Экологическое значение обеднения почв элементами питания

Обеднение почв элементами питания вызывает, как правило, нарушения экологического равновесия. Данный уровень сопровождается потерей биопродуктивности угодий, что приводит к усилению развития водной и ветровой эрозии, уплотнения, загрязнения почв, к увеличению засоренности и к более интенсивному развитию патогенных микроорганизмов. Обеднение почв элементами питания приводит к ухудшению водно-физических свойств почв, гумусового состояния, падению урожайности и ухудшению качества сельскохозяйственной продукции.

Азотное удобрение выступает, в значительной мере, как разрешающее условие минимизации обработки почвы, использования соломы в качестве мульчи, сокращения доли чистого пара в севообороте, их специализации. Без применения фосфорных удобрений резко снижается эффективность чистого пара, увеличиваются потери минерального азота из почвы, вследствие неполного его использования растениями при дефиците фосфора. Стартовое рядковое удобрение ускоряет рост вторичной корневой системы зерновых злаков, что имеет нередко решающее значение в формировании их урожая. Применение удобрений позволяет предотвратить или смягчить воздействие различных стрессов, повышая приспособляемость растений к неблагоприятным условиям, их засухоустойчивость, морозоустойчивость и т.п.

Удобрения оказывают существенное влияние на устойчивость растений к болезням. В частности, фосфорное удобрение, способствуя усилению развития корневой системы, повышает сопротивляемость растений к внедрению и развитию патогенов. Калийные удобрения, способствуя утолщению клеточных стенок, повышению прочности механических тканей, существенно сдерживают развитие грибковых болезней. Противоположную роль в этом отношении играет избыточное азотное питание растений, стимулирующее их возникновение. Сбалансированное удобрение в интенсивных технологиях возделывания зерновых культур ослабляет патологический процесс, но нередко приходится прибегать к фунгицидным обработкам, особенно, в случае низкой устойчивости сорта к болезням при высоком уровне азотного питания (Кирюшин В.И.).

При обеднении почв большое количество питательных веществ непроизводительно отчуждается из удобрений и почвы сорняками, так как они более жизнеспособны и устойчивы к недостатку элементов питания, по сравнению с культурными растениями и особенно сортами интенсивного типа. Около 98% пашни в России засорено, в том числе, около 100 млн. га в средней и сильной степени. Общий вынос питательных веществ сорняками составляет не менее 10-12 млн. тонн в год, или около половины питательных веществ, производимых в стране минеральных удобрений (Минеев В.Г.).

Скрытое отрицательное действие удобрений

Значимость проблемы

С усилением антропогенного воздействия на почву все более усложняются взаимосвязи в системе почва-растение, актуальным становится вопрос взаимодействия почвы в экологической системе. Внесение удобрений и мелиорантов в почву, в значительной степени, изменяет свойства почв, подвижность и доступность элементов питания. В ряде случаев возникает скрытое отрицательное действие удобрений, когда при улучшении одного показателя, одновременно ухудшаются другие показатели почвенного плодородия, что приводит, в конечном итоге, к уменьшению урожая с/х культур, ухудшению их качества, снижению эффективности применения удобрений. Причем подобные явления возникают не только при высоких дозах химикатов, но при небольших дозах вблизи гранул удобрений и мелиорантов. Все, что вносится в почву, реагирует в ней с другими компонентами, и для эффективного ведения производства необходим строгий физико-химический расчет и прогноз протекающих процессов.

На эффективность удобрений влияют различные факторы. Согласно обзора Международного института калия, доля влияния различных агротехнических факторов на эффективность удобрений составляет следующий порядок величин: плохая плохая подготовка почвы к посеву – 10-25%; низкое качество посевного материала – 5-20%; несоблюдение сроков сева – 20-40%; неудачный выбор сорта – 20-40%; несоответствие густоты посева – 10-25%; неправильное внесение удобрений – 5-10%; нарушение режима осушение-орошение – 10-20%; засоренность посевов – 15-20%; поражение болезнями и вредителями – 5-20%; несбалансированное применение удобрений – 20-50%. Таким образом, несбалансированное применение удобрений является важным фактором деградации почв и агрофитоценозов, причиной низких урожайностей сельскохозяйственных культур, невысокой экономической эффективности применения удобрений и мелиорантов в ряде хозяйств.

Влияние различных факторов на урожайность с/х культур оценивается следующим образом (%): удобрения – 41; гербициды – 15-20; благоприятная почва – 15; гибридные семена – 8; ирригация – 5; прочие факторы – 11-16. По статистике ФАО внесение 1 кг питательных веществ удобрений (N + P₂O₅ + K₂O) в среднем дает прирост урожая пшеницы 7, 3 кг, риса – 8, 5; кукурузы – 8, 8; хлопчатника – 2, 7. Однако, в реальных условиях России эффективность применения минеральных удобрений значительно ниже. На практике в ряде хозяйств применение удобрений и других средств химизации не дает положительного эффекта из-за общего низкого уровня земледелия – плохого качества посевного материала и посева; несоблюдения агротехнических требований подготовки поля, отсутствия севооборота, недостаточной надежности и мощности уборочной техники, недостатком знаний в вопросах химизации (Артюшин А.М., Дерюгин И.П. и др., 1991).

Каждое поле и культура требуют конкретных комплексных технологий получения наивысших урожаев заданного качества. Недооценка системных связей, упрощенный подход к интенсивному земледелию, как к простой совокупности технологический приемов, практически повсеместно ведут не только к недобору урожая, но и к избыточному экологически опасному накоплению в агроценозах продуктов химизации. Следует отметить, что чем более уравновешены и оптимизированы условия питательного режима в почве, тем более экономно расходует растение элементы питания для получения урожая и меньше необходимо внести удобрений для изменения содержания их подвижных форм элементов питания в почве на единицу. Для предотвращения негативного действия химизации на агрофитоценозы необходим расчет взаимодействия удобрений и мелиорантов с почвой и прогноз их поведения в экосистеме. Необходимо изучение поведения удобрений в ландшафте с привлечением биогеохимических методов исследований, развитие агрогеохимии (Ковда В.А., 1984).

Факторы деградации

Минеев В.Г. (1990) выделяет следующие негативные последствия воздействия химизации земледелия на природную среду: 1) неправильное применение минеральных удобрений может ухудшить круговорот и баланс питательных веществ, агрохимические свойства и плодородие почв; 2) нарушение технологии применения удобрений, несовершенство качества и свойств минеральных удобрений могут снизить урожай сельскохозяйственных культур и качество растениеводческой продукции; 3) нарушение оптимизации питания растений макро- и микроэлементами способствует развитию грибных и прочих болезней, ухудшает фитосанитарное состояние посевов; 4) попадание питательных элементов из удобрений и почвы в грунтовые воды и в водоемы с поверхностным током может привести к усиленному развитию водорослей и образованию планктона, т.е. к эвтрофикации природных вод; 5) потери некоторых соединений азота в атмосферу отрицательно сказываются на жизнедеятельности; возможно разрушение озонового слоя.

Скрытое отрицательное действие удобрений может проявляться по влиянию его на почву, растения, окружающую среду. При составлении алгоритма расчета необходимо учитывать следующие процессы:

1. Влияние на растения: уменьшение подвижности других элементов в почве; в качестве путей устранения отрицательных последствий применяется регулирование эффективной растворимости и эффективной константы ионного обмена, за счет изменения Eh и рН, ионной силы, комплексообразования; внекорневая подкормка и внесение в прикорневую зону, регулирование избирательности растений.

2. Ухудшение физических свойств почв: в качестве путей устранения отрицательных последствий применяются прогноз и сбалансированность системы удобрений, применение структурообразователей, приемов улучшения структуры почвы.

3. Ухудшение водных свойств почв: в качестве путей устранения отрицательного последствия применяются прогноз и сбалансированность системы удобрений; улучшение водного режима за счет мелиорации; применение компонентов, улучшающих водный режим.

4. Уменьшение поступления веществ в растения, конкуренция за поглощение корнем, токсикация, изменение заряда корня и прикорневой зоны; в качестве путей устранения отрицательных последствий применяются сбалансированность системы удобрений; внекорневая подкормка растений.

5. Проявление несбалансированности в корневых системах, нарушение циклов метаболизма; пути устранения отрицательных последствий указаны в п.4.

6. Появление несбалансированности в листьях, нарушение циклов метаболизма, ухудшение технологических и вкусовых качеств; пути устранения отрицательных последствий – по п.4.

7. Токсикация микробиологической активности; в качестве путей устранения отрицательных последствий применяются сбалансированность системы удобрений; увеличение буферности почв; внесение источников питания для микроорганизмов.

8. Токсикация ферментативной активности; пути устранения отрицательных последствий – по п. 7.

9. Токсикация животного мира почвы; в качестве путей устранения отрицательных последствий применяются сбалансированность системы удобрений, увеличение буферности почв.

10. Уменьшение адаптации к вредителям и болезням, экстремальным условиям, в связи с перекормом; в качестве мер устранения отрицательных последствий рекомендуется оптимизация соотношения элементов питания; регулирование доз удобрений; интегрированная система защиты растений; применение внекорневой подкормки.

11. Потери гумуса, изменение его фракционного состава; в качестве путей устранения отрицательных последствий можно применять внесение органических удобрений, создание структуры, оптимизация рН и Eh, регулирование водного режима, сбалансированность системы удобрений.

12. Ухудшение физико-химических свойств почв; пути устранения – оптимизация системы удобрений, внесение мелиорантов, органических удобрений.

13. Ухудшение физико-механических свойств почв; меры устранения отрицательного влияния – по п. 12.

14. Ухудшение воздушного режима почвы; для устранения отрицательного действия необходимо оптимизировать систему удобрений, вносить мелиоранты, создавать структуру почвы.

15. Почвоутомляемость; необходимо сбалансировать систему удобрений, строгое выполнение плана севооборота.

16. Появление токсичных концентраций отдельных элементов; для снижения отрицательного влияния необходима сбалансированность системы удобрений, увеличение буферности почв, осаждение и удаление отдельных элементов, комплексообразование.

17. Увеличение концентрации отдельных элементов в растениях выше допустимого уровня; необходимо снижение норм удобрений, сбалансированность системы удобрений, внекорневая подкормка с целью конкуренции поступлению токсикантов в растения, внесение в почву антагонистов токсикантов.

Уровни воздействия

Применение минеральных удобрений достигает от 60 до 200 кг действующего вещества отдельных компонентов (N, P, K) на гектар. Это соответствует внесению на поля до 10-30 ц туков. Дозы мелиорантов достигают 2-12 т/га СаСО₃ и СаSO₄; дозы органических удобрений – 12-30 т/га; дозы микроудобрений – 3-5 кг/га. Помимо основного действующего вещества во вносимых в почву удобрениях и мелиорантах содержится значительное количество примесей, в том числе токсичных для биоты и растений. Длительное применение средств химизации приводит к постепенному накоплению этих токсикантов в почве.

Отрицательное влияние на биоту может оказывать фтор, в значительном количестве содержащийся в фосфорных удобрениях. Длительное внесение в почву суперфосфата, который обычно содержит 1, 5% фтора, приводит к быстрому накоплению в почве фтора, непосредственно доступного растениям (аммофос содержит 3-5% фтора). Так, например, в свекловичных районах применяют до 830 кг/га суперфосфата в год. Одновременно с таким количеством суперфосфата вносится 11 кг фтора. С каждой тонной необходимого растениям фосфора на поля поступает около 160 кг фтора. Естественно, это приводит к накоплению фтора в почве и в растениях. Так, например, на мощном черноземе Мироновского НИИССП в опыте с бессменной культурой общее содержание фтора в почве возросло на 22-28%. Содержание фтора в пшенице на территории России, где применяются относительно небольшие дозы удобрений, составляет 0, 8-1, 7 мг/кг сухого вещества, а во Франции до 10 мг на 1 кг; в США – до 8.

Значительное отрицательное влияние на биоту оказывает кадмий. Содержание кадмия в суперфосфате достигает 170 мг/кг (в среднем – 36-40). До 15 мг кадмия на 1 кг содержится в известняке; от 1до 170 мг/кг – в калийных отложениях; 0, 4 мг на 1 кг – в сухой массе навоза; до 50 мг/кг – в осадках городских сточных вод; до 180 мг/кг – в сапропеле. Ежегодное внесение в почву удобрений и мелиорантов, содержащих кадмий, естественно, приводит к его накоплению в почве и в растениях. При этом до 80% кадмия, внесенного в почву, может удерживаться в пахотном слое. Содержание кадмия в растениях достигает 10-20 мг на 1 г растений, что отмечается при содержании его в почве порядка 10 мг/кг. При современном уровне химизации на каждый гектар сельскохозяйственных угодий поступает не более 3 г кадмия. При такой интенсивности загрязнения почв для достижения допустимой концентрации кадмия – 0, 1 мг/кг – потребуется 100 лет (Минеев В.Г., 1990). Предельно допустимая концентрация внесения кадмия в почву с удобрениями составляет до 4 г/га в год (содержание кадмия в пахотном слое составляет около 0, 55 кг/га). ПДК для кадмия в почве находится в диапазоне 1-5 мг/кг.

Повышенные концентрации мышьяка обнаруживаются в пахотных почвах, на которых сельскохозяйственные растения обрабатывались мышьяковистыми препаратами, и на почвах, подверженных техногенному загрязнению. Накопление мышьяка возможно и при использовании минеральных удобрений, в разной степени загрязненных этим элементом. В двойном суперфосфате содержание мышьяка может достигать 300 мг/кг, в аммиачной селитре 60 мг/кг. С нитратами, сульфатами, мочевиной в почву попадает от 1 до 10 г/га мышьяка, с двойным суперфосфатом – до 30-300 г/га в год (Минеев В.Г., 1990). Токсичная концентрация в почве мышьяка соответствует 50 мг/кг; умеренно токсичная концентрация в питательных растворах – 1-100 мг/л.

В некоторых фосфоритах содержится значительное количество цинка (до 1300 мг/кг), некоторое количество его содержится и в других удобрениях.

Свинец присутствует в минеральных удобрениях, извести и навозе, достигая в некоторых удобрениях до 300 мг/кг; в навозе до 10 мг/кг; в осадках городских сточных вод от 13 до 19730 мг на 1 кг сухой массы. Согласно санитарным правилам, в качестве удобрений, на полях могут применяться осадки сточных вод, содержащие не более 15 мг свинца на 1 кг.

Содержание ртути в соединениях, из которых производят удобрения, колеблется от месторождения и составляет до 10 мг/кг, но чаще до 1 мг/кг.

Для мелиорации солонцовых почв активно применяют фосфогипс – отход производства суперфосфата, содержащий до 1, 5% фтора и 1, 8-2% стронция. Сапропели, как правило, содержат значительное количество кадмия (до 180 мг/кг сухой массы). В навозе, в среднем, содержится 0, 4 мг кадмия и 6, 8 мг свинца на 1 кг сухого вещества. Наибольшее количество токсикантов содержится в осадках сточных вод и в ряде случаев в илах озер, в загрязненных районах – в низинных торфах.

Теоретические закономерности поведения токсикантов в почвах,

изменение свойств почв

Основными причинами появления скрытого отрицательного действия удобрений в почвах являются: 1) несбалансированное применение различных удобрений; 2) превышение применяемых доз, по сравнению с буферной емкостью отдельных компонентов экосистемы; 3) направленный подбор форм удобрений для отдельных типов почв, растений и условий среды; 4) неправильные сроки внесения удобрений для конкретных почв и условий среды; 5) внесение вместе с удобрениями и мелиорантами различных токсикантов и их постепенное накопление в почве выше допустимого уровня.

При внесении чрезмерно высоких доз азотных удобрений, особенно при несбалансированности азота с другими элементами минерального питания, происходит накопление нитратов, как в водоемах и грунтовых водах, так и в растениеводческой продукции. Избыточное внесение в почву NH₄ приводит к ее диспергированию, как и при большой дозе в ППК (более 5% от емкости поглощения) ионов калия и натрия. Внесение в кислые почвы (NH₄)₂SO₄ приводит к значительному подкислению почв (в некоторых черноземах от рН=7, 0 до рН=4, 8), что сопровождается уплотнением почв, потерей структуры, недостатком кальция и магния, появлением избыточных концентраций марганца и алюминия. Это приводит как к падению урожайности, так и к ухудшению качества с/х продукции – уменьшению сахаристости сахарной свеклы, крахмала в картофеле, масла в подсолнечнике и т.д. Применение высоких доз азотных удобрений на затопляемых почвах (почвах рисовых полей), в связи с интенсивно развивающимися процессами денитрификации, приводит не только к значительным (до 70%) потерям азота, но и к поступлению недоокисленных соединений азота в атмосферу, приводящему к разрушению озонового слоя.

При внесении высоких доз калийных удобрений возможно диспергирование почв, нарушение соотношения в ППК и в почвенном растворе Са: К, часто к избыточному подщелачиванию почв. Как правило, это происходит при доле калия в ППК более 5-10% от емкости поглощения.

Применение необоснованно высоких доз фосфорных удобрений, особенно при длительном их внесении, приводит к накоплению в почве тяжелых металлов и вовлечению их в трофические цепи, что вредит здоровью людей и животных. Повышенные дозы фосфорных удобрений могут вызывать осаждение поливалентных металлов, Cu, Zn, Ni, Co.

Чрезмерное известкование почв и доведение рН до 7-8 не только приводит к затруднению поглощения растениями отдельных элементов, но и к осаждению в виде трудно растворимых осадков Cu, Zn, Ni, Co, Mn, P; к изменению в неблагоприятную сторону соотношения Са: К.

Одним из факторов деградации почв при интенсивной химизации является уменьшение содержания в почвах гумуса и ухудшения его состава. Главными причинами потерь гумуса пахотными почвами Орлов Д.С. (1985) считает уменьшение количества растительных остатков, поступающих в почву, при смене естественного биоценоза агроценозом; усиление минерализации органического вещества, в результате интенсивной обработки и повышения степени минерализации почв, разложение и биодеградацию гумуса под влиянием физиологически кислых удобрений и активизации микрофлоры за счет вносимых удобрений, усиление минерализации в результате осушения переувлажненных почв, усиления минерализации гумуса орошаемых почв в первые годы орошения, потери гумуса в результате водной и ветровой эрозии.

⇐ Предыдущая12131415161718192021Следующая ⇒

Поделиться: