Агроэкологический мониторинг

Введение

Гл. 1. Компоненты агроэкологического мониторинга Гл. 2. Эколого-токсикологическая оценка агроэкосистем Гл. 3. Агроэкологическая ситуация в области земледелия Гл. 4. Особенности проведения агроэкологического мониторинга на мелиорированных землях Заключение Список литературы

Агроэкологический мониторинг является важной составляющей общей системы мониторинга и представляет собой общегосударственную систему наблюдений и контроля за состоянием и уровнем загрязнения агроэкосистем (и сопредельных с ними сред) в процессе интенсивной, сельскохозяйственной деятельности.

Основная конечная цель его — создание высокоэффективных, экологически сбалансированных агроценозов на основе рационального использования и расширенного воспроизводства природно-ресурсного потенциала, грамотного применения средств химизации и т. д.

В задачи агроэкологического мониторинга входят:

· организация наблюдений за состоянием агроэкосистем;

· получение систематической объективной и оперативной информации по регламентированному набору обязательных показателей, характеризующих состояние и функционирование основных компонентов агроэкосистем;

· оценка получаемой информации;

· прогноз возможного изменения состояния данного агроценоза или системы их в ближайшей и отдаленной перспективе;

· выработка решений и рекомендаций; консультации;

· предупреждение возникновения экстремальных ситуаций и обоснование путей выхода из них;

· направленное управление эффективностью агроэкосистем.

Основными принципами агроэкологического мониторинга являются:

· Комплексность, т. е. одновременный контроль за тремя группами показателей, отражающих наиболее существенные особенности вариабельности агроэкосистем (показатели ранней диагностики изменений; показатели, характеризующие сезонные или кратко срочные изменения; показатели долгосрочных изменений).

· Непрерывность контроля за агроэкосистемой, предусматривающая строгую периодичность наблюдений по каждому показателю с учетом возможных темпов и интенсивности его изменений.

· Единство целей и задач исследований, проводимых разными специалистами (агрометеорологами, агрохимиками, гидрологами, микробиологами, почвоведами и т. д.) по согласованным программам под единым научно-методическим руководством.

· Системность исследований, т. е. одновременное исследование блока компонентов агроэкосистемы: атмосфера — вода — почва — растение — животное — человек.

· Достоверность исследований, предусматривающая, что точность их должна перекрывать пространственное варьирование, сопровождаться оценкой достоверности различий.

· Одновременность (совмещение, сопряженность) наблюдений по системе объектов, расположенных в различных природных зонах.

Глава 1. Компоненты агроэкологического мониторинга

Основными блок-компонентами агроэкосистем являются атмосфера, вода, почва, растения. Проведение мониторинга по каждому из этих объектов имеет определенные особенности.

Содержание агроэкологического мониторинга:

1…3 — сточные и грунтовые воды;

4,12 — питьевые воды; 5 — выделения; 6 — токсиканты;

7 — корма; 8… 11 — продукты питания

Почвенный экологический мониторинг состоит из трех последовательных взаимосвязанных частей: контроль (наблюдения) за состоянием почв и почвенного покрова и оценка их пространственно-временных изменении; прогноз вероятных изменений состояния почв и почвенного покрова; научно обоснованные рекомендации по направленному регулированию основных средств и режимов в почвах, непосредственно определяющих их плодородие и урожайность сельскохозяйственных культур.

Получаемая на базе мониторинга информация об изменении свойств почвы, почвенных режимов и процессов под воздействием естественных факторов почвообразования и антропогенных нагрузок служит основой для моделирования почвенного плодородия.

Задача мониторинга состояния почвенного покрова — обеспечение регулярного контроля за использованием земель (соответствие природного потенциала земель их производственному назначению); однородностью почвенного покрова полей (контурность, пятнистость, образование микрорельефа и др.); эрозионными процессами (увеличение числа оврагов, дефляция поверхности, перемещение барханов, дюн и др.); оползневыми и селевыми наносами; подсклоновым заилением, заболачиванием, засолением, опустыниванием и другими негативными процессами.

Наблюдения за состоянием почвенного покрова, как правило, осуществляют путем наземного почвенного картирования.

