Курсовая работа: Мінеральні добрива в агроекосистемах та особливості їхнього впливу на довкілля
Людина, що знаходиться на вершині трофічного ланцюга може одержувати продукти з концентрацією токсикантів у 100–10 000 разів вищою, ніж у ґрунті, а період напіввиведення дорівнює сотням років (Cd– 110, Zn– 510, Cu– 1500, Pb– кілька тисяч років). Щороку з мінеральними добривами вноситься 2150 кг кадмію. Крім того, добрива, змінюючи агрохімічні властивості грунту, можуть впливати на рухомість ВМ у ґрунті та надходження їх у рослини.
Поступово нагромаджено дані, які свідчать, що при систематичному застосуванні добрив спостерігають тенденції до підвищення валового вмісту ВМ, на фоні чого відбувається істотне збільшення кількості їхніх рухомих сполук у грунті. Як правило, внесення азотних добрив призводить до підвищення рухомості Mn, Fe, Zn, Cd у ґрунтах і практично не змінює рухомості Сu і Ni, a рухомість РЬ при цьому знижується. Фосфорні добрива зменшують рухомість ВМ у ґрунті в результаті утворення важкорозчинних фосфатів металів. Калійні добрива менше, ніж азотні і фосфорні впливають на зміну рухомості металів.
Фтор. Низкою досліджень показано, що внаслідок тривалого застосування мінеральних добрив у ґрунті відбувається інтенсивне нагромадження фтору. З фосфорними добривами у ґрунт надходить 2– 12 кг/га фтору на рік: при внесенні 60 кг/га Р2 О5 у вигляді суперфосфату до ґрунту може надійти 6–8 кг фтору; внесення 40 кг фосфору у вигляді амофосу супроводжується внесенням 7 кг/га фтору; з кожною тонною фосфоритного борошна – 19–37 кг фтору. Слід зазначити, що застосування фосфорних добрив призводить не лише до підвищення загального вмісту фтору у ґрунті, але й до швидкого нагромадження фтору безпосередньо доступного рослинам, яке, може становити 90%, порівняно з контролем.
Іони фтору, що надходять у ґрунт, доволі енергійно вбираються твердою фазою. Механізми вбирання залежать від хімічних властивостей грунту. У карбонатних ґрунтах та ґрунтах, збагачених розчинними кальцієвими і магнієвими солями, основним механізмом є утворення важкорозчинного CaF2 . У кислих безкарбонатних ґрунтах відбувається аніонний обмін і комплексоутворення з хемосорбцією фторидів на поверхні оксидів та гідроксидів А1 і Fe. Високі концентрації фторидів призводять до істотних змін хімічних властивостей ґрунту. Встановлено, що під їхньою дією знижується кислотність або підвищується лужність ґрунту, зростає вміст водорозчинної органічної речовини, знижуються окисні потенціали, відбувається мобілізація сполук заліза та марганцю. Усе це негативно відбивається на показниках біологічної активності ґрунтів.
Вміст обмінних основ у ґрунті (сума Са і Mg) зменшився на 50%, вміст водорозчинної органічної речовини ґрунту збільшився у 900 разів.
Хлор, У підвищених кількостях хлор негативно впливає на сільськогосподарські рослини. Характер його дії проявляється у зниженні кількості хлорофілу у листі, інтенсивності фотосинтезу, погіршенні водного режиму і транспірації. Хлор має високу здатність до горизонтальної та вертикальної міграції, поряд з цим він може рухатися з висхідними токами води. Негативна дія хлору найбільше проявляється на піщаних ґрунтах, які мають підвищену кислотність. На дерново-підзолистих грунтах в орному шарі при внесенні калійних добрив, що містять хлор, вміст цього елемента може зростати на 60–290% залежно від виду культури, умов зволоження та інших факторів.
Радіонукліди. Мінеральні добрива, що містять фосфор, можуть призводити до збільшення у землях сільськогосподарського використання хімічних елементів, які мають природну радіоактивність. Відомо, що у деяких штатах США концентрація урану-238 у ґрунтах за 80 років застосування фосфорних добрив збільшилася удвічі. Подібне явище спостерігали також у Німеччині, де на окультурених ґрунтах вміст природнорадіоактивних елементів (урану і радію) на 6–9% вище, ніж на неокультурених. У ґрунт з простим суперфосфатом надходить значна кількість стабільного стронцію.
ВБ
Вертикальна і горизонтальна міграція біогенних елементів та токсикантів. Використання мінеральних добрив може істотно змінювати біогеохімічний колообіг речовин, що нерідко призводить до загострення екологічних проблем, у тому числі зумовлених станом підземних та поверхневих вод. Основні джерела забруднення природних вод – промислові підприємства (близько 50%), сільськогосподарські об'єкти (25), комунальне господарство (14) і змішане забруднення (11%). За даними Й. Гриба, М. Клименка, В. Сондак (1999 p.), питома вага поверхневого стоку за лімітуючих джерел забруднення з сільськогосподарських угідь становить 0,25 од., в тому числі токсичних речовин – 0,40, з урбанізованих територій – 0,12 од. У Швеції понад 70% азоту і 50% фосфору надходить у водоймища з сільськогосподарських угідь; у США знайдено високі концентрації азоту (10 мг/л) у річках, що протікають через аграрні райони; У Німеччині 54% азоту надходить у водоймища з сільськогосподарських угідь, 24 – з промисловими скидами і лише 22% – з побутовими стоками. До речовин, що являють загрозу природним водам, належать біогенні елементи і передусім сполуки азоту, а також ВМ, фтор, хлор та ін. Біогенні та токсичні елементи у природні води можуть надходити внаслідок як горизонтальної, так і вертикальної міграції.
Контроль і запобігання цим процесам нині є важливим завданням.
Вертикальна міграція. Вважають, що одним з небезпечних видів забруднення водних джерел є забруднення сполуками азоту
Допустима доза азотних добрив, що убезпечує ґрунтові води – 120 кг/га. Ця доза відповідає даним багатьох агрохімічних експериментів.
Нітратний азот здатний вимиватися з інфільтраційними водами на значну глибину. близько 10 м з максимумом нагромадження на глибині 2–4 м.
Вимивання з ґрунту калію, залежить від типу ґрунту, водного режиму грунту, резервів калію у ґрунті, процесів мобілізації та фіксації калію. Максимальне вимивання калію при внутрішньоґрунтовій міграції на різних типах грунтів безпосередньо з калійних добрив становило 21–30 кг/га, а відносна величина – 21– 25% внесеної дози. Виявлено, що калію вимивається менше, ніж Са2+ і Mg2+ і більше, ніж Na+ і NH4+, а вимивання аніонів, з якими мігрують катіони, підпорядковано такій залежності Сl- > SO4 2~ > NO3 - > РО4 3~ .
Мінеральні добрива впливають на вертикальну міграцію токсичних елементів, але кількісні параметри цього процесу практично не вивчено.
Горизонтальна міграція. Переміщення речовин з водними потоками – найголовніший механізм горизонтального перерозподілу хімічних речовин у агроландшафті. Серед усіх видів горизонтальної міграції найбільшого значення в обміні речовин набули процеси поверхневого водного стоку. Останні 20 років надходження біогенних речовин з поверхневим стоком у водосховища Дніпра збільшилося удвічі. При цьому частка сільгоспугідь у надходженні загального азоту становить 70%, мінерального фосфору – 36%. Внаслідок виносу добрив формується 11% річного стоку хлоридів, 3 – сульфатів, 8 – натрію, калію, 7 – нітратів, 11 – нітритів, 8% – фосфатів. Більшість басейнів малих річок, особливо в зоні Лісостепу і Степу України, продовжують зазнавати доволі великого антропогенного навантаження в результаті сільськогосподарського виробництва.
Загальна площа сільськогосподарських угідь України, що підпадає під вплив водної ерозії становить 13,9 млн га (32% усієї площі). Найбільші площі еродованої ріллі – в східних областях України (65–86%); найменші – в Поліссі (близько 30%).
Дерново-підзолисті й сірі лісові орні ґрунти характеризуються такими середніми значеннями вимивання: N~ NO3 - 10-30 кг/га на рік, Са - 140-180, Mg - 25-40, К - 10-20, Р2О5 – 0,4–1,0, S-SO4 – 40–60. Винос біогенних речовин із сільськогосподарських угідь з поверхневим стоком при внесенні 1 кг д.р. мінеральних добрив на 1 га подано у Таблиці 1.
| Спосіб внесення | Азот | Фосфор |
| Восени під оранку | 0,010 | 0,0013 |
| поверхнево | 0,085 | 0,0310 |
| поверхнево по мерзлому ґрунту | 0,216 | 0,0510 |
| Навесні по талому снігу | 0,866 | 0,5940 |
Зміни якісних та кількісних характеристик біоти ґрунту. Значення ґрунтової біоти – виконує функцію детоксикації різних сполук, які надходять у ґрунт і впливають на стан довкілля. Ґрунтово-біотичний комплекс (ҐБК) представлено вагомою (за масою) і різноманітною (за складом) групою організмів. Органічна речовина грунту містить: мертву органічну речовину (85%), корені рослин (1%) та едафон (5%). До структури едафону входять: бактерії і стрептоміцети (40%), гриби і водорості (40%), дощові черв'яки (12%), інша мікрофауна (5%) і мезофауна (3%). 1 г ґрунту містить 3–90 млн бактерій, 0,1–35 млн стрептоміцетів, 8–1000 тис водоростей, 1,5–6 млн простіших. Під впливом мінеральних добрив іноді спостерігають активізацію ґрунтової мікробіоти, але це явище негативно змінює рівновагу ґрунтової системи, втрачається гумус, знижується його стабільність. Так, із збільшенням доз добрив у дерново-підзолистому важкосуглинковому ґрунті зменшувався процентний вміст целюлозоруйнівних бактерій – з 79 до 29%, у дерново-підзолистому легкосуглинковому грунті – з 60 до 5%. У сіроземно-луговому ґрунті у спільноті мікроорганізмів, які використовують мінеральний азот, збільшилася чисельність і відсотковий вміст стрептоміцетів з 10 до 90%, на дерново-підзолистому легкосуглинковому – з 18 до 64%, на чорноземному ґрунті – з 17 до 85%. На дерново-підзолистому супіщаному ґрунті під впливом тривалого застосування мінеральних добрив спостерігали збільшення чисельності грибів на 23–66% порівняно з контролем. При застосуванні мінеральних добрив спостерігали домінування бактерій роду Pseudomonas і повне зникнення родів Brevibacterium, Moraxella, Alcaligenes, Enterobacteraceae, але водночас виявлено збільшення чисельності грибів роду Trichoderma, Cladosporium, Fusarium, зменшення популяції ґрунтових черв'яків (Eseniafetidd) на 12– 24%, що спричинено підвищенням кислотності ґрунту.
Наслідком горизонтальної і вертикальної міграції біогенних елементів та токсикантів є не лише забруднення природних вод і погіршення їхніх санітарно-гігієнічних показників, але й активізація процесів евтрофікації. Міжнародна комісія з цього питання дійшла висновку, що розсіяні (дифузні) джерела відіграють важливішу роль у їхньому забрудненні біогенними елементами, ніж сконцентровані у межах одного об'єкту. До дифузних джерел забруднення належать мінеральні добрива, внесені на сільськогосподарські угіддя.
Найрозповсюдженішим проявом евтрофікування водоймищ є цвітіння води. Воно властиве всім гіпертрофним водоймам і зумовлено масовим розвитком синьо-зелених ціанобактерій, які продукують токсини. Токсини синьо-зелених ціанобактерій належать до високотоксичних природних сполук, які діють на центральну нервову систему, а також порушують вуглеводневий та білковий обмін.
Токсична дія вод евтрофікованого водоймища може бути зумовлена також нагромадженням нітратів і нітритів. У період активної життєдіяльності та після відмирання водорості поповнюють водоймище значною кількістю азотвмісних речовин, у тому числі й біологічно активними амінами. Останні, при взаємодії з нітратами і нітритами утворюють висококанцерогенні нітрозаміни. Ще одним фактором ризику при використанні евтрофікованих водоймищ є зміна природних умов життя збудників і переносників деяких захворювань (шистоматоз, описторхоз, трипаносомоз), а також створення умов для розвитку проміжних форм збудників та переносників паразитарних захворювань.
Мінеральні добрива, що внаслідок горизонтальної міграції надходять у водоймища, певним чином впливають на гідробіонти. Так, дослідженнями Е. Щербаня, І. Коновця, О. Арсана (2000 р.) було встановлено, що медіальна летальна концентрація (ЛК50) амонійного суперфосфату (Алжир) для D. magna через 24 год дорівнювала 2,01; а через 96 год – 0,97 г/л. Концентрація суперфосфату 500 мг/л у гострих дослідах для С. qfflnis виявилася летальною, вона впливала на тривалість життя церіодафній, на ембріональний розвиток та розмноження. Концентрація суперфосфату 250 мг/л була сублетальною, оскільки порушувала функцію розмноження церіодафній, а при погіршенні умов середовища могла бути і летальною.
Вплив мінеральних добрив на гігієнічну якість сільськогосподарських культур. Ю. Алексеєв ще 1978 р. писав, що застосування мінеральних добрив без урахування вмісту макро- і мікроелементів у ґрунті може призвести до прихованих форм ендемій, у результаті створення екстремальних умов для проявлення дефіциту деяких елементів, необхідних для функціонування організму. Так, високі дози азотних добрив знижують вміст міді у травах до критичної межі, що може супроводжуватися виникненням анемії, захворюваннями кісткової системи, ендемічної атаксії у тварин. Калій, який надходить з добривами, є сильним антагоністом інших лужних і лужноземельних елементів. Внесення концентрованих калійних добрив може спричиняти зміни інтенсивності використання рослинами натрію, кальцію та магнію. Збіднення кормів на магній призводить до гіпомагнієвої тетанії – небезпечного захворювання тварин. Частота випадків залежить від співвідношення калію до суми кальцію і магнію, яке не повинно перевищувати 1,4.
Від доз азотних добрив, насамперед, залежить вміст нітратів в овочевих і кормових культурах. Першим проміжним продуктом відновлення нітратів є нітрити. Рослини звичайно не страждають від надлишку нітратів І нітритів, але ці сполуки доволі токсичні для тварин І людини, особливо нітрити, їхня токсичність у 10 разів вища за нітрати. Слід підкреслити, що у нормальних здорових рослинах нітрити й нітрати у вільному стані не нагромаджуються. При надходженні у рослини вони відновлюються під впливом нітрат- та нітритредуктази. Одержана проміжна речовина – гідроксиламін або аміак, зв'язуються з органічними кислотами, які перетворюються на амінокислоти. Нітрати й нітрити є попередниками потенційних канцерогенів N-нітрозосполук. Епідеміологічними дослідженнями доведено зв'язок між інтенсивністю застосування азотовмісних добрив та рівнем смертності від раку шлунка. Низка експериментальних даних свідчить про канцерогенну небезпеку малих доз нітратів і нітритів у разі систематичного та тривалого їх надходження до організму.
Застосування мінеральних добрив може призвести до нагромадження у рослинах небезпечних для здоров'я ВМ, хоча дані щодо забруднення рослинної продукції ВМ внаслідок застосування мінеральних добрив носять суперечливий характер.
Результати досліджень, проведених у дослідному господарстві ННЦ «Інститут ґрунтознавства та агрохімії» УААН «Комунар» на чорноземі типовому важкосуглинковому, свідчать що різні системи застосування добрив неоднаково впливають на вміст у сільськогосподарській продукції ВМ. При зростанні сумарної кількості мінеральних добрив підвищується вміст ВМ у рослинах – вміст свинцю у коренеплодах буряку цукрового сягав 0,357 мг/кг, що перевищувало рівень ГДК. Близьким до рівня ГДК був вміст свинцю у зерні гороху. Вміст свинцю і кадмію у зерні кукурудзи, гречки, жита озимого був на рівні ГДК або дещо його перевищував.Мінеральні добрива, порівняно з органічними та меліорантами, сприяють активнішому переходу ВМ у рослини.
Поряд з проблемою впливу мінеральних добрив (МД) на нагромадження ВМ, заслуговує на увагу дія МД на нагромадження фтору сільськогосподарськими рослинами. Встановлено тенденцію до меншого використання рослинами фтору із гранульованих добрив порівняно з порошкоподібними. Рослини засвоюють фтор здебільшого із фосфорних добрив, одержаних із фосфоритів, ніж з добрив із апатитів. Вапнування сприяє зниженню надходження фтору із ґрунту і добрив у рослини. При внесенні в ґрунт суперфосфату в дозі 60 кг/га, кількість фтору становила 0,023–0,029% у сухому ґрунті, а в овочах і плодах – 0,10–0,39 мг/кг сирої речовини. При внесенні 90 кг/га Р2О5 вміст фтору у ґрунті збільшився до 0,034%, а в продукції підвищився до 0,48 мг/кг. При внесенні фосфоритного борошна у дозі 600 і 1000 кг/га Р2О5 вміст фтору в бульбах картоплі становив 0,7–0,8 мг/кг (у рослинах контрольного варіанту – 0,5–0,6 мг/кг сухої речовини). Заслуговують на особливу увагу питання нагромадження рослинами радіоактивних елементів при застосуванні мінеральних добрив.
Встановлено, що сільськогосподарські культури, вирощені у звичайних умовах, можуть містити 0,0026–0,02 мг/кг урану-238. Ці кількості урану достатньо низькі, щоб становити загрозу для людини і тварин. Але, у добривах, що містять уран, як правило, присутній продукт розпаду – радій-226 і рівновага у добривах може бути зміщена у бік останнього. Доступність радію, що входить до складу мінеральних добрив, у кілька разів перевищує доступність його з ґрунту. Дослідження проведені на дерново-підзолистому піщаному ґрунті з рівнем забруднення 250 Кі/км2за радіоактивним цезієм показали, що окремі види мінеральних добрив істотно впливали на поглинання радіоактивного цезію ячменем і пшеницею озимою. Внесення аміачної селітри у дозі N120 кг/га сприяло підвищенню інтенсивності вбирання l37Cs удвічі і більше. Застосування гранульованого суперфосфату РІ20 зменшило концентрацію l37Csна 13%. Внесення 40% калійної солі КС1 знизило надходження 137Csу 1,9–2,3 раза. При внесенні повного мінерального добрива нагромадження радіоактивного цезію у зерні було на 8%