Негативные последствия применения минеральных удобрений

http://biofile.ru/bio/4234.html

К негативным 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 [29]. Ограниченное поступление микроэлементов в растения неблагоприятно влияет на процессы фотосинтеза и передвижение ассимилятов, снижает их устойчивость к заболеваниям, недостаточному и избыточному увлажнению, высоким и низким температурам [30, 31, 32]. 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.г. возросло с 34,8 до 65,4 тыс. т действующего вещества [33].

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. 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 [34]. 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% [35].

Чаще всего отрицательное влияние минеральных удобрений на агрофизические свойства почвы обнаруживается при изучении ее микроструктуры.

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 [36]. Продолжительное внесение минеральных удобрений ведет к снижению доли частиц губчатого микросложения и к увеличению на 11% неагрегатированного материала [37]. Одной из причин ухудшения структуры является обеднение пахотного слоя экскрементами почвенных животных [38, 39].

Вероятно, 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.

В целях предотвращения отрицательного влияния минеральных удобрений на свойства почвы следует периодически проводить известкование. 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 [40, 41, 42].

Известкование, понижая кислотность почвы, одновременно вызывает повышение газообразных потерь азота. При проведении этого приема они возрастают в 1,5-2 раза [43]. Такая реакция почв на внесение мелиорантов является результатом изменений в направленности микробиологических процессов, что может стать причиной нарушения геохимических круговоротов. В связи с этим высказывались сомнения в целесообразности использования известкования [2]. Кроме того, известкование усугубляет и другую проблему – загрязнения почв токсическими элементами.

Минеральные удобрения являются основным источником загрязнения почв тяжелыми металлами (ТМ) 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 [44, 45]. Возможное содержание сопутствующих элементов в суперфосфатах и в других видах минеральных удобрений, широко применяемых в современном земледелии, приведено в таблицах 1 и 2.

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 [47].

Таблица 1. Содержание примесей в суперфосфатах, мг/кг [46]

Примесь	Содержание	Примесь	Содержание
Мышьяк	1,2-2,2	Свинец	7-92
Кадмий	50-170	Никель	7-32
Хром	66-243	Селен	0-4,5
Кобальт	0-9	Медь	4-79
Ванадий	20-180	Цинк	50-143

При внесении минеральных удобрений в дозе 109 кг/га NPK в почву поступает примерно 7,87 г меди, 10,25 – цинка, 0,21 – кадмия, 3,36 – свинца, 4,22 – никеля, 4,77 – хрома [44]. По данным ЦИНАО, за весь период использования фосфорных удобрений в почвы бывшего СССР внесено 3200 т кадмия, 16633 – свинца, 553 – ртути [48]. Большая часть химических элементов, попавших в почву, находится в слабоподвижном состоянии. Период полувыведения кадмия составляет 110 лет, цинка – 510, меди – 1500, свинца – несколько тысяч лет [49].

Таблица 2. Содержание тяжелых металлов в удобрениях и извести, мг/кг [66]

Вид удобрения	Zn	Сu	Ni	Pb	Fe
Хлористый калий	3,11	8,67	4,33	8,67	680,53
Аммиачная селитра	0,20	0,25	0,84	0,05	603,00
Известь	10,83	12,67	26,00	26,50	4853,00

Загрязнение почвы тяжелыми и токсичными 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 лет, наблюдали повышение содержания кадмия в зерне пшеницы в 3,5 раза [50]. По данным некоторых авторов, при загрязнении почвы стронцием происходило трехкратное увеличение его содержания в клубнях картофеля [51]. В России пока еще не уделяется достаточного внимания загрязнению растениеводческой продукции химическими элементами.

Использование загрязненных растений в качестве продуктов питания или кормов является причиной возникновения у человека и сельскохозяйственных животных различных заболеваний. К наиболее опасным тяжелым металлам относят ртуть, свинец и кадмий. Попадание в организм человека свинца ведет к нарушениям сна, общей слабости, ухудшению настроения, нарушению памяти и снижению устойчивости к бактериальным инфекциям [52, 53]. Накопление в продуктах питания кадмия, токсичность которого в 10 раз выше свинца, вызывает разрушение эритроцитов крови, нарушение работы почек, кишечника, размягчение костной ткани [54]. Парные и тройные сочетания тяжелых металлов усиливают их токсический эффект [53].

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 [55].

В связи с возрастанием загрязнения продуктов питания были приняты нормативы содержания ТМ и ряда химических элементов в продукции растениеводства (табл. 3).

Таблица 3. Предельно допустимые концентрации химических элементов, мг/кг сырого продукта [56]

Элемент	Хлебные продукты и зерно	Овощи	Фрукты	Молочные продукты
Ртуть	0,01	0,02	0,01	0,005
Кадмий	0,02	0,03	0,03	0,01
Свинец	0,2	0,5	0,4	0,05
Мышьяк	0,2	0,2	0,2	0,05
Медь	5	10	10	0,5
Цинк	25	10	10	5,0
Железо	50	50	50	3,0
Олово	-	200	100	100,0
Сурьма	0,1	0,3	0,3	0,05
Никель	0,5	0,5	0,5	0,1
Селен	0,5	0,5	0,5	0,5
Хром	0,2	0,2	0,1	0,1
Алюминий	20	30	20	1,0
Фтор	2,5	2,5	2,5	2,5
Йод	1	1	1	0,3

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 [57], 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 [50, 56].

Фоновое содержание химических элементов в почвах приведено в таблице 4. При накоплении ТМ в почве и последующем поступлении их в растения они концентрируются, в основном, в вегетативных органах, что объясняется защитной реакцией растений [58]. Исключение составляет кадмий, который легко проникает как в листья и стебли, так и в генеративные части [59]. Для правильной оценки степени накопления в растениях различных элементов необходимо знать их обычное содержание 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 [60]. Концентрация свинца в растениях, выращиваемых на чистых грунтах, составляет 0,009-0,045, а кадмия – 0,011-0,67 мг/кг сырого вещества [61].

Таблица 4. Содержание некоторых элементов в пахотных почвах, мг/кг [62]

Элемент	Обычное содержание	ПДК	Элемент	Обычное содержание	пдк
As	0,1-20	20	Ni	2-50	50
В	5-20	25	Pb	0,1-20	100
Be	0,1-5	10	Sb	0,01-0,5	5
Вг	1-10	10	Se	0,01-5	10
Cd	0,01-1	3	Sn	1-20	50
Со	1-10	50	Tl	0,01-0,5	1
Сг	2-50	100	Ti	10-5000	5000
Сu	1-20	100	U	0,01-1	5
F	50-200	200	V	10-100	50
Ga	0,1-10	10	Zn	3-50	300
Hg	0,01-1	2	Mo	0,2-5	200

Установление жестких норм по загрязнению 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 токсичными 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 [62].

 

Глава 2 http://selo-delo.ru/8-zemelnie-resursi?start=16

2

В связи с уменьшением объема применения минеральных удобрений значимость органических удобрений как источника питательных элементов возрасла. Они являются наиболее полноценными по содержанию питательных элементов, необходимых растениям. В 1 т подстилочного навоза содержится 5 кг N, 2,5 кг P₂O₅, 6 кг К₂О; 3 — 5 г В, 25 г Zn; 3,9 г Cu, 0,5 Мо и 50 г Mn. Следует иметь в виду, что себестоимость 1 кг питательных элементов, внесенных с твердым навозом, на 24 - 37 % ниже, чем в эквивалентном количестве минеральных удобрений. В повышении плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур важная роль отводится органическим удобрениям.

Внесение органических удобрений оказывает положительное  влияние на баланс гумуса в почве, улучшает воздушный и водный режим почвы, усиливает микробиологическую активность почвы. Из 1 т органических удобрений на суглинистых почвах образуется 50 кг/га гумуса, на супесчаных - 40 и песчаных - 35.

В настоящее время в мире на 1 га пашни вносят около 15 т/га органических удобрений. В США применяется около 14 т/га, Англии - 25, Нидерландах - 70 т/га. В Беларуси применение органических удобрений достигло в 1991 г. 83 млн. тонн, или 14,5 т/га.

В последние годы в Республике Беларусь ввиду систематического сокращения поголовья скота и резкого сокращения объемов заготовок торфа значительно снизилось применение органических удобрений,  что привело к снижению темпов накопления гумуса, а в некоторых районах произошло уменьшение  содержания гумуса. В 1995 г. применение  органических удобрений снизилось в республике до 9,5, а в 1999 г. – до 8,2 т/га.

Одним из мероприятий, позволяющим снизить применение органических  удобрений, является обоснование оптимальных размеров посевов многолетних трав и повышение их урожайности. В настоящее время на 1 га пропашных культур приходится 3 га многолетних трав. Даже при уменьшении объемов применения органических удобрений в последние годы за счет увеличения доли растительных остатков в общем объеме поступающего в почву органического вещества с 46 до 55% удалось в целом на пахотных почвах поддержать достигнутый уровень содержания гумуса в почве. Для поддержания бездефицитного баланса гумуса в республике необходимо  обеспечить  применение органических  удобрений на уровне 50 млн. т/га, или  9 - 10 т/га. Предполагается, что в связи с возрастанием поголовья  скота внесение органических  удобрений может  возрасти до 52,8 млн. тонн. Потребность в торфе республики составляет около 3 млн  тонн.

При правильном применении окупаемость 1 т органических удобрений составляет: у зерновых - 20 кг, картофеля – 90, кормовых корнеплодов – 200, кукурузы ( зеленая масса) – 150 кг .

В сельском хозяйстве применяются следующие виды органических удобрений:

1. Органические удобрения на основе отходов животноводства и птицеводства:

а) подстилочный навоз;

б) бесподстилочный навоз;

в) навозная жижа;

г) птичий помет;

2. Удобрения из природного органического сырья:

а) торф;

б) компосты;

3. Зеленое удобрение и использование побочной продукции растениеводства:

а) солома;

б) зеленое удобрение;

4. Органические удобрения на основе коммунальных и промышленных отходов:

а) промышленные и бытовые отходы;

б) осадки сточных вод;

в) гидролизный лигнин.

Подстилочный навоз — смесь  жидких и твердых экскрементов животных с подстилкой. Жидкие экскременты животных относятся к калийно-азотному удобрению, а твердые — к азотно-фосфорному                (табл. 5.1).

По содержанию воды навоз делят на горячий (конский и овечий) и холодный (от КРС и свиней). Горячий навоз вследствие меньшего количества воды разлагается быстрее, поэтому его используют для набивки парников, устройства утепленных гряд и в качестве биотоплива.

Качество навоза, его химический состав зависят: 1) от типа кормления; например, при содержании в рационе концентратов навоз содержит больше питательных веществ, чем при кормлении грубыми кормами; 2) вида животных ( табл.5.2); 3) количества и вида подстилки; 4) способа хранения (табл. 5.3; 5.4)

В различном подстилочном материале содержится следующее количество питательных элементов:

	Солома злаков	Солома бобовых	Лиственная подстилка	Торф
Азот	0,3 – 0,9	1,2 – 2,0	0,5 – 1,4	1,0 – 2,0
Фосфор	0,2 – 0,3	0,3 – 0,4	0,2 – 0,3	0,1 – 0,3
Калий	0,5 – 1,1	0,6 –1,8	0,2 – 0,4	0,2

При рыхлом, или горячем способе хранения, когда навоз не уплотняется, создаются аэробные условия, развиваются термофильные бактерии, температура внутри бурта достигает 50 - 60 ⁰ С. Идет бурное разложение органического  вещества, азот улетучивается в виде NН ₃, наблюдаются потери Р₂О₅ и К₂О. Потери азота при рыхлом хранении – около 30%.

 

Т а б л и ц а 5.1. Содержание сухого вещества, азота и зольных элементов в экскрементах животных, % http://www.derev-grad.ru/himicheskaya-zaschita-rastenii/udobreniya.html

 

Вид животных	Сухое     в-во	N	Р2О5	К2О	СаО	MgO
Твердые выделения
КРС	16	0,29	0,17	0,10	0,35	0,13
Лошади	24	0,44	0,35	0,35	0,15	0,12
Овцы	35	0,55	0,34	0,15	0,46	0,15
Свиньи	18	0,60	0,41	0,26	0,09	0,10
Жидкие выделения
КРС	6	0,58	0,01	0,49	0,01	0,04
Лошади	10	1,55	0,01	1,50	0,45	0,24
Овцы	13	1,95	0,01	2,26	0,16	0,34
Свиньи	3	0,43	0,07	0,83	0,01	0,08

 

При горячепрессованном, или рыхло-плотном, способе хранения                   (способ Кранца) навоз рыхлой укладки после разогревания до 50 - 60 ⁰С уплотняется. Сначала создаются аэробные условия, затем — анаэробные. Потери азота и органического вещества уменьшаются.

