Агроэкология- лекции 1 модуля. Агроэкология Агроэкология
 Скачать 11.19 Mb.
|
|
Значение почвы в агроэкосистемах. Почва – главное средство сельскохозяйственного производства и основа агроэкосистем. Человечество получает из почвы около 95% всех продуктов питания. Почва представляет собой жизненное пространство, обеспечивающее обитание живых организмов. Почва является механической опорой произрастающей на ней растительности. Незаменима роль почвы как хранителя семян. Тем самым в природе поддерживается биоразнообразие и способность к обновлению растительных популяций. Почва аккумулирует необходимые для жизнедеятельности населяющих ее организмов воду, питательные и энергетические вещества, что в значительной степени определяет ее плодородие. Почва – своеобразный склад ферментов; работа этих ферментов определяет азотный режим почвы, доступность элементов питания, а также способность почвы к детоксикации различных поллютантов. Почва регулирует гидротермический режим, что позволяет населяющим ее организмам сохранять свою жизнедеятельность при определенных значениях температуры и влажности. Почва выполняет санитарную функцию. Высокая самоочищающая способность почвы за счет обитающей в ней биоты обеспечивает обезвреживание многих патогенов и токсикантов что положительно влияет на качество сельскохозяйственной продукции, состояние окружающей природной среды. Почве присуща информативная функция. Известно, например, что переход весной температуры почвы через +5° стимулирует активизацию азота, фосфора, калия, т.е. указанный предел температуры служит «сигналом» к началу потребления питательных элементов в связи с наступлением вегетационного периода. Почвоутомление. Внешнее проявление почвенного утомления выражается в резком снижении урожайности сельскохозяйственных культур, что наблюдается при бессменном возделывании (или частом возвращении на прежнее поле севооборота) растений одного и того же рода. Основные причины почвоутомления – накопление в почве токсичных, выделяемых корнями растений веществ (колинов) и микроорганизмами, разложение специфических вредителей, возбудителей болезней и сорняков. Очень чувствительны к собственным выделениям: свёкла, морковь, петрушка, в меньшей степени – капуста, горох, тыквенные культуры. Хорошо переносят накопление колинов: рожь, кукуруза, бобы, лук-порей – эти культуры могут долго расти на одном месте. Проявление почвоутомления во многом зависит от механического состава грунта. Так, например, на тяжелых глинистых и суглинистых почвах с высокой поглотительной способностью, а также в районах с недостаточным количеством осадков оно может проявиться уже при повторном посеве. В то время как на легких и даже бедных — почвоутомление наступает позже. Устойчивы к почвоутомлению земли, постоянно и обильно обеспеченные влагой. Один из путей борьбы с почвоутомлением — регулирование биологической активности полезной микрофлоры внесением органических удобрений, сидератов. Однако наиболее радикальным средством против почвоутомления и в борьбе с вредителями и болезнями растений является правильное чередование сельскохозяйственных культур, т. е. соблюдение севооборота или плодосмена. Антропогенное загрязнение почв Россия имеет высокую обеспеченность земельными ресурсами. В России на 1 человека приходится около 12 га территории, в том числе 1,3 га сельскохозяйственных угодий, из них 0,8 га пашни. В то время как в среднем по миру на 1 человека приходится 0,24 га пашни. В РФ земли, используемые в различных хозяйственных целях, находятся в неудовлетворительном состоянии. Это – следствие нерационального природопользования (включая сельскохозяйственное), значительного сокращения работ по охране почв и земельных ресурсов. Развитие процессов деградации обусловлено действием естественных (климатические, гидрогеологические, морфодинамические, фито- и зоогенные) и антропогенных факторов (нерациональное ведение богарного и орошаемого земледелия, чрезмерный выпас скота, уничтожение почвенно-растительного покрова промышленным, коммунальным и ирригационным строительством, горные разработки, технологические и аварийные промышленные выбросы в атмосферу, сброс сточных и дренажных вод и т.л.). В РФ четверть сельскохозяйственных угодий (в том числе около 30% пашни) подвержены процессам эрозии и дефляции; засолено около 5% пахотных земель, процессам опустынивания подвержено от 50 до 100 млн га. Фактически повсеместно увеличивается площадь земель, нарушенных в результате добычи полезных ископаемых, строительства, загрязненных токсикантами (ТМ, пестицидами, нефтью и нефтепродуктами) и других причин антропогенного характера. Загрязнение почв ТМ. Из большого числа разнообразных химических веществ, поступающих в окружающую среду из антропогенных источников, особое место занимают ТМ. Проблема ТМ в современных условиях производства – глобальная, поэтому необходимы соответствующие меры по предотвращению загрязнения окружающей среды. Важность понимания проблемы загрязнения продукции ТМ определяется тем, что с/х культуры и животные находятся на высоком уровне в пищевой цепи и используются как продукты питания человека. Это приводит к накоплению ТМ вдоль пищевой цепи, к тяжелым заболеваниям человека и животных. К ТМ относятся свыше 40 химических элементов таблицы Менделеева с атомными массами, превышающими 50 атомных единиц, или химические элементы с удельным весом выше 5г/см3. По воздействию на живые организмы металлы делят на физиологически необходимые и имеющие преимущественно токсикологическое значение. Биологически необходимые металлы выполняют свою физиологическую функцию при оптимальных концентрациях в организме. Их недостаток или отсутствие и избыток вызывают заболевания и гибель живых организмов от болезней, связанных с резким нарушением обмена веществ. В избыточном количестве ТМ вызывают нарушения биохимических процессов обмена веществ, подавляя или активируя деятельность многих ферментов. К жизненно важным для растений микроэлементам относятся бор, кобальт, медь, железо, марганец, молибден, кремний, цинк; к металлам, необходимым в питании животных и человека – кобальт, медь, железо, йод, марганец, молибден, никель, кремний, ванадий, цинк. Микроэлементы участвуют в таких важнейших биохимических процессах, как дыхание (железо, медь, цинк, марганец, кобальт), фотосинтез (марганец, медь), синтез белков (марганец, кобальт, медь, никель, хром), кроветворение (железо, кобальт, медь, марганец, никель, цинк), белковый, углеводородный и жировой обмен веществ (молибден, ванадий, кобальт, марганец, цинк, вольфрам), синтез гумуса (медь), фиксация и ассимиляция некоторых питательных веществ (например, азота, серы). По токсичности и способности накапливаться в пищевых цепях лишь немногим более 10 элементов признаны приоритетными загрязнителями биосферы. Среди них выделяют: ртуть, свинец, кадмий, медь, ванадий, хром, мышьяк, олово, цинк, молибден, кобальт, никель. Они проявляют сильно выраженные токсические свойства при самых низких концентрациях. К наиболее токсичным из таких металлов относят ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, цинк (1 класс опасности). Они не являются ни жизненно необходимыми, ни благотворно влияющими на рост и развитие растений, но даже в малых дозах приводят к нарушению нормальных метаболических функций организма. В основаны на оптимизации технологии производства, создании замкнутых технологических циклов, а также в проведении контроля за отходами промышленного производства, вносимых в почву в качестве мелиорантов и удобрений. Реабилитационные приемы применяются для ликвидации уже загрязненных почв и являются мерами по санации почв (приведению к снижению токсичного воздействия ТМ или снижению содержания ТМ до фонового уровня). Методы санации: очистка и детоксикация. Очистка – совокупность приемов и методов, направленных на создание в почвах, подверженных загрязнению, условий, приводящих к снижению концентрации ТМ или уменьшающих содержание до фонового уровня. Проводится путем промывок, извлечения ТМ из почвы посредством растений (фитомелиорация), удаление загрязненного слоя почвы и др. Детоксикация – совокупность приемов и методов, приводящих к ослаблению или полному отсутствию токсического действия ТМ, а также направленных на создание в почвах условий, способствующих самоочищению. Проводится с помощью агромелиоративных приемов (глубокая вспашка, рыхление, щелевание и др.), внесения органических и минеральных удобрений, сорбент-мелиорантов, композиционных смесей, а также микроорганизмов, переводящих ТМ в недоступные для растений формы. Содержание ТМ существенно снижается в овощах и картофеле за счет их кулинарной обработки. В результате очистки, промывки, снятия кожуры, протирки