Влияние внесения минеральных удобрений

Продуктивность современного сельского хозяйства в значительной степени зависит от использования минеральных и органических удобрений. По оценке американских ученых, удельный вес минеральных удобрений в системе мер повышения урожаев достигает 41 %, по данным немецких специалистов - 50 %, а, по мнению французских исследователей, - даже 50-70%. Мировое производство туков составляет в наши дни 120 млн. т. в год.

В нашей стране производство минеральных удобрений в послевоенные годы стало значительно расширяться (табл. 8). О росте применения удобрений и их роли в повышении урожайности сельскохозяйственных культур свидетельствует и зарубежный опыт (табл. 9).

Практика использования удобрений постоянно расширяется и совершенствуется. Однако химизация земледелия будет высокоэффективна только при условии правильного и рационального использования удобрений.

Эффективность применения удобрений зависит не только от физиологических особенностей растений, но и от изменения почвенной среды как биогенной системы, от характера протекающих в почве микробиологических процессов. Минеральные удобрения нередко поступают в агроэкосистемы в гораздо большем количестве, чем требуется для получения первичной продукции растений. В таких случаях наносится не только прямой экономический ущерб, но и усиливается эвтрофикация водоемов, снижается продуктивность почвы и качество урожая растений, что имеет нежелательные последствия для здоровья людей и нарушает сложившееся в природе равновесие.

В практике земледелия бесполезно теряется до 30-50 % всех вносимых минеральных удобрений. Из 23 млн. т азота удобрений, вносимых в пахотные земли, только около 50 % выносится с урожаем, остальное утрачивается, уходя в атмосферу вследствие процессов денитрификации (7-8 млн. т) или смывается и поступает в поверхностные и подземные природные воды (до 2 млн. т). Выделение оксидов азота в атмосферу влечет за собой не только экономические потери, но и грозит нарушением озонового экрана планеты.

В наши дни возникла угроза локального и регионального повышения концентрации соединений азота до уровня, токсичного для человека. Данные по балансу азота, полученные с помощью изотопа ¹⁵N, свидетельствуют о том, что в полевых условиях растениями усваивается лишь около 40 %, в отдельных случаях - 60-70 % действующего вещества азотных удобрений; 18-33 % азота иммобилизуется в почве, а 10- 30 % его улетучивается в виде различных газообразных соединений. Потери азота зависят от дозы вносимых удобрений и соотношения содержания азота и других питательных элементов, сроков и способов внесения, формы азотных удобрений и особенностей технологии их применения, а также от почвенно-климатических условий местности.

Таблица. 8

Поставка минеральных удобрений сельскому хозяйству и внесение их под основные сельскохозяйственные культуры

(по В.Д. Панникову и В.Г. Минееву)

Показатели	В среднем за годы
	1971-1975	1976-1980
Поставка минеральных удобрений: всего, тыс. т питательных веществ на 1 га пашни, кг Внесено под сельскохозяйственные культуры, кг/га: зерновые в том числе под пшеницу сахарную свеклу хлопчатник картофель Урожайность сельскохозяйственных культур, кг/га: зерновых пшеницы озимой пшеницы хлопчатника сахарной свеклы картофеля	14034 62,1 38 34 305 365 221 14,7 14,5 22,5 27,3 217 113	18064 80,90 51 39 460 409 272 16,0 16,4 24,7 29,3 237 117

Таблица 9

Применение минеральных удобрений (кг/га пашни и многолетних насаждений) и урожайность важнейших сельскохозяйственных культур )ц/га) в некоторых индустриально развитых странах

(по В.Д. Панникову и В.Г. Минееву)

Страна	Показатель				Годы
		1961- 1965		1966- 1970		1971- 1975	1976- 1980	1981- 1982
США	Внесено удобрений	53		76		94	106	107
	Урожай:
	зерновых	28,1		33,0		35,6	39,7	43,5
	сахарной свеклы	423		394		425	447	446
Канада	Внесено удобрений	12		19		25	38	45
	Урожай:
	зерновых	10		20,6		20,5	22,0	24,3
	сахарной свеклы	314		314		293	360	418
Великобритания	Внесено удобрений	200		240		254	290	324
	Урожай:
	зерновых	34,4		37,7		38,3	44,7	51,7
	сахарной свеклы	360		368		336	351	386
ФРГ	Внесено удобрений	315		345		393	430	433
	Урожай:
	зерновых	30,5		36,8		37,2	42,9	46,5
	сахарной свеклы	384		443		447	468	514
Франция	Внесено удобрений	142		195		205	290	360
	Урожай:
	зерновых	26,1		35,3		28,1	43,9	47,7
	сахарной свеклы	382		427		431	461	487
Болгария	Внесено удобрений	53		140		148	173	221
	Урожай:
	зерновых	19,2		25,0		32,7	35,5	40,6
	сахарной свеклы	182		210		236	249	257
Венгрия	Внесено удобрений	56		97		198	278	267
	Урожай:
	зерновых	20,5		26,0		35,1	42,8	47,0

Особое внимание, как наиболее опасным по последствиям применения уделяют азотным удобрениям. Синтетическое производство азотных минеральных удобрений из азота атмосферы было начато в 20-х гг. XX века. Сейчас его объем составляет более 80 млн. т. азота ежегодно. Уровень применения азотных удобрений в виде нитратов, аммонийных удобрений, мочевины в 1985 – 86 гг. составлял в мире в среднем 51 кг N/ га. Причем в разных регионах земного шара дозы сильно отличались: в Африке 12 кг/га, в Европе 123 кг/га.

Отрицательные последствия внесения азотных удобрений связаны с деятельностью почвенных микроорганизмов, участвующих в трансформации азота в биосфере и производящих процессы азотфиксации, аммонификации, нитрификации, денитрификации.

На первом месте по токсическим последствиям для человека рассматривается процесс нитрификации – трансформации аммиачных соединений в нитриты и нитраты, в результате которого содержание нитратов и нитритов, поступающих в грунтовые воды увеличивается. Использование питьевой вод и пищи с высоким содержанием нитратов и нитритов приводит к возникновению отравлений и специфических заболеваний.

Попадая в кровь животных и человека нитраты переводят двухвалентное железо, содержащееся в гемоглобине крови в трехвалентное. Образующееся при этом соединение – метгемоглобин – не способно к переносу кислорода. В результате происходит ухудшение снабжения организма кислородом, при замещении 20% гемоглобина у людей наблюдается анемия, а при замещении 80% - даже летальный исход. Установлено, что от содержания нитратов в пище и воде также зависит и заболеваемость раком.

В целях охраны здоровья населения ВОЗ установлены нормы потребления нитратов и нитритов, которые не должны превышать для нитратов 200 мг, а для нитритов 10 мг/ день. Предельно допустимые концентрации нитратов в питьевой воде не должны превышать 22 мг/л в умеренных широтах, а в тропиках – 10 мг/л.

Причиной появления практически половины загрязняющих почвы и воды нитратов считают внесение минеральных удобрений.

Нитрификация в почвах может протекать двумя путями. Автотрофная нитрификация осуществляется специфическими нитрифицирующими бактериями двух родов, специализированных в отношении проводимых реакций. Бактерии, окисляющие аммиак до нитритов – представители Nitrosomonas и бактерии, окисляющие нитриты до нитратов – представители Nitrobacter. Наиболее эффективно процесс автотрофной нитрификации протекает в почвах при хорошей аэрации, влажности, нейтральной среде, невысоком содержании органических веществ. Результатом реакции является образование нитритов и нитратов с возможным промежуточным образованием газообразных соединений (NO_x).

NH⁺₄ → NH₂OH → [NOH] → NO^-₂ → NO^-₃

В последнее время установлено, что процесс нитрификации могут проводить не только специализированные автотрофные бактерии, но и гетеротрофные почвенные микроорганизмы. В отличие от автотрофной нитрификации, процесс гетеротрофной нитрификации не является, по современным представлениям, основным источником для роста клеток и продукции биомассы. Скорость процесса гетеротрофной нитрификации обычно ниже. Он протекает в условиях, отличных от автотрофной – при наличии органического вещества, слабо кислом рН, дефиците кислорода. Он часто более выражен для лесных почв, в то время как процесс автотрофной нитрификации – для окультуренных. Опасными последствиями гетеротрофной нитрификации в почвах может быть не только увеличение содержания нитратов, но и синтез промежуточных соединений – гидроксиламина, нитрозосоединений, которые даже в небольших количествах могут давать токсический и/или канцерогенный эффект для человека.

В целях снижения потерь азота удобрений и экотоксикологических последствий для уменьшения поступления нитратов почвы и грунтовые воды разработана группа веществ, тормозящих процесс нитрификации, которые получили название N – serve. Это, например, такие вещества как 2-хлоро-6(трихлорметил)пиридин(нитрапирин), дициандиамид, КМП и др. Однако было установлено, что эти вещества в производственных дозах ингибируют только процессы автотрофной нитрификации и не влияют на гетеротрофный процесс. Кроме того, внесение этих соединений может оказывать негативное влияние на почвенную биоту.

Внесение азотных удобрений оказывает большое воздействие и на другие этапы микробной трансформации азота в почве – азотфиксацию и денитрификацию.

Биологическая фиксация азота в настоящее время превышает небиологическую. Тем не менее, ситуация приближается к переломной в ближайшие годы объем промышленного синтеза окажется сопоставимым с биологической фиксацией. Последствия этого представляются экологически опасными. Биологически фиксировать азот могут микроорганизмы симбиотически живущие с растениями и свободноживующие в почве. По сравнению с удобрениями биологический азот безвреден для человека, повышает урожайность растений, а экономические затраты, необходимые для его получения несопоставимо меньше, чем при производстве минеральных удобрений. Изменение активности азотфиксации во многом определяется формой вносимых соединений азота.

Большое внимание в последнее время уделяется изменению процесса денитрификации при внесении азотных удобрений. Денитрицирующие бактерии обладают способностью восстанавливать нитрат через нитрит до газообразной закиси азота:

С_орг + NO^-₃ → (СН₂О_n) + СО₂ + N₂O + N₂

Этот процесс наиболее активно протекает в анаэробных условиях, например, при переувлажнении и наличии органического вещества. Интенсивность процесса зависит от почвенно-экологических условий, вносимых удобрений, наличия органического вещества и особенно интенсивно протекает в ризосфере растений.

Большую тревогу увеличение поступления газообразных соединений азота, наблюдающееся при денитрификации, автотрофной и гетеротрофной нитрификации в атмосферу вызывает в связи с гипотезой разрушения озонового слоя в результате реакций этих газов и озона

Сельское хозяйство является основным источником поступления о биосферу соединений фосфора. Ассортимент фосфатов постоянно изменяется в зависимости от требований сельского хозяйства. В общем объеме выпуска фосфорных удобрений постоянно возрастает доля концентрированных и комплексных форм.

От других биогенных элементов фосфор отличается практическим отсутствием газообразных соединений и тем, что большинство фосфатов плохо растворимы. Тем не менее, большое количество соединений фосфора ежегодно поступает в природные воды вследствие смыва фосфорных удобрений с полей под воздействием орошения и эрозионных процессов; в результате возрастания производства различных фосфоросодержащих препаратов, используемых в сельском хозяйстве, быту, промышленности; вследствие вовлечения в биогеохимический круговорот фосфора, входящего в состав горных пород, - фосфоритов и апатитов.

По мнению В.А. Ковды (1985), до 14-17 млн. т фосфора ежегодно поступало с континентов планеты в Мировой океан с тенденцией к возрастанию. Постоянная миграция вызывает постоянное увеличение содержания фосфора в водоемах суши. Подсчитано, что только за счет поверхностного смыва с каждого гектара пашни ежегодно уносится до 10 кг фосфора.

Кроме азотных и фосфорных удобрений в современном земледелии используется широкий ассортимент калийный удобрений, поставки которых достигают 12 млн. т. в год. Большинство калийных удобрений содержит балластные вещества.

Решение проблемы рационального и эффективного использования минеральных удобрений возможно только на основе комплексного подхода, большое значение в котором принадлежит микробиологическим исследованиям. Внесение минеральных удобрений резко интенсифицирует микробиологические процессы в почвах. Это до определенного предела может рассматриваться как положительное явление, если ставится задача повышения урожая, так как молодая система может продуцировать высокий урожай. Однако чрезмерная активизация микробиоты может быть и вредной, так как процессы, направленные на восстановление нарушенного равновесия, приводят к прямым потерям минеральных удобрений, ухудшению физико-химических и биологических свойств почвы, другим серьезным экологическим последствиям.

Необходимость применения минеральных удобрений одновременно с повышением урожайности вызывает загрязнение почв биогенными элементами и балластными веществами. Например, при внесении в почву калийного удобрения KCl вместе с необходимым для растений калием вносится хлор; при мелиорации солонцовых почв фосфогипсом в почву попадает некоторое количество стронция.

Если балластные соединения хорошо растворимы, они вымываются из почвы и поступают в поверхностные и подземные воды, загрязняя их. Если они малорастворимы, то аккумулируются в почве и при достижении определенной концентрации поступают в растения и далее по пищевым (трофическим) цепям в организм животных и человека. Иногда содержание балластных веществ может достигать токсичных уровней и стать причиной нарушений здоровья человека. Токсичного уровня может достичь и содержание в почве биогенных элементов, чаще всего азота в форме нитратов, что может стать причиной отравления сельскохозяйственными продуктами.

Основной причиной загрязнения биосферы являются грубые нарушения научно обоснованной технологии транспортировки минеральных удобрений, их хранения и внесения в почву. Чаще всего загрязняющие элементы, содержащиеся в удобрениях, поступают в окружающую среду:

1) при транспортировке от завода до поля;

2) вследствие смыва удобрений с поверхности полей в реки, озера, моря и вымывания по профилю почвы до грунтовых вод;

3) в процессе водной и ветровой эрозии почвы;

4) вследствие аккумуляции избыточного количества удобрений в почвенном профиле при передозировке, или неравномерном внесении;

5) при бесконтрольном использовании в качестве минеральных удобрений отходов различных отраслей промышленности.

Внесение высоких доз удобрений и длительное их применение не всегда дает ожидаемую прибавку урожая. Коэффициент использования азота сельскохозяйственными растениями снижается по мере возрастания доз азотных удобрений.

Так, длительное применение азотных и калийных удобрений приводило на дерново-подзолистых почвах к снижению урожайности сельскохозяйственных культур. Двойственная природа действия минеральных удобрений заключается в том, что, снабжая растения питательными веществами, удобрения обеспечивают повышение урожая и, ухудшая свойства почвы, «скрыто» понижают его, Поэтому в первый год их применения дают значительную прибавку урожая, при повторных внесениях эффект от них снижается, и затем они могут оказывать даже отрицательное действие. Это явление, названное скрытым негативным действием удобрений, не удается объяснить изменением только агрохимических свойств дерново-подзолистых почв. Реально было бы предположить, что длительное применение минеральных удобрений приводит к существенным изменениям в структуре комплекса почвенных микроорганизмов, активизации и росту численности токсинообразующих микробов. Известно, что фитотоксичные микроорганизмы широко распространены в различных почвах и микробные метаболиты могут играть важную роль в возникновении токсикоза почв, в частности при монокультуре.

Таким образом, необходимо установить пределы устойчивости микробной системы почв, выявить взаимосвязь высоких доз минеральных удобрений с изменениями в составе и функционировании почвенных микроорганизмов, с проявлением микробного токсикоза.

При оценке антропогенного воздействия недостаточно применения одного-двух тестов, важна характеристика изменения всех экологической обстановки с учетом предельно допустимой нагрузки на экосистему. Микробиологические методы исследования почвы весьма разнообразны по своей принципиальной сущности, и каждый из них дает ответ на определенный частный вопрос влияния удобрений на микробиоту. В связи с этим решение проблемы в целом возможно лишь при использовании всего комплекса современных подходов, их серьезном критическом анализе.

Поиск оптимальных с позиции, как охраны окружающей среды, так и повышения урожая растений доз и форм азотных удобрений для различных почв является актуальной задачей. При этом важно повысить долю «биологического» азота в питании растении и сократить до минимума уровень газообразных потерь.