Помоги проекту - поделись книгой:
Овсянников Юрий Алексеевич
Теоретические основы
эколого–биосферного земледелия
ПРЕДИСЛОВИЕ
Монография явилась результатом длительной экспериментальной, а затем аналитической работы автора. В разные годы ее проведение поддерживалось научными сотрудниками УралНИИСХоза, преподавателями Пермской СХА, УрСХА и УрГЭУ. На первом этапе неоценимую помощь оказали Ольга Андреевна Дурасова и профессор Николай Александрович Халезов. Ольга Андреевна помогала проведению полевых и вегетационных опытов, а Николай Александрович давал нам своевременные замечания и рекомендации по обработке их результатов.
Большую признательность автор выражает бывшему ученому секретарю Ботанического сада УО РАН Лидии Александровне Семкиной, которая предоставила возможность провести лабораторные исследования с использованием специальных приборов. Работа на них была бы невозможной и без помощи инженера–биолога Ольги Максимовны Овсянниковой.
Эффективность исследовательской работы во многом зависит от соответствующего ее оформления. В этом нам значительную поддержку оказал Виталий Георгиевич Серебрянников. При его содействии была издана монография "Экологическое земледелие". Идеи и мысли автора, изложенные в ней, стали основой для написания настоящей монографии.
Автор выражает благодарность и заведующему кафедрой экономики природопользования УрГЭУ профессору Якову Яныбаевичу Яндыганову. Его исследования и активная позиция оказали на него заметное влияние.
Не без основания может быть поставлен вопрос: не сведется ли в будущем успешная культура и богатые урожаи хлебных растений на приспособление почвы к роскошному развитию в ней микробиологических процессов.
Не исключена возможность с течением времени заменить внесение минеральных удобрений полностью или частично, по крайней мере, при некоторых сельскохозяйственных культурах, созданием соответствующего микробного режима почв.
ВВЕДЕНИЕ
Главной задачей земледелия является увеличение урожайности культурных растений. Для этого в настоящее время в сельском хозяйстве используются технологии, предусматривающие интенсивное применение минеральных удобрений, ядохимикатов, многократную обработку почвы, превращение на обширных территориях естественных биоценозов в искусственные. Ориентация на индустриально–технологические системы земледелия позволила многим развитым странам в относительно короткий исторический отрезок времени значительно увеличить объемы производства продуктов питания.
Однако на фоне имеющихся достижений сельского хозяйства к концу XX в. обозначились и его недостатки. В пахотных почвах наблюдается постоянное снижение содержания гумуса, ухудшаются их биологические свойства. Нерегулируемое применение средств химизации стало причиной накопления в почвах и грунтовых водах остатков минеральных удобрений и ядохимикатов, изменения биогеохимических потоков и загрязнения природных объектов. Агроэкосистемы, утратившие видовое разнообразие, свойственное естественным, превратились в простые одновидовые, а следовательно, и неустойчивые сообщества. Поддерживание их состояния, которое обеспечивает необходимый уровень урожайности, с каждым годом требует все больших и больших затрат. В целом воздействие сельскохозяйственного производства на окружающую среду стало настолько сильным, что это может быть причиной подрыва плодородия пахотных земель в будущем и постепенной деградации отдельных структурных компонентов агроландшафтов.
Неконтролируемое использование средств химизации явилось причиной ухудшения качества продукции сельского хозяйства. В ней стали обнаруживаться нитраты, химические элементы, содержащиеся в удобрениях, остатки ядохимикатов. Снизилась ее биологическая полноценность. Это проявляется в неблагоприятных изменениях в аминокислотном составе, снижении содержания витаминов, Сахаров, различных биологически активных веществ. Употребление таких продуктов питания населением, проживающим в условиях сильного техногенного загрязнения, снижает устойчивость человеческого организма к действию неблагоприятных факторов.
В сложившейся ситуации нужно безотлагательно начать поиски принципиально новых способов выращивания культурных растений, которые бы обеспечивали высокую продуктивность пахотных земель, получение биологически полноценной сельскохозяйственной продукции, не наносили ущерба биосфере, и, более того, способствовали решению глобальных экологических проблем. Думается, что решение этой задачи в рамках индустриальнотехнологических систем земледелия невозможно. Это объясняется особенностями существующих подходов к повышению урожайности культурных растений. Они основаны на технократических приемах, которые с течением времени неизбежно вступают в противоречие с природными процессами.
Некоторые считают, что все перечисленные проблемы возникают из–за несоблюдения технологий выращивания сельскохозяйственных культур. Другие не придают им значения, так как с переходом к новой экономической системе объемы использования минеральных удобрений и ядохимикатов резко сократились. Полностью согласиться с этими аргументами нельзя. Во-первых, в странах с развитым сельским хозяйством, с высоким уровнем технологической дисциплины многие обозначенные проблемы еще более актуальны, чем в России. Во–вторых, спад в экономике будет продолжаться не вечно. Наступит период экономического роста. А это значит, что воздействие земледелия на окружающую среду достигнет прежних размеров, и все экологические проблемы вновь заявят о себе.
В связи с быстрым ухудшением состояния окружающей среды программой биосферных и экологических исследований РАН на период до 2015 г. предусматривается разработка альтернативных вариантов технологических стратегий природопользования. Этому вопросу, в приложении к сельскохозяйственному производству, и посвящена данная работа.
Глава 1. МИНЕРАЛЬНЫЕ УДОБРЕНИЯ И ПРОБЛЕМЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
По мнению широкого круга специалистов, обеспечение населения планеты продуктами питания невозможно без химизации сельского хозяйства. Под этим подразумевается широкое применение минеральных удобрений и пестицидов. В настоящее время объемы их мирового производства достигли внушительных размеров и в ряде стран продолжают увеличиваться.
Вместе с тем, неконтролируемое использование минеральных удобрений и пестицидов стало причиной загрязнения окружающей среды [398]. И поэтому они стали рассматриваться не только как фактор повышения урожайности сельскохозяйственных культур, но и как фактор, нарушающий глобальные круговороты веществ в биосфере.
1.1. Минеральные удобрения в сельском хозяйстве
К выдающимся достижениям науки XIX в. относится создание учения о минеральном питании растений. Это дало сильный толчок развитию целой отрасли промышленности, занимающейся производством минеральных удобрений. Их применение в земледелии давало возможность очень быстро повысить урожайность сельскохозяйственных культур. Уже в 1890 г. мировое производство туков составило 1,4—1,5, в 1913 г. — 3,9, а в 1938 г. — 8,4 млн. т действующего вещества [430]. За одно десятилетие, с 1960 по 1970 г., производство минеральных удобрений увеличилось более чем в два раза и достигло 67,7 млн. т. В результате этого на каждый гектар европейской пашни вносилось 103,7 кг азота, фосфора и калия. Благодаря применению минеральных удобрений и других агротехнических приемов урожайность зерновых культур в Англии, Дании, Нидерландах и ФРГ к 1965 г. была доведена до 30—40 ц/га.
Исследования, проведенные во второй половине XX в., показали, что при использовании минеральных удобрений, наряду с увеличением урожайности, изменяется и качество растениеводческой продукции. Например, внесение азотных удобрений в дозе 180—300 кг/га (действующего вещества) позволило повысить содержание сырого протеина в злаковых травах с 13 до 17—22% и превратить их в корм, белковость которого сопоставима с бобовыми культурами [507]. Учитывая высокую требовательность бобовых растений к условиям выращивания, сложность их семеноводства и появившуюся возможность получения достаточного количества кормов с высоким содержанием сырого протеина за счет применения азотных удобрений на злаковых травостоях, в научной и производственной сферах появляются первые признаки недооценки бобовых как источника кормов и средства восполнения дефицита азота в земледелии [458]. В подтверждение этой точки зрения специалисты, считающие, что выращивание бобовых становится невыгодным, в дискуссиях со своими оппонентами обращают их внимание на продолжающееся насыщение рынка минеральными удобрениями. За следующее десятилетие, с 1970 по 1980 г., мировое производство туков увеличилось с 67,7 до 122,7 млн. т действующего вещества, то есть практически опять удвоилось [549].
Немногим ранее, в конце 50‑х — начале 60‑х гг., в исследованиях по уточнению баланса питательных веществ в почве, проведенных с использованием радиоактивных изотопов, выяснилось, что коэффициент использования азота из минеральных удобрений оказался на 20% ниже уровня, который был определен расчетным разностным методом [464]. Одновременно обнаружены способность минерального азота передвигаться по профилю почвы и существование газообразных потерь [327]. Но эта информация в большинстве случаев воспринималась только как некоторое уточнение наших представлений об эффективности минеральных удобрений, что вполне объяснимо, так как последствия миграции биофильных элементов в биосфере проявились не сразу.
В погоне за высокими урожаями, под влиянием, как казалось, от почти беспредельных возможностей повышения урожайности полевых культур за счет интенсивного применения минеральных удобрений, фермерами Европы к 1977 г. на каждый гектар пашни вносилось 210,3, ГДР — 332,7, ФРГ — 422,0, а Нидерландов — 737,3 кг действующего вещества азота, фосфора и калия [549]. Произошло и увеличение урожайности сельскохозяйственных культур. Она у зерновых культур поднялась до 40—50 ц/га. Определение доли участия различных факторов в повышении урожайности растений показало, что на минеральные удобрения приходится от 35 до 50% [423, 562]. Поэтому их применение, по мнению многих специалистов, остается на данный момент и на отдаленную перспективу основным способом увеличения продуктивности пахотных земель. В исследованиях, проведенных автором, минеральные удобрения также повышали урожайность сельскохозяйственных культур (прил. 1—4).
По оценке ЮНИДО, сделанной в 1970‑х гг., мировое производство минеральных удобрений в 2000 г. должно было составить 307 млн. т действующего вещества [548, 549]. Однако сейчас становится ясно, что этот прогноз не оправдывается. В Западной Европе объемы использования удобрений в последние годы стабилизировались, а в Северной Америке рост незначителен. К концу века потребление удобрений, очевидно, не превысит 140 млн. т (табл. 1). Большая часть применяемых удобрений — это азотные удобрения. Их доля в общем объеме составляет более 56% [262].
| Годы | Западная Европа | Северная Америка | Мировое потребление |
| 1994—1995 | 17,7 | 21,7 | 121,8 |
| 1995—1996 | 17,7 | 22,4 | 128,7 |
| 1996—1997 | 17,8 | 23,0 | 130,1 |
| 1997—1998 | 17,3 | 23,4 | 134,4 |
До 1990 г. увеличивалось производство и применение минеральных удобрений и в бывшем СССР. К 1987 г. выпуск туков был доведен до 27,4 млн. т азота, фосфора и калия в действующем веществе [493]. После распада Союза и наступления экономического кризиса производство и применение минеральных удобрений в России неуклонно сокращалось (табл. 2).
| Показатель | 1990 | 1991 | 1992 | 1993 | 1994 | 1995 |
| Поставка удобрений, тыс. т | 11051 | 10 102 | 5510 | 3721 | 1398 | 1601 |
| Внесение, кг на 1 га пашни | 83,4 | 79,4 | 44,2 | 31,8 | 12,1 | 14,1 |
Отмечается сокращение использования минеральных удобрений и в ряде развитых стран. Так, применение минеральных удобрений в США в 1988 г., по сравнению с 1980 г., снизилось с 20,96 до 17,68 млн. т [189]. За этот же период их внесение на 1 га пашни снизилось в США с 113 до 106, Италии — с 189 до 169, Дании — с 263 до 245, Японии — с 429 до 378 кг [416]. Но это вызвано совсем другими обстоятельствами, чем в России. Одной из причин сокращения применения минеральных удобрений в некоторых странах с развитым сельским хозяйством является рост озабоченности по поводу отрицательных последствий, возникающих в результате их использования.
1.2. Биогеохимические аспекты миграции азота и фосфора из почв сельскохозяйственного использования
Изучение эффективности применения удобрений показало, что из общего количества внесенного в почву азота сельскохозяйственными растениями усваивается около 40% [507]. Остальная часть подвергается иммобилизации, улетучивается в виде газообразных соединений и вымывается из пахотного горизонта (рис. 1). Вымывание азота удобрений объясняется хорошей растворимостью его минеральных форм в воде. Это позволяет им легко передвигаться по профилю почвы. На скорость миграции оказывают влияние растительный покров, механический состав почвы, ее водопроницаемость, количество фильтрующейся воды, запас подвижных соединений азота [69].
Рис. 1. Судьба азотных удобрений в почве [38]
В опытах, проведенных в полевых условиях на среднесуглинистой серой лесной почве, установлено, что после внесения в течение четырех лет аммиачной селитры в дозе 60 и 120 кг/га действующего вещества азот удобрений обнаруживался ниже пахотного слоя на глубине 20— 200 см в количестве от 7 до 21% [383]. В других исследованиях при внесении за девятилетний период 1020 кг/га нитраты вымывались на глубину 2—3 м, а потери от внесенного азота составили 8,14% [73]. В условиях Эстонской ССР из почв вымывается в среднем 0,2—10% азота минеральных удобрений [237].
Принимая во внимание, что от 20 до 70% атмосферных осадков, выпадающих в лесной зоне, принимают участие в питании грунтовых вод [249], к решающим факторам, определяющим миграцию азота в подпахотные горизонты почвы, очевидно, следует отнести водный режим почв и наличие подвижных соединений. Так, в годы с недостаточным количеством осадков передвижение нитратного азота глубже одного метра, независимо от выращиваемых сельскохозяйственных культур, происходит очень слабо, но в увлажненные годы потери при внесении N120 составили 29 кг/га, что было выше, по сравнению с вариантом без внесения удобрений, на 20% [311].
В то же время имеются сведения, что и в зонах с недостаточным количеством осадков соединения азота способны проникать в подпочвенные горизонты. В опыте, проведенном в Курганском НИИЗХ, систематическое применение в течение 10 лет азотных удобрений даже в умеренных дозах (40 кг/га) увеличивало содержание нитратов в грунтовых водах на глубине 2,5— 3 м в 2 раза [241].
Минеральные соединения азота, накапливающиеся в подпахотных горизонтах почв, включаются в геохимическую миграцию. Это в стационарном опыте наблюдал И. С. Шатилов [582]. Изучение геохимических потоков показало, что существует положительная корреляция между количеством применяемых удобрений и содержанием нитратов в фунтовых водах (табл. 3). В модельных опытах внесение азота в дозе 129 кг/га повышало его вымывание по сравнению с контролем на 6— 19% [576].
Отражением миграционных процессов являются и результаты исследований, согласно которым в пробах воды лесного родника нитратов обнаружено не было, а в роднике, дренирующем пашню, их содержание было максимальным и составляло 7,1—8,9 мг/л [82]. В геохимических исследованиях, проведенных в водоохранной зоне Иваньковского водохранилища, содержание азота в грунтовых водах под лесом и естественным лугом составляло 0,1—0,3 мг/л, а под сельскохозяйственными культурами — 16,3 мг/л [37]. Еще большее содержание нитратов в грунтовых водах наблюдали в опытах, проведенных на экспериментальной базе ТСХА "Михайловское". При систематическом применении удобрений в количестве 200 кг/га N, Р2О5, К2О их концентрация превысила 30—50 мг/л [187].
