Экологическое земледелие с основами агрохимии. Учебное пособие

-вносить необходимо поперек склона, с целью предотвращения их стока, при влажности грунта не более 30 %;

-неравномерность внесения – не более 20 %;

-отклонения от нормы дозирования – не более 10 %;

-допустимое отклонения от глубины внесения должно составлять не более 3

см;

-полная заделка в почву;

-контроль герметичности и исправности агрегатов, используемых для внесения удобрения [39].

3.9 Агротехнические требования к известкованию и гипсованию почв

Известкование. Вносить известковые мелиоранта рекомендован в всенний и

летний период, а также в осенний период. Вносят такие удобрения поверхностно.

-отклонение от нормы внесения известковых веществ не более 10%;

-неравномерность распределения пылевидных известковых удобрений не более 30%, непылящих – не более 25%;

-не разрешается проводить известкование пылевидными удобрениями при скорости ветра более 5 м/с;

-рассев пылевидных удобрений производится по направлению ветра;

-предотвращение потерь материала для известкования при их транспортировке

ихранении;

-сохранение влажности при хранении пылевидных удобрений не более 1,5%;

-отсутствие твердых включений, камней и иных посторонних образования в удобрениях для известкования.

Гипсование. Сроки проведение данного вида химической мелиорации зависят

от возделываемых культур. Пары гипсуют в летний и осенний период. При

71

выращивании пропашных и бобовых культур разрешается вносить мелиорант в середине ротации севооборота.

Требования:

- неравномерность внесения мелиоранта: для туковых сеялок - не более 15 %,

для разбрызгивателей – не более 10 %;

-отклонение от нормы внесения – не более 25 %;

-движение машин, вносящих удобрения, должно осуществляться по направлению предшествующей вспашке и поперек направления ветра;

-рекомендуется при использовании гипса сразу осуществлять его заделку в почву, для предотвращения потерь путем смыва с поверхности почвы;

-для избегания потерь мелиоранта рекомендовано производить транспортировку и внесение мелиоранта одной и той же машиной (трактор-

разбрызгиватель и др.);

- не допускать переувлажнения удобрений, при котором он начинает комковаться.

Вещества, используемые для гипсования (гипс и фосфгипс) возможно вносить в комплексе с органическими удобрениями (навоз и др.), которые его активизируют.

Вопросы для самоконтроля:

1Агротехнические требования применения твердых непылщих и пылевидных удобрений.

2Экологические и агротехнические требования применения аммиачных

удобрений.

удобрений.

органических удобрений.

5 Опишите регламенты проведения химической мелиорации.

72

4 Влияние удобрений на биосферу

сельскохозяйственном производстве

Сельское хозяйство является крупным сектором экономики, связанным с производством и поставкой широкого спектра специальных культур для пищевых и кормовых целей. В настоящее время оно представляет собой мировую индустрию с оборотом в несколько триллионов долларов. Ограниченные ресурсы и быстро растущая численность населения, которое, по прогнозам, к 2050 году достигнет 9,6

миллиардов человек, подталкивают этот сектор вперед, требуя развития очень эффективного сельского хозяйства, одновременно позволяя сократить масштабы бедности и голода во всем мире. Однако нынешняя практика производства не может удовлетворить растущий спрос на продовольствие без опоры на широкое использование удобрений. Учитывая ограниченное количество дополнительных пахотных земель и скудность водных ресурсов во всем мире порождают проблему мирового значения – как накормить растущее население и поддержать экономическое развитие [15].

Огромное количество лет происходит активное освоение земельных ресурсов.

Однако, увеличение темпов распашки земель приводит к нарушению геологического круговорота веществ. Так как ежегодно с урожаем сельскохозяйственных культур из слоев почвы изымается огромное количество элементов, требуется их восполнение.

Химические и органические удобрения были призваны для целей восполнения дефицита почвенных элементов и соответственно для обеспечения растений питательными веществами, обеспечивающими их оптимальный рост и продуктивность. Увеличение урожайности культур сельскохозяйственного назначения на 50 % обеспечивается внесением удобрений, остальные 50 % в равной степени распределяются между применением современных агротехнологий и

достижениями мировой селекции в получении высокопродуктивных сортов.

73

Таким образом, основная роль в достижении высоких темпов производства с/х

продукции принадлежит именно удобрениям. Например, урожайность пшеницы,

кукурузы и риса без использования удобрений достигает значения 10 – 15 ц/га, а с использованием NPK – до 80 ц/га.

Особенно важную роль приобретают удобрения в тех странах (Европа),

которые не располагают большим земельным фондом, пригодным для выращивания сельскохозяйственных культур. Для таких стран применение минеральных удобрений становится практически единственным приемом повышения продуктивности и плодородия почвы [32].

4.2 Негативные факторы применения удобрений в сельскохозяйственном

производстве

Интенсивное применение удобрений в течение длительных периодов времени вызвало серьезные экологические проблемы во всем мире, включая загрязнение грунтовых вод, эвтрофикацию воды, ухудшение качества почвы и загрязнение воздуха (рисунок 16).

Рисунок 16 - Негативное влияние удобрений на биосферу

Основные причины негативного влияния удобрений на окружающую среду:

1.Нарушение транспортировки и хранения удобрений.

74

2.Нарушение нормирования при внесении удобрений.

3.Несоблюдение сроков внесения удобрений.

4.Низкое качество производства удобрений.

5.Использование отходов в изготовлении удобрений (без предварительного выявления их элементарного состава) [25].

Так как сельское хозяйство представляет собой разнообразный интерфейс между растениями и связанными с ними микроорганизмами, в современном сельском хозяйстве особое внимание стало уделяться экологически безопасным подходам,

особенно в развивающихся странах, для повышения устойчивости системы с наименьшим негативным воздействием на качество и количество продукции. Было обнаружено, что современные методы ведения сельского хозяйства, основывающиеся на использовании вредных агрохимикатов, влияют на структуру почвенного микробного сообщества и устойчивость почвы, воды и атмосферы. Однако,

технологии безопасного ведения сельского хозяйства приводят к снижению урожайности, поэтому не могут удовлетворить потребительский спрос на продовольствие. Поэтому, для некоторых стран запрет на использование удобрений может привести к голоду населения.

В настоящее время считается, что химические удобрения незаменимы для повышения урожайности сельскохозяйственных культур и широко применяются различными методами. Однако использование их сельскохозяйственными культурами обычно составляет менее половины внесенного количества удобрений, а

оставшееся количество минералов, предназначенных для достижения целевого участка, может вымываться, так что они закрепляются в почве или способствуют загрязнению воды. Например, ключевые макроэлементы, в том числе N, P и K,

вносимые в почву, теряются на 40–70 %, 80–90 % и 50–90 % соответственно, что приводит к значительной потере ресурсов. Кроме того, производители склонны многократно вносить эти удобрения для достижения желаемых более высоких урожаев, что, наоборот, может привести к снижению плодородия почвы и повышению концентрации солей, что приведет к будущим потерям урожая. Также

75

неравномерное использование удобрений без контроля высвобождения питательных веществ может ухудшить качество продукции [25].

Кроме того, рост затрат в результате чрезмерного применения химических удобрений снижает размер прибыли производителей. Низкая эффективность использования питательных веществ обычно является результатом высокой скорости высвобождения обычных удобрений, превышающей фактическую скорость поглощения питательных веществ растениями и/или трансформации удобрений/питательных веществ в формы, которые не являются биодоступными для сельскохозяйственных культур.

Эффективное использование удобрений в сельском хозяйстве должно основываться на грамотном балансе основ минерального питания растений и круговороте химических элементов в экосистеме.

Таким образом, ограничения эффективности использования химических веществ и экологические ограничения, связанные с использованием удобрений,

остаются серьезной проблемой и препятствием для достижения разумной устойчивости в сельском хозяйстве.

Азот, фосфор и калий являются основными минеральными удобрениями. Азот является наиболее важным питательным веществом в растениеводстве, поскольку он играет решающую роль в делении клеток, а дефицит азота снижает урожайность и качество сельскохозяйственных культур. Фосфорные питательные вещества необходимы для фотосинтеза и, как было показано, повышают урожайность пшеницы. Калий (К), второй по распространенности элемент в растительных тканях после азота (N), оказывает существенное влияние на важнейшие физиологические процессы. Его ключевая роль заключается в повышении эффективности поглощения воды и повышении качества фруктов [18].

76

4.2.1 Минеральные удобрения

Минеральные удобрения — это тип удобрений, содержащий в качестве основного сырья элементы природных руд, восполняющие дефицит различных химических веществ в структуре почвы и растении. Область применения минеральных удобрений показывает сильный междисциплинарный характер и сосредотачивает комплексную исследовательскую перспективу. Этот синтез должен быть использован в качестве отправной точки для ответственного управления окружающей средой и повышения эффективности использования удобрений.

Азотные удобрения. Азот (N) является одним из наиболее важных элементов,

который оказывает центральное влияние на рост и урожайность растений.

Современное сельское хозяйство способствовало развитию систем с высокой нитрификацией, которые подвержены значительным потерям азота из-за вымывания нитратов и газообразных выбросов оксидов азота (NO и NO2), что способствует глобальному потеплению и истощению озонового слоя. Утечка азота из сельскохозяйственных систем приводит к увеличению использования азотных удобрений, вызывает загрязнение воды и рост затрат на производство продуктов питания [23, 24].

Круговорот азота — это биогеохимический процесс, включающий преобразование атмосферного азота в органический азот, доступный живым организмам. Впоследствии азот возвращается в атмосферу. Полный цикл азота можно разделить на четыре этапа: фиксация азота, ассимиляция, нитрификация и денитрификация. В процессе азотфиксации инертный атмосферный азот преобразуется в полезную форму азота (NH4+) симбиотическими бактериями

(Nitrogen-fixing bacteria). Органические остатки растений и животных (Organic material) в почве постепенно разлагаются и аммонифицируются с помощью аммонифицирующих бактерий (Ammonifying bacteria). В процессе нитрификации нитрит окисляется с образованием неорганического азота (NO3-) под действием нитрифицирующих бактерий NO3 (Nitrifying bacteria) − может поглощаться и

77

использоваться растениями. Некоторые нитраты не усваиваются растениями и могут быть восстановлены до нитритов микроорганизмами, такими как денитрифицирующие бактерии (Denitrifying bacteria), а затем восстановлены до молекулярного азота, который возвращается в атмосферу (рис).

Рисунок 17 - Схема круговорота азота

Азот часто является наиболее лимитирующим питательным веществом в сельскохозяйственных системах. Синтетические азотные удобрения устраняют это ограничение, обеспечивая надежный источник азота для сельскохозяйственных растений. Пятьдесят процентов мирового прироста производительности сельского хозяйства в 20 веке можно отнести на счет синтетических азотных удобрений,

обеспечивающих высокую урожайность сельскохозяйственных культур.

Преимущества синтетических азотных удобрений уравновешиваются постоянной потерей половины или более внесенных азотных удобрений с поля.

Основные последствия применения азотных удобрений для биосферы — это загрязнение воды и воздуха, истощение стратосферного озона, гипоксические мертвые зоны, простирающиеся на тысячи километров, а также образование закиси азота — парникового газа, в 300 раз более мощного, чем углекислый газ.

Синтетические азотные удобрения, от энергоемкого процесса синтеза до неизбежных

78

потерь удобрений с полей, наносят ущерб, оцениваемый в 200 миллиардов долларов каждый год [23, 24].

Однако современный уровень применения и разнообразный ассортимент азотных удобрений, представленный все возрастающей концентрацией активного вещества, усиливает нагрузку азотных туков на почву. При этом происходит усиление потерь собственного почвенного азота. Для сохранения и воспроизводства природных ресурсов наиболее актуальной проблемой является борьба с потерями азота во всех звеньях его хозяйственно-биологического круговорота [15].

Фосфорные удобрения. С момента своего открытия в 1669 году фосфор (Р) в

виде удобрений стал важным фактором для многих агроэкосистем. Вводя концентрированный источник фосфора, удобрения увеличивают краткосрочный экспортный потенциал фосфора вскоре после их применения, а также долгосрочный экспортный потенциал за счет повышения плодородия почвы. Фосфор – важнейший питательный элемент, необходимый для роста и развития растений. Однако из-за высокой реакционной способности фосфат-анионов они могут быть иммобилизованы путем сорбции и/или осаждения катионами, такими как Ca2+, Mg2+, Fe2+ и Al3+. В

результате такой иммобилизации концентрация фосфора в почвенном растворе редко превышает 0,1 ppm. Это требует повышения эффективности использования фосфорных удобрений различными способами [23, 24].

«Проблема фосфора» в последнее время вызвала большой интерес по двум важным направлениям. Во-первых, слишком много фосфора (P) попадает в сточные воды, создавая значительную экономическую и экологическую проблему. Во-вторых,

в то время как сельскохозяйственный спрос на фосфорные удобрения растет для поддержания урожайности сельскохозяйственных культур, запасы фосфоритов быстро сокращаются.

Кроме этого, проблема фосфора в земледелии заключается еще и в необходимости повышения эффективности его использования растениями.

Растворимый фосфор, доступный корням растений, обычно представляет собой лишь небольшую часть общего фосфора, присутствующего в почве. Поэтому, данный элемент — один из наименее мобильных макроэлементов для растений в почве, он

79

гораздо менее подвижен, чем нитрат (азот) и калий. Большая часть P неподвижна,

сильно сорбируется частицами почвы и образует нерастворимые комплексы с кальцием, а также оксидами и гидроксидами железа или алюминия. На процессы удержания фосфора в почве оказывает значительное влияние ее состав и уровень pH.

Ввиду таких особенностей накопления фосфора, главным источником загрязнения среды этим элементом являются не минеральные удобрения, а

детергенты (соли кислот), которые в больших количествах попадают в сточные воды населенных пунктов в результате животноводческого производства, бытовой и хозяйственной деятельности человека. Орошаемое земледелие, которое в последние годы получает все большее развитие ввиду аридизации климата, также является одним из источников накопления фосфатов. Попаданию солей фосфора в водоемы способствует эрозия почвы и пыльные бури [23, 24].

В тоже время фосфор достаточно хорошо выделяется из сточных вод при их очистке, что позволяет практически полностью удалить его и предотвратить попадание в водоемы. В последующем фосфорсодержащие продукты очистки достаточно легко можно вернуть в биологический круговорот в качестве удобрений

[15].

Особую опасность представляет тот факт, что фосфор в чистом виде практически отсутствует в почве, а образует комплексные соединения с другими химическими элементами, среди которых выделяют необходимые для жизнедеятельности биоты – цинк, медь, условно опасные – никель и токсичные –

стронций, уран, мышьяк, хром.

Цинк (Zn), как и медь, является важным компонентом тысяч белков в растениях,

хотя в избытке он токсичен. Цинк, как правило, является вторым по распространенности переходным металлом в организмах после железа (Fe) и

единственным металлом, представленным во всех шести классах ферментов. Цинк является наиболее распространенным дефицитом питательных микроэлементов в сельскохозяйственных культурах, особенно в почвах с высоким pH. Типичные симптомы дефицита данного элемента включают высокую гибель растений,

низкорослость, бронзовение листьев и задержку цветения. Токсичность цинка в

80