Существует также холодный, или плотный, способ хранения, когда создаются анаэробные условия. Навоз в буртах сразу уплотняется. Это лучший способ хранения с точки зрения сохранения в нем питательных веществ. В этом случае в буртах сохраняется постоянная температура ( 15 - 35 ⁰С). Потери азота небольшие, так как навоз все время находится в плотном и влажном состоянии. В такой навоз доступ воздуха ограничен, а свободные от воды поры заняты углекислотой, что замедляет микробиологическую деятельность.

В зависимости от степени разложения навоз на соломенной подстилке подразделяют на свежий, полуперепревший и перегной.

В свежем слаборазложившемся навозе солома незначительно изменяет цвет и прочность. В полуперепревшем она приобретает темно-коричневый цвет, становится менее прочной и легко разрывается. В этой стадии разложения навоз теряет 10 - 30% первоначальной массы и такое же количество органического вещества. Невыгодно доводить навоз до стадии перегноя, так как в этом случае около 35% органического вещества теряется.

Слаборазложившийся навоз в первый год может оказать слабое действие, а в последействии на второй и третий годы могут быть сравнительно высокие прибавки урожая. При наличии в хозяйстве разной степени разложения навоза более разложившийся навоз в районах достаточного увлажнения можно внести весной под пропашные культуры, а менее разложившийся — летом после уборки однолетних трав под озимые хлеба.

 

Т а б л и ц а 5.2. Химический состав свежего навоза, %

 

	Навоз на соломенной подстилке				Навоз на торфяной подстилке
Составные части	КРС	конский	овечий	свиной	КРС	конский
Вода	77,3	71,3	64,4	72,4	77,5	67,0
Орган. вещество	20,3	25,4	31,8	25,0	-	-
Азот: общий	0,45	0,58	0,83	0,45	0,60	0,80
аммиачный	0,14	0,19	-	0,20	0,18	0,28
Фосфор	0,23	0,28	0,23	0,19	0,22	0,25
Калий	0,50	0,63	0,67	0,60	0,48	0,53

 

Подстилочный навоз нерационально вносить в почву в свежем виде, поскольку может произойти мобилизация подвижных форм азота микроорганизмами, а растения в начале вегетации его не получат в достаточном количестве. Кроме того, свежий навоз содержит семена сорняков. Поэтому в хозяйствах следует использовать вызревший, полуперепревший навоз. При заготовке органических удобрений в зимний  период необходимо  продлевать сроки их компостирования и хранения, а внесение  производить в летне-осенний  период. Это  позволит получать высококачественный навоз, свободный от сорняков и патогенной микрофлоры.

 

Та б л и ц а 5.3. Влияние способов хранения  подстилочного навоза на потери органического вещества и азота, %

 

Способ хранения	Потеряно из навоза  на соломенной подстилке		Потеряно из навоза на торфяной  подстилке
	Орган. в-во	Азот	Орган. в-во	Азот
Рыхлый	32,6	31,4	40,0	25,2
Горячепрессованный	24,6	21,6	32,9	17,1
Плотный	12,2	10,7	7,0	1,0

 

Т а б л и ц а 5.4. Содержание элементов питания в навозе на соломенной подстилке в зависимости от степени его разложения, %

 

Навоз	N	Р2О5	Потери органического         вещества
Свежий	0,52	0,25	-
Полуперепревший	0,60	0,38	29,0
Перепревший	0,66	0,43	47,2
Перегной	0,73	0,48	62,4

 

Для получения навоза хорошего качества его хранят в навозахранилищах или в полевых штабелях.

Навозохранилища. При укладке штабелей стремятся к тому, чтобы навоз различной степени разложения не был перемешан, а находился  в отдельных частях навозохранилища. Укладка навоза в штабеля шириной 2 - 3 м начинается вдоль той стороны хранилища, которая прилегает к жижесборнику. Навоз укладывают небольшими участками, уплотняя каждый метровый слой навоза, а затем доводят до полной высоты (1,5 - 2 м). После того, как первый штабель будет полностью уложен, вдоль него, по мере поступления навоза, укладывают таким же образом второй штабель, затем третий и т.д. до заполнения навозохранилища. Штабеля должны плотно примыкать друг к другу. При таком порядке закладки на одной стороне навозохранилища будет находиться более разложившейся навоз, а на другой — менее разложившийся, что позволит использовать навоз нужного качества

3) Глава 4 Примения органо-минеральных комплексов для повышения плодородия почв