Проблемы загрязнения почвенных экосистем

Важным фактором антропогенного воздействия на почвенные экосистемы является применение минеральных удобрений. С ними в большой мере связывают успехи современного сельского хозяйства. Около 2/3 урожая сельскохозяйственных растений человек использует для своих нужд и в итоге в почву возвращается меньше биогенных элементов, чем было накоплено биомассой растений. В идеале, если исходить из требования сохранности почвенных экосистем при изымании урожая, на поля необходимо вносить эквивалентное количество биогенных элементов. Если при этом исходить из нормы по 9 кг N, P₂O₅ и K в год на человека, то при норме применения удобрений 100 кг/га следует вносить на поля планеты ежегодно по 150 млн. т N, P₂O₅ и K. Количество применяемых в нашей стране неуклонно растет: за 20 лет (с 1965 по 1985 г.) оно возросло почти в четыре раза. Только в 1984 г. сельское хозяйство получило более 23 млн.т минеральных удобрений.

В действительности не все вводимые в почву удобрения достигают растений, многое теряется, выносится в водные объекты.

Особенно остро стоит проблема применения азотных удобрений. Дело в том, что почвенная экосистема истощается по запасам питательных веществ, если связанные формы азота и органические вещества в виде пищевых продуктов изымаются из кругооборота веществ со скоростью, превышающей скорость восстановления гумуса. Истощение почвы приводит к сокращению ее плодородия и снижению устойчивости против эрозии. При недостатке азота тормозится синтез белков, ферментов, хлорофилла, а значит, и углеводородов. Особенно необходим азот для образования новых клеток.

Рис. Динамика потребления биогенных элементов в период вегетации растений.

Как видно из рисунка азот потребляется молодыми растениями в течение вегетационного периода неравномерно. До стадии кущения потребности во всех биогенах намного меньше, чем в процессе роста растений. Избыточное содержание азотных удобрений в почве приводит к отрицательному воздействию на растения. Так, при дозе 150кг/га наблюдалось полегание посевов озимой пшеницы, понижалась урожайность. При дозах порядка 200 кг/га снижается процент прорастания семян.

Избыточный азот в почве накапливается обычно в форме нитрата. Поскольку в этой форме азот почвой не сорбируется, он легко вымывается почвенными водами, причем от 20-40% его поступает в грунтовые воды и близлежащие водоемы.

Резкое увеличение применения азотных удобрений приводит непропорциональному росту урожая. Так, в США 5-кратное увеличение количества применяемого минерального азота привело лишь к 20%-ному приросту урожая зерновых культур.

Таблица. Сравнение средней урожайности зерновых культур США с количеством применяемых удобрений

Год	Количество азотных удобрений, тыс.т	Урожайность, ц/га

Сейчас в мире в почвы вносится ежегодно 54 млн.т азотных удобрений в год, в странах бывшего СССР - 10 млн.т/год. Ежегодный избыток связанного азота в биосфере составляет 9 млн.т.

Нарушению естественного баланса по азоту способствует переход пастбищного скотоводства к индустриальному - животноводческим комплексам. Соответственно сокращается возврат органических веществ и азота в почву вместе с продуктами жизнедеятельности животных. В то же время очистка и утилизация сточных вод животноводческих комплексов от биогенных форм азота - сложная проблема. Так, типовой животноводчески комплекс на 108 тыс. голов свиней или 35 тыс. крупного рогатого скота по количеству физиологических отходов эквивалентен городу с населением в 250-350 тыс. человек. В жидкой фракции животноводческих отходов содержится много трудноразлагаемых белковых соединений, а общее содержание азота достигает 4 г/л.

Неконтролируемым источником поступления соединений азота в почвенные экосистемы является промышленность по производству азотных удобрений. Промышленные выбросы достигают 50% продукции. С осадками в почву поступает в год в среднем около 10 кг N/га, тогда как локально вблизи от предприятий это количество может быть гораздо выше.

Перенасыщение почвы соединениями азота происходит и за счет биологических источников - при многократных посевах сои и других бобовых культур (вместо удобрений).

Повышение содержания нитратов в почве и соответственно в сельскохозяйственных растениях и питьевой воде приводит сразу к нескольким отрицательным последствиям.

При попадании нитратов в организм человека происходит их восстановление до нитрит-ионов, которые переводят гемоглобин в метгемоглобин. Возникает болезнь под названием метгемоглобинемия. Отравление 20% гемоглобина приводит к сердечной недостаточности, а 80% - к смерти.

В кислой среде нитриты реагируют со вторичными аминами, образуя нитрозоамины, многие из которых канцерогенны для органов пищеварения и выделения. Опухолевое действие нитрозоаминов обнаружено в 1956 г. Сейчас ежегодно публикуются около 1500 сообщений по раковым заболеваниям, индуцированными нитрозоаминами. Считается, что не менее 5% злокачественных опухолей возникает из-за повышенного содержания нитратов в пище.

Кроме того азотные удобрения стимулируют образование в продукции сельского хозяйства микотоксинов, которые также могут приводить к раковым заболеваниям.

Суточное потребление азота с пищей в виде нитратов не должно превышать в рационе человека 200 мг, а нитратов - 10 мг. В питьевой воде не должно содержаться более 20 мг NO₃^- в 1 л.

При накоплении нитратов качество сельскохозяйственной продукции резко ухудшается. Теряется устойчивость овощей и фруктов к длительному хранению, снижаются питательная ценность продуктов и их потребительские качества как промышленного сырья. Например, уменьшается содержание сахара в сахарной свекле.

Влияние азотных удобрений на урожайность и качество растительной продукции происходит не только за счет накопления нитратов непосредственно растениями, но и опосредственно -через почву. Так, при использовании аммиачных форм азотных удобрений происходит потеря гумуса, возрастает его минерализация. Изменяются и микробиологические свойства почвы.

Применение азотных удобрений и их последующая трансформация вызывает повышение содержания N₂O в атмосфере. Всего газообразные потери азота за счет процессов денитрофикации в среднем составляют 24% от их суммарного внесения на поля.

Со всей очевидностью дальнейшее наращивание производства и использования азотных удобрений в том виде, в каком это делалось до сих пор, приведет к "заколдованному кругу", в результате которого загрязнение биосферы минеральными формами азота станет критическим. Выход видится в применении гранулированных удобрений пролонгированного (в идеале программированного) действия. Гранулы покрывают тонкой полимерной пленкой, которая постепенно разлагается почвенными микроорганизмами. Почвенная влага и растворенные в ней вещества медленно просачиваются через мельчайшие поры полимерной пленки и размер, можно "программировать" продолжительность гранулированных удобрений, поддерживая необходимую для роста растений локальную концентрацию биогенных элементов в корневой зоне в соответствии с потребностями сельскохозяйственных культур в период вегетации.

Другой выход - в создании сельского хозяйства будущего на базе достижений гидропоники, генетики и селекции.

Помимо азотных удобрений в почву необходимо вносить фосфаты. Несмотря на то, что почва содержит значительные запасы фосфора, лишь 10-20% его находится в доступной для растений форме. Желательное соотношение N: P: K в удобрениях лежит в пределах 1: 1: 1 - 1: 2: 2,5. При N: P < 1: 1 в продуктах накапливаются восстановленные формы азота, что чревато образованием нитрозоаминов. Фосфор в почве необходимо постоянно восполнять в виде минеральных и органо-минеральных удобрений, так как биологического источника, подобного азоту, для фосфора нет.

Фосфор, как и азот, потребляется растениями с разной интенсивностью разными видами и сортами в разные сроки вегетации и в разных экологических условиях. Фосфаты малоподвижны в почвенной среде, поэтому вносить их необходимо непосредственно в корневую систему. Эффективность использования фосфата из минеральных удобрений меньше, чем азота.

Избыток фосфора нетоксичен для живых организмов. Однако при интенсивном использовании фосфорных удобрений происходит обогащение сельскохозяйственной продукции фтором и мышьяком. Дело в том, что в суперфосфате содержится до 1,5% фтора, являющегося ингибитором ряда ферменов. К тому же вместе с суперфосфатом на каждый гектар пашни в почву вносится 30-300 мг мышьяка.

По мере обработки почвы фосфорными удобрениями происходит так называемое "зафосфачивание" почв. При этом фосфор находится в фиксированном, недоступном для растений состояния и лишь малая доля его вовлекаются в биохимический круговорот. Около 5% вносимого на поля фосфора вносится в водоемы.

Помимо азота и фосфора для жизни растений необходим калий, особенно на начальных стадиях их развития. В период после цветения калий вымывается назад в почву. В силу высокой растворимости солей калия вынос его в сопредельные водоемы велик. В почве калий существует в равновесии между обменной и необменной формами. Калийные удобрения (KNO₃, K₂SO₄, KCl) вносятся, когда запас обменного калия в почве невелик (<200 кг/га).

Для формирования урожая требуется также и сера в количестве 10-30 кг/га. Потребность в сере у растений зависит от фазы их развития - максимальная в период цветения. Как правило, серы в почве достаточно. Она поступает в почву SO₄^-2 с осадками или в виде SO₂ из воздуха непосредственно в растения (через устьица) При сильном загрязнении воздушной среды SO₂ происходит снижение фотосинтетической активности сельскохозяйственных растений. Наряду с минеральными расширяются масштабы применения органических удобрений (навоз, торф, компост). При этом вследствие смыва органических из почвы в воду разрушается водный барьер между человеком и почвой.

Дело в том, что в почве в условиях большого содержания органических веществ обитает большое количество патогенных (болезнотворных) микроорганизмов. При смыве в водоемы они быстро погибают из-за нехватки пищи. При обогащении водной Среды органическим веществом пищи может оказаться достаточно для возникновения в водной среде очага болезнотворных организмов (грибков, бактерий и др.). Так, в 1965 г. была зарегистрирована новая болезнь - менингоэнцефалит, возникающая у подростков после продолжительного купания в пруду или реке в теплые дни. Возбудителем этой болезни оказалось амеба, обитающая в почве. Питаясь бактериями, циты амебы переходят в активную форму, быстро размножаются в воде и становятся опасными. Таким образом, загрязнение почв и природных вод стирает грань между средами обитания микроорганизмов.

Действительность сейчас такова, что с неконтролируемом стоком с полей выносится 37% легкоокисляемых органических веществ и 98% колиформных бактерий. Ситуация поистине тупиковая: нехватка продовольствия вынуждает интенсифицировать сельскохозяйственное производство, при этом возрастает загрязнение природной водной среды, возникает опасность заболеваний от употребления некачественной питьевой воды.

Фактически применение минеральных и органических удобрений, как и пестицидов, представляет собой намеренное загрязнение почвенной экосистемы и пищевых продуктов и в принципе может и должно быть контролируемом. Наряду с этими загрязнениями происходит масштабное и неконтролируемое загрязнение земель тяжелыми металлами, главным образом соединениями ртути, свинца, кадмия. Связано это с тем, что в золе угля и нефти обнаруживаются почти все металлы зачастую в концентрациях 500 г/т. Экономически оправдано извлечение из золы некоторых металлов (урана, германия, олова, свинца кобальта, никеля, цинка). Если учесть, что в настоящее время сжигается ежегодно 5 млрд.т горючих ископаемых, а всего сожжено уже 130 млрд.т угля и 40 млрд.т нефти, то вместе с золой на поверхность земли поступили миллионы тонн металлов, значительная часть которых аккумулирована в верхних горизонтах почвы. масштабы столь велики, что именно сжигание ископаемого топлива вызывает преимущественное загрязнение почв металлами. Только свинца ежегодно выбрасывается на поверхность почв от выхлопных газов более 250 тыс.т/год.

Поведение тяжелых металлов в почвах зависит от окислительно-восстановительных условий и рН среды. Миграционная способность Cu, Ni, Co, Zn в восстановительной среде уменьшается на 1-2 порядка по сравнению с окислительной. В кислой среде большинство металлов более подвижны.

Многие металлы являются микроэлементами, необходимыми нормального протекания процессов жизнедеятельности растений. Опасность представляют их локально высокие концентрации, а также способность некоторых металлов накапливаться в растениях и с пищей поступать в организмы животных и человека.

Дата добавления: 2015-08-05