Оценивая степень загрязнения грунтовых вод, необходимо учитывать не только участие в этом процессе удобрений, но также и их способность повышать подвижность почвенного азота. Причины этого явления будут рассмотрены ниже.
Подвержен вымыванию из почв, но в меньшей степени, чем азот, и фосфор. При общих незначительных потерях фосфора из пахотного слоя, от 0,2 до нескольких килограммов в год, внесение фосфорных удобрений увеличивает их в 1,5—3,7 раза [65, 378].
Вымывается из почв и калий. Но этому процессу пока еще не уделяется большого внимания, так как считается, что калий не представляет особой опасности. Его содержание в грунтовых водах в России даже не регламентируется. Вместе с тем, известны примеры, когда его концентрация в воде колодцев достигает 85—92 мг/л. Это значительно выше фоновой, которая составляет 0,5—3 мг/л [37].
Изменение биогеохимических потоков в агроландшафтах в результате применения минеральных удобрений настолько значительно, что это дало основание для выделения на территориях с интенсивной сельскохозяйственной деятельностью целых биогеохимических районов. Их отличает от естественных повышенное содержание соединений азота и фосфора в почвах, культурных и дикорастущих растениях, грунтовых водах [48, 453]. Так, по сведениям В. Н. Кудеярова и В. Н. Башкина, грунтовые воды, дренирующие только лесные ландшафты, практически не содержат соединения азота, а грунтовые воды, формирующиеся на освоенной территории реки Оки, содержат нитратный азот в количестве 0,11—17,0 мг/л [284].
Загрязнение грунтовых вод, изменение в агроландшафтах биогеохимических циклов неизбежно ведет к усилению миграции нитратов и соединений фосфора. Они с грунтовыми и поверхностными стоками поступают в водные объекты. Это является главной причиной загрязнения биогенными элементами водоемов, расположенных в районах с неразвитой промышленностью. Даже при низких концентрациях азота и фосфора в почвенных водах они могут аккумулироваться в значительных количествах в водных объектах, имеющих в своем бассейне большие площади сельскохозяйственных угодий. Например, потери фосфора из удобрений за счет вымывания невелики и составляют всего 0,1— 0,2% от внесенного в почву. В то же время содержание фосфатов в озерах Эстонии за последние 30 лет повысилось в среднем в 9 раз [237]. Такие же результаты получены при исследовании озер Литвы, в которых концентрация азота и фосфора под влиянием главным образом сельскохозяйственного производства увеличилась в 5—10 раз [526]. В реках южного региона содержание соединений азота только за период с 1983 по 1987 г. увеличилось в два раза [47].
Из общего количества биогенных веществ, поступающих в водоемы, азот и фосфор, теряемые с аграрных территорий с жидким и твердым стоком, могут составлять до 70% [626, 631, 9]. Существующие методы изучения геохимических потоков пока не позволяют достаточно надежно определить долю участия в этом процессе минеральных удобрений и элементов, содержащихся в почве. Простые математические расчеты дают только ориентировочные сведения. Специалисты из Чехословакии считают, что загрязнение водоемов на 45—50% связано со смывом удобрений [650]. По сведениям ученых из Германии, 10—25% азота и 1—5% фосфора, обнаруживаемых в водоемах, имеют происхождение из минеральных удобрений [562]. В работах русских ученых эти показатели равны соответственно 20 и 2,5% [65]. Ландшафтногеохимические исследования баланса азота в бассейне реки Оки показали, что 50—80% от всех поступлений этого элемента в водоисточники приходится на минеральные удобрения [282]. В реках, впадающих в Каспийское море, доля биогенных элементов минеральных удобрений достигает 50 и даже 80% [529].
Одним из источников поступления в окружающую среду азота и фосфора являются погрузочно–разгрузочные работы, а также транспортировка минеральных удобрений. По данным БелНИИПА, потери минеральных удобрений на этапе "завод — поле" составляют около 15% [342].
Следствием увеличения содержания в водоемах азота и фосфора является повышение скорости размножения водорослей. Это явление называется эвтрофирование. Эвтрофирование водоемов представляет собой природный процесс, развитие которого обусловлено геохимической миграцией в ландшафтах биофильных элементов. В естественных условиях, из–за ограниченного поступления биогенных элементов, оно происходит на протяжении нескольких тысячелетий. Однако под действием антропогенного фактора, и в частности минеральных удобрений, образование первичной продукции в водных экосистемах повышается в несколько раз. Это способствует быстрому последовательному переходу водоемов от одного трофического уровня к другому. Такие изменения часто приобретают лавинообразный характер и ведут к быстрому превращению водного объекта в болото [506]. Скорость эволюционных преобразований настолько велика, что срок жизни водоемов может сокращаться с десятков тысяч до нескольких сотен лет.
Эвтрофйрование существенно изменяет характеристики водных экосистем. Изменяется физико–химический режим водоема и состав его биоты. На первых этапах происходит увеличение общей биологической продуктивности за счет усиленного размножения отдельных компонентов фито– и зоопланктона на фоне одновременного сокращения его видового состава. Например, в мезотрофных озерах постепенно уменьшается число видов ракообразных и увеличивается разнообразие коловраток [375]. Среди первичных продуцентов чаще всего преимущественное развитие получают сине–зеленые водоросли [303]. В результате повышения биопродуктивности вода обогащается органическим веществом, образующимся после разложения отмирающего планктона. Этот материал, представляя благоприятную среду для микроорганизмов, способствует бактериальному загрязнению воды, максимум которого наблюдается в период гниения планктона [358].
Интенсивное разложение органического вещества, после его осаждения на дно водоема, сопровождается выделением большого количества метана, сероводорода, углекислоты и сокращением запасов растворенного кислорода. В отдельные годы содержание кислорода снижается настолько, что это приводит к массовым заморам молоди рыб. Поэтому во всех водоемах, затронутых эвтрофированием, с течением времени происходит сокращение видового состава обитающих там живых организмов и снижение рыбопродуктивности [501].
Эвтрофирование водоемов представляет определенную опасность для человека и сельскохозяйственных животных. Являясь продуцентами токсических веществ, сине–зеленые водоросли могут способствовать повреждению кожных покровов, возникновению заболеваний дыхательной системы и острых аллергических конъюнктивитов [148]. С интенсивным развитием в водоемах сине–зеленых водорослей связывают возникновение у людей и животных гафской болезни. Установлено, что содержащаяся в водорослях тиамилаза, аккумулируясь в организме планктоноядных рыб, вызывает разрушение витамина В1 Развивающаяся тиаминная недостаточность может стать причиной их гибели. Систематическое употребление человеком и млекопитающими рыбы с признаками В1-авитаминоза приводит к возникновению у них гафской болезни и желудочно–кишечных заболеваний [63].
Свидетельством реальной опасности интенсивного развития водорослей в водоемах стали случаи существенного ухудшения качества питьевой воды [411]. Ее очистка и доведение до параметров, соответствующих санитарно–гигиеническим нормам или технологическим условиям, требует дополнительных затрат. Так, ежегодный ущерб от "цветения" воды только на предприятиях водоочистки днепровского каскада достигает в ценах 1988 г. 1 млн. руб. [260]. Кроме того, необходимо учитывать и потери, возникающие в результате снижения рыбопродуктивности, а также социальный ущерб, проявляющийся в ухудшении эстетических характеристик водоема. Отдыхающие на берегах чистых рек и озер получают положительные эмоции, и это, несомненно, благоприятно отражается на их настроении, а впоследствии и работоспособности. Созерцание же того, как из года в год усиливается "цветение" воды, снижается ее прозрачность, уменьшаются рыбные запасы, производит на отдыхающих унылое впечатление, а значит, и не дает полной психоэмоциональной разгрузки. Приведенный пример достаточно наглядно показывает, как экологические проблемы трансформируются в социальные и экономические. Но именно этот аспект очень часто не попадает в поле зрения специалистов, определяющих эффективность применения минеральных удобрений и величину ущерба, нанасимого окружающей среде.
Газообразные потери азотных удобрений являются источником загрязнения атмосферы. Их появление связано с процессами денитрификации, аммонификации и нитрификации, происходящими в почве с участием микроорганизмов. По обобщенным данным 80 полевых опытов, газообразные потери составляют в среднем 26% от внесенного азота. Изучение этого явления показало, что улетучивание азота происходит в основном в форме N2, NO2 и HN… Размеры газообразных потерь увеличиваются при внесении высоких доз удобрений и их мелкой заделке. До последнего времени газообразным потерям как фактору загрязнения окружающей среды не придавалось существенного значения, так как наблюдающееся при этом увеличение концентрации азота в приземном слое воздуха не превышает предельно допустимых норм [328, 327]. Однако сейчас стало известно о способности соединений азота, наряду с другими химическими веществами, разрушать озоновый экран стратосферы, являющийся своеобразным щитом, прикрывающим все живое на планете от жесткого ультрафиолетового излучения [250, 326].
Газообразные соединения азота, поступающие в атмосферу, способствуют потеплению глобального климата. На долю ЫО2 приходится 6% парникового эффекта. В будущем роль двуокиси азота может возрасти. Это объясняется увеличением ее концентрации в атмосфере. С конца прошлого века она повысилась более чем на 20%. Основной причиной насыщения атмосферы соединениями азота является производство и применение азотных удобрений [138].
Появление и накопление соединений азота в атмосфере приводит к выпадению кислотных дождей. Около 30% их кислотности обусловлено присутствием НЫО3. Азот возвращается с осадками на землю в количестве до нескольких десятков кг/га в год [584]. Такой путь поступления азота на сельскохозяйственные угодья в некоторой степени компенсирует его дефицит в земледелии, но в то же время ведет к подкислению почв и водоемов [250]. Так, если до 1940 г. только 4% горных озер Канады имели рН воды ниже 5,0, то к середине 70‑х гг., в результате выпадения загрязненных осадков, этот показатель увеличился до 51% [632]. Под действием кислотных дождей ускоряется разрушение строительных материалов, окисление металлов, нарушаются природные экосистемы. Гибнут рыбы, моллюски, насекомые, растения и даже крупные животные. На больших территориях повреждаются лесные массивы [619, 618]. Доля таких участков в Западной Европе составляет 22% от общей площади лесов.
Кислотные осадки отрицательно влияют на агроэкосистемы. Подкисление почв ухудшает их физические, химические и биологические свойства; у сельскохозяйственных культур снижается интенсивность фотосинтеза, скорость роста, утрачивается иммунитет. Все это, в конечном итоге, значительно снижает урожайность. Конечно, основными загрязнителями атмосферы являются промышленные предприятия, но, без сомнения, в определенной степени в этом повинно и сельское хозяйство.
Сокращение потерь азота, предотвращение его вымывания из пахотного слоя почвы могло бы значительно повысить эффективность азотных удобрений и уменьшить загрязнение окружающей среды. С этой целью ведутся работы по различным направлениям. Наиболее простым способом сокращения газообразных потерь азота является увеличение глубины заделки и локальное внесение удобрений. Другими вариантами предусматривается использование цеолитов [171] или медленнодействующих удобрений [191]. Вместе с тем, все перечисленные способы только частично снижают потери азота. Часто их применение не всегда вписывается в технологию выращивания сельскохозяйственных культур, а иногда просто невозможно ввиду их большой стоимости [281].
Определенные надежды связывали с использованием ингибиторов нитрификации и денитрификации. Их применение позволяет повысить урожайность растений, но при этом не удается полностью предотвратить потери азота. Например, в опытах, проведенных на дерново–подзолистой почве, при ежегодном внесении ингибиторов потери азота снижались всего на 10— 26,7% [262]. Кроме того, имеются данные об отрицательном влиянии ингибиторов нитрификации, относящихся к биологически активным соединениям, на микрофлору почвы [281, 566]. Последствия этого воздействия изучены еще недостаточно.
1.3. Влияние минеральных удобрений на свойства почвы
Самым важным вопросом современного земледелия, от которого зависит не только производство продуктов питания, но и состояние биосферы, является сохранение плодородия почв. Значение почвенного покрова для современной биосферы сравнимо с озоновым экраном стратосферы. Деградация почв ведет к постепенному снижению объемов образования первичной продукции и катастрофическим изменениям в окружающей среде [250, 167].
Основным показателем, характеризующим плодородие почв, является содержание в них гумуса. Высокогумусированные почвы имеют благоприятную для растений структуру, хорошую водоудерживающую способность и достаточный запас питательных веществ. Экспериментальным путем установлено, что повышение содержания гумуса в дерново–подзолистой почве на 1% увеличивает продуктивность пашни более чем на 25% [183]. Аналогичные данные получены и в других опытах. Следовательно, создание запасов органического вещества в пахотных землях должно стать первоочередной задачей земледелия. Вместе с тем, наблюдения показывают, что за 30 лет интенсивной эксплуатации почв Саратовской области содержание в них гумуса снизилось с 7,0 до 6,5%, а в целом по Центрально–Черноземной зоне РСФСР — с 5,6 до 5,1% [388]. В Башкортостане почвы за время их сельскохозяйственного использования утратили около 20% гумуса. Ежегодная его потеря составляет в среднем 300 кг/га [561].
По мнению ведущих почвоведов, за последние 100 лет запасы органического вещества в черноземах нашей страны уменьшились в два раза [248, 251]. К таким же выводам пришла Г. С. Макунина. Согласно ее расчетов общие потери гумуса на всей площади сельскохозяйственного освоения черноземов составили около 40% [329].
Роль минеральных удобрений в увеличении гумусированности почв до недавнего времени рассматривалась с положительной стороны. Однако в последние годы происходит переоценка их значения. Все чаще специалисты выражают сомнение по поводу возможности повышения содержания органического вещества за счет применения минеральных удобрений [339, 283, 291]. Более того, они могут явиться причиной обеднения почв гумусом. По данным Л. К. Шевцова, которые использует В. Н. Кудеяров с соавторами [283], полученным на основе обобщения данных более 400 длительных полевых опытов, его содержание в дерново–подзолистых почвах при внесении полного минерального удобрения в первые 20—30 лет снижалось в среднем на 12—14%. Им сделан вывод, что внесение только минеральных удобрений не компенсирует потерь почвенного органического вещества. Такое же заключе ние делает и В. Г. Минеев [339]. Механизм этого явления состоит в следующем.
Определение коэффициентов использования питательных веществ из почвы показало, что их значения при внесении минеральных удобрений, по сравнению с неудобренными вариантами, как правило, увеличиваются. При выяснении обстоятельств отмеченного явления было обнаружено существенное усиление процессов минерализации гумуса, происходящее под действием азотных удобрений [282, 279]. Оказывается, каждая единица азота удобрений способствует дополнительной мобилизации от 0 до 1,2 единицы почвенного азота [283]. Это и ведет к увеличению содержания в почве подвижных соединений и, как следствие, повышению коэффициентов использования растениями питательных веществ. Подвижные соединения азота, образовавшиеся в результате минерализации органического вещества, так же, как азот минеральных удобрений, включаются в геохимическую миграцию. Их доля от общего количества инфильтрационных потерь азота из пахотных угодий составляет от 10 до 50% [93, 239].
