Агрохимия

•

На вопрос, может ли в наши дни быть какая-либо другая, не экологическая агрохимия, ответ однозначный — конечно, нет. В настоящее время острота экологических проблем, начавшихся с локальных загрязнений, выросла до угрозы глобальных катастроф. Человечеству необходимо научиться вписываться в естественные циклы биосферы.

Сегодня обрабатываемые земли дают 88 % энергии, получаемой человеком с пищей, около 10% ее люди получают от естественных лугов, пастбищ, лесов и 2 % дают ресурсы Мирового океана (Чернова и др., 1995).

Экологически грамотное ведение сельскохозяйственного производства требует от земледельца глубоких знаний взаимодействия растений с окружающей средой на каждом поле, в каждом регионе и на планете в целом. Часто разрушение людьми установившихся в природе за миллионы лет связей вызывает катастрофические последствия. Человечество, овладев огромными энергетическими и техническими возможностями, начало в XIX и особенно в XX в. побеждать природу или просто, не заботясь о последствиях и стремясь к повышению комфорта своей жизни, активно разрушать окружающую среду. Человечество вошло в экологический кризис, когда состояние окружающей среды уже угрожает дальнейшему его существованию.

Во второй половине XIX в. возникло научное направление — экология как часть биологии. Термин «экология» ввел немецкий зоолог Г. Гёккель в 1866 г. Экология — комплексная наука, изучающая среду обитания живых существ (включая человека) и их взаимоотношения с нею.

Среди многих экологических направлений, возникших в последние десятилетия (ландшафтное, геохимическое, градостроительное, медицинское, космическое и т. д.), для дальнейшего продолжения, сохранения и совершенствования жизни человека необходимо развитие экологической агрохимии. Данный раздел знаний относится к сельскохозяйственной экологии растений. Он тесно связан с экологией видов сообществ, агроландшафтов, с химической, молекулярной, физиологической, популяционной экологией, а также с экологией клеток, тканей и медицинской экологией.

Экологическая агрохимия — это наука о расширенном, постоянно увеличивающемся круговороте веществ в агроценозах, изучающая на элементарном, молекулярном, клеточном, организменном, популяционном и биосферном уровнях химические взаимодействия растений с почвой и окружающей средой в целом.

Задачи экологической агрохимии:

организовать внесение химических элементов в почву, определяемое точными расчетами, позволяющими максимально повысить их использование растениями, увеличивающими продуктивность растений, снижающими потери питательных элементов и загрязнение ими окружающей среды, а также улучшающими саму почву и повышающими ее плодородие;

выдавать рекомендации по оптимизации круговорота химических элементов в сельскохозяйственных угодьях и естественных биоценозах, способствующие постоянному улучшению окружающей среды;

осуществлять разработку методов определения параметров питания растений при добавлении в среду одних химических элементов и переводе в неусвояемые формы других с целью получения сельскохозяйственной продукции заданного элементного состава с учетом закона о генетически закрепленных коэффициентах использования поступивших в организм элементов питания;

изучать регуляторные функции микроэлементов и их роль в реализации адаптивных свойств растений, механизмов поступления элементов в растения и их влияние на проницаемость клеточных мембран как важнейшего фактора формирования качества биомассы растений;

организовать постоянный территориально развитый мониторинг содержания всех элементов в удобрениях, почве, воздухе, поливной и питьевой воде, растениях и животных. Обеспечить дальнейшее получение знаний по элементному составу диеты человека с учетом наследственности, мест проживания и возрастных особенностей людей;

постоянно проводить изучение причинно-следственных связей между изменениями внешней среды и возникающими в растениях явлениями, с тем чтобы своевременно реагировать на любые нежелательные изменения в биохимических и физиологических процессах у растений, ведущие к нарушению качества продукции. Фиксировать возникающие сдшпи в интенсивности отдельных биохимических реакций и физиологических процессов и изменение ряда процессов обмена и, как следствие, изменение количества и качества продукции, получаемой отданного вида;

осуществлять определение оптимумов элементного состава различных сельскохозяйственных, лекарственных и интрадуциру-емых растений в биогеохимических провинциях, организацию территориального размещения культурных растений в соответствии с картой биогеохимического районирования и имеющимися ресурсами содержания элементов;

проводить выявление искусственных потоков элементов за счет перемещения посевного материала и пищевых продуктов по территории стран и континентов, оценку их размеров и сравнение с мощностью естественных биогеохимических миграций элементов, оценку влияния промышленности и другой хозяйственной и бытовой деятельности человека на изменение элементного состава сельскохозяйственных объектов в регионах, субрегионах и провинциях;

регулировать с использованием естественной экологической обстановки целенаправленную корректировку элементного состава сельскохозяйственной продукции до оптимальных значений.

Уровень содержания химических элементов в почвах сельскохозяйственного использования зависит от биологических, геохимических, геологических процессов, а также от антропогенной деятельности. К сфере изучения экологической агрохимии относится исследование целого комплекса процессов, определяющих поведение элементов в почве и взаимодействие их с растениями. Адаптация растительных организмов к химическим условиям среды в результате эволюции обусловила определенную специфику обменных процессов у различных растений, закрепленную генетически. Реализация тех или иных биохимических и физиологических процессов происходит не только при наличии физических условий, но и при обязательной обеспеченности на нормальном уровне необходимого набора химических элементов. Взаимодействие сельскохозяйственных культур с окружающей средой, как и всех других живых организмов на нашей планете, нельзя осмыслить, не определив конкретно роли химических и физиологических реакций и причинно-следственных связей между ними в процессе жизнедеятельности.

Обычно считают, как отмечает В. В. Ковальский, что экология охватывает следующие уровни жизни — организменный, популяционный и биоценозный или только популяционный и биоценоз-ный.

Геохимическая экология не смогла бы выполнить свои основные задачи, если бы она рассматривала воздействие биологических реакций организмов на факторы среды, не раскрывая механизмы реакций и причинные связи между ними и факторами среды (Ковальский, 1974).

Химический состав растений (и других живых организмов) в определенной степени зависит от элементного состава почв, воды, воздуха.

Созданная В. И. Вернадским биогеохимическая концепция биосферы и учение А. П. Виноградова о биогеохимических провинциях, а также его предложение развивать химическую экологию — мощная теоретическая основа развития экологической агрохимии.

При рассмотрении любых процессов, изменяющихся во времени и пространстве на больших территориях, метод районирования служит надежным инструментом. Исследователи биосферы в качестве такого инструмента успешно используют биогеохимичес-кое районирование, основанное на единстве жизни и геохимической среды. Наиболее удачной составной частью биогеохимическо-го районирования является агроэкологическое районирование культурных растений, над созданием которого Н. И. Вавилов работал в 30-е годы.

Агроэкологическое районирование культурных растений Н. И. Вавилов строил на основе агроэкологической их классификации. Классификация культурных растений с точки зрения экологии появилась в результате синтеза знаний, полученных при детальном изучении экологической стороны различных областей науки о растениях, и опыта, накопленного в мировом растениеводстве. Агроэкологическая классификация культурных растений является логическим продолжением исследований линнеевского вида как системы, географии сельскохозяйственных культур, их происхождения и взаимосвязи растения с окружающей средой. Все эти главные предпосылки в сочетании с глубоким знанием сортов культурных растений послужили Н. И. Вавилову основой при составлении агроэкологической классификации растений, возделываемых человеком.

На основе агроэкологической классификации культурных растений карта мира разделена на агроэкологические области в зависимости от климатических, почвенных и географических условий. Под агроэкологическими областями подразумевают крупные территории, связанные единством климатических условий и сортовых составов. Ряд областей подразделяется на агроэкологические районы —- сравнительно ограниченные территории, отличающиеся конкретными климатическими и почвенными условиями и экотипами. Весь земной шар согласно этой классификации включает 95 агроэкологических областей с тщательным описанием экотипов и условий их произрастания. На территории СНГ насчитывается 22 агроэкологические области и 12 агроэкологических районов (Кавказ).

Сравнительный анализ биогеохимического и агроэкологическо-го районирования имеет много общего. Прежде всего две эти системы объединяет экологическая основа. Базой биогеохимического районирования является геохимическая экология; основу агроэко-логического районирования составляет сельскохозяйственная экология. Как биогеохимическое, так и агроэкологическое районирование строится по географическому принципу. Эволюционный подход применяют как в биогеохимии (эволюция биосферы), так и при агроэкологической классификации культурных растений.

Задачи биогеохимии не замыкаются на эмпирическом наборе данных об элементном составе окружающей среды, а распространяются на изучение роли химических элементов во всех звеньях биогеохимической цепи. Агроэкологическая классификация культурных растений также далека от простой систематики. При ее создании Н. И. Вавилов ставил задачи по выявлению экологических условий, способствующих изменению химизма растений. Это логически вытекало из задач Географической сети опытов.

При сравнении карты биогеохимического районирования СНГ (Ковальский, 1974) с описанием агроэкологических областей и районов нашей страны (Вавилов, 1957) выявляется много общего. Так, большая пестрота биогеохимических элементных аномалий на Кавказе и территориях к югу и востоку от Аральского моря (марганцевые, медные, молибденовые, свинцовые, полиэлемент-ные и другие биогеохимические провинции) совпадает с агроэко-логической пестротой расселения культурных растений.

Совпадения биогеохимического районирования прослеживаются по ряду областей, например Уровская биогеохимическая провинция совпадает с Якутской агроэкологической областью, территория, обогащенная марганцем и обедненная медью, кобальтом и йодом,— с Амурской агроэкологической областью, территории, обедненные селеном, соответствуют Приполярной агроэкологической области и т. д. Несомненно, дальнейшая исследовательская работа по уточнению как биогеохимического, так и аг-роэкологического районирования дополнит список совпадений этих классификаций.

Таким образом, в биогеохимическое районирование можно включить агроэкологическую классификацию культурных растений Н. И. Вавилова. Все изложенные сведения являются основой для развития экологической агрохимии и дальнейшего совершенствования полученных знаний.

На современном этапе развития биосферы предмет классической агрохимии наполняется новым содержанием. Это объясняется появлением современных, отличающихся от прежних требований к ведению сельского хозяйства, использованием нетрадиционных видов удобрений, усилением антропогенного загрязнения пахотных земель, вод и атмосферы. Круг задач агрохимии, особенно экологической, расширяется. Это относится к разработке основ правильного применения удобрений в различных регионах страны с учетом свойств почв и возделываемых растений, условий увлажнения и ассортимента удобрений, конкретной экологической и биогеохимической обстановки. Необходимы изучение взаимодействия уже не только растения, почвы и удобрения, но и геохимических свойств с естественной средой, учет возможных патогенных изменений у растительных и животных организмов, заболеваний человека.

По мере того как накапливаются факты отрицательного и положительного действия химических элементов на растения, животных и человека, все острее встает вопрос о необходимости более вдумчивого подбора элементов питания с желаемой направленностью их влияния на биологическую и пищевую ценность растительных продуктов. Поскольку растения находятся в начале биогеохимической пищевой цепи, контроль за содержанием химических элементов в растительной продукции, возможность его регулирования, изучение зависимости состояния здоровья человека, животных и растений от биогеохимических условий среды — важнейшие задачи экологической агрохимии сегодня и в перспективе.

В связи с возрастающими масштабами загрязнения почв и, как следствие, продукции растительного и животного происхождения тяжелыми металлами (кадмий, свинец, ртуть, медь, цинк и др.) актуальны исследования по изучению условий поступления их в съедобную часть растений, определение реальных размеров накопления этих элементов. Культурные растения являются источником значительного числа биофильных, а также гигиенически опасных для человека и животных элементов. В связи с этим необходимы сведения о размерах накопления химических элементов, особенно тяжелых металлов, в продукции в зависимости от условий выращивания, вида и сорта растений.

Открытие В. И. Вернадским биогеохимических функций живого вещества дало импульс к широкому исследованию минерального состава растений и животных. Была определена зависимость степени концентрирования организмом того или иного химического элемента от его содержания в окружающей среде и обнаружен ряд территорий, характеризующихся аномально высокими или низкими уровнями данного микроэлемента в природных объектах. В дальнейшем на таких территориях, названных в зависимости от их размера биогеохимическими провинциями, субрегионами и регионами, были выявлены как специфические заболевания растений, животных и человека, так и заболевания другой этиологии.

В России имеются большие площади с недостатком селена, кобальта, йода, фтора, меди, цинка, марганца. Реже и более локально наблюдается естественный избыток микроэлементов. Следует отметить, что в нашей стране редко проводили всесторонние биогеохимические обследования пахотных земель. В то же время сельскохозяйственное землепользование значительно изменяет микроэлементный состав почв, способствует обеднению их некоторыми микроэлементами или их доступными формами, нарушению соотношений микроэлементов.

Антропогенное изменение содержания и доступности растениям микроэлементов в пахотных почвах Нечерноземной зоны можно четко проследить на примере цинка. Содержание цинка в почвах зоны варьирует в пределах 0,3—10,0 мг/кг. При содержании цинка 1 мг/кг почвы бедные. В почвах под лесом обменных форм цинка больше, чем в окультуренных. В. В. Ковальский относит почвы Нечерноземной зоны России к обеспеченным по содержанию цинка. Однако проведенное выборочное обследование пахотных земель этой зоны на содержание обменного цинка выявило значительные его колебания. Оказалось, что большие площади характеризуются дефицитом этого элемента. У растений отмечают розеточность, которая является диагностическим признаком дефицита цинка. Кроме того, из-за резкого изменения в обеспеченности полей цинком появились новые заболевания отдельных культур. Так, в Тверской области (Торжокский район) в последние годы наблюдается заболевание, называемое физиологическим утомлением льна. Обследование пахотных почв выявило значительное их зафосфачивание, вызванное, по-видимому, как применением неоправданно высоких доз фосфорных удобрений при неправильной технологии внесения, так и избыточным известкованием, приведшим к изменению доступности цинка. В таких условиях вероятно снижение содержания доступных форм кобальта и бора — микроэлементов, действующих на урожайность и качество льна. Возможно и уменьшение подвижности марганца. Наряду с этим можно предположить проявление отрицательного действия повышенного содержания в почве кадмия как элемента — антагониста цинку.

В лаборатории микроэлементов МСХА обоснована концепция агроэкологического мониторинга микроэлементов и тяжелых металлов; впервые даны некоторые агрогеохимические особенности ряда территорий Центрально-Черноземной (ЦЧЗ) и Нечерноземной зон России. Установлено, например, что компоненты агроэкосистем Белгородского района Белгородской области обогащены кобальтом и обеднены медью, что является результатом геохимического фона Курской магнитной аномалии (КМА). В Талдомском районе Московской области выявлена ограниченная территория, природные объекты которой обогащены литием. В условиях вегетационных опытов выявлены сорта льна, под которые внесение кобальтовых удобрений повышает и улучшает качество (горстевая длина, прочность волокна и т. д.) урожая.

Новые методы определения химических элементов позволяют получить важные сведения об элементном составе живых организмов, сделать широкие обобщения и сформулировать новые задачи по улучшению круговорота химических элементов на планете.

Особенно важно установить причинно-следственные взаимодействия элементного состава растений, окружающей среды и здоровья людей. Это качественно новый шаг в развитии науки.

Необдуманная деятельность человека быстро изменяет на нашей планете химизм внешней среды, к которому не успевают адаптироваться живые организмы. Происходят исчезновение видов, нетипичное течение известных болезней, омоложение ряда заболеваний и возникновение новых.

Б. А. Ягодин впервые сформулировал положение о наличии индивидуального, генетически предопределенного усвоения химических элементов всеми живыми организмами нашей планеты. Причем чем сложнее организм и чем более высокое место он занимает в эволюционном развитии, тем ярче проявляется данное положение. Так, коэффициенты усвоения получаемых с пищей химических элементов у всех людей имеют индивидуальные различия, так как формировались в зависимости от условий жизни многих поколений да и всех предшественников человека в процессе эволюции. Мозаика распространения живых организмов на поверхности планеты определяется составом химических элементов при существенном влиянии других факторов жизнеобеспечения.

Однако соотношение химических элементов и индивидуальные коэффициенты их усвоения выходят на первое место при оценке их влияния на длительность и успешность течения процессов жизнедеятельности.

Главным лозунгом экологической агрохимии должен быть «Не навреди!», так как, активно вмешиваясь в круговорот химических элементов, специалисты этого профиля вплотную соприкасаются с проблемой здоровья людей и продолжительности их жизни. Полагаем, что изменять количество отдельных элементов в пище человека лучше через коррекцию питания растений и их обогащение в случае необходимости теми или иными элементами. Применение в пищу такой продукции для улучшения питания и обеспеченности организма человека отдельными элементами не только полезно, но и значительно безопаснее, чем при медикаментозном лечении.

Продолжительность жизни любого человека в значительной степени зависит от его питания. В свою очередь, питание людей находится в прямой зависимости от правильного питания растений.

Одним из приоритетных направлений развития сельского хозяйства в текущем столетии, несомненно, станет производство продуктов питания человека и кормов животных с заданным элементным составом. Актуальность этого направления продиктована ростом неблагоприятных изменений условий жизни людей и обусловлена неумелым вмешательством человека в круговорот химических элементов в биосфере. Решение этой проблемы — главная задача экологической агрохимии.

Следует отметить, что экологическая агрохимия должна стать одной из важнейших отраслей знаний. Влияние этой науки на жизнь человеческого общества огромно. Количество людей на нашей планете быстро увеличивается, и обеспечить их питанием можно только за счет организации расширенного сельскохозяйственного производства. В свою очередь, для повышения продуктивности полей необходимо применение минеральных удобрений. Если это делается безграмотно, то возникает столько бед, что даже большая армия врачей их не исправит. Если же работает агрохимик-эколог, то, поставляя населению сельскохозяйственную продукцию высокого качества, можно значительно улучшить здоровье и увеличить продолжительность жизни людей.

Противники химизации земледелия совершенно правильно отмечают, что химические загрязнения опасны, так как приводят к разрушению природы и болезням человека. Мы полностью согласны с этим положением, но мы за расширенное сельскохозяйственное производство и за применение удобрений как одного из самых действенных методов повышения урожаев. И в этом нет противоречий, так как удобрения — элементы, из которых состоят наша планета, почва и все живущее на ней. Применяя удобрения, мы обогащаем почву уже имеющимися в ней элементами, но теми, которых недостаточно для получения высоких урожаев, что не позволяет иметь качественную продукцию для питания людей. Природа требует воспроизводства; почва нуждается в возврате элементов, которые выносятся с урожаем. Без внесения дополнительных количеств удобрений другого радикального метода увеличения урожайности нет. Время беспощадной эксплуатации почв, их деградации и разрушения должно остаться позади.

Экологическая агрохимия позволяет значительно повысить урожайность возделываемых культур, освободив многие земли от сельскохозяйственного использования, и жить, пользуясь благами природы и цивилизации, не противопоставляя эти понятия.

Контрольные вопросы и задания

1. Какова роль агрохимии в экологизации земледелия? 2. Назовите задачи экологической агрохимии. 3. Перечислите экологические условия, влияющие на химический состав растений. 4. Дайте понятия биогеохимического и агроэкологи-ческого районирования. Какова их взаимосвязь? 5. Дайте понятие об индивидуальном, генетически предопределенном усвоении химических элементов живыми организмами планеты. 6. Назовите мероприятия по созданию диетической и лекарственной продукции растениеводства с заданным элементным составом.