Экология почвы и экологические проблемы растениеводства

Значение почвы. Почва – поверхностный слой земной коры, который образуется и развивается в результате взаимодействия растительности, животных, микроорганизмов, горных пород и является самостоятельным природным образованием. Ее толщина в среднем составляет 18—20 см, хотя в различных районах суши может быть от нескольких миллиметров до 1, 45—2, 0 м. На формирование почвы уходят тысячелетия взаимодействия воды, воздуха, тепла, растительных и животных организмов и особенно микроорганизмов с почвообразующей горной породой.

Почва — геохимический аккумулятор всех элементов; она удерживает и предохраняет их вынос со стоком. Гумус — главное богатство почвы, основа ее важнейших функций, обеспечивающих стабильность экосистем и биосферы в целом. Он накапливает в себе громадное количество солнечной энергии как продукт преобразования растительных материалов. Гумус почвы определяет ее общее естественное плодородие. Почва — незаменимый природный ресурс. Наука пока не в состоянии рекомендовать пути замены естественных почв искусственными. Как бы ни были совершенны способы выращивания растений без почвы (гидропонный, аэропонный), они не могут заменить ее. Поэтому задачей первостепенной важности было и остается поддержание способности почвы к самовозобновлению в процессе почвообразования.

Почва является средой обитания для многих организмов, среди которых преобладают микроорганизмы (бактерии, грибы, водоросли), насекомые, черви, пауки, клещи. Микроорганизмы выполняют главную функцию в почвообразовательных процессах – разложение и минерализацию органического вещества.

Из общей площади поверхности Земли (510 млн. км²) на долю суши приходится 149 млн. км², а остальное занимают моря и океаны. Общая площадь мирового земельного фонда (площадь суши за вычетом ледяных пустынь Арктики и Антарктики) составляет 134 млн. км². В структуре мирового земельного фонда 11% приходится на обрабатываемые земли (пашни, сады, виноградники); 22, 3% – на луга и пастбища; 30, 1% – на леса; 3% – на антропогенные ландшафты (населенные пункты, промышленные зоны, транспортные линии); 33, 6% – на малопродуктивные земли (пустыни, болота и экстремальные территории с низкой температурой или в горах).

Сельскохозяйственные угодья, т.е. земли, используемые для производства продуктов питания, включают пашни, многолетние насаждения (сады, плантации), естественные луга и пастбища. В настоящее время общая площадь сельскохозяйственных угодий составляет 48, 1 млн. км² (4810 млн. га), в том числе пашни (обрабатываемые земли) – 1340 млн. га, луга и пастбища – 3365 млн. га. Наибольшими размерами пашни выделяются США (185 млн. га), Индия (160), Россия (134), Китай (95), Канада (46), Казахстан (36), Украина (34 млн. га).

Резервов для сельскохозяйственного освоения осталось очень мало: леса и малопродуктивные земли. К тому же во многих странах сельскохозяйственные угодья быстро сокращаются, так как отводятся под строительство и т.д. Надо сказать, что в последние десятилетия происходило и расширение сельскохозяйственных угодий за счет освоения целинных земель в России, Казахстане, Китае, Канаде.

В мире отмечается ухудшение, или деградация земель. Так, вследствие эрозии из сельскохозяйственного оборота ежегодно выводится 6 –7 млн. га, а заболачивание и засоление выводят из землепользования еще 1, 5 млн. га. Серьезную угрозу земельному фонду в 60 странах мира представляет опустынивание прежде возделываемых земель, которое охватило территорию в 9 млн. км³, что примерно равно площади таких стран, как США или КНР. Деградация сельскохозяйственных земель вызывается и превращением их в антропогенные ландшафты.

В развитых странах распаханность земель стабилизировалась. Считается экономически более выгодным интенсификация земледелия, чем расширение пахотных земель. Полагают, что площадь пашни можно довести до 20-25 % площади суши посредством орошения земель в аридных условиях, осушения болот и мелководий, расчистки мелколесья, уборки камней. По данным ФАО, до 70 % земельных ресурсов мира приходится на малопродуктивные угодья.

В структуре земельного фонда Беларуси доминирующее положение принадлежит сельскохозяйственным и лесным землям, площадь которых составляет около 87% (см. таблицу). На протяжении длительного времени в их динамике прослеживается противоположная направленность – доля сельскохозяйственных земель уменьшается, лесных – увеличивается. До 2000–х годов сокращение сельскохозяйственных земель происходило при сохранении площади пашни, однако впоследствии она также стала уменьшаться из-за целенаправленного вывода из оборота малоплодородных угодий.

В целом структура землепользования Беларуси является благоприятной в экономическом отношении. В ней преобладают земли с сохранившимися в естественном состоянии природными комплексами (леса, луга, болота, водоемы). Они занимают 2/3 территории страны.

Динамика структуры земельного фонда Беларуси за 1990-2008 гг., %

Плодородие – совокупность свойств почвы, обеспечивающих урожай сельскохозяйственных растений. Это эмерджентное свойство почвы, т.е. оно появляется при взаимодействии компонентов почвы. Почва состоит из гумуса, соединений азота, фосфора, калия, воды, воздуха, глины и песка.

Среди питательных веществ, необходимым растениям, можно назвать целый комплекс макроэлементов (N, P, K, Ca, Mg, S…) и микроэлементов (Cu, Zn, Mn, Mo, B…). Растения могут поглощать элементы минерального питания только в растворенном виде, поэтому в почве всегда должна содержаться влага. Воздух необходим для дыхания корней, поэтому важным свойством почвы является ее аэрация. Растворенные в почвенном растворе ионы минеральных веществ определяют ту или иную величину его кислотности (рН почвенного раствора). Большинство культурных растений предпочитают слабокислую или близкую к нейтральной реакцию почвы. Кислотность почвы в значительной мере изменяется при внесении в нее удобрений. Для нейтрализации кислой реакции почвы используют известковые удобрения, содержащие кальций (известь, доломитовую муку, мел).

Различают следующие виды плодородия почвы: естественное, искусственное и экономическое (эффективное).

Искусственное плодородие определяется культурой земледелия, т.е. является антропогенным. Его уровень определяется тем, как соблюдаются севообороты, вносятся минеральные и органические удобрения, какие приемы используются для обработки почвы и т.д.

Результат наложения на естественное плодородие искусственного дает экономическое или эффективное плодородие.

Почвы нашей республики представлены в основном дерново-подзолистым типом, т.е. не отличаются естественным плодородием. Они требуют большого внимания от агронома и значительных средств на поддержание и повышения плодородия, которое на 70% является рукотворным.

Эрозия почвы. Разрушающее воздействие воды, ветра и антропогенных факторов на почву и подстилающие породы, снос наиболее плодородного верхнего слоя или размыв называется эрозией. Эрозия причиняет большой вред. Урон в сельском хозяйстве от засухи, болезней растений и животных и т.д. значительно меньше, чем от эрозии почвы.

Подсчитано, что каждую минуту на земном шаре выходит из сельскохозяйственного оборота 44 га земель. От эрозии каждый день безвозвратно теряется более 3 тыс. га, а всего уже утрачено свыше 50 млн. га плодородных земель. От смыва, размыва и выдувания почвы урожай всех сельскохозяйственных культур в среднем снижается на 20-40 %. Однако урон, наносимый эрозией, этим не исчерпывается. Образование на поверхности почвы промоин, ложбин и оврагов затрудняет обработку земель и снижает производительность почвообрабатывающей и уборочной техники.

Ускоренная эрозия не является неотвратимым процессом. Высокий уровень агротехники обеспечивает комплексную защиту от эрозии. Эрозия возникает в результате нерациональной хозяйственной деятельности, неправильного использования земельных угодий, низкой агротехники в некоторых хозяйствах. Выпас животных без соблюдения нормы стравливания и нагрузки скота по склонам балок и оврагов, вспашка почвы и междурядные обработки вдоль склонов, непродуманное строительство дорог и т.д. на фоне древней эрозии способствуют появлению и быстрому росту новых ее очагов.

Организационно-хозяйственные противоэрозионные мероприятия включают инвентаризацию сельскохозяйственных угодий и определение степени их подверженности эрозионным процессам. По результатам обследования почв составляются соответствующие карты и картограммы (для каждого хозяйства).

Агротехнические мероприятия – это, прежде всего, специальные приемы обработки почвы и почвозащитные севообороты.

Лесотехнические мероприятия – создание защитных зеленых насаждений (ветроломных и водорегулирующих лесных полос).

Гидротехнические мероприятия – устройство специальных сооружений для защиты почвы от водной эрозии.

Почва может утрачивать свое плодородие вследствие накопления в ней солей.

Засоление почвы - накопление растворимых солей и обменного натрия в концентрациях, недопустимых для нормального роста и развития растений.

Даже при слабом засолении урожайность кукурузы, например, уменьшается на 40-50 %, пшеницы - на 50-60 %.

Ежегодно на земном шаре вследствие засоления выходит из оборота 200-300 тыс. га орошаемых земель. Засоленные земли необходимо промывать пресной водой, но при этом возникает другая проблема - сброса засоленных промывочных вод, которые образуют громадные соленые болота-соры. Сбрасываемые воды насыщены удобрениями, пестицидами и дефолиантами, токсичными для человека и животных.

Различают три вида засоления: первичное, вторичное и третичное.

Первичное засоление происходит под воздействием природных факторов. Например, его могут вызывать растения-галофиты («любящие соль»). Отмечены случаи накопления до 500 кг на 1 га легкорастворимых солей под влиянием такой растительности. Другая причина первичного засоления - близость моря или его отступление (регрессия). При этом ветер захватывает соленую пыль и переносит ее на большие расстояния вглубь континентов. Подобное явление наблюдается в Приаралье, где ветром усиливается вынос солей и пыли с осушенного дна моря и их перенос на территорию региона.

К засолению почвы приводит выпотной водный режим почвы, когда испаряется влаги значительно больше, чем выпадает в виде осадков. В результате образуются солончаки и солонцы.

Первичное засоление в условиях Республики Беларусь практически не встречается (незначительно на осушенных торфяниках Полесья).

Вторичное засоление часто наблюдается в районах орошаемого земледелия. Причиной засоления почвы могут быть сами поливные воды, если они содержат повышенные концентрации растворимых солей. Но наиболее часто засоление происходит вследствие обогащения почвы солями, которые содержатся в грунтовых водах. При увеличенных нормах полива, потерях оросительной воды из каналов повышается уровень грунтовых вод. Одновременно с повышением их уровня происходит подъем влаги по капиллярам почвы, где и накапливаются соли по мере испарения воды. Чем суше климат и чем тяжелее почва по гранулометрическому составу, тем в большей степени выражен этот процесс, тем сильнее проявляется токсичность солей по отношению к растениям.

Орошение без учета поливных норм и погодных условий вегетационного периода приводит к накоплению солей в пахотном слое почвы, что порой не только снижает плодородие почвы, но и полностью выводит такие участки из сельскохозяйственного пользования.

В качестве профилактической меры борьбы с вторичным засолением необходим дренаж территории с использованием гончарных, пластмассовых и других труб, укладываемых на глубину 1, 0-1, 8 м с расстоянием между дренами от 5 до 15м.

Полив дождевальными машинами с низкой и средней интенсивностью дождя (до 0, 3 мм/мин.) также безопасен в этом отношении. Перспективны внутрипочвенное, капельное, мелкодисперсное и импульсное орошение. Общее достоинство этих способов — экономия воды. При капельном орошении вода в виде капли подается непосредственно к корням. Применение указанных способов полива предотвращает ирригационную эрозию, поэтому их можно использовать на склонах.

Третичное засоление может наблюдаться при хранении солесодержащих отходов, а также при внесении в почву необоснованно высоких доз удобрений. Серьезной региональной проблемой является засоление почвы в местах добычи солей, в городах Солигорске (калийные соли) и Мозыре (поваренная соль). Отходы производства РУП «Беларуськалий» составляют 70% от всего объема образующихся производственных отходов в РБ (составляющих 39, 8 млн.т).

За время существования РУП «Беларуськалий» из сельскохозяйственного оборота изъято около 5000 га земель, в т.ч. около 1440 га под солеотвалы. Высота отвалов достигает 40-80 м, шламохранилищ – 10-15 м, в них накоплено около 350 млн.т отходов. Влияние горных работ сказалось на территории 120-130 км². Произошло засоление грунтовых вод до глубины 80-120 м, просадка земной поверхности, деформация пород над горными выработками и под солеотвалами, появился техногенный солевой карст и сейсмическая активность возросла до 4-5 баллов.

Для решения проблем региона нужно принимать срочные меры. Прежде всего, технологического характера — организовать более комплексную переработку руд. Возможно, стоит загружать отходы назад в выработанные отвалы. Еще один путь - агролесомелиорация: закрепление шламовых “гор” древесной растительностью, определенными солеустойчивыми травами. Должны быть проведены организационные мероприятия: создание различных “буферных” зон, удаление комбината от жилого массива.

Одной из наиболее серьезных проблем является радиоактивное загрязнение земель, образовавшееся в результате Чернобыльской аварии. Загрязнению подверглось 23% территории республики. Изъяты из обращения 265, 4 тыс.га сельскохозяйственных угодий, цезием и стронцием загрязнено 1685 тыс.га лесов. Зона отчуждения площадью 170 тыс. га вошла в состав Полесского государственного радиоэкологического заповедника. На загрязненной территории получение безопасной сельскохозяйственной продукции затруднено, необходимо проводить целый комплекс мероприятий по снижению накопления в ней радионуклидов.

В сложившихся условиях возникла необходимость использования специальных приемов ведения с.-х. производства на загрязненных территориях, обеспечивающих получение продукции с содержанием радионуклидов в безопасных для здоровья количествах.

Ключевым в трофической цепи является звено почва-растение. Связав радионуклиды в почве, мы прерываем их движение по всей цепи. Контрмеры, применяемые на данном этапе, являются наиболее рациональными и эффективными.

Для получения сельскохозяйственной продукции с допустимым содержанием радионуклидов разработаны организационные, агротехнические, агрохимические, технологические и санитарно-гигиенические мероприятия.

1. Организационные мероприятия предусматривают:

-инвентаризацию угодий по плотности загрязнения радионуклидами и составление карт;

-прогноз содержания радионуклидов в урожае и продукции животноводства;

-инвентаризацию угодий в соответствии с результатами прогноза и определение площадей, где возможно выращивание культур для различного использования:

а) на продовольственные цели;

б) для производства кормов;

в) для получения семенногоматериала;

г) на техническую переработку;

-исключение угодий из хозяйственного использования;

-изменение структуры посевных площадей исевооборотов;

-переспециализацию отраслей животноводства;

-организацию радиационного контроля продукции;

-оценку эффективности мероприятий и уровня загрязнения урожая после их проведения.

2. Агротехнические и зоотехнические приемы предусматривают:

-увеличение доли площадей под культуры с низким уровнем накопления радионуклидов;

-коренное и поверхностное улучшение сенокосов и пастбищ, включающее культуртехнические мероприятия, посев травосмесей с минимальным накоплением радионуклидов, фрезерование и глубокую вспашку с оборотом пласта верхнего слоя на естественных кормовых угодьях, гидромелиорацию (осушение и оптимизацию водного режима, предотвращение вторичного загрязнения почв за счет комплекса противоэрозионных мероприятий;

- специальную систему кормления животных с применением сорбирующих препаратов.

3. Агрохимические мероприятия предусматривают оптимизацию физико-химических свойств почв посредством:

-известкования кислых почв;

-внесения органических удобрений;

-внесения повышенных доз фосфорных и калийных удобрений;

-оптимизации азотного питания растений на основе почвенно-растительной диагностики;

-внесениямикроудобрений.

4. Технологические приемы включают:

-промывку и первичнуюочистку убранной плодоовощной и технической продукции;

-переработку полученной продукции с целью снижения в ней концентрации радионуклидов;

Опасно загрязнение почвы тяжелыми металлами. Это может происходить при добыче их из недр в результате рассеивания в почвенном слое, а также при аэральных выбросах предприятий, бесхозяйственном размещении отходов, орошении сточными водами, внесении фосфорных и органических удобрений, применении пестицидов и т.д.

К тяжелым металлам относятся химические элементы с атомной массой свыше 40 и плотностью более 6 г/см³. Характер действия большинстваэтих элементов на живые организмы зависит от их дозировки. Так, медь, железо, марганец, молибден и многие другие металлы являются жизненно важными микроэлементами, входят в состав ферментов и других биологически активных веществ. Эти элементы входят в группу умеренно- и малотоксичных металлов. Их токсичность проявляется только при повышенных концентрациях. Тогда эти же вещества способны нарушать обмен веществ, изменять проницаемость клеточной мембраны, образовывать в клетке нерастворимые соединения и т.д. В организме человека и животных тяжелые металлы накапливаются в почках и печени, медленно выводятся, способствуют развитию специфических заболеваний и могут даже приводить к смертельному исходу.

Высокотоксичными тяжелыми металлами являются ртуть, свинец, кадмий и мышьяк (элемент с амфотерными свойствами, полуметалл).

Основными источниками тяжелых металлов являются предприятия черной и цветной металлургии, тепловые электростанции, нефтеперерабатывающие предприятия, транспорт, осадки сточных вод, удобрения, пестициды. Наибольшую опасность представляют промышленные выбросы и выхлопные газы автотранспорта. Тяжелые металлы не образуют летучих соединений и оседают в основном неподалеку от мест их выброса в атмосферу: вблизи предприятий и вдоль автомобильных трасс.Опасный уровень загрязнения почвы тяжелыми металлами отмечается в городах республики на территории 78 тыс.га, вдоль автодорог – 119 тыс.га, возле полигонов ТБО (свалок) – 2, 5 тыс.га.

Если говорить о почве сельскохозяйственных угодий, то почва здесь практически никогда не содержит опасного количества тяжелых металлов, превышающего ПДК. Поскольку многие тяжелые металлы являются жизненно важными микроэлементами (Cu, Zn, Mn, Mo), их даже специально применяют в виде микроудобрений, если содержание их в почве является недостаточным для нормального развития растений.

Для снижения поступления тяжелых металлов из загрязненной почвы в растения рекомендуются следующие мероприятия:

- известкование кислых почв,

- внесение органических удобрений,

- глинование легких почв,

- подбор видов и сортов с невысоким накоплением металлов,

- выращивание не загрязненных почвах культур непродовольственного назначения.

Земли, на которых в результате хозяйственной деятельности уничтожена растительность, изменены гидрологический режим и рельеф местности, разрушен и загрязнен почвенный покров, принято называть нарушенными. Вновь использовать такие земли в хозяйственных целях можно только после их восстановления.

Процесс восстановления нарушенных земель называется рекультивацией.

Рекультивация земель — сложная проблема. Ее решение в значительной мере зависит от конкретных экологических условий нарушенных территорий. Для проектирования рекультивационных работ нужны данные о физико-химическом составе грунта, особенностях гидрологического режима, форме отвалов, крутизне откосов и т.д.

Предприятиям, организациям и учреждениям вменяется в обязанность после торфоразработок, горных, строительных и иных работ за их счет приводить нарушенные земли в состояние, пригодное для использования в сельском, лесном и рыбном хозяйстве.

При добыче полезных ископаемых открытым способом, строительстве животноводческих комплексов, создании орошаемых участков и других работах, связанных с нарушением почвенного покрова, необходимо выполнять требования по снятию, хранению и возврату или перемещению верхнего гумусированного слоя почвы на рекультивируемые земли, а при экологической целесообразности — и на малопродуктивные угодья.

В Беларуси общая площадь нарушенных земель в 2008 г. составила 22, 3 тыс. га. Рекультивация их была проведена на площади около 1, 5 тыс. га. Основным ее видом явились лесопосадки, которые заняли 62% рекультивированной площади.

Мелиорация - комплекс организационно-хозяйственных и технических мероприятий по улучшению гидрологических, почвенных и агроклиматических условий с целью повышения эффективности использования земельных и водных ресурсов для получения высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур.

Мелиорация отличается от обычных агротехнических приёмов длительным и более интенсивным воздействием на объекты мелиорации.

Осушительная мелиорация (гидротехническая) - важный приём, используемый для удаления избыточного увлажнения почв, поддержания определённого водного режима почв, благоприятного для роста и развития растений, пригодного для успешного проведения сельскохозяйственных работ.

Лесомелиорация – создание защитных лесопосадок (для защиты полей от эрозии, рек и озер от загрязнения и т.д.).

Химическая мелиорация предусматривает внесение удобрений на полях, в том числе известковых (для нормализации кислотности почвы).

Культуртехническая мелиорация – очистка полей от камней и кустарников. На пастбищах срезаются скотобойные кочки, уничтожаются кустарники и ядовитые растения, засыпаются землей понижения (лужи, вымочки), которые могут являться источником заболеваний животных.

В Национальный план действий по рациональному использованию природных ресурсов и охране окружающей среды на 2006-2010гг. включены следующие приоритетные направления деятельности в области охраны и использования земель и почв:

создание системы стимулирующих экономических механизмов по эффективному использованию и охране земель;

обеспечение комплексного подхода к планированию, использованию и охране земель, предусматривающего поддержание экологических функций почвы в ландшафтах и реализацию мер по борьбе с деградацией и загрязнением;

оптимизация землепользования путем перепрофилирования низкоплодородных земель, повышения лесистости малолесных районов, развития сети особо охраняемых территорий;

получение достоверной объективной информации о состоянии земель/почв на основе использования современных методов;

разработка и реализация мероприятий по борьбе с деградацией земель;

получение информации о загрязнении почвы в населенных пунктах, выявление типовых загрязнителей для основных видов предприятий республики.

Отличительные особенности агроэкосистем. Агроэкосистема (агроценоз, агробиоценоз, агробиогеоценоз) – искусственно созданная или преобразованная природная экосистема с целью получения сельскохозяйственной продукции. К агроэкосистемам относят поля, огороды, сады, животноводческие комплексы с прилегающими пастбищами, рыбоводные пруды, пасеки и т.д.

Как и любой биогеоценоз, агробиогеоценоз включает три обязательных компонента: растения-продуценты, животные-консументы и микроорганизмы-редуценты, взаимодействующие между содой и со средой обитания. Однако агробиогеоценозы существенно отличаются от естественных биогеоценозов (см. таблицу).

Агроэкосистемы характеризуются малой экологической надежностью, но высокой продуктивностью выращиваемых растений или животных.

Основными проблемами современного сельского хозяйства являются следующие:

Снижение экологической устойчивости агроэкосистем в результате незначительного видового разнообразия и выращивания сортов интенсивного типа. Человек использует в пищу не более 30 видов растений, в то время как потенциально пригодными являются десятки тысяч. Возделываемые в настоящее время сорта растений имеют высокую продуктивность, но она достигается лишь в благоприятных условиях. Эти сорта требуют внесения больших доз удобрений, пестицидной защиты, они сильно страдают от неблагоприятных погодных факторов.

Возрастание энергетических затрат на производство единицы сельскохозяйственной продукции. По данным академика А.А.Жученко на производство 1 пищевой калории (включая затраты на транспортировку, хранение, переработку и реализацию) расходуют 10-15 калорий.

Загрязнение окружающей среды и сельскохозяйственной продукции. Техногенное загрязнение почвы разнообразными поллютантами (радионуклидами, тяжелыми металлами, нефтепродуктами, пестицидами) затрудняет получение экологически безопасной сельскохозяйственной продукции.

Для улучшения сложившейся ситуации необходимо выполнение следующих задач:

1. Повышение устойчивости агроэкосистем при сохранении высокой продуктивности. Это возможно за счет:

- расширения ассортимента возделываемых растений,

- использования поликультур (несколько культур растений на одном поле),

- одновременного выращивания нескольких сортов (сортосмеси),

- создания новых сортов и гибридов, сочетающих высокую продуктивность и устойчивость к стрессам (в том числе методами генной инженерии).

2. Повышение энерго- и ресурсоэффективности растениеводства в результате:

- применения севооборотов с учетом конкретных агроклиматических условий,

- энергесбережения при обработке почвы (комбинированные машины, минимализации обработки почвы, проведения противоэрозионных мероприятий и т.д.),

- рационального применения удобрений (локального внесения, использования комплексных, капсулированных и медленнодействующих удобрений, применения микробиологических препаратов для оптимизации минерального питания растений и т.д.),

- рационального использования поливной воды при орошении (капельное орошение, системы двустороннего регулирования влаги в почве).

3. Получение экологически безопасной сельскохозяйственной продукции за счет:

- зонирования территории республики по уровню загрязнения поллютантами,

- подбора культур и сортов в соответствии с их накопительной способностью в отношении поллютантов,

- совершенствования технологии возделывания, хранения и переработки продукции,

- контроля над качеством продукции.

Решение данных задач будет способствовать устойчивому развитию сельского хозяйства и обеспечит продовольственную безопасность республики.