Агрохимия

Глава 9 ПРИМЕНЕНИЕ УДОБРЕНИЙ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

•

По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ, 1995), страны Западной Европы, Северная Америка и Япония, имея на своей территории 15 % населения, тратят в 50 раз больше ресурсов на душу населения, чем другие страны, и выбрасывают в окружающую среду 77 % всех вредных промышленных отходов.

В мире накопились миллионы гектаров нарушенной земли в результате эрозии, неправильного проведения сельскохозяйственных работ, загрязнения воздуха, почвы, озер и рек отходами. Возникла необходимость превращения многочисленных загрязняющих среду отходов в полезные ресурсы с помощью химических и биологических методов, а также внедрения безотходных технологий, не нарушающих экологической ситуации.

В начале XX в. население Земли составляло 1,6 млрд человек, в 2000 г. — 6 млрд. Перед человечеством стоит задача значительного увеличения производства продовольствия, энергии, строительства жилья. Видимо, и в будущем среди основных средств повышения урожайности сельскохозяйственных культур останутся удобрения, поэтому с каждым годом доля их в круговороте питательных веществ будет увеличиваться.

За счет применения промышленных минеральных удобрений обеспечивается 50 % прироста урожая, а по некоторым культурам (хлопчатник на орошаемых землях, чай) — около 80 %.

Полный отказ от использования минеральных удобрений, который иногда предлагают в качестве одного из возможных путей развития сельского хозяйства, приведет к катастрофическому сокращению производства продовольствия. Поэтому единственно правильное решение данной проблемы — это не отказ от применения, а коренное улучшение технологии использования минеральных удобрений, внесение их в оптимальных дозах и соотношениях, правильное хранение. При неравномерном их внесении одни растения получают избыточное, а другие— недостаточное количество питательных веществ. Это приводит к неодинаковым темпам развития и созревания растений, снижению урожая и качества продукции.

Наряду с основными элементами питания в минеральных удобрениях часто присутствуют различные примеси в виде солей тяжелых металлов, органических соединений, радиоактивных изотопов. Сырье для получения минеральных удобрений (фосфориты, апатиты, сырые калийные соли), как правило, содержит значительное количество примесей — от 10^-5 до 5 % и более. Из токсичных элементов могут присутствовать мышьяк, кадмий, свинец, фтор, стронций, которые должны рассматриваться как потенциальные источники загрязнения окружающей среды и строго учитываться при внесении в почву минеральных удобрений.

К критической группе веществ, накопление которых ведет к стрессу окружающей среды, относятся ртуть, свинец, кадмий, мышьяк и др. Среди них наиболее токсичны первые три элемента и некоторые их соединения.

В природе в результате антропогенного воздействия происходит накопление тяжелых металлов, поступающих из застывшей земной магмы, обычно покрытой безвредными поверхностными осадками. Во многих странах мира в результате рудных разработок образовались области загрязнения площадью от нескольких квадратных метров до нескольких гектаров. На них преобладают почвы с большим содержанием тяжелых металлов, которые токсичны для сельскохозяйственных культур. Высокая концентрация их в почвенном растворе полностью останавливает рост корней и вызывает гибель растений.

Выпадение кислотных дождей, обычное в районах загрязнения среды тяжелыми металлами, повышает их подвижность и создает угрозу попадания в грунтовые воды, а также увеличивает вероятность поступления избытка этих металлов в растения.

Высокий уровень интенсификации производства, рост городов неизбежно вызывают негативные изменения в биосфере. Воздействие человека на биосферу в целом и на составляющие ее компоненты — педосферу, атмосферу и гидросферу — весьма сложно и многообразно и приводит чаще всего к необратимым последствиям. Все изменения антропогенной природы нарушают естественный, сформировавшийся в течение длительного периода баланс каждой экосистемы. В результате сельскохозяйственной деятельности многие экосистемы превратились в искусственные агроэкосистемы с существенно измененным химическим составом.

Загрязнение среды химическими веществами — один из наиболее сильных факторов разрушения компонентов биосферы. Среди загрязнителей химической природы тяжелые металлы имеют особое экологическое, биологическое и медицинское значение.

К тяжелым металлам относят группу химических элементов плотностью более 5 г/см³. Такое разделение характерно для технической литературы, где металлы классифицируются на легкие и тяжелые. В биологической классификации к тяжелым металлам относят металлы с относительной атомной массой более 40. Термин «тяжелые металлы» следует употреблять, когда речь идет об опасных для животных организмов концентрациях элемента с относительной массой более 40, и считать его же микроэлементом в том случае, если он находится в почве, растениях, организме животных и человека в нетоксичных концентрациях или используется в малых количествах как удобрение или минеральная добавка к корму для улучшения роста и развития растений и животных.

Главными источниками техногенного загрязнения биосферы являются промышленность и автотранспорт. Минеральные (N, Р, К), органические удобрения, средства химической мелиорации почв и защиты растений также усиливают техногенную нагрузку на окружающую среду, так как с удобрениями (особенно фосфорными и органическими) и пестицидами в нее поступают многочисленные примеси тяжелых металлов.

Тяжелые металлы, выделяемые антропогенными источниками, поступают в окружающую среду и вовлекаются в сложившиеся биогеохимические циклы. Одним из путей выявления и предупреждения негативных последствий антропогенных изменений в агроценозах является организация мониторинга, который включает систему наблюдений как за живой, так и за неживой частями биосферы.

Мониторинг ставит следующие основные задачи:

наблюдение за состоянием почвы и растений или биосферы в целом;

оценка и прогноз этого состояния;

оценка опасности антропогенного воздействия на окружающую среду, и в частности, на агроценозы, выявление источников загрязнения;

разработка мероприятий (рекомендаций), направленных на снижение опасности загрязнения среды и негативного влияния на животных и человека, а также своевременное прогнозирование и предупреждение нежелательных последствий, связанных с загрязнением.

Важной составной частью мониторинга антропогенных изменений в биосфере является мониторинг загрязнения почв тяжелыми металлами.

Почвенный покров не только геохимически аккумулирует компоненты загрязнений, но и выступает как природный буфер, существенно снижающий токсичное действие тяжелых металлов и регулирующий поступление химических элементов в растение и, как следствие, в организм животных и человека. В отличие от атмосферы и гидросферы, где наблюдаются процессы периодического самоочищения от тяжелых металлов, почва практически не обладает такой способностью. Металлы, накапливающиеся в почвах, удаляются крайне медленно лишь при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и дефляции. В этой связи разработка агротехнических мероприятий, снижающих поступление тяжелых металлов в сельскохозяйственные растения, приобретает большую агроэкологическую значимость. Все это требует детального изучения характера распределения и путей трансформации подвижных и неподвижных форм соединений тяжелых металлов в почве и контроля за их поведением в агроценозах.

С одной стороны, металлы-микроэлементы, оказывая непосредственное влияние на формирование урожаев сельскохозяйственных культур и качество продукции, являются важным компонентом почв; с другой стороны, чрезмерное поступление тяжелых металлов в биосферу в результате хозяйственной деятельности вызывает загрязнение почвы и растений вследствие накопления их выше допустимых концентраций, опасных для здоровья животных и человека. В настоящее время фоновым уровнем содержания тяжелых металлов в почвах принято считать естественное содержание металлов с учетом металлов антропогенного происхождения как следствие глобального переноса загрязнителей от источников их выброса в окружающую среду. Вероятно, наиболее правильно под «фоновым» следовало бы понимать содержание элемента в почвах, находящихся на большом удалении от источников загрязнения.

Валовое содержание тяжелых металлов в естественных незагрязненных почвах обусловлено содержанием элементов в материнской породе и определяется генезисом, петрографией и процессами почвообразования. Количество подвижных форм химических элементов в почвах связано с реакцией среды, содержанием в почве органического вещества, гранулометрическим составом, биологическим круговоротом элементов, растительным покровом и процессами миграции металлов в почвенном профиле (табл. 152).

Кадмий обладает более высокой, чем свинец, миграционной способностью (соединения кадмия примерно в 100 раз более растворимы, чем соединения свинца, и соответственно он более подвижен в почве). Почвы одного и того же типа могут различаться по содержанию кадмия в 10—50 раз. Причем фоновые уровни содержания кадмия в почве, как правило, не превышают 0,5 мг/кг, поэтому более высокое его значение свидетельствует об антропогенном загрязнении пахотного слоя почвы.

Для оценки доступности тяжелых металлов сельскохозяйственным растениям и их миграционной способности по профилю почвы проводят определение подвижности элементов или их соединений в почвах, т. е. их способности переходить из твердой фазы почвы в почвенный раствор. Подвижность металлов обусловливается их природой, минералогическим составом почвы, содержанием органического вещества, реакцией почвенного раствора.

Из дерново-подзолистых почв, не подверженных антропогенному загрязнению, ацетатно-аммонийным буферным раствором (pH 4,8) извлекается: цинка 0,12—0,20 мг/кг, меди 0,05—2,0, свинца 0,5—1,0, кадмия 0,05—0,12 мг/кг. Среднее содержание подвижных форм тяжелых металлов в дерново-подзолистой почве составляет: свинца 0,5 мг/кг, кадмия 0,06, цинка 0,8, меди 0,05, никеля 0,2 мг/кг (Обухов, 1987; Попова, 1992).

Для оценки последствия загрязнения тяжелыми металлами важное значение имеют определение уровня естественного (исходного) содержания и изучение закономерностей их миграции.

Тяжелые металлы довольно значительно различаются по способности взаимодействовать с различными компонентами твердой фазы почвы. Концентрация металлов, имеющих ионный радиус 0,5—0,8 A (Mn²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺) и координационное число 6, имеет положительную корреляцию с содержанием илистой фракции почвы. Они могут вступать в реакции изоморфного замещения с алюминием и другими металлами (Fe, Mg) в октаэдрах алюмосиликатов. В илистой части дерново-подзолистых почв содержание тяжелых металлов в 2—4 раза выше, чем в почве в целом. Элементы с большим радиусом (свинец, кадмий) не способны к изоморфному замещению в октаэдрах. Они более активно связываются органическим веществом почвы. Их концентрация в почве положительно коррелирует с содержанием гумуса.

Помимо обменного поглощения гумусовые вещества образуют с тяжелыми металлами многообразные комплексные органо-минеральные соединения (фульваты и гуматы), что значительно снижает их миграционную способность и доступность растениям. Устойчивость комплексов тяжелых металлов с гуминовыми и фуль-вокислотами возрастает с увеличением заряда и уменьшением размера ионов. Наиболее устойчивые комплексы образуют металлы, е-оболочки которых заполнены Cu²⁺, Ni²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺ или же р- и ^-подуровнями (Zn²⁺, Cd²⁺).

По прочности связи металлокомплексов в дерново-подзолистой почве они располагаются в следующем порядке:

pH 5,0 Си > Pb > Fe > Ni > Mn > Zn > Cd;

pH 8,0 Си > Pb = Zn > Mn = Cd.

Тяжелые металлы могут выступать в роли ведущего экологического фактора, определяющего направленность и характер развития агробиоценозов. Массовое загрязнение ими окружающей среды приводит к явно выраженным токсикозам растений, животных и человека и поэтому сравнительно легко диагностируется.

Более сложно оценить воздействие относительно невысоких концентраций тяжелых металлов, которые без внешних признаков токсичности растений медленно и малозаметно отрицательно влияют на здоровье человека и окружающую среду в целом. Однако именно такое загрязнение встречается наиболее часто. Длительные загрязнения вызывают существенные сдвиги в биологическом равновесии.

Почва — основная среда, в которой накапливаются тяжелые металлы в результате антропогенной деятельности. Основная масса техногенно-рассеянных металлов, хотя и выбрасывается в атмосферу, довольно быстро поступает на поверхность почвы. Значительная часть их включается в почвообразовательные процессы (сорбируется ППК, связывается органическим веществом и т. д.); некоторая часть металлов поглощается сельскохозяйственными культурами и отчуждается с урожаем.

Загрязнение почвы тяжелыми металлами отрицательно влияет не только на растительные, но и на микробиологические ценозы. Среди различных биологических критериев оценки токсичности тяжелых металлов в почве, по-видимому, наиболее перспективно использование биохимических и микробиологических показателей активности почв. При этом особую ценность представляют данные о напряженности биохимических процессов в почве — азотфиксации, нитрификации, минерализации растительных остатков.

Установлено, что на высокогумусированных почвах негативное действие ионов тяжелых металлов значительно снижается вследствие связывания их в органо-минеральные комплексы, что приводит к образованию малотоксичных и нетоксичных хелатов. Именно этим объясняется меньшая токсичность тяжелых металлов на богатом органическим веществом черноземе.

Важный критерий плодородия почвы — ее ферментативная активность. По данным Г. Д. Белецкой (1985), содержание кадмия 7 мг/кг в дерново-подзолистых почвах Московской области способствовало заметному снижению дегидрогеназной активности, а при 15 мг/кг инвертазная активность почвы тормозилась. Аналогичное действие на этой почве оказывали свинец, цинк и медь в концентрациях соответственно 200, 500 и 5 мг/кг почвы. Увеличение концентрации этих металлов соответственно до 500, 1000 и 10 мг/кг полностью блокировало ферментативную активность почвы.

В разных почвах тяжелые металлы оказывают неодинаковое действие на микрофлору и протекающие в почвах биохимические процессы. По данным Н. Г. Зырина (1989), при содержании кобальта в дерново-подзолистой окультуренной почве 100 мг/кг активность амилазы, инвертазы, протеазы и дегидрогеназы была в 2 раза ниже, чем на контроле (на контроле 8 мг/кг почвы), каталазная активность снизилась на 25 %. Внесение свинца в количестве 1000 мг/кг почвы лишь незначительно снижало ферментативную активность почвы.

Техногенное воздействие на почву солей тяжелых металлов в течение нескольких лет, как правило, приводит к заметным изменениям численности основных групп микроорганизмов. Исследования Г. А. Евдокимовой и др. (1988) показали, что загрязнение почвы медью (в 2—3 раза выше фоновых) существенно изменяет микробиологические сообщества. Наиболее чувствительны сапрофитные микроорганизмы и актиномицеты, вызывающие минерализацию растительных остатков. На загрязненных тяжелыми металлами почвах происходит относительное увеличение олиго-трофных микроорганизмов и грибов.

Добавление в богатую органическим веществом почву свинца в количестве 0,1 и 0,3 % от ее массы снижало рост бактерий в среднем соответственно на 50 и 70 %. Установлено, что у большинства микроорганизмов, длительно обитавших в экстремальных условиях загрязнения почвы тяжелыми металлами, выработались механизмы адаптации к верхним пороговым концентрациям солей по сравнению с микрофлорой незагрязненных регионов.

Микробиологический эффект, проявляющийся в угнетении роста микроорганизмов, явно выражен на дерново-подзолистых почвах при 5—6-кратном превышении концентрации тяжелых металлов в почве по сравнению с фоном, а на черноземах — при 7—9-кратном (Скворцова, 1990). По данным некоторых авторов, внесение свинца и кадмия в виде Pb(N0₃) и CdS0₄ в количестве, в 2—3 раза превышающем их фоновое содержание в почве (10— 20 мг/кг), задерживает развитие многих микроорганизмов.

Следует отметить, что влияние солей тяжелых металлов не ограничивается только тем, что они проявляют фитотоксичность. Почва является многокомпонентной функциональной системой со сложными взаимозависимыми отношениями, поэтому блокирование или существенное угнетение одной из систем непосредственно отразится на всей системе, нарушая ее нормальное функционирование.

Свинец и кадмий отличаются высокой кумулятивной способностью в организмах теплокровных животных и человека. Поэтому в результате загрязнения этими металлами почвы и растений наибольшей опасности подвергаются конечные звенья пищевой цепи, в том числе человек. Одним из наиболее вредных токсикантов является кадмий. Попадая в почву, он абсорбируется корневой системой растений, накапливается в них и по пищевым цепям может поступать в организм животных и человека. У млекопитающих он накапливается в основном в печени, почках, костях, шерсти (Захаров, 1975). Дозы кадмия (значительно ниже полулеталь-ных) вызывают у животных гибель половых клеток и стерильность. Соединения кадмия обладают явно выраженными тератогенным и мутагенным эффектами, что проявляется уже при концентрации CdCl₂ 2 • 10~⁵ мг/л (Козаченко и др., 1987).

Кадмий, ртуть и свинец практически невозможно изъять из почвы, поэтому они все больше накапливаются в ней и различными путями попадают в организм человека. Основной путь уменьшения содержания тяжелых металлов в растительной продукции — разработка совершенных технологических приемов снижения их подвижности в почве.

При разработке мероприятий по снижению содержания тяжелых металлов в сельскохозяйственных растениях, возделываемых на почвах, подвергающихся антропогенному загрязнению, возникает необходимость решения ряда проблем. С агрономической и экологической точек зрения необходимы такие приемы возделывания культур, которые одновременно способствовали бы снижению поступления тяжелых металлов в растения и уменьшению их содержания в корнеобитаемом слое почвы. Трудности решения данной проблемы состоят в том, что агрохимические мероприятия, способствующие уменьшению поступления тяжелых металлов в растения (известкование, внесение органических удобрений, повышение гумусированности почв и емкости катионного обмена), вызывают накопление их в почве в форме малорастворимых соединений, в результате чего подвижность металлов и естественная миграция их по профилю почвы снижаются.

Так, при известковании кислых почв кадмий, ртуть, свинец, кобальт, никель и другие металлы образуют практически нерастворимые гидроксиды и карбонаты, произведения растворимости которых находятся в пределах 10~¹² — 10~¹⁷. Ограниченные подвижность и доступность металлов растениям приводят в этих условиях к снижению их содержания в продукции, но одновременно увеличивают степень загрязнения почвы в результате ослабления миграционных потоков.

Следует отметить, что к настоящему времени вследствие недостаточного изучения влияния внешних факторов на процессы трансформации тяжелых металлов в почве определенной концепции о характере эволюции почв в условиях антропогенного загрязнения не сформировалось. Однако можно с уверенностью сказать, что агрохимические приемы позволяют существенно снизить содержание тяжелых металлов в растениях.

Результаты наших исследований в длительном (с 1956 г.; Ягодин, Маркелова) стационарном опыте полевой станции Московской сельскохозяйственной академии показали, что в условиях интенсивного антропогенного загрязнения (опытная станция расположена в черте г. Москвы) почва аккумулировала значительные количества тяжелых металлов, в том числе кислоторастворимых форм свинца 15—20мг/кг, кадмия 1,0—1,6 мг/кг. Периодическое известкование легкосуглинистой дерново-подзолистой почвы независимо от способов ее основной обработки (вспашка на глубину 23—25 см, периодическая трехъярусная вспашка на глубину 38— 40 см, дискование — 10—12 см) приводило к значительному снижению концентрации свинца и кадмия в клубнях картофеля как на контроле (без удобрений), так и при внесении минеральных и органических удобрений (табл. 153).

На известкованном фоне содержание свинца по сравнению с неизвесткованной почвой снижалось на 20—60 %, кадмия —на 50—300 %. Следовательно, внесение извести более существенно влияет на содержание в клубнях картофеля кадмия, чем свинца.

Разработка технологий получения экологически чистой продукции растениеводства требует детального учета степени воздействия биогенных и абиогенных факторов внешней среды на химический состав сельскохозяйственных культур. Согласно нашим исследованиям концентрация тяжелых металлов в продукции в значительной мере определяется видовыми особенностями культур и характером антропогенного загрязнения. Агротехнические приемы, в том числе известкование, существенно ограничивают поступление тяжелых металлов в растения в случае загрязнения почвы. При интенсивном и систематическом поступлении металлов с осадками или пылью (вблизи дорог и промышленных зон) с помощью известкования не удается существенно снизить их содержание в надземных органах растений.

Исследования, проведенные с озимой пшеницей и ячменем на опытной станции МСХА (в черте города), показали, что содержание свинца и кадмия в зерне и соломе в большей степени варьировало по годам в зависимости от погодных условий, чем от агротехнических приемов обработки почвы и возделываемых культур. В этих опытах в результате некорневого поступления тяжелых металлов на растения с пылью содержание свинца в зерне на неизве-сткованном фоне колебалось в пределах 1,3—2,7 мг/кг, на фоне извести — 2,8—4,8 мг/кг (ПДК свинца в зерне 2,0 мг/кг); содержание кадмия по годам составляло 0,4—1,3 мг/кг (ПДК кадмия 0,3 мг/кг).

В опыте с ячменем (табл. 154) известкование снижало содержание кадмия, свинца, никеля, хрома в зерне, однако их концентрации оставались значительно выше ПДК. Следовательно, при интенсивном атмосферном загрязнении почвы и растений тяжелыми металлами агротехнические приемы снижения их концентрации в зерновых культурах могут оказаться малоэффективными.

В то же время исследования, проведенные в экологически относительно чистой зоне, вдали от промышленных районов и автомагистралей, показывают, что при отсутствии атмосферных загрязнений известкование значительно (в 1,5—2,0 раза) снижает содержание свинца и кадмия в зерне озимой пшеницы (табл. 155).

Содержание в почве подвижных форм свинца составило 8— 11 мг/кг, кадмия — 0,17—0,26 мг/кг. При этом положительное действие известкования находилось в прямой зависимости от дозы извести.

Наряду с известкованием большое влияние на урожай и качество сельскохозяйственной продукции оказывают окультурен-ность почвы, минеральные и органические удобрения. Несмотря на бытующее мнение о негативном действии минеральных и органических удобрений на содержание тяжелых металлов в растениях, наши исследования показали, что длительное их применение даже при относительно высоком естественном содержании тяжелых металлов в фосфорных и органических удобрениях не увеличивало, а, как правило, снижало концентрацию тяжелых металлов в сельскохозяйственной продукции в результате «ростового разбавления» при значительном увеличении урожайности.

Результаты длительного (25-летнего) опыта, проведенного на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве Подольского района Московской области, убедительно свидетельствуют о том, что систематическое применение под различные сельскохозяйственные культуры расчетных доз минеральных и органических удобрений не увеличивает содержание свинца и кадмия в товарной продукции (табл. 156).

Из данных таблицы 157 следует, что применение умеренных доз фосфорных удобрений практически не влияет на содержание свинца и кадмия в сене многолетних лугопастбищных трав, в то время как при повышенных и высоких дозах фосфора (Р₃₀о и Р₆₀₀) содержание тяжелых металлов в сельскохозяйственных растениях уменьшалось в 1,5—2,0 раза по сравнению с контролем (NK).

При повышении гумусированности почв различных агроценозов подвижность и миграционная способность тяжелых металлов в них значительно снижаются, вследствие чего существенно уменьшается опасность загрязнения ими источников питьевой воды, рек, водоемов и продукции растениеводства.

Исследования, проведенные в длительном стационарном опыте в Подольском районе Московской области, показали, что хорошо окультуренная высокогумусированная дерново-подзолистая почва (содержание гумуса 2,7—2,9 %) обладала более высокой аккумулирующей способностью к тяжелым металлам по всему профилю по сравнению с неокультуренной слабогумусированной (1,2 % гумуса) почвой одного и того же минералогического состава и генезиса (табл. 158). При этом поступление тяжелых металлов в различные сельскохозяйственные растения и содержание их в товарной продукции не увеличивались (см. табл. 156) вследствие образования слабодиссоциированных хелатов.

Наряду с известкованием, внесением минеральных и органических удобрений важным агротехническим приемом, оказывающим непосредственное влияние на урожай и его качество, является система обработки почвы. Получившая в последнее время широкое распространение минимальная поверхностная обработка почвы может быть экономически оправдана в экологически чистых регионах на слабозасоренных высокогумусированных плодородных почвах. В районах повышенного поверхностного загрязнения почвы возникает необходимость оборота пласта с глубокой заделкой верхнего слоя.

Результаты наших исследований показали, что применение ежегодной безотвальной обработки почвы (дискование на глубину 10—12 см) приводит к нежелательным последствиям — дифференциации пахотного слоя почвы, вызванной накоплением в верхнем ее слое не только макроэлементов, но и значительных количеств тяжелых металлов. Более высокий уровень загрязнения верхнего слоя (0—10 см) почвы является, несомненно, одной из причин, вызывающих повышенное содержание тяжелых металлов в сельс-

кохозяйственной продукции. Согласно данным длительного полевого опыта МСХА (табл. 159) периодическая трехъярусная глубокая обработка дерново-подзолистой почвы заметно снижает концентрацию многих тяжелых металлов в растениях по сравнению с ежегодным ее дискованием на глубину 10—12 см.

Примечание. Над чертой — без извести, под чертой — с известью.

Таким образом, результаты наших исследований путей оптимизации способов расширенного воспроизводства плодородия почв и получения безопасной продукции растениеводства позволяют сделать следующее заключение:

в районах антропогенного загрязнения почв систематическое применение известковых и минеральных удобрений значительно снижает уровень содержания тяжелых металлов в сельскохозяйственной продукции и тем самым существенно повышает ее качество;

в районах систематического интенсивного атмосферного загрязнения (вблизи промышленных зон и автострад) различные способы основной обработки почв, внесение удобрений и средств химической мелиорации не являются достаточно надежными агротехническими приемами получения экологически чистой продукции и могут быть малоэффективными;

при антропогенном загрязнении почвы минеральные и органические удобрения существенно снижают концентрацию тяжелых металлов в растениях в результате «ростового разбавления» при повышении урожайности сельскохозяйственных культур, в то время как суммарное их количество, отчуждаемое с урожаем, значительно увеличивается;

применение органических удобрений заметно снижает опасность загрязнения тяжелыми металлами источников питьевой воды, рек, водоемов и сельскохозяйственной продукции в результате снижения растворимости и миграционной способности тяжелых металлов;

в зонах активной антропогенной нагрузки необходима периодическая глубокая вспашка, которая устраняет локализацию тяжелых металлов в верхнем корнеобитаемом слое почвы и снижает их накопление в продукции.

Поступление микроэлементов в составе техногенной пыли приводит к образованию «техногенного» максимума в распределении микроэлементов по профилю почв, обычно приуроченного к верхней части почвенного профиля. Происхождение техногенного максимума в профиле почв в значительной степени зависит от ландшафта. Геохимически подчиненные ландшафты вторично загрязняются за счет аллювиальных ландшафтов при поверхностном и внутрипочвенном стоках, при весеннем стоке. Связь микроэлементов с содержанием гумуса обнаруживается не всегда. Почвы под пашней содержат меньше микроэлементов, чем под естественной растительностью. Обедненность почв и пород микроэлементами, промывной режим и кислая реакция среды ведут к низкой обеспеченности почв подвижными соединениями.

Добродеев и Голиков (1990) выявили локальную геохимическую аномалию в сфагнуме и торфе верховых болот, примыкающих к комбинату «Азот», построенному всего за 15 лет до сбора образцов. Отмечено отчетливое увеличение концентрации тяжелых металлов в торфе по мере приближения к источнику загрязнения (табл. 160).

Мотузова и Абрамова (1986) исследовали содержание меди, цинка и марганца в ландшафтах северной части Кировской области, равнину бассейна р. Северная Двина. Установлено, что почвообразующие породы обеднены медью (3—29 мг/кг), цинком (9— 20 мг/кг) и марганцем (28—52 мг/кг). В покровных суглинках и глинах, в карбонатной морене содержание цинка колеблется от 57 до 66 мг/кг, марганца — от 620 до 1400 мг/кг. Содержание микроэлементов в почве определяется ее приуроченностью к элементу ландшафта, почвообразующей породой и типом почвообразования. Обогащены цинком (108—126 мг/кг), медью (35—38 мг/кг) и марганцем (1050—2630 мг/кг) иловато-болотные почвы на аллювиальных суглинках, приуроченные к супераквальному ландшафту. Бедны медью (5—12 мг/кг), цинком (8—21 мг/кг) и марганцем (51—98 мг/кг) песчаные подзолистые почвы элювиального ландшафта. На содержание микроэлементов в почвах существенно влияет аэрогенная деятельность человека.

Журавлева и Сиволобов^ (1978) установили, что в дерново-подзолистых почвах Ярославской области, различающихся по степени окультуренности и гранулометрическому составу, в гумусовых горизонтах содержание свинца от 11 до 16 мг/кг, никеля от 13 до 27 мг/кг, ванадия от 37 до 68 мг/кг. Более высокая концентрация свинца в гумусовых горизонтах по сравнению с почдообразующи-ми породами свидетельствует о его активном участии в биологическом круговороте.

В естественных условиях биогеохимические процессы, приводящие к качественным изменениям окружающей среды, протекают медленно, и поэтому человеческий организм, нередко проявляя избирательную способность к определенным химическим элементам или веществам, успевает адаптироваться. В настоящее время при интенсивном изменении биогеохимической среды человеческий организм не может приспособиться и отвечает патологическими состояниями. Биогеохимические регионы, субрегионы и провинции, характеризующиеся недостатком важных микроэлементов, наиболее уязвимы при антропогенном загрязнении тяжелыми металлами.

Явления конкурентного и неконкурентного взаимоотношений лежат в основе антагонизма и синергизма элементов, что следует учитывать при создании оптимизированных систем питания растений и преодолении влияния того или иного загрязнителя (Ягодин, 1991). Установлено, что токсичность тяжелых металлов зависит не только от концентрации микроэлемента, но и от обеспеченности всеми элементами питания. При отсутствии в среде одного или нескольких элементов питания токсичность избыточного элемента проявляется уже при значительно меньших его концентрациях. Повышенный фон эссенциальных элементов повышает устойчивость организмов к кадмию, никелю и хрому в концентрациях, вызывающих в других условиях патологические изменения (Авцын и др., 1991). Следует учитывать, что использование элемента-антагониста для снижения поступления избыточного элемента может привести к нарушению поступления многих других элементов. Принцип снятия токсичного действия всегда требует предварительного изучения конкретных данных и условий.

Антропогенная деградация почв, определяющаяся снижением содержания гумуса, сопровождается значительными изменениями не только качественного состава минеральных питательных эле-

ментов, но и часто трудно предсказуемым снижением или резким усилением доступности химических элементов растениям (Ягодин и др., 1991). В МСХА изучено влияние ряда микроэлементов (различные дозы и формы) на поступление как эссенциальных элементов, так и элементов-ксенобиотиков в зерно и пищевые части овощных культур. Исследователи отмечают эффект группового концентрирования тяжелых металлов, ранее обнаруженный Саенко (1990), что характерно для морских растений.

Разрабатываемые в лаборатории микроэлементов МСХА технологии выращивания сельскохозяйственной продукции с заданным элементным составом позволяют, применяя агрохимические способы внесения макро- и микроудобрений, контролировать и ограничивать поступление тяжелых металлов и нитратов в используемые в пищу части растений. Основой технологий служит выявление закономерностей поступления микроэлементов в зависимости от концентрации элемента, соотношения его с другими макро- и микроэлементами питания, типа почв, влагообеспеченности и т. д. Подобные закономерности выясняют для отдельных сельскохозяйственных культур, сортов (Кремин, 1990; Кокурин и др., 1990; Белозерова, 1990; Ягодин и др., 1993).

Коробова (1961), детально изучавшая поступление йода, кобальта и меди в растения в таежно-лесном биогеохимическом регионе России, рекомендует для преодоления и снижения дефицита этих элементов в растениях внедрять на культурных пастбищах наиболее адаптированные к местным условиям виды, регулировать влагообеспеченность растений на осушенных торфяниках, строго соблюдать оптимальные дозы известкования почв. Иными словами, проводить мероприятия, способствующие нормализации поступления йода, кобальта и меди в растения, а оттуда — в рацион травоядных животных.

В условиях вторичных биогеохимических аномалий, возникающих в зоне загрязнения от автодорог, при планировании выращивания сельскохозяйственных культур необходимо учитывать расстояние от дороги, преимущественное направление ветров, рельеф. В качестве мероприятия, снижающего поступление ксенобиотиков в почву и растения, предлагают посадку лесозащитных полос.

Вводят также сельскохозяйственные культуры, которые допустимо выращивать при повышенных концентрациях в среде элементов-токсикантов. При этом учитывают как действие токсикантов на рост и урожайность данной культуры, так и накопление токсикантов в съедобной части растения. Поэтому наиболее часто в местах поступления избыточных количеств тяжелых металлов рекомендуют выращивать технические культуры при условии, что их качество изменяется в допустимых нормах. Во всех случаях загрязнения почв, вод и продукции растениеводства необходимо проводить мониторинг. Применение органических, минеральных и любых нетрадиционных удобрений должно быть разрешено после химического анализа их на содержание элементов-примесей. Следует отметить, что предельно допустимые концентрации тяжелых металлов в растениях накапливаются и при более низком содержании элемента в почве, чем то, при котором наступают сильное угнетение и гибель растений.

В настоящее время назрела необходимость создания всеобщего перспективного плана специализации сельскохозяйственного производства по зонам и различным биохимическим провинциям с учетом последних достижений науки. Перед человечеством стоит задача не только сознательно управлять процессами взаимодействия общества и природы, но и предвидеть ближайшие и отдаленные последствия своего вмешательства в природные объекты.

Говоря о проблеме окружающей среды и применения удобрений, имеют в виду загрязнение почвы, воды и сельскохозяйственной продукции вредными для здоровья людей и животных элементами и веществами. Однако применение химических средств в сельском хозяйстве — это только малая часть хозяйственной деятельности человека, в результате которой может происходить загрязнение окружающей среды. Химическое воздействие человека на биосферу в современном мире носит глобальный характер. Поэтому, прежде чем рассматривать влияние удобрений на окружающую среду, необходимо отметить, что значительно возрос прессинг на нее токсичных веществ из других источников.

Огромный ущерб окружающей среде наносят использование природных источников энергии (уголь, нефть, газ), при сгорании которых в атмосферу выбрасывается большое количество вредных веществ, строительство индустриальных комплексов, мощное развитие транспорта, вследствие чего загрязняются воды и почвы сельскохозяйственного назначения.

Ореол техногенного рассеяния металлов вблизи промышленных предприятий имеет радиус 2—3 км, на более крупных индустриальных комплексах — 3—12 и даже 20—25 км.

Об огромном значении элементного состава растений свидетельствуют случаи эндемических заболеваний, которые возникают в условиях выраженного избытка или недостатка в геохимическом круговороте веществ биологически значимого элемента.

Известно, что недостаток или избыток микроэлементов во внешней среде и в пище может вызвать у животных и человека различные эндемические (неинфекционные) заболевания, например эндемический зоб или кариес. У бактерий изменения концентрации кобальта, меди, молибдена, ванадия эффективно стимулируют или подавляют обменные процессы; цинк необходим для деления клеток и переноса генетической информации, а железо способствует появлению у бактерий патогенных (болезнетворных) свойств.

Е. В. Ротшильд пришел к выводу, что заболевания растительноядных животных, вызываемые бактериями и вирусами, устойчиво связаны в природе с аномальной, необычной для своего географического места концентрацией химических элементов в кормовых растениях. Таким образом, аномальный сдвиг эколого-геохимических условий среды, в том числе и в результате техногенных загрязнений, может вызвать появление массовых заболеваний. Не исключено провоцирование и новых, ранее неизвестных болезней.

В природе выявлены естественные провинции с недостатком йода, фтора, селена, а также с избытком ряда элементов. В таких провинциях проявляются специфические заболевания.

«Металлический пресс» на биосферу, обусловленный хозяйственной деятельностью человека, может вызывать техногенные геохимические аномалии. По данным зарубежных авторов, вокрес-тностях металлургических заводов наблюдается недобор урожая зерновых на 20—30 %, бобовых — на 40, картофеля — на 47, кормовой и сахарной свеклы — на 35 %. Увеличиваются кислотность почвы и вместе с тем подвижность некоторых токсичных элементов.

По стандартам Европейского сообщества (ЕС), предельно допустимое содержание свинца в фураже составляет 10 мг/кг сухого вещества. В США вдоль автострад в траве накапливается до 50 мг свинца на 1 кг сухой массы, а в ФРГ у обочин дорог зафиксировано 7000 мг/кг, тогда как фоновая величина составляет 2—10, а естественная теоретическая 1 мг/кг.

При выращивании вблизи автострад капусты отмечено загрязнение свинцом наружных листьев — в них содержалось в 1,5—3,0 раза больше свинца, чем во внутренних. Исследования, проведенные в придорожных яблоневых садах, показали, что свинец накапливается главным образом в листьях яблонь. Несколько повышенный уровень содержания свинца в плодах, главным образом в кожице, обнаружили только на очень близком расстоянии от дороги (8 м).

Во всех сельскохозяйственных культурах, выращиваемых в обследованных придорожных зонах, было повышено содержание свинца; в зерне пшеницы и ячменя оно превышало фоновый уровень в 5—8 раз, в соломе — 4—5 раз. В капусте и моркови свинца содержалось в 4—6 раз больше, чем при выращивании на удаленных от автомагистрали участках. Длительное употребление таких продуктов в пищу вредно для здоровья человека — оно может привести к развитию эндемических заболеваний.

Из-за высокой токсичности даже небольшой уровень загрязнения продукции свинцом представляет опасность для здоровья. Повышенное по сравнению с фоновым содержание этого металла обнаружено в дикорастущих растениях (лапчатка, подорожник, мать-и-мачеха) на участках вдоль дорог с относительно невысокой интенсивностью движения. Сбор этих растений для использования в качестве лекарственных средств, а также скашивание травы на корм скоту недопустимы.

Помимо свинца придорожные полосы загрязняются кадмием и цинком. Они попадают в окружающую среду при истирании шин. Содержание кадмия в почвах придорожных зон превышает местный геохимический фон в 2—3 раза, цинка — в 4—10 раз.

В почвах Москвы вблизи Ленинградского шоссе на расстоянии до 50 м по обе стороны дороги концентрация свинца достигает 200 мг/кг почвы (фон 9 мг/кг). В возделываемых на этих почвах культурах количество свинца возрастает: в клубнях картофеля в 20 раз, в ботве картофеля в 21, в листьях капусты и моркови — в

4—7, в зерне пшеницы и ячменя в 5—8 раз по сравнению с контрольными образцами, отобранными в 3 км от шоссе.

В ландшафтах, не затронутых хозяйственной деятельностью, содержание тяжелых металлов незначительное. Так, кларк кадмия в литосфере составляет 0,13 мг/кг, ртути — 0,083 мг/кг, свинца — 16 мг/кг.

Среднее содержание в золе растений кадмия и свинца п • 10^-4 %, ртути п • 10^-6 %. Эти данные позволяют судить о степени загрязнения и чистоты почв и принимать необходимые меры, направленные на сохранение почвенного плодородия и качества продукции сельского хозяйства.

В. П. Цемко с сотрудниками предлагают следующую группировку почв по степени загрязненности: слабозагрязненные почвы — содержание элемента 2—10 кларков, среднезагрязненные — от 10 до 30, сильнозагрязненные — свыше 30 кларков.

«Металлический пресс» становится постоянно действующим экологическим фактором.

В качестве показателя техногенного загрязнения введен специальный коэффициент обогащения. Он представляет собой отношение концентраций двух элементов в атмосферных осадках, деленное на отношение концентраций тех же элементов в земной коре. В нормальных условиях этот коэффициент близок к единице. Значение коэффициента обогащения больше единицы, особенно в несколько математических порядков, свидетельствует о техногенном загрязнении.

Наряду с основными элементами минерального питания в минеральных удобрениях часто присутствуют различные примеси в виде солей тяжелых металлов, радиоактивных веществ и т. д. Так, при внесении фосфорных удобрений в почву попадает кадмий, обладающий высокой токсичностью по отношению к живым организмам и канцерогенными свойствами.

Фосфатные руды в зависимости от геологического происхождения и географического положения содержат разное количество тяжелых металлов. Особенно большие различия в содержании кадмия. В простом суперфосфате есть примеси меди (17 мг/кг), цинка (95 мг/кг), мышьяка (300 мг/кг).

Все эти примеси следует рассматривать в качестве потенциальных источников загрязнения среды и строго учитывать при внесении в почву минеральных удобрений; путем совершенствования технологии переработки фосфорного сырья проблема примесей в будущем может быть решена.

Известкование препятствует поступлению в растения радиоактивного стронция, в то время как сама известь может содержать примеси стронция, поэтому известковые материалы следует анализировать на данный элемент.

Источником загрязнения почв являются также пестициды. Например, в результате многолетнего применения медьсодержащих пестицидов в почве под виноградниками резко возросла концентрация меди. Присутствующая в почве в избыточных количествах медь поступает в растения, изменяет окраску их листьев, нарушает рост.

Однако на данном этапе развития сельского хозяйства невозможно полностью отказаться от химических средств защиты растений, поскольку это приведет к значительному недобору урожая всех культур. К сожалению, других надежных способов защиты растений пока нет. Биологические методы еще недостаточно разработаны, кроме того, они, как и химические, не могут быть панацеей от всех бед.

Необходимы комплексное применение химических и биологических средств защиты растений, более тщательный подход к разработке рекомендаций по применению пестицидов, введение строжайшего контроля за содержанием этих соединений и продуктов их распада в сельскохозяйственной продукции.

Большие потери питательных веществ и загрязнение ими окружающей среды происходят в результате эрозии. Ежегодное вымывание элементов питания с 1 га пашни составляет до 100 кг азота, 5 кг фосфора, 60 кг калия. Потери питательных веществ значительно увеличиваются при поверхностном внесении. Повышение концентрации питательных веществ в водоемах вызывает усиленное размножение планктона, разрастание прибрежной флоры, что постепенно приводит к сокращению площади и заболеванию водоема. В таких водоемах погибают все гидробионты из-за дефицита растворенного в воде кислорода.

В естественных условиях недостаток фосфора в водоемах в наибольшей степени ограничивает рост водорослей.

Во избежание внесения в почвы избытка тяжелых металлов во многих странах введены ограничения на их содержание в сточных водах, в оросительной и питьевой воде.

На современном этапе необходимо не только заботиться об охране окружающей среды, но и решать вопросы, связанные с ее улучшением в связи с применением удобрений на основе оптимизации минерального питания и получения продукции высокого качества.

Постоянное совершенствование среды обитания — одна из основных задач современного человеческого общества. Важная роль в этом процессе принадлежит осуществлению разумной научно обоснованной химизации.

Растения, со своей стороны, обладают в известной мере избирательностью к накоплению тех или иных элементов, в том числе тяжелых металлов, в своих органах и тканях. Свинец, ртуть и хром слабо поглощаются растениями, кадмий, цинк и таллий более доступны для растений. Способность никеля и меди поступать в растения расценивают по-разному. В определенных почвенных условиях (низкий pH, невысокая емкость поглощения, небольшое содержание органического вещества и фосфора) металлы, малодоступные для растений, могут поступать в них в значительных количествах. Концентрация свинца в почве 10 000мкг/кг вызывает накопление свинца в кормах, что часто является причиной отравления сельскохозяйственных животных.

Различия в распространении поглощенных растениями тяжелых металлов существуют не только по органам, но и в самих органах. Так, при выращивании свеклы на загрязненной почве наибольшее количество свинца накапливается в кожице корнеплодов, в мякоти его меньше. Очистка такой свеклы перед употреблением снижает поступление свинца в организм человека. Таким же образом распределяются и нитраты.

Вступая в соединения с фосфатами, тяжелые металлы, в частности свинец, образуют труднорастворимые соединения, вызывая тем самым недостаток фосфора, так что растения обнаруживают признаки фосфорного голодания.

Агрохимические приемы — известкование и внесение органических удобрений — существенно снижают возможность попадания металлов в растения. Благодаря известкованию удается в несколько раз уменьшить содержание свинца в сельскохозяйственных культурах, выращиваемых на загрязненных почвах. Известь оказывает наибольший эффект на почвах, загрязненных кадмием.

В опытах с салатом, который выращивали на загрязненной кадмием почве, увеличение содержания меди и никеля в почве сопровождалось снижением концентрации кадмия в листьях. Аналогичное наблюдали и при внесении цинка в почву, загрязненную кадмием.

Распределение металлов в органах растений носит отчетливо выраженный характер: корни > стебли > листья > плоды, что свидетельствует о наличии у растений защитного механизма, который препятствует поступлению тяжелых металлов из корней в надземные органы. Эта тенденция слабее проявляется на почвах с нормальным содержанием металлов и сильнее — с избыточным.

В настоящее время исследуют механизмы токсичного действия тяжелых металлов и генотипической адаптации видов к их действию. Ведут поиски путей устранения угрозы загрязнения продукции сельского хозяйства вредными веществами. У элементов группы тяжелых металлов, а также у некоторых микроэлементов очень узок оптимальный и токсичный интервал концентраций, в этом их опасность. Поэтому при внесении микроудобрений нужно тщательно подходить к выбору доз под конкретные культуры в конкретных почвенно-климатических условиях.

Для предотвращения попадания в пищу людей продуктов с избыточным содержанием нитратов, тяжелых металлов, остаточных количеств пестицидов и продуктов их распада во многих странах, в том числе и в России, введены ограничения на содержание этих веществ в продуктах питания (табл. 161, 162).

ционными потоками — водной миграцией, биологическим круговоротом элементов — появился новый поток за счет хозяйственной деятельности человека, превышающий природную миграцию элементов. Поэтому надо стремиться к созданию замкнутых производственных циклов, исключающих попадание химических веществ в окружающую среду. Применение экономико-математических методов оптимизации производства, транспортировки и хранения удобрений — залог высокой эффективности удобрений.

Необходимы организация глобального мониторинга, охватывающего весь спектр объектов, включая человека, дальнейшее изучение теоретических основ питания растений, гигиенических аспектов негативного действия загрязнителей на организм человека с участием ученых разных специальностей. Это позволит своевременно и эффективно контролировать состояние окружающей среды.

Максимум безвредной дозы нитратов для человека составляет 5 мг N0₃/Kr массы тела.

Наибольшую опасность представляют не сами нитраты, а образующиеся из них соединения — нитриты и нитрозамины, вызывающие разрушение гемоглобина крови. Нитрозамины и нитроза-миды обладают канцерогенным, мутагенным и эмбриотоксичес-ким действием.

В кочанном салате при ранних сроках посева может накапливаться до 10 000 мг/кг нитратов, в шпинате — до 2000 мг/кг.

Токсичный уровень нитратного азота в кормах 0,2 % (в расчете на сухую массу). Даже при потреблении его в дозе 0,13 г на 1 кг живой массы происходит превращение 70—80 % гемоглобина в метгемоглобин, что вызывает гибель животных.

Накопление нитратов в сельскохозяйственной продукции в большой степени зависит от дозы и сроков внесения азотных удобрений, длины светового дня и времени посева семян. Кроме того, оно зависит от освещения — в загущенных посевах и на затененных участках содержание нитратов выше.

При одноразовом внесении высоких доз азотных и других удобрений значительно возрастают потери питательных веществ, резко повышается жизнедеятельность почвенных микроорганизмов; в круговорот вместе с азотом удобрений включается азот почвы, который может выходить из системы почва—удобрение—растение и загрязнять биосферу.

С помощью стабильного изотопа ¹⁵N установлено, что из почвы может теряться в газообразной форме от 1 до 75 % (чаще 20—25 %) азота, внесенного с удобрениями.

Закись азота (N₂0) образуется в результате денитрификации. Она способна разрушать озоновый слой атмосферы, предохраняющий поверхность Земли от прямого попадания губительных для всего живого ультрафиолетовых лучей. Закись азота окисляется озоном до высших окислов азота, образующих с водой азотную и азотистую кислоты, которые выпадают с атмосферными осадками на сушу и поверхность океана.

Потери в результате вымывания нитратов можно свести к минимуму с помощью научно обоснованного чередования сельскохозяйственных культур с включением в севооборот растений, имеющих глубокопроникающую корневую систему (многолетние травы и др.). Это способствует лучшему использованию питательных веществ из глубоких горизонтов почвы (до 2 м).

Экологические последствия применения фосфорных удобрений серьезнее, чем только увеличение притока фосфора в водные объекты. Образующиеся лигандные комплексы вовлекают в круговорот многие тяжелые металлы, усиливая их мобильность, что приводит к загрязнению природных вод.

Присутствие полифосфатов в почве и воде сильно осложняет химическую очистку последних, сдвигая динамическое равновесие в сторону увеличения растворимости фосфорсодержащих соединений. Это является основным фактором, затрудняющим естественное осаждение фосфатных солей в водоемах.

Мировое производство фосфорных удобрений в пересчете на Р₂0₅ составляет 30 млн т в год. С этим количеством удобрений в почву вносится до 2—3 млн т фтора. В суперфосфате он находится в растворимой форме и легко поступает в растение. Повышение концентрации фтора тормозит фотосинтез, дыхание и рост растений, нарушает структуру ассимиляционного аппарата. В листьях петрушки, лука, щавеля его количество может достигать 50— 60 мг%. С каждой тонной суперфосфата в почву поступает около 160 кг фтора. В простом суперфосфате содержится меди около 20 мг/кг, цинка 100 мг/кг, мышьяка 300 мг/кг, а в состав фосфоритной муки входят свинец (около 20 мг/кг) и кадмий (около 2 мг/кг). Свинец может вступать в реакцию с фосфатами, снижая их усвояемость. С фосфорными удобрениями в почву обычно поступает и ванадий.

Проблему примесей можно успешно решить в будущем за счет совершенствования технологии переработки фосфатного сырья. Детергенты (моющие средства), содержащие большое количество фосфора и бора, вместе со сточными водами населенных пунктов попадают в почву и водоемы, загрязняя их этими элементами. Большое количество фосфора поступает в водоемы в результате водной и ветровой эрозии. Смыв с поверхности почвы миллиметрового слоя уносит от 14 до 34 кг/га Р₂0₅. Вынос фосфора из почвы можно уменьшить в результате проведения противоэрозион-ных мероприятий, необходимых агротехнических приемов и очистки сточных вод. Накопление фосфора в водной среде в значительных количествах вызывает эвтрофикацию (зарастание) водоемов.

Калийные удобрения загрязняют воды в меньшей степени. Отрицательное влияние оказывают в основном сопутствующие калию анионы: хлорид, сульфат и др.

К вредным примесям, содержащимся в калийных удобрениях, можно отнести хлор, который в больших дозах негативно влияет на урожай картофеля, винограда, табака, цитрусовых и прядильных культур.

Повышенное содержание калия в кормовых травах может вызывать отравление животных. Удобрения — главный источник загрязнения водоемов калием. Размеры потерь этого элемента с фильтрационными водами обычно составляют 10—20 кг/га, а средние величины вымывания калия из почвы — 20—25 кг/га К₂0. Повышенная концентрация катионов калия в почвенном растворе нарушает соотношения Са : К и Mg : К и может привести к вытеснению из почвенного поглощающего комплекса кальция и магния и передвижению их по профилю. Ежегодные потери кальция с дренажными водами могут составлять до 1 т/га. Этот процесс еще больше усиливается при внесении высоких доз физиологически кислых удобрений.

Функцию регулятора изменений концентрации тяжелых металлов в клетке растений выполняют металлотионеины — богатые серой низкомолекулярные белки, связывающие кадмий, цинк, ртуть, медь, серебро.

Велико значение и транспирации. Растение перекачивает из почвы в атмосферу с током воды не только хлор, натрий, калий, но и ртуть, цинк, свинец. Процесс выделения этих токсичных металлов с испаряемой влагой можно рассматривать как средство избавления растений от вредных элементов.

В практике сельскохозяйственного производства более сбалансированного питания растений достигают путем применения оптимального состава удобрений, устраняющего недостаток или избыток тех или иных элементов. Сложность решения данной проблемы заключается в необходимости точного учета потребностей растений в элементах питания в период роста, наследственных особенностей культивируемых сортов и постоянно изменяющегося комплекса почвенно-климатических факторов жизнеобеспечения растений. Необходимо изучить возможное негативное последействие отдельных микроэлементов (кадмия, меди, лития, фтора, мышьяка, хрома, свинца) в результате техногенного загрязнения и вопросы охраны окружающей среды. Совместное действие нескольких тяжелых металлов (кадмий, цинк, свинец) менее токсично, чем каждого в отдельности, что объясняется антагонизмом ионов при их поглощении.

При помощи предварительного известкования загрязненных почв удается в несколько раз уменьшить содержание свинца в сельскохозяйственных культурах, выращиваемых на них. Этот прием еще эффективнее на полях, загрязненных кадмием. Внесение торфа и органических удобрений значительно снижает поступление в растения тяжелых металлов. У салата, выращенного на участке, загрязненном кадмием, снижается концентрация этого элемента в листьях при увеличении содержания в почве меди и никеля.

Содержание в почве таких тяжелых металлов, как кадмий, стронций, никель и цинк, в большей степени зависит от ее кислотности, в меньшей — от гранулометрического состава. Например, кадмий подвижен в кислых почвах с pH менее 5,5, а в слабокислых и нейтральных с pH 5,5—7,5; в щелочных и сильнощелочных с pH 7,5—9,5 он малоподвижен.

Известно, что органические компоненты почвы образуют с металлами слабоподвижные комплексы. Органическое вещество связывает тяжелые металлы прочнее, чем минеральное вещество почвы. Емкость поглощения металлов гумусом в 4 раза выше, чем поглощение их глиной.

Прочно фиксируются органическим веществом свинец и медь; более слабые связи образуются с кадмием, никелем, марганцем и кобальтом. Определенную роль в связывании тяжелых металлов играют полутораоксиды, а также кальций и фосфор.

В верхних горизонтах почвы кадмий удерживается за счет высокой адсорбционной способности минералов типа монтмориллонита, иллита, хлорита и тонкой глины, а также за счет образования комплексов с органическим веществом почвы. Этому способствует и внесение органических удобрений.

Агротехнические приемы, известкование и внесение органических удобрений существенно снижают возможность попадания тяжелых металлов в растения.

Некоторое количество тяжелых металлов поступает в почву с навозом. Так, отмечено увеличение содержания меди в почвах пастбищ, длительное время удобряемых свиным навозом (медь и цинк используют в качестве кормовых добавок при откорме свиней). Это способствовало повышению концентрации меди в растениях, что неблагоприятно отражалось на состоянии выпасаемых овец, которые особенно чувствительны к избытку этого металла в кормах.

Один из источников загрязнения — использование для орошения сточных вод, осадок которых может содержать значительные количества тяжелых металлов (табл. 163).

Во многих странах во избежание внесения в почвы избытка тяжелых металлов введены ограничения на их содержание в сточных водах.

Требования к допустимому содержанию тяжелых металлов зависят от использования вод для культур, выращиваемых в теплицах и парниках, и для всех полевых и огородных растений.

Необходим также строгий контроль за содержанием тяжелых металлов в питьевой и оросительной воде.

В странах ЕС в сельском хозяйстве используется 30—40 % общего объема накопленного на станциях аэрации осадка. Регулярное внесение осадка сточных вод и компостов из бытового мусора часто вызывает загрязнение почв в пригородной зоне.

Выпадающие на поверхность почвы тяжелые металлы, как правило, концентрируются в слое 2—5 см и подразделяются на фиксирующую и мигрирующую части. Миграционные формы частично трансформируются. Установлено, что исходные формы меди и свинца переходят в менее миграционные формы, а соединения кадмия и цинка — в более подвижные. В почвах с промывным режимом тяжелые металлы в составе растворов и твердых частиц мигрируют. Лизиметрические опыты показали, что с глубиной концентрация тяжелых металлов уменьшается — на глубине 90 см она в 5—6 раз меньше, чем на поверхности.

Содержание тяжелых металлов в твердой фазе почвы выходит на фоновый уровень на глубине 30—40 см. Высокое содержание в почвенном растворе водорастворимых органических соединений повышает миграционную способность металлов благодаря образованию устойчивых органо-минеральных комплексов. В их составе металлы могут транспортироваться за пределы почвенного профиля. В лабораторных опытах скорость перемещения кобальта при низких концентрациях его в незагрязненных почвах была весьма ограниченной — в 500—770 раз меньше, чем воды.

В агрохимических исследованиях при определении доступных форм тяжелых металлов в почве важен подбор экстрагентов. Прямое заимствование методик извлечения обменных щелочных и щелочно-земельных металлов и их использование для определения обменных форм тяжелых металлов иногда могут привести к ошибочным выводам, так как основным типом связи с почвенно-поглощающим комплексом служит ионная связь, а многие тяжелые металлы из-за высокой способности к образованию соединений с координационной связью формируют в почвах соединения различной устойчивости.

Биосфера характеризуется неоднородностью — мозаичностью химического состава, в связи с чем проводят биогеохимическое районирование. Цель его состоит не только в определении зональных различий в содержании и соотношении химических элементов в разных объектах, но и в искусственном изменении отношений между организмом и средой (в сельском хозяйстве с помощью удобрений) и влиянии на свойства организма в заданном направлении.

Результаты проведенных работ в различных биогеохимических регионах страны позволили разработать рекомендации по ликвидации недостатка или избытка элементов в почве, найти оптимальные дозы микроудобрений, предложить наиболее рациональные способы их внесения, что привело к значительному увеличению урожайности сельскохозяйственных культур.

При разработке оптимальных систем применения удобрений следует учитывать генетическую адаптацию растений к природным условиям, приводящую к функциональным отклонениям, в связи с чем меняется реакция растений на изменения условий среды. Новые сорта должны отличаться широким диапазоном толерантности к элементам минерального питания.

Толерантность определяют по содержанию тяжелых металлов в тканях растений. На основе обобщенных данных об изменении роста и развития растений определен уровень толерантности к ряду металлов: для кадмия 5—7 млн^-1, кобальта 10—20, хрома 1—2, меди 15—20, ртути 0,5—1, никеля 20—30, свинца 10—20, теллура 20—70, цинка 150—200 млн^-1 сухого вещества. Еще один показатель толерантности — отношение концентрации металла в корнях к содержанию его в надземной части (у устойчивых растений это отношение выше, чем у неустойчивых). В качестве критерия толерантности используют и визуальные симптомы угнетения растений. Менее распространен протоплазматический метод определения устойчивости к металлам.

Следует отметить важное значение разработки высокоэффективных способов применения удобрений, при которых достигалась бы максимальная продуктивность при ограниченном внесении элементов питания. Коэффициенты использования питательных веществ из почвы и удобрений для большинства культур ниже потенциально возможных. Неиспользованная часть удобрений увеличивает затраты на урожай, может вызывать уменьшение и ухудшение качества его, загрязнение сельскохозяйственных продуктов, почвы, воды. Микроэлементы, являясь жизненно необходимыми, при достижении определенных концентраций в среде становятся высокотоксичными как для растений, так и для других организмов.

Наряду с учетом биогеохимических условий выращивания сельскохозяйственных культур необходимо создание высокопродуктивных сортов, эффективно использующих элементы минерального питания. В настоящее время в этом направлении ведут интенсивную исследовательскую работу: изучают полиморфизм по признакам минерального питания у культурных растений; проводят поиск доноров среди дикорастущих видов, отличающихся эффективным поглощением ионов в экстремальных условиях существования; выясняют физиолого-биохимические механизмы, определяющие различия растений в процессах минерального питания.

При химизации особое внимание необходимо уделять сбалансированному питанию растений, изучению взаимосвязи между макро- и микроэлементами. При использовании сбалансированного питательного раствора в условиях гидропоники по сравнению со стандартными урожай овощных культур увеличивается на 30—54 %, растения более полно используют макро- и микроэлементы, происходит экономия питательного раствора.

Правильный выбор доз, сроков и способов внесения удобрений, соотношения питательных элементов не только обеспечит получение высокого урожая, но и позволит исключить загрязнение почвы и продукции токсичными элементами и соединениями, поддерживать естественное плодородие почвы на необходимом уровне.

При использовании макроудобрений в высоких дозах резко увеличивается подвижность микроэлементов в почве: они мигрируют в нижележащие горизонты. Так, в карбонатном черноземе на глубине 2 м содержание цинка увеличилось в 6—10 раз, магния — в 2—4, железа — в 1,5 раза.

Поступление микроэлементов в растения зависит от биологических особенностей растений, в первую очередь от катионообменной емкости корней, биохимического состава и прочности связи ионов с клеточными оболочками. Поглощение микроэлементов осуществляется как метаболическим, так и неметаболическим путем; соотношение между ними меняется в зависимости от свойств, возраста, биологических особенностей культуры. Так, в поглощении свинца, кадмия, меди, лития преобладает пассивный перенос, а цинка и магния — активный и пассивный переносы. Превалирование пассивного поступления ряда ионов тяжелых металлов объясняется отчасти нарушением структуры клеточных мембран, вызываемым содержанием тяжелых металлов в клетке и приводящим к дополнительному диффузному поступлению их в растения.

Для оптимизации питания необходимо учитывать не только действие вносимых элементов, но и их взаимное влияние (антагонизм и синергизм ионов).

При увеличении дозы азота повышается поступление молибдена, меди, свинца, кобальта (при N₆₀ в 1,5 раза, при N₉₀ в 2 раза по сравнению с контролем), снижается накопление меди. Предпосевная обработка семян сои молибденом увеличивает концентрацию в растении не только этого элемента, но и цинка, железа, меди в надземной массе, кальция, цинка, меди, кобальта, марганца в корнях. Обработка семян раствором соли цинка приводит к увеличению содержания железа в надземной массе, цинка, кобальта — в корнях сои. Внесение в почву кобальта повышает аккумуляцию меди в корнеплодах редиса.

Увеличение концентрации никеля в проростках подсолнечника снижает содержание кальция и магния в листьях и марганца во всех органах. Повысить устойчивость растений к токсичному действию никеля (хлороз, некроз тканей) можно, например, за счет увеличения концентрации магния в растворе.

Устранить отрицательное влияние избыточности одного элемента можно путем увеличения концентраций других элементов в субстрате.

С удобрениями в почву могут поступать большие количества загрязняющих элементов, часто в несбалансированных соотношениях (табл. 164). Поэтому необходимо тщательно контролировать поступление удобрений в почву.

Есть данные о повышении содержания меди в почве при внесении NPK и навоза (в 1,5—2,0 раза). При этом происходит изменение микроэлементного состава овощных растений. При подборе удобрений необходимо учитывать их влияние на биологическую и пищевую ценность растительной продукции.

В настоящее время механизм токсичного влияния тяжелых металлов на растения и генотипической адаптации видов к их действию исследуется. Металлы способны стимулировать рост и синтез отдельных соединений (углеводов, белков, жиров и др.). К сожалению, наблюдаемый эффект объясняется, вероятнее всего, не тем, что элемент необходим растению, а стимулирующей интоксикацией организма под действием микродоз этих веществ.

У тяжелых металлов — протоплазматических ядов — очень узкий оптимальный и безвредный интервал концентрации, в чем заключается опасность. Токсичность их возрастает по мере увеличения атомной массы и может проявляться по-разному. Например, ртуть, свинец, медь, бериллий, кадмий, серебро ингибируют главным образом щелочную фосфатазу, каталазу, оксидазу, рибо-нуклеазу. Алюминий, железо, барий образуют преципитаты и хелатированные комплексы с метаболитами, препятствуя их дальнейшему участию в обмене веществ, способствуют деградации важнейших метаболитов (АТФ). Кадмий, медь, железо могут вызывать разрыв клеточных мембран и т. д.

Цинк, кадмий, свинец на 50 % инактивируют большинство ферментов при концентрациях 10^_6 — 10~⁹ М, медь —при концентрации 10~⁶ — 10~⁹ М за счет денатурации белков. Повреждение ферментов — главный фактор токсичного действия тяжелых металлов. Получение металлоустойчивых ферментов за счет изменения их молекулярных свойств — один из механизмов адаптации у растений устойчивой популяции. Другой механизм устойчивости растений к воздействию тяжелых металлов — ограничение поступления их из корней в надземные органы, т. е. иммобилизация их корнями.

При высокой концентрации меди в среде (300—500 мкг/л) она накапливается в тканях зародышевого корня и содержится в незначительных количествах даже в узловых корнях, что способствует вегетации однодольных растений на загрязненных тяжелыми металлами почвах.

Накопление биологически активных веществ в лекарственных растениях зависит от геохимических факторов среды. Это позволяет выбирать районы заготовок лекарственных растений с учетом их фармакологического действия. Чем больше в почве усвояемых марганца и молибдена, тем больше кардиостероидов, или «сердечных» гликозидов, накапливается в растениях рода наперстянковых.

Токсичность элемента обусловливается его химической природой, количеством и составом соединения, в котором он находится, способом потребления, а также возрастом, стадией развития, индивидуальными особенностями организма.

На некоторых территориях содержание химических элементов в почве и воде сильно отличается от нормального. В результате нарушения минерального питания растений изменяется их флористический состав, уменьшается урожайность сельскохозяйственных культур, возникают заболевания у дикорастущих растений.

Болезни животных и людей, вызванные дисбалансом микроэлементов в кормах, пищевых продуктах и воде, в большинстве случаев осложняются общим снижением активности иммунных систем.

На Земле не осталось территорий, которые в той или иной степени не подвергались бы антропогенному загрязнению различными химическими элементами. Эти вещества попадают в биосферные потоки в количествах, непропорциональных существующим в природной среде; в результате их пропорции в пищевых цепях нарушаются.

Одна из важнейших особенностей техногенеза металлов заключается в переводе их в неустойчивые геохимические формы, такие, как свободные металлы. Для природных условий существование свободных металлов нетипично. Они подвергаются окислению; их растворимость резко возрастает; растворимые соединения вовлекаются в биогеохимическую миграцию.

Следовательно, наряду с естественными, природными миграционными потоками — водной миграцией, биологическим круговоротом элементов — появился новый, антропогенный поток, превышающий природную миграцию металлов.

Перед агрохимиками стоят задачи по разработке методов комплексной почвенно-растительной диагностики содержания доступных растениям микроэлементов, установке параметров их оптимального содержания для получения планируемых урожаев, завершению сплошного детального агрохимического обследования пахотных почв и рекогносцировочного обследования сенокосов и пастбищ для установления обеспеченности подвижными формами микроэлементов.

Необходимо разработать новые формы удобрений с микроэлементами и применять их с учетом конкретных агрогеохимических условий поля. Это позволит не только получать высокие урожаи, продукцию с заданным биохимическим и микроэлементным составом, но и предотвратить нежелательное техногенное загрязнение.

В последнее время появились серьезные опасения, связанные с возможным разрушением озонового экрана стратосферы вследствие поступления в нее оксидов азота, образующихся при денитрификации азотных соединений почвы и удобрений.

Для борьбы с этим негативным явлением необходимо дальнейшее изучение теоретических основ питания растений с участием агрохимиков, физиологов, биохимиков, селекционеров, генетиков и других специалистов. Необходим глобальный мониторинг, охватывающий весь спектр природных объектов — почву, воду, растение, животного и человека. Это позволит контролировать состояние экосистемы и при необходимости оперативно принимать нужные меры.

Н. А. Черных, Н. 3. Милащенко и В. Ф. Ладонина (1999) приводят данные о том, что содержание тяжелых металлов в растениях уменьшается при повышении уровня плодородия почв (табл. 165).

Доза Cd в почве, мг/кг

Доза РЬ в почве,

Редис

(корне

плоды)

Н. 3. Милащенко и др. (1999) приводят ПДК химических веществ в почве (табл. 166).

Транслокационный

*Подвижные формы данных элементов извлекают из почвы ацетатно-аммонийным буферным раствором с pH 4,8.

Ежегодное поступление тяжелых металлов в почву с удобрениями под зерновые культуры равно тысячным и десятитысячным долям мг/кг почвы, что составляет ничтожную часть фонового содержания хрома, меди, никеля, свинца, цинка и кадмия в почве (Овчаренко и др., 1997). Применение указанных доз минеральных удобрений даже в течение многих столетий не может существенно изменить содержание в почве валовых форм этих элементов. В. Б. Ильин разработал градацию валового содержания тяжелых металлов в незагрязненных почвах легкого и среднего гранулометрического состава, не вызывающего отрицательного влияния на урожай и накопление в нем токсичных элементов (табл. 167).

167. Валовое содержание тяжелых металлов в незагоязненных почвах, мг/кг воздушно-сухой почвы (Ильин, 1991)

Человек, являясь основным загрязнителем природы, изменяет естественные, давно сложившиеся круговороты химических элементов и все больше нарушает гармонию экологического равновесия в окружающей среде.

С растительной и животной пищей, воздухом, водой в организм человека поступает постоянно возрастающий поток тяжелых металлов и других химических веществ. В результате антропогенной деятельности в почве повышается содержание мышьяка, кадмия, ртути, селена, свинца, цинка, фтора — веществ, относящихся к 1-му классу опасности, бора, кобальта, никеля, молибдена, меди, сурьмы, хрома — ко 2-му классу опасности и бария, ванадия, вольфрама, марганца, стронция — к 3-му классу опасности.

В России, по данным агрохимического обследования (Овча-ренко, 1997), выявлены значительные площади пахотных почв, загрязненных тяжелыми металлами и фтором (табл. 168).

168. Площади пахотных почв Российской Федерации, загрязненных тяжелыми металлами (ТМ) и фтором (на 01.95 г.)*

Многочисленные прогнозы свидетельствуют о дальнейшем увеличении в ближайшее время содержания в почвах ртути, мышьяка, кадмия, свинца, молибдена, меди, ванадия, цинка. Это вызывает необходимость разработки и применения предупредительных мер.

Охрана окружающей среды носит глобальный характер и может быть решена только на международной основе. В некоторых странах уже вводят стандарты на удобрения, содержащие вредные примеси.

Перед агрохимией стоят важные природоохранные задачи. Химизация открывает большие возможности не только для развития основных отраслей сельского хозяйства — растениеводства и животноводства, но и для создания новых природных ландшафтов в местах, где в настоящее время растительности мало или она отсутствует, а также для радикального улучшения всех имеющихся естественных природных ландшафтов.

Дальнейшее развитие агрохимии позволит целенаправленно изменять химический состав и повышать плодородие почвы, что значительно улучшит биологический круговорот элементов. Для изучения закономерности минерального питания растений, баланса питательных веществ в системе почва — растение — удобрение необходим комплексный эколого-агрохимический подход в конкретных почвенно-климатических условиях с учетом объективных данных о круговороте элементов питания.

Производство минеральных удобрений в ближайшем будущем должно быть ориентировано на их предварительную очистку. Это может существенно повысить стоимость удобрений, однако снизится заболеваемость и увеличатся продолжительность жизни и трудоспособность населения. Целесообразно и ведение экологогигиенического нормирования качества минеральных удобрений.

При составлении планов применения удобрений наравне с требованиями земледелия обязательно должны учитываться вопросы охраны окружающей среды.

Контрольные вопросы и задания

1. Каковы основные причины сложившейся в настоящее время негативной экологической ситуации в мире? 2. Перечислите наиболее опасные тяжелые металлы, загрязняющие почву и сельскохозяйственную продукцию. 3. Каковы основные способы снижения загрязнения почвы и растительной продукции тяжелыми металлами?