Лекция 6 «агроэкосистемы»

Агроэкосистемы - экологическая система, объединяющая участок территории (географический ландшафт), занятый хозяйством, производящим сельскохозяйственную продукцию. В состав агроэкосистем входят: почвы с их населением (животные, водоросли, грибы, бактерии); поля-агроценозы; скот; фрагменты естественных и полуестественных экосистем (леса, естественные кормовые угодья, болота, водоемы); человек.

Основные черты агроэкосистемы определяет человек, который стоит на вершине экологической пирамиды и заинтересован в получении максимального количества сельскохозяйственной продукции. При этом, если человек следует экологическому императиву, он сохраняет почвы, биологическое разнообразие, не допускает сельскохозяйственного загрязнения и получает экологически чистую продукцию, а агроэкосистемы приобретает черты устойчивости (сестайнинга).

Агроэкосистемы — автотрофная экосистема, основным источником энергии для которой является Солнце. Солнечная энергия усваивается растениями-продуцентами и фиксируется в урожае растениеводческой продукции или передается по пищевым цепям консументам, главные из которых — скот, и редуцентам — прежде всего обитающим в почве животным-детритофагам. Перерабатывая органические остатки, они способствуют деятельности микроорганизмов-редуцентов, которые пополняют запас элементов питания, доступных корням растений. Большую роль в агроэкосистеме играют бактерии-азотфиксаторы, из которых наиболее важны виды, симбиотически связанные с бобовыми, так как при обработке почвы плугом биологическая азотфиксация за счет свободноживущих бактерий снижается в 4—5 раз.

В отличие от естественных экосистем агроэкосистемы более открыты, и из них происходит отток вещества и энергии с урожаем, животноводческой продукцией, а также в результате разрушения почв (дегумификация и эрозия почв). Для компенсации этих потерь и контроля состава агроэкосистемы (регулирование плотности популяций сорных растений, насекомых-вредителей и др.) человек вводит в агроэкосистему дополнительные элементы питания (азотные, фосфорные и калийные удобрения) и затрачивает энергию на производство, транспортировку и внесение минеральных и органических удобрений и пестицидов, производство и ремонт сельскохозяйственных машин, горючее и т. д. Однако величина антропогенной энергии даже в наиболее энергонасыщенных хозяйствах составляет менее 1% от энергии Солнца, которая фиксируется растениями агроэкосистемы.

Агроэкосистемы весьма разнообразны и могут различаться по специализации (растениеводческие, животноводческие, комплексные) и по величине вложений антропогенной энергии (экстенсивные, компромиссные, интенсивные). Существуют как небольшие аборигенные фермы, где используется только ручной труд и реже — мускульная сила животных, так и высокомеханизированные хозяйства и скотооткормочные комплексы, потребляющие много антропогенной энергии.

Растениеводческие агроэкосистемы. В экстенсивном хозяйстве используется залежно-переложная система земледелия (в условиях лесной зоны — подсечно-огневая система земледелия). В таких системах происходит постоянная ротация (заменяемость) участков пашни и естественной растительности, в результате чего восстанавливается плодородие почв.

При компромиссном хозяйстве почвовосстанавливающую роль играют посевы многолетних трав и однолетних бобовых культур в севооборотах, а также сидераты (зеленые удобрения). В умеренном количестве используются фосфорно-калийные удобрения, а для контроля плотности насекомых-вредителей — биологические методы защиты растений и система полезных симбиотических связей.

В интенсивном хозяйстве сохраняется та же схема производства, что и при компромиссном, но резко увеличиваются дозы минеральных удобрений, возможны полив и использование пестицидов в высоких дозах. Севообороты упрощаются до двух-трех звеньев и не включают сидератов или используется монокультура. С увеличением вложений антропогенной энергии возрастает риск разрушения почв.

Животноводческие агроэкосистемы. Экстенсивный вариант — это выпас скота на естественных кормовых угодьях (с сенокошением или без него в зависимости от климата). Вложения антропогенной энергии при этом минимальны и сводятся к затратам на жизнеобеспечение пастухов и первичную обработку животноводческой продукции.

При компромиссном варианте корм производится на естественных кормовых угодьях и на пашне (многолетние травы, пропашные культуры и др.), плодородие почв которой поддерживается внесением навоза, возможно использование невысоких доз фосфорно-калийных удобрений.

При интенсивном варианте животноводческая продукция производится на скотооткормочных комплексах, а корма получают с пашни при высоких вложениях энергии и кроме того завозят из других районов (в таких странах, как Нидерланды или Сингапур — даже из других государств). Часть навоза вносится на поля, но его количество оказывается больше, чем можно внести в почву.

Комплексные агроэкосистемы. При низких энерговложениях сохраняется ротация полей и естественных кормовых угодий (часть пашни через определенное время забрасывается для естественного восстановления плодородия, хотя частично оно поддерживается за счет навоза). Минеральные удобрения либо не используются, либо вносятся в низких дозах фосфорно-калийные туки. Обеспечение почвы азотом достигается за счет биологической азотфиксации. Такой вариант хозяйства характерен для альтернативных систем земледелия. По существу такие агроэкосистемы создавал А.Т. Болотов.

При интенсивном варианте производство кормов на естественных кормовых угодьях минимизируется, и с пашни получают как растениеводческую продукцию, так и корм для скота. Дозы вносимых удобрений и пестицидов высокие. Возможен полив. При компромиссном варианте наиболее полно реализуется адаптивный подход. Площадь пашни ограничена, ее плодородие поддерживается навозом, севооборотами и умеренными дозами фосфорно-калийных удобрений. Контроль сорняков, насекомых-вредителей и болезней культурных растений проводится либо биометодом, либо интегрированным методом защиты растений. Скот получает корм как на естественных кормовых угодьях, так и с пашни, поскольку в севооборотах значительное место занимают многолетние травы и кормовые однолетние бобовые культуры. Все это позволяет поддерживать достаточно высокую продуктивность агроэкосистем.

Лекция 7 «СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО В XXI в. ПРОБЛЕМЫ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ».

Главной заботой земледельцев мира по-прежнему остается производство достаточного количества зерна и других продуктов растениеводства для удовлетворения потребностей все возрастающего народонаселения планеты.

Аграрная наука нашла пути значительного повышения продуктивности сельского хозяйства. Во многих странах созданы новые сорта сельскохозяйственных культур с невиданной прежде урожайностью и высокопродуктивные породы животных, разработаны высокоэффективные технологии. Увеличилась производительность труда. Уровень жизни людей существенно возрос, а в развитых странах достиг высоких стандартов.

Однако развитие цивилизации, новейшие достижения науки и техники наряду с грандиозными успехами обусловили возникновение ряда серьезных проблем, из числа которых на первый план как в развитых, так и в развивающихся странах сегодня вышли рост народонаселения и экологическая безопасность.

Нельзя рассматривать судьбу России вне связи с судьбами мира. Запасы и качество природных ресурсов государства определяют в конечном итоге потенциал возможного промышленного и сельскохозяйственного развития страны, предельную численность населения на ее территории, качество жизни людей.

Занимая 13 % площади земного шара, Россия располагает 35 % мировых запасов природных ресурсов и по обеспеченности ими несопоставима ни с одним другим го­сударством. Вместе с тем потребление их в расчете на каждого жителя в 6 раз ниже, чем в США, и в 2 раза ниже, чем в странах Западной Европы, Канаде и Японии. При этом в России проживает менее 3 % землян

Согласно исследованиям Римского клуба ограниченность пространства нашей планеты диктует в конечном итоге и пределы человеческой экспансии. Материальный рост не может быть бесконечным. При решении глобальных проблем все большее внимание придется уделять социально-политическим факторам, вопросам морали. Мировая стратегия развития земледелия в 21 веке будет определяться в первую очередь продолжающимся ростом народонаселения и возможностью ресурсного обеспечения агропромышленного комплекса, необходимого для производства требующихся количеств продуктов питания и сырья для перерабатывающей промышленности.

Для минувшего столетия были характерны высокие темпы роста народонаселения, принявшего взрывной характер. За 100 лет население планеты увеличилось с 1 млрд 620 млн до 6 млрд человек (в 3,7 раза). Ежегодный прирост в первой половине XX в. составлял в среднем 17,9 млн человек, а во второй — 69,7 млн (темпы прироста увеличились в 4 раза).. В настоящее время 64 страны не обеспечивают себя продовольствием, 500 млн человек голодают, около 1 млрд жителей планеты хронически недоедают, 35 тыс. человек ежедневно умирают от голода. Если рост населения планеты будет продолжаться теми же темпами, то высока вероятность того, что он окажется одним из главных (а то и решающих) факторов воздействия на развитие политической, экономической, экологической и социальной сфер общества. Постоянно увеличивающееся народонаселение земного шара требует сегодня и будет требовать завтра непрерывного увеличения производства растительного и животного сырья.

Что касается России, то приходится констатировать, что в России, располагающей обширной территорией, богатыми запасами полезных ископаемых и другими природными факторами, из-за неблагоприятного развития демографической ситуации усложняются возможности использования имеющихся природных богатств, в том числе и природноресурсного потенциала агропромышленной сферы. (Природный капитал России оценивается в 24 трлн долл. США; для сравнения: США — 4,6 трлн, Япония — 0,3 трлн.)

Функционирование агропромышленного комплекса определяется в первую очередь состоянием и перспективами самообеспеченности земельными ресурсами. Параллельно с ростом народонаселения происходит и будет довольно быстрыми темпами продолжаться снижение площади сельскохозяйственных угодий (и прежде всего пашни) в расчете на каждого землянина.

В мире ежегодно выводится из оборота не менее 6 млн га пашни. Огромные площади отчуждаются под растущие города, промышленные объекты, дороги, аэропорты и т. д. Вместе с тем ресурсы новых земель, которые могут быть включены в пахотные, весьма ограничены.В наиболее населенном регионе земного шара — Азии — практически нет неосвоенных земель. Лишь в Африке и Южной Америке имеются земельные ресурсы, еще не освоенные под пашню. Однако согласно экспертным оценкам лишь незначительная часть этих территорий пригодна под сельскохозяйственные угодья. Большинство неосвоенных земельных массивов расположено или в острозасушливых районах (Сахара), или в избыточно увлажненных (бассейн Амазонки), а также на склонах и в других неудобных для ведения сельскохозяйственного производства местах. Поэтому не следует ожидать существенных приростов пашни в мире по крайней мере в первой половине XXI в.

В России в этом смысле ситуация складывается не столь тревожно. На каждого ее гражданина в конце последнего десятилетия минувшего века приходилось примерно по 0,86 га пашни, что в 3,3 раза больше, чем в среднем в мире. Принимая во внимание тенденции развития демографической ситуации, можно полагать, что эта удельная величина в обозримой перспективе не претерпит существенных изменений. Площадь пашни в России за период с 1992 по 1999 г. уменьшилась на 4,7 млн га. Посевные площади за тот же период сократились на 22,93 млн га.

Нельзя упускать из виду, что значительная часть европейской территории России, особенно центральные ее районы, характеризуется высокой распаханностью земель; здесь обрабатывают немалые площади склоновых земель, санитарных зон рек и озер, что чревато серьезными экологическими последствиями.

Рассматривая ресурсное обеспечение АПК, следует помнить о проблеме обеспечения населения и животных питьевой водой, а сельскохозяйственного производства — пресной водой, пригодной для орошения. Во многих регионах земного шара сложилась катастрофическая ситуация из-за недостатка пресной воды.

Вероятность глобальных изменений климата вследствие антропогенных воз­действий также требует разработки соответствующих вариантов стратегии поведения.

Лекция 8 «СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО В XXI в. ПРОБЛЕМЫ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ».

Ситуация со снабжением человечества необходимым количеством продуктов питания уже во второй половине XX в. могла бы стать катастрофической, если бы аграрной наукой не были найдены и реализованы пути значительного и быстрого повышения продуктивности сельскохозяйственных культур на основе интенсификации земледелия.

В середине XX в. свершилась так называемая зеленая революция, основоположником и вдохновителем которой является всемирно известный ученый Норман Борлауг. Решающую роль в повышении продуктивности посевов сыграли два основных фактора — новые сорта интенсивного типа и совершенствование агротехнологий возделывания сельскохозяйственных культур. Это совершенствование заключается прежде всего в существенном увеличении вносимых доз удобрений и средств защиты от сорняков, вредителей и болезней растений.

Оптимизация питания и улучшение фитосанитарного состояния посевов, а также ирригация позволили более полно реализовать генетический потенциал сортов. На основе использования достижений науки были созданы интенсивные технологии возделывания культур, которые позволили аграриям получать невиданные ранее урожаи.

За 40 лет производство зерна в мире возросло в 3 раза (с 630 млн т в 1950 г. до 1970 млн т в 1990 г.). За этот же период использование минеральных удобрений в мире возросло в 10 раз (с 14 до 140 млн т). Среднемировое потребление удобрений возросло с 49 кг питательных веществ на 1 га до 97 кг (почти удвоилось). При этом объемы производства зерна наращивались за счет интенсификации земледелия, а не путем расширения посевных площадей. Валовой сбор зерна за вторую половину XX в. возрос в 2,5 раза, увеличиваясь в ми­ровом масштабе в среднем на 2,1 % в год.

Возможности целенаправленной интенсификации зернового хозяйства наглядно подтверждает опыт США. В 1940 г. США произвели 56 млн т зерна кукурузы с площади 31 млн га при средней урожайности 1,8 т/га. Спустя 50 лет (1992 г.) в США собрали 230 млн т кукурузного зерна с площади 28 млн га при средней урожайности 8,2 т/га. Такой скачок явился следствием внедрения в земледельческую практику технологий, основанных на использовании современных гибридных семян, удобрений и пестицидов.

Результаты исследования многих научных учреждений и опыт внедрения в производство интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур в России в 80-х годах прошлого столетия убедительно показали, что и в нашей стране можно добиться урожайности европейского уровня.

При определении стратегии земледелия на XXI в. особенно остро стоит вопрос о сохранении и приумножении плодородия почв как основы роста продуктивности культур. Чтобы почва не ухудшалась, в нее, как минимум, должно возвращаться все, что выносится с поля с урожаем.

Для достижения высокой продуктивности посевов необходимы грамотные системы земледелия и агротехнологии, обеспечивающие рациональное использование местных почвенно-климатических ресурсов, новые сорта, оптимальное снабжение их всеми необходимыми элементами питания, эффективная защита растений от вредителей, болезней и сорняков.

Закономерен вопрос, сколько же необходимо производить растениеводческой продукции для удовлетворения потребности человечества в продуктах питания. При этом следует подчеркнуть, что производство продуктов питания должно наращиваться при одновременном увеличении численности населения и уменьшении пашни в расчете на каждого жителя Земли.

По данным ФАО, в 1990 г. в мире было произведено 1970 млн т зерна. При численности населения земного шара 5,3 млрд человек в среднем на каждого жителя Земли приходилось по 370 кг зерна в год.

Согласно прогнозам в 2025 г. предполагается собрать 3070 млн т зерна, что при ожидаемом населении в 8,3 млрд человек может обеспечить среднедушевое произ­водство зерна на уровне 475...500 кг. Это возможно при средней урожайности зерновых 4,5 т/га.

Имеющиеся расчеты показывают прежде всего, что душевой уровень обеспе­ченности зерном 300...400 кг на год недостаточен, поскольку, как уже отмечалось, голодает и систематически недополучает необходимый минимум продуктов питания около 1,5 млрд человек.

Достаточно ли производить по 0,5 т зерна на человека в год, как это предполагается достичь в 2025 г.? В свое время академик В. С. Немчинов обосновал, что необходимо производить по 1 т зерна на человека в год. При этом предполагается удовлетворение потребностей не только в хлебе насущном, но и в фураже, семенном материале, резервном зерне и возможностях экспорта. В бывшем СССР в 1990 г. было произведено по 800 кг зерна на человека (в России в 1995 г. — всего по 400 кг). В 1990 г. в КНР был получен ре­кордный урожай зерна, однако на каждого жителя этой страны приходилось всего по 300....350 кг. В этом же году США собрали 312,7 млн т зерна, что в среднедушевом расчете составило более 1000 кг. В Индии на каждого жителя в 1990 г. было произведено всего по 280 кг зерна, хотя был достигнут его максимальный валовой сбор (197,1 млн т). Приведенные данные только подтверждают приводившиеся ранее суждения о чрезвычайной сложности проблемы обеспечения продовольствием.

По нормам рационального питания, разработанным ВОЗ среднее потребление хлеба может колебаться от 80 до 100... 150 кг/год на 1 человека. Естественно, что его потребление может возрасти до 250...300 кг, если в рационе отсутствуют мясо, молоко и другие важные продукты питания.

По-видимому, следует иметь в виду необходимость научно обоснованной дифференциации потребности в продовольствии с учетом особенностей природных условий, этнических и религиозных традиций и т. д. При этом увеличение производства продуктов питания даже в 2...3 раза не решит демографические проблемы цивилизации при нынешних темпах роста населения и человечеству в своем развитии необходимо сознательно выбрать стратегию регулирования численности населения, основанную на снижении рождаемости, ибо смертность регулируется природой и условиями организации жизни общества.

Динамика роста продуктивности возделываемых культур в странах Европы наглядно иллюстрирует прогрессивную роль факторов интенсификации земледелия. В среднем в Европе урожайность пшеницы в XVIII в. составляла 0,7...0,8 т/га. Под влиянием плодосмена и клеверосеяния к середине XIX в. она увеличилась вдвое (до 1,6..Л,7 т/га). В первой половинеXX в. урожайность возросла до 2,3...3,0 т/га, стимулом чему послужили плодосмен и внесение минеральных удобрений. Наконец, во второй половине XX в. урожайность пшеницы достигла 6...8 т/га за счет использования комплекса средств химизации и внедрения новых сортов. Таким образом, за 200...250 лет урожайность зерновых увеличилась в 9... 10 раз.

Средняя максимальная урожайность превышает среднюю минимальную в 8...9 раз. Средняя мировая урожайность, составившая в конце XX в. 3,22 т/га, достигнута лишь в 38 % рассматриваемых тран. С одной стороны, это свидетельствует о потенциальных резервах увеличения производства, а с другой — отражает различия в природном потенциале, без грамотного учета которого не обойтись.

Следует отметить, что в области химизации объективно не может быть общего подхода для различных регионов. В развитых и в развивающихся странах стратегия применения удобрений и других средств химизации в наступившем столетии будет заметно отличаться. При этом в первой группе стран в наступившем столетии развитие процессов химизации возможно путем их оптимизации на основе совершенствования способов питания растений, прецизионного дифференцированного применения на каждом поле с учетом конкретных условий неравномерности почвенного плодородия и фитосанитарного состояния почвы и посевов, экологических ограничений. Стратегия химизации в этих странах должна быть основана на принципе «разумной достаточности» с сохранением и даже превышением уровня продуктивности посевов, достигнутого в конце XX в.

В развивающихся странах, наоборот, объемы применения удобрений, мелиорантов, пестицидов, регуляторов роста растений должны существенно возрастать. Темпы химизации в этих регионах необходимо существенно повышать.

Целесообразность такой стратегии подтверждает пример ряда развивающих­ся стран Азии, одного из самых населенных регионов мира. Дозы внесения минеральных удобрений под зерновые культуры в среднем по региону увеличились от менее 10 кг/га (1981 г.) до 130... 140 кг/га (1991... 1994 гг.). Общий объем применения минеральных удобрений возрос за указанный отрезок времени с 3...5 почти до 70...75 млн т, а производство зерна повысилось с 380 до 830 млн т, то есть более чем в 2 раза.

Сохранение и повышение темпов и объемов применения удобрений и других средств химизации в развивающихся странах в XXI в. явится базой для существенного роста урожайности сельскохозяйственных культур и увеличения валовых сборов зерна и другой растениеводческой продукции для обеспечения потребностей населения в продуктах питания.

Следует отметить, что в России химизация земледелия так и не вышла на уровень стран Западной и Центральной Европы. Уровень применения удобрений в среднем по стране к началу 90-х годов XX в. составлял окол 100 кг NPK. Отдача от удобрений в виде роста урожайности и валовых сборов сельскохозяйственной продукции была и остается недостаточной. Обвальное уменьшение средних доз NPK в России в 90-е годы (9... 10 раз) поставило земледелие страны на грань катастрофы. Баланс питательных веществ повсеместно стал отрицательным. Нарастает кислотность почв. Падает содержание гумуса.

В 1999 г. сельскому хозяйству России было поставлено 1,2 млн т минеральных удобрений в пересчете на 100%-ное содержание питательных веществ, или около 10 кг на 1 га пашни. Соотношение питательных веществ (NPK) составило 1: 0,2 : 0,1, тогда как в 1990 г. было научно обосновано, что их соотношение должно быть 1,0 : 0,9 : 0,5. С органическими удобрениями внесено около 0,7 млн т питательных веществ против среднегодового показателя в 1986... 1990 гг., равного 5 млн т. Несмотря на невысокую урожайность, вынос питательных веществ из почвы в 5 раз превысил их поступление с органическими и минеральными удобрениями.

Согласно экспертным оценкам только из-за сокращения использования минеральных и органических удобрений, известкования в 1999 г. в пересчете на зерно недополучено 90... 100 млн т сельскохозяйственной продукции.

Лекция 9 «СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО В XXI в. ПРОБЛЕМЫ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ».

Учитывая тенденции, сложившиеся в развитии российского земледелия, следует заключить, что без коренных преобразований в сфере АПК, без исправления допущенных диспропорций в развитии экономики страны, без действенной поддержки и защиты своих товаропроизводителей государством любые прогнозы и стратегии будут маловероятными и проблематичными.

Основные задачи, стоящие перед земледелием России, — получение в необхо­димых объемах растениеводческой продукции, стабилизация сельскохозяйственного производства, его интенсификация в целях обеспечения продовольственной безопасности страны. В обществе сложилось мнение о неком «российском» пути развития сельского хозяйства. Все неудачи в АПК стало привычным объяснять и оправдывать особенностями российских погодноклиматических условий, которые якобы и определяют урожайность и валовые сборы растениеводческой продукции. Конечно, агроклиматический потенциал России далеко не оптимален и объективно определяет необходимость значительных суммарных энергетических затрат на развитие сельского хозяйства. Тем не менее опыт ведения земледелия на научной основе в районах, где применяют комплексную химизацию, в хозяйствах, использующих интенсивные технологии, неоспоримо свидетельствовал, что урожайность культур, сопоставимая с их урожайностью в европейских странах, практически достижима на всей территории европейской части России.

Существуют реальные пути научно обоснованного ведения земледелия, которые позволяют обеспечить высокую продуктивность посевов при сложившихся почвенно-климатических условиях. Вполне очевидно, что основным направлением развития АПК, позволяющим последовательно наращивать производство продовольствия, и в мире, и в России в XXI в. может быть только его интенсификация. Экстенсивные пути развития земледелия при всех их кажущихся малозатратности и ресурсосбережении не могут серьезно приниматься во внимание.

В экстенсивном земледелии, основанном на минимальных вложениях затрат в землю и производство, в максимальной степени используются почвенно-климатические ресурсы. При такой направленности экстенсивное земледелие явно не способствует экологизации производственного процесса. Наоборот, формирование урожаев основывается в первую очередь на расточительном использовании естественного плодородия почв, что ведет к его истощению, так как затраты элементов питания и органического вещества, расходуемых на формирование урожая и отчуждаемых с поля, фактически не компенсируются. Основной же недостаток этой системы земледелия — чрезвычайно низкая продуктивность пашни.

При интенсивном земледелии вклад различных факторов в формирование урожая радикально меняется. Лишь 10 % урожая формируется за счет естественного плодородия почв. Интенсификация и прежде всего оптимизация питания «смягчают» (но не исключают) влияние гидрометеорологических условий на продуктивность культур. (Правда, нельзя упускать из виду, что и эффективность химизации реально зависит от конкретных погодных условий.) Удобрения и средства защиты растений почти на 50 % обеспечивают формирование урожая. Если добавить к этому прирост урожая за счет использования интенсивных сортов и семян высоких кондиций, то получается, что до 3/4 урожая определяется рассмотренными факторами интенсификации. При этом продуктивность пашни должна составить не менее 4,0...5,0 т/га. Такой погектарный сбор полностью согласуется с ожидаемым в 2025 г. мировым производством зерна на уровне около 4 млрд т.

Долговременная направленность развития российского земледелия определяется прежде всего необходимостью стабилизации зернового производства и достижения устойчивости земледелия. При этом по валовому сбору зерна в 2025 г. желательно выйти на 4,0...4,5 % от общего мирового производства.

Для решения столь масштабных задач требуются разработка новых и усовершен­ствование существующих технологий возделывания зерновых культур. При этом принципиально важно, чтобы технологии были адаптированы к реальным условиям каждой территории. Только тогда они обеспечат ожидаемый эффект. Оценивая предлагаемые стратегические направления развития российского земледелия достаточно оптимистически, следует подчеркнуть, что наука уже сегодня располагает технологиями возделывания зерновых культур, позволяющими добиваться урожайности 4... 5 т/га практически в любом регионе европейской части России.

Процветание и благополучие обеспечиваются устойчивым развитием общества, которое определяется сложным комплексом факторов, среди которых наиболее важную роль играют стабильное обеспечение продовольствием и поддержание оптимального состояния окружающей среды.

Ежегодная продуктивность растительности земли составляет примерно 160 млрд т, из которых человек использует чуть больше 5 млрд т, т. е. немногим более 3 % всей первичной продукции. Несмотря на это, история развития человеческого общества свидетельствует о постоянно существующем противоречии при достижении продовольственной и экологической безопасности.

В XX в. научные принципы землепользования нередко подменялись сугубо прагматичным отношением, при этом социальные, энергетические и особенно экологические аспекты развития сельского хозяйства неизменно отодвигались на второй план. Неуправляемое использование природных ресурсов, обеспечившее экономическое благополучие небольшому числу стран, создало реальную угрозу экологической и экономической безопасности населения планеты. Сельскохозяйственное производство становится все бо­лее зависимым от экологических факторов, изменяющихся под его влиянием. В настоящее время экономическое и социальное развитие общества пришли в явное противоречие с ограниченными ресурсовоспроизводящими и жизнеобеспечивающими возможностями биосферы. Налицо истощение ресурсов суши и океана, безвозвратная потеря различных ви­дов растений и животных, техногенное нарушение биогеохимического кругово­рота веществ, загрязнение всех составляющих природной среды, упрощение и деградация экосистем.

В настоящее время практически все виды природопользования, направленные на получение желаемых частных результатов, сопровождаются разветвленными экологическими, эколого-экономическими и эколого-социальными последствиями. Стремясь к сохранению биосферы, необходимо иметь в виду, что не все природные ресурсы возобновляемы, а известная способность к самовосстановлению через биогеохимические циклы, по существу, строго ограничена. Без изменения модели производства и потребления и переориентирования ее на использование природных ресурсов на уровне регенерационной способности динамичный процесс развития в мировом масштабе продолжаться не сможет. Изменение стратегии природопользования путем непрерывного совершенствования ее с целью предотвращения негативных последствий в различных регионах страны и в глобальном масштабе — ключевая научная проблема оптимизации природопользования.

Лекция 10 «ТЕХНОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВЕННО-БИОТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ».

Тяжелые металлы

К тяжелым металлам относят более 40 химических элементов, масса атомов которых составляет свыше 50 а.е.м. Это Pb, Zn, Cd, Hg, Cu, Mo, Mn, Ni, Sn, Co и др. Среди ТМ много микроэлементов, являющихся необходимыми и незаменимыми компонентами биокатализаторов и биорегуляторов важнейших физиологических процессов. Однако избыточ-ное содержание ТМ в различных объектах биосферы оказывает угнетающее и даже токсическое действие на живые организмы.

Источники поступления ТМ в почву делятся на природные (выветривание горных пород и минералов, эрозионные процессы, вулканическая деятельность) и техногенные (добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, влияние автотранспорта, сельского хозяйства и т.д.).

На поверхность почвы ТМ поступают в различных формах. Это оксиды и различные соли металлов, как растворимые, так и практически нерастворимые в воде.

Экологические последствия загрязнения почв ТМ зависят от параметров загрязнения, геохимической обстановки и устойчивости почв. К параметрам загрязнения относятся природа металла, т.е. его химические и токсические свойства, содержание металла в почве, форма химического соединения, срок от момента загрязнения и т.д. Устойчивость почв к загрязнению зависит от гранулометрического состава, содержания органического вещества, кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных условий, активности микробиологических и биохимических процессов и т.д.

Устойчивость живых организмов, прежде всего растений, к повышен-ным концентрациям ТМ и их способность накапливать высокие концентрации металлов могут представлять большую опасность для здоровья людей, поскольку допускают проникновение загрязняющих веществ в пищевые цепи.

При нормировании содержания ТМ в почве должна учитываться полифункциональность почвы. Почва может рассматриваться как естественное природное тело, как среда обитания и субстрат для растений, животных и микроорганизмов, как объект и средство сельскохозяйственного и промышленного производства, как природный резервуар, содержащий патогенные микроорганизмы, как часть наземного биогеоценоза и биосферы в целом.

По вопросу санации почв, загрязненных ТМ, существует два основных подхода. Первый направлен на очищение почвы от ТМ (путем промывок, извлечения ТМ из почвы с помощью растений, удаления верхнего загрязненного слоя почвы и т.п.). Второй подход основан на закреплении ТМ в почве, переводе их в нерастворимые в воде и недоступные живым организмам формы.

Пестициды

В целом в сельском хозяйстве России применяется около 250 наименований химических средств. Все яды, применяемые в сельском хозяйстве как средство борьбы с вредителями и болезнями растений, в большей или меньшей степени ядовиты для животных и человека. Широкое их применение оказывает всевозрастающее влияние не только на растения, но и на все живое население Земли. Примечательно, что лишь небольшая доза пестицидов достигает организмов, действительно подлежащих уничтожению. Значительная же их часть отрицательно действует на полезные организмы, в том числе обитающие в почвах. Ядохимикаты влияют на микрофлору и микрофауну почвы, вызывают замет-ные сдвиги в биохимических и микробиологических процессах, сопровождающихся повышенным образованием и выделением углекислого газа, аммиака, аминокислот и других продуктов метаболизма. При этом изменяется ход и интенсивность процессов распада органических веществ почвы – клетчатки, белка, сахаров. Пестициды снижают качество сельскохозяйственной продукции: ухудшаются хлебопекарные и пищевые свойства муки, повышается «водянистость» мяса. Опасность биоцидного загрязнения биосферы вообще и почв в частности усугубляется тем, что ядохимикаты обнаруживаются только трудновыполнимыми специфическими методами анализа, проявляются через заболевания и гибель организмов.

Перераспределение биоцидов по профилю и в горизонтальном направлении происходит под воздействием почвенной влаги, в результате диффузии с почвенным воздухом, в процессах сорбции и десорбции, миграции растворов, эмульсий, суспензий. Применение ядохимикатов и длительность их сохранения в почве зависят как от химического состава почв, так и от природы самих препаратов. Некоторые ядохимикаты претерпевают различные химические превращения, переходят в другие соединения, иногда более ток-сичные, чем исходные. Например, препарат гептохлор, являющийся сравнительно мало ядовитым инсектицидом, под воздействием микроорганизмов почвы превращается в гептохлорэпатид, ядовитость которого в 4–5 раз выше.

При изучении последствий систематического применения физиологически активных соединений в биоценозах была установлена возможность их превращения в нетоксичные соединения путем полного разложения или образования нетоксичных комплексов. Это явление получило название детоксикации. Вся система использования сельскохозяйственных угодий должна быть направлена на полную и скорейшую детоксикацию всех биоцидов, поступающих в почвы

Управлять процессами разложения пестицидов в почве можно лишь при детальном знании ее свойств и факторов, определяющих эти процессы. Поэтому меры защиты почв от накопления ядохимикатов основываются на детальном изучении свойств почв и поведения токсикантов, их биологической активности, погодно-климатических, агротехнических, геоморфологических условий. Для каждой почвенно-климатической зоны страны должны разрабатываться свои рекомендации по применению и обезвреживанию пестицидов в сельскохозяйственных угодьях с учетом остаточного токсического действия и длительности сохранения их в почве.

Частично судьбу пестицидов в почве удается регулировать агротехническими приемами – обработкой, применением орошения и удобрений, выбором сорта и культуры, способом внесения токсикантов, его глубиной, сроком. В посевах пропашных культур и на паровых участках вследствие лучшей аэрации детоксикация пестицидов, по-видимому, происходит более интенсивно, чем в посевах зерновых. Здесь же необходимо отметить, что корне- и клубнеплоды поглощают и выносят ядохимикаты в больших количествах, нежели другие культуры.

Рекомендовано в ряде случаев заменять сплошную обработку посевов ленточной, которая не уступает первой по эффективности. Приняты меры ответственности за строгим соблюдением правил хранения и расходования ядохимикатов в сельском и лесном хозяйствах страны.

Радионуклиды

Радиоактивность почв обусловлена содержанием в них радионуклидов. Естественная радиоактивность почв вызвана естественными радиоактивными изотопами, которые всегда в тех или иных количествах присутствуют в почвах и почвообразующих породах. Искусственная радиоактивность почв обусловлена поступлением в почву радиоактивных изото-пов, образующихся в результате атомных и термоядерных взрывов, в виде отходов атомной промышленности или в результате аварий на атомных предприятиях. Наиболее часто искусственное радиоактивное загрязнение почв вызывают изотопы 235U, 238U, 239Pu, 129I, 131I, 144Ce, 140Ba, 106Ru, 90Sr, 137Cs и т. д. Интенсивность радиоактивного загрязнения на конкретной территории определяется двумя факторами:

1. 􀂃 концентрацией радиоактивных элементов и изотопов в почвах;

2. 􀂃 природой самих элементов и изотопов, которая в первую очередь детерминируется периодом полураспада.

В экологическом отношении наибольшую опасность представляют 90Sr и 137Cs. Они прочно закрепляются в почвах, характеризуются длительным периодом полураспада (90Sr - 28 лет и 137Cs - 33 года) и легко включаются в биологический круговорот как элементы, близкие к Ca и K. Накапливаясь в организме они являются постоянными источниками внутреннего облучения.

Лекция 11 «ТЕХНОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВЕННО-БИОТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ».

1. Нефтяное загрязнение

В последние годы проблема нефтяных загрязнений становится все боее актуальной. Развитие промышленности и транспорта требует увеличения добычи нефти как энергоносителя и сырья для химической промышленности. А в месте с тем, это одна из самых опасных для природы индустрий. Ежегодно миллионы тонн нефти выливаются на поверхность Мирового океана, попадают в почву и грунтовые воды, сгорают, загрязняя воздух.

Большинство земель в той или иной мере загрязнены сейчас нефтепродуктами. Особенно сильно это выражено в тех регионах, через которые проходят нефтепроводы, а также богатых предприятиями химической промышленности, использующими в качестве сырья нефть или природный газ. Ежегодно десятки тонн нефти загрязняют полезные земли, снижая ее плодородие, но до сих пор этой проблеме не оказывают должного внимания.

Основные загрязнения нефтью происходят в районах нефтепромыслов, нефтепроводов, а также при перевозке нефти по сухопутным и, особенно, морским магистралям.

В районах наземных нефтепромыслов и нефтепроводов периодически происходят локальные утечки нефти и нефтепродуктов, которые не распространяются на большие площади. Гораздо хуже, если утечка происходит из океанической или морской буровой установки или магистрали. В этом случае нефть расползается по воде тончайшей, часто мономолекулярной пленкой на площади в сотни и тысячи квадратных километров, образуя нефтяные пятна. Оказавшись в прибойной зоне, нефтяная пленка выбрасывается на сушу и за-ражает огромные площади побережий, нанося колоссальный вред всему живому в этом районе.

Районы и источники загрязнений нефтью можно условно разделить на две группы: временные и постоянные («хронические»). К временным районам можно отнести нефтяные пятна на водной поверхности, разливы при транспортировке. К постоянным относятся районы нефтедобычи, на территории которых земля буквально пропитана нефтью в результате многократных утечек.

Экологические последствия загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами зависят от параметров загрязнения, свойств почвы и характеристик внешней среды.

К первой группе факторов относятся химическая природа загрязняющих веществ, концентрация их в почве, срок от момента загрязнения и др. Как было отмечено выше, нефть состоит из многих фракций, существенно различающихся между собой по физико-химическим свойствам. Поэтому их поведение в почве различно.

Наибольшей проникающей способностью обладают легкие фракции, которые капиллярными силами затягиваются на глубину до 1 метра. Будучи загрязнена только легкими фракциями, почва со временем может самоочиститься, так как эти фракции обладают низкими температурами кипения и довольно быстро испаряются.

Тяжелые битумные фракции, которые находятся в нефти растворенными в летучих фракциях, проникают не глубже 12 см. При нормальной температуре это твердые аморфные вещества, они адсорбируются из раствора почвенными частицами верхнего слоя, склеивают их, застывают и образуют твердую корку. Такое загрязнение не может быть ликвидировано естественным путем.

Фракции нефти имеют разную токсичность. Поэтому загрязнение тяжелыми фракциями наносит косвенный вред – ухудшает или вообще делает невозможным аэрацию почвы, понижает содержание в почве кислорода, что приводит к снижению количества или вообще вымиранию аэробной части микрофлоры и, наоборот, увеличению числа анаэробов. Наиболее опасно загрязнение именно самой нефтью: при этом легкие фракции проникают вглубь, а тяжелые создают корку на поверхности, не давая первым испариться. В результате все живое в почве просто гибнет, почва теряет свои хозяйственные свойства, становится мертвой.

Ко второй группе факторов принадлежат структура почвы, грануло-метрический состав, влажность почвы, активность микробиологических и биохимических процессов и др.

Чем крупнее частицы почвы, тем легче нефть и нефтепродукты проходят внутрь ее, в ее нижние слои. От структуры почвы также зависит степень аэрации почвы, а следовательно, интенсивность испарения и окисления нефти. Влажная почва отталкивает гидрофобные нефть и нефтепродукты, препятствуя ее впитыванию.

К внешним факторам относятся температура воздуха, ветреность, уровень солнечной радиации и особенно доля ультрафиолетового излучения в свете, растительный покров и пр.

Чем выше температура воздуха, тем выше скорость окислительных процессов, посредством которых разлагается на воздухе нефть. Соответственно в летнее время нефть быстрее разлагается: легкие фракции испаряются, тяжелые окисляются. Зимой, при отрицательной температуре, большинство тяжелых фракций переходят в твердое состояние и вообще не окисляют-ся, поэтому основная часть (если не все) процессов разложения нефти и нефтепродуктов происходят именно летом. Ветер обдувает верхний слой почвы свежим воздухом, создавая динамически повышенную концентрацию кислорода над ней, способствуя окислению. К тому же ветер создает токи воздуха в воздушной системе почвы, по крайней мере той ее части, что осталась после загрязнения. Выветривание верхнего загрязненного и окисленного слоя также содействует дальнейшему очищению. Ультрафиолетовое излучение способствует окислительным реакциям и поэтому сильно ускоряет разложение нефти на поверхности земли и, особенно, на водных гладях.

При сильном нефтяном загрязнении растительный покров обычно вы-мирает. Однако, если загрязнение не очень велико, то он может способствовать очищению почвы. Образующийся от него за несколько лет растительный опад создает над загрязненным слоем чистый гумусовый слой, богатый аэробной микрофлорой, которая может вести окисление лежащих ниже нефтепродуктов.

Для охраны почв от нефтяного загрязнения требуется проведение следующих мероприятий:

0. • Выработка норм допустимого содержания нефти и нефтепродуктов в почве.

1. • Осуществление анализа хозяйственно важных земель (особенно вблизи нефтепроводов, химпредприятий, буровых установок) на содержание в них нефтепродуктов.

2. • Капитальный ремонт или закрытие перечисленных объектов, если установлено, что это предприятие, нефтепровод, буровая установка является источником нефтяного загрязнения.

3. • Наказание лиц, ответственных за произошедшее загрязнение.

4. • Рекультивация и санация земель, загрязненных нефтепродуктами.

Специфика загрязнения земель нефтепродуктами заключается в том, что последние долго разлагаются (десятки лет), на них не растут растения и выживают не многие виды микроорганизмов. Восстановить земли можно путем удаления загрязненного почвенного слоя вместе с нефтью. Далее может следовать либо засев культурами, которые в получившихся условиях смогут дать наибольшее количество биомассы, либо завоз незагрязненной почвы.

Восстановление загрязненной нефтепродуктами земли проходит в три основных этапа:

• удаление загрязненной нефтью почвы;

• рекультивация нарушенного при этом ландшафта;

• мелиорация.

На первом этапе вывозится минимальное количество загрязненной почвы и свозится в места захоронения или используется там, где от нее не требуется плодородных свойств (нанесение дамб и т.п.).

На втором этапе производится завоз нового плодородного слоя и вскрышных пород с хорошими почвообразующими свойствами, формирование нужного рельефа. Характер проведения этих работ зависит от таких факторов как вид последующего использования рекультивируемых площадей, климат, и окружающий рельеф.

На третьем этапе, соответственно, производится приспособление к сельскохозяйственному использованию. Заключается оно, как правило, в обеспечении нужного водного режима, защите от эрозии, оползней и т.д. Третий этап не является обязательным, но поскольку восстановление земель производится в основном под сельскохозяйственные нужды, то он обычно проводится тоже.

Таким образом, нефть представляет собой смесь углеводов и их произ-водных, в целом свыше 1000 индивидуальных органических веществ, каждое из которых может рассматриваться как самостоятельный токсикант. Основной источник загрязнения почвы нефтью – антропогенная деятельность. Загрязнение происходит в районах нефтепромыслов, нефтепроводов, а также при перевозке нефти.

Экологические последствия загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами зависят от параметров загрязнения (химическая природа загрязняющих веществ, концентрация их в почве, срок от момента загрязнения и др.), свойств почвы (структура почвы, гранулометрический состав, влажность почвы, активность микробиологических и биохимических процессов и др.) и характеристик внешней среды (температура воздуха, ветреность, уровень солнечной радиации и особенно доля ультрафиолетового излучения в свете, растительный покров и пр.). Восстановление загрязненных нефтепродукта-ми земель проходит либо засевом культур, устойчивых к нефтяному загрязнению, либо завозом незагрязненной почвы, что осуществляется в три основных этапа: удаление загрязненной нефтью почвы, рекультивация нарушенного ландшафта, мелиорация.

Лекция 12 «ТЕХНОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ»

Некоторое количество питательных веществ, особенно азота в виде нитратов, хлоридов и сульфатов, может проникнуть в грунтовые воды и реки. Следствием этого является превышение норм содержания этих веществ в воде колодцев, родников, что может быть вредным для людей и животных, а также ведет к нежелательному изменению гидробиоценозов и наносит ущерб рыбному хозяйству. Миграция питательных веществ из почв в грунтовые воды в разных почвенно-климатических условиях проходит неодинаково. Кроме этого, она зависит от видов, форм, доз и сроков применяемых удобрений.

В почвах с периодически промывным водным режимом нитраты обнаруживаются до глубины 10 м и более и смыкаются с грунтовыми водами. Это свидетельствует о периодической глубокой миграции нитратов и включении их в биохимический круговорот, начальными звеньями которого являются почва, материнская порода, грунтовые воды. Такая миграция нитратов может наблюдаться во влажные годы, когда для почв характерен промывной водный режим. Именно в эти годы возникает опасность нитратного загрязнения окружающей среды при внесении больших доз азотных удобрений под зиму. В годы с непромывным водным режимом поступление нитратов в грунтовые воды полностью прекращается, хотя остаточные следы соединений азота наблюдаются по всему профилю материнской породы до грунтовой воды. Их сохранности способствует низкая биологическая активность этой части коры выветривания.

В почвах с непромывным водным режимом (южные черноземы, каштановые и др.) загрязнение биосферы нитратами исключается. Они остаются замкнутыми в почвенном профиле и полностью включаются в биологический круговорот.

Лекция 13 «ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ХИМИЗАЦИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА».

Отрицательное действие удобрений на окружающую среду связано прежде всего с несовершенством свойств и химического состава удобрений. Существенными недостатками многих минеральных удобрений являются: наличие остаточной кислоты (свободная кислотность) вследствие технологии их производства; физиологическая кислотность и щелочность, образующаяся в результате преимущественного использования растениями из удобрений катионов или анионов; высокая растворимость туков. Длительное применение физиологически кислых или щелочных удобрений изменяет реакцию почвенного раствора, приводит к потерям гумуса, увеличивает подвижность и миграцию многих элементов.

К значительному недостатку многих минеральных удобрений можно отнести наличие в них тяжелых металлов (кадмия, свинца, никеля и др.). Наиболее загрязнены тяжелыми металлами фосфорные и комплексные удобрения. Это связано с тем, что практически все фосфорные руды содержат большие количества стронция, редкоземельные и радиоактивные элементы. Расширение производства и применение фосфорных и комплексных удобре-ний ведет к загрязнению окружающей среды соединениями фтора, мышьяка. При существующих кислотных способах переработки природного фосфатного сырья степень утилизации соединений фтора в производстве суперфосфата не превышает 20–50 %, в производстве комплексных удобрений – еще меньше. Содержание фтора в суперфосфате достигает 1–1,5, в аммофосе 3–5 %. В среднем с каждой тонной необходимого растениям фосфора на поля поступает около 160 кг фтора. В удобрениях, в отличие от природных фосфатных руд, фтор находится в виде растворимых соединений и легко поступает в растение. Повышенное накопление фтора в растениях нарушает обмен веществ, ферментативную активность (ингибирует действие фосфатазы и др.), отрицательно действует на фото- и биосинтез белка, развитие плодов. Фтористые соединения весьма опасны для здоровья людей и животных. Повышенные дозы фтора угнетают развитие животных, приводят к отравлению; у человека при содержании в воде фтора больше 2 мг/л разрушается эмаль зубов, а при 8 мг/л развивается остеосклероз.

Однако важно понимать, что не сами минеральные удобрения как источники биогенных элементов загрязняют окружающую среду, а их сопутствующие компоненты.

Внесенные в почву растворимые фосфорные удобрения в значительной степени поглощаются почвой и становятся малодоступными растениям и не передвигаются по почвенному профилю. Установлено, что первая культура использует из фосфорных удобрений всего 10–30% Р₂О₅, а остальное количество остается в почве и претерпевает всевозможные превращения. Например, в кислых почвах фосфор суперфосфата в большей части превращается в фосфаты железа и алюминия, а в черноземных и во всех карбонатных почвах – в нерастворимые фосфаты кальция. Систематическое и длительное применение фосфорных удобрений сопровождается постепенным окультуриванием почв.

Известно, что длительное применение больших доз фосфорных удобрений может привести к так называемому «зафосфачиванию», когда почва обогащается усвояемыми фосфатами и новые порции удобрений не оказывают эффекта. В этом случае избыток фосфора в почве может нарушить соотношение между питательными веществами и иногда снижает доступность растениям цинка и железа. Зафосфачивание почв является определенным этапом их окультуривания. Это результат неизбежного процесса накопления «остаточного» фосфора, когда удобрения вносятся в количестве, превышающем вынос фосфора с урожаем. Как правило, этот «остаточный» фосфор удобрении отличался большей подвижностью, доступностью растениям, чем природные фосфаты почвы. При систематическом и длительном удобрении необходимо изменять соотношения между питательными элементами с учетом их остаточного действия: дозу фосфора следует уменьшать, а дозу азотных удобрений (иногда и калийных) увеличивать.

Калий удобрений, внесенный в почву, подобно фосфору, не остается в неизменном виде. Часть его находится в почвенном растворе, часть переходит в поглощенно-обменное состояние, а часть превращается в необменную, малодоступную для растений форму. Накопление доступных форм калия в почве, а также превращение в недоступное состояние в результате длительного применения калийных удобрений зависит в основном от свойств почвы и погодных условий. Так, в черноземных почвах количество усвояемых форм калия под влиянием удобрения хотя и увеличивается, но в меньшей мере, чем на дерново-подзолистых почвах, так как в черноземах калий удобрений больше превращается в необменную форму. В зоне с большим количеством осадков и при поливном земледелии возможно вымывание калия удобрений за пределы корнеобитаемого слоя почвы.

В районах с недостаточным увлажнением, в условиях жаркого климата, где почвы периодически увлажняются и пересыхают, наблюдаются интенсивные процессы фиксации калия удобрений почвой. Под влиянием фиксации калий удобрений переходит в необменное, малодоступное растениям состояние. Большое значение на степень фиксации калия почвами имеет тип почвенных минералов, наличие минералов, обладающих высокой фиксирующей способностью. Таковыми являются глинные минералы. Большей способностью фиксировать калий удобрений обладают черноземы, чем дерново-подзолистые почвы.

Подщелачивание почвы, вызываемое внесением извести или естественными карбонатами, особенно содой, увеличивает фиксацию. Фиксация калия зависит от дозы удобрения: при повышении дозы вносимых удобрений процент фиксации калия уменьшается. В целях уменьшения фиксации почвами калия удобрений рекомендуется вносить калийные удобрения на достаточную глубину, чтобы исключить пересыхание и чаще вносить их в севообороте, так как почвы, систематически удобрявшиеся калием, при новом его добавлении фиксируют его слабее.

Азотные удобрения по взаимодействию с почвой значительно отличаются от фосфорных и калийных. Нитратные формы азота почвой не поглощаются, поэтому они легко могут вымываться атмосферными осадками и поливными водами.

Аммиачные формы азота поглощаются почвой, но после их нитрификации приобретают свойства нитратных удобрений. Частично аммиак может поглощаться почвой необменно. Необменный, фиксированный аммоний, растениям доступен в малой степени. Кроме этого, потеря азота удобрений из почвы возможна в результате улетучивания азота в свободной форме или в виде окислов азота. При внесении азотных удобрений резко изменяется содержание нитратов в почве, так как с удобрениями поступают наиболее легко усвояемые растениями соединения. Динамика нитратов в почве в большей мере характеризует ее плодородие.

Весьма важным свойством азотных удобрений, особенно аммиачных, является их способность мобилизации почвенных запасов, что имеет большое значение в зоне черноземных почв. Под влиянием азотных удобрений органические соединения почвы быстрее подвергаются минерализации, превращаются в легкодоступные для растений формы.

Вредное потенциальное влияние азота, вносимого с удобрениями, может быть сведено к минимуму путем максимального использования азота сельскохозяйственными культурами. Итак, нужно заботиться, чтобы при повышении доз азотных удобрений увеличивалась эффективность использования их азота растениями. Чтобы не оставалось большого количества неиспользованных растениями нитратов, которые не удерживаются почвами и могут вымываться осадками из корнеобитаемого слоя.

Растения имеют свойство накапливать в своих организмах нитраты, содержащиеся в почве в избыточных количествах. Урожайность растений растет, но продукция оказывается отравленной. Особенно интенсивно аккумулируют нитраты овощные культуры, арбузы и дыни.

Сами нитраты не оказывают токсичного действия, но под влиянием некоторых кишечных бактерий они могут переходить в нитриты, обладающие значительной токсичностью. Нитриты, соединяясь с гемоглобином крови, переводят его в метгемоглобин, который препятствует переносу кислорода по кровеносной системе. Развивается заболевание – метгемоглобинемия, особенно опасное для детей. Симптомы заболевания: полуобморочное со-стояние, рвота, диарея.

Изыскиваются новые пути уменьшения потерь питательных веществ и ограничения загрязнения ими окружающей среды. Для уменьшения потерь азота из удобрений рекомендуются медленнодействующие азотные удобрения и ингибиторы нитрификации, пленки, добавки. Вводится капсулирование тонкозернистых удобрений оболочками серы, пластиков и др. Равномерное высвобождение азота из этих удобрений исключает накопление нитратов в почве. Большое значение для окружающей среды имеет применение новых, высококонцентрированных, комплексных минеральных удобрений. Для них характерно то, что они лишены балластных веществ (хлориды, сульфаты) или содержат их незначительное количество. Отдельные факты отрицательного влияния удобрений на окружающую среду связаны с ошибками в практике их применения, с недостаточно обоснованными способами, сроками, нормами их внесения без учета свойств почв.

Таким образом, применение минеральных удобрений является фундаментальным преобразованием в сфере производства вообще и главное в земледелии, что позволило коренным образом в глобальном плане и в нашей стране в частности, решать проблему продовольствия и сельскохозяйственного сырья. Без применения удобрений сейчас сельское хозяйство не мыслимо.

При правильной организации и контроле применения минеральные удобрения не опасны для окружающей среды, здоровья человека и животных. Оптимальные научно-обоснованные дозы увеличивают урожайность растений и повышают количество продукции. К недостатку многих удобрений можно отнести наличие в них тяжелых металлов. Особенно загрязнены ими фосфорные удобрения. Поэтому необходим тщательный сертификационный контроль. Длительное применение физиологически кислых и щелочных туков могут изменить реакцию почвенного раствора. Негативные последствия может иметь избыточное применение азотных удобрений. При этом урожайность растений увеличивается, но продукция оказывается загрязненной нитратами. Особенно интенсивно аккумулируют нитраты овощные культуры, арбузы и дыни. В крови организмов, т.ч. и человека, нитраты, соединяясь с гемоглобином, препятствуют переносу кислорода и вызывают тяжелое заболевание – метгемоглобинемию.

Лекция 14 «МОНИТОРИНГ ОКРУЖАЮЩЕЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ, АГРОЭКОМОНИТОРИНГ».

Термин "мониторинг" появился перед проведением Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде в 1972 г. Под мониторингом было решено понимать систему непрерывного наблюдения, измерения и оценки состояния окружающей среды.

С самого начала в трактовке мониторинга проявились две точки зрения. Многие зарубежные исследователи предлагали осуществлять систему непрерывных наблюдений одного или нескольких компонентов окружающей среды с заданной целью и по специально разработанной программе. Другая точка зрения предлагала понимать под мониторингом только такую систему наблюдений, которая позволяет выделить изменения состояния биосферы под влиянием антропогенной деятельности (т.е. мониторинг только антропогенных изменений окружающей природной среды).

Мониторинг окружающей среды (по определению) - комплексная система наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды. Этим термином называют регулярные, выполняемые по единообразной заданной программе наблюдения природных сред, природных ресурсов, растительного и животного мира, позволяющие выделить изменения их состояния и происходящие в них процессы под влиянием антропогенной деятельности. Экологический мониторинг - таким образом организованный мониторинг окружающей природной среды, при котором: во-первых, обеспечивается постоянная оценка экологических условий среды обитания человека и биологических объектов (растений, животных, микроорганизмов), а также оценка состояния и функциональной целостности экосистем; - во-вторых, создаются условия для определения корректирующих действий в тех случаях, когда целевые показатели экологических условий не достигаются. Все это позволяет нам считать термины "мониторинг", "мониторинг окружающей среды", "экологический мониторинг" - синонимами.

К целям мониторинга относятся: оценка наблюдаемых изменений и выявление эффекта деятельности человека, прогноз предполагаемых изменений состояния окружающей среды, а также принятие решений для предотвращения отрицательных последствий деятельности человека и разработка стратегии оптимального отношения общества к окружающей среде. Задачами мониторинга окружающей среды являются: наблюдение за состоянием и изменением природной среды, а также выявление причин, вызывающих изменения последней.

В настоящее время мониторинг окружающей среды осуществляется прежде всего с целью контроля антропогенного воздействия на биосферу.

Поскольку окружающая среда включает в себя большое количество факторов, способных оказывать влияние на состояние биотической и абиотической компонент биосферы, то мониторинг состояния окружающей среды должен базироваться на следующих независимых элементах: мониторинг окружающей природной среды, мониторинг преобразованной и искусственной окружающей среды, а также мониторинг антропосферы (Бурдин, 1985). В свою очередь каждый из этих элементов подразделяется на некоторое число характерных для него составляющих.

В зависимости от размера охватываемого наблюдениями пространства различают следующие типы мониторинга – глобальный (биосферный или фоновый), региональный и локальный.

Глобальный (фоновый) мониторинг предполагает контроль за общепланетарными изменениями в биосфере, которые связаны с деятельностью человека. Он обеспечивает наблюдение, контроль и прогноз возможных изменений в отношении биосферы как среды для всего человечества и ее изменений, вызванных деятельностью общества.

Основными принципами концепции фонового мониторинга являются комплексность наблюдений и междисциплинарный подход. Программа комплексного мониторинга предусматривает 2 основных взаимосвязанных блока: мониторинг загрязнения элементов экосистем и мониторинг экологических последствий.

Фоновый мониторинг проводится в соответствии с Глобальной системой мониторинга окружающей среды, Международной программой “Наблюдения за планетой”, Программой ЮНЕСКО “Человек и биосфера”, Программой ООН по окружающей среде ЮНЕП, Программой СЭВ в области комплексного фонового мониторинга и т.д.

Его задачи определены в одном из разделов Международной программы “Человек и биосфера”. Среди них следует отметить такие, как:

• установление взаимосвязи между загрязнением, структурой и функционированием экосистем, их звеньев, популяций или отдельных организмов;

• определение перечня тех показателей и измерений, которые необходимы для наблюдения и оценки существующего состояния экосистемы и прогноза изменения его в будущем;

• анализ путей и скоростей преобразования загрязняющих веществ в экосистеме;

• определение критических уровней показателей окружающей среды.

Основной задачей глобального мониторинга являются наблюдения за главными параметрами современной биосферы с целью отслеживания периодических и направленных изменений, оценки экологических значений этих изменений прежде всего для существования и жизнедеятельности человека и выявления их причин.

В число параметров, оцениваемых в соответствии с программой глобального мониторинга входят следующие:

• геофизические характеристики (солнечная радиация);

• содержание в атмосфере озона, парниковых газов, аэрозолей;

• мировой водный баланс и глобальный круговорот воды;

• радиоактивность и трансграничные переносы загрязняющих веществ.

Глобальный мониторинг осуществляется на станциях фонового мониторинга, расположенных в биосферных заповедниках. Именно здесь осуществляются наблюдения за состоянием тех параметров, которые характеризуют современное состояние биосферы и ее антропогенные изменения. Задачами станций является также проведение исследований с целью выработки научно обоснованных нормативных параметров для контроля состояния окружающей среды. данные, получаемые на станциях фонового мониторинга позволяют также разрабатывать научные основы природопользования.

Станции фонового мониторинга существуют во всем мире. На территории стран бывшего СЭВ еще с 1976 г. действовала интегрированная система комплексного фонового мониторинга, которая давала информацию о реальном фоновом загрязнении природной среды, складывавшемся не только под влиянием местных условий, но и в результате трансграничного атмосферного переноса загрязняющих веществ.

Региональный мониторинг (синонимами являются геоэкологический, геосистемный, природно-хозяйственный) дает оценку антропогенного влияния на природную среду в ходе обычной хозяйственной деятельности человека, которая обязательно предполагает тот или иной вид взаимодействия с природой (градостроительство, сельское хозяйство, промышленность, энергетика, лесное хозяйство и т.д.). При региональном мониторинге оценивают взаимодействие человека и природы во всех проявлениях, дают характеристику общего нарушения природной среды, привноса и выноса из природных систем вещества и энергии. Основные цели мониторинга данного типа – изучить естественные ресурсы окружающей среды, используемые в хозяйственной деятельности; оценить происхождение и взаимосвязи процессов и явлений в окружающей среде; предсказать неблагоприятные для людей и биоты изменения окружающей среды.

Региональный мониторинг базируется на геофизических, гео- и биохимических и биологических методах наблюдений. В его систему входит сеть тестовых полигонов, на которых отрабатываются геосистемные тесты типа ПДК, БПЭ (биологическая продуктивность природных экосистем), ЕСО (естественная способность природной среды к самоочистке) и др. Кроме того система данного мониторинга использует сеть станций локального (биоэкологического) мониторинга, в процессе осуществления которого дается оценка влияния окружающей среды на состояние здоровья человека и всего населения в целом.

Региональный мониторинг проводят агро-, гидрометео-, лесоустроительная, сейсмологическая и иные службы.

Локальный (импактный, биоэкологический) мониторинг предполагает контроль за содержанием токсичных для человека химических веществ в атмосфере, природных водах, растительности, почве, подверженных воздействию конкретных источников загрязнения. При этом выявляют как сами источники загрязнения, так и степень загрязнения природной среды. При локальном мониторинге состояние окружающей среды оценивают с точки зрения здоровья человека, что служит наиболее емким, важным и комплексным показателем состояния окружающей среды.

Лекция 15 «КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ ТЕРРИТОРИЙ».

К методам ведения мониторинга относится биологический метод основанный на использовании биоиндикаторов – видов, групп видов или сообществ живых организмов по наличию, степени развития, изменению морфологических, генетических, биохимических и других признаков судят о состоянии, специфических особенностях и свойствах окружающей природной среды и ее компонентов, антропогенных изменениях среды. Например, обилие лишайников свидетельствует об отсутствии в воздушной среде вредных примесей, особенно сернистого газа и соединений свинца.

Биодиагностика включает биоиндикацию и биотестирование. Биоиндикация заключается в оценке качества среды обитания и ее отдельных характеристик по состоянию ее биоты в природных условиях.

Биоиндикация

Поскольку изменения биологических систем довольно часто могут быть обусловлены антропогенными факторами, то само понятие «биоиндикация» можно сформулировать следующим образом: «Биоиндикация – это обнаружение и определение биологически и экологически значимых антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов и их сообществ».

Организмы или сообщества организмов, жизненные функции которых так тесно коррелируют с определенными факторами среды, что могут применяться для их оценки, называются биоиндикаторами.

С помощью биоиндикаторов можно обнаруживать места скоплений в экологических системах различного рода загрязнений; по ним можно проследить скорость происходящих в окружающей среде изменений; только по биоиндикаторам можно судить о степени вредности тех или иных веществ для живой природы. Живые биоиндикаторы имеют ряд преимуществ перед химическими методами оценки состояния окружающей среды, широко применяемыми в настоящее время:

• они суммируют все без исключения биологически важные данные об окружающей среде и отражают ее состояние в целом,

• в условиях хронической антропогенной нагрузки биоиндикаторы могут реагировать на очень слабые воздействия в силу аккумуляции дозы,

• исключают необходимость регистрации физических и химических параметров среды,

• делают необязательным применение дорогостоящих и трудоемких физических и химических методов для измерения биологических параметров ; живые организмы постоянно присутствуют в окружающей человека среде и реагируют на кратковременные и залповые выбросы токсикантов, которые можно не зарегистрировать при помощи автоматической системы контроля с периодичным отбором проб на анализы,

• фиксируют скорость происходящих в окружающей среде изменений,

• указывают пути и места скоплений различного рода загрязнений в экологических системах и возможные пути попадания этих веществ в пищу человека,

• позволяют судить о степени вредности синтезированных человеком веществ для природы и человека и позволяют контролировать действие этих веществ,

• помогают нормировать допустимую нагрузку на экосистемы, различающиеся по своей устойчивости к антропогенному воздействию, так как одинаковый состав и объем загрязнений может привести к различным реакциям природных систем в разных географических зонах.

Наконец, биоиндикаторы вскрывают тенденции развития окружающей среды.

Существует несколько разных форм биоиндикации. Если две одинаковые реакции вызываются различными антропогенными факторами, то это будет неспецифическая биоиндикация. Если же те или иные изменения можно связать с влиянием какого-либо одного фактора, то биоиндикация такого типа называется специфической.

Биоиндикаторы по ответным реакциям на внешние воздействия также могут быть отнесены к нескольким типам. Во-первых, у ряда видов животных существенно меняется численность популяций в условиях нарушения среды. Это будут количественные биоиндикаторы. Наряду с ними есть качественные биоиндикаторы, по присутствию или отсутствию которых также можно дать характеристику биоценоза.

Если индикаторный вид реагирует значительным отклонением жизненных проявлений от нормы, то он является чувствительным биоиндикатором. Если накопление антропогенных воздействий большей частью идет без быстро проявляющихся нарушений, то такой индикатор называется аккумулятивным .

Поскольку чувствительность разных организмов, используемых при биоиндикации, может существенно различаться по времени реакции на один и тот же фактор среды, выделяются следующие типы чувствительности биоиндикаторов:

1 тип – биоиндикатор спустя определенное время после воздействия дает сильную одноразовую реакцию и тут же теряет чувствительность,

2 тип – внезапная и сильная реакция продолжается известное время, после чего резко исчезает,

3 тип – биоиндикатор реагирует с момента появления нарушающего воздействия с одинаковой интенсивностью в течение длительного времени,

4 тип – после немедленной сильной реакции наблюдается ее затухание, сначала быстрое, потом более медленное,

5 тип - при появлении нарушающего воздействия наступает реакция, интенсивно возрастающая до максимума, а после этого постепенно затухающая,

6 тип – реакция пятого типа неоднократно повторяется .

Использование живых организмов в качестве биологических индикаторов на изменение среды вызывает необходимость разработки ряда критериев, на основе которых можно подбирать индикаторные виды. По отношению к животным такими критериями могут быть: доступность в большом спектре местообитаний в течение сезона, невысокая миграционная способность, питание в загрязняемых экосистемах, высокий метаболизм, быстрое чередование генераций. Этим требованиям, а также ряду других в высокой степени удовлетворяют почвообитающие беспозвоночные, составляющие 90—99% биомассы ии 95 % видового состава наземных биоценозов. Они реагируют на антропогенное воздействие более чутко и раньше, чем это можно обнаружить на основе анализов почвы и физических измерений. В сельском хозяйстве по почвенным беспозвоночным можно оценивать влияние пестицидов, минеральных удобрений, агротехники, На урбанизированных территориях они являются биоиндикаторами распространения тяжелых металлов, радионуклидов, кислых осадков, загрязнения воздуха, свидетельствуют об изменениии водного режима почв при мелиорации земель.

Среди биоиндикаторов различают биоиндикаторы уровней загрязнения и биоиндикаторы состояния экосистемы. Первые представляют собой организмы-концентраторы. В них происходит интенсивное накопление (концентрирование) определенных поллютантов. В этом случае оценку загрязненности среды обитания (и биодоступности токсикантов) осуществляют по отклику организмов, выражающемуся в определенных физиологических реакциях и в накоплении токсикантов в определенных органах и тканях. Накопление в организме животных или растений тех или иных загрязняющих веществ существенно отличается. Подобрав биоиндикаторы, активно аккумулирующие в организме интересующее нас в целях мониторинга вещество можно целенаправленно изучать на различных территориях уровни антропогенного загрязнения.

Примеры: лишайники, которые хуже чем высшие растения защищены покровной тканью, поэтому особенно чувствительны к загрязняющим веществам.

Обилие в травостое конского щавеля, осок, лютиковых свидетельствует о значительной кислотности почв.

В Англии специально выведен чувствительный к содержанию озона в воздухе сорт табака Bel W₃. С помощью этого сорта была создана картосхема Британских островов характеризующая их загрязнение озоном. При слабом воздействии озона на растения табака этого сорта через несколько суток по всей поверхности листовой пластинки образуется густая сеть некротических пятен серебристого цвета. В качестве эталона сравнения служит относительно устойчивый к озону сорт табака Bel В.

Лекция 16 «КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ ТЕРРИТОРИЙ».

Биотестирование

Биотестирование представляет оценку (преимущественно в лабораторных условиях) качества объектов окружающей среды с использованием живых организмов

Суть этого метода заключается в определении действия токсикантов на специально выбранные организмы в стандартных условиях с регистрацией различных поведенческих, физиологических или биохимических показателей. Биотестирование широко применяют для контроля качества при проведении экологической экспертизы новых технологий очистки стоков, при обосновании нормативов ПДК загрязняющих компонентов. Применение биотестирования имеет ряд преимуществ перед физико-химическим анализом, средствами которого часто не удается обнаружить неустойчивые соединения или количественно определить ультрамалые концентрации экотоксикантов. Довольно часты случаи, когда выполненный современными средствами химический анализ не показывает наличия токсикантов, тогда как использование биологических тест-объектов свидетельствует об их присутствии в исследуемой среде.

По чувствительности и степени изученности среди других тсст-объектов выделяют дафний, несколько видов микроскопических одноклеточных зеленых водорослей из класса протококковых и пять-шесть видов рыб, как аквариумных (гуппи, данио-рерио), так и мелких аборигенных (голец, гольян). Опыт токсикологического нормирования показывает, что при использовании этих видов биотестированием может быть охвачено более 80 % подлежащих контролю загрязняющих воду химикатов.

Для биотестировапия почвенных образцов применяют дождевых червей, олигохет (кольчатых червей) и различных насекомых. Размножение дождевых червей в значительной степени зависит от наличия в перерабатываемом субстрате пестицидов, тяжелых металлов и других поллютантов. При наличии определенного количества вредных веществ в анализируемой пробе животные сигнализируют о токсичности изменением своего физиологического состояния или смертью.

Изучение гибели дафний в водных экстрактах из загрязненных почв позволило установить, что ракообразные высокочувствительны к загрязнению почвы полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ). Даже сравнительно невысокие (по сравнению с экспериментами на дождевых червях) концентрации ПАУ в почве вызывали 100%-ную гибель биотестов. Концентрации ПАУ в почве, вызывающие 50%-ную гибель дафний (ЛД₅о), составили 5...15 мг/кг почвы.

Большое значение приобретает метод биотестирования при оценке результатов санации (биоремедиации) территорий, загрязненных токсичными химическими веществами. Биотестирование позволяет достаточно быстро и эффективно оценить интегральную токсичность почвы до, во время и после биоремедиации, оценить эффективность технологии биоремедиации, а также показать, что продукта разложении поллютантов являются малотоксичными для окружающей среды. Таким образом осуществляют контроль за экологической безопасностью технологий, применяемых для биорсмедиации.

Лекция 17 «БИОИНДИКАЦИЯ СОСТОЯНИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА»

Биологический способ индикации состояния окружающей среды и се компонентов включает ботанические, зоологические, микробиологические и биохимические методы.

Ботанические методы индикации и диагностики (методы фитоиндикации). В настоящее время эти методы хорошо разработаны и широко используются в практике. Это специальный раздел индикационной геоботаники, дающий хорошие результаты при дистанционном изучении почв, грунтов, грунтовых вод, полезных ископаемых и др. Фитоиндикация заключается в использовании как растительного покрова, так и отдельных сообществ и видов качестве показателя (индикатора) состояния исследуемых компонентой среды.

Флористические признаки отражают различия в флористическом составе изучаемых участков. Они являются следствием приуроченности отдельных видов к определенному комплексу экологических условий. Индикаторные свойства проявляются как в наличии, так и в отсутствии того или иного вида.

Например, по отношению растений к кислотности почв установлены группы растений, характеризующие приуроченность отдельных их видов к определенным значениям рН. Наиболее кислым почвам (рН 3,0-4,5) соответствуют крайние ацилофилы: белоус, скерда тупоконечная, сит ник тощий, щучка.

Но отношению к засолению почв различают растения незасоленных территорий — гликофиты и приспособленные к обитанию на засоленных почвах — галофиты. К последним относятся солянки, верблюжья колючка, некоторые виды полыни, саксаул.

Примером индикатора богатых питательными веществами почв является крапива.

Морфологические признаки проявляются в изменениях окраски и формы листьев, строения корневой системы, ширины годичных колец деревьев; в особенностях строения проводящей ткани; в различиях в строении отдельных клеток и тканей; в различных аномалиях.

Фшпоценотические признаки связаны с особенностями структуры растительного покрова (обилие и рассеянность, ярусность, мозаичность).

почвенно-зоологическая индикация

Наиболыисс влияние на состав почвообитающих животных оказывают такие свойства почв, как гранулометрический состав и сложение, содержание и характер органических остатков и гумуса, реакция (рН) почвы и содержание карбонатов, гидротермический и солевой режимы.

микробиологическая индикация

Среди применяемых биологических методов индикации наиболее чувствительными являются микробиологические, что обусловлено исключительно высокой чувствительностью микроорганизмов к малейшим изменениям в состоянии окружающей природной среды и ее компонентов.

Среди микроорганизмов выявлены виды, характеризующие как определенное состояние компонентов окружающей среды, так и изменения в функционировании микробоценозов в различных экологических условиях.

Например, индикатором глубины минерализационных процессов является соотношение северных и южных видов бацилл. В экосистемах, где слабо протекают процессы трансформации органического вещества доминантами выступают северные виды: В. cereus, В. virgulus, В. agglomeratm. О глубокой минерализации органического вещества свидетельствует преобладание южных видов, таких как B. mesentericus, B. sutilis.

В последние годы значительное внимание уделяют индикации состояния экосистсм, подвергающихся антропогенному загрязнению. Изучают такие показатели, как биохимическое, физиологическое и морфологическое изменения микробиоты; динамика численности микроорганизмов; видовой состав; интенсивность функционирования; мутагенные эффекты и т.д.

Изменения морфологических и биохимических признаков внутри вида достаточно адекватно отражают нарушения в состоянии окружающей природной среды. Так, при наличии в почве высоких доз свинца (более 8000 мг/кг) изменяется морфологическое строение В. mycoides. Скрученные, извилистые гифообразные выросты распрямляются и становятся вытянутыми.

В последние годы серьезное внимание исследователей привлекает проблема ландшафтной индикации загрязнения природной среды, суть которой заключается в том, что по состоянию ландшафта и его морфологической структуры выявляется уровень загрязнении среды обитания, характер техногенной трансформации. При этом индикаторами загрязнения могут служить степень нарушенности природного комплекса на уровне перестройки и ломки морфологической структуры за счет выпадения, антропогенного преобразования и модификации составных частей ландшафта (природные комплексы разного ранга, состояние отдельных компонентов или элементов — атмосферы, вод, почв, растений, животных, литосферы). По сравнению с биоиндикацией и биотестированием ландшафтная индикация требует не только установления компонентов-индикаторов, но и выявления показателей нарушенности вертикальных и горизонтальных связей в ландшафтах. Знание свойств морфоструктуры ландшафта, возможной глубины ее изменений имеет принципиально важное значение для прогноза его состояния при том или ином воздействии и модифицировании. Приведенные обстоятельства играют, несомненно, ключевую роль в решении задач формирования агроландщафтов и систем земледелия на ландшафтной основе.

Лекция 18 «ОПТИМИЗАЦИЯ АГРОЛАНДШАФТОВ»

В лексикон экологии относительно недавно вошли еще два термина, обозначающие понятия, которые имеют особую важность для разработки программы выживания человечества на планете. Это понятия "продовольственная безопасность" - (F.S.) food security и “емкость выживания” - (C.C.) carrying capacity, буквально - емкость поддержания. Оба понятия входят в число параметров общества устойчивого развития, в котором гармонично сочетаются интересы ныне живущих поколений с интересами тех, кому предстоит жить в будущем на той же территории.

F.S. - это система, обеспечивающая производство продуктов питания отдельной страны или всего мирового сообщества в целом, количество которых достаточно для того, чтобы не возникало проблемы голода, а C.C. - предельно допустимая численность народонаселения (опять-таки на территории отдельно взятой страны или всей планеты в целом), которая соответствует экологическим нормативам рационального природопользования и охраны природы.

В основе агроэкологии лежат три положения:

1. Сестайнинг - самоподдержание агроэкосистем.

2. Адаптивный подход - повышение эффективности вложений  антропогенной энергии путем максимальной окупаемости фотосинтезом каждой единицы вложенной энергии.         

3. Экологический императив - система запретов на все формы использования агроэкосистем, которые разрушают ресурсы и загрязняют окружающую среду.

Оптимизация является итоговой задачей агроэкологии, т. к. она обеспечивает переход от ресурсоразрушающих интенсивных агроэкосистем к их адаптивным, устойчивым вариантам.

На сегодняшний день существуют два сценария экологизации сельского хозяйства:

1) Вторая "Зеленая революция". Её основные положения предполагают резкое повсеместное сворачивание ресурсоразрушающих интенсивных технологий и замена их на экологичные адаптивные варианты.

2) "Зеленая эволюция". Этот подход предполагает эволюционное приближение деградированных интенсивных агроэкосистем к экологически устойчивым вариантам через постепенное внедрение в основу их функционирования трех отмеченных агроэкологических принципов: сестайнинга, адаптивного подхода и экологического императива.

Сторонники эволюционного подхода обосновывают необходимость постепенного перехода к адаптивным вариантам, так как сохраняется высокая плотность народонаселения на земле и ее высокий прирост. Экологическая оптимизация агроэкосистем, которая неизбежно приведет к снижению продуктивности сельского хозяйства,  должна проводиться параллельно с претворением в жизнь программ по стабилизации прироста народонаселения с дальнейшим его снижением, иначе неизбежны социальные конфронтации, связанные с падением уровня жизни и голодом.

Сущность оптимизации структуры агроэкосистемы - расчет таких ее параметров. которые позволяют с одной стороны прекратить процесс нарушения агроресурсов (почвы, травостоев естественных кормовых угодий, гидрологического режима и всего биоразнообразия агроэкосистемы), с другой получать достаточно высокую отдачу вложенной антропогенной энергии урожаем растениеводства и животноводческой продукцией.

В первой  половине  нашего столетия в сельском хозяйстве большинства стран повышается интенсивность  производства, что повлекло за собой появление экологических проблем в агросфере. С 30-х годов вслед за крупномасштабным освоением целины  в  США и с 50-х годов после освоения целины в СССР резко усиливаются процессы почвенной эрозии и пыльные бури. С  этого  времени  начинается  поиск новых путей производства, позволяющие снизить вред от разрушения почв.

Примечательно, что каждая  разработка этого периода касается только отдельной области. К примеру, почвозащитная агротехника  предусматривает  уменьшение антропогенного  влияния только на один блок экосистемы - почву, остальные компоненты агроэкосистемы не  затрагиваются, поэтому данный этап мы рассматриваем как период развития узкоспециальных природоохранных технологий.

Данная тенденция  не  ограничивается  только агротехникой, начинаются исследования по  проблеме  борьбы  против  насекомых-вредителей с использованием биологических и др.  альтернативных способов,  борьбы против сорняков,  которая  в  последнее  время  получила  новую формулировку - регулирование численности сорняков.

Постоянное увеличение площадей техногенных земель, усиление их отрицательного влияния на прилегающие территории выдвинули проблему рекультивации земель в число важнейших национальных программ в области природопользования и снижения отрицательного воздействия хозяйственной деятельности на окружающую природную среду. Поэтому рекультивация техногенных земель, в первую очередь сельскохозяйственная, направленная на сохранение природной среды, имеет большое экологическое и социальное значение. Необходимо учитывать также и то, что рекультивируемые земли и окружающие их территории должны после окончания всех работ представлять собой оптимально сформированный и экономически и экологически сбалансированный ландшафтный участок. Техногенные поверхностные образования (техноземы) классифицируются по общим свойствам слагающих материалов, которые определяют потенциальную возможность их последующего хозяйственного использования и оптимизации экологической обстановки. При этом учитывается вещественный состав объектов рекультивации, включая наличие токсичных материалов

Лекция 19 «ОПТИМИЗАЦИЯ АГРОЛАНДШАФТОВ»

Одум (1987) пишет: "Все природоохранные агротехнические мероприятия приближают  агроэкосистемы  к  природным системам,  уводя их от городских и  промышленных  систем  и  превращая  в  гармоничные составные части общего ландшафта земли. Общим недостатком всех этих разработок является их  узкоспециальность и разобщенность.  Ни одна из этих дисциплин в одиночку не может решить мировых продовольственных   проблем"  Следующим этапом поиска в направлении экологической оптимизации является период развития комплексных систем оптимизации ландшафтов, в основе которых лежит более интегрированный подход к проблеме экологической стабилизации сельского хозяйства. К их числу  можно  отнести  агролесомелиорацию, контурно-мелиоративную систему.  Круг  оптимизационных  решений работ этого периода намного шире, к примеру, в агролесомелиорации рассматриваются функциональные взаимосвязи между  крупными  блоками  экосистемы как  пашня  и  полезащитные  лесополосы,  положительное влияние лесополос на уменьшение эрозии почв,  на увеличение  содержания гумуса.  Освещается проблема увеличения биоразнообразия, в том числе видов-энтомофагов и птиц,  осуществляющих естественное регулирование численности   насекомых-вредителей.  В  почве повышается численность дождевых  червей  и  другой  полезной эдафофауны, что   непременно  ведет  к  увеличению  урожайности и способности  почвы  к  самоподдержанию.

Наиболее конструктивно  разработанным методом данного периода является контурно-мелиоративный подход.  Суть его заключается в размещении полей севооборотов,   лесополос,   залужаемых участков и естественных кормовых угодий (ЕКУ) в соответствии  с границами  экологически однородных территорий (ЭОТ).  Данная  система  предусматривает  отдельный  подход   к каждому типу ЭОТ по использованию ее ресурсов.  Учитываются все угодья - от земель широкого   профиля   сельскохозяйственного использования  до нецелесообразных для пахотного использования. Для каждого из них рекомендуется отдельная система севооборотов, почвозащитных технологий и т. д. Контурно-мелиоративная система тесно  связана  с  агролесомелиорацией.

Несмотря на огромный практический  и  теоретический  вклад работ этого  периода в развитие идей экологической оптимизации, они не  дают  исчерпывающего ответа на все экологические проблемы сельскохозяйственных экосистем.  Несмотря на то,  что обе комплексные технологии имеют "агроэкосистемный оттенок", они не могут  помочь  всей  экосистеме в целом,  поскольку затрагивают, практически только один ее трофический  уровень - автотрофный. Другие трофические уровни остаются вне внимания.

На сегодняшний день наиболее перспективным для развития  решения задач оптимизации является комплексный агроэкологический подход. При этом  подходе - агроэкосистема рассматривается как   целостная система с учетом всех трофических  уровней,  закономерностей  функциональных  связей между  ними и с  учетом потока и трансформации энергии. Как важный компонент агроэкосистемы рассматривается ее социально-экономическая природа.

Лекция 23 «ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ».

Европейская федерация биотехнологии определяет ее как: применение организмов, биологических систем или биологических процессов в промышленности, сельском хозяйстве и вспомогательных отраслях.

Экология, наиболее крупная по своим масштабам современная область применения биотехнологии. Экологическая биотехнология это конкретное применение биотехнологии для решения экологических проблем, включая переработку отходов и борьбу с загрязнением окружающей среды, а также использование биотехнологии в сочетании с небиологическими технологиями.

биологические альтернативы химическим пестицидам и минеральным удобрениям

С помощью химических пестицидов не удается обеспечить полную защиту сельскохозяйственных культур. Большое число насекомых благодаря особому поведению или специфическому местообитанию осталось неконтролируемым и продолжает вредить посевам. Многие болезни и сорняки также продолжают беспрепятственно развиваться. Кроме того, вредители вырабатывают устойчивость к определенным инсектицидам и фунгицидам. Возрастающее использование химических веществ вызывает побочных воздействия на людей и другие организмы, а также на окружающую среду. Поэтому было обращено внимание на микроорганизмы вызывающие заболевание и гибель определенных групп вредных насекомых. В настоящее время в качестве промышленных биопестииидов используется ряд бактерий, грибов и вирусов.

Бактерии. Большинство промышленных штаммов бактерий относится к роду Bacillus. Основ­ная часть широко распространенных биопрепаратов изготовлена из Bacillus thuringiensis. Особи этого вида токсичны для бабочек, жуков и двукрылых.

Грибы. Грибы обычно заражают насекомых путем прямой инвазии и, следовательно, способны вредить своим хозяевам, не будучи ими съеденными. Кроме того, один из основных признаков грибов — их способность спорулировать в мертвом теле хозяина. Таким образ они могут распространяться в популяции, вызывая эпизоотии. Они не только губят тех особей, на которых поселяются, но и контролируют численность всей популяции хозяина в течение длительного периода. Однако эффективность грибов в значительной степени зависит от влажности и температуры. Поэтому существующие промышленные биопестициды на основе грибов применяют против тепличных и оранжерейных вредителей.

Вирусы. Основное внимание было обращено на одну группу вирусов — возбудителей болезней насекомых — бакуловирусов. В этой группе отсутствовали вирусы, патогенные для позвоночных.

Наибольшее практическое значение имеют вирусы ядерного полиэдроза (ВЯП) и вирусы гранулеза (ВГ). Узкое место вирусных биопрепаратов — технология их производства. Будучи облигатными патогенами, вирусы размножаются только в живых организмах — насекомых-вредителях и в меньшей степени в культуре клеток.

Широко применяют в сельском хозяйстве продукты микробного биосинтеза — антибиотики, фунгициды и бактерициды, используемые для защиты растений от болезней.

Представляется необходимым проводить исследования по изысканию и использованию микробных метаболитов, обладающих репеллентными, аттрактантными свойствами и псевдогормональным действием на вредителей растений. Создание на их основе профилактических средств защиты растений от вредителей представляет важную задачу в связи с необходимостью охраны окружающей среды и сохранения биоценотических связей в биосфере.

Значимой биотехнологической альтернативой азотным удобрениям в сельском хозяйстве является биологическая фиксация молекулярного азота атмосферы. Широкие исследования по изучению механизмов азотфиксации и взаимодействия микроорганизмов и растений показали необходимость разработки и использования методов генной инженерии для создания новых азотфиксирующих систем, которые являлись бы основой биопрепаратов нового поколения. Это биопрепараты комплексного действия. Они улучшают питание растений (за счет как фиксации атмосферного азота, так и более эффективного использования питательных элементов удобрений и почвы), стимулируют рост растений, подавляют развитие фитопатогенной микрофлоры.

биологическая очистка сточных вод

Важная составная часть современной биотехнологии — очистка воды от загрязнений и утилизация всевозможных отходов промышленности, агропромышленного комплекса, коммунального хозяйства.

Аэробные процессы очистки сточных вод. Процесс аэробной очистки сточных вод активным илом (рис) представляет собой наиболее распространенный вариант. В случае бытовых сточных вод исходное сырье представляет собой стоки, отфильтрованные от крупных частиц и песка и подвергнутые отстаиванию, при котором удаляется около 60 % взвешенных частиц (вместе с почти 30 % органического вещества). Собственно процесс очистки состоит из двух стадий: взаимодействия отстоявшихся стоков с воздухом и частицами активного ила в аэротенке (где происходит собственно биодеградация органических соединений) в течение определенного времени, которое может колебаться от 4 до 24 ч и более в зависимости от вида сточных вод, требуемой глубины очистки и типа процесса, и отделения очищенной жидкости от частиц активного ила в отстойнике. Из отстойника удаляют большую часть свободной от твердых частиц надиловой жидкости, а активный ил возвращают в аэротенк. Следовательно, весь процесс может быть представлен как непрерывная ферментация с подачей твердого сырья.

Частицы активного ила, часто обозначаемые как взвешенные частицы иловой смеси (ВЧИС), представляют собой флокулированную смесь бактерий и простейших.

Применительно к илу понятие «активный» означает, что биомасса: а) представляет собой микрофлору, содержащую все ферментные системы, необходимые для деградации загрязнений, которые следует удалить; б) имеет поверхность с «высокой» адсорбционной способностью; в) способна образовывать стабильные флокулы, которые легко осаждаются при отстаивании.

Анаэробные процессы очистки сточных вод. Наиболее широко применяеым анаэробным процессом является сбраживание ила (полученного при аэробной очистке стоков). При выборе между аэробными и анаэробными процессами обычно отдают предпочтение первым, так как эти системы признаны более надежными и лучше изученными. Между тем анаэробные процессы имеют ряд несомненных преимуществ. Во-первых, образуется меньше ила. Стоимость же переработки ила может быть весьма большой из-за его высокой влажности (90...97 %). Во-вторых, при анаэробных процессах образуется метан (СН₄), который можно использовать как горючее. И, в-третьих, даже без учета использования метана в качестве источника энергии потребность в энергии на аэрацию в аэробных процессах превышает потребность в энергии на перемешивание в анаэробных условиях.

Главный недостаток анаэробных систем — меньшая скорость реакции по сравнению с аэробными процессами, поэтому требуются установки больших размеров.

Анаэробная очистка применяется, как правило, для сбраживания высококонцентрированных стоков и осадков (активный ил, животноводческие стоки и др.), содержащих большое количество органических веществ. Процессы брожения осуществляются в специальных аппаратах — метантенках.

Лекция 24 «ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ».

биотехнология и утилизация твердых отходов

В области переработки и ликвидации твердых отходов биотехнологическими методами наиболее значительное место как по стоимостным, так и по объемным показателям занимает утилизация ила сточных вод и твердых коммунальных отходов.

Во многих странах мира основной путь уничтожения ила — захоронение в землю. Однако существуют значительные ограничения подобной практики. Это связано со стремлением ограничить распространение ионов тяжелых металлов и патогенных микроорганизмов в окружающей среде. Переработанный тем или иным способом ил можно использовать в качестве органического удобрения или подвергнуть ликвидации (захоронению в море, сжиганию и т. п.).

В ряде стран Западной Европы около 30 % ила применяют в сельском хозяйстве в качестве органического удобрения. Считают, что такое использование ила весьма выгодно в плане как увеличения урожайности, так и улучшения почвы.

Сброженный ил, обычно в виде пульпы, содержит 5,1 % азота, 1,6 — фосфора и 0,4 % калия. Доступность этого азота для сельскохо­зяйственных культур составляет 50...85 %, а фосфора — 20... 100 %. Однако этот способ использования ила осложняется наличием в нем патогенных бактерий и токсических веществ. Принято считать, что основной повод для беспокойства дают два патогенных организма: Salmonella spp. и бычий цепень. Весьма важно учитывать наличие в иле ионов тяжелых металлов (кадмия, меди, никеля, цинка и др.), являющихся источником токсического воздействия, и принимать меры по ограничению их содержания.

Cуществуют объективные количественные ограничения на использование ила в качестве органического удобрения. Эти ограничения обусловлены наличием в иле токсических ионов металлов и следовых количеств токсических органических соединений.

Независимо от метода переработки отходов твердые остатки традиционно ликвидируют с помощью свалок. В настоящее время свалки расположены во множестве мест, занимая, например, в России по оценкам 1995 более 250 тыс. га земель. При этом повсеместно сохраняется устойчивая тенденция роста и объема отходов, и площадей для их складирования. В последнее время увеличиваются расстояния от источника отходов до свалок, что приводит к росту неуправляемого попадания отходов в окружающую среду из-за просыпания их при транспортировке.

Компостирование.

Многие современные экологические проблемы возникают из-за локального накопления органических отходов, количество которых слишком велико для естественного потенциала биодеградации. В ряде современных работ по экологии рассматривают такие проблемы, как сжигание избыточной соломы в поле, загрязнение воздуха при разбрасывании анаэробного ила, ограничения на вывоз навоза (особенно жидкого) и т. п. Применение компостирования не только позволяет получать ценный продукт, но и является процессом очистки, в результате которого низкоактивные отходы становятся менее вредными для окружающей среды.

Компостирование — это экзотермический процесс биологического окисления, в котором органический субстрат подвергается аэробной биодеградации смешанной популяцией микроорганизмов в условиях повышенной температуры и влажности. В процессе биодеградации органический субстрат претерпевает физические и химические превращения с об­разованием стабильного гумифицированного конечного продукта. Этот продукт представляет ценность для сельского хозяйства и как органическое удобрение, и как средство, улучшающее структуру почвы. Отходы, поддающиеся компостированию, варьируют от городского мусора, представляющего собой смесь органичес­ких и неорганических компонентов, до более гомогенных субстратов, таких, как навоз, отходы растениеводства, сырой активный ил и нечистоты.

Процесс компостирования представляет собой сложное взаимодействие между органическими отходами со своей эндогенной смешанной микрофлорой и микрофауной, влагой и кислородом.

Органические отходы промышленного, сельскохозяйственного или коммунального происхождения представляют собой смесь сахаров, белков, жиров, гемицеллюлозы, целлюлозы, лигнина и неорганических солей.

Состав фракций растительных отходов зависит от вида и возраста растения. Све­жее растительное сырье содержит много водорастворимых веществ, белков и солей. При увеличении возраста растения соли возвращаются в почву, а низкомолекулярные соединения превращаются в более высокомолекулярные, особенно в гемицеллюлозу, целлюлозу и лигнин.

Состав отходов животноводства зависит от вида животного и типа его кормления. В процессе компостирования простые низкомолекулярные соединения легко метаболизируются микроорганизмами, а полимерные соединения после их гидролиза — экзоферментами определенных групп микроорганизмов.

Разложение органических отходов в процессе компостирования представляет собой сложный динамичный процесс, в котором постоянно происходит изменение температуры субстрата и состава питательных веществ. При этом на разных стадиях процесса заметным образом меняются численность и видовой состав микроорганизмов. Скорость получения конечного продукта зависит от комплекса взаимосвязанных параметров. К ним относятся источники питания, дисперсность частиц, влажность, прочность структуры, аэрация, перемешивание, кислотность и размер кучи.

Желательно, чтобы сырье для компостирования содержало максимум органического материала и минимум неорганических остатков. Это особенно важно, например, при переработке отходов городского хозяйства, содержащих существенные количества меди, никеля, свинца, цинка. При работе с такими отходами желательно удалять стекло, металл, пластмассу и другие аналогичные включения в той степени, в какой это экономически целесообразно. Если для компостирования используют сырой активный ил, во избежание загрязнения тяжелыми металлами он должен быть в основном получен при переработке коммунальных, а не промышленных стоков.

Задача состоит в том, чтобы реализовать набор этих параметров в виде недорогих, но надежных систем для компостирования. Сложность оборудования и степень приближения к рекомендуемым значениям основных параметров сильно меняются в зависимости от особенностей складирования перерабатываемого материала (простые кучи и сложные механические установки).

В простых системах (кучи) подготовленный материал вручную, с помощью самосвалов или погрузчиков складывают в виде компостных рядов. Эти кучи в сечении имеют приблизительно треугольную форму, их высота и ширина могут быть различными, но рекомендуется, чтобы при естественной аэрации высота не превышала 1,5 м, а ширина — 2,5 м. Компостные ряды могут быть любой длины.

Для улучшения аэрации, уменьшения размера частиц, обеспечения равномерного воздействия высоких температур в термофильной стадии по всей массе субстрата материал в кучах переворачивают, перемещая наружные части кучи в ее середину.

Современные крупномасштабные системы по переработке городских отходов включают, как правило, стадии накопления твердых отходов, их предобработки, биодеградации и переработки конечного продукта. Полностью механизированные системы по переработке городских отходов отличаются от компостных рядов наличием непрерывно перемешивающих устройств, помещаемых в закрытые силосы (башни). Здесь за несколько дней осуществляется активная биодеградация субстрата. Степень механизации и автоматизации силосов для разных проектов различна.

Время переработки компостируемого материала в силосах варьирует примерно от 4 до 20 дней (обычно 8 дней).

Биодеградация органического материала при компостировании приводит к потере примерно 30...40 % органического вещества в виде СО₂ и Н₂О.

Известно, что внесение сырых органических отходов в любую эко(агро)систему может создать серьезные проблемы либо из-за высокой потребности в О₂, либо из-за интенсивного выделения NH₃. Компостирование позволяет получать с помощью биологического окисления стабильные гумифицированные продукты. Эти продукты при внесении их в эко(агро)систему в от­личие от сырых отходов существенно не нарушают экологического равновесия. При компостировании достигаются уровни температуры, при которых погибают патогенные микроорганизмы, гельминты, сорняки и их семена.

Компост является хорошим средством для улучшения структуры почвы. Нельзя не учитывать его возможности как органического удобрения. При внесении компоста в почву он минерализуется, выделяя основные питательные вещества, необходимые растениям. Питательные вещества из компоста выделяются медленнее, чем из легкорастворимых минеральных удобрений. Следовательно, действие компоста может продолжаться несколько лет. Установлено, что количество основных питательных веществ, которые доступны в год внесения компоста, составляет по азоту 25 %, по фосфору 100, по калию 80 %.

Очень важно учитывать «здравоохранительный» аспект процесса компостирования. Известно, что большинство органических отходов человека и животных: нечистоты, сырой и даже сброженный активный ил, отходы боен, навоз и подстилка животноводческих ферм, птицефабрик, твердые отбросы и т. д. — содержат патогенные микроорганизмы. При компостировании выживанию их препятствуют несколько факторов, и в первую очередь воздействие температуры. Температуры порядка 55...60 °С, действующие от нескольких минут до нескольких дней, приводят к гибели большинства возбудителей болезней и паразитов.

С экологических позиций компостирование является действенным способом удаления органических отходов, а следовательно, и оздоровления окружающей среды в системе агропромышленного комплекса.

Биоконверсия недефицитного возобновляемого растительного сырья. Рассматривая проблемы утилизации органических отходов, среди которых имеются разнообразные растительные остатки (солома и т. п.), необходимо иметь в виду не только превращение остатков растительного сырья в органические удобрения, но и возможности трансформации их с помощью биотехнологии в источник пищи, кормов и энергии. Такого рода процессы составляют сущность биоконверсии иедефицитного возобновляемого растительного сырья.

Лекция 25 «ПРИРОДООХРАННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ»

Основные положения экологического нормирования в России регламентируются Федеральным законом «Об охране окружающей среды». Сегодня в России природоохранные нормы и правила содержатся более чем в 18 тыс. нормативно-технических и иных документов. Основными из них являются: строительные нормы и правила (СНиП); государственные стандарты в области охраны природы (ГОСТы); нормы воздействия отдельных отраслей хозяйства, разрабатываемые в отраслевом планировании (отраслевые стандарты — ОСТы); нормы пространственных сочетаний различных видов природопользования, применяемые в территориальном планировании; санитарно-гигиенические нормативы качества окружающей среды (СанПиН).

Строительные нормы и правила (СНиП) используются при проектировании и строительстве народно-хозяйственных объектов. Вопросы природоохранного нормирования рассматриваются в них в общих чертах, предписывая необходимость учета требований по рациональному использованию природных ресурсов и предотвращению загрязнения окружающей среды. Природные условия и факторы учитываются и оцениваются прежде всего с позиций их влияния на проектируемые сооружения и вероятных стихийных природных процессов.

ГОСТы, или государственные стандарты. Требования по охране окружающей среды регламентируются в трех видах стандартов: общетехнических, стандартах на группу однородной продукции и в стандартах на конкретные виды продукции. В стандартах закрепляют требования государства по рациональному использованию природных объектов и обеспечению таких технических параметров деятельности, при которых исключалось бы или сводилось к минимуму негативное воздействие хозяйственной деятельности человека на природу. Действующие стандарты постоянно пересматриваются и разрабатываются новые на обеспечение экологической безопасности природы, продукции, работ, услуг. ГОСТы — один из основных видов нормативных документов, которые содержат технические, экономические, методические, терминологические, организационные, санитарно-гигиенические правила и требования. Юридическую силу они получают через законы, требующие от различных организаций и граждан соблюдения стандартов и устанавливающие ответственность за их несоблюдение. С 1976 г. действует система стандартов в области охраны природы и улучшения использования природных ресурсов. В 1998 г. в России приняты и введены в действие с 1 апреля 1999 г. государственные стандарты России, представляющие собой аутентичные тексты ряда международных стандартов ИСО серии 14000 «Системы управления окружающей средой».

Стандарты отдельных отраслей хозяйства, разрабатываемые в отраслевом планировании (отраслевые стандарты). В настоящее время их более 30: в химической промышленности, теплоэнергетике, цветной металлургии и т.д., но ряд отраслей, оказывающих существенное влияние на окружающую среду, в том числе и сельское хозяйство, еще не имеют своих стандартов. Санитарно-гигиенические нормативы - это устанавливаемые в законодательном порядке допустимые уровни содержания в окружающей среде химических и биологических загрязняющих веществ или допустимые уровни воздействия физических факторов, гарантирующие безопасные условия существования человека.

Санитарно-гигиеническое нормирование — это деятельность по изучению условий воздействия вредных факторов на организм человека и объективному обоснованию пределов интенсивности и продолжительности их действия, при которых они безопасны для организма. Основными санитарно-гигиеническими нормативами качества окружающей среды являются предельно допустимые концентрации (ПДК) для химических и биологических загрязняющих веществ и предельно допустимые уровни (ПДУ) воздействия для физических факторов. ПДК (предельно допустимая концентрация химического соединения во внешней среде) — такая максимальная концентрация, при воздействии которой на организм человека периодически или в течение всей жизни (прямо или опосредованно через экологические системы, а также через возможный экономический ущерб) не возникает соматических или психических заболеваний (в том числе скрытых или временно компенсированных) или изменений состояния здоровья, выходящих за пределы приспособительных физиологических реакций и обнаруживаемых современными методами сразу или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений. ПДУ по своему смыслу соответствует ПДК. Санитарно-гигиеническое нормирование охватывает всю среду обитания человека: атмосферный воздух, воздух производственных помещений, жилых и общественных зданий, питьевую воду и воду водных объектов, почву, продукты питания и др.

Почва как объект нормирования отличается тем, что из нее в организм человека загрязняющие вещества поступают при прямом контакте лишь в отдельных случаях (с почвенной пылью при ручных работах — прореживание свеклы и т. п.). Основное поступление загрязняющих веществ из почвы в организм человека происходит через контактирующие с ней среды (воздух, воду, растения) по биологическим цепям миграции. Эта особенность опосредованного действия загрязняющих веществ почвы на человека обусловливает принципиальное отличие их нормирования в почве от нормирования в водоемах и атмосферном воздухе.

К трем показателям вредности, учитываемым при нормировании химических веществ в водоемах (органолептическому, общесанитарному и санитарно-токсикологическому), при нормировании химических веществ в почве добавляются еще три, учитывающие миграцию веществ из почвы в сопредельные среды (воздух, водоемы и растения). Это соответственно миграционно-воздушный, миграционно-водный и фитоаккумуляционный, или транслокационный, показатели. Таким образом, при установлении ПДК химического вещества в почве исследования проводят по шести показателям вредности (ПВ).

Общесанитарный ПВ. Пороговая концентрация вещества по общесанитарному показателю вредности — максимальное количество химического вещества в почве (в мг/кг а.с.п.), которое на 5...7-е сутки не вызывает изменений общей численности микроорганизмов основных физиологических групп (спорообразующих бактерий, актиномицетов, грибов) более чем на 50 %, а также ферментативной активности почвы (инвертазной, дегидогеназной и т. д.) — более чем на 25 % относительно контрольной пробы.

Воздушно-миграционный ПВ. Пороговая концентрация вещества по воздушно-миграционному показателю вредности — максимальное количество вещества в почве (в мг/кг а.с.п.), при котором поступление вещества в атмосферный воздух не со­провождается превышением среднесуточной ПДК для воздуха.

Миграционно-водный ПВ. Пороговая концентрация вещества по водно-миграционному показателю вредности — максимальное количество вещества в почве (в мг/кг а.с.п.), при котором поступление его в грунтовые и поверхностные воды с внутрипочвенным или поверхностным стоком не создает в водоисточниках концентраций, превышающих ПДК для воды водоемов.

Исследования по установлению пороговой концентрации вещества в почве по водно-миграционному ПВ проводят в двух направлениях: по миграции вещества в подземные воды; по миграции вещества с поверхностным стоком.

Фитоаккумуляционный (транслокационный) ПВ. Этот показатель характеризует процесс миграции химического вещества из почвы в культурные растения, используемые в качестве продуктов питания и накопления его в фитомассе товарных частей растений. Пороговая концентрация вещества по фитоаккумуляционному (транслокационному) показателю вредности — это максимальное количество вещества в почве (в мг/кг а.с.п.), при котором накопление вещества фитомассой товарных органов сельскохозяйственных растений к моменту сбора урожая не превысит установленных для продуктов питания ПДК или допустимых остаточных количеств (ДОК).

Санитарно-токсикологический ПВ. Пороговая концентрация вещества по са-нитарно-токсикологическому показателю вредности — это максимальное количество вещества в почве (в мг/кг а.с.п.), при котором суммарное поступление вещества в организм теплокровных (человека) при непосредственном контакте с почвой или при миграции с водой, атмосферным воздухом, пищевыми продуктами не сопровождается отрицательным прямым или отдаленным воздействием на здоровье на­селения.

Органолептический ПВ. Пороговая концентрация вещества по органолептическому показателю вредности — максимальное количество химического вещества в почве (в мг/кг а.с.п.), которое не оказывает воздействия на пищевую ценность и органолептические свойства пищевых продуктов растительного происхождения, воды и атмосферного воздуха, сформированных в тех же экстремальных условиях.

Лекция 26 «АНТРОПОГЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО».

Влияние на климат оказывают следующие, принявшие глобальный характер процессы:

• распахивание огромных массивов земли, вызывающее изменение альбедо, быструю потерю влаги, подъем пыли в атмосферу;

• уничтожение лесов, влияющее на воспроизводство кислорода, изменения альбедо и испарения;

• сжигание ископаемого органического топлива и поступление в атмосферу СО₂, СН₄;

• чрезмерная численность выпасаемого поголовья скота на единице пастбищной площади (перевыпас) превращает степи и саванны в пустыни; при этом происходит резкое снижение численности и разнообразия биологических видов экосистем, ухудшаются водно-физические свойства почвы, развиваются процессы водной и ветровой эрозии, увеличивается альбедо;

• выбрасывание в атмосферу промышленных и автотранспортных отходов, меняющих состав атмосферы, увеличивающих содержание радиационно-активных газов и аэрозолей, создающих так называемый парниковый эффект, загрязняет водные объекты, губительно сказывается на состоянии растительных, животных организмов и здоровье человека.

Современное потепление у поверхности земли считают антропогенным и связывают с увеличением содержания парниковых газов в атмосфере. Большинство исследователей полагают, что изменение климата повлечет за собой катастрофические для природы последствия.

Предполагаемые глобальные изменения климата окажут определенное влияние на состояние почвенного покрова. В связи с этим перед почвоведами встала новая задача – выяснить роль почвенного покрова в формировании газового состава атмосферы и его участия в биогеохимических круговоротах (циклах) углерода, азота, метана на разных по масштабу территориях континентов, а также дать прогноз будущей эволюции почв для разных уровней возможных изменений почвенного покрова – глобального, регионального и локального. Почва (и особенно ее органическое вещество) является одним из важнейших источников углерода в атмосфере, что во многом определяет формирование парникового эффекта. Как известно, эволюция почв тесно связана с характером функционирования органического вещества, которое очень чутко реагирует на происходящие в экосистемах изменения.

При потеплении климата улучшатся условия для полярной навигации и хозяйственной деятельности людей в полярных областях, снизится уровень затрат на отопление помещений и т.п. В районах с относительно холодном и влажном климатом произойдет смягчение агроклиматических условий для возделывания сельскохозяйственных и плодовых культур, продуктивность которых станет более высокой и стабильной благодаря увеличению продолжительности вегетационного периода и росту сумм активных температур в условиях достаточной влагообеспеченности посевов. Такое изменение агроклиматических условий позволит значительно продвинуть к северу интенсивные технологии земледелия, произвести смену сортов сельскохозяйственных культур на более теплолюбивые и урожайные.

Наряду с такими положительными изменениями в центральных и северных сельскохозяйственных регионах России в более южных регионах, с режимом неустойчивого увлажнения, в результате потепления произойдут отрицательные изменения климатических условий. Уменьшение количества осадков будет проявляться через снижение влагообеспеченности посевов, учащение повторяемости засух, засушливых явлений и суховеев, произойдет понижение уровня внутренних водоемов и грунтовых вод, ухудшится общий баланс пресной воды. Все это будет отрицательно сказываться на продуктивности не только сельскохозяйственного производства, но и других отраслей экономики. Например, изменятся гидрологические условия на реках и водохранилищах, от которых зависит возможность и продолжительность речной навигации, работа гидроэлектростанций и т.п.

Профессор О. Д. Сиротенко и его сотрудники выполнили расчеты с использованием разработанных ими динамических моделей погода – урожай и имитационной системы климат – почва – урожай, возможной суммарной урожайности биомассы кормовых многоукосных трав и урожайности яровых зерновых культур на 2030 г. по трем сценариям, два из которых – США (GFDL) и Канады (ССС) – аридные, а сценарий России – гумидный (палеоклиматический сценарий EMI). При развитии потепления по аридным сценариям особенно сильно пострадает сельскохозяйственное производство Северного Кавказа и Поволжья, где увеличение засушливости приведет к падению урожайности зерновых культур и кормовых трав на 15 – 25 %. Некоторый рост продуктивности сельского хозяйства может произойти в Северном и Северо-Западном регионах, где в условиях хорошей влагообеспеченности и недостатка тепла потепление климата окажется благоприятным. В целом по России урожайность зерновых снизится на 15 %, продуктивность кормопроизводства (травы) – на 4 %.

При развитие потепления по гумидному сценарию продуктивность кормовых в России возрастет повсеместно (по регионам на 12–46%), а в среднем по стране на 22%.

При адекватных организационных решениях сельское хозяйство может существенно выиграть от глобального потепления климата.

Потепление климата в XXI в. может оказать значительное положительное влияние на сельское хозяйство России при условии заблаговременной адаптации аграрного сектора экономики к ожидаемым изменениям природной среды и климата на федеральном уровне. Главная идея такой адаптации – это смещение центра тяжести товарного земледелия на Север; развитие орошаемого земледелия и влагосберегающих технологий возделывания сельскохозяйственных культур в зоне недостаточного увлажнения; создание зоны субтропического земледелия на юге страны, а также географическая взаимокомпенсация урожаев, обусловленная асинхронностью погодных условий на обширной территории страны.

Организационные и хозяйственные решения, направленные на преодоление отрицательных последствий ожидаемых изменений климата и более полное использование положительных последствий, должны быть направлены на достижение сельским хозяйством современного западноевропейского технологического уровня. Это позволит поднять продуктивность сельского хозяйства в 2,0-2,5 раза при существующих климатических условиях. В условиях потепления климата в зоне достаточного увлажнения наиболее эффективными будут следующие мероприятия: замена сортов (гибридов) сельскохозяйственных культур на более позднеспелые и более урожайные, а также расширение посевов пожнивных культур. В восточных районах европейской части России и в Западной Сибири из-за уменьшения вымерзания станет возможным расширение посевного клина озимых культур. С учетом роста СО₂ в атмосфере повышение урожайности зерновых культур составит 8-14%, а урожайность многолетних кормовых трав возрастет на 12-16%.

Могут быть также расширены посевные площади особо ценных дефицитных для России сельскохозяйственных культур: сои, подсолнечника, кукурузы и др. Более мягкие зимние условия позволят расширить границы садоводства к северу на 300-500 км.

На юге страны – в Предкавказье и Нижнем Поволжье – в связи с ростом термических ресурсов и увеличением продолжительности вегетационного периода может быть создана зона субтропического земледелия для удовлетворения потребностей страны в рисе, винограде, хлопке-сырце и ряде других теплолюбивых плодовых культур.

В зоне степного земледелия борьба с засухами станет еще более острой, а эффективность развития орошения и влагосберегающих технологий возделывания сельскохозяйственных культур – еще более высокой. Адаптация к потеплению климата потребует внедрения в этой зоне более засухоустойчивых культур и сортов сельскохозяйственных растений.

Лекция 27 «КОНЦЕПЦИЯ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ».

Процветание и благополучие обеспечиваются устойчивым развитием общества, которое определяется сложным комплексом факторов, среди которых наиболее важную роль играют стабильное обеспечение продовольствием и поддержание оптимального состояния окружающей среды. Ежегодная продуктивность растительности земли составляет примерно 160 млрд т, из которых человек использует чуть больше 5 млрд т, т. е. немногим более 3 % всей первичной продукции. Несмотря на это, история развития человеческого общества свидетельствует о постоянно существующем противоречии при достижении продовольственной и экологической безопасности.

Осознание того факта, что противоречия между характером развития общества и природой достигли критического предела и что дальнейшее непродуманное движение человечества по этому пути грозит глобальной катастрофой, обусловило принятие в 1992 г. таких важных документов ООН, как «Декларация по окружающей среде и развитию» и «Повестка дня на XXI в.», в которых изложены принципы устойчивого развития и программа решения проблем, стоящих перед человечеством в новом веке. В этих документах, в частности, сказано, что каждый человек имеет право на здоровую плодотворную жизнь в гармонии с природой; для достижения устойчивого развития и более высокого уровня жизни для всех народов и государств мы должны исключить модели производства и потребления, не способствующие устойчивому развитию.

Объективная необходимость перехода к устойчивому развитию России предусматривает изменение отношения к экосистемам и ландшафтам. На смену их нарушению и разрушению должны прийти сохранение, восстановление и обогащение. Кризис сельского хозяйства России не только стал реальной угрозой национальной безопасности, но и вызвал определенный международный резонанс. Особенно пагубной становится зависимость от импорта продовольствия. Ситуация осложняется тем, что в страну поступает до 80 %. (по отдельным видам) недоброкачественной продукции По целому ряду объективных критериев, характеризующих продовольственную безопасность страны, Россия находится в критической ситуации.

Важно подчеркнуть, что устойчивое развитие сельскохозяйственного производства должно определяться не только экономическими и организационными мерами, но и уровнем научной обоснованности региональных систем земледелия. В настоящее время во многих случаях рекомендованные системы не обеспечивают рационального использования почвенно-климатических ресурсов, эффективного использования средств интенсификации земледелия, воспроизводства плодородия почв, экологической сбалансированности. Стратегия развития современного земледелия предполагает экологический подход к сельскохозяйственному производству.

Параметрами устойчивости агроэкосистемы являются функции, режимы и свойства почвы; структура, организация и продуктивность агрофитоценоза; структура и организация микробного сообщества; интенсивность и сбалансированность биогеохимического круговорота; потоки информации.

Агроэкосистемы должны обладать эластичностью, что означает их способность возвращаться в прежнюю область устойчивого равновесия после временного воз­действия природного или антропогенного фактора; инерционностью, вследствие которой при переходе из одной области устойчивого равновесия в другую сохраняются внутренние связи. Сохранение и повышение плодородия почв — центральное звено в обеспечении устойчивости агроэкосистем и АПК в целом.

Использование земельных ресурсов должно основываться на принципе, который гласит: нарушение природоохранных требований ведет к уменьшению прибыли землепользователей. При этом в соответствии с законодательством затраты землепользователей на выполнение природоохранных мер должны компенсироваться через цены или дотации; если же землепользователь прямо или косвенно получает компенсации (и даже не получает), но не соблюдает природоохранные требования, против него следует применять эко­номические санкции.

К основным параметрам устойчивого развития агроэкосистем относятся:

интенсивность и сбалансированность биогеохимического круговорота;

потоки информации, адекватно отражающие изменения структуры и функци­онирования составляющих системы компонентов;

структура, организация и продуктивность агроландшафта;

функции и свойства почвы;

структура и организация микробного сообщества.

Основу создания экологически безопасных и устойчивых агроландшафтов должна составлять научно обоснованная строго дифференцированная система ведения сельскохозяйственного производства, ориентированная на получение продукции высокого качества и максимально возможного по природным условиям количества при условии сохранения и обогащения среды обитания.

Для достижения оптимальности функционирования адаптированных к конкретным условиям земледельческих систем важно соблюдение принципа адекватности, взаимоувязки и соподчинения природного, технологического, экономического и социального признаков.

Экологическая и социальная значимость агроландшафтов определяются их ролью в жизнеобеспечении общества и в регулировании качества среды. Эти об­стоятельства предопределяют целесообразность и необходимость разработки методов оценки эколого-экономической функции агроландшафтов. Интенсивность использования биологических ресурсов агроландшафтов должна ограничиваться их способностью к возобновлению. Воздействие человека на агроландшафты в первую очередь осуществляется посредством системы агротехнологий. Суть вопроса в их экономической, энергетической и экологической целесообразности.

В основе устойчивого функционирования экосистем лежат три принципа. Первый из которых состоит в том, что потребление ресурсов и удаление отходов осуществляются в процессе круговорота всех элементов. Суть второго принципа в том, что энергетика экосистемы определяется прежде всего притоком солнечной энергии, которая избыточно доступна и неисчерпаема. Согласно третьему принципу величина биомассы зависит от длины пищевой цепи.

Надо признать, что рационализация природопользования осложняется отсутствием системы эффективного экономического и экологического нормирования, которая могла бы служить надежной основой для экономического, социального и правового регулирования антропогенного воздействия на окружающую среду.

Пока что нет не только официальных нормативных и методических документов по определению предельно допустимых (критических) нагрузок на агроландшафты, но и обоснованной методологии экологического нормирования. Большинство научных разработок в этой области посвящено конкретным узкоспециализирован­ным задачам и имеет ограниченное практическое применение.

Целями экологического нормирования должны стать:

обеспечение устойчивого паритетного развития общества и природы;

рациональное использование природных ресурсов и получение экологически безопасной продукции;

управление потоком веществ, энергии и информации для обеспечения устойчи­вого развития агроландшафтов;

прогноз и управление качеством среды и предотвращение необратимых негатив­ных последствий.

Концепция экологического нормирования обеспечивает формирование теоретической основы рационального природопользования. Оптимизация устойчивого развития агроэкосистем должна строиться на экологической дифференциации агротехнологий с целью достижения высокой тождественности аграрных форм деятельности человека с природными механизмами саморегуляции экосистем. Экологическое нормирование тесным образом связано с понятием устойчивости агроэкосистем и опирается на положения эко­логического императива. Экологический аспект оптимизации современных агроэкосистем основывается при этом на представлениях об их потенциальной емкости по отношению к антропогенному воздействию, сверх которой они теряют способность к саморегуляции. Необходимое регулирование достигается введением нормативов и сертификатов природопользования, критериев качества окружающей среды, экономических и правовых норм и т. д.

В настоящее время человек живет в условиях нарушенной окружающей природной среды, в условиях угрозы экологического кризиса. Стратегия устойчивого развития — это попытка минимизировать антропогенное воздействие на природу, а непосредственно в условиях АПК — на структуру и функции агроландшафта. Одна из причин экологического неблагополучия проистекает из идеологии антропоцентризма, согласно которой человек все может, ему все позволено. Такая установка зачастую противоречит существующим морально-этическим и религиозным нормам.