Тема 11. Охрана окружающей среды в процессе сельскохозяйственного

производства

11.1. Ухудшение состояния почв при их сельскохозяйственном использовании

11.2. Защита почв от химического загрязнения

11.1. Ухудшение состояния почв при их сельскохозяйственном

использовании

Основные виды антропогенного воздействия на почвы следующие: 1) эрозия (ветровая и водная); 2) загрязнение; 3) вторичное засоление и заболачивание; 4) опустынивание; 5) отчуждение земель для промышленного и коммунального строительства.

Эрозия и дефляция почв. Процесс смыва почвы текущей водой называется эрозией. Аналогичный процесс, производимый ветром, называется дефляцией.

Эрозию при стоке воды подразделяют на поверхностную - смыв плодородного слоя и подстилающей породы со всей поверхности почвы и линейную - смыв почвы и подстилающей породы по определенной линии.

Поверхностная эрозия проявляется в постепенном равномерном по площади удалении с поверхности наклонного рельефа почвенных частиц потоками талых и дождевых вод. С достаточно крутого склона одним сильным ливнем может быть снесен слой почвы толщиной в 40-50 см, причем смывается наиболее плодородный слой.

Все формы линейной эрозии относят к размывам. Последние не имеют своего продольного профиля и повторяют профиль почвы, на которой возникают. Образующиеся промоины могут достигать глубины от 0,3 до 1 м и ширины от 0,5 до 5 м. При дальнейшем поступлении воды с водосборной площади промоина перерастает в овраг, самую крупную форму линейной эрозии. Особенно негативной чертой оврагов является их тенденция к дальнейшему развитию.

Экологический ущерб от оврагов огромен. Овраги уничтожают ценные сельскохозяйственные земли, способствуют интенсивному смыву почвенного покрова, заиливают малые реки и водохранилища, создают густорасчлененный рельеф. Подсчитано, что ежедневные потери почв из-за развития оврагов достигают 100-200 га.

Не меньшие, если не большие, потери причиняет почвам ирригационная эрозия - разрушение, перенос и переотложение почв и грунтов водой в процессе поверхностного полива или дождевания. Накладываясь на естественную эрозию, ирригационная эрозия значительно увеличивает интенсивность потерь верхнего, наиболее плодородного слоя почвы.

Смыв почвы в условиях орошения начинает проявляться уже при малых (0,002-0,004 м) уклонах рельефа, а эрозионно опасны уклоны больше 0,01 м.

Ущерб от ирригационной эрозии многообразен: уменьшается мощность гумусового горизонта, вымываются питательные вещества, непроизводительно расходуются поливные воды, заиляются и загрязняются удобрениями и пестицидами водоприемники, размываются каналы, дороги, возникают овраги ирригационного происхождения, снижается урожайность возделываемых культур и качество сельскохозяйственной продукции.

Дефляция, или эрозия, производимая ветром, различается на повседневную, когда почва пылит под ветром малой скорости, и вызываемую ветрами большой, иногда ураганной скорости (пыльные бури). В последнем случае в воздушный поток вовлекаются огромные массы пыли. Так, в 1969 г. пыльными бурями на Северном Кавказе было вынесено до 25 км³ пыли, которая затем выпала на территории Западной Украины и Молдавии.

Пыльные бури возникают преимущественно в холодный период года. Этому наиболее активному и опасному виду дефляции способствуют сильные перепады атмосферного давления на сравнительно недалеко отстоящих друг от друга обширных территориях, низкая увлажненность почв, отсутствие на них снежного покрова.

Куда более опасные виды антропогенной дефляции возникают при введении в сельскохозяйственный оборот обширных территорий без учета возможной ветровой эрозии. Распахивание целинных земель в Казахстане существенно активизировало пыльные бури в Калмыкии, на юге Ростовской области и в Ставрополье.

Уплотнение почв ходовыми системами машинно-тракторных агрегатов. С уплотнением почв уменьшается их общая пористость, ухудшается доступ влаги к растениям, снижается аэрация и скорость фильтрации воды, затрудняется распространение корней.

Чрезмерно рыхлое состояние почвы также неблагоприятно, так как почва при этом быстро иссушается, нарушается контакт семян и корневой системы растений с почвой.

Плотность почв колеблется от 1,0 до 1,8 г/см³. Она зависит от механического состава, содержания органического вещества и структурного состояния почвы.

Механизация сельскохозяйственных работ негативно влияет на плотность почвы, особенно в условиях орошения. В нашем земледелии принята технология раздельного проведения вспашки, внесения удобрений, посева, боронования, междурядных обработок и т. п. Поэтому практически все типы тракторов, включая тяжелые, многократно проходят по полю, уплотняя почву на глубину от 0,3 до 1,2 м, особенно рыхлую и увлажненную.

Поле, укатанное колесами тракторов, покрывается колеями глубиной 25-30 см, после обработок здесь образуются глыбы. При этом самые плодородные почвы теряют свою агрономически ценную структуру: их почвенные агрегаты деформируются, исчезают межагрегатные поры.

В определенных условиях тракторы способны уплотнять пахотный слой черноземов с исходных 1,3 до 1,5 г/см³, причем общее возрастание плотности прослеживается до глубины 60-70 см. Это приводит к возрастанию твердости и ухудшению структуры почв. Их водопроницаемость снижается в 1,5-4,0 раза, резко возрастает эрозия, а урожайность сельскохозяйственных культур существенно снижается: зерновых - на 10-40%, зеленой массы кукурузы - на 8-40%.

Дегумификация почв. Органическое вещество является важнейшей составляющей частью почвы; его содержание и формы в наибольшей степени определяют основное свойство почвы - плодородие.

Плодородие почв - это способность почв удовлетворять потребность растений в питательных элементах, воде, обеспечивать корневую систему достаточным количеством воздуха, тепла и благоприятной физико-химической средой для нормального роста и развития.

Органическая часть почвы включает все органические вещества, присутствующие в почвенном профиле, за исключением тех, которые входят в состав живых организмов. Сюда относятся отмершие части живых организмов, еще не утратившие своего анатомического строения (корни и стебли растений, остатки микроорганизмов и животных).

Совокупность всех органических соединений, утративших свое анатомическое строение в результате гумификации под воздействием почвенных микроорганизмов, составляет гумус.

Оптимальное содержание гумуса в почве обеспечивает благоприятный для растений водно-воздушный режим, хорошую прогреваемость почвы, высокую емкость катионного обмена, устойчивый пищевой режим. Такие почвы устойчивы к водной и ветровой эрозии, обладают высокой буферной емкостью по отношению к внешним факторам, т. е. способны снижать отрицательное действие высоких доз удобрений, «связывать» тяжелые металлы и пестициды. Оптимальным принято считать такое гумусное состояние почв, которое способно обеспечить планируемый урожай при условии максимальной эффективности использования вносимых удобрений и применяемых агротехнических мероприятий.

Процесс потери почвами гумуса носит название дегумификации. Уменьшение запасов гумуса отмечается в большинстве регионов России, в том числе и в ее основной житнице - черноземной зоне.

В числе основных причин, вызывающих дегумификацию сельскохозяйственных угодий, обычно называют следующие: 1) недостаточное поступление в обрабатываемые почвы растительной биомассы - «сырья» для процессов гумификации; 2) ускорение минерализации органического вещества вследствие интенсивной обработки и применения удобрений; 3) ускорение минерализации органического вещества при некоторых приемах гидротехнических и химических мелиорации; 4) потери гумуса за счет эрозии и дефляции; 5) отчуждение обогащенного гумусом пахотного слоя при проведении ряда сельскохозяйственных мероприятий.

Если подсчитать ожидаемые потери гумуса, то по данным ряда исследователей можно ожидать, что уже к 2010 году во многих типах почв они могут составить около половины его современных запасов в слое 0-20 см.

Закисление почв. Подавляющее большинство культурных растений способно хорошо развиваться и плодоносить лишь на почвах с нейтральной или близкой к нейтральной реакцией среды. Однако на земном шаре весьма распространены почвы с неблагоприятной реакцией почвенного раствора - слишком кислые или слишком щелочные.

На северной половине территории России преобладают кислые почвы: болотные, подзолистые, дерново-подзолистые, таежные. Основной особенностью кислых почв является недостаток в них ионов кальция и избыток ионов водорода и алюминия, что обусловливает их крайне неблагоприятные агрохимические свойства.

Прежде всего, кальций - важный элемент питания растений: его недостаток замедляет их развитие, снижает плодоношение, уменьшает зимостойкость. Понижение рН почвенного раствора отрицательно влияет на усвоение растениями азота, фосфора, калия, снижает растворимость соединений ряда микроэлементов, необходимых растениям. В почвах с повышенной кислотностью подавляется жизнедеятельность многих полезных организмов - аммонифицирующих и нитрифицирующих микробов, азотобактерий, бактерий, разрушающих фосфорорганические соединения и т. д. В то же время некоторые формы грибов, выделяющих вещества, вредные для растений, в кислой среде прекрасно развиваются.

Все эти неблагоприятные свойства кислых почв делают их малоплодородными, и для их сельскохозяйственного освоения требуется нейтрализация реакции почвенного раствора.

В конце XX- начале XXI вв. одной из основных причин закисления почв на обширных территориях становится хозяйственная деятельность человека.

Кислые атмосферные осадки с реакцией рН 4,0-3,5 приводят к неблагоприятным изменениям в экосистемах суши и поверхностных вод, особенно в регионах с природно-кислыми почвами. Выпадение таких осадков угнетает растения и может просто их уничтожить.

Кроме кислых атмосферных осадков, подкисление почв Нечерноземной зоны РФ вызывает использование физиологически кислых удобрений.

Засоление почв. Засоленные почвы содержат в своем профиле легкорастворимые соли в количествах, токсичных для сельскохозяйственных культур. Их формирование происходит в тех районах, где состав грунтовых вод и почвообразующих пород, а также режим увлажнения способствуют поступлению в почву легкорастворимых солей и их последующей аккумуляции.

Большие количества растворимых солей образуются в результате выветривания горных пород, при извержениях вулканов, при выходе на поверхность отдельных участков морского дна, покрытых соленосными отложениями. Однако основную роль в соленакоплении играет водный режим, который, в свою очередь, зависит от климата и фильтрационных свойств почвы и почвообразующих пород.

При промывном водном режиме легкорастворимые соли выносятся за пределы почвенного профиля с фильтрующимися водами и не накапливаются в почве. В районах с засушливым климатом, где испаряемость намного превышает количество выпадающих осадков, создаются условия для перемещения грунтовых вод и почвенных растворов из нижних горизонтов в верхние. Вместе с ними мигрируют к поверхности почвы растворимые соли, которые аккумулируются в корнеобитаемом слое. Использовать в сельском хозяйстве засоленные почвы возможно только после их коренной мелиорации.

Одним из основных видов сельскохозяйственных мелиорации является, как известно, орошение сельскохозяйственных угодий в зонах с засушливым климатом.

Однако при неправильном орошении происходит засоление сельскохозяйственных земель, называемое вторичным засолением. Основная причина этого явления - использование для орошения малопригодной воды.

Вследствие недостатка воды в районах массового орошения используются так называемые воды местного стока (воды малых рек, лиманов, прудов, сточные воды, воды шахтного отлива и т. п.), которые в большинстве случаев относятся к слабоминерализованным (2-4 г/л). Все эти воды - быстрее или медленнее - вызывают вторичное засоление и осолонцевание почв.

Другой причиной вторичного засоления почв являются переполивы. Избыточная влага, не использованная растениями, фильтруется сквозь толщу почвогрунтов и повышает уровень грунтовых вод. В жаркий период минерализованные грунтовые воды подтягиваются к дневной поверхности и испаряются, оставляя содержащиеся в них соли в корнеобитаемом слое почвы.

Загрязнение почв в процессе их сельскохозяйственного использования. При сельскохозяйственном использовании происходит загрязнение почв минеральными и органическими удобрениями, пестицидами, патогенными микроорганизмами и т. п.

Внесение в почву минеральных удобрений является важным средством управления почвенным плодородием и увеличения продуктивности земледелия. Однако их длительное применение высокими дозами оказывает негативное воздействие на почву.

Применение высоких доз азотных удобрений вызывает быструю минерализацию гумуса, азотсодержащих соединений почвы, способствует росту газообразных потерь азота.

Длительное применение высоких доз азотных и калийных удобрений активизирует токсинообразующие микроорганизмы, что приводит к микробному токсикозу почв. Избыток нитритов и нитратов ухудшает качество сельскохозяйственной продукции, вызывая у человека и животных острые расстройства пищеварения и накопление в организме канцерогенных соединений.

Соединения фосфора менее подвижны, чем азотные, но и они интенсивно поступают в поверхностные и грунтовые воды, в реки и моря. Избыточные дозы фосфорных удобрений, эрозионный смыв почвы, стоки в районах интенсивного животноводства - все эти источники дают 60-70% фосфора, поступающего в воды. Между тем минеральные ресурсы фосфора на Земле очень ограничены, и бесхозяйственное отношение к его запасам может привести к фосфорному «голоду» на планете. Поэтому вопрос экологически правильного применения фосфорных удобрений и повторного использования в сельском хозяйстве фосфорсодержащих промышленных отходов весьма актуален.

Применение в сельском хозяйстве калийных удобрений приводит к накоплению в почве хлорид-ионов, токсичных для большинства растений.

Избыточно вносимые минеральные удобрения с поверхностным и подземным стоком поступают в реки и озера и вызывают их эвтрофикацию («цветение»), резко ухудшая свойства воды.

Одним из наиболее опасных загрязнителей биосферы являются пестициды - химические средства защиты растений и животных от различных вредителей и болезней. В зависимости от цели использования их подразделяют на следующие группы: гербициды - для борьбы с сорными растениями; альгициды - для уничтожения водорослей и другой водной растительности; арборициды - для уничтожения нежелательной древесной и кустарниковой растительности; фунгициды - для борьбы с грибковыми болезнями растений; бактерициды - для борьбы с бактериями и бактериальными болезнями; инсектициды - для борьбы с вредными насекомыми; акарициды - для борьбы с клещами; зооциды - для борьбы с грызунами; лимациды - для борьбы с моллюсками; нематоциды - для борьбы с круглыми червями; афициды - для борьбы с тлями.

Разновидностью пестицидов являются дефолианты, служащие для удаления листьев растений, десиканты, вызывающие иссушение растений, дефлоранты, удаляющие цветы и завязи, реппеленты, отпугивающие насекомых, и некоторые другие.

Самую обширную группу пестицидов как по масштабам практического применения (40-50%), так и по ассортименту выпускаемых препаратов (около 40%) составляют гербициды, то есть средства борьбы с сорняками.

По характеру действия гербициды можно подразделить на две подгруппы:

• сплошные, действующие на все виды растений и использующиеся для уничтожения нежелательной растительности на определенных территориях;

• избирательные (селективные), опасные для определенных видов растительности и используемые для уничтожения сорняков в агроценозах.

Пестициды используют в виде суспензий, эмульсий, порошков и гранул, концентрированных и коллоидных растворов и распыляют с помощью распылителей разного объема и мощности, вплоть до распыления при помощи сельскохозяйственной авиации. Естественно, что с воздушными массами они могут переноситься на большие расстояния и вызывать загрязнение окружающей среды там, где пестициды вообще не применялись или использовались в неизмеримо меньших количествах.

Все пестициды являются ядовитыми веществами не только для определенной - вредной для человека - формы жизни, но и для полезных микроорганизмов, животных, птиц и человека. В идеальном случае пестицид, оказав требуемое воздействие на вредителя, должен был бы разрушиться, образовав безвредные продукты разложения. Однако большинство пестицидов представляют собой устойчивые трудноразлагающиеся соединения, из которых используется по назначению приблизительно 4-5% внесенного количества. Остальная масса рассеивается в агроэкосистеме, попадая в почвы, растения и другие компоненты окружающей среды, что создает сложные экологические проблемы, особенно при систематической обработке больших площадей.

В зависимости от устойчивости к процессам разложения, пестициды подразделяются на слабостойкие (сохраняются в окружающей среде от 1 до 12 недель), среднестойкие (сохраняются 1 -18 месяцев) и очень стойкие (сохраняются два года и более). Наибольшую опасность представляют стойкие пестициды и продукты их превращения (метаболиты), способные накапливаться и сохраняться в природной среде да нескольких десятков лет. При определенных условиях метаболиты пестицидов дают метаболиты второго порядка и т. д., роль, значение и влияние которых на окружающую среду во многих случаях непредсказуемы.

Вредное действие пестицидов приводит к уничтожению хозяйственно-нейтральных и даже полезных видов растений и насекомых. Иногда они являются причиной появления устойчивых популяций вредителей, от которых трудно избавиться. Так, на смену одним видам вредных организмов приходят другие, которые вырабатывают иммунитет и способны выживать даже после самых эффективных обработок. Для преодоления иммунитета устойчивых особей вредителей к пестицидам приходится увеличивать дозы препаратов, а это усиливает опасность загрязнения окружающей среды.

В настоящее время в результате интоксикации хлорорганическими препаратами сильно сократилась численность птиц, особенно хищных. Инсектициды весьма опасны для плотоядных животных, так как они постепенно концентрируются в живых организмах по мере продвижения к конечным звеньям пищевых цепей. Здесь инсектициды действуют как кумулятивные яды.

Особенно устойчивы ко всем видам разложения хлорорганические инсектициды - гексахлоран, ДДТ и другие - которые могут сохраняться в почве десятилетиями, накапливаясь при систематическом применении. Напротив, фосфорорганические инсектициды - карбофос, фосфамид, метафос и другие - в почве и других природных средах распадаются сравнительно быстро. Поскольку они при этом отличаются высокой эффективностью и избирательностью действия, их применение весьма перспективно.

Широко используются в современном сельском хозяйстве карба-матные инсектициды. Отличаясь высокой токсичностью для некоторых видов насекомых, эти препараты почти полностью безвредны для теплокровных позвоночных и человека.

Современное сельское хозяйство трудно представить себе без пестицидов. Их применение резко снижает потери урожаев сельскохозяйственных культур, в 2-3 раза сокращает затраты на производство сельхозпродукции. Масштабы применения пестицидов неуклонно растут, их годовое производство в мире превысило 2 млн т, а ассортимент насчитывает более 100 тыс. наименований. Но параллельно с этим растет и их побочное негативное действие на животный мир, почву, водоемы, культурные и полезные дикорастущие растения. Поэтому пестициды допустимо использовать лишь там, где химические средства зашиты пока нельзя заменить биологическими.

11.2. Защита почв от химического загрязнения

Как известно, почва имеет значительную емкость поглощения по отношению к химическим загрязняющим веществам. В ней протекают процессы трансформации различных соединений, в том числе и экологически опасных. При этом возможно превращение их в малотоксичные, инертные или малодоступные для растений соединения. Однако, несмотря на протекторные свойства почвы, существуют пределы и уровни техногенного воздействия на окружающую среду, превышение которых приводит к необратимым последствиям.

Эффективный прием, снижающий подвижность тяжелых металлов и способствующий закреплению их в малоподвижной, недоступной растениям форме, - известкование. Этот прием носит зональный характер, и его успешно применяют в районах с избыточным увлажнением, особенно на почвах с повышенной концентрацией водорода, подвижного алюминия, железа, марганца.

Органическое вещество - прекрасный инактиватор тяжелых металлов в почве. Оно повышает буферность почвы, способствует снижению токсического действия тяжелых металлов, концентрации солей в почвенном растворе, уменьшению фитотоксичности многовалентных тяжелых металлов и препятствует поступлению их в растения. Поэтому наиболее простой способ улучшения песчаных и легкосуглинистых почв - внесение высоких доз органических удобрений.

При рекультивации легких почв, загрязненных тяжелыми металлами, в качестве эффективного приема иногда применяют глинование - внесение глин, содержащих алюмосиликаты типа монтмориллонита.

В последние годы более распространено использование природных сорбентов, таких как цеолиты, месторождения которых имеются на территории СНГ. Исследования показали, что наибольшую эффективность цеолиты проявляют на сильнозагрязненных почвах, значительно влияя на снижение подвижности тяжелых металлов, причем действие цеолитов усиливается при внесении навоза или различных нетрадиционных удобрений.

Возможен и другой путь снижения фитотоксичности тяжелых металлов - с помощью ионообменных смол, содержащих карбоновые я гидроксильные группы, которые вносят в загрязненную почву в виде гранул или порошка.

Существенного уменьшения фитотоксичности можно добиться таким эффективным приемом восстановления почв, как химическое осаждение. При химическом осаждении происходит образование труднорастворимых солей. Этот прием наиболее эффективен при сильном техногенном загрязнении почв, так как для образования труднорастворимого осадка необходима высокая концентрация ионов металлов.

В качестве способа рекультивации загрязненных почв часто рекомендуют внесение фосфорных удобрений, что позволяет одновременно восполнить недостаток фосфора, помимо основной задачи, - снижения фитотоксичности тяжелых металлов.

Кроме физических и химических приемов по восстановлению загрязненных тяжелыми металлами почв, используют различную устойчивость растений к высокому содержанию тяжелых металлов. Такие растения встречаются как среди дикорастущих, так и среди культурных видов, например хлопчатник, свекла, некоторые бобовые и лекарственные растения.

Этот метод удаления токсичных металлов из верхнего слоя почвы (глубина до 30-50 см) при помощи специально подобранных растений называется фитоочисткой.

Тяжелые металлы, например никель, хром, поглощаются корнями, стеблями и листьями растений, которые затем собираются и подвергаются захоронению на полигонах.

Фитоочистка может применяться не только для удаления из почв металлов, но и пестицидов, растворителей, взрывчатых веществ, нефти и т. п.

Эффективным способом борьбы с радиоактивным загрязнением почв является закрепление радионуклидов органическим веществом с образованием нерастворимых комплексов. В большинстве почв повышение рН, количества обменного калия и кальция способствует сорбции радионуклидов (например, стронция). Глинистые минералы хорошо фиксируют такие радионуклиды, как стронций, цезий.

В ряде случаев, например при очень высокой степени загрязнения относительно небольших количеств почвы или почвогрунта, целесообразно применять промывку. Лучше всего поддаются промывке песчаные почвы, хуже - илистые или глинистые.

Если загрязнение глубоко проникло в почву и его трудно ликвидировать или собрать, целесообразно в экологическом аспекте применить способ, разработанный в Швеции. Он заключается в устройстве гидроизолирующего слоя поверх подземного загрязнения.

Устроен гидроизолирующий слой следующим образом (рис. 20). На загрязненную почву укладывается слой глины, который предназначен для предотвращения выделения вредных газов от загрязнителя. Глина может покрываться сверху слоем прочного синтетического материала, например полиэтилена (геомембрана), предназначенного для предотвращения проникновения воды. Поверх геомембраны может быть уложен дренажный слой из гравия и, при необходимости, дренажных труб. Сверху укладывается слой почвы и засевается трава, которая своей корневой системой поглощает влагу.

Рис. 20 Схема поверхностного гидроизолизующего слоя

При помощи гидроизолирующего слоя, способного выполнять свои функции многие годы, решаются следующие задачи: 1) предотвращение вымывания загрязнения дождями и во время таяния снегов, что предотвращает попадание вредных веществ в водозаборы, поверхностные и грунтовые воды; 2) исключение раздувания вредных веществ, находящихся в сухом состоянии; 3) предотвращение контактов людей и животных с токсикантами.

Для очищения почв от остаточных количеств пестицидов используют целый комплекс мер: внесение активированного угля и специальных белковых либо синтетических органических препаратов, поглощающих пестициды либо способствующих их быстрому разложению, а также внесение специфических видов микроорганизмов в почвы.

В последнее время широко используется разведение и выпуск в агросистемы насекомых-хищников: божьей коровки, жужелицы, муравьев и др. (биологическая защита), внедрение в природные популяции видов или особей, которые не способны давать потомство (генетическая защита) и т. д.

В ряде стран Европы и в США организована система биологического земледелия, при которой полностью исключено применение пестицидов и минеральных удобрений с получением «экологически чистых» продуктов. Интенсивно ведутся работы по созданию пестицидных препаратов на основе природных ингредиентов (смесь зеленого перца с чесноком и табаком, пудра из ромашки и др.).