Эколого-токсикологическая оценка агроэкосистем

В системе агроэкологического мониторинга важной базовой составляющей является комплексная эколого-токсикологическая оценка исследуемых объектов.

Определение набора показателей для эколого-токсикологической оценки представляет собой самостоятельную методическую задачу, решая которую целесообразно учитывать:

- почвенно-климатические характеристики регионов;

- наиболее вероятные (на основе многолетних данных) метеорологические условия, включая особенности перемещения воздушных масс;

- возможность загрязнения агроэкосистем промышленными выбросами близлежащих предприятий; объемы и состав, токсичность выбросов (при обязательном учете розы ветров);

- применяемые технологии обработки почв и использования средств химизации (удобрения, средства защиты растений, химические мелиоранты).

Обязательное условие - проведение исходного химического анализа вод, почв, растений (в том числе по биогенным элементам: CI, F, Se, В, Br, As, NO₃^-, NO₂^-, нитрозоаминам; тяжелым металлам: Be, Mn, Zn, Pb, Cd, Cr, Co, Mo, Ni, Hg, V, Sn; остаткам средств защиты растений; обязательно — ДДТ, бенз(а)пирен, диоксины. При этом целесообразно использовать технологические карты и архивные материалы.

Для ряда регионов обязательным требованием при определении набора показателей для проведения эколого-токсикологической оценки является гаммаспектрометрия и радиометрия образцов почв, вод и растений.

Показатели выбирают, сравнивая результаты, получаемые на основе инструментального анализа, со справочными данными и последующей дифференциацией их по группам:

- показатели, не превышающие нормальное содержание;

- показатели, не превышающие допустимое содержание;

- экологически опасное содержание превышает допустимое.

Обязательное условие проведения эколого-токсикологической оценки - исходный анализ вод, почв, растений по комплексу выбранных показателей на фоновой территории (на достаточно большом участке ненарушенного ландшафта). В этом случае представляется возможным проследить динамику изменений экологического состояния исследуемой агроэкосистемы, в том числе и при проведении природоохранных мероприятий. Площадь выбираемого фонового участка зависит от условий того или иного региона. При достаточном облесении и низком промышленном воздействии такие площади могут не превышать 1.1,5 га. В степных регионах, особенно при наличии экологически небезопасных предприятий (химические и металлургические производства, ТЭЦ и др.), указанные площади должны быть в 100.200 раз больше. Располагать фоновые участки надо с учетом розы ветров в соответствии с размещением оцениваемых агроэкосистем.

Контроль за накоплением растениями токсичных соединений и качеством растительной продукции входит в число системообразующих задач агроэкологического мониторинга. Токсикологическая же оценка продукции растениеводства определяет эколого-экономическую эффективность всего технологического комплекса возделывания культур.

Агроэкологический мониторинг включает системные наблюдения за компонентами агроценоза по единой унифицированной программе. В перспективе же предполагается организация на каждом полигоне автоматизированных систем контроля.

Основными агрофизическими параметрами почв, как известно, являются агрегированность, общая плотность и плотность твердой фазы, минералогический и гранулометрический составы, водопронецаемость, фильтрационная и водоудерживающая способности. Ухудшение агрофизических свойств влечет за собой нарушение экологических функций почвы, том числе снижение сорбционных свойств. В системе агроэкологического мониторинга агрофизические параметры постоянно контролируют.

Гранулометрический состав целесообразно определять 1 раз в 5-10 лет. Определяют гранулометрический состав послойно через каждые 10 см с помощью бура методом пипетки (по Качинскому). Данный метод позволяет получить достаточно надежные результаты. Водопроницаемость, фильтрационная и водоудерживающая способности почв более динамичны во времени. Они существенно зависят от влажности, уплотненности и сложения почв. Данные показатели следует контролировать при полигонном мониторинге 1 раз в ротацию севооборота (из-за трудоемкости определения) в конце вегетации (после уборки), когда устанавливается относительно равновесная плотность почвы, а посевы не затрудняют полевое определение водопроницаемости и фильтрационной способности.

Постоянно наблюдая за состоянием агрофизических параметров, можно предотвратить нежелательные изменения и ухудшение свойств почв, развитие негативных деградационных процессов, а в итоге сохранить высокое плодородие почв, их важные экологические функции.

В сложной проблеме управления почвенным плодородием одним из важнейших факторов является контроль за состоянием органического вещества. Блок гумуса. несомненно, ключевой в почвенно-экологическом мониторинге, поскольку гумус почв. состояние его количественных и качественных характеристик определяют основные свойства и режимы почв, трансформацию и миграцию поступающих в процессе интенсификации земледелия и в результате техногенеза токсичных веществ.

При определении плодородия почв уже недостаточно учитывать только содержание в них гумуса, необходимо контролировать и его качественное состояние.

Заметные изменения природных показателей качества гумуса вызывает длительное систематическое применение удобрений. При этом групповой состав существенно не меняется. В то же время органические и минеральные удобрения изменяют фракционный состав гумуса. Способствуют накоплению подвижных его форм, повышают его активность.

Для проведения широкомасштабных исследований гумусового состояния разных типов почв, позволяющих на основе создания зональных информационных массивов, математического моделирования и др. решить оптимизационные задачи, требуется системный подход. В этом контексте важное значение принадлежит единой комплексной программе, разработанной для агроэкологического мониторинга в географической сети опытов. Программа предусматривает обязательный учет унифицированных показателей, позволяющих достаточно объективно оценивать глубину и интенсивность воздействия различных факторов на гумус почв.

Рассматривая агроэкологический мониторинг относительно проблемы почвенного гумуса, следует учитывать, что данные фракционно-группового состава позволяют выявить генетические особенности гумуса различных почв, но малопригодны для оценки изменения природы гумусовых веществ под влиянием различных факторов, даже при длительном воздействии земледельческих приемов. Поэтому направленное регулирование количества и качества гумусовых соединений требует разработки методов диагностики их изменений под влиянием различных факторов техногенеза.

Самыми сложными при этом являются разработка экологических критериев оценки деградации гумусовых соединений и нормирование техногенных нагрузок на почвы и другие компоненты агроландшафта.

В формировании экологически адаптированных систем земледелия большое значение придают биологическому азоту, вовлекаемому в сферу вещественно-энергетических преобразований в агроценозах посредством использования продукционных возможностей бобовых культур (главным обраом многолетних трав).

Без надежной информации о реальном вкладе биологического азота и органического вещества бобовых в различных почвенно-климатических условиях в зависимости от насыщенности севооборота бобовыми культурами и их видового состава трудно избежать негативных экономических и экологических последствий.

Для реализации потенциала биологического азота в практике земледелия необходима достоверная информация, позволяющая разработать систему оценочных показателей, основные из которых:

- размеры азотфиксации бобовыми при различной их урожайности;

- количество вовлекаемого атмосферного азота и поступление в почву органического вещества;

- возможные урожайности зерновых за счет использования азота бобовых и потребность в минеральном азоте при возделывании культур по бобовым предшественникам.

Исходными данными для решения этих вопросов должны служить материалы агроэкологического мониторинга.

Для однолетних бобовых культур массу органического вещества, общего и симбиотического азота, поступающую в почву, определяют ежегодно в конце вегетации, для многолетних бобовых трав - в год распахивания их пласта.

Органическое вещество бобовых, поступающее в почву, состоит из массы пожнивных и корневых остатков в слое 0.40 см и активного органического вещества, выпадающего из непосредственного учета (мелкие живые и отмершие корешки, клубеньки, корневые экссудаты и т. д.). Учет в этом случае ведут косвенно, вводят поправочные коэффициенты.

Практически выполняется следующая процедура. Первоначально учитывают корневую массу в слое почвы 0-20 и 20-40 см, отмывая корни от почвы на ситах с отверстиями 1,5-2,0 мм. Далее полученную учетную массу стерни и корней умножают на поправочный коэффициент. В итоге обеспечивается относительная полнота учета всей органической массы бобовых, поступающей в почву.

Высокая эффективность действия бобовых предшественников на последующие культуры объясняется не только количеством биологического азота (прямой фактор), но и массой синтезированного органического вещества в почве (косвенный фактор), улучшающей ее структуру и водно-физические свойства. В результате обеспечивается более продолжительный временный эффект действия азота бобовых по сравнению с азотом минеральных удобрений. В связи с этим важно перед посевом зерновой культуры при расчете оптимальных доз азотных удобрений после бобовых учитывать не только содержание минерального азота в почве, но и азот, используемый последующей культурой в результате минерализации органической массы бобовых, поступившей в почву.

Важнейший показатель плодородия, определяющий урожайность сельскохозяйственных культур и эффективность действия удобрений,- содержание подвижного фосфора в почве, что также относится к объектам агроэкологического мониторинга.

Задача состоит в том, чтобы достичь в почве такого содержания фосфора, при котором он не являлся бы фактором, ограничивающим урожай.

Первая часть проблемы - создание определенного количества фосфора в почве - обоснована исследованиями системы «почва - удобрения - растения». Установлено, что для обеспечения потребности растений первостепенное значение имеет концентрация фосфора в почвенном растворе у поверхности корней. Степень концентрации зависит от поглощения фосфора корнями растений и восстановления ее за счет перехода фосфора из твердой фазы. Чем больше запас ионов, способных к обмену между твердой и жидкой фазами почвы (фактор емкости), чем больше их подвижность (фактор интенсивности), тем быстрее концентрация восстанавливается, а растения лучше обеспечиваются фосфором.

Фосфор и калий являются основными макроэлементами, непосредственно участвующими в формировании величины урожая сельскохозяйственных культур. При недостатке хотя бы одного из них в почвенном растворе создается дисбаланс в минеральном питании растений, приводящий к потере урожая.

Запас подвижных фосфатов для каждой почвенной разности определяют стандартным методом. В системе агроэкологического мониторинга для решения вопросов оптимизации фосфорного питания растений можно применять также методы растительной диагностики, основанные на результатах физиологических и агрохимических исследований.

В улучшении плодородия почв, повышении продуктивности возделываемых культур особое значение имеют органические удобрения

Будучи важным источником пополнения запасов доступных растениям питательных веществ, они оказывают положительное мелиоративное влияние на почву, способствуя, в частности оптимизации ее гумусового состояния Известно положительное влияние органических удобрений в нейтрализации токсических свойств тяжелых металлов в результате связывания их в малодоступные соединения, ослаблении токсичного действия других химических элементов. Например, в Японии содержание кадмия в рисе снижалось при внесении птичьего помета, компоста или муки из рисовой соломы. Уменьшение токсичности соединений хрома отмечено при внесении торфа или осадка сточных вод. Несмотря на большое производственное значение органических удобрений, накоплено немало данных о больших потерях органикой питательных элементов, высоких концентрациях токсичных веществ в сельскохозяйственной продукции главным образом из-за нарушения технологии использования данного вида удобрений (особенно различных видов бесподстилочного навоза).

Концентрация животноводства, развитие его на промышленной основе коренным образом изменили структуру и качество органических удобрений. Сократилась доля подстилочного навоза (до 20 % общей массы); одновременно увеличился выход бесподстилочного полужидкого и жидкого навоза и навозных стоков.

Применение высоких доз бесподстилочного навоза сопровождается накоплением фосфора в почве, а также повышением его содержания в грунтовых водах.

Из применяемой в качестве удобрений органики наибольшую опасность для окружающей среды могут представлять осадки сточных вод. Применение их в качестве удобрения возможно в научно обоснованных дозах только после тщательного химического анализа осадков и санитарной проверки на специальных площадках.

Учитывая возможность загрязнения окружающей среды, необходим постоянный контроль за качеством органических удобрений, содержанием в них токсичных веществ, а также накоплением последних в почве и растениях.

Расширенное воспроизводство плодородия почв, будучи одной из важнейших природоохранных задач, предусматривает постоянную заботу о пополнении запасов гумуса, что возможно при максимальном использовании различных видов органических отходов в качестве удобрений. Наблюдается прямая связь - чем больше внимания уделяют грамотному использованию навоза и других органических удобрений, тем выше культура земледелия. Нарушение научно обоснованных рекомендаций по приготовлению, хранению и внесению органических удобрений не только существенно снижает их эффективность, но и заметно повышает вероятность загрязнения природных комплексов и их составляющих.

Сообразуясь с требованиями экологической безопасности, необходим обязательный контроль по основным блок-компонентам агроэкосистем. Различные виды органических удобрений необходимо анализировать на содержание в них макро- и микроэлементов, патогенной микрофлоры и яиц гельминтов. В нетрадиционных видах органики (сапропели, всевозможные компосты, сырьем для которых служат отходы промышленных и сельскохозяйственных предприятий) следует дополнительно определять содержание тяжелых металлов и остаточных количеств пестицидов.

Закономерности поведения в объектах внешней среды (атмосфера, вода, почва, растение) большого набора химических средств защиты растений, регуляторов роста, ингибиторов, дефолиантов и десикантов, а также азотсодержащих токсикантов (нитраты, нитриты, нитрозоамины) и тяжелых металлов достаточно хорошо изучены в модельных экспериментах.

Важный показатель в агрохимическом мониторинге - динамика содержания пестицидов в почве и растениях. Для изучения динамики пробы отбирают, как минимум, в 3-4 срока: первый - в день обработки (исходное содержание), а далее через 3-5, 15-30 и 50-60 суток после обработки, а также при уборке урожая. Наименьшие временные интервалы берут при использовании нестойких препаратов, наибольшие - стойких.

Остаточные количества пестицидов в почве и растениях определяют официальными методами, утвержденными уполномоченными на то органами (Госхимкомиссия, Минздрав и др.). Оценивают получаемую информацию сравнением с нормативами ПДК и МДУ в почве и растениях. Параллельно с остаточным количеством пестицидов в растительных образцах на основе стандартных методов исследуется содержание азотсодержащих токсикантов (NO^-₂, NO^-₃, нитрозоамины), тяжелых металлов, фтора, мышьяка, хлора, ряда микроэлементов.

Важное значение в агроэкологическом мониторинге придают определению суммарной вредности (или безвредности) растениеводческой продукции.

На сегодняшний день одной из самых острых проблем земледелия в России является прогрессирующая деградация почвенного покрова, особенно южных территорий страны (рис.).

Деградация почвенного покрова на Земле

Широко распространенная форма деградации земель – это дегумификация почв из-за потери ее главного носителя плодородия гумуса. В результате длительного и нерационального использования земель почвы сельхозугодий оказались истощенными и разрушенными. В РФ ежегодная убыль гумуса на пашне составляет 0,62 т/га, а в целом по России - 81,4 млн. т. Абсолютная доля потерь органического вещества за последнее десятилетие составила 0,4 – 0,8%. Содержание его в пахотных почвах за последние сто лет снизилось на 30-40%. В России за период с 1990 г. выбыло из сельскохозяйственного оборота 25,6 млн. га сельхозугодий, в том числе пашни 8,2 млн. га. С 1970 г. в стране площади с эродированными, засоленными и кислыми почвами увеличились примерно в 2 раза, с переувлажненными и каменистыми в 3, супесчаными в 8 раз. За последние 30 – 40 лет богатые черноземы Русской равнины потеряли 10-15 см плодородного слоя. [2]

В значительной степени подвержены деградации пастбища. Только на Северном Кавказе, в Алтайском крае и Новосибирской области от деградации пострадало около 5 млн. га пастбищ.

Площадь действующих оврагов на сельскохозяйственных землях составляет 1,7 млн. га, а площадь заовраженных не пригодных для обработки сельскохозяйственных земель по разным данным – от 5 до 8 млн. га.[2]

В целом по России процессам деградации и опустынивания подвержено около 100 млн. га (около 50% сельхозугодий).

Урожай сельскохозяйственных культур на деградированных землях снижается на 10-80% в зависимости от степени деградации. В результате недобор земледельческой продукции в пересчете на зерно составляет примерно 47 млн. т.

Деградация земельных угодий наряду с ущербом для национальной экономики представляет угрозу экологической безопасности страны. Приводящие к деградации негативные процессы (эрозия, дефляция, засоление) усиливаются, а вместе с ними возрастает опасность заиления и загрязнения водных источников смываемыми с полей почвой и химикатами. Так, в реки и водоемы водосборного бассейна р. Дона ежегодно поступает около 300 млн. т почвы, содержащей 75 тыс. т азота, фосфора и других биогенных элементов и 1 тыс. т гербицидов. Это приводит к прогрессирующему снижению водности рек и загрязнению воды ядохимикатами. Годовой сток Волги уже сократился на 10%, Дона, Кубани и Терека – на 25 – 40%. [3]

Следует так же отметить, что наблюдается ежегодное сокращение сельскохозяйственных угодий, одной из причин которого является именно нарушение земель и снижение их плодородия (рис.2)

Изменение площади сельскохозяйственных угодий на 1 января 2011 года[4]

Процессы деградации агроландшафтов России идут достаточно интенсивно, постоянно сокращаются площади пахотных земель, и все большее количество земельных участков выводится из сельскохозяйственного оборота. Поэтому необходимо создание целостной системы агроэкологического мониторинга за состоянием агроэколандшафтов России. При этом важно не только осуществлять организацию наблюдений за состоянием агроэкосистем и отслеживать динамику негативных процессов, но и оценивать получаемую информацию, а также прогнозировать возможные изменения состояния каждого конкретного агроценоза или их системы в ближайшей и отдаленной перспективе. На основании этого следует в ближайшем времени вырабатывать решения и рекомендации для борьбы и предупреждения возникновения негативных процессов, связанных с деградацией почвенного покрова.

Среди земель, наиболее полно испытывающих на себе влияние хозяйственной деятельности человека, находятся южные и центральные районы России (рис 3). Эти земли относятся к территориям с острой экологической ситуацией. Динамика развития деградационных процессов здесь отличается большой скоростью и, на некоторых участках, фактической необратимостью нарушения почвенного покрова. Если сравнить карту России с нанесенными на ней границами районов с острыми экологическими ситуациями и карту почвенного покрова, то можно заметить, что в число неблагоприятных территории попадает фактически весь черноземный юг России (рис. 4). К числу таких субъектов России следует отнести:

1. Центрально-черноземный район России (Белгородская, Воронежская, Курская, Липецкая и Тамбовская области),

2. Поволжье (Астраханская, Волгоградская, Пензенская, Самарская, Саратовская и Ульяновская области)

3. Северный Кавказ (Краснодарский край, Ставропольский край, Ростовская области)

4. Западную Сибирь (Курганская, Тюменская, Омская, Новосибирская области и Алтайский край)

Процессы на сельскохозяйственных землях Поволжья, Южно-Чернозёмной полосы и Северного Кавказа во Всероссийском НИИ агролесомелиорации считают долгосрочным опустыниванием, поскольку увеличиваются водная эрозия, выветривание гумуса (плодородного слоя) и засоление почв. Среди главных причин этого рассматривают последствия как повсеместной мелиорации, так и методов освоения целинных земель. По данным ВНИАЛМИ, распашка и мелиорация 1956-1965 годах целинных и залежных земель в Поволжье методами, игнорирующими специфику тех почв, вызвали их долгосрочную деградацию: площадь смытых за последние 45 лет почв только в Волгоградской области увеличилась на 60%. [3]

Периодические наблюдения государственных агрохимических служб показывают, что более 60% земель сельскохозяйственного назначения области эродированы, более 13% засолены, потери гумуса в почвах достигли 16%.

Агроэкологический мониторинг является важной составляющей частью ЕГСЭМ. Благодаря сведениям, получаемых в результате работы этой системы, можно выявить негативные процессы и явления, протекающие в агроэкосистемах, установить их причины и своевременно остановить их дальнейшее развитие. При слаженной работе системы агроэкологических наблюдений процесс выявления нарушения, принятия решения по его устранению и реализация мероприятий на практике дает хорошие и своевременные результаты.

В России на данный момент целостной системы наблюдения и контроля за состоянием агроценозов нет, информация не всегда точна и своевременна. Несмотря на обилие всевозможной информации, отсутствует структура быстрого принятия решений и своевременного устранения источника негативного воздействия и самого воздействия. Отдельные этапы проведения агроэкологического мониторинга не всегда согласованы между различными структурами, осуществляющими их. Поэтому получаемые данные не всегда состыковываются.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: