ВЛИЯНИЕ ВНЕСЕНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ

Продуктивность современного сельского хозяйства в значительной степени зависит от использования минеральных и органических удобрений. По оценке американских ученых, удельный вес минеральных удобрений в системе мер повышения урожаев достигает 41 %, по данным немецких специалистов - 50 %, а, по мнению французских исследователей, - даже 50-70%. Мировое производство туков составляет в наши дни 120 млн. т. в год.

В нашей стране производство минеральных удобрений в послевоенные годы стало значительно расширяться (табл. 8). О росте применения удобрений и их роли в повышении урожайности сельскохозяйственных культур свидетельствует и зарубежный опыт (табл. 9).

Практика использования удобрений постоянно расширяется и совершенствуется. Однако химизация земледелия будет высокоэффективна только при условии правильного и рационального использования удобрений.

Эффективность применения удобрений зависит не только от физиологических особенностей растений, но и от изменения почвенной среды как биогенной системы, от характера протекающих в почве микробиологических процессов. Минеральные удобрения нередко поступают в агроэкосистемы в гораздо большем количестве, чем требуется для получения первичной продукции растений. В таких случаях наносится не только прямой экономический ущерб, но и усиливается эвтрофикация водоемов, снижается продуктивность почвы и качество урожая растений, что имеет нежелательные последствия для здоровья людей и нарушает сложившееся в природе равновесие.

В практике земледелия бесполезно теряется до 30-50 % всех вносимых минеральных удобрений. Из 23 млн. т азота удобрений, вносимых в пахотные земли, только около 50 % выносится с урожаем, остальное утрачивается, уходя в атмосферу вследствие процессов денитрификации (7-8 млн. т) или смывается и поступает в поверхностные и подземные природные воды (до 2 млн. т). Выделение оксидов азота в атмосферу влечет за собой не только экономические потери, но и грозит нарушением озонового экрана планеты.

В наши дни возникла угроза локального и регионального повышения концентрации соединений азота до уровня, токсичного для человека. Данные по балансу азота, полученные с помощью изотопа ¹⁵N, свидетельствуют о том, что в полевых условиях растениями усваивается лишь около 40 %, в отдельных случаях - 60-70 % действующего вещества азотных удобрений; 18-33 % азота иммобилизуется в почве, а 10- 30 % его улетучивается в виде различных газообразных соединений. Потери азота зависят от дозы вносимых удобрений и соотношения содержания азота и других питательных элементов, сроков и способов внесения, формы азотных удобрений и особенностей технологии их применения, а также от почвенно-климатических условий местности.

Таблица. 8

Поставка минеральных удобрений сельскому хозяйству и внесение их под основные сельскохозяйственные культуры

(по В.Д. Панникову и В.Г. Минееву)

Таблица 9

Применение минеральных удобрений (кг/га пашни и многолетних насаждений) и урожайность важнейших сельскохозяйственных культур )ц/га) в некоторых индустриально развитых странах

(по В.Д. Панникову и В.Г. Минееву)

Особое внимание, как наиболее опасным по последствиям применения уделяют азотным удобрениям. Синтетическое производство азотных минеральных удобрений из азота атмосферы было начато в 20-х гг. XX века. Сейчас его объем составляет более 80 млн. т. азота ежегодно. Уровень применения азотных удобрений в виде нитратов, аммонийных удобрений, мочевины в 1985 – 86 гг. составлял в мире в среднем 51 кг N/ га. Причем в разных регионах земного шара дозы сильно отличались: в Африке 12 кг/га, в Европе 123 кг/га.

Отрицательные последствия внесения азотных удобрений связаны с деятельностью почвенных микроорганизмов, участвующих в трансформации азота в биосфере и производящих процессы азотфиксации, аммонификации, нитрификации, денитрификации.

На первом месте по токсическим последствиям для человека рассматривается процесс нитрификации – трансформации аммиачных соединений в нитриты и нитраты, в результате которого содержание нитратов и нитритов, поступающих в грунтовые воды увеличивается. Использование питьевой вод и пищи с высоким содержанием нитратов и нитритов приводит к возникновению отравлений и специфических заболеваний.

Попадая в кровь животных и человека нитраты переводят двухвалентное железо, содержащееся в гемоглобине крови в трехвалентное. Образующееся при этом соединение – метгемоглобин – не способно к переносу кислорода. В результате происходит ухудшение снабжения организма кислородом, при замещении 20% гемоглобина у людей наблюдается анемия, а при замещении 80% - даже летальный исход. Установлено, что от содержания нитратов в пище и воде также зависит и заболеваемость раком.

В целях охраны здоровья населения ВОЗ установлены нормы потребления нитратов и нитритов, которые не должны превышать для нитратов 200 мг, а для нитритов 10 мг/ день. Предельно допустимые концентрации нитратов в питьевой воде не должны превышать 22 мг/л в умеренных широтах, а в тропиках – 10 мг/л.

Причиной появления практически половины загрязняющих почвы и воды нитратов считают внесение минеральных удобрений.

Нитрификация в почвах может протекать двумя путями. Автотрофная нитрификация осуществляется специфическими нитрифицирующими бактериями двух родов, специализированных в отношении проводимых реакций. Бактерии, окисляющие аммиак до нитритов – представители Nitrosomonas и бактерии, окисляющие нитриты до нитратов – представители Nitrobacter. Наиболее эффективно процесс автотрофной нитрификации протекает в почвах при хорошей аэрации, влажности, нейтральной среде, невысоком содержании органических веществ. Результатом реакции является образование нитритов и нитратов с возможным промежуточным образованием газообразных соединений (NO_x).

NH⁺₄ → NH₂OH → [NOH] → NO^-₂ → NO^-₃

В последнее время установлено, что процесс нитрификации могут проводить не только специализированные автотрофные бактерии, но и гетеротрофные почвенные микроорганизмы. В отличие от автотрофной нитрификации, процесс гетеротрофной нитрификации не является, по современным представлениям, основным источником для роста клеток и продукции биомассы. Скорость процесса гетеротрофной нитрификации обычно ниже. Он протекает в условиях, отличных от автотрофной – при наличии органического вещества, слабо кислом рН, дефиците кислорода. Он часто более выражен для лесных почв, в то время как процесс автотрофной нитрификации – для окультуренных. Опасными последствиями гетеротрофной нитрификации в почвах может быть не только увеличение содержания нитратов, но и синтез промежуточных соединений – гидроксиламина, нитрозосоединений, которые даже в небольших количествах могут давать токсический и/или канцерогенный эффект для человека.

В целях снижения потерь азота удобрений и экотоксикологических последствий для уменьшения поступления нитратов почвы и грунтовые воды разработана группа веществ, тормозящих процесс нитрификации, которые получили название N – serve. Это, например, такие вещества как 2-хлоро-6(трихлорметил)пиридин(нитрапирин), дициандиамид, КМП и др. Однако было установлено, что эти вещества в производственных дозах ингибируют только процессы автотрофной нитрификации и не влияют на гетеротрофный процесс. Кроме того, внесение этих соединений может оказывать негативное влияние на почвенную биоту.

Внесение азотных удобрений оказывает большое воздействие и на другие этапы микробной трансформации азота в почве – азотфиксацию и денитрификацию.

Биологическая фиксация азота в настоящее время превышает небиологическую. Тем не менее, ситуация приближается к переломной в ближайшие годы объем промышленного синтеза окажется сопоставимым с биологической фиксацией. Последствия этого представляются экологически опасными. Биологически фиксировать азот могут микроорганизмы симбиотически живущие с растениями и свободноживующие в почве. По сравнению с удобрениями биологический азот безвреден для человека, повышает урожайность растений, а экономические затраты, необходимые для его получения несопоставимо меньше, чем при производстве минеральных удобрений. Изменение активности азотфиксации во многом определяется формой вносимых соединений азота.

Большое внимание в последнее время уделяется изменению процесса денитрификации при внесении азотных удобрений. Денитрицирующие бактерии обладают способностью восстанавливать нитрат через нитрит до газообразной закиси азота:

С_орг + NO^-₃ → (СН₂О_n) + СО₂ + N₂O + N₂

Этот процесс наиболее активно протекает в анаэробных условиях, например, при переувлажнении и наличии органического вещества. Интенсивность процесса зависит от почвенно-экологических условий, вносимых удобрений, наличия органического вещества и особенно интенсивно протекает в ризосфере растений.

Большую тревогу увеличение поступления газообразных соединений азота, наблюдающееся при денитрификации, автотрофной и гетеротрофной нитрификации в атмосферу вызывает в связи с гипотезой разрушения озонового слоя в результате реакций этих газов и озона

Сельское хозяйство является основным источником поступления о биосферу соединений фосфора. Ассортимент фосфатов постоянно изменяется в зависимости от требований сельского хозяйства. В общем объеме выпуска фосфорных удобрений постоянно возрастает доля концентрированных и комплексных форм.

От других биогенных элементов фосфор отличается практическим отсутствием газообразных соединений и тем, что большинство фосфатов плохо растворимы. Тем не менее, большое количество соединений фосфора ежегодно поступает в природные воды вследствие смыва фосфорных удобрений с полей под воздействием орошения и эрозионных процессов; в результате возрастания производства различных фосфоросодержащих препаратов, используемых в сельском хозяйстве, быту, промышленности; вследствие вовлечения в биогеохимический круговорот фосфора, входящего в состав горных пород, - фосфоритов и апатитов.

По мнению В.А. Ковды (1985), до 14-17 млн. т фосфора ежегодно поступало с континентов планеты в Мировой океан с тенденцией к возрастанию. Постоянная миграция вызывает постоянное увеличение содержания фосфора в водоемах суши. Подсчитано, что только за счет поверхностного смыва с каждого гектара пашни ежегодно уносится до 10 кг фосфора.

Кроме азотных и фосфорных удобрений в современном земледелии используется широкий ассортимент калийный удобрений, поставки которых достигают 12 млн. т. в год. Большинство калийных удобрений содержит балластные вещества.

Решение проблемы рационального и эффективного использования минеральных удобрений возможно только на основе комплексного подхода, большое значение в котором принадлежит микробиологическим исследованиям. Внесение минеральных удобрений резко интенсифицирует микробиологические процессы в почвах. Это до определенного предела может рассматриваться как положительное явление, если ставится задача повышения урожая, так как молодая система может продуцировать высокий урожай. Однако чрезмерная активизация микробиоты может быть и вредной, так как процессы, направленные на восстановление нарушенного равновесия, приводят к прямым потерям минеральных удобрений, ухудшению физико-химических и биологических свойств почвы, другим серьезным экологическим последствиям.

Необходимость применения минеральных удобрений одновременно с повышением урожайности вызывает загрязнение почв биогенными элементами и балластными веществами. Например, при внесении в почву калийного удобрения KCl вместе с необходимым для растений калием вносится хлор; при мелиорации солонцовых почв фосфогипсом в почву попадает некоторое количество стронция.

Если балластные соединения хорошо растворимы, они вымываются из почвы и поступают в поверхностные и подземные воды, загрязняя их. Если они малорастворимы, то аккумулируются в почве и при достижении определенной концентрации поступают в растения и далее по пищевым (трофическим) цепям в организм животных и человека. Иногда содержание балластных веществ может достигать токсичных уровней и стать причиной нарушений здоровья человека. Токсичного уровня может достичь и содержание в почве биогенных элементов, чаще всего азота в форме нитратов, что может стать причиной отравления сельскохозяйственными продуктами.

Основной причиной загрязнения биосферы являются грубые нарушения научно обоснованной технологии транспортировки минеральных удобрений, их хранения и внесения в почву. Чаще всего загрязняющие элементы, содержащиеся в удобрениях, поступают в окружающую среду:

1) при транспортировке от завода до поля;

2) вследствие смыва удобрений с поверхности полей в реки, озера, моря и вымывания по профилю почвы до грунтовых вод;

3) в процессе водной и ветровой эрозии почвы;

4) вследствие аккумуляции избыточного количества удобрений в почвенном профиле при передозировке, или неравномерном внесении;

5) при бесконтрольном использовании в качестве минеральных удобрений отходов различных отраслей промышленности.

Внесение высоких доз удобрений и длительное их применение не всегда дает ожидаемую прибавку урожая. Коэффициент использования азота сельскохозяйственными растениями снижается по мере возрастания доз азотных удобрений.

Так, длительное применение азотных и калийных удобрений приводило на дерново-подзолистых почвах к снижению урожайности сельскохозяйственных культур. Двойственная природа действия минеральных удобрений заключается в том, что, снабжая растения питательными веществами, удобрения обеспечивают повышение урожая и, ухудшая свойства почвы, «скрыто» понижают его, Поэтому в первый год их применения дают значительную прибавку урожая, при повторных внесениях эффект от них снижается, и затем они могут оказывать даже отрицательное действие. Это явление, названное скрытым негативным действием удобрений, не удается объяснить изменением только агрохимических свойств дерново-подзолистых почв. Реально было бы предположить, что длительное применение минеральных удобрений приводит к существенным изменениям в структуре комплекса почвенных микроорганизмов, активизации и росту численности токсинообразующих микробов. Известно, что фитотоксичные микроорганизмы широко распространены в различных почвах и микробные метаболиты могут играть важную роль в возникновении токсикоза почв, в частности при монокультуре.

Таким образом, необходимо установить пределы устойчивости микробной системы почв, выявить взаимосвязь высоких доз минеральных удобрений с изменениями в составе и функционировании почвенных микроорганизмов, с проявлением микробного токсикоза.

При оценке антропогенного воздействия недостаточно применения одного-двух тестов, важна характеристика изменения всех экологической обстановки с учетом предельно допустимой нагрузки на экосистему. Микробиологические методы исследования почвы весьма разнообразны по своей принципиальной сущности, и каждый из них дает ответ на определенный частный вопрос влияния удобрений на микробиоту. В связи с этим решение проблемы в целом возможно лишь при использовании всего комплекса современных подходов, их серьезном критическом анализе.

Поиск оптимальных с позиции, как охраны окружающей среды, так и повышения урожая растений доз и форм азотных удобрений для различных почв является актуальной задачей. При этом важно повысить долю «биологического» азота в питании растении и сократить до минимума уровень газообразных потерь.