Экологические проблемы малых водных экосистем

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3. С.-х.  угодья как основные источники поступления биогенных веществ в водные экосистемы.

1.3.1. Влияние минеральных удобрений на почвенные экосистемы.

Минеральные удобрения  оказывают сложное воздействие  на почву. Они могут вызывать подкисление  или подщелачивание среды, улучшать или ухудшать агрохимические и физические свойства почвы, вытеснять обменные ионы в почвенный раствор, способствовать или препятствовать химическому поглощению катионов (биогенных или токсических элементов), способствовать минерализации или синтезу гумуса почвы, усиливать или ослаблять действие других питательных элементов почвы или удобрений, мобилизовать или иммобилизовать питательные и токсические элементы почвы, вызывать антогонизм или синергизм питательных элементов, следовательно, влиять на их поглощение и метаболизм в растениях[8].

 В минеральных  удобрениях кроме основных элементов  содержится много примесей –  соли тяжелых металлов, органические  соединения и радиоактивные вещества.

 Тяжелые  металлы – один из самых  опасных загрязнителей окружающей  среды. К ним относятся Cd, Hg, Pb,As, Ni, Cu, Zn, Cr и др. Такие металлы как Pb, Cd, Hg  и некоторые другие, в разной степени, но хорошо адсорбируются пахотным слоем, особенно при высоком содержании гумуса и на тяжелых почвах[1].

Примесей тяжелых  металлов, как по набору, так и по концентрации больше содержат фосфорные удобрения, а также удобрения, получаемые с использованием экстракционной ортофосфорной кислоты (аммофос, аммофоска, нитрофоска, двойной суперфосфат).

С минеральными удобрениями в почву могут  поступать: As, в двойном суперфосфате его содержится до 320 мг/кг, простом – до 300 мг/кг, в комплексных азотно-фосфорных удобрениях- до 47, азотно-фосфорно-калийных – до 59 мг/кг; с 1 кг простого суперфосфата в почву вносится также 49 мг Pb, двойного – 38 мг, фосфоритной муки – до 20 мг, со сложными удобрениями – 140-150 мг. Двойной суперфосфат содержит 3,5 мг/кг, простой – 2,2 мг/кг Cd, аммиачная селитра – до 60 мг/кг.

Вместе с  минеральными удобрениями в почву  вносится фтор. Его содержат фосфорные  и некоторые комплексные удобрения. С каждой тонной простого суперфосфата в почву попадает 6,2 кг, двойного – 4 кг фтора. В среднем на 10 единиц фосфора в почву вносится 1 единица фтора. Ежегодно в мире с фосфорными удобрениями в почву вносится ~ 3 млн. тонн фтора[19].

С калийными удобрениями в почву попадает хлор (КCl, калийная соль и  др.). Большие его концентрации отрицательно влияют на урожай и качество картофеля, льна, гречихи, винограда и др. культур. При высоком содержании хлора угнетается или прекращается активность окислительных ферментов пироксидазы, полифенолоксидазы и цитохромоксидазы.

Высокие дозы азотных  удобрений резко снижают продуктивность свободноживущих микроорганизмов. Депрессия длится 2-2,5 месяца после  внесения удобрений, затем уровень  азотфиксации восстанавливается. В почвах с высоким содержанием гумуса (больше 2,5%) депрессия не наблюдается.

Существенный  недостаток многих минеральных удобрений, особенно азотных, их физиологическая  кислотность, а также наличие  остаточной кислоты вследствие несовершенства технологии производства. Интенсивное применение таких удобрений в севообороте приводит к заметному подкислению почв, созданию неблагоприятных условий для роста растений. При таких условиях ускоряется вымывание из пахотного слоя Ca и Mg, ненасыщенность почв основаниями, в целом снижается плодородие почвы.

Применение  минеральных удобрений может  не только мобилизировать питательные  элементы, но и иммобилизировать, т.е. связывать их, превращая в недоступную  для растений форму. Например, одностороннее  использование фосфорных удобрений в высоких дозах часто значительно снижает содержание подвижного цинка в почве, вызывая цинковое голодание, что отрицатель сказывается на количестве и качестве урожая[2].

Оптимизация применения удобрений под различные культуры с учетом плодородия почвы существенно снижает поступление токсических элементов в растение.

   При техногенном  загрязнении почвы различными  химическими элементами отмечено  снижение ферментативной активности  в почве. Уменьшается общее  количество бактерий, резко сокращается число актиномицетов и увеличивается количество грибов, падает численность в почве насекомых (жужелиц, чернотелок и др) и дождевых червей. Мутагенная активность загрязненной почвы регистрируется в меристематических клетках корней растений, в 5-10 раз выше, чем в незагрязненной почве.

Таким образом, минеральные удобрения способны загрязнять почву химическими соединениями, оказывать влияние на течение  биохимических процессов [13].

Атмосфера всегда содержит определенное количество примесей, поступающих от естественных и антропогенных источников. Более устойчивые зоны с повышенной концентрацией загрязнений возникают в местах активной жизнедеятельности человека. Антропогенное загрязнение отличается разнообразием видов и многочисленностью источников.

 Главными  причинами загрязнения природной  среды удобрениями, их потерями  и непроизводительного использования  являются:

1) несовершенство технологии  транспортировки, хранения, смешивания  и внесения удобрений;

2) нарушение технологии  их применения в севообороте и под отдельные культуры;

3) водная и ветровая  эрозия почв;

4) несовершенство химических, физических и механических свойств  минеральных удобрений;

5) интенсивное использование  различных промышленных, городских  и бытовых отходов в качестве  удобрений без систематического и тщательного контроля их химического состава[8].

   От применения  минеральных удобрений загрязнение  атмосферы незначительно, особенно  с переходом на использование  гранулированных и жидких удобрений,  но оно имеет место. После  применения удобрений в атмосфере обнаруживаются соединения, содержащие преимущественно азот, фосфор и калий.

Существенное загрязнение  атмосферы происходит также и  при производстве минеральных удобрений. Так, пылегазовые отходы калийного  производства включают выбросы дымовых газов сушильных отделений компонентами которых являются пыль концентратов (КCl), хлористый водород, пары флотриагентов и антислеживателей (аминов). По влиянию на окружающую  среду первостепенное значение имеет азот[2].

Органические вещества, как  солома и сырые листья сахарной свеклы, снижали газообразные потери аммиака. Это можно объяснить содержанием в компосте СаО, обладающего щелочными свойствами, и токсических свойств, способных подавлять деятельность нитрификаторов[11].

Потери его из удобрений  бывают довольно значительными. Он усваивается в полевых условиях примерно на 40%, в отдельных случаях на 50-70%, иммобилизируется в почве на20-30%.

Существует мнение, что  более серьезным источником потерь азота, нежели вымывание, является улетучивание его из почвы и внесенных в нее удобрений в форме газообразных соединений(15-25%). Например, в земледелии Европы 2/3 потерь азота приходится на зимний период и 1/3 на летний[1].

Фосфор как биогенный  элемент меньше теряется в окружающую среду вследствие малой его подвижности в почве и не представляет такой экологической опасности, как азот.

Потери фосфатов чаще всего  происходят в процессе эрозии почвы. В результате поверхностного смыва  почвы с каждого гектара уносится до 10 кг фосфора.

Атмосфера самоочищается  от загрязнений в результате осаждения твердых частиц, вымывания их из воздуха осадками, растворения  в каплях дождя и тумана, растворения в воде морей, океанов, рек и других водоемов, рассеивания в пространстве. Но, как известно эти процессы происходят очень медленно[2].

В последнее время происходит стремительный рост производства минеральных  удобрений и поступление биогенных  веществ в воды суши, создавший  в качестве  самостоятельной проблему антропогенного эвтрофирования поверхностных  вод. Эти обстоятельства, несомненно, имеют закономерную взаимосвязь.

В водоемы поступают стоки, содержащие много соединений азота  и фосфора. Это связано со смывом в водоемы удобрений с окрестных  полей. В результате и происходит антропогенная эвтрофикация таких  водоемов, повышается их неполезная продуктивность, происходит усиленное развитие фитопланктона прибрежных зарослей, водорослей, «цветение воды» и др. В глубинной зоне накапливается сероводород, аммиак, усиливаются анаэробные процессы. Нарушаются окислительно-восстановительные процессы и возникает дефицит кислорода. Это приводит к гибели ценных рыб и растительности, вода становится непригодной не только для питья, но даже для купания. Такой эвтрофированный водоем утрачивает свое хозяйственное и биогеоценотическое значение. Поэтому борьба за чистую воду одна из важнейших задач всего комплекса проблемы по охране природы[3].

Естественные эвтрофированные  системы хорошо сбалансированы. Искусственное  же  внесение биогенных элементов  в результате антропогеннй деятельности нарушает нормальное функционирование сообщества и создает в экосистеме гибельную для организмов неустойчивость. Если в такие водоемы прекратится поступление посторонних веществ, они смогут вернуться в свое первоначальное состояние.

Оптимальный рост водных растительных организмов и водорослей наблюдается при концентрации фосфора 0,09-1,8 мг/л  и нитратного азота 0,9-3,5 мг/л. Более низкие концентрации этих элементов ограничивают рост водорослей. На 1 кг поступившего в водоем фосфора образуется 100 кг фитопланктона. Цветение воды за счет водорослей  возникает только в тех случаях, когда концентрация фосфора в воде превышает 0,01 мг/л.

Значительная часть биогенных  элементов, попадая в реки и озера  со стоковыми водами,  хотя и в  большинстве случаев смыв элементов  поверхностными водами значительно меньший, чем в результате миграции по профилю почвы, особенно в районах с промывным режимом. Загрязнение природных вод биогенными элементами за счет удобрений и их эвтрофикация возникают, прежде всего, в тех случаях, когда нарушается агрономическая технология применения удобрений и не выполняется комплекс агротехнических мероприятий, в целом культура земледелия находится на низком уровне[4].

При применении фосфорных  минеральных удобрений происходит увеличение выноса фосфора с жидким стоком примерно в 2 раза, тогда как с твердым стоком увеличение выноса фосфора  не происходит или даже происходит незначительное его снижение.

С жидким стоком с пахотных земель выносится 0,0001-0,9кг фосфора с  гектара. Со всей территории, занятой  в мире пашней,  что составляет около 1,4 млрд га, за счет применения минеральных удобрений в современных условиях выносится порядка 230 тыс.т фосфора дополнительно.

Неорганический фосфор находится  в водах суши преимущественно  в виде производных ортофосфорной  кислоты. Формы существования фосфора в воде не безразличны для развития водной растительности. Наиболее доступен фосфор растворенных фосфатов, которые при интенсивном развитии растений используются ими практически полностью. Аппатитный фосфор, осаждаясь в донных отложениях, практически не доступен для водных растений и слабо ими используется.

Миграция калия по профилю  почв, имеющих средний или тяжелый  механический состав, значительно затруднена в связи с поглощением почвенными коллоидами и переходом в обменное и необменное состояние.

Поверхностным стоком смывается  преимущественно почвенный калий. Это находит соответствующее  выражение в величинах содержания калия в природных водах и  отсутствии связи между ними и  дозами калийных удобрений.

Что касается азотных  удобрений минеральных удобрений, то количество азота в стоке составляет 10-25% его общего поступления с  удобрениями.

Доминирующими формами азота в воде(исключая молекулярный), являются NO3,NH4,NO2, растворимый  органический азот и азот взвешенных частиц. В озерных водоема концентрация может изменяться от 0 до 4 мг/л.

Однако, по мнению ряда исследователей, оценка вклада азота  в загрязнение поверхностных  и грунтовых вод является, по-видимому, завышенной.

С помощью измерений  и расчетов было оценено, 55-60% азота, найденного в виде нитратов в поверхностных водах, стекающих с водораздела происходит из азотных удобрений.

Азотные удобрения  при достаточном количестве других питательных элементов в большинстве  случаев способствуют интенсивному вегетативному росту растений, развитию корневой системы и поглощению нитратов из почвы. Увеличивается площадь листьев и в связи с этим возрастает коэффициент транспирации, повышается расход воды растением, снижается влажность почвы. Все это снижает возможность промывания нитратов в нижние горизонты почвенного профиля и оттуда в грунтовые воды.

Максимальная  концентрация азота отмечается в  поверхностных водах в период половодья. Количество азота, вымываемого  в течение периода половодья  с водосборных площадей, в значительной степени определяется аккумуляцией соединений азота в снежном покрове[15].

Можно отметить, что вынос как общего азота, так  и отдельных его форм в период половодья выше, чем запасы азота  в снежном покрове. Это может  быть связано с размывом верхнего слоя почвы и вымыванием азота с твердым стоком[12].