Сведения о происходящей трансформации гумуса подтвердились при изучении его качественного состава. Под влиянием минеральных удобрений меняется соотношение между гуминовыми и фульвокислотами, увеличивается доля сахаридных и кислородсодержащих соединений, белковоподобных остатков [79, 611]. По данным Г. П. Гамзикова с соавторами, длительное внесение минеральных удобрений достоверно снижало долю гуминовых кислот [122]. Учитывая то, что гумусовые вещества являются важным экологическим фактором, влияющим на жизнедеятельность почвенных организмов, их разрушение неизбежно повлечет за собой изменения в естественной структуре педоценозов.
Возможны и более существенные отрицательные экологические последствия дегумификации почв. Гумусовые вещества на 52—62% состоят из углерода. При их минерализации происходит образование СО2, который поступает в атмосферу и способствует формированию парникового эффекта. Полагают, что 20% всего углекислого газа, накопившегося в атмосфере в результате антропогенной деятельности, образовалось вследствие разрушения почвенного органического вещества [167].
Опасность минерализации гумуса под влиянием каких–либо агротехнических приемов, в том числе и азотных удобрений, заключается не только в сокращении прямых запасов питательных веществ в почве, ухудшении ее свойств, возникновении экологических проблем, но и в снижении потенциальной возможности, небиологической фиксации азота. В настоящее время имеются убедительные данные, свидетельствующие о существовании в почве механизмов химической природы, обеспечивающих фиксацию азота без участия живых организмов [13]. По оценкам специалистов, потребность сельскохозяйственных культур в азоте в полевых условиях на 40—50% удовлетворяется за счет его фиксации природными гумусовыми веществами. В перспективе это свойство почв может быть использовано для создания регулируемых азотфиксирующих систем [13]. Изменение качества гумуса, очевидно, может оказать существенное отрицательное влияние на активность абиотических систем фиксации азота в почве, так как их функционирование зависит от физико–химических свойств органического вещества.
Плодородие почвы и направленность различных химических и биологических превращений, происходящих в ней, во многом зависит от кислотности среды. Оптимальное значение рН почвы для большинства культур соответствует 6,0—6,5. Ее увеличение приводит к угнетению растений. Внесение физиологически кислых удобрений, к которым относятся такие широко распространенные виды, как аммиачная селитра, хлористый калий и другие виды способствует подкислению почвенного раствора. Если при разовом использовании удобрений в небольших дозах существенного изменения рН не наблюдается, то при длительном, в течение ряда лет, происходит сильное подкисление почв. Например, внесение за 25-летний период 2480 кг N, 1820 кг Р205 и 2500 кг К20 увеличивало актуальную кислотность дерновоподзолистой почвы в слое 0—20 см с 4,9 до 4,0—4,3, а степень насыщенности основаниями при этом снижалась с 69,4—70,0 до 48,2%. Еще большее снижение степени насыщенности основаниями наблюдалось в слое почвы 20—40 см [144, 184].
Степень и срок, в течение которого происходит изменение рН почв, зависят от их типа. Более заметному подкислению подвержены дерновоподзолистые почвы, характеризующиеся низким содержанием органического вещества и высокой естественной кислотностью. Но при длительном внесении удобрений увеличение кислотности, уменьшение суммы поглощенных оснований и степени насыщенности основаниями происходит и в черноземных почвах [159].
Среди практикующих агрономов распространено мнение об отсутствии заметного повышения рН, если используются умеренные дозы удобрений. Однако исследования показывают, что ежегодное внесение в течение ротации севооборота даже 38 кг/га аммиачной селитры и 70 кг/га действующего вещества хлористого калия увеличивает кислотность дерновоподзолистых суглинистых почв на глубину до 60 см [246].
Незначительное на первый взгляд изменение кислотности почв вос принимается совсем по–другому, когда мы вспоминаем о том, что шкала рН логарифмическая. А это значит — при снижении значения рН с 5 до 4 кислотность среды увеличивается в 10 раз.
Ухудшение агрохимических показателей почвы отражается на эффективности применяемых удобрений и, как следствие, на продуктивности растений. Например, если в первый год внесения минеральных удобрений урожай картофеля и овса повышался соответственно со 118 до 251 ц/га и с 25 до 40,1 ц/га, то через 10 лет их регулярного использования они уже не повышали, а, наоборот, снижали урожайность полевых культур [4]. Аналогичные данные получены и в других опытах. Так, на шестой год внесения азотных удобрений в дозе 60—90 кг/га действующего вещества также не было получено прибавки урожая. Результаты этого опыта приведены в табл.4.
| Вариант | Урожайность, ц/га |
| РК-фон | 26,4 |
| Фон + кальциевая селитра | 35,2 |
| Фон + сульфат аммония | 26,0 |
| Фон + хлорид аммония | 24,1 |
| Фон + мочевина | 26,4 |
Отрицательное действие систематического применения удобрений на растения обусловлено как подкислением почвенного раствора, так и происходящим при этом увеличением подвижности соединений алюминия, марганца и железа, которые угнетают рост растений [486]. Их комплексное воздействие отрицательно влияет на биологические показатели почвы. Изменяется численность и видовой состав микроорганизмов. Среди них появляются фитопатогенные виды. Кроме того, ухудшение отдельных показателей химической характеристики почвы снижает устойчивость растений к недостатку воды [245] и, очевидно, другим факторам окружающей среды.
