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; (Систематическое применение физиологически кислых минеральных удобрений на дерново-подзолистых почвах повышает их кислотность, ускоряет вымывание из технологического горизонта 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, тогда в комплексе создаются оптимальные условия питания растений и улучшения свойств почвы. )
- ухудшать свойства почвы, ее биологическую и ферментативную активность; (Основными показателями физических свойств почвы являются агрегатный состав и водопрочность почвенных частиц. Исследования показали, что даже небольшие дозы минеральных удобрений (30-45 кг/га) оказывают отрицательное влияние на микроструктуру почвы, сохраняющееся на протяжении 1-2 лет после их внесения. Возрастает плотность упаковки микроагрегатов, снижается видимая порозность, уменьшается доля зернистых агрегатов)
- способствовать вытеснению ионов в почвенный раствор вследствие физико-химического их поглощения;( К негативным последствиям применения удобрений следует отнести и увеличение подвижности некоторых микроэлементов, содержащихся в почве. Они более активно вовлекаются в геохимическую миграцию. Это ведет к возникновению в пахотном слое дефицита В, Zn, Сu, Мn [29]. Ограниченное поступление микроэлементов в растения неблагоприятно влияет на процессы фотосинтеза и передвижение ассимилятов, снижает их устойчивость к заболеваниям, недостаточному и избыточному увлажнению, высоким и низким температурам [30, 31, 32]. Основной причиной нарушений в обмене веществ растений при недостатке микроэлементов является снижение активности ферментных систем. Недостаток микроэлементов в почве вынуждает применять микроудобрения.)
- способствовать или препятствовать химическому поглощению биогенных и токсичных элементов;
- усиливать минерализацию гумуса или способствовать его синтезу;
- ослаблять или активизировать биологическую фиксацию N2 из атмосферы;
- усиливать или ослаблять действие других питательных элементов почвы или удобрений;
- мобилизовывать или иммобилизовывать макро- и микроэлементы почвы;
- вызывать антагонизм или синергизм питательных элементов и, следовательно, существенно влиять на их поглощение и метаболизм в растениях.
По данным Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды, в Беларуси более 150 тысяч гектаров почв переизвестковано. На песках от интенсивного внесения удобрений доля зафосфаченных почв –25%, на суглинках – 4%. На 24% песчаных почв избыточно содержание калия. В целом по Беларуси избыточное накопление биогенных элементов составляет 6% пашни, однако эта цифра за последние годы уменьшается.
Загрязнение почвы тяжелыми и токсичными металлами, содержащимися в удобрениях, ведет к накоплению их в растениях. Так, в Швеции концентрация кадмия в пшенице за текущее столетие увеличилась вдвое. Там же при применении суперфосфата в суммарной дозе 1680 кг/га, внесенной частями за 5 лет, наблюдали повышение содержания кадмия в зерне пшеницы в 3,5 раза. По данным некоторых авторов, при загрязнении почвы стронцием происходило трехкратное увеличение его содержания в клубнях картофеля.
Использование загрязненных растений в качестве продуктов питания или кормов является причиной возникновения у человека и сельскохозяйственных животных различных заболеваний. К наиболее опасным тяжелым металлам относят ртуть, свинец и кадмий. Попадание в организм человека свинца ведет к нарушениям сна, общей слабости, ухудшению настроения, нарушению памяти и снижению устойчивости к бактериальным инфекциям. Накопление в продуктах питания кадмия, токсичность которого в 10 раз выше свинца, вызывает разрушение эритроцитов крови, нарушение работы почек, кишечника, размягчение костной ткани. Парные и тройные сочетания тяжелых металлов усиливают их токсический эффект.
Экспертным комитетом ВОЗ разработаны нормативы поступления в человеческий организм тяжелых металлов. Предусматривается, что каждую неделю здоровый человек массой 70 кг может получать с пищевыми продуктами, без вреда для своего здоровья, не более 3,5 мг свинца, 0,625 мг кадмия и 0,35 мг ртути.
В связи с возрастанием загрязнения продуктов питания были приняты нормативы содержания ТМ и ряда химических элементов в продукции растениеводства (табл. 3).
Загрязнение растениеводческой продукции ТМ и химическими элементами опасно для человека не только при непосредственном ее употреблении, но и при использовании на кормовые цели. Например, скармливание коровам растений, выращенных на загрязненных почвах, привело к увеличению концентрации кадмия в молоке до 17-30 мг/л [57], в то время как допустимый уровень составляет 0,01 мг/л.
Для предотвращения накопления химических элементов в молоке, мясе, исключения возможности отрицательного их влияния на состояние сельскохозяйственных животных во многих странах принимаются предельно допустимые концентрации (ПДК) для химических элементов, содержащихся в кормовых растениях.
Кроме ТМ существует проблема загрязнения продукции нитратами. Основными причинами которого 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 либо 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.
Неблагоприятное воздействие удобрений можно свести в основном к следующему:
Ухудшение круговорота и баланса питательных веществ, агрохимических свойств и плодородия почвы;
Снижение урожая сельскохозяйственных культур и качества продукции;
Развитие болезней, ухудшение фитосанитарного состояния посевов;
Эвтрофирование природных вод;
Возможное разрушение озонового экрана под действием окислов азота.
Основными путями повышения эффективности использования удобрений и уменьшения их отрицательного воздействия на окружающую среду можно считать следующее:
Соблюдение правил транспортировки, хранения и применения удобрений;
Выполнение комплекса агротехнических мероприятий по уходу за культурами, правильный выбор предшественника, сорта;
Контроль за содержанием удобрений в почве и в растениях;
Оптимизация почвенной кислотности путем известкования;
Качественное внесение удобрений, обеспечивающее их равномерность;
Использование медленнодействующих капсулированных азотных удобрений для сокращения непроизводительных расходов;
Применение жидких азотных удобрений в сочетании с ингибиторами нитрификации;
Соблюдение оптимальных сроков внесения удобрений, дробные подкормки в течение вегетации;
Использование посевов зернобобовых культур для накопления азота.
Слово «пестицид» происходит от лат. «pestis» - зараза и «caedo» - убиваю. Под пестицидами обычно понимают химические средства сдерживания, регуляции, защиты и борьбы с вредными организмами в сельском, лесном хозяйстве и здравоохранении. К пестицидам справедливо применение любого из терминов: поллютант, токсикант, ксенобиотик.
Пестициды начали использовать еще в войсках Александра Македонского для борьбы с паразитами человека (порошок долматской ромашки). В здравоохранении пестициды применяют для борьбы с членистоногими – переносчиками таких опасных заболеваний, как малярия, чума, туляремия, энцефалит, сонная и слоновая болезнь, многие кишечные заболевания. В здравоохранении и ветеринарии, кроме того, пестициды используют в качестве дезинфицирующих средств, в промышленности – для предохранения неметаллических материалов (полимеров, древесины, текстильных изделий), борьбы с обрастанием морских судов, особенно в южных морях, для борьбы с сероводородобразующими бактериями, для предохранения труб от коррозии.
В настоящее время используется более 1 тыс. веществ, применяемых в качестве пестицидов. В наибольших масштабах пестициды используют в сельском хозяйстве.
Обычно пестициды классифицируются по их целевому назначению:
для борьбы с членистоногими (инсектициды и акарициды),
нематодами (нематоциды),
грибными заболеваниями растений и животных (фунгициды)
бактериальными (бактерициды) заболеваниями растений и животных,
для борьбы с сорняками (гербициды).
К пестицидам относят также регуляторы роста растений (ретарданты), используемые для борьбы с полеганием различных культур, для дефолиации (удаления листьев) и десикации (подсушивания растений на корню), чтобы облегчить уборку урожая, а также для предохранения от заморозков и засухи.
По химическому составу выделяются 3 основные группы пестицидов:
Неорганические соединения (соединения ртути, фтора, бария, серы, меди, а также хлораты и бораты).
Пестициды растительного, бактериального и грибного происхождения (пиретрины, бактериальные и грибные препараты, антибиотики и фитонциды).
Органические соединения, к которым относятся пестициды высокой физиологической активности: хлорорганические соединения (гексахлорциклогексан, гептахлор и др.); фосфорорганические соединения (хлорофос, метилнитрофос, карбофос и др.); производные карбаминовой, тио- и дитиокарбаминовой кислот (пиримор, карбин, тиллом); нитропроизводные фенолов (нитрафен, каратан); фталимиды (каптан, фталан); минеральные масла; органические соединения ртути (гранозан, меркуран и др.); хиноны (дихлон); производные мочевины и др.
В зависимости от способности сопротивляться процессам разложения пестициды подразделяются на:
слабостойкие (сохраняются в окружающей среде 1–12 недель),
среднестойкие (сохраняются 1–18 месяцев)
очень стойкие (сохраняются два года и более). Н-р: хлорорганический инсектицид гептахлор (спустя 14 лет в почве обнаруживается 16 % от изнач. колич.
Очевидно, что слабостойкие пестициды в окружающей среде практически не накапливаются. В идеальном виде пестицид, оказав требуемое воздействие на вредителя, должен был бы сразу разрушиться, образовав безвредные продукты разложения.
Особую опасность представляют стойкие и кумулятивные пестициды: триазин, симтриазин, хлордан, гептахлор – они обнаруживаются в почве спустя десять и более лет после применения.
Пестициды являются относительно новыми препаратами, химическими и синтетическими соединениями, что во многом усложняет процесс их детоксикации в почве.
Подавляющее число пестицидов являются кумулятивными ядами, и их токсическое действие зависит не только от концентрации препарата, но и от длительности его воздействия на тот или иной объект.
Ежегодно в мире вносится около 300-400 гр. пестицидов на га.
Широкое применение пестицидов связано с их высокой экономической эффективностью. Отказ от применения пестицидов приводит к снижению урожайности на 50-70 %.
Основными современными тенденциями при производстве пестицидов являются:
создание быстроразлагающихся препаратов;
снижение токсичности и нормы расхода препарата;
повышение избирательности пестицида;
повышение безопасности пестицида.
Большая часть пестицидов является ксенобиотиками, т.е. веществами, чуждыми природе. Только 1-3% применяемых пестицидов действует на организм-мишень, остальное количество распространяется в окружающей среде и включается в пищевые цепи.
Пестициды распространяются далеко за пределами тех агроэкосистем, 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,
- 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:
— вызвать нежелательные эффекты (фитотоксическое действие, например гербицидов, на последующие культуры, изменение химического состава культурных растений в отрицательную сторону и т. п.);
—. оказывают негативное воздействие на почвенную биоту (микрорганизмы, червей, и др.) Изменение почвенного биоценоза может приводить к подавлению почвообразовательного процесса и деградации почв.
— пестициды прямо или косвенно влияют на доступность питательных элементов в почве. Т.е. могут привести к нарушению биологических циклов круговорота веществ. Установлено, что пестициды больше накапливаются на тяжелых почвах с повышенной кислотностью.
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, вызывая нарушение репродуктивной функции или массовую гибель. Установлено, что от 30% до 70% 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). При этом в водоемах пестициды концентрируются на поверхности воды в виде тонкой пленки.
Особая опасность пестицидов заключается в том, что многие из них обладают способностью к биоаккумуляции – многократному увеличению концентрации пестицида при продвижении его по пищевым цепям. Так, например, концентрация ДДТ(4,4´-дихлордифенилтрихлорметилметан) или дуста изменялась следующим образом: вода в озере Мичиган (0.001 мг/л)- жир рыб (3.5 мг/кг)- жир чаек (100мг/кг) - жир человека 3-113 мг/кг. Более половины примененного ранее ДДТ циркулирует в биосфере.
Под действием живых организмов и абиотических факторов среды происходит биотрансформация – изменение химических свойств пестицидов. При этом возможны детоксикация _ потеря токсичности, а также токсификация – увеличение токсичности (например, у гербицида атразина).