и бланшировки содержание свинца и ртуть снижается на 50% в овощах и на 80-85% в картофеле, а кадмия – на 20%. Однако при удалении кожуры с клубней в них остается еще значительная часть ТМ. Загрязнение диоксинами. Среди токсикантов антропогенного происхождения, загрязняющих экосистемы (в том числе и почвы), огромную опасность представляют диоксины. Диоксины - обобщенное название большой группы полихлордибензопарадиоксинов (ПХДЦ), полихлордибензодифуранов (ПХДФ) и полихлордибифенилов (ПХДФ). В семейство диоксинов входят сотни хлорорганических, броморганических и смешанных хлорброморганических циклических эфиров, из которых 17 наиболее токсичны. Диоксины - твердые бесцветные кристаллические вещества, химически инертные и термически стабильные (разлагаются при нагревании выше 750 oС). Основные источники диоксинов: химическая и целлюлозно-бумажная промышленность; автомобильный транспорт, мусоросжигательные заводы. Общая токсичность диоксинов составляет 3,1·10-9 моль/кг, в то время как для яда кураре она равна 7,2·10-7, стрихнина – 1,5·10-6, цианистого натрия – 3,1·10-4, для диизопропилфторфосфата (боевого отравляющего вещества) – 1,6·10-5 моль/кг. Лишь минимальные летальные дозы ядов, вырабатываемых возбудителями ботулизма и дифтерии (3,3·10-17 и 4,2·10-12), превышают токсичность диоксинов. Диоксины влияют почти на все системы и органы человека (политропное воздействие на организм). Комплексный характер действия этой группы соединений на человека и живые организмы приводит к подавлению иммунитета, поражению внутренних органов и истощению организма. Следует добавить, что диоксиновая интоксикация вызывает усиление поражающего или повреждающего организм воздействия радиации, нитратов, ионов ТМ, особенно кадмия, свинца, ртути. Полихлорированные соединения из-за их высокой устойчивости нельзя нейтрализовать, если ими загрязнена окружающая среда или они оказались в организме. В организм человека диоксины попадают в основном с продуктами питания животного происхождения. Опасные концентрации диоксинов обнаруживаются в мясе, рыбе и молочных продуктах. При этом диоксины в большей степени накапливаются в коровьем молоке. Источником диоксинов являются также клубне- и корнеплоды, т.к. основная часть диоксинов накапливается в корневых системах растений. Обеззараживать почвы от диоксинов исключительно трудно. Пока что можно говорить лишь о снижении опасности, которую они представляют. В первую очередь необходимо совершенствовать технологии на производствах, являющихся источниками токсиканта, жестко соблюдать нормы содержания его в различных объектах (воде, почве), разрабатывать технологии, разрушающие препарат. Возможные меры по снижению токсичности уже загрязненных территорий – удаление и разложение диоксинов путем термической обработки с помощью инфракрасного нагрева, методом электрического пиролиза, ультрафиолетового фотолиза и др. Загрязнение пестицидами и агрохимикатами. Пестициды – это химические или биологические препараты, используемые для борьбы с вредителями и болезнями растений, сорными растениями, вредителями хранящейся сельскохозяйственной продукции, бытовыми вредителями и внешними паразитами животных, а также для регулирования роста растений, предуборочного удаления листьев (дефолианты), предуборочного подсушивания растений (десиканты). Агрохимикаты - удобрения химического или биологического происхождения, химические мелиоранты, кормовые добавки, предназначенные для питания растений, регулирования плодородия почв и подкормки животных. Применяются пестициды и агрохимикатыглавным образом в сельском хозяйстве, хотя их используют также для защиты запасов продовольствия, древесины и других природных продуктов. Во многих странах с помощью пестицидов ведётся химическая борьба с вредителями лесов, а также переносчиками заболеваний человека и домашних животных. Загрязнение почв пестицидами возможно при прямом внесении, а также сносом препаратов с растений при авиаобработке участков полей и лесных угодий. Наиболее загрязненными пестицидами районами в РФ являются Краснодарский край и Ростовская область (в среднем около 20 кг на 1 га). Работами отечественных и зарубежных исследователей неопровержимо доказано, что загрязнение почв пестицидами вызывает не только интоксикацию человека и большого числа видов животных, но и ведет к существенному нарушению воспроизводящих функций и, как следствие, к тяжелым демоэкологическим последствиям. С длительным применением пестицидов связывают также развитие резистентных (устойчивых) рас вредителей и появление новых вредных организмов, естественные враги которых были уничтожены. Попадая в почву, пестициды растворяются в почвенной влаге и переносятся с ней вниз по профилю. Длительность нахождения пестицидов в почве зависит от их состава. Стойкие соединения сохраняются до 10 лет и более. Мигрируя с природными водами и переносясь ветром, стойкие пестициды распространяются на большие расстояния. Известно, что ничтожные следы пестицидов были обнаружены в атмосферных осадках на просторах океанов, на поверхности ледниковых щитов Гренландии и Антарктиды. В 1972 на территории Швеции с атмосферными осадками выпало ДДТ больше, чем производилось этой стране. Охрана почв от загрязнения пестицидами предусматривает создание возможно менее токсичных и менее стойких соединений. Разрабатываются приемы уменьшения доз без снижения их эффективности. Очень важно сокращение авиационного распыления за счет наземного, а также применение строго выборочной обработки. Несмотря на принимаемые меры, при обработке полей пестицидами лишь незначительная их часть достигает объекта воздействия. Большая часть накапливается в почвенном покрове и природных водах. Важная задача – ускорить разложение пестицидов, распад их на нетоксичные компоненты. Установлено, что многие пестициды разлагаются под воздействием ультрафиолетового облучения, некоторые ядовитые соединения разрушаются в результате гидролиза, однако наиболее активно пестициды разлагаются микроорганизмами. Сейчас во многих странах, в том числе в России, осуществляется контроль за загрязнением окружающей среды пестицидами. Для пестицидов установлены нормы предельно допустимых концентраций в почве, которые составляют сотые и десятые доли мг/кг почвы. Пестициды действительно опасны для биосферы, однако, и это следует подчеркнуть специально, хотя они и относятся к веществам, наиболее загрязняющим окружающую человека природную среду, их «лидирующее» положение является временным. Разработка более «короткоживущих» препаратов, полностью распадающихся в течение сезона и даже в более короткие сроки, а также веществ, менее токсичных для человека и теплокровных животных, и, наконец, все более и более широкое использование биологических средств защиты растений с неизбежностью «отодвинут» пестициды на более низкий уровень в ранжированном по степени опасности ряду загрязнителей. Почвы загрязняются и минеральными удобрениями, если их используют в неумеренных количествах, теряют при производстве, транспортировке и хранении. Из азотных, суперфосфатных и других типов удобрений в почву в больших количествах мигрируют нитраты, сульфаты, хлориды и другие соединения. Б. Коммонер (1970) установил, что при самых благоприятных условиях из всего количества азотных удобрений, применяемых в США, поглощается растениями 80%, а в среднем по стране лишь 50%. Это приводит к нарушению биогеохимического круговорота азота, фосфора и некоторых других элементов. Экологические последствия такого нарушения в наибольшей степени проявляются в водной среде, в частности при формировании эвтрофии, которая возникает при смыве с почв избыточного количества азота, фосфора и других элементов. В последнее время выявлен еще один неблагоприятный аспект неумеренного потребления минеральных удобрений, и в первую очередь нитратов. Оказалось, что большое количество нитратов снижает содержание кислорода в почве, а это способствует повышенному выделению в атмосферу двух «парниковых» газов — закиси азота и метана. Нитраты опасны и для человека. Так, при поступлении нитратов в человеческий организм в концентрации свыше 50 мг/л отмечается их прямое общетоксическое воздействие, в частности возникновение метгемоглобинемии вследствие биологических превращений нитратов в нитриты и другие токсичные соединения азота. Неумеренное потребление минеральных удобрений вызывает в ряде районов и нежелательное подкисление почв. Глубокий экономический кризис в России, охвативший и аграрный сектор экономики, в сочетании с явно выраженными проявлениями экологического неблагополучия угрожает необратимыми изменениями плодородия почв, ставя под серьезное сомнение возможность обеспечения продовольственной безопасности государства. |