Усиление негативных антропогенных воздействий, обусловливающих нарушение почв и снижение их плодородия, требует включения в программы почвенно-экологического мониторинга следующих задач:

· определение потерь почвы (в том числе скорости потерь) в связи с развитием водной эрозии и дефляции;

· контроль за изменением кислотности и щелочности почв (прежде всего в районах с повышенными дозами внесения минеральных удобрений при осушении и орошении, а также при использовании мелиорантов и промышленных отходов в окрестностях крупных промышленных центров, которые характеризуются высокой кислотностью атмосферных осадков);

· контроль за изменением водно-солевого режима и водно-солевых балансов мелиорируемых, удобряемых или каким-либо другим способом изменяемых почв;

· выявление регионов с нарушенным балансом основных элементов питания растений; обнаружение и оценки скорости потерь почвами гумуса, доступных форм азота и фосфора;

· контроль за загрязнением почв тяжелыми металлами, выпадающими с атмосферными осадками, и за локальным загрязнением их тяжелыми металлами в зонах влияния промышленных предприятий и транспортных магистралей;

· контроль за загрязнением почв химическими средствами защиты растений в районах их постоянного использования (например, на рисовых полях);

· контроль за загрязнением почв детергентами и бытовыми отходами, особенно на территориях с высокой плотностью населения;

· сезонный и долгосрочный контроль за структурой почв и содержанием в них элементов питания растений, за водно-физическими свойствами и уровнем грунтовых вод;

· экспертная оценка вероятности изменения свойств почв при сооружении гидромелиоративных систем, внедрении новых систем земледелия и технологий, строительстве крупных промышленных предприятий и других объектов.

Многообразие природных условий и факторов антропогенных воздействий на почвы, сложность почвенных структур обусловливают необходимость разработки дифференцированных программ почвенно-экологического мониторинга. Начальный этап мониторинга (первая форма) позволяет оценить состояние почв и почвенного покрова, масштабы воздействия антропогенных факторов, направленность и интенсивность развития негативных процессов и выбрать (в соответствии с базовыми принципами мониторинга) объекты для последующих исследований.

Стационарная форма почвенно-экологического мониторинга (вторая форма) реализуется по расширенной программе комплексных исследований свойств и параметров почв, режимов и процессов, протекающих в них.

Для длительных и комплексных наблюдений стационарный участок должен включать группу достаточных по размерам площадок, которые охватывали бы все виды почв, различающихся по степени проявления тех или иных процессов, например, при гидроморфизме мезоморфные почвы вершин повышений, глееватые почвы склонов, глеевые понижения рельефа. То же относится и к немелиорированным массивам. Размеры экспериментальных участков (площадок) трудно определить заранее. Их устанавливают с учетом размеров и состояния элементарных почвенных ареалов, длительности исследований, видов режимных исследований и периодичности наблюдений.

Третья форма мониторинга реализуется по сокращенной программе в процессе маршрутных обследований заранее выбранных участков или маршрутов (по тому же принципу, что и стационаров). При этом основное внимание уделяют репрезентативным диагностическим показателям, наиболее динамично меняющимся во времени (кислотность, ОВП, плотность и структурное состояние почвы, впитывание УГВ и т. д.). Маршрутные обследования пространственно могут быть приурочены к стационарным участкам или их прокладывают по самостоятельным направлениям.

По своему содержанию маршрутная система мониторинга представляет собой форму оперативного контроля за состоянием почв и почвенного покрова, мелиоративных систем, агроэкосистем и продуктивностью земель. Периодичность (частота) маршрутов 1…3 за вегетационный период. В случае выявления негативных процессов (переосушение или подтопление площадей, утечка воды из дрен, изреженность и вымокание посевов, засоление, подкисление, осолонцевание, эрозия и т. д.) составляют соответствующие карты и картосхемы, специальные акты. При обнаружении значительных изменений в свойствах почв и структуре почвенного покрова оценивают целесообразность проведения дальнейших наблюдений на таких участках (территориях).

Четвертая форма мониторинга заключается в сплошном обследовании территории. Выходные информационные материалы при этой форме мониторинга составляют в первую очередь инвентаризационные картографические характеристики, а также картограммы агрохимических обследований и разработанные на этой основе рекомендации по рационализации землепользования.

Получаемые данные о фактическом состоянии почвенных (содержание гумуса, эродированность, рН, засоленность, солонцеватость и др.) и агрохимических (содержание подвижных форм азота, фосфора, калия и др.) свойств, агропроизводственная группировка почв и «почвенные очерки», характеризующие почвы по всему спектру пользования, служат базовыми предпосылками для последующих теоретических обобщений и практических рекомендаций. Последние же должны отражать трансформацию сельскохозяйственных угодий; охрану почв от водной и ветровой эрозии; осушение, орошение и проведение культуртехнических работ; химическую мелиорацию земель (известкование, гипсование и т. д.); рациональные размещения и набор сельскохозяйственных культур; особенности агротехнических приемов и систем применения удобрений с учетом почвенных условий; улучшение сенокосов и пастбищ.

Обязательное условие при осуществлении рассматриваемой формы мониторинга — использование методов картографирования. При этом набор приемов получения исходных данных (от визуальных до космических) должен быть максимально полным.

В зависимости от сложности почвенного покрова для проведения съемок, оценки специализации хозяйств и интенсивности использования земель устанавливают различные масштабы почвенных исследований (лесостепь — 1: 10 000… 1: 25 000; пастбищные угодья в полупустыне — 1: 50 000; орошаемые и осушенные земли — 1: 2000… 1: 5000 и т. д.). Одновременно дифференцируют точность проводимых обследований и составляемых картографических материалов.

В результате длительной распашки, применения удобрений, химических мелиорантов, орошения, осушения и других агротехнических и мелиоративных мероприятий компонентный состав комплексных почвенных контуров изменяется. На это обстоятельство в процессе мониторинга следует обращать серьезное внимание.

Для достижения репрезентативности наблюдений и объективности оценок состояния и изменений почвенно-агрохимических свойств почвенные обследования целесообразно проводить с периодичностью 1 раз в 10…15 лет, а агрохимические — каждые 5 лет. Проведение таких работ повторно, с одной стороны, позволяет устранять недостатки и восполнять пробелы прежних наблюдений, а с другой (что наиболее существенно) — выявлять и фиксировать происшедшие изменения свойств почв и почвенного покрова вследствие природных и антропогенных воздействий.

Объекты мониторинга закладываются во всех земледельческих зонах. Они должны отражать типичные природные и сельскохозяйственные ландшафты и быть приурочены к местам наиболее интенсивного антропогенного воздействия. Параллельно выбирают фоновые территории (участки), представленные природными ландшафтами, почвы которых за последние 40…50 лет не испытывали или испытывали незначительные антропогенные нагрузки. Фоновыми территориями могут служить заповедники.

При выборе объектов мониторинга учитывают специализацию хозяйства, систему земледелия, способы обработки почв, систему севооборотов. Целесообразно выбирать объекты исследования (хозяйства) с разным экономическим уровнем.

Вид и степень антропогенного воздействия на почвы и структуру почвенного покрова также существенно влияют на выбор объектов мониторинга и объекты соответствующих работ. Например, при организации почвенного мониторинга распространения вторичного засоления число наблюдательных участков помимо прочих условий будет зависеть от степени (и, возможно, вида) засоления, уровня грунтовых вод и других специфических факторов. Предположим, что в зоне засоления почв имеются эрозионно опасные земли и источники техногенного загрязнения (к примеру, тяжелыми металлами), тогда в схему объектов мониторинга включают участки, позволяющие учитывать различные масштабы смытости, а также особенности аккумуляции почвой техногенных веществ в зависимости от расстояния до источников загрязнения, вида ценозов и других экологических факторов.

На мелиорированных землях необходимо принимать во внимание способ орошения, тип дренажа, сроки функционирования оросительной или осушительной системы, состав оросительных и дренажных вод.

Одним из основных блок-компонентов агроэкосистем являются растения. В процессе агроэкологического мониторинга фиксируют не только количество и качество урожая в конце вегетации, но данные по всем динамическим показателям его формирования (накопление биомассы; формирование листовой поверхности для последующего расчета использования фотосинтетического потенциала, развитие ассимиляционной поверхности листьев; изменение структуры агрофитоценоза и его оптико-биологическая характеристика с оценкой КПД использования лучистой энергии; закладка и реализация элементов продуктивности растений).

Проведение таких наблюдений позволит уточнить сроки агротехнических и агрохимических мероприятий, контролировать развитие процессов формирования урожая. Зная оптимальные параметры отдельных элементов, можно регулировать их.

При интенсивных технологиях возделывания зерновых культур для целесообразного внедрения различных агротехнических мероприятий, направленных на увеличение урожайности, важен учет не только фаз, но и этапов развития растений.

Для характеристики фотосинтетической деятельности растений оперируют площадью листовой поверхности, которую можно измерять с помощью фитопланиметра или рассчитывать по формуле

S= LDK,

где L — длина листьев; D - ширина листьев; Кпостоянный поправочный коэффициент, равный для пшеницы и ячменя 0,67; для кукурузы 0,75.

Площадь листьев определяют в те же периоды, что и биомассу растений. По полученным данным строят кривые нарастания площади листьев в онтогенезе.

Морфофизиологический метод контроля позволяет в течение онтогенеза наблюдать за формированием основных элементов продуктивности, оценивать фотои биосинтетическую активность посевов. Метод позволяет не только грамотно определять сроки агроэкологических мероприятий, но и объективно оценивать потенциальные возможности растений и степень реализации этих возможностей в зависимости как от применяемой системы удобрений, так и от абиотических факторов.

Выращивание экологически безопасной продукции в условиях накопления тяжелых металлов в почве требует изучения баланса их в целом, а также его расходных статей (вымывание фильтрующимися и поверхностными водами, вынос растениями и др.).Процессы накопления тяжелых металлов в почве, их подвижность и вертикальная миграция по профилю изучены пока недостаточно. Поэтому наряду с исследованиями миграции биогенных элементов из почвы с фильтрующимися водами необходимо изучать миграцию тяжелых металлов (Cd, Zn, Pb, Cr, Cu, Ni и др.) и факторы, влияющие на этот процесс (тип почвы и гранулометрический состав, содержание органического вещества, физико-химические свойства, известкование, применение минеральных и органических удобрений).Факторами формирования качества воды являются химические процессы трансформации и взаимодействия веществ, биохимические, биологические, физико-химические, а также гидрологические.

В химическом составе природных вод можно выделить следующие группы соединений.

1. Ионы, определяющие степень минерализации воды. Это анионы — С1^-, SO₄^2-, HCO₃^-, СО₃^2-, и катионы — Са²⁺, Mg²⁺, К⁺.

2. Биогенные вещества: нитраты (NO^-₃), нитриты (NO^-₂), аммоний (NH⁺₄), фосфаты (РО^3-₄), кремний (Si), органические соединения азота и фосфора.

3. Органические вещества — комплекс истинно растворимых и коллоидных органических соединений.

4. Растворенные газы (0₂, С0₂, Н₂ и др.).

5. Микроэлементы (Li⁺, Pb²⁺, Cs⁺, Ве²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Cr²⁺, Mo, V, Mn, Br^—, J^-, F^-, B).

6. Ионы водорода, определяющие кислотно-щелочное равновесие водных растворов (рН).

7. Радиоактивные элементы. Качество природных вод, контактирующих и взаимодействующих с почвой, тесно связано с почвенными процессами и техногенным воздействием на почву. Под влиянием антропогенных факторов в природных водах могут содержаться различные загрязняющие вещества: нитраты, нитриты, пестициды, фенольные соединения, синтетические поверхностно-активные вещества, тяжелые металлы и т. д.

Атмосферные осадки, вынося из атмосферы вещества-загрязнители, являются фактором экологического риска. Так, наличие в атмосфере окислов серы и азота создает опасность выпадения кислотных дождей.

Анализ химического состава атмосферных осадков необходим для учета поступления элементов на единицу площади при балансовых расчетах. 1]

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 высокихпо 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 элементефосфоре, 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 макрои 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:

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

Оценка соответствия почв нормативным требованиям.

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

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]

Глава 3. Агроэкологическая ситуация в области земледелия

Агроэкологическую ситуацию в области агрохимическая служба отслеживает двумя путями.

1. Наряду с агрохимическими изысканиями проводятся токсикологическое и радиологическое обследование почв. Помимо этого, агрохимцентр тесно взаимодействует с производством. Контролируется качество зерна, овощей, другой пищевой продукции, воды различных источников, а также всех видов кормов для животноводства. Систематически ведется работа по выявлению источников загрязнения окружающей среды.

2. Экологическая ситуация наблюдается регулярно на реперных участках. Они созданы в основных почвенно-климатических зонах области на разных типах почв. Ежегодно 3 раза за вегетацию на таких участках отбираются почвенные и растительные образцы, которые и подвергаются анализам.

Токсикологические наблюдения включают в себя определение в исследуемых объектах остаточных количеств пестицидов, солей тяжелых металлов и нитратов.

Пестициды. При проведении контроля за остаточным количеством пестицидов особое внимание уделяется определению часто используемых в производстве препаратов. В почвах, где интенсивно применяются пестициды, определяют ГХЦГ, ДДТ, аминную соль 2.4-Д, а в последние годы и «ковбой». За всё время исследований остаточных количеств пестицидов в почвах с-х угодий не обнаружено.

Ежегодно анализируется большое количество растительной продукции: зерна, овощей, кормов для животноводства. Здесь также не обнаружено остаточных количеств пестицидов.

Аналогичные результаты получены и при определении качества водных источников.

Тяжелые металлы. С 1992 года начато обследование с-х объектов на содержание солей тяжёлых металлов. С 1995 года все ежегодно обследуемые площади почв анализируются на содержание меди, цинка, свинца и кадмия. В настоящее время известна экологическая ситуация по данным показателям в 9 районах области. Все обследованные почвы относятся к градациям очень низкого и низкого содержания меди, цинка, свинца и кадмия, что соответствует уровню естественного фона. Исключение составляют поля отдельных хозяйств, прилегающие к автострадам республиканского значения, где были выявлены повышенные концентрации свинца — до 130 мг/кг (Новосибирский район).

Тяжёлые металлы (свинец, медь, цинк и кадмий) определяются также в растительной продукции: зерне, овощах, пищевая продукция, кормах для животноводства. За весь период исследований лишь в 1995 году в огурцах закрытого грунта было обнаружено несколько случаев с превышением содержания кадмия и цинка. Следует полагать, что данное обстоятельство связано с применением минеральных удобрений выше нормативных количеств. Анализ почвы грунта также показал повышенное содержание этих токсикантов.

При анализе грубых кормов для животных, к этом же году отмечено 3 случая превышения ПДК по кадмию.

Определение валового содержания солей тяжелых металлов в плодово-овощной и кормовой продукции в другие годы не выявило критических ситуаций.

Нитраты. Известно негативное действие нитратов на здоровье человека и животных. При большом количестве нитратного азота в почве накапливается избыток их в овощах, плодах, картофеле и кормах. Продуктивность культур при этом не падает. Попадая с пищей в организм человека, N0₃ начинают восстанавливаться до нитратов, которые во много раз токсичнее, чем нитраты. Нитраты восстанавливаются примерно на 10−20% от общего количества. Далее нитриты, взаимодействуя с аминами, образуют токсические соединения - нитрозамины, которые обладают канцерогенным и мутагенным действием. Если N0₂ всасывается в кровь, то они образуют метгемоглобин. При содержании метгемоглобина в крови 10−20% у человека может возникнуть слабость, тошнота и рвота, а при 70% наступает летальный исход. При этом, естественно, сильнее страдают дети.

Безопасное суточное потребление NОз человеком составляет до 5 мг/кг его массы.

Главная причина избыточного накопления N0₃ в овощах и картофеле — нарушение технологий применения удобрений: внесение повышенных доз, неравномерное распределение по полю, искажение режимов полива растений, ранняя уборка урожая.

Часть нитратного азота в организм человека поступает с растениводческой продукцией, а часть — с водой. По этой причине так важно отслеживать качество овощей, используемой в быту воды и кормов.

В прежние годы перед агрохимслужбой ставилась задача определять содержание N0₃ во всей производимой в области овощной и плодовой продукции. Сейчас контролируется от 50 до 70% посевов овощей. Поступающая в город извне продукция анализируется только в случае выдачи сертификата органом по сертификации.

В последние годы избытка N0₃ в овощах почти не обнаруживается. Это связано, в основном, с резким сокращением применения в овощеводстве минеральных удобрений. Лишь в нескольких случаях наблюдается превышение ПДК по нитратам в свекле столовой и кабачках ранней уборки. Иногда отмечается избыток N0₃ в огурцах закрытого фунта. В тепличных условиях обычно создается высокий уровень плодородия используемого грунта.

Ежегодно анализируется от 30 до 60 источников воды, применяемой человеком в быту: колодцы, скважины, реки, озёра и пруды для полива овощных участков. За период 1991;1999 г. г. обнаруживались факты превышения ПДК по содержанию N0₃ в пробах из колодцев. Отмечалось даже десятикратное превышение нитратов — 497 мг/л в пробах воды колодцев вблизи животноводческих ферм. Обнаруживается высокое содержание нитратов в частных колодцах, что связано с систематическим применением большого количества органических удобрений на индивидуальных участках. Такой водой поливают огороды, в связи с чем избыток нитратов накапливается в овощах.

В воде источников другого происхождения избытка нитратов не найдено.

В грубых кормах для животноводства опасного содержания N0₃ не обнаруживается. Травы в хозяйствах практически не удобряются. В отдельные годы лишь в силосе и сенаже находится более 500 мг/кг нитратов, что выше ПДК. По пропашным культурам создаются благоприятные условия для накопления большого количества минерального подвижного азота.

Мощным источником загрязнения окружающей среды нитратами являются отходы животноводства.

В связи с экономическим кризисом в последние годы в сильной степени сократилось поголовье скота в животноводстве. Между тем, резко ухудшилась культура ведения самого производства. Частая смена руководителей, нехватка ГСМ и техники нарушили взаимодействие звеньев экологической системы «ферма-поле».

При бесподстилочном содержании животных в продукцию трансформируется лишь очень незначительное количество азота корма. Если оставшийся азот не вовлекается в биологический круговорот, то он становится мощным фактором загрязнения ландшафтов и с-х продукции.

На крупных животноводческих комплексах существующие поля утилизации сильно ограничены в размерах в связи с большими затратами на транспортировку стоков. Они функционируют, как правило, в условиях перегрузки азотом. Даже на малых фермах наблюдается нарушение технологии утилизации и агрономической ориентации их использования — рекомендации внесения в пар под зерновые культуры.

Реальную угрозу экологии в настоящее время представляют действующие крупные птицефабрики. Свежий куриный помет отличается высоким содержанием минеральных форм азота.

Скапливаясь в больших количествах у источников, органика теряет аммиак, смывается ливневыми осадками и талыми водами. Таким образом происходит загрязнение водных источников поверзностного типа. Просачиваясь, органические удобрения приносят избыток нитратов в индивидуальные колодцы и скважины.

Систематическое внесение органики на ближайших, ограниченных по площади, полях вызывает внутрипочвенную миграцию NОз, что в конечном итоге загрязняет грунтовые воды. Кроме того, избыток нитратов накапливается в кормовой продукции и овощах.

По этой причине необходимо реализовывать все имеющиеся средства для предотвращения потерь из удобрений. Так для утилизации жидкого птичьего помёта и навоза необходимо широко использовать компостирование их. [2]

Глава 4. Особенности проведения агроэкологического мониторинга на мелиорированных землях

В районах орошаемого земледелия требуется более обстоятельный учет влияния орошения, средств химизации и других факторов на плодородие почв, урожайность и качество получаемой продукции, минерализацию и загрязнение поверхностных и грунтовых вод.

Задача мониторинга заключается в контролировании, оценке, прогнозировании и управлении состоянием основных показателей плодородия почвы и гидрогеологической среды с целью получения высоких и устойчивых урожаев хорошего качества при минимальных расходах воды и удобрений на единицу продукции, а также предотвращения загрязнения окружающей природной среды. Мониторинг, осуществляемый на базе длительных стационарных опытов и специальных полигонов, целесообразно сопровождать лизиметрическими и микрополевыми опытами с меченым азотом.

Агроэкологический мониторинг проводят во всех зонах орошаемого земледелия с учетом внутризональных почвенных и гидрогеологических особенностей. Набор контролируемых показателей в разных почвенно-климатических зонах может варьировать.

Для изучения динамики содержания подвижных форм элементов питания в почве почвенные образцы необходимо отбирать в основные фазы развития тех или иных культур. Содержание нитратного и аммонийного азота определяют в слоях 0…30, 31…40, 41…60, 61…80, 81… 100 см. В начале и в конце вегетационного периода содержание нитратного азота определяют и в более глубоких слоях (100…120, 121…140, 141…160, 161…180, 181…200см или же до уровня грунтовых вод при близком их стоянии).

Содержание подвижного фосфора и калия по основным фазам развития фиксируют в слоях 0…30 и 31…40 см. Содержание подвижного фосфора и калия, форм этих элементов и степень их подвижности в указанных слоях почвы и до метровой глубины измеряют в начале и в конце вегетации первой и последней культур севооборота.

Содержание подвижных форм микроэлементов, фтора и тяжелых металлов, нитрификационная способность и биологическая активность почвы, содержание легкогидролизуемого азота диагностируют в пахотном слое почвы в начале активной вегетации культур.

В зонах распространения засоленных почв в начале и в конце периода вегетации находят общее содержание водорастворимых солей и состав их в слоях 0…30, 31…40, 41…60, 61…80, 81…100 см или до горизонта грунтовых вод (при глубине их залегания 1,5…2,0 м). При больших глубинах стояния грунтовых вод (З…4м и более) замеры проводят в специальных скважинах. В основании фазы развития культур определяют общее содержание солей, их состав (в том числе содержание нитратов). При наличии дренажной сети фиксируют степень минерализации и состав солей, содержание питательных веществ, остаточное количество пестицидов в дренажных водах.

В зонах распространения солонцеватых почв и солонцов после проведения специальных мелиоративных приемов (внесение гипса или фосфогипса, плантажная или трехъярусная вспашка и другие мероприятия) в начале и в конце вегетации устанавливают содержание обменного натрия в мг-экв/100г и в процентах от емкости поглощения в слоях 0…30, 31…40 и 41…50 см. Кислотность почвы (рН водной и солевой вытяжек) в пахотном слое выщелоченных черноземов, серых лесных и дерново-подзолистых почв следует оценивать в начале вегетации.

При выращивании сельскохозяйственных культур по технологиям, предусматривающим применение пестицидов, в конце вегетационного периода в пахотном слое почвы диагностируют содержание остатков этих препаратов и их метаболитов, нитрозоаминов.

Объемную массу пахотного слоя почвы соотносят с началом и с концом вегетационного периода и проводят по почвенному профилю до глубины 100 см. При этом учитывают продолжительность ротации севооборота. Микроагрегатный состав пахотного и подпахотного слоев (0…30 и 31…50 см) устанавливают в начале вегетации первой и последней культур севооборота, а также культур, размещаемых по пласту и обороту пласта люцерны и клевера. В условиях орошения необходим постоянный контроль за влажностью почвы. Отбирают образцы послойно через 10 см до метровой глубины в период появления всходов, затем через 7…10 сут в период вегетации и перед уборкой, а также перед и после полива.

Валовое содержание N, Р, 0₅ и К₂0, содержание гумуса, наименьшую влагоемкость (НВ), максимальную гигроскопичность, влажность устойчивого завядания, плотность твердой фазы (удельная масса) фиксируют в пахотном (0…30 см) и нижележащих слоях до глубины 1 м (по генетическим горизонтам с указанием их мощности или в слоях 30…40, 41…60, 61…80, 81…100 см) в начале вегетации первой и в конце вегетации последней культур севооборота.

Фракционный состав гумуса, емкость поглощения, состав обменных оснований, гидролитическую кислотность (в кислых почвах), карбонатность, валовое содержание Са, Mg, S, Al, Fe, микроэлементов, фтора, тяжелых металлов определяют в пахотном слое почвы в начале и в конце ротации севооборота.

Для диагностики указанных показателей в необходимые сроки с помощью бура отбирают образцы почвы, составленные смешиванием пяти индивидуальных образцов с пахотного слоя и трех с нижележащих слоев. Влажность почвы определяют в индивидуальных образцах, взятых с трех скважин на делянке (полигоне).

Оценивают также содержание макрои микроэлементов в растениях в основные фазы их развития; содержание в получаемой продукции нитратов, нитритов, нитрозоаминов, остаточного количества пестицидов и их метаболитов, фтора, тяжелых металлов.

Для осушенных почв мониторинг должен включать наблюдения за состоянием и изменением их во времени и в пространстве, оценку состояния почвенного покрова и прогноз возможных его изменений; разработку научно обоснованных приемов регулирования состояния почв и режимов, непосредственно определяющих их плодородие. На осушаемых землях основными процессами, приводящими к отрицательным экологическим последствиям, являются загрязнение растительной продукции нитратами, а кормов избыточным количеством калия, загрязнение почвы тяжелыми металлами, пестицидами и другими нежелательными компонентами. Особое значение приобретают процессы разрушения органического вещества, наблюдаемые прежде всего на торфяных почвах («сработка» торфа).