. Поэтому по экономическим и санитарным соображениям пылегазовые отходы калийного производства необходимо утилизировать и обезвреживать.

ПДК паров аммиака в воздухе рабочей зоны не должны превышать 20 мг/м3, содержание пыли нитрофоски - 2-5, фосфоритной муки - 5 мг/м3. Пороговая концентрация пыли хлористого калия 10 мг/м3, токсическая - 50-150 мг/м3. Загрязнение атмосферы агрохимическими средствами возможно при нарушении условий выполнения технологий применения удобрений и химических мелиорантов, авиахимических работах, химической мелиорации почвы, технологий использования безводного аммиака и аммиачной воды и др. Предотвратить загрязнение воздуха в этом случае можно при высокой ответственности и профессиональном мастерстве работников сельского хозяйства, имеющих дело со средствами химизации.

Существенными источниками загрязнения природной среды являются также газообразные потери азотных соединений из удобрений и почвы, а также бессистемное использование органических удобрений, особенно бесподстилочного навоза и навозных стоков. Наиболее значительные потери азота могут быть вследствие биологических процессов в почве - аммонификации, нитрификации, денитрификации, а также химического взаимодействия азотных удобрений с карбонатными и щелочными почвами.

Потери азота из удобрений в результате денитрификации составляют в среднем 15-30%. Интенсивность процесса денитрификации зависит от многих причин: свойства почвы, наличия энергетического материала, состава микрофлоры, питательного режима, гидротермических условий, вида применяемых азотных удобрений и др. Заделка удобрений в почву снижает потери азота.

Особенно существенное, в большинстве случаев местное влияние на атмосферу оказывают неправильное хранение и использование бесподстилочного навоза. При хранении его в открытых емкостях выделяются и попадают в атмосферу аммиак, молекулярный азот и другие его соединения. Происходят также разложение органических удобрений и ухудшение окружающей среды вследствие образования газообразных продуктов распада, обусловливающих неприятный запах.

Внесение бесподстилочного навоза и животноводческих стоков от крупного рогатого скота и свиней вызывает интенсивное бактериальное заражение. Патогенные бактерии сохраняются в почве земледельческих полей орошения в течение 4-5 месяцев. При внесении стоков в почву методом дождевания по воздуху на расстояние до 400 м распространялись и яйца гельминтов.

Агрохимической наукой хорошо изучены условия возможных газообразных потерь азота из удобрений и почвы и их размеры. Это позволяет применять комплекс агрономических мероприятий при использовании научно обоснованных систем удобрения, способствующих предотвращению потерь азота в окружающую среду. Наиболее важными из них являются: определение оптимальных доз азотных удобрений под каждую культуру севооборота; правильные сроки их внесения; заделка удобрений в почву при вспашке, культивации или дисковании; выбор форм азотных удобрений с учетом их свойств, требований культуры, а также почвенно-климатических условий. В каждом хозяйстве должна строго соблюдаться правильная технология работы с пылящими удобрениями и химическими мелиорантами, безводным аммиаком, с бесподстилочным навозом с учетом комплекса агрономических и санитарно-гигиенических требований. При работе с азотными удобрениями рекомендуется пользоваться ингибиторами нитрификации. Временное подавление размножения нитрифицирующих бактерий ингибиторами нитрификации способствует сохранению азота удобрений в аммиачной форме и снижению его потерь на 10-12% по сравнению с внесением азотных удобрений без ингибиторов. Весь перечисленный комплекс мероприятий в сочетании с максимальным уплотнением растительного покрова пашни во времени значительно снижает газообразные потери азота.

Агрохимические средства оказывают существенное влияние и на устойчивость растений к болезням и вредителям. Оно возможно в результате прямого или косвенного воздействия на культурное растение или патоген, стимулируя или ингибируя его развитие. Часто голодание растения от недостатка того или иного питательного элемента одновременно вызывает развитие патогена, например бактериоз у льна при дефиците бора.

Основные макроэлементы по-разному действуют на развитие патогена. Избыточное одностороннее внесение азота или в составе с другими удобрениями часто увеличивает развитие многих грибных болезней. Оптимизация же доз азота с учетом вида, сорта и возраста растения, гидротермических условий, уровня содержания азота в почве, форм азотного удобрения, уровня окультуренности и других условий может существенно снизить или вовсе предотвратить ход патологического процесса.

Фосфор в одностороннем порядке или в сочетании с азотом и калием в большинстве случаев снижает вредоносность заболевания. Это объясняется тем, что фосфор способствует усиленному развитию корневой системы, что повышает устойчивость растений к неблагоприятным условиям их роста. Кроме этого оптимальное фосфорное питание усиливает синтез органических соединений в растениях, в том числе и склеренхимных тканей, что повышает сопротивляемость растений к внедрению паразита.

Калийные удобрения существенно сдерживают развитие грибных болезней на растениях, так как калий утолщает клеточные стенки, повышает прочность механических тканей, увеличивает рост и дифференциацию клеток камбия у высших растений. Все эти процессы способствуют повышению физиологической устойчивости растений против инфекционного поражения. Поэтому систему удобрения в севообороте необходимо строить и с учетом оптимального калийного питания растений.

Действие микроудобрений на развитие или торможение различных грибных заболеваний у растений изучено недостаточно. Однако известно, что микроэлементы оказывают существенное влияние на физиолого-биохимические процессы у микроорганизмов, в том числе и грибов, действуют на ферментативную активность дегидрогеназы, каталазы, протеолитических и амилолитических ферментов. Для успешного развития многих грибов необходимо присутствие в питательной среде железа, цинка, марганца, меди, бора.

В связи с тем, что на разных типах почв имеется соответствующий набор подвижных микроэлементов, создаются и предпосылки для развития определенных групп и видов микроорганизмов, которые

не будут обнаруживаться в других биогеоценозах или агрофитоценозах из-за избытка или недостатка того или иного микроэлемента.

Влияние удобрений на повреждение культурных растений вредителями менее изучено, однако установлена определенная связь между азотным удобрением и повреждением растений хлебным пилильщиком, вредной черепашкой, трипсом и другими вредителями. На фосфорно-калийном фоне повреждение растений вредителями бывает в меньшей степени. Все это требует комплексного многостороннего подхода к исследованиям влияния различных химических средств на звенья природной среды при использовании их в земледелии.