Тема: Модуль 5. Проведение агрохимических исследований, применение удобрений и агроэкология

Еще на заре развитии отечественной агрохимической науки академик Тимирязев К.А. писал, …что для получения правильных ответов на вопросы когда и как удобрять растений, чтобы получать от них высокие урожаи надо спросить из самих в тех условиях, в которых они произрастают, то есть необходимо провести полевые опыты.

Полевой опыт с удобрениями – это опыт в полевых условиях для определения действия удобрений на урожай с.-х. культур, его качество, а также на плодородие почв.

Полевой опыт является основным биологическим методом исследований. Его особенность заключается в том, что культурные растения изучают в близких к производственным условиях, со всей совокупностью климатических, почвенных, агротехнических и производственных факторов, оказывающих непосредственное влияние на изучаемый объект. Он является связующим звеном теоретических исследований и сельскохозяйственной практики, поэтому широко используется в агрохимии, как для изучения эффективности удобрений, так и для разработки и обоснования рациональных приемов их использования и построения системы удобрения в сельском хозяйстве.

С помощью полевого опыта оценивают эффективнсть удобрений в различных почвенно-климатических и агротехнических условиях, устанавливают наиболее эффективные нормы и сочетания питательных веществ, определяют сроки и способы внесения удобрений, изучают сочетание удобрений с другими агротехническими приемами.

Полевой опыт с удобрениями проводят в естественных типичных полевых условиях, на специально выделенном участке, их результаты используют для практических целей и внедряют в с.-х. производства. На основании результатов полевых опытов даются научные обоснования государственных мероприятий по производству минеральных удобрений и поставке их колхозам и совхозам.

Правильно поставленные полевые опыты, результаты которых должны дать надежные теоретические и практические выводы для агрономической науки, должны отвечать следующим основным методическим требованиям: соблюдение принципа единственного различия; типичность полевого опыта; точность результатов исследований; достоверность; документация.

При разработке схемы, программы проведения опыта соблюдение принципа единственного различия зависит от цели и задачи исследования, степени изученности вопроса и конкретных условий, в которых проводится опыт. При соблюдении принципа единственного различия смысл работы, оптимальность ее условий. Этот принцип должен быть направлен на интенсификацию технологий с.-х. производства.

Типичность – это важнейшее качество полевого опыта, который должен проводиться прежде всего в типичных для данного региона почвенно-климатических, агротехнических, производственных условиях.

Точность результатов исследований – отражает степень соответствия результатов, полученных в опыте, истинным результатом действия изучаемого фактора. Она зависит от многих факторов, основными из которых являются точность измерений и взвешиваний, невыравненность почвенного плодородия, огрехи и просевы при закладке опыта, повреждения и потери при уборке и т.д. Могут быть и грубые ошибки – норма, виды удобрений.

Вскрытие подобного рода ошибок дает право на выбраковку варианта, делянки и вообще результатов такого эксперимента.

Требования к точности полевого опыта различны в зависимости от задачи исследования, величины ожидаемого эффекта, ответственности выводов.

Достоверность опыта необходима для объективной оценки пригодности результатов опыта для рекомендации с.-х. производству, установления существенной разницы между изучаемым приемом и контролем.

Точность и достоверность – это два требования к полевому опыту, которые очень тесно связаны между собой, но не тождественны.

Различают два понятия достоверности: достоверность опыта по существу и достоверность результатов полевого опыта.

Математическая обработка результатов исследований указывает на достоверность результатов полевого опыта, на математическую доказанность полученной разницы между сравниваемыми вариантами.

Ведение документации опыта – важное методическое требование при проведении полевых опытов. Достаточно полная и точная документация позволит использовать результаты исследований и внедрить в с.-х. производство.

Основными темами полевых опытов с удобрениями являются: изучение эффективность различных видов и форм удобрений; изучение доз, сочетаний, сроков и способов внесения удобрений в различных почвенно-климатических условиях.

После выбора темы составляют программу исследований, где указаны схема опыта и весь перечень изучаемых вопросов и методов их определения.

Схему опыта составляют по принципу единственного различия. В ней должен быть контроль, с которым сравнивают все изучаемые варианты.

Изучение эффективности основных видов удобрений и их сочетаний проводят по восьмерной схеме:

1. Контроль 5. NР

2. N 6. NК

3. Р 7. РК

4. К 8. NРК

Дозы по действующему веществу и формы удобрений во всех вариантах этого опыта должны быть одинаковыми.

Для закладки полевого опыта выбирают типичный по почвенным условиям, рельефу, удобренности, по наилучшему предшественнику для опытной культуры.

Лучше всего если участок в течение 2-3 лет подготовить уравнительными посевами, выращиваемыми без удобрений.

Опытный участок должен находиться на расстоянии не менее 200 м от водоемов и оврагов, на 40 м от отдельных деревьев, на 10 м от плотных изгородей, от дорог участок должен быть отделен 5-10 метровой защитной полосой.

После того, как участок выбран, известна его конфигурация и определенно в натуре расположение опыта, вычерчивают на бумаге схематический план, где указывают расположение делянок и вариантов, нумеруют делянки слева направо и ориентируют опыт по сторонам света (рисунок 1).

Все наблюдения в опытах проводятся по заранее составленной методике, где для каждого вида наблюдений и анализа дается соответствующая ГОСТам методика
Схематический план опыта

В 11	Б 12	Г 13	А 14	Д 15	Б 16	Г 17	Д 18	А 19	В 20
А 1	В 2	Б 3	Д 4	Г 5	Д 6	Б 7	В 8	А 9	Г 10

В схеме полевого опыта должно содержаться минимальное количество вариантов, обеспечивающее решение поставленной задачи. Оптимальным следует считать 12-16 вариантов. А оптимальной учетной площадью: для растений сплошного сева 50-100 м², для пропашки культур 100-200 м². Повторность вариантов не менее 3-х кратная с рендомизированным размещением по участку.

Уход, наблюдение и анализы в течение всей вегетации проводится в соответствии с программой исследований. В конце вегетации опытный участок готовится к уборке. Убираются все защитные полосы, делаются выключки, если они необходимы, после чего убирают каждую делянке в отдельности и точно учитывают урожай. Желательно убрать опыт в один день.

После уборки урожая результаты выражаются в рамках стандартных влажности и засоренности и подвергаются математической обработке.

Во многих хозяйствах для широкого внедрения достижений науки и передового опыта в сельскохозяйственное производство проводят комплексные научно-производственные исследования. Во всяком случае проводили. В их задачу входило предварительное испытание рекомендуемых научно-исследовательскими учреждениями новых приемов и методов повышения урожайности с.-х. культур, эффективность которых в значительной мере зависит от конкретных природных и организационно-хозяйственных условий.

Производственный опыт в условиях хозяйства позволяет выявить, как более целесообразно и полно использовать научные достижения и открытия и внедрить их в с.-х. производство, а также определить наряду с наиболее оптимальными агротехническими приемами и экономическую эффективность.

При закладке производственного опыта нецелесообразно включать в схему опыта более 4-5 вариантов и увеличивать повторность более 4.

Производственные опыты отличаются от полевых меньшим количеством вариантов, значительно большей площадью делянок, меньшим количеством повторностей и большей механизированностью.

Вегетационный метод не противостоит полевому методу, они дополняют друг друга, так как в научно-исследовательской работе необходима комплексность исследований. При этом результаты получаются более надежными и точными. З.И. Журбицкий указывает, что вегетационный метод больше подходит для изучения более тонких различий в реакции растений на разные внешние воздействия, для расчленения влияния отдельных факторов роста и получения возможно более выравненных растений для любых исследований.

С помощью вегетационных опытов изучают питание растений, усвояемость питательных элементов удобрений плодородие почв.

В вегетационном опыте в зависимости от цели и задачи исследований длительность выращивания растений может продолжаться от нескольких дней до полного созревания растений, а в многолетних опытах - несколько лет. Эти опыты проводят в искусственных условиях в вегетационных домиках, где растения выращиваются в специальных сосудах.

Вегетационные опыты используют для изучения особенностей питания различных с.-х. культур, установления возможности регулирования условий питания, а также для теоретического обоснования приемов повышения урожая с.-х. культур и его качества.

Для детального изучения вопросов питания растений и применения удобрений вегетационные опыты проводят в различных модификациях: почвенные, песчаные и водные культуры, методами изолированного питания, текучих растворов, стерильных культур и т.д., которые позволяют изучить более тонкие различия в реакции растений на разные воздействия, вычленить влияние отдельных факторов на рост и развитие растений.

Почвенные культуры в вегетационном методе имеют важное значение при изучении взаимоотношений в системе растение – удобрение – почва. Наиболее точные результаты получают при изучении фосфатного и калийного питания растение, нейтрализующей способности удобрений. Учитывая, что постановка вегетационного опыта с почвенной культурой достаточно проста, дешева, дает точные сравнимые результаты, эта модификация вегетационного метода нашла широко распространение в научно-исследовательской работе.

Из всех модификаций вегетационного метода почвенные культуры ближе всех подходят к естественным условиям и полевому опыту. Однако данные вегетационного опыта нельзя переносить непосредственно в производство, так как в опыте можно получить только качественную оценку изучаемого приема, а не количественную, а также установить его эффективность, но невозможно предсказать размер прибавки в урожае в полевых условиях.

В вегетационном опыте бесполезно стремиться к созданию тех же условий, что и в поле, нужно только создавать равенство условий во всех сосудах, устранять вредное влияние и осуществлять оптимальное сочетание факторов роста.

В условиях вегетационного опыта для растений создаются оптимальные условия и эффект от изучаемого фактора проявляется более рельефно, поэтому экспериментатору представляется широкая возможность для изучения отдельных факторов.

Для изучения особенностей питания растений в искусственной бесплодной среде используют питательные смеси, содержащие в достаточном количестве и нужном соотношении всех элементов питания.

К питательным смесям предъявляются следующие требования: питательная смесь должна содержать все необходимые растениям питательные элементы; питательные элементы должны быть в доступной растениям форме; количество и соотношение питательных веществ должны обеспечивать получение высокого урожая; реакция среды (рН) должна быть близкой к оптимальной.

Наиболее правильно питательная смесь подобрана Д.Н.Прянишниковым. Автор правильным выбором источников азотного и фосфорного питания приблизил исходную реакцию питательной смеси к нейтральной, которая сохранялась в течение всего периода проведения опыта.

При сравнении бесплодных сред следует отметить, что песок в отличие от воды сильнее загрязнен. Вода дает более однородное распределение питательных веществ, одинаковая концентрация которых быстрее восстанавливается по мере их потребления растениями. Однако опыты в водной культуре очень трудоемки, поэтому в их схемах, как правило, отсутствует большая детализация.

При проведении вегетационных опытов с водной культурой используют стеклянные или полиэтиленовые сосуды вместимостью 3-5 литров и более.

Уход за растениями в водной культуре состоит из ежедневного продувания питательного раствора воздухом. Систематически по мере испарения раствора необходимо доливать сосуд дистиллированной водой до метки и систематически проверять реакцию среды (рН). В течение вегетации 3-4 раза согласно схеме опыта проводят полную смену растворов питательной смеси в сосудах. При уборке урожая учитывают урожай надземной массы и корней.
Лизиметрические исследования позволяют установить состав фильтрующихся вод, вести наблюдения за просачиванием атмосферных осадков, динамикой влажности почвы, определением транспирационных коэффициентов отдельных растений, изменением некоторых свойств почв под влиянием удобрений и т.д.

Особенно широко лизиметрические методы используются при изучении потерь питательных элементов, вымывающихся при инфильтрации в связи с применением удобрений.

В лизиметрических исследованиях используют несколько конструкций, отличающихся устройством и особенностями дополнительных приспособлений. Однако при установлении лизиметра и дополнительных к нему устройств необходимо учитывать следующие методические требования: должна быть обеспечена возможность вести наблюдения в условиях, наиболее близких к окружающей природной обстановке, для чего лизиметры вкапывают в почву и уровень их почвы совпадает с поверхностью окружающей среды; из устанавливают группами с известным расстоянием между ними; для сбора стекающих из почвы вод устраивают дренаж и затем короткие трубопровода с выводом последних в подземные коридор, где размещены специальные приемники; в зависимости от цели работы могут проводиться как парующих лизиметрах, так и в занятых различными растениями; по соседству с установкой лизиметра должен помещаться дождемер; лизиметры устанавливают недалеко от лабораторий, чтобы избежать перевозок больших объемов жидкости проводят наблюдения в любое время суток и в любую погоду.

Лизиметры по способу наполнения почвой подразделяются на два типа: с почвой естественного строения и с насыпной почвой.

Лизиметры по особенностям конструкции тоже делятся на следующие типы: бетонные или кирпичные; металлические; лизиметрические воронки.

Бетонные или кирпичные лизиметры рассчитаны на длительное использование, имеют, как правило, площадь поверхности 1-2 и даже 4 м2 и пригодны для работы только с насыпной почвой. Эти лизиметры во многих странах используют для проведения стационарных многолетних опытов.

Современные бетонные лизиметрические устройства имеют автоматическую измерительную систему с замерами в динамике просочившегося фильтрат. Изучается температурный и барометрические режимы, монтируются в выводных трубках специальные устройства для ускорения фильтрования, которые препятствуют заплыванию дренажного слоя.

Во всех металлических лизиметрах на дне имеется отверстие, соединенное системой трубок с приемником для сбора фильтрата.

Лизиметрические воронки изготовляют из оцинкованного железа, винипласта, плексигласа или других материалов и заполняют их дренажем.

В агрономической химии лизиметрический метод широко используется для учета вымывания питательных веществ из почвы, которые непосредственно связано с просачиванием воды, так как вместе с водой вымываются и растворимые питательные вещества.

Исследователями установлено, что величина потерь в большей степени зависит от содержания в почве подвижных форм азота и в меньшей от количества просачивающихся за год осадков. Подвижность азота определяется механическим составом почвы, при одном и том же количестве просачивающейся воды на песчаной почве вымыто азота в 7,5 раза больше, чем в суглинистой. Потери фосфора от вымывания незначительны.

Б.А. Голубев, обобщая результаты многолетних исследований ряда авторов, работавших с неудобренными почвами в лизиметрах глубиной до 1 м, приводит следующие величины потерь от вымывания (кг/га): азота 12,8; фосфора 1,2; калия 27,4; серы 51,4; кальция 46,8; окиси кремния 46,8.

М.А. Бобрицкая указывает, что наибольшие потери азота от вымывания происходит в парующей почве, а газообразные потери происходят в форме закиси азота и молекулярного азота, которые составляют 78-98% общих потерь.

Исследователи делают вывод, что лизиметрические исследования, имея некоторый элемент условности в сравнении с естественными почвами, тем не менее дают возможность изучить передвижение питательных веществ и влаги в природных условиях, определяют как складывается питательный режим почвы, а также дают прямое определение одной из расходных статей баланса.

Лекция 27
1. Проверка посещаемости

2. Вопросы по предыдущей лекции:

1. Для чего проводятся агрохимические исследования

2. Какие методы исследований существуют в агрохимии

3. Что такое полевой опыт

4. Что такое вегетационный метод

5. Для чего используется лизиметрический метод?

Тема: Модуль 5. Применение удобрений, охрана окружающей среды и экологическая агрохимия
Состоит из двух блоков:

Блок 1. Применение удобрений, охрана окружающей среды и экологическая агрохимия

Блок 2. Экологическая агрохимия

Блок 1. Применение удобрений, охрана окружающей среды и экологическая агрохимия

Вопросы:

1. Почвы – основная среда, в которой накапливаются тяжелые металлы в результате антропогенной деятельности

2. Распределение тяжелых металлов в органах растений

3. Жизненно необходимые для растений и животных микроэлементы при достижении определенных концентраций в среде становятся высокотоксичными как для растений, так и для других живых организмах

4. Промышленность и автотранспорт – основные источники загрязнения окружающей среды

5. Органические и минеральных удобрения при неправильном внесении – потенциальный источник загрязнения окружающей среды

6. Значение органического вещества почвы и агротехнических приемов в существенном ограничении поступления тяжелых металлов в растения

7. Глобальный характер охраны окружающей среды

Возникла острая необходимость превращения многочисленных загрязняющих среду отходов в полезные ресурсы с помощью химических и биологических методов, а также внедрение безотходных технологий, не нарушающих экологической ситуации.

По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ, 1995), страны Западной Европы, США и Япония, имея на своей территории 15% населения земли, тратят в 50 раз больше ресурсов на душу населения, чем другие страны, и выбрасывают в окружающую среду 77% всех вредных промышленных отходов, а все остальные страны мира вместе взятые – только 23%. Совершенно очевидно по чьей вине сегодня человечество оказалось на грани экологической катастрофы.

В природе в результате антропогенного воздействия происходит накопление в почве 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 которых 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 кислых дождей, обычное явление 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.

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/см². 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 почвах, растениях, организме животных и человека в нетоксичных концентрациях или используется в малых количествах как удобрение или минеральная добавка к корму скота для улучшения роста и развития растений и животных.

Тяжелые металлы, выделяемые антропогенными источниками, поступают в окружающую среду и вовлекаются в сложившиеся в биогеохимические циклы. Одним из путей выявления и предупреждения негативных последействий 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:

1. 
   Наблюдение за состоянием почвы и растений или биосферы в целом;
   
2. 
   Оценка и прогноз этого состояния;
   
3. 
   Оценка опасности антропогенного воздействия на окружающую среду, и в частности, на агроценозы, выявление источников загрязнения;
   
4. 
   Разработка мероприятий, направленных на снижение опасности загрязнения среды и негативного влияния на животных и человека, а также своевременное прогнозирование и предупреждение нежелательных последствий, связанных с загрязнением.
   

Почвенный покров не только геохимический аккумулирует компоненты загрязнений, но и выступает как природный буфер, существенно снижающий токсичное действие тяжелых металлов и регулирующие поступление химических элементов в растение и, как следствие, в организм животных и человека. 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 непосредственной влияние на формирование урожаев сельскохозяйственных культур и качество продукции, являются важных компонентом почв; с другой стороны, чрезмерное поступление тяжелых металлов в биосферу вызывает загрязнение почвы и растений вследствие накопления их выше допустимых концентраций, опасных для здоровье человека и животных.

Валовое содержание тяжелых металлов в естественных незагрязненных почвах обусловлено содержанием элементов в материнской породе и определяется генезисом, петрографией и процессами почвообразования. Количество же 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 по почвенному профилю (таблица 1).

Таблица 1

Содержание тяжелых металлов, мг/кг

Тяжелые металлы существенно различаются поспособности взаимодействовать с различными компонентами твердой фазы почвы. концентрация металлов, имеющих ионный радиус 0,5-0,8А (Мn, Zn, Ni, Cu) и координационное число 6, имеет положительную корреляцию с содержанием илистой фракции почвы. элементы же 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 этих комплексов возрастает с увеличением заряда и уменьшением размера ионов.

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 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 и при длительном воздействии вызывает 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, где их значительная часть включатся в почвообразовательные процессы.

Загрязнение почвы тяжелыми металлами отрицательно влияет не только на растительные, но и на микробиологические ценозы. Поэтому особую ценность представляют данные о напряженности биохимических процессов в почве – азотфиксации, нитрификации, минерализации растительных остатков.

Установлено, что на высокогумусных 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.

В разных почвах тяжелые металлы оказывают неодинаковое действие на микрофлору и протекающие в почвах биохимические процессы. Кроме того, следует помнить, 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 системы непосредственно отражается на всей системе, нарушая ее нормальное функционирование.

Таблица 2

Валовое содержание тяжелых металлов в незагрязненных почвах, мг/кг сухой почвы (по Ягодину, 2003 г. с.563)

Элемент	Нижние и верхние пороговые границы	Толерантное количество	Наивысшее «нормальное» количество
			песчаные почвы	суглинистые почвы
Hg Te Ag Be Cd Sb Se Sn Mo Co Ag Ni Cu Pb Cr Sr V Zn Mn	- - - - - - - - 1,5-4,0 7,0-30,0 15-60 - - - - 600-1000 - 10-70 400-3000	5,0 - - - 5,0 - - 50 5,0 50 20 50 100 100 100 - 50 300 -	0,15 0,3 0,5 0,5 1 1 1 5 5 5 10 10 15 50 80 100 100 100 500	0,15 0,5 0,5 2 1 1 1 7 5 20 20 40 25 50 200 200 200 150 800

Таблица 3

Площади пахотных почв РФ, загрязненные тяжелыми металлами и фтором (Ягодин Б.А., 2003, с. 564)

Элементы загрязнители	Обследованная площадь		Площади с содержанием тяжелых металлов выше ПДК
			всего		по валовому содержанию		по содержанию подвижных форм
	тыс.га	% общей площади	тыс.га	% обслед. площади	тыс.га	% обслед. площади	тыс.га	% обслед. площади
Pb Cd Hg Ni Cr Zn Co Cu Ag F	16381 14258 7037 8568 5958 24784 9257 22326 2789 3054	13,0 11,3 5,6 6,8 4,7 19,6 7,3 17,6 2,2 2,4	273 27,7 - 56,0 33,3 54,0 94,3 449,2 34,2 14,9	1,7 0,2 - 0,7 0,6 0,2 1,0 23,0 1,2 0,5	256 11,9 - 9,0 32,4 39,5 94,3 28,6 34,3 0,5	1,6 0,1 - 0,1 0,5 0,15 1,0 0,1 1,2 -	17,4 15,8 - 47,0 0,9 14,6 - 420,6 - 14,4	0,1 0,1 - 0,6 - 0,05 - 1,9 - 0,5

Как видно из приведенных данных (таблица 2 и 3), в результате антропогенной деятельности почве повышается содержание мышьяка, кадмия, ртути, селена, свинца, цинка, фтора – веществ, относящихся к 1-ому классу опасности; бора, кобальта, никеля, молибдена, меди, сурьмя, хрома – ко 2-ому классу опасности и бария, ванадия, вольфрама, марганца, стронция – к 3-ему классу опасности.

Вопрос 2. Распределение тяжелых металлов в органах растений
Разработка технологий получения экологически чистой продукции растениеводства требует детального учета степени воздействия биогенных и абиогенных факторов внешней среды на химический состав сельскохозяйственных культур, потому что концентрация тяжелых металлов в продукции в значительной мере определяется видовыми особенностями культур и характером антропогенного загрязнения.

Например, во всех сельскохозяйственных культурах, выращиваемых в 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 автотрассы участках.

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, поэтому сбор этих растений для использования в качестве лекарственных средств, а также скашивание травы на корм скоту недопустимо.

Для предотвращения попадания в пищу людей продуктов с избыточным содержанием нитратов, тяжелых металлов, остаточных количеств пестицидов продуктов их распада во многих странах, в том числе и в России, введены ограничения на содержание этих веществ в продуктах питания (таблица 4 и 5)

Таблица 4

ПДК некоторых химических элементов в основных группах пищевых продуктов (мг/к сырого продукта)

Таблица 5

Допустимые уровни содержания нитратов в продуктах растительного происхождения

Наименование продукта	Допустимые уровни NО3, мг/кг
	открытый грунт	закрытый грунт
Картофель Капуста белокочанная, ранняя до 1 сентября Морковь ранняя до 1 сентября Морковь поздняя Томаты Огурцы Свекла стловая Лук репчатый Лук на перо Листовые овощи (салат, щавель, петрушка) Дыни Арбузы Перец сладкий Кабачки Виноград столовых сортов Яблони Груши Продукты детского питания (овощи консерв-ные)	250 900 400 250 150 150 1400 80 600 2000 90 60 200 400 60 60 60 50	- - - - 300 400 - - 800 3000 - - 400 400 - - - -

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.

При разработке оптимальных систем применения удобрений под сельскохозяйственные культуры 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 сельскохозяйственных культура 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 5-7млн^-1, кобальта 10-20, хрома 1-2, меди 15-20, ртути 0,5-1,0, никеля 20-30, свинца 10-20, теллура 20-70, цинка 150-200 млн^-1 сухого вещества.

Растения обладают избирательной способностью 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, а способность никеля и меди поступать в растения расценивают по разному. В определенных почвенных условиях (низкий рН, невысокая емкость поглощения, небольшое содержание органических вещества и фосфора) металлы, малодоступные для растений, могут поступать в них в значительных количествах.

Различия в содержании тяжелых металлов существуют не только по органам, но и в самих органах. Так, при выращивании столовой 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 нитраты.

А вообще 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.
Вопрос 3. Жизненно необходимые для растений и животных микроэлементы при достижении определенных концентрации в среде становятся высокотоксичными как для растений, так и для других живых организмов
Поступление микроэлементов в растениях 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).

Таблица 5

Содержание микроэлементов в дождевых водах, удобрениях и растений, мг/кг (по Ягодину Б.А. 2003, с. 559)

Элемент	Дождевая вода	Удобрения	Сухие растения
Ag Al Ba Bi Ca Cd Cl Cr Cu Fe Hg K Li Mg Mn Mo Na Ni P Pb Rb S Si Ti Tl V Zn	2,9-31,8 56700-70500 900-1690 0,6-1,9 17800-29500 1,7-8,3 - 380-1300 150-990 55500-102000 40-87 18300-23200 28-76 12200-19800 730-990 9-34 9700-13800 125-193 2900-12300 750-2610 78-104 - 284000-313000 7700-10200 0,20-0,56 152-272 600-2120	50 - 250 0,01 400000 1,0 - 200 5 20000 0,05 400000 30 50000 500 4 250000 10 200000 100 150 240000 - 600 0,2 40 150	0,06 500 14 0,06 18000 0,6 2000 0,23 14 140 0,02 14000 0,1 3200 630 0,9 1200 3 2300 2,7 20 3400 500 1,0 - 1,6 100

При увеличении дозы азота повышается поступление в растения молибдена, меди, свинца, кобальта (при N₆₀ в 1,5 раза, при N₉₀ в два раза по сравнению с контролем).

Предпосевная обработка семян сои молибденом увеличивает концентрацию в растениях не только этого элемента, но и цинка, железа, меди – в надземной массе; кальция, цинка, меди, кобальта, марганца – в корнях.

Многочисленными исследованиями установлено, что микроэлементы, являясь жизненно необходимыми, при достижении определенных концентраций в среде становятся высокотоксичными как для растений, так и для других организмов.

Разрабатываемые в лаборатории микроэлементов МСХА технологии выращивания сельскохозяйственной продукции с заданным элементным составам позволяют контролировать и ограничивать поступление тяжелых металлов и нитратов в используемые в пищу части растений. Основой этих технологий служит выявление закономерностей поступления микроэлементов в зависимости от концентрации элемента, соотношения его с другими макро- и микроэлементами, типа почв, влагообеспеченности и др.

4. Промышленность и автотранспорт – основные источники загрязнения окружающей среды солями тяжелых металлов
Огромный ущерб окружающей среде наносит 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.

По данным зарубежных авторов, в окрестностях металлургических заводов наблюдается недобор урожая зерновых на 20-30%, бобовых на 40%, картофеля на 47, свеклы кормовой и сахарной на 35%. Увеличивается кислотность почв и вместе с тем подвижность некоторых токсичных элементов.

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 всего 1 мг/кг.

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 4-5 раз больше, чем при выращивании на удаленных от автострады участках.

Помимо свинца придорожные полосы загрязняются кадмием и цинком. Они попадают в окружающую среду при истирании шин, содержание кадмия при этом в почвах придорожных зон превышает фон в 2-3 раза, а цинка в 4-10 раз.

В.П. Цемко с сотрудниками предлагает следующую группировку почв по степени загрязненности: слабозагрязненные почвы – содержание элемента 2-10 кларков, средне-загрязненные от 10 до 30, сильнозагрязненные свыше 30 кларков.

5. Минеральные и органические удобрения при неправильном внесении являются источниками загрязнения окружающей среды
В начале 20 века население Земли составляло 1,6 млрд. человек, а к 2009 году далеко превысило 6 млрд. человек, поэтому перед человечеством стоит задача значительного увеличения производства продовольствия, энергии, строительства жилья. Очевидно, и то, что в будущем среди основных средств повышения урожайности сельскохозяйственных культур останутся удобрения, поэтому с каждым годом доля их в круговороте питательных веществ будет увеличиваться. Потому что за счет их применения обеспечивается 50% прироста урожаев, а по некоторым культурам (хлопчатника и чай) – до 80%.

Отказ от использования удобрений, которые иногда предлагают некоторые «экологи», приведет к катастрофическому сокращению производства продовольствия, что недопустимо.

Единственно правильное решение данной проблемы – это не отказ от применения, а коренное улучшение технологии использования органических и минеральных удобрений.

Удобрения, наряду с основными элементами питания, часто содержат различные примеси в виде солей тяжелых металлов, органических соединений, радиоактивных изотопов. Из токсичных элементов могут присутствовать мышьяк, кадмий, свинец, фтор, стронций, которые должны рассматриваться как потенциальные источники загрязнений окружающей среды и строго учитываться при внесении в почву (таблица 5).

Несмотря на бытующее мнение о негативном действии органических и минеральных удобрений на содержание тяжелых металлов в растениях, большинство капитальных исследований показало, что длительное и правильное из применение даже при относительно высоком естественном содержании тяжелых металлов в фосфорных и органических удобрениях не увеличивало, а снижало концентрацию тяжелых металлов в сельскохозяйственной продукции в результате «ростового разбавления» при значительном увеличении урожайности.

Таблица 6

Влияние удобрений на содержание свинца и кадмия в растениях (мг/кг) на дерново-подзолистой почве (по Ягодину Б.А., 2003 г, с. 539)

Вариант	Элемент	Вика	Овес (сено)	Клевер	Тимо-феевка	Озимая пшеница	Овес (зерно)	Ячмень
1. Без удобрений 2. NРК + навоз	Свинец Кадмий Свинец Кадмий	2,90 0,40 2,80 0,36	1,20 0,36 1,60 0,38	3,90 0,61 3,80 0,40	1,82 0,36 1,60 0,24	1,83 0,20 0,20 0,04	1,65 0,30 2,25 0,38	2,80 0,40 3,20 0,36

Приведенные в таблице цифры говорят о том, что систематическое правильное применение органических и минеральных удобрений под многие сельскохозяйственные культуры не увеличивает содержание свинца и кадмия в товарной продукции.

Из минеральных удобрений наибольшие количества загрязняющих почву химических элементов имеют фосфорные. С каждой тонной суперфосфата, например, вносится в почву 160 кг фтора, 20 г меди, 100 г цинка, 300 г мышьяка. А в состав фосфорной муки входит еще и кадмий (2 г/т) и свинец (20 г/т).

Азотные и калийные удобрения загрязняют почву меньше. Азотные при внесении высоких доз (неправильном внесении вызывает повышенное накопление в растениях нитратов, что может отрицательно влиять на здоровье животных и людей). Кроме того, попадающие в реки и озера путем вымывания из почвы нитраты могут загрязнять водоемы и вызывать зарастание их растительностью.

Отрицательное действие калийных удобрений связано в основном с анионами хлоридов и сульфатов, которые загрязняют воды в меньшей степени.

Результаты многочисленных исследований позволили В.А. Ягодину (2003 г) сделать следующее заключение:

1. В районах антропогенного загрязнения почв систематическое применение известковых и минеральных удобрений значительно снижает уровень содержания тяжелых металлов в с.-х. продукции и тем самым существенно повышает ее качество.

2. В райнонах 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.

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

4. Применение органических удобрений заметно снижает опасность загрязнения тяжелыми металлами источников питьевой воды, рек, водоемов и с.-х. продукции в результате снижения растворимости и миграционной способности тяжелых металлов.

5. 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.

Кроме того 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.

Агротехнические 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 соеднинений, в результате чего подвижность металлов и естественная миграция их по профилю почвы снижается.

Агротехнические приемы, в том числе известкование, существенно ограничивают поступление тяжелых металлов в растения в случае загрязнения почвы.

Важным агротехническим приемом, оказывающим существенное 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.
7. Охрана окружающей среды носит глобальный характер и может быть решена только на международной основе
Проблема охраны окружающей среды – это не только проблема России, а всего мирового сообщества. В каждой стране – большой или малой, развитой или отсталой, все вопросы, касающиеся охраны окружающей среды, должны решаться комплексно, где особое внимание должно быть уделено максимальному снижению отрицательного воздействия на природу антропогенных факторов, особенно промышленных предприятий и автотранспорта.

В некоторых странах уже сегодня введены стандарты на удобрения, контроля выхлопных газов, автотранспорта и др.

Кроме того, дальнейшее развитие агрохимии позволит целенаправленно изменить химический состав и повышать плодородие почвы, что значительно улучшит биологический круговорот элементов.

Производство минеральных удобрений в ближайшем будущем должно быть ориентировано на их предварительную очистку. Это может существенно повысить стоимость удобрений, однако снизится заболеваемость и увеличится продолжительность жизни и трудоспособность населения. Целесообразно и ведение эколого-гигиенического нормирования качества минеральных удобрений. При составлении планов применения удобрений обязательно должны учитываться вопросы охраны окружающей среды.

2. Вопросы по предыдущей лекции:

1. Каковы источники загрязнения почв?

2. Назовите основные тяжелые металлы, загрязняющие окружающую среду?

3. Какие органы растений содержат наибольшие количества тяжелых металлов?

4. Когда могут органические и минеральные удобрения загрязнять почву тяжелыми металлами и нитратами?

5. Почему промышленность и автотранспорт считаются основными загрязнителями окружающей среды?

6. В чем заключается глобальность охраны окружающей среды?