Почва и удобрения — негативные последствия

Недостаток минеральных удобрений с одной стороны, и использование некачественных высоко балластных видов, с другой, требуют решения комплексной проблемы: обеспечить сельское хозяйство Украины достаточным количеством минеральных удобрений и предупредить возможные негативные последствия их применения путем запрета использования низкокачественных видов.

Безопасное применения удобрений, утилизация их отходов требуют организации четкой системы контроля качества и соответствия минеральных удобрений безопасности для здоровья человека и окружающей среды.

Минеральные удобрения — это экзогенные химические соединения, по своему составу делятся на простые (содержащие только один компонент из главных элементов питания) и комплексные (содержащие не менее двух главных элементов питания). Простые минеральные удобрения, в зависимости от элемента питания, делятся на азотные, фосфорные, калийные, магниевые, серные и т.д., а комплексные — сложные, сложно-смешанные и смешанные. По характеру непосредственного воздействия на почву и растения минеральные удобрения классифицируют как физиологически и биологически кислые, химически и физиологически щелочные и физиологически нейтральные.

В основе классификации минеральных удобрений по степени опасности лежит структура показателей, учитывающей их влияние на экотоксикологическое, агрохимическое, гидрохимическое состояние агроэкосистемы. В рамках определенных показателей минеральные удобрения делятся на 4 класса опасности (согласно рекомендациям ВОЗ по разделу химических веществ): I — высокоопасные; II — опасные; III — умеренно опасные; IV — малоопасные. Диапазон показателей в пределах классов опасности определяют по существующим украинским и международным нормативам.

Разработанная классификация минеральных удобрений дает возможность провести их агроэкологическую оценку, определить возможные негативные влияния и вовремя ввести ограничения на использование в сельскохозяйственном производстве удобрений, которые не соответствуют определенным экологическим нормативам.

При изучении аддитивных эффектов, степень устойчивости агроэкосистемы в отношении химических веществ-загрязнителей оценивают для конкретного вещества, источником которого может выступать минеральное удобрение. По М. Глазовскому различают:

      педохимически активные вещества, которые создают кислотно-основные и окислительно-восстановительные условия в почве и влияют таким образом на общее состояние почвенной системы (преимущественно макроэлементы и их соединения — NO3-, SO42-, Сl, Na +);
биохимически активные вещества, которые прежде всего влияют на живые организмы: микрофлору, растения, животные (As, Cd, Pb, Cr, Zn, Ni, Cu, Sn, Hg, F — и т.д.);
вещества, способные находиться в почве в таких формах, что приводит к их миграции в поверхностные, грунтовые и подземные воды (NO3-, SO42-, Сl, F, Cd, Zn и т.д.).

По классификации В. Патыка и Н. Макаренко, минеральные удобрения в зависимости от особенностей воздействия на агроекосистему делятся на (рис.1):

     директивного (прямого) действия — негативное влияние на окружающую среду вызвано токсичными примесями минеральных удобрений, среди которых наиболее опасными являются ТМ, галогены, радионуклиды и т.д., которые и являются непосредственными загрязнителями (к этой группе, прежде всего, относятся фосфорные удобрения);
индирективного (непрямого) действия — негативное влияние на окружающую среду происходит в результате физико-химических свойств минеральных удобрений, которые в почве проявляют себя как химически, физиологически, биологически кислые (щелочные) и определенным образом влияют на состояние почвенного комплекса. При этом изменяется реакция почвенного раствора, направленность процессов синтеза и распада гумусовых соединений, активность биохимических, микробиологических и других процессов. Тем самым, указанные удобрения меняют подвижность биогенов и токсикантов и могут активизировать процессы миграции последних в системах «удобрение-почва-растение», «удобрение-почва-природные воды». К таким удобрениям, прежде всего, относятся азотные, которые в основном являются физиологически кислыми или щелочными.

Разделение минеральных удобрений по особенностям воздействия на почвенную систему

Указанное деление в определенной степени условно. В частности, фосфорные удобрения могут изменять реакцию почвенного раствора, но это влияние не столь значительно, как азотных удобрений. Азотные удобрения могут быть источником токсичных элементов, хотя в значительно меньшей степени, чем фосфорные. Следует отметить, что согласно приведенной группировке, большинство калийных и комплексных удобрений занимает промежуточное положение.

Сейчас агрохимическая наука имеет более чем достаточно доказательств того, что под действием минеральных удобрений происходят изменения кислотно-основных свойств почв.

В основе негативного влияния минеральных удобрений на кислотно-основные свойства почвы лежит процесс биологического окисления азота и образования кислот (в примере с сульфатом аммония — HNO3 и H2 SO4). В почве кислоты нейтрализуются, вступая во взаимодействие с бикарбонатами почвенного раствора и катионами поглотительного комплекса.

Через некоторое время в почвенном поглотительном комплексе, кроме Н+ появляется обменный Аl3+, который токсичен для многих растений. Уже при концентрации в растворе 2 мг/л А1 наблюдают резкое ухудшение развития корневой системы, нарушается углеродный, азотный, фосфатный обмен в растениях. Высокие концентрации алюминия приводят к резкому снижению урожая зерновых культур и даже их гибели.

Сейчас в научной литературе накоплен большой объем данных, которые свидетельствуют, что повышение кислотности почвенного раствора может влиять на подвижность в почве многих химических элементов, в том числе токсичных, тем самым активизируя переход их в растения и миграции по профилю почвы. В кислых почвах (рН <6,5) подвижность таких элементов как Zn, Mn, Cu, Fe, Co, В и др. значительно увеличивается. Влияние минеральных удобрений на геохимические свойства почв проявляется не столько в привнесении ряда элементов-загрязнителей, сколько в изменении особенностей миграции отдельных групп ТМ, что приводит к их подвижности. Изменяя реакцию почвенного раствора, минеральные удобрения приводят к повышению подвижности токсичных элементов и опосредованно действуют на процессы перехода их в растения: снижение рН водной вытяжки с 6,5 до 4,0 повышает загрязнения растений токсичными элементами с 4 до 20 раз.

Среди традиционных минеральных удобрений, которые могут активно влиять на кислотно-основные свойства почвы, наибольшей активностью характеризуются азотные, среди которых те, что смещают равновесие почвенного раствора в сторону: подкисление — аммиачная селитра (NH4)2NO3, аммиак жидкий NH3, аммиак водный NH4OH, сульфат аммония (NH4)2SO4, сульфат аммония натрия (NH4)2SO4 + Na2 SO4, хлористый аммоний NH4C1, мочевина (карбамид) CO(NH2)2, ощелачивания — натриевая селитра NaNO3 (16% N), кальциевая селитра Ca (NO3) 2 -3H2O (17,5% N).

На кислотно-основные свойства почвы, хотя и в меньшей степени, влияют также калийные и фосфорные удобрения. Среди калийных удобрений на первом месте калимагнезия K2SO4*MgSO4; на втором — K24 и на третьем — КС1. Калийные удобрения, где присутствует ион SO42-, вызывают увеличение растворимости алюминия, и обменная кислотность обусловлена именно его содержанием. Фосфорные удобрения в основном мало влияют на изменение кислотно-основных свойств почв — они способны вызывать лишь слабое подкисление (суперфосфата), или несколько снижать кислотность почвы (преципитат, мартеновский шлам, фосфоритная мука)

Использование минеральных удобрений может существенно изменять биогеохимический круговорот веществ (рис.2), что нередко приводит к обострению экологических проблем.

Хотя наличие в минеральных удобрениях примесей ТМ является фактом установленным, но информация о загрязнении почвы этими элементами в результате применения минеральных удобрений носит несколько противоречивый характер.

Удобрения не является существенным источником ВМ, и при применении их происходит существенного повышения содержания ТМ в почве, но в отличие от других химических соединений, которые подлежат процессам деструкции, количество их со временем в окружающей среде увеличивается, биокумуляции ТМ в цепях экосистем очень высока. По мнению Н. Милащенка, человек, находящийся на вершине трофической цепи может получать продукты с концентрацией токсикантов в 100-10 000 раз выше, чем в почве, а период полувыведения составляет сотням лет (Cd — 110, Zn — 510, Cu — 1500, Pb — несколько тысяч лет). Ежегодно с минеральными удобрениями вносится более 2000 кг кадмия. Кроме того, удобрения, изменяя агрохимические свойства почвы, могут влиять на подвижность ТМ в почве и поступление их в растения.

Как правило, внесение азотных удобрений приводит к повышению подвижности Mn, Fe, Zn, Cd в почвах и практически не меняет подвижности Сu и Ni, a подвижность РЬ при этом снижается. Фосфорные удобрения уменьшают подвижность ТМ в почве в результате образования труднорастворимых фосфатов металлов. Калийные удобрения меньше, чем азотные и фосфорные влияют на изменение подвижности металлов.

В результате длительного применения минеральных удобрений в почве происходит интенсивное накопление фтора. Доказано, что с фосфорными удобрениями в почву поступает 2 — 12 кг/га фтора в год: при внесении 60 кг/га Р2О5 в виде суперфосфата в почву может поступить 6-8 кг фтора; внесение 40 кг фосфора в виде аммофоса сопровождается внесением 7 кг/га фтора; с каждой тонной фосфоритной муки — 19-37 кг фтора. Следует отметить, что применение фосфорных удобрений приводит не только к повышению общего содержания фтора в почве, но и к ухудшению биологической активности почвы и быстрого накопления фтора непосредственно доступного растениям, которое может составить 90% по сравнению с контролем.

В повышенных количествах хлор отрицательно влияет на сельскохозяйственные растения. Характер его действия проявляется в снижении количества хлорофилла в листьях, интенсивности фотосинтеза, ухудшении водного режима и транспирации. Хлор обладает высокой способностью к горизонтальной и вертикальной миграции, наряду с этим он может двигаться с восходящими токами воды. Негативное воздействие хлора всего проявляется на песчаных почвах, которые имеют повышенную кислотность. На дерново-подзолистых почвах в пахотном слое при внесении калийных удобрений, содержащих хлор, содержание этого элемента может расти на 60-290% в зависимости от вида культуры, условий увлажнения и других факторов.

Минеральные удобрения, содержащие фосфор, могут приводить к увеличению в землях сельскохозяйственного использования химических элементов, которые имеют естественную радиоактивность. Известно, что в некоторых штатах США концентрация урана-238 в почвах за 80 лет применения фосфорных удобрений увеличилась вдвое. Подобное явление наблюдали также в Германии, где на окультуренных почвах содержание природнорадиоактивних элементов (урана и радия) на 6-9% выше, чем на неокультуренных. В почву с простым суперфосфатом поступает значительное количество стабильного стронция.

Среди химических элементов I класса опасности (Cd, Pb, As, F), поступающих в агроэкосистемы с минеральными удобрениями, больше внесено фтора. Его количество, поступающее на сельскохозяйственные угодья в целом по Украине в разные периоды, может колебаться в пределах 89-340 тыс т. Поступление свинца несколько меньше — 54-560 т, кадмия и мышьяка — 7,2-91,5 и 19,2-27,6 т соответственно.

Основные негативные эффекты, возникающие при применении минеральных удобрений: загрязнение верхних слоев почвы потенциально опасными ТМ, галогенами, радионуклидами и тому подобное; изменение кислотно-основных свойств почвы при применении минеральных удобрений; влияние на биологическую активность почвы; активизация процессов миграции токсичных и биогенных элементов в горизонтальном и вертикальном направлениях. Изменения, происходящие в почве, вызывают определенные нарушения в смежных компонентах агроэкосистемы. Через почву минеральные удобрения косвенно влияют на физиологические процессы в растениях, становится причиной ухудшения их гигиенической качества. Они также активизируют процессы миграции, что приводит к ухудшению качества грунтовых вод, а также вод наземных водоемов с влиянием на экотоксикологические состояние водных экосистем.

Виктория Олейник

кандидат сельскохозяйственных наук