Глава 23. АГРОЛАНДШАФТЫ - АГРОТЕХНОГЕНЕЗ

Смотрите также:

История атомов и география - Перельман

Геохимия - химия земли

Геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Гидрогеохимия. Химия воды

Минералогия

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

Химия почвы

Круговорот атомов в природе

Книги Докучаева

Происхождение жизни

Вернадский. Биосфера

Биология

Эволюция биосферы

Геоботаника

 Биографии геологов, почвоведов

Эволюция

Земледельческие площади (включая села и фермы) занимают около 12% суши, еще около 25% используется под пастбища. По A.M. Рябчикову, наиболее освоены умеренный (26%), субэкваториальный и субтропический (17 — 18%) пояса. Относительная площадь агроландшафтов и степень изменения природной среды максимальны в Европе (32%) и Азии (21%).

Главное назначение агроландшафта — производить максимум сельскохозяйственной продукции — вступает в противоречие с использованием средств химизации, приводящих к загрязнению среды, нередко превышающему допустимые экологические нормы. С ростом распаханности растет и загрязнение земель минеральными удобрениями, пестицидами и другими средствами химизации, особенно в развивающихся странах. Именно поэтому актуальна геохимическая или точнее биогеохимическая оптимизация агроландшафтов.

Агротехногенез влияет на природную среду в глобально-региональном масштабе, особенно в таких регионах длительного интенсивного земледелия, как Египет, Ближний Восток, Европа, Средняя Азия, Индия, Китай и др. Выбросы вредных веществ в атмосферу имеют здесь меньшее значение, чем в промышленных районах, загрязнение почв и водоемов вполне сопоставимо.

По интенсивности и характеру воздействия выделяются два геохимических типа агротехногенеза и несколько подтипов. Первый тип — прямое геохимическое влияние агротехногенеза на природные ландшафты, к которому относится химизация сельского хозяйства и агротехногенная обработка земли. Второй тип — косвенные геохимические последствия, возникающие в результате гидромелиорации, эрозии почв, обезлесения, опустынивания и других процессов деградации ландшафтов. Эти типы определяют преимущественно площадное (химизация) или линейно-площадное (орошение) распространение загрязнения.

Химизация сельского хозяйства

Для возмещения выноса химических элементов с урожаем, повышения продуктивности агроландшафтов, борьбы с сорняками, вредными насекомыми и микроорганизмами применяются минеральные и органические удобрения, пестициды и др. агрохимические средства. Как показали В.А. Ковда, В.Г. Минеев и др., химизация наряду с полезными результатами сопровождается нежелательной трансформацией круговорота и баланса химических элементов. Негативное следствие химизации — загрязнение почв, растений, вод, животных и человека азотом, фосфором, тяжелыми металлами, пестицидами. Уровень загрязнения и состав элементов-загрязнителей не одинаков в различных регионах. В целом минеральные удобрения и другие средства химизации являются мощным фактором загрязнения агроландшафтов. Это требует изучения трансформации биологического круговорота и геохимической структуры агроландшафтов, особенностей радиальной и латеральной миграций загрязнителей (R-L анализ). Необходимо также знать устойчивость и ответную реакцию ландшафта на химизацию, разрабатывать геохимическую систематику агроландшафтов.

Комплексный и региональный характер действия вносимых химических элементов на все компоненты ландшафта определяют необходимость оценки процессов миграции и концентрации загрязнителей не только на локальном уровне (в масштабе поля), чем частично занимается агрохимия, но и в более крупных территориальных системах — катенах, ландшафтах, речных бассейнах. Важно также знать заболеваемость растений, животных и человека, обусловленную агротехногенезом. Поэтому для познания агротехногенеза не достаточно агрохимии с ее углубленным акцентом на изучение системы почва — растение и влияние удобрений на продуктивность и качество сельскохозяйственной продукции. Необходим также формирующийся раздел геохимии ландшафта — агрогеохимия, основанный на синтезе ландшафтно- геохимических, биогеохимических и почвенно-агрохимических методов и подходов к изучению агроландшафтов (В.А. Ковда, В.Н. Башкин, А.И. Ачкасов, J1.A. Гришина, Н.Ф. Мырлян, Е.М. Никифорова, C.J1. Романов, Н.К. Чертко и др.).

Минеральные удобрения

Они делятся на две группы: стандартизованные, или традиционные — азотные, фосфорные, калийные, комплексные, микроудобрения, в которых содержание элементов питания растений регламентируется ГОСТами, и нестандартизованные удобрения — осадки сточных вод (ОСВ), коммунальные твердые бытовые отходы (КТБО), загрязненные речные воды (ЗРВ) и т.д. без стандартизации элементов питания.

Существенно, что во всех видах удобрений не нормировано содержание большинства микроэлементов, в том числе приоритетных загрязнителей.

С азотными удобрениями вносится примерно 15 — 20% общего поступления азота в наземные агроландшафты. В СССР в 70 — 80-х годах эта доля достигла 25 — 35%. В агроландшафтах, удаленных от индустриальных источников, эти удобрения становятся основной причиной загрязнения окружающей среды соединениями азота. По В.Н. Башкину, в каскадных ландшафтно-геохимических системах бассейнов малых рек центра Русской равнины с азотными удобрениями поставляется до 50 — 70% от общего баланса азота. В районах интенсивного земледелия, например в Западной и Центральной Европе, эта доля увеличивается до 70 — 80%.

Вынос азота с сельскохозяйственной продукцией существенно колеблется. В Западной и Центральной Европе с урожаем удаляется 50 — 60% внесенного азота. На Русской равнине с продуктами растениеводства и животноводства отчуждается лишь 15 — 25% азота. Как и в естественных ландшафтах, с денитрификацией удаляется 20 — 25% азота. С боковым стоком из каскадных систем выносится еще 15 — 30% азота.

В глобальном масштабе цикл азота на пахотных землях имеет отрицательный баланс в связи с преобладанием районов экстенсивного земледелия с малыми дозами минеральных удобрений и преимущественным использованием почвенного азота. По В.Н. Башкину, с минеральными удобрениями, биологической фиксацией и атмосферными осадками в агроландшафты поступает около 120 млн. т азота в год, а расходная часть составляет 140 — 170 млн. тонн.

В районах интенсивного земледелия круговорот азота становится все более открытым, несбалансированность увеличивается. Равновесие между основными составляющими цикла сдвигается, уменьшается доля органического азота в фитомассе. В таких агроландшафтах баланс азота становится положительным, его приход на 20 — 30% превышает расход, что ведет к аккумуляции азота в почвах, сельскохозяйственной продукции, грунтовых и поверхностных водах. Во многих агроландшафтах содержание азота в этих компонентах превышает предельно допустимые нормы, что создает критические экологические ситуации. Сильное загрязнение овощей азотом характерно для супераквальных ландшафтов долин и дельт крупных рек с интенсивным овощеводством (долина Оки, дельты Волги, Амударьи, Сырдарьи и др.). Содержание нитратов и нитритов в овощах здесь во много раз превышает ПДК, которое для нитратов составляет 250 — 300 мг азота на кг сырого вещества. Особенно опасно образование в пищевых продуктах нитрозоаминов (R2NNO, где R — органические радикалы, например, СН3, С2Н5 и др.), обладающих канцерогенными и мутагенными свойствами.

Загрязнение агроландшафтов связано и с применением фосфорных удобрений. Среди стандартизованных удобрений они содержат наиболее широкий спектр концентрирующихся химических элементов. Так, в суперфосфате кроме Р обычно содержится до 1,5% F и 0,005% Cd (до 100 КК), 0,005 — 0,03% As (десятки КК), до 5 — 10 КК Y, редкоземельных элементов, Sr, Cu, Pb. Хотя с удобрениями вносится менее 5% природного запаса Р в почвах, но он легко усвояем (в отличие от почв). Это обеспечивает необходимый прирост урожая и одновременно ведет к загрязнению агроландшафтов. Доля микроэлементов, поступающих с удобрениями, еще меньше. Обычно ниже и степень их усвояемости растениями. По расчетам А.И. Ачкасова, в отличие от фосфора, элементов примесей — Y, редких земель, As, Cd вносится в 1000 раз, F — в сотни раз больше, чем используется растениями. Такое поглощение этих элементов имеет как положительное (слабое загрязнение растений), так и отрицательное (загрязнение ландшафта) значение.

Одним из основных неблагоприятных следствий азотизации и фосфатизации ландшафтов является накопление соединений азота (главным образом нитратов) и фосфора в грунтовых и поверхностных водах. В результате водоемы чрезмерно обогащаются питательными веществами — происходит их эвтрофикация. Наиболее опасно загрязнение питьевых вод нитратами, нитритами и их производными, что ведет к различным заболеваниям (у детей — метгемоглобинемии и др. болезням). Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) для питьевой воды принята концентрация нитратов не более 45 мг/л (ПДК).

Микроэлементы в агроландшафтах

В Западной Европе, США и других странах с интенсивным сельским хозяйством среди тяжелых металлов основным загрязнителем является Cd, поступающий из атмосферы, вод и с фосфорными удобрениями. Несмотря на уменьшение воздушной и водной эмиссии Cd от других техногенных источников, рост количества вносимых фосфорных удобрений увеличивает загрязнение почв кадмием (23.1). В Европе основные районы загрязнения Нидерланды, Бельгия и Северо-Западная Германия, Южная Англия, север Чехии, юг Польши, север Италии, Донбасс, Подмосковье (23.2). Все же контрастность аномалий, образующихся при внесении в почвы азотных и фосфорных удобрений, как правило, не велика (23.3). В агроландшафтах, где применяются только традиционные виды удобрений, их роль в перераспределении микроэлементов пока еще несколько ниже роли природных

Главным источником поступления тяжелых металлов в агроландшафты являются нестандартизированные удобрения. Они используются, как правило, на локальных участках вокруг крупных промышленных центров, но высокие уровни многих тяжелых металлов в этих удобрениях создают наибольшую экологическую опасность. Особенно широк спектр элементов в осадках сточных вод (ОСВ). По Ю.Е. Саету и А.И. Ачкасову, наиболее высоки коэффициенты накопления относительно фоновых почв у Cd, Ag (Кс до 200 и более), Hg, Bi, Zn, Сг, Си, W, Sn (Кс 100 — 200). В бытовых отходах (КТБО) комплекс уже и концентрация микроэлементов ниже, среди них преобладают Hg (Кс 10 — 100), Ag, Sb, Zn, Bi, Cd, Pb (Кс около 10). При поливе загрязненными речными водами (ЗРВ) в почвы и растения поступают большие количества Ag (Кс > 100), Pb, Cd и Zn (Кс около 10). Экологическая опасность в зависимости от суммарного загрязнения микроэлементами (Zc) убывает в ряду: ОСВ (500 — 600) — КТБО, ЗРВ (100 — 200) — минеральные удобрения (50 — 70).

Коэффициенты концентрации тяжелых металлов в почвах и растениях, орошаемых сточными водами, относительно средних мировых кларков незагрязненных почв и

Сельскохозяйственных растений, рассчитанных по данным А. Кабаты-Пендиас и Г. Пендиас, образуют различные ряды загрязненности: почвы — Си > Cd > Zn > Hg>Pb > Ni; растения — Hg > Cd > Pb > Ni > Cu>Zn. Это указывает на селективную концентрацию в растениях приоритетных токсикантов — Hg, Cd, Pb, малодоступных растениям на незагрязненных почвах. В то же время растения, по-видимому, обладают защитным механизмом против излишне высоких концентраций элементов-биофилов (Zn, Си), аккумулирующихся во многих видах в фоновых ландшафтах. Поэтому при экологических оценках агроландшафтов необходимо учитывать видовую биогеохимическую специализацию сельскохозяйственных культур. Например, кофе концентрирует Си (в несколько десятков раз больше, чем другие культуры), грибы — As, V и Ag, томаты — Со и Be, капуста — Со и В, свекла — Li, фасоль — Мо и В, люцерна и клевер — Sr, Ва и В. Особенно широкий комплекс элементов у салата-латука — Со, F, Cd, Hg, Fe, Zn, Cu (по А. Кабата-Пендиас и Г. Пендиас для агроландшафтов Европы и Северной Америки).

В районах интенсивного животноводства кроме промышленных отходов и стоков существенное влияние на ландшафты оказывают органические отходы животноводческих комплексов, содержащие азот, сероводород, метан, тяжелые металлы, высокие концентрации которых токсичны. В ландшафтах лесной зоны умеренного пояса контрастность аномалий, связанных с отходами, увеличивается в ряду: птицефабрики — комплексы крупного рогатого скота — свиноводческие комплексы (Н.Я. Трефилова, А.И. Ачкасов). Суммарное загрязнение почв этими отходами сопоставимо со слабым и средним загрязнением в промышленных городах (Zc =10 — 30). В агроландшафтах южной тайги среди микроэлементов наиболее часто в животноводческих отходах, удобряемых ими почвах и выращиваемых культурах довольно высоки концентрации Zn (биогенное накопление, Кс до 5 — 10), W, Hg (лампы дневного света) и Sr (фосфатные кормовые добавки).

Пестициды

К ним относятся синтетические органические соединения, используемые для борьбы с вредными насекомыми (инсектициды), сорняками (гербициды), болезнями растений (фунгициды, бактерициды), для регуляции роста растений (дефолианты) и др. Известно более ста тысяч пестицидов, что затрудняет их аналитическую идентификацию в окружающей среде. 70 — 80% количества пестицидов применяется в Западной Европе, Японии и США. Выделяются хлорорганические (ХОП) и фосфорорганические пестициды. Многие из них, прежде всего ДДТ, не разлагаются несколько десятков лет и аккумулируются в почвах, водах, донных осадках, пищевых цепях, вредно действуя на организмы.

Пестициды уменьшают потери урожая и повышают продуктивность сельскохозяйственных культур, но с их применением связана и существенная экологическая опасность — загрязнение почв, вод и растений. Наиболее опасны для млекопитающих и человека инсектициды, менее токсичны гербициды и фунгициды. За 30 лет использование гербицидов в мире (1960 — 1990) возросло в 2 раза (Chemical pollution, 1992).

В отличие от главных элементов питания (N, Р, К) и микроэлементов, повсеместно присутствующих в ландшафтах, пестициды поступают в них только в результате хозяйственной деятельности. Поэтому даже низкие их концентрации в воздухе, почвах, водах и растениях указывают на техногенез. Производство и применение пестицидов привело к глобальному загрязнению биосферы этими синтетическими соединениями. Кроме органических соединений хлора и фосфора некоторые пестициды содержат токсичные микроэлементы, в частности мышьяк.

По Ф.Я. Ровинскому, М.И. Афанасьеву и др., в фоновых ландшафтах из атмосферы поступает в среднем 1 — 3 кг/см^.год ХОП. В поверхностных водах их содержание варьирует от 1 до сотен нг/г, в почвах оно колеблется в среднем от 1 до 10 нг/г воздушно-сухой массы и слабо варьирует по регионам. В растениях фоновые уровни ХОП лежат в пределах 2 — 10 нг/г. Повышенными содержаниями пестицидов (до 45 нг/л) отличаются лишайники и мхи.

С поверхностным стоком пестициды мигрируют в подчиненные ландшафты и аккумулируются в донных отложениях (до 20 нг/г в дельте Волги и 30 — 800 нг/г в дельте Нила). Устойчивость к деградации и разложению способствует сохранению отдельных пестицидов в донных осадках в течение десятков, а теоретически и сотен лет.

К содержанию книги: А.И. Перельман, Н.С. Касимов - Геохимия ландшафтов