«ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГО-БИОСФЕРНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ Екатеринбург Издательство Уральского университета 2000 УДК 581.5+631.8+ 631.46 Рекомендовано к изданию решением ученого совета Уральской государственной ...»

Эвтрофйрование существенно изменяет характеристики водных экосистем. Изменяется физико-химический режим водоема и состав его биоты. На первых этапах происходит увеличение общей биологической продуктивности за счет усиленного размножения отдельных компонентов фито- и зоопланктона на фоне одновременного сокращения его видового состава. Например, в мезотрофных озерах постепенно уменьшается число видов ракообразных и увеличивается разнообразие коловраток [375]. Среди первичных продуцентов чаще всего преимущественное развитие получают сине-зеленые водоросли [303]. В результате повышения биопродуктивности вода обогащается органическим веществом, образующимся после разложения отмирающего планктона. Этот материал, представляя благоприятную среду для микроорганизмов, способствует бактериальному загрязнению воды, максимум которого наблюдается в период гниения планктона [358].

Интенсивное разложение органического вещества, после его осаждения на дно водоема, сопровождается выделением большого количества метана, сероводорода, углекислоты и сокращением запасов растворенного кислорода. В отдельные годы содержание кислорода снижается настолько, что это приводит к массовым заморам молоди рыб. Поэтому во всех водоемах, затронутых эвтрофированием, с течением времени происходит сокращение видового состава обитающих там живых организмов и снижение рыбопродуктивности [501].

Эвтрофирование водоемов представляет определенную опасность для человека и сельскохозяйственных животных. Являясь продуцентами токсических веществ, сине-зеленые водоросли могут способствовать повреждению кожных покровов, возникновению заболеваний дыхательной системы и острых аллергических конъюнктивитов [148]. С интенсивным развитием в водоемах сине-зеленых водорослей связывают возникновение у людей и животных гафской болезни. Установлено, что содержащаяся в водорослях тиамилаза, аккумулируясь в организме планктоноядных рыб, вызывает разрушение витамина В1 Развивающаяся тиаминная недостаточность может стать причиной их гибели. Систематическое употребление человеком и млекопитающими рыбы с признаками В1-авитаминоза приводит к возникновению у них гафской болезни и желудочно-кишечных заболеваний [63].

Свидетельством реальной опасности интенсивного развития водорослей в водоемах стали случаи существенного ухудшения качества питьевой воды [411]. Ее очистка и доведение до параметров, соответствующих санитарно-гигиеническим нормам или технологическим условиям, требует дополнительных затрат. Так, ежегодный ущерб от "цветения" воды только на предприятиях водоочистки днепровского каскада достигает в ценах 1988 г. млн. руб. [260]. Кроме того, необходимо учитывать и потери, возникающие в результате снижения рыбопродуктивности, а также социальный ущерб, проявляющийся в ухудшении эстетических характеристик водоема. Отдыхающие на берегах чистых рек и озер получают положительные эмоции, и это, несомненно, благоприятно отражается на их настроении, а впоследствии и работоспособности. Созерцание же того, как из года в год усиливается "цветение" воды, снижается ее прозрачность, уменьшаются рыбные запасы, производит на отдыхающих унылое впечатление, а значит, и не дает полной психоэмоциональной разгрузки. Приведенный пример достаточно наглядно показывает, как экологические проблемы трансформируются в социальные и экономические. Но именно этот аспект очень часто не попадает в поле зрения специалистов, определяющих эффективность применения минеральных удобрений и величину ущерба, нанасимого окружающей среде.

Газообразные потери азотных удобрений являются источником загрязнения атмосферы. Их появление связано с процессами денитрификации, аммонификации и нитрификации, происходящими в почве с участием микроорганизмов. По обобщенным данным 80 полевых опытов, газообразные потери составляют в среднем 26% от внесенного азота. Изучение этого явления показало, что улетучивание азота происходит в основном в форме N2, NO2 и HNз. Размеры газообразных потерь увеличиваются при внесении высоких доз удобрений и их мелкой заделке. До последнего времени газообразным потерям как фактору загрязнения окружающей среды не придавалось существенного значения, так как наблюдающееся при этом увеличение концентрации азота в приземном слое воздуха не превышает предельно допустимых норм [328, 327]. Однако сейчас стало известно о способности соединений азота, наряду с другими химическими веществами, разрушать озоновый экран стратосферы, являющийся своеобразным щитом, прикрывающим все живое на планете от жесткого ультрафиолетового излучения [250, 326].

Газообразные соединения азота, поступающие в атмосферу, способствуют потеплению глобального климата. На долю NО2 приходится 6% парникового эффекта. В будущем роль двуокиси азота может возрасти. Это объясняется увеличением ее концентрации в атмосфере. С конца прошлого века она повысилась более чем на 20%. Основной причиной насыщения атмосферы соединениями азота является производство и применение азотных удобрений [138].

Появление и накопление соединений азота в атмосфере приводит к выпадению кислотных дождей. Около 30% их кислотности обусловлено присутствием НNО3. Азот возвращается с осадками на землю в количестве до нескольких десятков кг/га в год [584]. Такой путь поступления азота на сельскохозяйственные угодья в некоторой степени компенсирует его дефицит в земледелии, но в то же время ведет к подкислению почв и водоемов [250].

Так, если до 1940 г. только 4% горных озер Канады имели рН воды ниже 5,0, то к середине 70-х гг., в результате выпадения загрязненных осадков, этот показатель увеличился до 51% [632]. Под действием кислотных дождей ускоряется разрушение строительных материалов, окисление металлов, нарушаются природные экосистемы. Гибнут рыбы, моллюски, насекомые, растения и даже крупные животные. На больших территориях повреждаются лесные массивы [619, 618]. Доля таких участков в Западной Европе составляет 22% от общей площади лесов.

Кислотные осадки отрицательно влияют на агроэкосистемы. Подкисление почв ухудшает их физические, химические и биологические свойства; у сельскохозяйственных культур снижается интенсивность фотосинтеза, скорость роста, утрачивается иммунитет. Все это, в конечном итоге, значительно снижает урожайность. Конечно, основными загрязнителями атмосферы являются промышленные предприятия, но, без сомнения, в определенной степени в этом повинно и сельское хозяйство.

Сокращение потерь азота, предотвращение его вымывания из пахотного слоя почвы могло бы значительно повысить эффективность азотных удобрений и уменьшить загрязнение окружающей среды. С этой целью ведутся работы по различным направлениям. Наиболее простым способом сокращения газообразных потерь азота является увеличение глубины заделки и локальное внесение удобрений. Другими вариантами предусматривается использование цеолитов [171] или медленнодействующих удобрений [191].

Вместе с тем, все перечисленные способы только частично снижают потери азота. Часто их применение не всегда вписывается в технологию выращивания сельскохозяйственных культур, а иногда просто невозможно ввиду их большой стоимости [281].

Определенные надежды связывали с использованием ингибиторов нитрификации и денитрификации. Их применение позволяет повысить урожайность растений, но при этом не удается полностью предотвратить потери азота. Например, в опытах, проведенных на дерново-подзолистой почве, при ежегодном внесении ингибиторов потери азота снижались всего на 10— 26,7% [262]. Кроме того, имеются данные об отрицательном влиянии ингибиторов нитрификации, относящихся к биологически активным соединениям, на микрофлору почвы [281, 566]. Последствия этого воздействия изучены еще недостаточно. 1.3. Влияние минеральных удобрений на свойства почвы Самым важным вопросом современного земледелия, от которого зависит не только производство продуктов питания, но и состояние биосферы, является сохранение плодородия почв. Значение почвенного покрова для современной биосферы сравнимо с озоновым экраном стратосферы. Деградация почв ведет к постепенному снижению объемов образования первичной продукции и катастрофическим изменениям в окружающей среде [250, 167].

Основным показателем, характеризующим плодородие почв, является содержание в них гумуса. Высокогумусированные почвы имеют благоприятную для растений структуру, хорошую водоудерживающую способность и достаточный запас питательных веществ. Экспериментальным путем установлено, что повышение содержания гумуса в дерново-подзолистой почве на 1% увеличивает продуктивность пашни более чем на 25% [183]. Аналогичные данные получены и в других опытах. Следовательно, создание запасов органического вещества в пахотных землях должно стать первоочередной задачей земледелия. Вместе с тем, наблюдения показывают, что за 30 лет интенсивной эксплуатации почв Саратовской области содержание в них гумуса снизилось с 7,0 до 6,5%, а в целом по Центрально-Черноземной зоне РСФСР — с 5,6 до 5,1% [388]. В Башкортостане почвы за время их сельскохозяйственного использования утратили около 20% гумуса. Ежегодная его потеря составляет в среднем 300 кг/га [561].

По мнению ведущих почвоведов, за последние 100 лет запасы органического вещества в черноземах нашей страны уменьшились в два раза [248, 251]. К таким же выводам пришла Г.С. Макунина. Согласно ее расчетов общие потери гумуса на всей площади сельскохозяйственного освоения черноземов составили около 40% [329].

Роль минеральных удобрений в увеличении гумусированности почв до недавнего времени рассматривалась с положительной стороны. Однако в последние годы происходит переоценка их значения. Все чаще специалисты выражают сомнение по поводу возможности повышения содержания органического вещества за счет применения минеральных удобрений [339, 283, 291]. Более того, они могут явиться причиной обеднения почв гумусом. По данным Л.К. Шевцова, которые использует В.Н. Кудеяров с соавторами [283], полученным на основе обобщения данных более 400 длительных полевых опытов, его содержание в дерново-подзолистых почвах при внесении полного минерального удобрения в первые 20—30 лет снижалось в среднем на 12—14%. Им сделан вывод, что внесение только минеральных удобрений не компенсирует потерь почвенного органического вещества. Такое же заключе ние делает и В.Г. Минеев [339]. Механизм этого явления состоит в следующем.

Определение коэффициентов использования питательных веществ из почвы показало, что их значения при внесении минеральных удобрений, по сравнению с неудобренными вариантами, как правило, увеличиваются. При выяснении обстоятельств отмеченного явления было обнаружено существенное усиление процессов минерализации гумуса, происходящее под действием азотных удобрений [282, 279]. Оказывается, каждая единица азота удобрений способствует дополнительной мобилизации от 0 до 1,2 единицы почвенного азота [283]. Это и ведет к увеличению содержания в почве подвижных соединений и, как следствие, повышению коэффициентов использования растениями питательных веществ. Подвижные соединения азота, образовавшиеся в результате минерализации органического вещества, так же, как азот минеральных удобрений, включаются в геохимическую миграцию. Их доля от общего количества инфильтрационных потерь азота из пахотных угодий составляет от 10 до 50% [93, 239].

Сведения о происходящей трансформации гумуса подтвердились при изучении его качественного состава. Под влиянием минеральных удобрений меняется соотношение между гуминовыми и фульвокислотами, увеличивается доля сахаридных и кислородсодержащих соединений, белковоподобных остатков [79, 611]. По данным Г.П.Гамзикова с соавторами, длительное внесение минеральных удобрений достоверно снижало долю гуминовых кислот [122]. Учитывая то, что гумусовые вещества являются важным экологическим фактором, влияющим на жизнедеятельность почвенных организмов, их разрушение неизбежно повлечет за собой изменения в естественной структуре педоценозов.

Возможны и более существенные отрицательные экологические последствия дегумификации почв. Гумусовые вещества на 52—62% состоят из углерода. При их минерализации происходит образование СО2, который поступает в атмосферу и способствует формированию парникового эффекта.

Полагают, что 20% всего углекислого газа, накопившегося в атмосфере в результате антропогенной деятельности, образовалось вследствие разрушения почвенного органического вещества [167].

Опасность минерализации гумуса под влиянием каких-либо агротехнических приемов, в том числе и азотных удобрений, заключается не только в сокращении прямых запасов питательных веществ в почве, ухудшении ее свойств, возникновении экологических проблем, но и в снижении потенциальной возможности, небиологической фиксации азота. В настоящее время имеются убедительные данные, свидетельствующие о существовании в почве механизмов химической природы, обеспечивающих фиксацию азота без участия живых организмов [13]. По оценкам специалистов, потребность сельскохозяйственных культур в азоте в полевых условиях на 40—50% удовлетворяется за счет его фиксации природными гумусовыми веществами. В перспективе это свойство почв может быть использовано для создания регулируемых азотфиксирующих систем [13]. Изменение качества гумуса, очевидно, может оказать существенное отрицательное влияние на активность абиотических систем фиксации азота в почве, так как их функционирование зависит от физико-химических свойств органического вещества.

Плодородие почвы и направленность различных химических и биологических превращений, происходящих в ней, во многом зависит от кислотности среды. Оптимальное значение рН почвы для большинства культур соответствует 6,0—6,5. Ее увеличение приводит к угнетению растений. Внесение физиологически кислых удобрений, к которым относятся такие широко распространенные виды, как аммиачная селитра, хлористый калий и другие виды способствует подкислению почвенного раствора. Если при разовом использовании удобрений в небольших дозах существенного изменения рН не наблюдается, то при длительном, в течение ряда лет, происходит сильное подкисление почв. Например, внесение за 25-летний период 2480 кг N, кг Р205 и 2500 кг К20 увеличивало актуальную кислотность дерновоподзолистой почвы в слое 0—20 см с 4,9 до 4,0—4,3, а степень насыщенности основаниями при этом снижалась с 69,4—70,0 до 48,2%. Еще большее снижение степени насыщенности основаниями наблюдалось в слое почвы 20—40 см [144, 184].

Степень и срок, в течение которого происходит изменение рН почв, зависят от их типа. Более заметному подкислению подвержены дерновоподзолистые почвы, характеризующиеся низким содержанием органического вещества и высокой естественной кислотностью. Но при длительном внесении удобрений увеличение кислотности, уменьшение суммы поглощенных оснований и степени насыщенности основаниями происходит и в черноземных почвах [159].

Среди практикующих агрономов распространено мнение об отсутствии заметного повышения рН, если используются умеренные дозы удобрений. Однако исследования показывают, что ежегодное внесение в течение ротации севооборота даже 38 кг/га аммиачной селитры и 70 кг/га действующего вещества хлористого калия увеличивает кислотность дерновоподзолистых суглинистых почв на глубину до 60 см [246].

Незначительное на первый взгляд изменение кислотности почв вос принимается совсем по-другому, когда мы вспоминаем о том, что шкала рН логарифмическая. А это значит — при снижении значения рН с 5 до 4 кислотность среды увеличивается в 10 раз.

Ухудшение агрохимических показателей почвы отражается на эффективности применяемых удобрений и, как следствие, на продуктивности растений. Например, если в первый год внесения минеральных удобрений урожай картофеля и овса повышался соответственно со 118 до 251 ц/га и с до 40,1 ц/га, то через 10 лет их регулярного использования они уже не повышали, а, наоборот, снижали урожайность полевых культур [4]. Аналогичные данные получены и в других опытах. Так, на шестой год внесения азотных удобрений в дозе 60—90 кг/га действующего вещества также не было получено прибавки урожая. Результаты этого опыта приведены в табл. 4.

Урожайность ячменя на шестой год внесения удобрений [12] Отрицательное действие систематического применения удобрений на растения обусловлено как подкислением почвенного раствора, так и происходящим при этом увеличением подвижности соединений алюминия, марганца и железа, которые угнетают рост растений [486]. Их комплексное воздействие отрицательно влияет на биологические показатели почвы. Изменяется численность и видовой состав микроорганизмов. Среди них появляются фитопатогенные виды. Кроме того, ухудшение отдельных показателей химической характеристики почвы снижает устойчивость растений к недостатку воды [245] и, очевидно, другим факторам окружающей среды.

Особого внимания в современном земледелии заслуживает факт обеднения пахотного горизонта кальцием, магнием и изменение доступности для растений ряда микроэлементов (табл. 5). На разных типах почв минеральные удобрения повышают выщелачивание оснований из пахотного горизонта на 11—36% [588]. По другим сведениям, интенсивность вымывания кальция и магния на удобренных почвах увеличивается в 2—3 раза [544, 262].

Расчеты, проведенные с целью выяснения связи между вымыванием оснований и внесением удобрений показывают, что на суглинистых почвах каждый килограмм внесенных питательных веществ ведет к потере 0,5 кг СаО и 0,06 кг Мg0, а на супесчаных почвах соответственно 1,0 и 0,19 кг. Поэтому на удобряемых участках дополнительно рекомендуется вносить 60— кг/га Мg0 [290].

Влияние минеральных удобрений на вымывание Без удобрений N170Р170К N340Р340 К К отрицательным последствиям применения удобрений следует отнести и увеличение подвижности некоторых микроэлементов, содержащихся в почве. Они более активно вовлекаются в геохимическую миграцию. Это ведет к возникновению в пахотном слое дефицита В, Zn, Сu, Мn [141]. Ограниченное поступление микроэлементов в растения, которые вымываются из почвы, неблагоприятно влияет на процессы фотосинтеза и передвижение ассимилятов, снижает их устойчивость к заболеваниям, недостаточному и избыточному увлажнению, высоким и низким температурам [113, 337, 22], то есть к наиболее важным факторам внешней среды, подверженным к тому же сильным колебаниям, часто выходящим за оптимальные параметры. Основной причиной нарушений в обмене веществ растений при недостатке микроэлементов является снижение активности ферментных систем.

Недостаток микроэлементов в почве вынуждает применять микроудобрения. Так, в США их использование в период с 1969 по 1979 г. возросло с 34,8 до 65,4 тыс. т действующего вещества [508].

В связи с глубокими изменениями в агрохимических свойствах почв, происходящими в результате применения удобрений, возникла необходимость изучения их влияния на физические характеристики пахотного слоя.

Основными показателями физических свойств почвы являются агрегатный состав и водопрочность почвенных частиц. От того, насколько эти параметры близки к оптимальным, зависят водный и воздушный режимы корнеобитаемой зоны. Анализ результатов ограниченного количества исследований, проведенных с целью изучения влияния минеральных удобрений на физические свойства почвы, не позволяет сделать определенных выводов. В некоторых опытах наблюдалось ухудшение физических свойств [285]. При повторной культуре картофеля доля почвенных агрегатов более 1 мм в варианте с внесением азота, фосфора и калия, по сравнению с неудобренным участком, снижалась с 82 до 77%. В других исследованиях при внесении полного минерального удобрения на протяжении пяти лет содержание в черноземе агрономически ценных агрегатов уменьшилось с 70 до 60%, а водопрочных — с 49 до 36% [589].

Чаще всего отрицательное влияние минеральных удобрений на агрофизические свойства почвы обнаруживается при изучении ее микроструктуры. Возможно, это связано с тем, что новые методы в некоторых случаях более надежны.

Микроморфологические исследования показали, что даже небольшие дозы минеральных удобрений (30—45 кг/га) оказывают отрицательное влияние на микроструктуру почвы, сохраняющееся на протяжении 1—2 лет после их внесения. Возрастает плотность упаковки микроагрегатов, снижается видимая порозность, уменьшается доля зернистых агрегатов [332]. Длительное внесение минеральных удобрений ведет к снижению доли частиц губчатого микросложения и к увеличению на 11% неагрегатированного материала [440]. Аналогичные результаты были получены и в других исследованиях.

Одной из причин ухудшения структуры является обеднение пахотного слоя экскрементами почвенных животных [49, 571].

В ряде опытов существенного влияния минеральных удобрений на физические свойства почв не обнаружено. Но это, очевидно, объясняется не отсутствием реальных изменений, а сложностью их обнаружения, так как происходят они в течение длительного времени. Наше предположение основано на том, что агрохимические и агрофизические свойства почв тесно связаны между собой, и поэтому увеличивающаяся кислотность, обеднение пахотного горизонта основаниями, уменьшение содержания гумуса, ухудшение биологических свойств должны закономерно сопровождаться ухудшением агрофизических свойств.

Для предотвращения отрицательного влияния минеральных удобрений на свойства почвы следует периодически проводить известкование. Необходимость в этом мероприятии была очень высока в доперестроечный период, когда наблюдался рост поставок сельскому хозяйству минеральных удобрений. К 1966 г. ежегодная площадь известкования в бывшем СССР превысила 8 млн. га, а объем вносимой извести составил 45,5 млн. т. Однако это не компенсировало потерь кальция и магния. Поэтому доля земель, подлежащих известкованию, в ряде регионов не уменьшилась, а даже несколько увеличилась. Для того чтобы не допустить увеличения площади кислых земель, предполагалось удвоить поставки сельскому хозяйству известковых удобрений и довести их к 1990 г. до 100 млн. т [220, 393, 312].

Известкование, понижая кислотность почвы, одновременно повышает газообразные потери азота. При проведении этого приема они возрастают в 1,5—2 раза [326]. Такая реакция почв на внесение мелиорантов является результатом изменений в направленности микробиологических процессов, что может являться причиной нарушения геохимических круговоротов. В связи с этим Г.В. Добровольским высказываются сомнения в целесообразности использования известкования [167]. Известкование усугубляет и другую проблему — загрязнения почв токсическими элементами.

1.4. Обогащение почв сопутствующими элементами, содержащимися в минеральных удобрениях и мелиорантах Минеральные удобрения являются основным источником загрязнения почв тяжелыми металлами и токсичными элементами. Это связано с содержанием в сырье, используемом для производства минеральных удобрений, стронция, урана, цинка, свинца, ванадия, кадмия, лантаноидов и других химических элементов. Их полное извлечение или не предусматривается вообще, или осложняется технологическими факторами [11, 226]. Поэтому они в качестве примесей частично входят в состав суперфосфатов, калийных удобрений, извести и фосфогипса. Возможное содержание сопутствующих элементов в суперфосфатах и в других видах минеральных удобрений, широко применяемых в современном земледелии, приведено в табл. 6 и 7.

Содержание примесей в суперфосфатах, мг/кг [465] В больших количествах элементы-загрязнители обнаруживаются в извести. Ее внесение в количестве 5 т/га может изменить природные уровни кадмия в почве на 8,9 % от валового содержания [442].

При внесении минеральных удобрений в дозе 109 кг/га ИРК в по поступает примерно 7,87 г меди, 10,25 — цинка, 0,21 — кадмия, 3,36 свинца, 4,22 — никеля, 4,77 — хрома [44]. По расчетам ЦИНАО, за весь период использования фосфорных удобрений в почвы бывшего СССР внесено 3200 т кадмия, 16 633 — свинца, 553 — ртути [336]. В опы проведенных на Долгопрудной агрохимической станции, применен! течение 60 лет минеральных удобрений в дозе N60-90Р80-90 К80-120 в раза повышало содержание в почве фтора и в 4 раза — подвижного стронция [450]. Большая часть химических элементов, попавши почву, находится в слабоподвижном состоянии. Период полувыведе кадмия составляет 110 лет, цинка — 510, меди — 1500, свинца несколько тысяч лет [564].

Содержание тяжелых металлов в удобрениях и извести, МГ/КГ [343] Загрязнение почвы тяжелыми и токсическими металлами ведет к накоплению их в растениях. Так, в Швеции концентрация кадмия в пшенице за текущее столетие увеличилась вдвое. Там же, при применении суперфосфата в суммарной дозе 1680 кг/га, внесенной частями за 5 наблюдали повышение содержания кадмия в зерне пшеницы в 3,5 [341]. По данным Ю.А. Потатуевой с соавторами, при загрязнении вы стронцием происходило трехкратное увеличение его содержан клубнях картофеля [450]. В России пока еще не уделяется необходи внимания загрязнению растениеводческой продукции химическими элементами. Имеются только разрозненные данные организаций, тролирующих качество продуктов питания. По данным Свердловской санитарно-эпидемиологической службы, в 1991 г. доля образцов овощей и бахчевых культур, не соответствующих нормам по содержанию свинца, составила 1,2, а кадмия — 7,2% [415].

Использование загрязненных растений в качестве продуктов питания или кормов является причиной возникновения у человека и сельскозяйственных животных различных заболеваний. К наиболее опасным тяжелым металлам относят ртуть, свинец и кадмий. Попадание в организмнизм человека свинца ведет к нарушениям сна, общей слабости, ухудшению настроения, нарушению памяти и снижению устойчивое бактериальным инфекциям [364, 606]. Накопление в продуктах питания кадмия, токсичность которого в 10 раз выше свинца, вызывает разрушение эритроцитов крови, нарушение работы почек, кишечника, размягчение костной ткани [340]. Парные и тройные сочетания тяжелых металлов (ТМ) усиливают их токсический эффект [606]. Определенную опасность представляют и другие элементы.

Экспертным комитетом ВОЗ разработаны нормативы поступления в человеческий организм тяжелых металлов. Предусматривается, что каждую неделю здоровый человек массой 70 кг может получать с пищевыми продуктами, без вреда для своего здоровья, не более 3,5 мг свинца, 0,625 мг кадмия и 0,35 мг ртути [640].

В связи с возрастанием загрязнения продуктов питания были приняты нормативы содержания ТМ и ряда химических элементов в продукции растениеводства (табл. 8).

Предельно допустимые концентрации химических элементов, Загрязнение растениеводческой продукции ТМ и химическими элементами опасно для человека не только при непосредственном ее употреблении, но и при использовании на кормовые цели. Например, скармливание коровам растений, выращенных на загрязненных почвах, привело к увеличению концентрации кадмия в молоке до 17—30 мг/л [645], в то время как допустимый уровень составляет 0,01 мг/л.

Для предотвращения накопления химических элементов в молоке, мясе, исключения возможности отрицательного их влияния на состояние сельскохозяйственных животных во многих странах принимаются предельно допустимые концентрации (ПДК) для химических элементов, содержащихся в кормовых растениях. По стандартам ЕЭС безопасное содержание свинца в фураже составляет 10 мг/кг сухого вещества. В Нидерландах допустимый уровень содержания кадмия в зеленых кормах равен 0,1 мг/кг сухой массы [29, 341].

Фоновое содержание химических элементов в почвах приведено в табл. 9. При накоплении ТМ в почве и последующем поступлении их в растения они концентрируются в основном в вегетативных органах, что объясняется защитной реакцией растений [200]. Исключение составляет кадмий, который легко проникает как в листья и стебли, так и в генеративные части [212]. Для правильной оценки степени накопления в растениях различных элементов необходимо знать их обычное содержание — то, которое наблюдается при выращивании сельскохозяйственных культур на незагрязненных почвах. Сведения по этому вопросу довольно разноречивы. Это объясняется большими различиями в химическом составе почв. Фоновое содержание свинца в почвах равно примерно 30, а кадмия — 0,5 мг/кг [123]. Концентрация свинца в растениях, выращиваемых на чистых грунтах, составляет 0,009—0,045, а кадмия — 0,011—0,67 мг/кг сырого вещества [658].

Содержание некоторых элементов в пахотных почвах, мг/кг [479] Необходимость установления жестких норм по загрязненинию растений объясняется тем, что при выращивании их на загрязненных почвах содержание отдельных элементов может увеличиваться в десятки раз. В то же время некоторые химические элементы становятся токсич ными при трех- и даже двукратном увеличении их концентрации. Например, содержание меди в растениях обычно составляет примерно 5— 10 мг/кг в расчете на сухую массу. При концентрации 20 мг/кг растения становятся токсичными для овец, а при 15 мг/кг — для ягнят [479]. Таким образом, к загрязнению растений и почв химическими элементами следует относиться с большим вниманием.

В настоящее время проводятся исследования по определению ПДК химических элементов в почвах. В ряде стран они уже приняты к исполнению. Чаще всего ПДК по кадмию составляет 3, ртути — 2, свинцу — мг/кг [640]. Превышение указанных уровней содержания химических элементов в почвах отрицательно отражается на качестве сельскохозяйственных культур. В них снижается содержание витаминов, ухудшается биологическая полноценность белка. При выращивании растений на загрязненных ТМ грунтах происходят нарушения в обмене веществ отдельных органов, угнетается рост. По сведениям Л.Г. Бондарева (цит. по: В.Г. Минеев [341]), продуктивность основных сельскохозяйственных культур при выращивании их на почвах, содержащих ТМ, снижается на 20—47%. Воздействию ТМ подвергаются и генетические структуры растений.

В результате всестороннего изучения последствий загрязнения почвы некоторые исследователи пришли к заключению, что принятые ПДК не могут полностью исключить отрицательного влияния ТМ и ряда химических элементов на урожай сельскохозяйственных культур и его качество. Оказывается, различные растения неодинаково реагируют на присутствие в почве загрязнителей. Так, фасоль в 10—15 раз чувствительнее кукурузы к кадмию [479]. Поэтому необходимо дальнейшее уточнение принятых ПДК. По мнению некоторых исследователей, ПДК по кадмию должно составлять не мг/кг, а значительно меньше. Это связано с тем, что безопасный уровень для картофеля составляет только 1,5, а зеленных — 0,5 мг/кг [214]. Корректировка пороговых концентраций необходима и тогда, когда в почве присутствует не один элемент-загрязнитель, а несколько. Так, если марганец и ванадий присутствуют в почве одновременно, то их ПДК уменьшается в два раза [75].

Такой же эффект наблюдается при загрязнении почвы ртутью и свинцом. В опытах с капустой было установлено, что если в субстрате одновременно обнаруживаются оба этих элемента, то их допустимые уровни должны быть уменьшены вдвое [523].

Приведенные примеры показывают, что эффективность земледелия, его возможности в условиях продолжающегося поступления в почвы различных химических элементов неизбежно будут снижаться. И одной из причин этого является ограничение нашей свободы при выборе культур, пригодных для выращивания на загрязненных почвах. Специфичность реакции растений затруднит составление севооборота. В него уже нельзя будет включать менее устойчивые к загрязнению культуры.

Одним из последствий применения минеральных удобрений является повышение радиоактивности окружающей среды. В окультуренных почвах Германии с начала применения фосфорных удобрений содержание урана и радия возросло соответственно на 9 и 6% [149]. Это является следствием содержания в фосфорных удобрениях радиоактивных элементов. Они, концентрируясь в продуктах питания и кормах, могут повышать уровень внутреннего облучения человека и сельскохозяйственных животных.

Увеличение содержания ТМ в почве отражается и на ее химических свойствах. Прежде всего, подвергается изменению ферментативная активность. Например, при содержании в перегноино-глееватых почвах 5 мг/кг кадмия наблюдается снижение активности дегидрогеназы и инвертазы, а при концентрации 7 мг/кг происходит полное подавление этих ферментов [50].

Кроме растений, отрицательное влияние ТМ, а также токсичных элементов испытывает на себе и почвенная биота. При загрязнении почв хромом, цинком, никелем и свинцом, на уровне одного-двух кларков, уменьшается численность бактерий, сокращается видовой состав микроорганизмов, насекомых и дождевых червей. В то же время увеличивается количество грибов, то есть происходит нарушение структуры пе-доценоза [90, 317]. Особое беспокойство должно вызывать снижение азотфиксирующих свойств почвы, которое наблюдается при ее загрязнении различными химическими элементами.

Удвоение фонового содержания металлов в почве при интенсивном применении удобрений возможно за 80 и более лет [646, 343]. Но при этом необходимо помнить, что одновременно почва загрязняется целым комплексом элементов, присутствующих в удобрениях. Следовательно, опасный уровень загрязнения будет достигаться значительно быстрее.

Большую озабоченность вызывает загрязнение почв фтором. Он входит в состав суперфосфатов и фосфогипса в количестве 1—5%. Ежегодное использование таких удобрений способствует повышению его содержания в почве на 5% [265], а при длительном применении фосфорных удобрений (в течение 15 лет и более) содержание фтора в слое почвы 0—30 см может увеличиться в 1,7—5 раз [500].

При накоплении фтора в почве его концентрация в растениях увеличивается в несколько раз и может достигать 77,6 мг/кг [170]. Это отрицательно отражается на продуктивности растений, приводит к загрязнению продукции растениеводства и увеличивает вероятность возникновения заболеваний у человека, а также сельскохозяйственных животных. При скармливании коровам кормов с содержанием фтора более 40 мг/кг они заболевают флюорозом, а концентрация этого элемента в молоке повышается более чем в два раза [634].

По данным японских ученых, поступление фтора в организм человека с продуктами питания и водой к 1965 г., по сравнению с 1958 г., увеличилось в 2,7 раза. Усиливающееся загрязнение окружающей среды фтором даже дало основание правительству Швеции для запрещения |его использования при дезинфекции воды [121].

Наряду с фтором в кальций-, гипсосодержащих и известковых мелиорантах обнаруживается относительно большое количество (1—2%) стабильного стронция. С обычной нормой фосфогипса в почву поступает от 100 до 400 кг/га этого элемента [346]. Его опасность состоит в том, что в организме человека и сельскохозяйственных животных стронций вступает в конкурентные отношения с кальцием, замещая его в костных тканях. Избежать отрицательного влияния стронция можно только в том случае, если его содержание в продуктах питания и кормах будет в 140 раз меньше, чем кальция. Применение мелиорантов и удобрений, содержащих стронций, как правило, изменяет это соотношение. Так, в результате использования фосфогипса отношение Са:Sr снизилось у овса со 105 до 68, проса — с 64 до 61, ячменя — с до 61, донника — с 60 до 46 [53].

При прогнозировании загрязнения почвы следует учитывать и возможное поступление элементов, имеющих техногенное происхождение [620, 643, 655]. Аэрозольное распространение ТМ от промышленных районов достигает 25 км. В ряде стран Западной Европы на 1 га пашни с удобрениями и аэрозольным путем ежегодно поступает около 10 г кадмия, в том числе 3— г с суперфосфатом, при валовом его содержании в слое почвы 0—15 см 0,2— 2 кг/га [654, 657, 647]. Загрязнение почв соединениями тяжелых металлов в некоторых странах достигло такого уровня, что возникли трудности с использованием сельскохозяйственных угодий [649]. Аналогичная ситуация складывается вокруг крупных промышленных центров в России. На Среднем Урале почти все пахотные земли в округе Ревды, Первоуральска, Нижнего Тагила не пригодны для получения диетической продукции. Сведения о поступлении металлов в почвы с атмосферными осадками в европейской части России приведены в табл. 10.

Принимая во внимание опасность накопления в почве тяжелых, токсичных и радиоактивных элементов производители удобрений в ФРГ в г. приняли решение о введении норм на содержание в них кадмия. Однако извлечение из сырья, используемого для производства фосфорных удобрений, только этого элемента не исключит загрязнения почв [657, 623]. Более радикальным шагом, хотя и не решающим все проблемы, следует считать предложение о необходимости снизить объемы применения фосфорных удобрений [627].

Поступление металлов с жидкими атмосферными осадками Поступление в почвы различных химических элементов значительно осложняет определение безопасного уровня. Установленные ПДК обеспечивают безвредность среды только тогда, когда в ней содержится один загрязняющий компонент. Если появляются другие, то они могут усиливать отрицательное воздействие друг друга. Поэтому при комплексном загрязнении среды необходимы другие подходы к установлению его безопасного уровня.

Считается, что он может определяться следующим образом:

где С1 С2,..., Сn — концентрация загрязняющего элемента в среде;

ПДК1, ПДК2,..., ПДКn — предельно допустимая концентрация элемента для данной среды.

Однако приведенный порядок определения безопасного уровня загрязнения химическими элементами неприемлем для почв. Это объясняется тем, что в них всегда наблюдается определенное фоновое содержание разнообразных химических элементов. И поэтому допустимый уровень загрязнения должен устанавливаться с учетом фонового содержания химических элементов, их поступления с минеральными удобрениями, мелиорантами, атмосферными осадками, а также с учетом миграционных процессов. Для этого, по нашему мнению, в вышеприведенный порядок необходимо внести следующие изменения. Показатели С1, С2… Сn- должны определяться по следующей схеме:

где Oф — общая (фактическая) концентрация элемента в почве, мг/кг;

Фк — фоновая (кларковая) концентрация элемента в почве, мг/кг.

Предложенный порядок определения безопасного уровня загрязнения почв учитывает: содержание химических элементов в почве, их привнесение, вымывание, а также установленные ПДК.

1.5. Минеральные удобрения и гигиенические проблемы, Среди проблем, возникающих в условиях интенсивной химизации сельскохозяйственного производства, все возрастающее внимание уделяется нитратному загрязнению питьевой воды и продуктов питания. Это объясняется тем, что нитраты и вещества, образующиеся в результате их превращений, способны оказывать неблагоприятное влияние на организм человека и сельскохозяйственных животных [6].

1.5.7. Влияние нитратов на организм человека и Нитраты, попадая в желудочно-кишечный тракт человека и сельскохозяйственных животных, подвергаются многочисленным биохимическим превращениям. Один из путей их трансформации заключается в том, что под действием микрофлоры они восстанавливаются до нитритов. Токсичность образовавшихся соединений в 20 раз выше исходных [363, 567]. Нитриты, попадая в кровь, взаимодействуют с гемоглобином и превращают последний в метгемоглобин, который не способен выполнять функцию переносчика кислорода. Особенно опасно появление метгемоглобина в крови для детей раннего возраста. Это объясняется низкой кислотностью в их желудке, которая благоприятствует развитию микроорганизмов, участвующих в превращении нитратов в нитриты, отсутствием хорошо сформированных ферментных систем перевода метгемоглобина в гемоглобин и потреблением на единицу массы тела больших объемов жидкости по сравнению с взрослыми [391, 630].

Расчеты показывают, что при употреблении одних и тех же продуктов нитратно-нитритная нагрузка для детей в возрасте от 6 месяцев до 6 лет на 84,0—111,1% больше, чем для взрослых [567].

Обследование шестилетних детей с целью выяснения влияния нитратной нагрузки на физическое развитие показало, что при использовании воды с повышенным содержанием нитратов у них уменьшается мышечная сила рук, окружность грудной клетки, жизненная емкость легких, ухудшаются показатели иммунитета [412, 256].

Следствием хронической интоксикации организма человека нитратами и нитритами является изменение биотоков головного мозга, снижение умственной и физической работоспособности, ослабление иммунной системы, появление стойких аллергических реакций [372, 251]. Возникновение метгемоглобинии не всегда сопровождается внешне заметными симптомами, что усложняет диагностирование заболевания [357]. Нитриты, включаясь в обменные процессы, могут изменять активность некоторых ферментов и повышать, прямым или косвенным путем, чувствительность организма к действию канцерогенных и мутагенных факторов [215]. Эпидемиологические исследования обнаружили наличие прямой связи между содержанием нитратов в продуктах питания и смертностью от рака желудка [18].

Опасность накопления в продуктах питания нитратов и нитритов кроется и в возможности образования с их участием нитрозоаминов. Эти соединения по отношению к животным организмам, даже в ничтожных количествах, проявляют канцерогенные, мутагенные, эмбрио-токсические и тератогенные свойства [71].

Появление нитрозоаминов в растениях происходит несколькими путями. Первый заключается в образовании их в почве под действием азотсодержащих удобрений и пестицидов, а другой — в возможном синтезе в тканях растений, имеющих высокое содержание нитратов[344].

В человеческий организм нитрозоамины могут попадать как с продуктами питания, так и вследствие их образования в желудке, если в него одновременно попадают нитрит и вторичный амин. Некоторые виды микроорганизмов желудочно-кишечного тракта могут активизировать этот процесс.

Обнаружены и химические катализаторы реакции нитрозирования. Например, у курящих людей в слюне содержится тиоционат, обладающий такими свойствами [71].

Образование нитрозоаминов в организме человека возможно в ротовой полости, кишечнике и инфицированном мочевом пузыре [18]. Некоторые лекарственные препараты (пирамидон, тетрациклин), реагируя с нитратами, также образуют нитрозоамины [71].

Аналогичное действие нитраты и их производные оказывают на сельскохозяйственных животных. Длительное поступление нитратов в организм крупного рогатого скота в дозах, обычно не оказывающих отрицательного влияния, но на фоне йодного голодания и недостаточности в рационе белка создает условия для более тяжелого течения микроэлементной недостаточности [72, 171]. При хроническом отравлении животных соединениями минерального азота ухудшается усвоение каротина, ингибируются ферментные процессы в рубце, ограничивается продукция летучих жирных кислот с изменением их соотношения, нарушаются воспроизводительные способности [92, 629]. Содержание нитратов в сухом веществе рационов сельскохозяйственных животных не должно превышать 0,2% или 5—6 г на 1 кг живой массы. Летальная доза нитратов для коров массой 500 кг соответствует 250 г в сутки [120].

1.5.2. Причины появления нитратов в питьевой воде и Увеличение содержания минеральных форм азота в грунтовых и подземных водах усугубляет санитарно-гигиеническую обстановку среди населения, пользующегося этими источниками. Особую остроту эта проблема имеет в тех регионах, где из-за загрязнения или недостаточности ресурсов поверхностных вод переходят на эксплуатацию подземных бассейнов. Например, во Франции 63% общей потребности в питьевой воде удовлетворяется за счет подземных вод. В то же время в этой стране за последние 15 лет рост содержания нитратов в подземных водах составляет 1—6 мг/л в год [652]. Подобные данные получены при обследовании грунтовых вод на территории Германии. Там около 3 млн. человек потребляет воду, содержащую повышенные концентрации нитратов. Она в некоторых источниках достигает 90 мг/л, что почти в два раза больше допустимой [651, 499]. В бывшей ЧССР в районах интенсивного применения удобрений содержание нитратов в воде достигло 120—240 мг/г [437].

В настоящее время проводится работа по уточнению предельно допустимых концентраций (ПДК) нитратов в питьевой воде. Если ранее их значения были более высокими, то в последние годы они ужесточаются. Так, с 1976 г. содержание нитратов в питьевой воде в ФРГ ограничивалось 90 мг/л, а с 1986 г. — 50 мг/л. Но и этот уровень, видимо, не исключает их отрицательного влияния на здоровье населения. Поэтому комиссия ЕЭС предлагает снизить допустимые уровни содержания нитратов в воде до 25 мг/л и ниже [637].

По рекомендациям ВОЗ, которым соответствуют требования ГОСТа "Питьевая вода", содержание нитратов не должно превышать 10 мг/л по азоту или 45 мг/л по кислотному остатку [391]. Принимая во внимание высокую чувствительность детей к нитратам, для них этот показатель не должен превышать 15 мг/л [436]. Более жесткие нормы содержания минеральных соединений азота, по сравнению с общепринятыми, очевидно, должны быть предусмотрены для профессиональных спортсменов и лиц, активно занимающихся физическими упражнениями. У этих групп населения потребность в питьевой воде обычно увеличена на 1,0—1,5 л/сутки. Поэтому содержание нитратов в воде на уровне общепринятых ПДК не может служить полной гарантией ее безвредности.

Сравнение установленных ПДК по нитратам с уровнем их реального содержания указывает на необходимость безотлагательных мер по предотвращению загрязнения питьевых водоисточников. При проверке 86 тыс. колодцев, расположенных на территории бывшей ФРГ, в 36 тыс. содержание нитратов превышало 50 мг/л [638]. В США и Нидерландах загрязненность питьевой воды нитратами на уровне 45—50 мг/л встречается в 30—50% анализов [250]. Не являются исключением и страны СНГ. Половина источников водоснабжения в Молдове содержат нитраты в количествах, превосходящих гигиенические нормы [612]. В питьевых колодцах Ленинградской, Московской и других областей уровень нитратов достигает 70—100 мг/л [336].

Содержание нитратов в растениеводческой продукции зависит от ряда факторов: сбалансированности питания макро- и микроэлементами, освещенности, влаго- и теплообеспеченности, а также биологических особенностей растений. Но решающим условием является использование азотных удобрений. В наших исследованиях, проведенных в УралНИИСХозе, увеличение дозы азота с 90 до 270 кг/га вызывало повышение содержания нитратов в кормовой свекле при ее выращивании в неорошаемых условиях со 150— 450 до 610—940 мг/кг [395]. В качестве примера можно привести и данные о влиянии удобрений на содержание нитратов в овощах (табл. 11).

Влияние минеральных удобрений на содержание нитратов в овощах, Основной причиной увеличения содержания нитратов в растениеводческой продукции при внесении азотных удобрений является разбалансировка азотного обмена и процессов фотосинтеза. Накопление белкового азота при улучшении минерального питания следует считать нормальной приспособительной реакцией, предотвращающей нарушения внутреннего гомеостаза. Но это свойство растений ограничено метаболическими возможностями, и при исчерпании адаптивного потенциала происходит накопление нитратов. Поэтому их появление выше определенной точки следует считать первым признаком нарушений обмена веществ и, очевидно, должно быть использовано для установления оптимального уровня азотного питания.

Согласно гигиеническим нормам, предельно допустимые концентрации нитратов в овощах, принятые в бывшем СССР до 1988 г., соответствовали следующим уровням: капуста — 300, морковь — 300, свекла — 1400, картофель — 80, томат — 60 мг/кг сырой массы [436]. В дальнейшем они были пересмотрены и по отдельным культурам увеличены. На сегодняшний день Министерством здравоохранения установлены следующие ПДК (по N03):

капуста — 500, морковь — 250, свекла — 1400, картофель — 250, томат — 150 мг/кг сырой массы [590]. Однако некоторые специалисты считают ослабление требований на ограничение содержания нитратов необоснованным, совершенным под давлением производителей растениеводческой продукции.

Анализ растениеводческой продукции, поступающей в магазины и столовые Свердловска, показал, что из 8 видов овощей и фруктов только в яблоках содержание нитратов не превышало ПДК [105]. В Ленинградской области 31% проверенных образцов содержали нитраты выше допустимых норм [185].

В Эстонии в период с 1984 по 1987 г. на содержание нитратов было проверено свыше 161 500 проб. Превышение допустимых уровней было отмечено в 68% проб столовой свеклы, 66 — капусты и 41 — картофеля. На Украине за этот же период содержание нитратов в овощах увеличилось в 1,7—3 раза. В 13% проанализированных образцов выявлено превышение допустимых норм [99, 47, 477]. В 1988 г. из 303 292 образцов растениеводческой продукции, проверенных санэпидслужбами в бывшем СССР, 14,4% овощей и фруктов было забраковано [163]. В 90-х годах из-за снижения объемов применения минеральных удобрений содержание нитратов в сельскохозяйственной продукции снизилось. В 1997 г. в России было проанализировано 17136 образцов. В 1146 содержание нитратов превысило допустимые уровни [394].

Суммарная максимально допустимая суточная доза нитратов (с продуктами питания и водой), не оказывающая отрицательного влияния на организм человека, соответствует 200—220 мг NO3 или 3,6 мг NОз на 1 кг массы тела. Однако эти цифры нуждаются в уточнении, так как при их определении не учитывалась возможность образования из нитратов более токсичных веществ. Кроме того, было установлено, что поступление нитратов и нитритов в дозах на уровне рекомендованных ПДК, но в течение длительного периода ведет к возникновению нарушений в живых организмах [437, 266].

В настоящее время ежесуточная нитратная нагрузка только с продуктами питания (без воды) составляет в Швейцарии 108, Нидерландах — 135, Японии — от 240 до 400 мг [437]. В ряде стран повышенное содержание нитратов стало причиной 20% всех пищевых отравлений [116]. Поступление нитратов с продуктами питания и водой в человеческий организм в России в конце 80-х годов составляло 150—350 мг, а в некоторых районах — 500 мг в сутки [18, 612].

С целью выявления агротехнических приемов, снижающих содержание нитратов в сельскохозяйственных растениях, проведено много исследований. Изучалось локальное и дробное внесение удобрений, различные формы азотных удобрений, ингибиторы нитрификации, сбалансированность минерального питания по отдельным элементам. Все перечисленные приемы позволяли только в небольшой степени снизить накопление нитратов.

В наших исследованиях, проведенных совместно с Н.М.Данько, изучалась возможность снижения содержания нитратов в кормовых культурах. Для этого часть азотных удобрений вносилась не в почву, а путем некорневой подкормки растений кормовой свеклы (табл. 12).

Из данных таблицы видно, что только в варианте без внесения удобрений содержание нитратов не превышало допустимый уровень, установленный для кормов (0,2% от сухого вещества). Уменьшение доз азота и внесение его части при некорневой подкормке хотя и снижало содержание нитратов, но не давало полной гарантии получения качественной продукции.

Влияние доз и способов внесения минеральных удобрений на содержание нитратов в корнеплодах кормовой свеклы N30P90K90 + трехкратная некорневая N5, N10, N15 0, Самым эффективным способом является снижение доз вносимого технического азота. Как правило, использование удобрений в количестве 60— 100 кг/га не вызывает превышения допустимых уровней содержания нитратов. Но это не гарантирует достижение результата во всех случаях, что и подтверждается нашими исследованиями. В настоящее время известны примеры высокого содержания нитратов и при внесении небольших количеств азотных удобрений вследствие воздействия на растения каких-либо неблагоприятных условий [437].

1.6. Влияние удобрений на качество продуктов растениеводства и животноводства Повышая урожайность сельскохозяйственных культур, минеральные удобрения в значительной степени влияют на их качество. Биохимические исследования показывают, что существенные изменения происходят в содержании белков, углеводов, витаминов и микроэлементов. Большинство специалистов, изучавших этот вопрос, указывают на нежелательную перестройку в биохимическом составе только при внесении высоких или средних доз. Но имеются данные об ухудшении биологической полноценности растениеводческой продукции и при использовании небольших количеств минеральных удобрений, что не должно оставаться без внимания.

На повышение содержания в растениях сырого протеина под действием азотных удобрений чаще всего обращается внимание в кормопроизводстве. Большинство специалистов считают это положительным моментом и используют в качестве одного из аргументов, подтверждающих необходимость внесения технического азота. И с этим нельзя не согласиться. Но, вместе с тем, такое утверждение не всегда полностью оправдывается при более глубоком рассмотрении наблюдаемого явления. Прежде всего это относится к изменению соотношения между белковыми и небелковыми формами азота, обнаруживаемого в растениях. Оказывается, азотные удобрения увеличивают в растениях содержание, главным образом, простых азотистых соединений.

Белковость растений повышается в меньшей степени, а в ряде случаев даже снижается. Из нижеприведенных данных видно (табл. 13), что содержание белкового азота в райграсе по мере повышения доз азотных удобрений уменьшается, а нитратного — увеличивается. Следовательно, учитывая возможность ухудшения здоровья сельскохозяйственных животных или снижения их продуктивности при накоплении в кормах простых соединений азота, факт увеличения содержания сырого протеина в растениях можно толковать и с другой стороны.

Влияние доз азотных удобрений на состав азотсодержащих веществ Доза азота, кг/га Белковый Нитратный Аммиачный Амидный Взвешивая положительные и отрицательные моменты увеличения содержания азотистых веществ в растениях, не следует оставлять без внимания и другие изменения, возникновение которых находится в прямой зависимости от рассматриваемого явления. Практически все исследователи, изучавшие влияние азотных удобрений на биохимический состав растений, отмечают наличие отрицательной связи между содержанием сырого протеина и углеводов. Это объясняется тем, что синтез азотсодержащих веществ происходит за счет углеводистых соединений. Но присутствие последних в рационах сельскохозяйственных животных, как основного энергетического материала, имеет не меньшее значение.

Сбалансированность кормов по обеспеченности углеводами оценивается по сахаропротеиновому отношению. Оптимальное его значение для молочного скота соответствует 1:1,0—1,5. Внесение минеральных удобрений ведет к его нарушению (табл. 14).

Влияние удобрений на кормовые достоинства пастбищной травы [292] Уменьшение содержания углеводов в растениях вызывает неполное извлечение из кормов питательных веществ и в том числе азотсодержащих.

Таким образом, повышение насыщенности рационов сельскохозяйственных животных сырым протеином на фоне недостаточного обеспечения углеводами может стать причиной увеличения расхода кормов на единицу производимой животноводческой продукции.

К сельскохозяйственным растениям, подверженным очень сильному изменению биохимического состава под влиянием минеральных удобрений, следует отнести картофель. Качество этой культуры во многом определяется уровнем содержания крахмала. В опытах польских ученых установлено, что крахмалистость клубней при внесении N60РбоКбо, по сравнению с неудобренным фоном, снижалась с 21,3 до 20,0% [182]. В других исследованиях даже в два раза меньшие дозы применяемых удобрений уменьшали содержание крахмала в картофеле с 16,5 до 14,4—15,3% [132].

Под влиянием минеральных удобрений в растениях происходят и более глубокие биохимические изменения. В частности, возможно ухудшение аминокислотного состава. Так, в белке зерна кукурузы при ее выращивании без удобрений на долю лизина и триптофана приходилось 3,06 и 0,574%.

Внесение азотных удобрений вызывало снижение содержания этих аминокислот соответственно до 2,41 и 0,476% [131]. В опыте, проведенном на кафедре агрохимии УрСХА, при внесении минеральных удобрений в дозе N90Р80К80 на фоне повышения белковости зерна озимой пшеницы отмечено заметное снижение всех без исключения незаменимых аминокислот [310].

Аналогичные закономерности проявились и при изучении биохимического состава зерна озимой ржи [289]. Значит, питательная ценность белка растений, выращенных с применением минеральных удобрений, может ухудшиться в результате изменения в неблагоприятную сторону соотношения между заменимыми и незаменимыми аминокислотами. Это подтверждается опытами, проведенными на лабораторных животных [301].

В некоторых исследованиях под влиянием технического азота (N30,60,90) наблюдалось уменьшение содержания витамина С в картофеле и каротина в моркови [496, 490, 590]. Далее приведены данные о воздействии минеральных удобрений на качество капусты (табл. 15).

Влияние минеральных удобрений на качество капусты [14] Обеднение растений, используемых в качестве продуктов питания или кормов, незаменимыми аминокислотами является одной из причин ограниченного синтеза в организме человека и сельскохозяйственных животных некоторых белков, снижения темпов роста, продуктивности. При недостатке витаминов нарушается обмен веществ, снижается устойчивость к болезням и загрязнению окружающей среды.

Многочисленные исследования по выявлению влияния минеральных удобрений на свойства растений проведены в МГУ Н.С. Авдониным. Результаты его опытов с томатами приведены в табл. 16. Минеральные удобрения оказывают влияние и на специфические свойства сельскохозяйственных культур. Так, в гречихе содержится определенное количество рутина. Благодаря наличию этого соединения гречневая каша относится к диетическим продуктам и используется при лечении ряда заболеваний. Внесение азота при выращивании гречихи в количестве 15— 105 кг/га приводит к заметному снижению содержания рутина, а значит, и ухудшению диетических свойств гречневой крупы [314]. В корнеплодах столовой свеклы при внесении минеральных удобрений одновременно со снижением содержания сухого вещества и сахаристости отмечено уменьшение содержания бетаина и, наоборот, повышение общей кислотности [590].

Влияние минеральных удобрений на качество томатов [4] Последние исследования свойств кормов показали, что наряду с известными показателями их биологической ценности следует выделять и биохимические особенности, определяемые наличием свободных функциональных химических групп. Большое количество свободных сульфгидрильных — SН и аминных — NН2 групп повышает коэффициент использования корма и снижает его затраты на единицу прироста. Другой важной биохимической характеристикой корма являются его активизирующие и ингибирующие свойства по отношению к ферментам пищеварительной системы животных.

Использование азотных удобрений в значительной степени увеличивает ферментингибирующие и уменьшает ферментативные свойства корма, а также снижает количество свободных функциональных групп, вступающих во взаимодействие с нитратами [528].

Ранее нами уже рассматривалась роль минеральных удобрений в повышении скорости вымывания ряда макро- и микроэлементов из пахотного горизонта почвы. Известны примеры, когда почвы при внесении высоких доз NPK из среднеобеспеченных по меди и бору были переведены в разряд бедных, а по кобальту — из бедных в очень бедные [293]. Обеднение корнеобитаемого слоя макро- и микроэлементами отражается на минеральном составе растений, а следовательно, на их кормовых и пищевых свойствах. Например, при шестилетнем использовании удобрений содержание меди в пастбищных растениях уменьшилось на 62%. В опыте, проведенном в БелНИИЗе, при внесении калийных удобрений в дозе 30—60 кг/га (К20) содержание магния в бобово-злаковом травостое уменьшилось с 0,30 до 0,22% [325]. Имеются данные о падении концентрации в кормах Мg, Со, Zn, Са [293]. Высказываются предположения о том, что в результате применения удобрений в растениях, выращиваемых в странах Европы, содержится в 6 раз меньше натрия, в 3 раза — меди и, наоборот, в 1,5 раза больше магния, в 2 раза — фосфора и в 4 раза — калия по сравнению с тем, что было 100 лет назад [85].

Изменение минерального состава растений, на фоне увеличения содержания калия, отрицательно влияет на их кормовые достоинства. Потребность животных в калии удовлетворяется в полной мере при его содержании в траве 0,03—0,1% на сухую массу [436]. В результате применения калийных удобрений он может накапливаться в растениях в количествах до 6% К2O, в то время как допустимый уровень составляет 2,5%. Избыточное поступление калия ухудшает у сельскохозяйственных животных протеиновый обмен, оплодотворяемость, пищеварение и усиливает выделение мочи [599]. Существенное изменение содержания минеральных веществ в корме ведет к нарушению отношения К : (Са + Мg), которое не должно превышать 2,2. Увеличение этого показателя неблагоприятно для крупного рогатого скота и встречается в 58% образцов пастбищной травы, взятых в хозяйствах Московской области [293].

Изменение минерального состава растений может явиться причиной недостаточного или избыточного поступления в организм человека и сельскохозяйственных животных отдельных элементов и возникновения эндемических заболеваний [384, 550]. В Киевском НИИ кардиологии при изучении распространенности ишемической болезни сердца обнаружили положительную связь между ее встречаемостью и содержанием в продуктах питания магния. Установлено, что недостаточное его поступление является одним из факторов, повышающих встречаемость сердечных заболеваний [160].

Заметные изменения, происходящие в растениях, выращиваемых с применением минеральных удобрений, отражаются на продуктивности сельскохозяйственных животных. В опытах, проведенных в двух хозяйствах Поспелихинского района Алтайского края, при превышении содержания нитратов в кормах в 1,35—1,54 раза продуктивность коров снижалась на 8,4 и 8,8% [309].

Минеральные удобрения, изменяя химический состав растений, могут отрицательно влиять и на качество животноводческой продукции. Использование кормов с высоким содержанием нитратов ухудшает свойства молока и продуктов его переработки. В опытах по изучению влияния скармливания кормовой свеклы, выращенной на удобренном и неудобренном участках, установлено, что в первом случае в молоке на 17,3% снижался прирост бактериальных клеток, в 1,7 раза возрастало содержание гамма-казеина, не подвергающегося сычужному свертыванию и уходящему в сыворотку. По этой причине расход молока на выработку 1 кг сыра увеличился с 10,7 до 11,0 кг.

Сыры, выработанные из такого молока, имели худшую дегустационную оценку [120]. Одна из причин ухудшения биохимических и технологических свойств молока состоит в том, что нитраты, попадая из кормов в молоко, снижают ферментативную активность молочнокислых бактерий [629].

Изучение свойств молока, полученного от коров, выпасаемых на пастбищах с разным уровнем азотного питания (доза удобрений 120, 240 и 360 кг действующего вещества на 1 га), показало, что содержание мочевины в нем при минимальной дозе азотных удобрений составило 14,5, а при максимальной — 21,1 мг %, кобальта — 1,51 и 0,87, цинка — 5,9 и 4,0 мкг. Кроме этого, в молоке коров, выпасавшихся на участках с большими дозами азота в пастбищный период, сильнее проявилось снижение доли незаменимых аминокислот. Содержание витамина В7 в молоке первого варианта составило 38,52, а в третьем — 28,56 мкг, В12 соответственно 2,68 и 2,21 мкг [292]. Одной из возможных причин обеднения молока витамином В12, возможно, явился недостаток в растениях кобальта, который входит в его состав [176].

К сожалению, в схеме приведенного опыта отсутствовал вариант без применения азотных удобрений. К тому же не следует результаты этих исследований считать окончательными из-за того, что последствия внесения азотных удобрений, а тем более малых доз, могут проявиться только через длительный срок, то есть тогда, когда произойдут соответствующие изменения в агрохимических свойствах почвы, на сохранность и товарные свойства растений Улучшение снабжения населения продуктами питания связано не только с ростом урожайности сельскохозяйственных культур, но и в значительной мере с сохранностью плодов и овощей в зимний период. Общие потери во время хранения достигают 30% [4]. Поэтому изучению влияния минеральных удобрений на лежкость уделяется немало внимания. Результаты исследований по этому вопросу противоречивы. Наряду с данными о положительном влиянии минеральных удобрений на сохранность растений имеются и противоположные сведения.

Основным фактором, определяющим целостность корнеклубнеплодных растений в зимний период, является содержание в них сухого вещества и углеводов [4]. Повышение оводненности тканей неблагоприятно влияет на сохранность. В наших исследованиях [402], проведенных в УралНИИСХозе совместно с Н.М.Данько, внесение минеральных удобрений способствовало снижению содержания в корнеплодах свеклы и сухого вещества и сахара (табл. 17).

на содержание в корнеплодах кормовой свеклы сухого вещества Доза удобрений Содержание абсолютно Содержится в абсолютно Такие же закономерности выявлены в опытах с другими культурами [396]. Имеются и прямые экспериментальные доказательства ухудшения лежкости клубней, луковиц и корнеплодов, выращенных при использовании минеральных удобрений. Одной из причин этого является повышение интенсивности дыхания плодов и овощей в зимний период и, как следствие, сокращение периода покоя, потеря питательных и вкусовых качеств. Например, после четырех недель хранения лука, выращенного без применения удобрений, доля проросших луковиц составила 15%. Постепенное увеличение дозы азота до 120 кг/га сопровождалось повышением доли проросших луковиц до 40% [636]. Рост общих потерь растениеводческой продукции, выращенной с использованием удобрений и заложенной на хранение, отмечен и в других исследованиях [625]. Применение на посевах овощных культур гербицидов также может ухудшать их сохранность в зимний период. Так, морковь, выращенная с применением минеральных удобрений и обработанная линуроном, удовлетворительно хранилась только до января [590].

Одной из причин снижения сохранности плодов и овощей в зимний период может быть повышение заболеваемости растений, выращиваемых с использованием удобрений [380]. В наших опытах внесение минеральных удобрений во всех вариантах вызывало увеличение числа пораженных слизистым бактериозом корнеплодов турнепса (табл. 18).

Поражение растений турнепса слизистым бактериозом, Очень сильное влияние оказывают минеральные удобрения на потребительские свойства растений. У них снижается сахаристость, крахмалистость, увеличивается оводненность тканей и содержание небелковых форм азота. У клубней картофеля, даже при внесении небольших доз азотных удобрений (N30-60), увеличивается потемнение мякоти, а их вкус по сравнению с неудобренным вариантом снижается с 3,6 до 3,4— 2,7 балла [496, 107].

Аналогичные данные получены и в других исследованиях. При внесении N90P90K90 вкусовые достоинства клубней картофеля снижались с 5 до 3,3 балла по сравнению с вариантом без удобрений. Увеличение доз удобрений в два раза приводило к потемнению мякоти клубней [347]. Высокое содержание в растениях нитратов усложняет их переработку. При консервировании овощей они вызывают коррозию внутренних стенок металлических банок, способствуя тем самым высвобождению свинца. Обеднение растений углеводами замедляет процессы молочнокислого брожения при засолке капусты и силосовании кукурузы [437].

Комплексная оценка влияния минеральных удобрений на потребительские показатели картофеля, проведенная в Польше, приведена в табл. 19.

Из данных таблицы следует, что при повышении уровня минерального питания повышается доля нетоварных клубней, а выход качественной продукции снижается.

на товарные показатели клубней картофеля [513] С множеством механических повреждений 7, Товарные клубни как продовольственные 78, Товарные клубни как семенной материал 70, Ухудшение потребительских свойств при внесении минеральных удобрений наблюдали и в опытах с капустой (табл. 20).

Влияние минеральных удобрений на уражайность и товарные показатели капусты сорта Аматер 611 [590] Как видно из приведенных данных, при внесении минеральных удобрений происходит существенное снижение доли товарного урожая. Он на фоне N 320P 120 K 120 оказался даже ниже, чем в контрольном варианте.

1.8. Трудности, связанные с производством минеральных Комплексная оценка состояния окружающей среды в связи с применением минеральных удобрений должна проводиться и с учетом воздействия на нее предприятий добывающих и перерабатывающих агрохимическое сырье.

Необходимость этого обусловлена очень сильным отрицательным влиянием горных работ на геодинамические процессы и отдельные структурные элементы ландшафта, а производства удобрений — на прилегающие к предприятиям территории.

При извлечении полезных ископаемых из недр земли там образуются пустоты. Это вызывает подвижку горных массивов и оседание земной поверхности. Оно может достигать нескольких метров [497]. Преобразование рельефа является причиной изменения направления и скорости грунтовых и поверхностных стоков, заболачивания территории. Деформация горных пород возможна и в результате накопления на поверхности земли в больших объемах отходов, которые образуются после переработки добытого сырья.

При производстве калийных удобрений из сильвинитовых руд образуются галитовые отходы (3—4 т на 1 т получаемого хлористого калия) и глинисто-солевые шламы. Отходы, складируемые на поверхности земли, разносятся ветром и размываются дождями, вызывая загрязнение сопредельных территорий. Шламохранилища, в которых хранятся жидкие отходы, способствуют заболачиванию и засолению прилегающих земель. О масштабах воздействия на окружающую среду предприятий, производящих калийные удобрения, можно судить на примере Соликамско-Березниковского промышленного узла. Там ежегодно образуется 16 млн. т галитбвых отходов. Солеотвалы занимают 300, а шламохранилища — 400 га.

Отходами производства Старобинского месторождения занято 1141 га пахотных земель. Только за 30 лет эксплуатации этого месторождения накопилось 325 млн. т галитовых отходов и 38,5 млн. м3 глинисто-солевых шламов. При сохранении существующих технологий переработки сырья и объемов производства к 2000 г. под солеотвалами и шла-мохранилищами в Березниковско-Соликамском районе будет занято 7800 га, а в Старобинском — 2000 га. Общая масса только твердых отходов составит соответственно 770 и 755 млн. т [46,221].

Большую опасность отходы калийного производства представляют для водных объектов. Имея хорошую растворимость, они быстро разносятся поверхностными и внутрипочвенными стоками. Так, в реке Кама содержание хлоридов ниже Березников увеличивается в 3—5 раз [46].

Происходит загрязнение территорий и в результате погрузочноразгрузочных работ. В портовом городе Вентспилсе содержание калийных солей в воздухе достигает 180—400 мг/м3 при допустимой норме 6 мг/м3.

Это явилось причиной гибели 2000 га зеленых насаждений, причинен вред здоровью населения [199]. Определенную экологическую опасность представляют откачиваемые шахтные воды, содержащие карбонаты, сульфаты, хлориды и другие соединения [91, 376].

Не меньшее отрицательное влияние на окружающую среду оказывают и заводы, производящие азотные и фосфорные удобрения. Предприятия, производящие азотные удобрения, загрязняютатмосферу окислами азота и аммиаком. В результате воздействия токсичных выбросов Йонавского "Азота" полностью погибли древесные растения на расстоянии 2—3 км от завода.

Его негативное влияние на лесные массивы распространяется по направлению господствующих ветров на 20— 25 км. В 8-километровой зоне от завода наблюдается подкисление почв, увеличение содержания подвижного алюминия [25].

Заводы, производящие суперфосфат, загрязняют прилегающие территории фтором и другими химическими элементами. Их содержание в почвах и растениях на расстоянии до 5 км в 5—45 раз превышает фоновые. В районе ПО "Фосфорит", разрабатывающего Кингисепское месторождение, отмечается заметное снижение биологической активности почв. У населения, проживающего в зонах, попадающих под воздействие предприятий, производящих фосфорные удобрения, ухудшается состояние здоровья [39,489].