Глава 2. 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 (ДДЭ), 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.

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.

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.

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.

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.

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. [1]

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.

Обеспеченность почв фосфором.. С 1971-1999 г.г. в Новосибирской области просматривается увеличение площадей с очень низким и низким содержанием подвижных фосфатов при одновременном уменьшении площадей средней и повышенной обеспеченности

Падение естественного уровня фосфатного состояния почв отмечается почти во всех природно-климатических зонах области.

Степная зона: в Купинском районе в 1971 году площадь пашни с очень низким и низким содержанием фосфора составляла 7% от обследуемой, в Чистоозёрном -17%, к 1999 году эта категория земель увеличилась на 21% в Купинском районе и на 5% в Чистоозерном.

В южной лесостепи: в Татарском районе площадь пашни с очень низким содержанием фосфора за 28 лет увеличилась на 11% (было 10%, стало 21); в Чановском - на 17% (было 3%, стало 20%).

В Северной лесостепи Приобья: в Ордынском районе площадь пашни с очень низким и низким содержанием фосфора занимала в 1971 году 7%, Искитимском -19%; в 1999 году она достигла, соответственно, 16 и 46%, т.е. произошло увеличение в Ордынском районе на 9%, Искитимском - 27%.

Потери фосфатного уровня особенно существенны в районах лесостепи Присалаирья с расчленённым рельефом и более облегчённым механическим составом. В Маслянинском районе площадь пашни с очень низким и низким содержанием фосфора занимала в 1971 году 57%, Черепановском -17%, Сузунском -33%, Болотнинском - 22%; к 1999 году данная площадь увеличилась до 77% (на 20% -Маслянинский), до 31% (на 14% -Черепановский), до 82% (на 60% - Болотнинский). В Сузунском районе вся площадь пашни перешла в категорию очень низкой и низкой обеспеченности. Хотя в 1971 году в Сузунском районе 57 тыс. га имели среднюю обеспеченность и 32 тыс. пониженную и высокую.

Увеличение площадей с пониженным содержанием фосфора происходит за счет перехода фосфатов из градаций более высоких- по обеспеченности в менее обеспеченные.

Обеспеченность почв калием. Калийное состояние пахотных земель области характеризуется также сокращением площадей с высоким содержанием калия и увеличением площадей с пониженным содержанием. Повсеместно отмечается уменьшение площадей с градацией очень высокого содержания и увеличения площадей пониженного содержания калия (рис.2). Наиболее отчётливо этот процесс заметен в районах степной зоны, северной лесостепи Приобья и лесостепи Присалаирья. Например: степная зона: в Красноярском районе в 1971 году площадь пашни с очень высоким содержанием калия составляла 87%, в 1999 году - 0%, т.е. полностью перешла в более низкую категорию, в Купинском районе площадь земель с очень высоким содержанием калия составляла в 1971 году 91%, в\9Ъ9 году - 64% (уменьшение на 27%), Чистоозерном снижение с 93 до 58% (на 35%). [2]

Запас подвижных фосфатов (фактор емкости) 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 (определенная зависимость химического состава растении по фазам и периодам вегетации от степени удобренности культур), которые используют во многих странах. Практический опыт проведения растительной диагностики показывает, что реакция возделываемого растения на поступление и потребление питательных веществ проявляется довольно быстро и достаточно точно отражает их содержание

Очевидно, что эколого-агрохимическая оценка фосфорных удобрений должна содержать не только сведения об основном питательном элементе -фосфоре, но и о наличии в составе удобрения примесей, представляющих опасность для окружающей природной среды. Тяжелые металлы, фтор и другие компоненты необходимо определять в самих удобрениях, в почве в случае их выявления и в растительной продукции по наиболее контрастным вариантам.

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 - 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 (NO2, NO3, нитрозоамины), тяжелых металлов, фтора, мышьяка, хлора, ряда микроэлементов.

Основные задачи оценки сводятся к следующим:

· выявление и комплексная характеристика источников загрязнения природной среды;

· слежение за загрязнителями по всем возможным каналам их миграции, оконтуривание зон вероятного влияния на живые организмы, выявление участков депонирования загрязнителей;

· биогеохимическая оценка миграции и концентрации загрязнений как непосредственно в зонах загрязнения, так и при переносе их по трофическим цепям;

· определение динамики загрязнения среды, скорости и объемов поступления, распространения и выведения изучаемых соединений; получение прогнозных материалов.

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

Суммарную фитотоксичность почвы оценивают, как правило, методом биоиндикации, разработанным в ВИУА.

Микрофлора почвы - основной фактор почвообразовательного процесса. Качество почвы определяется ее плодородием, важнейшими показателями которого являются биомасса микроорганизмов, интенсивность протекающих в почве биохимических процессов, таксономический состав микрофлоры и ее функциональное разнообразие.

Закономерно, что одна из первоочередных задач заключается в оценке параметров биологической активности почв с разным плодородием, сформированным на основе различных систем земледелия в длительных стационарных опытах. Такие оценки проводят на основных типах почв в различных по природным условиям земледельческих зонах.

Полученные таким образом результаты - исходная база для разработки критериев микробиологической оценки качества почвы и создания банков нормативной информации, необходимых для управления почвенным плодородием и охраной окружающей природной среды. Современные возможности накопления, обработки, хранения и предоставления информации открывают широкие возможности для более обоснованного, а главное, конструктивного решения управленческих задач в области почвенного плодородия.

Разработка качественных и количественных параметров, нормативной базы биологических свойств почвы позволяет развернуть систематические наблюдения за их изменениями в процессе сельскохозяйственного производства.

Соответственно изложенному представляется, что цели микробиологического мониторинга (как составной части агроэкологического мониторинга) можно определить следующим образом:

1.Получение информации по основным параметрам биологических свойств почвы в различных регионах страны.

2.Оценка соответствия почв нормативным требованиям.

3.Прогноз возможных путей эволюции почв под влиянием тех или иных агротехнических мероприятий.

4.Выдача нормативной информации для разработки корректировки агротехнических приемов, обеспечивающих расширенное воспроизводство почвенного плодородия и высокую продуктивность агроэкосистем.

Таким образом, микробиологический мониторинг призван выполнять контрольную функцию качества почвенной среды и предоставлять нормативную информацию, необходимую для разработки экологически безопасных агротехнологий.[1]

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: