Возможное негативное влияние удобрений на плодородие почвы
Разные биогенные элементы, попадая в почву с удобрениями, претерпевают существенные превращения. Одновременно они оказывают значительное влияние на плодородие почвы.
Да и свойства почвы, в свою очередь, могут оказывать на вносимые удобрения как позитивное, так и негативное влияние. Эта взаимосвязь удобрений и почвы является весьма сложной и требует глубоких и обстоятельных исследований. С превращениями удобрений в почве связаны и различные источники их потерь. Эта проблема представляет собой одну из основных задач агрохимической науки. Р. Kundler et al. (1970) в общем виде показывают следующие возможные превращения различных химических соединений и связанные с ними потери питательных элементов путем вымывания, улетучивания в газообразной форме и закрепления в почве.
Вполне понятно, что это лишь некоторые показатели превращения различных форм удобрений и питательных элементов в почве, они еще далеко не охватывают многочисленные пути превращения различных минеральных удобрений в зависимости от типа и свойств почвы.
Поскольку почва является важным звеном биосферы, она прежде всего подвергается сложному комплексному воздействию вносимых удобрений, которые могут оказывать следующее влияние на почву: вызывать подкисление или подщелачивание среды; улучшать или ухудшать агрохимические и физические свойства почвы; способствовать обменному поглощению ионов или вытеснять их в почвенный раствор; способствовать пли препятствовать химическому поглощению катионов (биогенных и токсических элементов); способствовать минерализации или синтезу гумуса почвы; усиливать или ослаблять действие других питательных элементов почвы или удобрений; мобилизовать или иммобилизовать питательные элементы почвы; вызывать антагонизм или синергизм питательных элементов и, следовательно, существенно влиять на их поглощение и метаболизм в растениях.
В почве может быть сложное прямое или косвенное взаимовлияние между биогенными токсичными элементами, макро — и микроэлементами, а это оказывает значительное влияние на свойства почвы, рост растений, их продуктивность и качество урожая.
Так, систематическое применение физиологически кислых минеральных удобрений на кислых дерново-подзолистых почвах повышает их кислотность и ускоряет вымывание из пахотного слоя кальция и магния и, следовательно, увеличивает степень ненасыщенности основаниями, снижая почвенное плодородие. Поэтому на таких ненасыщенных почвах применение физиологически кислых удобрений необходимо сочетать с известкованием почвы и нейтрализацией вносимых минеральных удобрений.
Двадцатилетнее применение удобрений в Баварии на иловатой, плохо дренированной почве в сочетании с известкованием под травы привело к повышению pH с 4,0 до 6,7. В поглощаемом комплексе почвы обменный алюминий заменился кальцием, что привело к значительному улучшению свойств почвы. Потери же кальция в результате выщелачивания составили 60—95% (0,8—3,8 ц/га в год). Как показали расчеты, ежегодная потребность в кальции составила 1,8—4 ц/га. В этих опытах урожай сельскохозяйственных растений хорошо коррелировал со степенью насыщенности почвы основаниями. Авторы пришли к выводу, что для получения высокого урожая необходимы pH почвы >5,5 и высокая степень насыщенности основаниями (V = 100%); при этом удаляется обменный алюминий из зоны наибольшего размещения корневой системы растений.
Во Франции выявлено большое значение кальция и магния в повышении плодородия почв и улучшении их свойств. Установлено, что выщелачивание приводит к обеднению запаса кальция и магния
в почве. В среднем ежегодные потери кальция составляют 300 кг/га (200 кг на кислой почве и 600 кг на карбонатной), а магния — 30 кг/га (на песчаных почвах они достигали 100 кг/га). Кроме того, некоторые культуры севооборота (бобовые, технические и др.) выносят значительные количества кальция и магния из почвы, поэтому следующие за ними зерновые культуры часто обнаруживают симптомы недостаточности этих элементов. Не нужно забывать также, что кальций и магний выполняют роль физико-химических мелиорантов, оказывая благоприятное влияние на физические и химические свойства почвы, а также на ее микробиологическую деятельность. Это косвенно влияет на условия минерального питания растений другими макро — и микроэлементами. Для поддержания плодородия почвы необходимо восстановление уровня содержания кальция и магния, потерянных в результате выщелачивания и выноса из почвы сельскохозяйственными культурами; для этого ежегодно следует вносить 300—350 кг CaO и 50—60 кг MgO на 1 га.
Задача заключается не только в восполнении потерь этих элементов вследствие выщелачивания и выноса сельскохозяйственными культурами, но и в восстановлении плодородия почвы. В этом случае нормы внесения кальция и магния зависят от первоначального значения pH, содержания в почве MgO и фиксирующей способности почвы, т. е. прежде всего от содержания в ней физической глины и органического вещества. Подсчитано, что для повышения pH почвы на одну единицу нужно внести извести от 1,5 до 5 т/га, в зависимости от содержания физической глины (30%), Чтобы повысить содержание магния в пахотном слое почвы на 0,05%, нужно внести 200 кг MgO/га.
Очень важно установить правильные дозы извести в конкретных условиях ее применения. Этот вопрос не настолько прост, как часто его представляют. Обычно дозы извести устанавливают в зависимости от степени кислотности почвы и насыщенности ее основаниями, а также разновидности почвы. Эти вопросы требуют дальнейшего, более глубокого изучения в каждом конкретном случае. Важен вопрос о периодичности внесения извести, дробности внесения в севообороте, сочетании известкования с фосфоритованием и внесением других удобрений. Установлена необходимость в опережающем известковании как условии для повышения эффективности минеральных удобрений на кислых почвах таежно-лесной и лесостепной зон. Известкование существенно влияет на подвижность макро — и микроэлементов внесенных удобрений и самой почвы. А это сказывается на продуктивности сельскохозяйственных растений, качестве продуктов питания и кормов, а следовательно, на здоровье человека и животных.
М. Р. Sheriff (1979) считает, что о возможном переизвестковании почв можно судить по двум уровням: 1) когда продуктивность пастбищ и животных не повышается при дополнительном внесении извести (это автор называет максимальным экономическим уровнем) и 2) когда известкование нарушает баланс питательных веществ в почве, и это отрицательно сказывается на продуктивности растений и здоровье животных. Первый уровень на большей части почв наблюдается при pH около 6,2. На торфяных почвах максимальный экономический уровень отмечается при pH 5,5. Некоторые пастбища на легких вулканических почвах не обнаруживают каких-либо признаков отзывчивости на известь при их природной величине pH 5,6.
Необходимо строго учитывать требования возделываемых культур. Так, чайный куст предпочитает кислые красноземы и желтоземно-подзолистые почвы, известкование угнетает эту культуру. Внесение извести отрицательно влияет на лен, картофель (подробности удобрения картофеля) и другие растения. Наиболее хорошо отзываются на известь бобовые культуры, которые угнетаются на кислых почвах.
Проблема же продуктивности растений и здоровья животных (второй уровень) чаще всего возникает при рН = 7 и более. Кроме того, почвы различаются по скорости и степени отзывчивости на известь. Например, согласно М. Р. Sheriff (1979), чтобы изменить pH с 5 до 6 для легких почв, ее требуется около 5 т/га, а для тяжелой глинистой почвы в 2 раза большее количество. Важно учитывать также содержание карбоната кальция в известковом материале, а также рыхлость породы, тонину ее помола и т. д. С агрохимической точки зрения весьма важно учитывать мобилизацию и иммобилизацию макро — и микроэлементов в почве под действием известкования. Установлено, что известь мобилизует молибден, который в избыточных количествах может отрицательно влиять на рост растений и здоровье животных, но одновременно наблюдаются симптомы недостаточности меди у растений и скота.
Применение удобрений может не только мобилизовывать отдельные питательные элементы почвы, но и связывать их, превращая в недоступную для растений форму. Исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом, показывают, что одностороннее использование высоких доз фосфорных удобрений 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 часто вызывает необходимость внесения цинкового удобрения. Больше того, внесение одного фосфорного или цинкового удобрения может не дать эффекта, а совместное их применение привести к значительному положительному их взаимодействию.
Можно привести немало примеров, свидетельствующих о положительном и отрицательном взаимодействии макро- и микроэлементов. Во Всесоюзном научно-исследовательском институте сельскохозяйственной радиологии изучали влияние минеральных удобрений и известкования почвы доломитом на поступления радионуклида стронция ( 90 Sr) в растения. Содержание 90 Sr в урожае ржи, пшеницы и картофеля под влиянием полного минерального удобрения снижалось в 1,5—2 раза по сравнению с неудобренной почвой. Наименьшее содержание 90 Sr в урожае пшеницы было в вариантах с высокими дозами фосфорных и калийных удобрений (N100P240K240), а в клубнях картофеля — при внесении высоких доз калийных удобрений (N100P80K240). Внесение доломита снизило накопление 90 Sr в урожае пшеницы в 3—3,2 раза. Внесение полного удобрения N100P80K80 на фоне известкования доломитом уменьшало накопление радиостронция в зерне и соломе пшеницы в 4,4—5 раз, а при дозе N100P240K240 — в 8 раз по сравнению с содержанием без известкования.
Ф. А. Тихомиров (1980) указывает на четыре фактора, влияющие на размеры выноса радионуклидов из почв урожаем растений: биогеохимические свойства техногенных радионуклидов, свойства почвы, биологические особенности растений и агрометеорологические условия. Например, из пахотного слоя типичных почв европейской части СССР выводится в результате миграционных процессов 1—5% содержащегося в нем 90 Sr и до 1 % 137 Cs; на легких почвах скорость удаления радионуклидов из верхних горизонтов существенно выше, чем на тяжелых. Лучшая обеспеченность растений питательными элементами и их оптимальное соотношение снижают поступление радионуклидов в растения. Культуры с глубоко проникающими корневыми системами (люцерна) меньше накапливают радионуклидов, чем с поверхностными корневыми системами (райграс).
На основе экспериментальных данных в лаборатории радиоэкологии МГУ научно обоснована система агромероприятий, реализация которых существенно снижает поступление радионуклидов (стронция, цезия и др.) в продукцию растениеводства. Эти мероприятия включают: разбавление поступающих в почву радионуклидов в виде практически невесомых примесей их химическими аналогами (кальций, калий и др.); уменьшение степени доступности радионуклидов в почве внесением веществ, переводящих их в менее доступные формы (органическое вещество, фосфаты, карбонаты, глинистые минералы); заделка загрязненного слоя почвы в подпахотный горизонт за пределы зоны распространения корневых систем (на глубину 50—70 см); подбор культур и сортов, накапливающих минимальные количества радионуклидов; размещение на загрязненных почвах технических культур, использование этих почв под семенные участки.
Эти мероприятия могут быть использованы и для снижения загрязнения сельскохозяйственной продукции и токсическими веществами нерадиоактивной природы.
Исследованиями Е. В. Юдинцевой и др. (1980) также установлено, что известковые материалы снижают накопление 90 Sr из дерново-подзолистой супесчаной почвы в зерне ячменя примерно в 3 раза. Внесение повышенных доз фосфора на фоне доменных шлаков снижало содержание 90 Sr в соломе ячменя в 5—7 раз, в зерне — в 4 раза.
Под влиянием известковых материалов содержание цезия ( 137 Cs) в урожае ячменя снижалось в 2,3—2,5 раза по сравнению с контролем. При совместном внесении высоких доз калийных удобрений и доменных шлаков содержание 137 Cs в соломе и зерне снижалось в 5—7 раз по сравнению с контролем. Действие извести и шлаков на уменьшение накопления радионуклидов в растениях более резко выражено на дерново-подзолистой почве, чем на серой лесной.
Исследованиями ученых США установлено, что при использовании для известкования Ca(OH)2 токсичность кадмия снижалась в результате связывания его ионов, применение же для известкования CaCO3 было неэффективным.
В Австралии изучали влияние двуокиси марганца (MnO2) на поглощение свинца, кобальта, меди, цинка и никеля растениями клевера. Установлено, что при добавлении в почву двуокиси марганца сильнее снижалось поглощение свинца и кобальта и в меньшей степени никеля; на поглощение же меди и цинка MnO2 оказывала незначительное влияние.
В США также были проведены исследования по влиянию различного содержания свинца и кадмия в почве на поглощение кукурузой кальция, магния, калия и фосфора, а также на сухую массу растений.
Из данных таблицы видно, что кадмий оказывал негативное влияние на поступление всех элементов в 24-дневные растения кукурузы, а свинец замедлял поступление магния, калия и фосфора. Кадмий также отрицательно влиял на поступление всех элементов в 31-дневные растения кукурузы, а свинец оказывал положительное действие на концентрацию кальция и калия и отрицательное — на содержание магния.
Эти вопросы имеют важное теоретическое и практическое значение, особенно для земледелия в индустриально развитых районах, где увеличивается накопление ряда микроэлементов, в том числе и тяжелых металлов. В то же время возникает необходимость в более глубоком изучении механизма взаимодействия различных элементов на поступление их в растение, на формирование урожая и качество продукции.
В университете штата Иллинойс (США) также изучали влияние взаимодействия свинца и кадмия на поглощение их растениями кукурузы.
У растений отмечена определенная тенденция повышать поглощение кадмия в присутствии свинца; почвенный кадмий, наоборот, снижал поглощение свинца в присутствии кадмия. Оба металла в испытанных концентрациях подавляли вегетативный рост кукурузы.
Представляют интерес выполненные в ФРГ исследования по влиянию хрома, никеля, меди, цинка, кадмия, ртути и свинца на поглощение фосфора и калия яровым ячменем и перемещение этих питательных элементов в растении. В исследованиях были использованы меченые атомы 32 Р и 42 К. Тяжелые металлы в питательный раствор добавляли в концентрации от 10 -6 до 10 -4 мол/л. Установлено значительное поступление тяжелых металлов в растение с повышением их концентрации в питательном растворе. Все металлы оказывали (в разной мере) ингибирующее действие как на поступление фосфора и калия в растения, так и на перемещение их в растении. Ингибирующее действие на поступление калия проявлялось в большей мере, чем фосфора. Кроме того, перемещение обоих питательных элементов в стебли подавлялось сильнее, чем поступление в корни. Сравнительное действие металлов на растение происходит в следующем нисходящем порядке: ртуть → свинец → медь → кобальт → хром → никель → цинк. Этот порядок соответствует электрохимическому ряду напряжений элементов. Если действие ртути в растворе отчетливо проявлялось уже при концентрации 4∙10 -7 мол/л (= 0,08 мг/л), то действие цинка — только при концентрации выше 10 -4 мол/л (=6,5 мг/л).
Как уже отмечалось, в индустриально развитых районах происходит накопление в почве различных элементов, в том числе тяжелых металлов. Вблизи крупных автострад Европы и Северной Америки весьма ощутимо влияние на растения соединений свинца, поступающих в воздух и почву с выхлопными газами. Часть соединений свинца попадает через листья в ткани растений. Многочисленными исследованиями установлено повышенное содержание свинца в растениях и почве на расстоянии до 50 м в сторону от автострад. Отмечены случаи отравления растений в местах особенно интенсивного воздействия выхлопных газов, например елей на расстоянии до 8 км от крупного Мюнхенского аэропорта, где производится около 230 вылетов самолетов в день. В хвое ели содержалось свинца в 8—10 раз больше, чем в хвое в незагрязненных районах.
Соединения других металлов (меди, цинка, кобальта, никеля, кадмия и др.) заметно влияют на растения вблизи металлургических предприятий, поступая как из воздуха, так и из почвы через корни. В таких случаях особенно важно изучение и внедрение приемов, предотвращающих избыточные поступления токсических элементов в растения. Так, в Финляндии определяли содержание свинца, кадмия, ртути, меди, цинка, марганца, ванадия и мышьяка в почве, а также салате, шпинате и моркови, выращиваемых вблизи промышленных объектов и автострад и на чистых участках. Исследовали также дикорастущие ягоды, грибы и луговые травы. Установлено, что в зоне действия промышленных предприятий содержание свинца в салате колебалось от 5,5 до 199 мг/кг сухой массы (фон 0,15—3,58 мг/кг), в шпинате — от 3,6 до 52,6 мг/кг сухой массы (фон 0,75—2,19), в моркови — 0,25—0,65 мг/кг. Содержание свинца в почве составило 187—1000 мг/кг (фон 2,5—8,9). Содержание свинца в грибах достигало 150 мг/кг. По мере удаления от автострад содержание свинца в растениях снижалось, например, в моркови с 0,39 мг/кг на расстоянии 5 м до 0,15 мг/кг на расстоянии 150 м. Содержание кадмия в почве менялось в пределах 0,01—0,69 мг/кг, цинка — 8,4—1301 мг/кг (фоновые концентрации соответственно были 0,01—0,05 и 21,3—40,2 мг/кг). Интересно заметить, что известкование загрязненной почвы снижало содержание кадмия в салате с 0,42 до 0,08 мг/кг; калийные же и магниевые удобрения не оказывали на него заметного влияния.
В зонах сильного загрязнения содержание цинка в травах было высокое — 23,7—212 мг/кг сухой массы; содержание мышьяка в почве 0,47—10,8 мг/кг, в салате — 0,11—2,68, шпинате — 0,95—1,74, моркови — 0,09—2,9, лесных ягодах — 0,15—0,61, грибах — 0,20—0,95 мг/кг сухого вещества. Содержание ртути в окультуренных почвах было 0,03—0,86 мг/кг, в лесных почвах — 0,04—0,09 мг/кг. Заметных различий в содержании ртути в разных овощах не обнаружено.
Отмечается действие известкования и затопления полей на снижение поступления кадмия в растения. Например, содержание кадмия в верхнем слое почвы рисовых полей в Японии составляет 0,45 мг/кг, а его содержание в рисе, пшенице и ячмене на незагрязненной почве соответственно 0,06 мг/кг, 0,05 и 0,05 мг/кг. Наибольшей чувствительностью к кадмию отличается соя, у которой снижение роста и массы зерен происходит при содержании в почве кадмия 10 мг/кг. Накопление же кадмия в растениях риса в количестве 10—20 мг/кг вызывает подавление их роста. В Японии ПДК кадмия в зерне риса — 1 мг/кг.
В Индии существует проблема токсичности меди вследствие большого накопления ее в почвах, расположенных около медных рудников в Бихаре. Токсичный уровень цитрат ЭДТА-Си > 50 мг/кг почвы. Ученые Индии изучали также влияние известкования на содержание меди в дренажной воде. Нормы извести были 0,5, 1 и 3 от требуемой для известкования. Исследования показали, что известкование не решает проблему токсичности меди, поскольку 50—80% выпавшей в осадок меди оставалось в доступной для растений форме. Содержание доступной меди в почвах зависело от нормы известкования, первоначального содержания меди в дренажной воде и свойств почвы.
Исследованиями установлено, что типичные симптомы недостаточности цинка наблюдались у растений, выращиваемых в питательной среде, содержащей этого элемента 0,005 мг/кг. Это приводило к подавлению роста растений. В то же время цинковая недостаточность у растений способствовала значительному увеличению адсорбции и транспорта кадмия. С повышением концентрации цинка в питательной среде поступление кадмия в растения резко снижалось.
Большой интерес представляет изучение взаимодействия отдельных макро — и микроэлементов в почве и в процессе питания растений. Так, в Италии изучали влияние никеля на поступление фосфора ( 32 Р) в нуклеиновые кислоты молодых листьев кукурузы. Опыты показали, что низкая концентрация никеля стимулировала, а высокая подавляла рост и развитие растений. В листьях растений, выращиваемых при концентрации никеля 1 мкг/л, поступление 32 Р во все фракции нуклеиновых кислот было более интенсивное, чем на контроле. При концентрации никеля 10 мкг/л поступление 32 Р в нуклеиновые кислоты заметно снижалось.
Авторы предполагают, что одной из причин снижения удельной активности испытанных фракций нуклеиновых кислот при высокой концентрации никеля было повышение активности рибонуклеазы.
Из многочисленных данных исследований можно сделать вывод, что для предотвращения отрицательного влияния удобрений на плодородие и свойства почвы научно обоснованная система удобрения должна предусматривать недопущение или ослабление возможных негативных явлений: подкисления или подщелачивания почвы, ухудшения агрохимических ее свойств, необменного поглощения биогенных элементов, химического поглощения катионов, чрезмерной минерализации гумуса почвы, мобилизации повышенного количества элементов, приводящей к токсическому их действию и т. д.
Воздействие удобрений на окружающую среду
Отрицательное действие удобрений на окружающую среду связано, прежде всего, с несовершенством свойств и химического состава удобрений. Существенными недостатками многих минеральных удобрений являются:
Æ Наличие остаточной кислоты (свободная кислотность) вследствие технологии их производства.
Æ Физиологическая кислотность и щелочность, образующаяся в результате преимущественного использования растениями из удобрений катионов или анионов. Длительное применение физиологически кислых или щелочных удобрений изменяет реакцию почвенного раствора, приводит к потерям гумуса, увеличивает подвижность и миграцию многих элементов.
Æ Высокая растворимость туков. В удобрениях, в отличие от природных фосфатных руд, фтор находится в виде растворимых соединений и легко поступает в растение. Повышенное накопление фтора в растениях нарушает обмен веществ, ферментативную активность (ингибирует действие фосфатазы), отрицательно действует на фото- и биосинтез белка, развитие плодов. Повышенные дозы фтора угнетают развитие животных, приводят к отравлению.
Æ Наличие тяжелых металлов (кадмия, свинца, никеля). Наиболее загрязнены тяжелыми металлами фосфорные и комплексные удобрения. Это связано с тем, что практически все фосфорные руды содержат большие количества стронция, редкоземельные и радиоактивные элементы. Расширение производства и применение фосфорных и комплексных удобрений ведет к загрязнению окружающей среды соединениями фтора, мышьяка.
При существующих кислотных способах переработки природного фосфатного сырья степень утилизации соединений фтора в производстве суперфосфата не превышает 20-50%, в производстве комплексных удобрений – еще меньше. Содержание фтора в суперфосфате достигает 1-1,5, в аммофосе 3-5 %. В среднем с каждой тонной необходимого растениям фосфора на поля поступает около 160 кг фтора.
Однако важно понимать, что не сами минеральные удобрения как источники биогенных элементов загрязняют окружающую среду, а их сопутствующие компоненты.
Внесенные в почву растворимые фосфорные удобренияв значительной степени поглощаются почвой и становятся малодоступными растениям и не передвигаются по почвенному профилю. Установлено, что первая культура использует из фосфорных удобрений всего 10-30% Р2О5, а остальное количество остается в почве и претерпевает всевозможные превращения. Например, в кислых почвах фосфор суперфосфата в большей части превращается в фосфаты железа и алюминия, а в черноземных и во всех карбонатных почвах – в нерастворимые фосфаты кальция. Систематическое и длительное применение фосфорных удобрений сопровождается постепенным окультуриванием почв.
Известно, что длительное применение больших доз фосфорных удобрений может привести к так называемому «зафосфачиванию», когда почва обогащается усвояемыми фосфатами и новые порции удобрений не оказывают эффекта. В этом случае избыток фосфора в почве может нарушить соотношение между питательными веществами и иногда снижает доступность растениям цинка и железа. Так, в условиях Краснодарского края на обыкновенных карбонатных черноземах при обыкновенном внесении Р2О5 кукуруза неожиданно резко снижала урожайность. Приходилось изыскивать способы оптимизации элементного питания растений. Зафосфачивание почв является определенным этапом их окультуривания. Это результат неизбежного процесса накопления «остаточного» фосфора, когда удобрения вносятся в количестве, превышающем вынос фосфора с урожаем.
Как правило, этот «остаточный» фосфор удобрении отличается большей подвижностью, доступностью растениям, чем природные фосфаты почвы. При систематическом и длительном внесении этих удобрений необходимо изменять соотношения между питательными элементами с учетом их остаточного действия: дозу фосфора следует уменьшать, а дозу азотных удобрений увеличивать.
Калий удобрений, внесенный в почву, подобно фосфору, не остается в неизменном виде. Часть его находится в почвенном растворе, часть переходит в поглощено-обменное состояние, а часть превращается в необменную, малодоступную для растений форму. Накопление доступных форм калия в почве, а также превращение в недоступное состояние в результате длительного применения калийных удобрений зависит в основном от свойств почвы и погодных условий. Так, в черноземных почвах количество усвояемых форм калия под влиянием удобрения хотя и увеличивается, но в меньшей мере, чем на дерново-подзолистых почвах, так как в черноземах калий удобрений больше превращается в необменную форму. В зоне с большим количеством осадков и при поливном земледелии возможно вымывание калия удобрений за пределы корнеобитаемого слоя почвы.
В районах с недостаточным увлажнением, в условиях жаркого климата, где почвы периодически увлажняются и пересыхают, наблюдаются интенсивные процессы фиксации калия удобрений почвой. Под влиянием фиксации калий удобрений переходит в необменное, малодоступное растениям состояние. Большое значение на степень фиксации калия почвами имеет тип почвенных минералов, наличие минералов, обладающих высокой фиксирующей способностью. Таковыми являются глинные минералы. Большей способностью фиксировать калий удобрений обладают черноземы, чем дерново-подзолистые почвы.
Подщелачивание почвы, вызываемое внесением извести или естественными карбонатами, особенно содой, увеличивает фиксацию. Фиксация калия зависит от дозы удобрения: при повышении дозы вносимых удобрений процент фиксации калия уменьшается. В целях уменьшения фиксации почвами калия удобрений рекомендуется вносить калийные удобрения на достаточную глубину, чтобы исключить пересыхание и чаще вносить их в севообороте, так как почвы, систематически удобрявшиеся калием, при новом его добавлении фиксируют его слабее. Но и фиксированный калий удобрений, находящийся в необменном состоянии, также участвует в питании растений, так как со временем он может переходить в обменно-поглощенное состояние.
Азотные удобренияпо взаимодействию с почвой значительно отличаются от фосфорных и калийных. Нитратные формы азота почвой не поглощаются, поэтому они легко могут вымываться атмосферными осадками и поливными водами.
Аммиачные формы азота поглощаются почвой, но после их нитрификации приобретают свойства нитратных удобрений. Частично аммиак может поглощаться почвой необменно. Необменный, фиксированный аммоний, растениям доступен в малой степени. Кроме этого, потеря азота удобрений из почвы возможна в результате улетучивания азота в свободной форме или в виде окислов азота. При внесении азотных удобрений резко изменяется содержание нитратов в почве, так как с удобрениями поступают наиболее легко усвояемые растениями соединения. Динамика нитратов в почве в большей мере характеризует ее плодородие.
Весьма важным свойством азотных удобрений, особенно аммиачных, является их способность мобилизации почвенных запасов, что имеет большое значение в зоне черноземных почв. Под влиянием азотных удобрений органические соединения почвы быстрее подвергаются минерализации, превращаются в легкодоступные для растений формы.
Некоторое количество питательных веществ, особенно азота в виде нитратов, хлоридов и сульфатов, может проникнуть в грунтовые воды и реки. Следствием этого является превышение норм содержания этих веществ в воде колодцев, родников, что может быть вредным для людей и животных, а также ведет к нежелательному изменению гидробиоценозов и наносит ущерб рыбному хозяйству. Миграция питательных веществ из почв в грунтовые воды в разных почвенно-климатических условиях проходит неодинаково. Кроме этого, она зависит от видов, форм, доз и сроков применяемых удобрений.
В почвах Краснодарского края с периодически промывным водным режимом нитраты обнаруживаются до глубины 10 м и более и смыкаются с грунтовыми водами. Это свидетельствует о периодической глубокой миграции нитратов и включении их в биохимический круговорот, начальными звеньями которого являются почва, материнская порода, грунтовые воды. Такая миграция нитратов может наблюдаться во влажные годы, когда для почв характерен промывной водный режим. Именно в эти годы возникает опасность нитратного загрязнения окружающей среды при внесении больших доз азотных удобрений под зиму. В годы с непромывным водным режимом поступление нитратов в грунтовые воды полностью прекращается, хотя остаточные следы соединений азота наблюдаются по всему профилю материнской породы до грунтовой воды. Их сохранности способствует низкая биологическая активность этой части коры выветривания.
В почвах с непромывным водным режимом (южные черноземы, каштановые) загрязнение биосферы нитратами исключается. Они остаются замкнутыми в почвенном профиле и полностью включаются в биологический круговорот.
Вредное потенциальное влияние азота, вносимого с удобрениями, может быть сведено к минимуму путем максимального использования азота сельскохозяйствен-ными культурами. Итак, нужно заботиться, чтобы при повышении доз азотных удобрений увеличивалась эффективность использования их азота растениями; не оставалось большого количества неиспользованных растениями нитратов, которые не удерживаются почвами и могут вымываться осадками из корнеобитаемого слоя.
Растения имеют свойство накапливать в своих организмах нитраты, содержащиеся в почве в избыточных количествах. Урожайность растений растет, но продукция оказывается отравленной. Особенно интенсивно аккумулируют нитраты овощные культуры, арбузы и дыни.
В России приняты ПДК нитратов растительного происхождения (таблица 3). Допустимая суточная доза (ДСД) для человека составляет 5 мг на 1 кг веса.
Таблица 3 – Допустимые уровни содержания нитратов в продуктах
растительного происхождения, мг/кг
Сами нитраты не оказывают токсичного действия, но под влиянием некоторых кишечных бактерий они могут переходить в нитриты, обладающие значительной токсичностью. Нитриты, соединяясь с гемоглобином крови, переводят его в метгемоглобин, который препятствует переносу кислорода по кровеносной системе; развивается заболевание – метгемоглобинемия, особенно опасное для детей. Симптомы заболевания: полуобморочное состояние, рвота, диарея.
Изыскиваются новые пути уменьшения потерь питательных веществ и ограничения загрязнения ими окружающей среды:
Æ Для уменьшения потерь азота из удобрений рекомендуются медленнодействующие азотные удобрения и ингибиторы нитрификации, пленки, добавки; вводится капсулирование тонкозернистых удобрений оболочками серы, пластиков. Равномерное высвобождение азота из этих удобрений исключает накопление нитратов в почве.
Æ Большое значение для окружающей среды имеет применение новых, высококонцентрированных, комплексных минеральных удобрений. Для них характерно то, что они лишены балластных веществ (хлориды, сульфаты) или содержат их незначительное количество.
Отдельные факты отрицательного влияния удобрений на окружающую среду связаны с ошибками в практике их применения, с недостаточно обоснованными способами, сроками, нормами их внесения без учета свойств почв.
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 рН, ионной силы, комплексообразования; внекорневая подкормка и внесение питательных элементов в прикорневую зону; регулирование избирательности растений.
2. Ухудшение физических свойств почв. В качестве путей устранения отрицательных последствий применяются прогноз и сбалансированность системы удобрений; используются структурообразователи для улучшения структуры почвы.
3. Ухудшение водных свойств почв. В качестве путей устранения отрицательного последствия применяются прогноз и сбалансированность системы удобрений; используются компоненты, улучшающие 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.
6. Появление несбалансированности в листьях, нарушение циклов метаболизма, ухудшение технологических и вкусовых качеств.
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.
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. Для устранения отрицательных последствий применяют внесение органических удобрений, создание структуры, оптимизация рН, 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.
14. Ухудшение воздушного режима почвы. Для устранения отрицательного действия необходимо оптимизировать систему удобрений, вносить мелиоранты, создавать структуру почвы.
15. Почвоутомляемость. Необходимо сбалансировать систему удобрений, строго выполнять план 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.
Основными причинами появления скрытого отрицательного действия удобрений в почвах являются:
Æ несбалансированное применение различных удобрений;
Æ превышение применяемых доз по сравнению с буферной емкостью отдельных компонентов экосистемы;
Æ направленный подбор форм удобрений для отдельных типов почв, растений и условий среды;
Æ неправильные сроки внесения удобрений для конкретных почв и условий среды;
Æ внесение вместе с удобрениями и мелиорантами различных токсикантов и их постепенное накопление в почве выше допустимого уровня.
Таким образом, применение минеральных удобрений является фундаментальным преобразованием в сфере производства вообще и главное в земледелии, что позволяет коренным образом решать проблему продовольствия и сельскохозяйственного сырья. Без применения удобрений сейчас сельское хозяйство немыслимо.
При правильной организации и контроле применения минеральные удобрения не опасны для окружающей среды, здоровья человека и животных. Оптимальные научно-обоснованные дозы увеличивают урожайность растений и повышают количество продукции.
Заключение
С каждым годом агропромышленный комплекс все больше и больше прибегает к помощи современных технологий с целью увеличить продуктивность почвы и урожайность культур, не задумываясь при этом, какое влияние оказывают они на качество того или иного продукта, здоровье человека и окружающую среду в целом. В отличие от аграриев экологи и медики всего мира ставят под сомнение чрезмерное увлечение биохимическими новинками, которые буквально оккупировали рынок сегодня. Производители удобрений друг поперек дружки расписывают преимущества собственного изобретения, ни слова не упомянув о том, что неправильное или чрезмерное внесение удобрений может иметь пагубное влияние на почву.
Специалисты давно установили, что избыток удобрений приводит к нарушению экологического равновесия в биоценозах почв. Химические и минеральные удобрения, особенно нитраты и фосфаты, ухудшают качество пищевых продуктов, а также существенно влияют и на здоровье человека, и на стабильность агроценозов. Особое опасение у экологов вызывает то, что в процессе загрязнения почвы нарушаются биогеохимические циклы, что в последствие приводит к обострению общей экологической обстановки.
Список использованной литературы
1. Акимова Т. А., Хаскин В. В. Экология. Человек – Экономика – Биота – Среда. – М., 2001
2. Вальков В. Ф., Штомпель Ю. А., Тюльпанов В. И. Почвоведение (почвы Северного Кавказа). – Краснодар, 2002.
Негативное влияние удобрений на окружающую среду
Загрязнение природной среды агрохимическими средствами оказывает 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. Попадание удобрений, их соединений и сопутствующих им элементов в атмосферу и окружающую среду сказывается на здоровье животных и человека.
- 2. Неправильное применение удобрений может ухудшить круговорот и баланс питательных веществ, агрохимические свойства и плодородие почвы.
- 3. Нарушение агрономической технологии применения удобрений, несовершенство качества и свойств минеральных удобрений могут снизить урожай сельскохозяйственных культур и качество продукции.
- 4. Попадание питательных элементов удобрений и почвы в грунтовые воды с поверхностными стоками может привести к усиленному развитию водорослей, образованию планктонов, т. е. к эвтрофированию природных вод.
- 5. Нарушение оптимизации питания растений макро- и микроэлементами приводит к различным заболеваниям растений, а часто и способствует развитию фитопатогенных грибных болезней, ухудшающим фитосанитарное состояние почв и посевов.[2]
Установить пределы безопасного содержания того или иного элемента в почве сложно. Уровень токсичности элементов зависит кислотности почвы, влажности, содержания гумуса, вида растений и т. д. Исследованиями установлено, что растения из удобрения, с учётом действия и последствия, усваивают азота 40-60%, фосфора- 20-30% и калия 50-60%.[1]
При избыточном внесении удобрений, в первую очередь азотных, неправильном их применении водоёмы и грунтовые воды загрязняются нитратами, сульфатами, хлоридами и другими соединениями. Питательные вещества удобрений, попавшие в водоисточники, приводят к образованию планктона, то есть вызывают эвтрофикацию природных вод. Процесс эвтрофикации в основном обуславливается фосфором и азотом. Причём фосфор в этом процессе более важен. Среди других веществ — органический углерод, микроэлементы и витамины. Наиболее нежелательное последствие эвтрофикации — чрезмерное развитие водорослей в водоёмах — цветение и заболачивание из-за разрастания прибрежной флоры, что постепенно сокращает площадь водоёма. Оптимальный рост водорослей происходит при концентрации фосфора 0.09-1.8 мг/л, нитратного азота- 0.9-3.5 мг/л, цветение воды — когда концентрация фосфора в ней превышает 0.01 мг/л. Более низкие концентрации этих элементов ограничивают рост водорослей. Следует иметь в виду, что умеренная эвтрофикация повышает рыбную продуктивность водоёмов.
Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воде водоёмов хозяйственно-питьевого и рыбохозяйственного использования, мг/л
тов в воде, пище, кормах вызывает острые желудочно-кишечные расстройства, отравления и хронические заболевания. Поступившие в пищеварительный тракт нитраты всасываются в кровь и с ней попадают в ткани. Через 4-12 часов большая их часть (80% у молодых и 50% у пожилых людей) выводится из организма с мочой, а часть остаётся в организме. По имеющимся данным, 65% и больше нитратов, оставшихся в организме человека, трансформируются в нитриты.
Избыточное количество нитратов, поступивших в организм человека, сначала превращается в нитриты под влиянием микробиологической и ферментативной деятельности пищеварительной системы. Образовавшиеся нитриты легко проникают из кишечника в кровь и инактивируют основное вещество крови — гемоглобин, превращая его в метгемоглобин. Это приводит к нарушению процесса усвоения кислорода из воздуха в лёгких и тканях, в результате чего возникает голодание организма, подобное тому, как это случается под действием угарного газа. При поступлении в желудок нитритов содержание активного гемоглобина в крови может снижаться на 12%.
При избыточном поступлении нитратов человек заболевает метгемоглобинемией (синюшностью). Образующийся под действием нитратов метгемоглобин и нитрогемоглобин не могут доставлять кислород к тканям организма. У здорового человека содержание метгемоглобина в крови не превышает 2%. Первые признаки метгемоглобинемии проявляются при содержании в крови 7% метгемоглобина. Лёгкая форма этого заболевания наблюдается при содержании 10-20% метгемоглобина, тяжёлая — при содержании метгемоглобина более 40%. Замещение 20% гемоглобина метгемоглобином и нитрогемоглобином вызывает отравление, сопровождающееся сильной гипоксией, т. е. кислородной недостаточностью. При 80%-ном замещении гемоглобина наступает смерть от удушья.[2]
Справедливости ради следует заметить, что в последние годы прежняя информация о метгемоглобинемии оценивается несколько иначе. Подчёркивается, например, что заболевания детей вызываются совместным действием высокой концентрации нитратов и бактериальной загрязнённости питьевой воды. Не всегда подтверждается мнение некоторых учёных о существовании прямой связи между уровнем химизации земледелия и раком желудка. Так, эта болезнь чаще встречается у жителей Швеции, а не Нидерландов. Между тем в первой на 1 га пашни вносится 160 кг полного минерального удобрения и ежесуточно с пищей одним человеком поглощается 49 мг NO3, во второй же — соответственно 788 кг и 135 мг. На стол японца поступает 240-400 мг при допустимой их норме, по рекомендациям Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), 3.65-5.00 мг на 1 кг массы человека. При этом по продолжительности жизни своих сограждан Япония занимает первое место в мире. Сказанное, однако, не исключает опасность нитратов для здоровья человека [5,6].
При отравлении нитритами сильно страдает центральная нервная система, в результате чего повышается значительная активность, частота сердцебиения и дыхания, повышается содержание молочной кислоты, холестерина, лейкоцитов в крови. Особенно остро страдает от нитритов молодой организм. От нитритов у молодых животных наблюдается замедление роста и полового созревания.
Нитриты, помимо их непосредственного ядовитого действия, могут взаимодействовать с органическими веществами: аминами и аминокислотами, которые содержатся в большом количестве в организме и продуктах питания. В этом случае нитриты превращаются в канцерогенные вещества — нитрозоамины. Основной их вред заключается в том, что они вызывают раковые заболевания. Учёные США и Нидерландов показали, что рост числа раковых заболеваний статистически достоверен из-за образования нитрозоаминов в виски, пиве, моркови и столовой свекле. Нитрозоамины легко образуются при химическом взаимодействии нитритов с продуктами питания, богатыми белками (мясо, молоко, яйца, рыба), а аминосодержащими медпрепаратами (амидопирин, окситетрациклин и т. д.), с продуктами обмена веществ в организме (аминокислоты, полиамины).
Все причины накопления нитратов в растениях условно можно разделить на две группы: биологические и хозяйственные. Эволюционное развитие растений происходило в условиях дефицита азота, что выработало биологический механизм запасания впрок. Причиной избыточного содержания азота в растениях является и антропогенный фактор, обусловленный хозяйственной деятельностью человека.
Основной причиной избыточного накопления нитратов в растениях являются условия минерального питания, создаваемые человеком. Наибольшее значение принадлежит при этом режиму азотного питания растений, который включает состав и количество применяемых удобрений. Несбалансированное по формам, составу и соотношению с другими элементами минерального питания растений азотное удобрение приводит к загрязнению нитратами овощей. Полная замена минеральных удобрений органическими, особенно несбалансированное внесение навоза, приводит к более высокому содержанию нитратов в растениях, чем применение минеральных удобрений. Использование углеаммиакатов и мочевины в качестве единственного азотного удобрения под овощные культуры также ведёт к накоплению избытка нитратов в период вегетативного роста растений. Поскольку аммонийная форма азота поглощается растениями конкурентно по отношению к калию, то преобладание ионов калия способствует накоплению нитратов. По некоторым данным на азотные удобрения приходится 47% «вины» за накопление нитратов растениями. На плодородных почвах растения накапливают много нитратов и без внесения азотных удобрений.[7]
2.2 Особенности влияния фосфорных удобрений
Фосфорные удобрения, наряду с азотными, несут потенциальную опасность загрязнению окружающей среды. Чрезмерное их внесение может привести к накоплению в почве различных загрязняющих элементов, которые содержатся в фосфорных удобрениях в качестве примесей.
С минеральными удобрениями в почву может поступать мышьяк: в двойном суперфосфате его содержится до 320 мг/кг, в простом — до 300, в комплексных азотно-фосфорных удобрениях — до 47, в азотно-фосфорно-калийных — до 59 мг/кг. С 1 кг простого суперфосфата в почву вносится также до 49 мг свинца, двойного — до 38, фосфорной муки — до 20 мг, со сложном удобрениями — 40-150 мг. Двойной суперфосфат содержит кадмия до 3.5, простой — до 2.2 мг/кг. Высоким содержанием кадмия отличаются сапропели — 50-100 мг/кг сухой массы.
В фосфорных удобрениях в небольших количествах содержатся радионуклиды уран, радий, торий и другие. Урана-238 больше всего содержится в удобрениях, полученных из фосфоритов, тория-232 из апатитов. Источником загрязнения почв радием могут служить фосфорсодержащие удобрения, произведённые из фосфатов, богатые ураном, после извлечения этого элемента для нужд атомной промышленности.
Таким образом, многие минеральные удобрения, содержащие фосфор, могут «обогащать» земли сельскохозяйственного использования тяжёлыми металлами, обладающей естественной радиацией.[8]
К отходам промышленности, используемым в качестве удобрений и содержащим тяжёлые металлы, прежде всего, относятся фосфогипс, томасшлаки, цементная пыль. В фосфогипс переходят все элементы, которые были в апатите. Он может содержать до 10% оксидов марганца, стронция, редкоземельных металлов. Исследования показали, что использование фосфогипса заметно изменяет количество и соотношение щелочноземельных элементов в золе растений. Однако даже при внесении больших доз фосфогипса не следует опасаться накопления стронция в продукции, так как гипс препятствует его переходу из почвенного раствора в растение.
При внесении в почву в качестве фосфорных удобрений томасшлаков происходит загрязнение почвы хромом, так как его содержание в шлаке достигает 500 мг/кг. Однако содержащиеся в шлаках в большом количестве кальций и связывающие хром соединения фосфора, железа и свинца снижают поступление хрома в растения. В целом же пока не до конца изучено влияние отходов промышленности, используемых на удобрения, на накопление в растениях и почвах тяжёлых металлов [9].
2.3 Хлор и фтор в окружающей среде
Вместе с минеральными удобрениями в почву поступают хлор и фтор. Поступление хлора в растениях поступает преимущественно из калиевых и натриевых солей. Хлор в небольших количествах необходим для нормального роста и развития растений. Суточная потребность человека в хлоре 5-7 г. повышенное содержание хлора в растениях отрицательно сказывается на многих показателях. Хлор нарушает в растениях окислительно-восстановительные процессы. Под влиянием избытка хлора происходит снижение крахмала в клубнях картофеля, эфирных масел в эфироносных растениях (розе, лаванде), углеводов в плодово-ягодных культурах и винограде. Содержание хлора в сухом веществе растений больше 0.1% считается повышенным. Предельно допустимое содержание хлоридов в воде водоёмов хозяйственно-питьевого пользования 350 мг/л.
Фтор относится к первому классу высокоопасных химических веществ, загрязняющих почву. Фтор поступает в почву различными путями. Его источниками являются горные породы, минералы, вулканические газы, содержащие в больших количествах фтористый водород, который затем с атмосферными осадками попадает в почву. Источником, заслуживающим особого внимания, являются фосфорные удобрения. Ежегодно с фосфорными удобрениями поступает 3 млн. тонн фтора. С каждой тонной простого суперфосфата в почву попадает 6.2 кг фтора, двойного- 4 кг. В среднем на десять единиц фосфора с минеральными удобрениями вносится одна единица фтора. Допустимое содержание фтора в почве- 3 мг/кг. При превышении происходит накопление его в кормах в токсических количествах, а также миграция его в грунтовые воды.
Суточная норма потребления фтора человеком — 3 мг. При недостатке фтора развивается кариес зубов. В Белоруссии это заболевание широко распространено, что связано с низким содержанием фтора в воде. Поэтому фосфорные удобрения можно рассматривать как фактор, позволяющий повысить его содержание в растениеводческой продукции.
Более опасно для здоровья людей и животных избыточное содержание фтора. При избытке фтора развивается флюороз — хроническое заболевание, выражающееся в изменении тканей зубов и других костных образований. Если содержание фтора в воде больше 2 мг/л, у человека разрушается эмаль зубов, 8 мг/л — флюороз (остеосклероз) скелета. Избыток фтора неблагоприятно действует на растения, угнетая ферменты, тормозя фотосинтез, процессы дыхания, рост. Больше всех накапливают фтор петрушка, щавель, лук. Повышенное содержание фтора в воде и кормах снижает продуктивность животных, угнетает их развитие, приводит к отравлению.[10]
Источник https://www.activestudy.info/vozmozhnoe-negativnoe-vliyanie-udobrenij-na-plodorodie-pochvy/
Источник https://studopedia.ru/21_32895_vozdeystvie-udobreniy-na-okruzhayushchuyu-sredu.html
Источник https://studwood.net/997541/ekologiya/negativnoe_vliyanie_udobreniy_okruzhayuschuyu_sredu