Особого внимания в современном земледелии заслуживает факт обеднения пахотного горизонта кальцием, магнием и изменение доступности для растений ряда микроэлементов (табл. 5). На разных типах почв минеральные удобрения повышают выщелачивание оснований из пахотного горизонта на 11—36% [588]. По другим сведениям, интенсивность вымывания кальция и магния на удобренных почвах увеличивается в 2—3 раза [544, 262].
Расчеты, проведенные с целью выяснения связи между вымыванием оснований и внесением удобрений показывают, что на суглинистых почвах каждый килограмм внесенных питательных веществ ведет к потере 0,5 кг СаО и 0,06 кг Мд0, а на супесчаных почвах соответственно 1,0 и 0,19 кг. Поэтому на удобряемых участках дополнительно рекомендуется вносить 60—80 кг/га Mg0 [290].
К отрицательным 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, Си, Мп [141]. Ограниченное поступление микроэлементов в растения, которые вымываются из почвы, неблагоприятно влияет на процессы фотосинтеза и передвижение ассимилятов, снижает их устойчивость к заболеваниям, недостаточному и избыточному увлажнению, высоким и низким температурам [113, 337, 22], то есть к наиболее важным факторам внешней среды, подверженным к тому же сильным колебаниям, часто выходящим за оптимальные параметры. Основной причиной нарушений в обмене веществ растений при недостатке микроэлементов является снижение активности ферментных систем.
Недостаток микроэлементов в почве вынуждает применять микроудобрения. Так, в США их использование в период с 1969 по 1979 г. возросло с 34,8 до 65,4 тыс. т действующего вещества [508].
В связи с глубокими изменениями в агрохимических свойствах почв, происходящими в результате применения удобрений, возникла необходимость изучения их влияния на физические характеристики пахотного слоя. Основными показателями физических свойств почвы являются агрегатный состав и водопрочность почвенных частиц. От того, насколько эти параметры близки к оптимальным, зависят водный и воздушный режимы корнеобитаемой зоны. Анализ результатов ограниченного количества исследований, проведенных с целью изучения влияния минеральных удобрений на физические свойства почвы, не позволяет сделать определенных выводов. В некоторых опытах наблюдалось ухудшение физических свойств [285]. При повторной культуре картофеля доля почвенных агрегатов более 1 мм в варианте с внесением азота, фосфора и калия, по сравнению с неудобренным участком, снижалась с 82 до 77%. В других исследованиях при внесении полного минерального удобрения на протяжении пяти лет содержание в черноземе агрономически ценных агрегатов уменьшилось с 70 до 60%, а водопрочных — с 49 до 36% [589].
Чаще всего отрицательное влияние минеральных удобрений на агрофизические свойства почвы обнаруживается при изучении ее микроструктуры. Возможно, это связано с тем, что новые методы в некоторых случаях более надежны.
Микроморфологические 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 [332]. Длительное внесение минеральных удобрений ведет к снижению доли частиц губчатого микросложения и к увеличению на 11% неагрегатированного материала [440]. Аналогичные результаты были получены и в других исследованиях. Одной из причин ухудшения структуры является обеднение пахотного слоя экскрементами почвенных животных [49, 571].
В ряде опытов существенного влияния минеральных удобрений на физические свойства почв не обнаружено. Но это, очевидно, объясняется не отсутствием реальных изменений, а сложностью их обнаружения, так как происходят они в течение длительного времени. Наше предположение основано на том, что агрохимические и агрофизические свойства почв тесно связаны между собой, и поэтому увеличивающаяся кислотность, обеднение пахотного горизонта основаниями, уменьшение содержания гумуса, ухудшение биологических свойств должны закономерно сопровождаться ухудшением агрофизических свойств.
Для предотвращения отрицательного влияния минеральных удобрений на свойства почвы следует периодически проводить известкование. Необходимость в этом мероприятии была очень высока в доперестроечный период, когда наблюдался рост поставок сельскому хозяйству минеральных удобрений. К 1966 г. ежегодная площадь известкования в бывшем СССР превысила 8 млн. га, а объем вносимой извести составил 45,5 млн. т. Однако это не компенсировало потерь кальция и магния. Поэтому доля земель, подлежащих известкованию, в ряде регионов не уменьшилась, а даже несколько увеличилась. Для того чтобы не допустить увеличения площади кислых земель, предполагалось удвоить поставки сельскому хозяйству известковых удобрений и довести их к 1990 г. до 100 млн. т [220, 393, 312].
Известкование, понижая кислотность почвы, одновременно повышает газообразные потери азота. При проведении этого приема они возрастают в 1,5—2 раза [326]. Такая реакция почв на внесение мелиорантов является результатом изменений в направленности микробиологических процессов, что может являться причиной нарушения геохимических круговоротов. В связи с этим Г. В. Добровольским высказываются сомнения в целесообразности использования известкования [167]. Известкование усугубляет и другую проблему — загрязнения почв токсическими элементами.
1.4. Обогащение почв сопутствующими элементами, содержащимися в минеральных удобрениях и мелиорантах
Поделиться книгой: