Значение почвы в агроэкосистемах

Тема: значение почвы в агроэкосистемах

План:

1. Функции почвы в агроэкосистемах

2. Почвоутомление.

3. Нормирование содержания химических элементов в почве

4. Экологические основы сохранения и воспроизводства плодородия почв

1. Функции почвы в агроэкосистемах

При разложении мертвых растительных ос­татков в среднем на 1 га суши продуци­руется 84 кг диоксида углерода в сутки. Установлено, что 40...70 % этого газа, ис­пользуемого в процессе фотосинтеза, обеспечивается «дыханием почвы». Ос­тальное количество привносится путем горизонтального и турбулентного пере­мещения воздушных масс. В свою оче­редь, почва одновременно поглощает ат­мосферный кислород. Обогащая (изби­рательно) поверхностные и подземные воды химическими веществами, почва влияет на гидрохимическое состояние вод суши и прибрежных акваторий мо­рей и океанов.

Важнейшая глобальная функция по­чвы — накопление в поверхностной ча­сти коры выветривания, в почвенных органогенных горизонтах специфичес­кого органического вещества — гумуса и связанной с ним химической энергии.

Процессы биогенного накопления, трансформации и перераспределения энергии, поступающей от Солнца на Землю, протекают в почве непрерывно. (Почва выполняет своеобразную косми­ческую функцию.) Запасы этой энергии являются источником жизненно важных процессов. Сосредоточена потенциаль­ная биогенная энергия в почвенном по­крове главным образом в виде корней растений, биомассы микроорганизмов и гумуса. Как свидетельствуют экспертные оценки, суммарные запасы энергии, свя­занной в гумусе почвенного покрова всей суши планеты, достигают 4,2-(10¹⁵... 10¹⁶)Дж. Они равны запасам энергии, накопленной надземной частью фито-массы, или превышают их. Характерно, что запасы потенциальной энергии це­линных черноземов в гумусовом гори­зонте на 1 га составляют примерно 4,2-10²Дж. Очевидно, что почвенный покров, особенно гумусовая оболочка суши, служит общепланетарным нако­пителем и распределителем энергии, об­разованной в процессе фотосинтеза.

Почва защищает литосферу от влия­ния экзогенных факторов и регулирует интенсивность геологической денуда­ции.

Рекомендуемые материалы

Почва выступает как регулятор рас­пространения живых организмов, выполняя функцию генерирования и со­хранения биологического разнообразия. Будучи средой обитания множества организмов, она ограничивает деятель­ность одних и способствует активности других. Чрезвычайное разнообразие по­чвенных разностей предопределяет весь­ма различные условия жизнедеятельнос­ти организмов. От этого, в частности, за­висят плодородие почв и устойчивость агроэкосистем. Например, черноземные почвы, характеризующиеся высокой чис­ленностью микробного населения, обла­дают высоким плодородием и лучшей ус­тойчивостью к неблагоприятным факто­рам среды. Дерново-подзолистые, а осо­бенно подзолистые почвы отличаются более низкой обсемененностью почвен­ными микроорганизмами, невысоким плодородием и слабой устойчивостью к различным токсикантам. Следовательно, северные ценозы отличаются большей ранимостью, чем южные, и это необходи­мо учитывать в процессе производствен­ной деятельности.

Почва — главное средство сельскохо­зяйственного производства и основа аг-роэкосистем. Человечество получает из почвы около 95 % всех продуктов пита­ния. Забота о сохранении почвенного плодородия, «здоровья» почвы должна быть приоритетной в сельскохозяй­ственном производстве.

Почва представляет собой жизнен­ное пространство, обеспечивающее обитание живых организмов.

Почва является механической опо­рой произрастающей на ней раститель­ности.

Незаменима роль почвы как храните­ля семян. Способность почвы хранить семена в течение нескольких лет без по­тери всхожести объясняется наличием веществ, ингибирующих прорастание семян. Тем самым в природе поддержи­ваются биоразнообразие и способность к обновлению растительных популяций.

Почва аккумулирует необходимые для жизнедеятельности населяющих ее организмов, в том числе первичных продуцентов, воду, питательные и энер­гетические вещества, что в значитель­ной степени определяет ее плодородие.

Почва — своеобразный склад фер­ментов. В ней находятся все известные в живых организмах ферменты, в том чис­ле определяющие почвенное плодородие и ее «здоровье» — пероксидазы, нитрогеназы, нитратредуктаза, каталаза и др. Ра­бота этих ферментов определяет азотный режим почвы, доступность элементов питания, а также способность почвы к детоксикации различных поллютантов.

Почва регулирует гидротермический режим, что позволяет населяющим ее организмам сохранять свою жизнедея­тельность при определенных значениях температуры и влажности.

Почва выполняет санитарную функ­цию. Высокая самоочищающая способ­ность почвы за счет обитающей в ней биоты обеспечивает обезвреживание многих патогенов и токсикантов, что положительно влияет на качество сельс­кохозяйственной продукции, состояние окружающей природной среды.

Почве присуща информационная функция. Известно, например, что пе­реход весной температуры почвы через +5 °С стимулирует активизацию (увели­чение подвижности) азота, фосфора, калия, т. е. указанный предел темпера­туры служит «сигналом» к началу по­требления питательных элементов в связи с наступлением вегетационного периода. От особенностей почвенного покрова зависят «поспевание почвы», продолжительность вегетационного пе­риода в различных экологических усло­виях. Почва выступает в качестве био­химического барьера. Способность по­глощать различные соединения, в том числе токсичные, позволяет ей выпол­нять роль химического санитара окру­жающей среды и тем самым предотвра­щать поступление загрязнений в сельс­кохозяйственную продукцию.

Нельзя не обратить внимание на еще одно уникальное свойство почвы — «па­мять» (способность хранить долговре­менную информацию об экологическом состоянии территории). Это очень важ­но для мониторинга, для прогнозирова­ния и др. Например, по образцам по­чвы, отобранным в начале XX в. и в пос­ледующие годы, была установлена ди­намика загрязнения экосистем токсич­ными тяжелыми металлами примерно за столетний период. Первоначальная (1909—1910 гг.) концентрация одного из наиболее опасных тяжелых металлов —свинца — в верхнем 10-сантиметровом гумусовом слое дерново-подзолистой почвы на Лесной опытной даче МСХА составляла 6 мг/кг. В последнее время уровень загрязнения почвы по этому токсиканту возрос в 40...50 раз. Только по данному показателю можно предпо­ложить, что за столетний период эколо­гическая обстановка ухудшилась, как минимум, в 50 раз, несмотря на удален­ность территории от напряженных го­родских магистралей.

2. Почвоутомление.

Рассматривая фун­кциональную роль почвы в эко- и агроэкосистемах, нельзя упускать из виду определенную ограниченность ее. Эти функции небезграничны и вследствие производственной деятельности могут нарушаться. Один из примеров таких нарушений — так называемая «утомляе­мость почв». Внешнее проявление поч­венного утомления выражается в резком снижении урожайности сельскохозяй­ственных культур, что наблюдается при бессменном возделывании (или частом возвращении на прежнее поле севообо­рота) растений одного и того же рода. Наиболее часто это отмечается при по­вторных посевах льна, подсолнечника, сахарной свеклы, хлопчатника и неко­торых других культур.

Основные причины почвоутомле­ния — накопление в почве токсичных веществ, выделяемых корнями расте­ний и микроорганизмами, разложение специфических вредителей, возбудите­лей болезней и сорняков. Установлено, что корневая система овса выделяет скополетин (вещество, близкое к кума­рину), обладающий ингибирующим действием. В продуктах выделения кор­невой системы льна имеется ряд арома­тических соединений (агликон, феруловая, n-кумариновая и n-гидробензойная кислоты), которые обладают опреде­ленной токсичностью. В корнях люцер­ны аккумулируются алкалоиды, кото­рые диффундируют в почву.

Из-за возможности продуцирования микотоксинов при почвоутомлении и сложившихся экологических условий, способствующих проявлению этого процесса, становится реальной опас­ность заражения почв, что представляет серьезную угрозу.

3. Нормирование содержания химических элементов в почве

Виды нормирования. Нормирование химических элементов в почве — доста­точно сложная задача. Это объясняется несколькими причинами. Отсутствует, например, единая методология норми­рования, имеются трудности в получе­нии объективной информации о состо­янии экосистем и др. Тем не менее на­копленные материалы могут служить основой для оценки экологического со­стояния в системе почва—растение.

Нормирование содержания химичес­ких веществ в почве означает установле-ние концентрации того или иного эле­мента, снижающей почвенное плодоро­дие, вызывающей повреждение расте­ний и накопление в них элемента выше или ниже определенного уровня.

Уровень загрязнения почв контроли­руется различными нормативами, вхо­дящими в систему стандартов и ГОС­Тов. Постоянно разрабатываются об­щие принципы нормирования содержа­ния химических загрязняющих веществ в почве. Различают санитарно-гигиени­ческое, экологическое и социально-экономическое нормирование.

Санитарно-гигиеническое нормирова­ние. В основе этого вида нормирования лежат предельно допустимые концент­рации (ПДК) веществ (элементов), ха­рактеризующие такое количество вред­ных веществ в среде, которое практи­чески не влияет на здоровье человека и благополучие его потомства. Использу­ют также показатель предельно допус­тимый выброс (ПДВ).

Санитарно-гигиеническое нормиро­вание учитывает четыре основных пока­зателя: 1. транслокационный (переход заг­рязняющих веществ из почвы в расте­ние через корневую систему),

2. миграционно-воздушный (переход загрязня­ющих веществ в воздух),

3. миграционно-водный (переход загрязняющих веществ в воду),

4. общесанитарный (влияние заг­рязняющих веществ на самоочищаю­щую способность почвы и ее биологи­ческую активность).

Поскольку токсиканты поступают в организм человека в основном с про­дуктами питания, очень важно при са­нитарно-гигиеническом нормировании учитывать пути миграции поллютантов в системе почва—растение и отношение растений к загрязняющим веществам.

Миграция загрязняющих веществ в системе почва — растение определяется несколькими факторами; основные из них — миграционная способность ток­сиканта и отношение к нему растения. Миграция загрязняющих веществ в по­чве зависит от их вида, особенностей почвенного покрова (гумусированность, гранулометрический состав и пр.), типа водного режима, темпера­турного фактора. Например, свинец в почве менее подвижен, чем кадмий. Комплексы свинца с гуминовыми кислотами почти в 150 раз прочнее, чем аналогичные комплексы кадмия. Сви­нец и ртуть мигрируют на незначитель­ную глубину (примерно до 10 см); про­никновение же в глубину почвы у кад­мия, меди и цинка выражено сильнее (они мигрируют на глубину до 30 см).

Аналогичные результаты получены и в других исследованиях: 57...74 % свин­ца и ртути при антропогенном загрязне­нии закрепляется в слое 0... 10 см и толь­ко 3...8 % мигрирует до глубины 30...40 см.

Миграция тяжелых металлов по органам растений может быть представ­лена следующим рядом (в порядке убы­вания): корни — стебли — листья — се­мена — плоды — клубни. Причем со­держание тяжелых металлов в тканях корня может увеличиваться в 500...600 раз, что свидетельствует о больших за­щитных (буферных) возможностях это­го подземного органа.

Среди травянистых наибольшая ус­тойчивость отмечается у растений сле­дующих семейств: Злако­вые, Бобовые, Маревые. Например, высокие концентрации РЬ выдерживает ежа сборная. По чувствительности к Си и способности накапливать его растения располагаются (по восходящему ряду) следующим образом: томаты — овес -салат — луговые травы — морковь -редька — фасоль — горох — шпинат.

Пока разработано ограниченное ко­личество нормативов ПДК тяжелых ме­таллов в почве, так как почва в отличие от гомогенных водной и воздушной сред является сложной гетерогенной систе­мой, меняющей поведение токсикантов в зависимости от некоторых свойств.

Трудности обоснованной оценки почвенно-экологического состояния тер­ритории — одна из причин различного уровня фитотоксичности почв, установ­ленного разными исследователями

Реальную угрозу для экосистем пред­ставляет не валовое содержание токси­кантов, а содержание их подвижных форм, поэтому в последние годы меди­ки-гигиенисты проводят нормирование не только по общему содержанию заг­рязняющих веществ, но и по концент­рации их подвижных форм.

Степень прочности связи токсиканта в почве, т. е. его подвижность, зависит от почвенно-экологических факторов, которые необходимо учитывать при нормировании. Решая задачи нормиро­вания, в первую очередь следует учиты­вать гумусовое состояние почв, по­скольку почвы разного генетического типа заметно различаются по сорбционной способности. Миграционная способность токси­кантов, в частности тяжелых металлов, в значительной степени зависит от кис­лотности почв.

Гранулометрический и минералоги­ческий составы почвы, формируя ем­кость катионного обмена, также влияют на миграционную способность тяжелых металлов.

В почвах тяжелого гранулометричес­кого состава подвижность токсикантов снижается. Уплотнение почвы вызывает увеличение подвижности загрязняющих веществ. Окислительно-восстанови­тельные условия в почвах также влияют на процессы миграции токсикантов. Токсичность того или иного элемента может меняться и в зависимости от микро- и макроэлементного состава по­чвы в окружающей корень среде, что следует учитывать при нормировании содержания загрязняю­щих веществ в почве.

С учетом принятых ПДК загрязняю­щих веществ разработана схема оценки почв сельскохозяйственного назначе­ния. Эта схема предусматри­вает четыре категории оценки почв. Наименьшее антропогенное воздей­ствие (допустимое загрязнение) отно­сится к I категории, наибольшее — к IV категории. В зависимости от категории оценки следует использовать почвы и осуществлять необходимые мероприя­тия для их оздоровления. При нормиро­вании необходимо также принимать во внимание синергический и антагонис­тический характер взаимовлияния мно­гих соединений. Например, при нитрат­ном загрязнении присутствие серы уменьшает риск онкологических забо­леваний, тогда как наличие кадмия и

Принципиальная схема оценки почв сельскохозяйственного использования по степени загрязнения химическими веществами (Госкомприрода СССР, 1990)

Экологическое нормирование. В осно­ву экологического нормирования по­ложено изучение действия загрязняю­щих веществ не на отдельные организ­мы, а на систему в целом. В данном случае предполагается получение опти­мальной биопродуктивности при ми­нимальном воздействии на окружаю­щую природную среду. В качестве кри­терия воздействия предусматривается использовать (Израэль, 1984) показа­тель предельно-допустимой экологи­ческой нагрузки (ПДЭН), т. е. такой уровень нагрузки, при котором сохра­няется Нормальное функционирование экосистемы.

Нормальное функционирование экосистем в условиях загрязнения предпо­лагает в первую очередь сохранение си­стем биотрансформации и детоксикации. В качестве оценочных при этом используют следующие показатели: са­моочищающая способность почвы, сте­пень концентрирования химического элемента в растении (коэффициент биологического поглощения — КБП), показатель содержания токсиканта в почве и коэффициент концентрации К, равный отношению концентрации ингредиента в загрязненной почве к фо­новой концентрации.

Критериями экологического нор­мирования также могут служить эко­логическая емкость территории, эко­логически оптимальная биопродук­тивность (максимально возможная в конкретных условиях данного райо­на), биологическая продуктивность биогеоценозов, агро- и урбаноценозов с учетом оптимального для данной территории состава растительного и животного мира.

Разработаны критерии физической деградации, химического и биологичес­кого загрязнений, которые целесооб­разно использовать при экологическом нормировании .

Этот перечень критериев требуется дополнить другими показателями, осо­бое место среди которых принадлежит биологическим — наиболее чувстви­тельным к изменениям окружающей природной среды.

Экосистемы, отличающиеся высо­кой и средней степенью устойчивости, характеризуются значительным видо­вым разнообразием бацилл, отсутстви­ем черноокрашенных актиномицетов и фитопатогенных гри­бов, уравновешенным количеством микробной биомассы. Нарушение ус­тойчивости диагностируется увеличе­нием стерильных форм актиномице­тов, появлением значительного коли­чества черноокрашенных микроорга­низмов данной группы(более 50 %), уменьшением видового разнообразия бацилл.

Нормирование с использованием экологических характеристик более адекватно отражает состояние экосис­тем, чем санитарно-гигиенические нормативы (на основе ПДК). При этом предусматривается повышение почвен­ного биопотенциала, что должно спо­собствовать оздоровлению окружаю­щей природной среды.

4. Экологические основы сохранения и воспроизводства плодородия почв

Органические удобрения. В качестве органических удобрений могут быть эффективны птичий помет, торф, городской мусор, осадки полей фильтрации (после соответствующей проверки и очистки), сапропели и дру­гие материалы.

Создание повышенного органичес­кого фона способствует активизации биологических процессов в почве, что улучшает обеспеченность растений пи­тательными веществами и биологичес­ки активными соединениями, а также фитосанитарное состояние почв. В свою очередь, высокий уровень этих по­казателей является основой экономии энергетических ресурсов.

Химическая мелиорация. Для ликви­дации последствий загрязнения почв тяжелыми металлами важное значение имеют предупредительные меры, кото­рые базируются на совершенствовании технологий производства, в том числе агрохимикатов. Хорошо очищенные от­ходы химической и машиностроитель­ной промышленности после обогаще­ния фосфором (до 100 г/кг отходов) представляют большую ценность для сельского хозяйства.

Для очистки сточных вод, применяе­мых в качестве удобрений, используют различные вещества: известняк, ионо­обменные смолы, синтетические сор­бенты. Эффективными методами явля­ются обратный осмос, вымораживание, электролиз. Заслуживает внимания спо­собность многих микроорганизмов кон­центрировать некоторые металлы, что позволяет получать медь, уран и другие металлы микробиологическим путем и тем самым очищать сточные воды от присутствия тяжелых металлов.

Для ликвидации уже существующего загрязнения применяют материалы, связывающие тяжелые металлы в недо­ступные для растений формы (органи­ческие и минеральные удобрения, из­весть, цеолиты, синтетические смолы и др.). Рекомендуют также возделывать культуры, толерантные к загрязнению или используемые на технические цели.

Для сильно загрязненных территорий практикуют удаление загрязненного слоя с последующим извлечением тяже­лых металлов путем перевода их соеди­нений в подвижную форму и дальнейше­го вымывания раствором РеС1₃ в кислой среде. Внесение в почву солей железа способствует улучшению ее физического состояния: происходит агрегирование почв за счет склеивающего эффекта железогуматных комплексов. По заверше­нии очистки проводят комплексное окультуривание почвы: известкование, внесение органических и минеральных почвенной биоты.

Оценка загрязнения почв.

При оценке почв с учетом степени экологического неблагополучия учиты­вают физическую деградацию, хими­ческое и биологическое загрязнения. При этом состояние территории оцени­вают согласно классификации степени экологического неблагополучия:

1. отно­сительно удовлетворительное,
2. напря­женное,
3. критическое,
4. кризисное (зона чрезвычайной экологической ситуа­ции),
5. катастрофическое (зона экологи­ческого бедствия).

Оценку почв можно проводить так­же с учетом интенсивности и характера загрязнений. В этом случае загрязнение почвы может иметь четыре уровня (ка­тегории):

Лекция "Сервис, как составляющая качества" также может быть Вам полезна.

1. допустимое,

2. умеренно опас­ное,

3. высоко опасное,

4. чрезвычайно опасное.

В зависимости от категории почв по степени загрязнения предъявляют иск предприятиям, учреждениям, организа­циям. Размеры ущерба предлагают оп­ределять путем использования утверж­денных соответствующими постановле­ниями нормативов стоимости освоения новых земель взамен изымаемых для несельскохозяйственных нужд.

Указанные нормативы стоимости рекомендуют применять в объеме 100 % для IV категории загрязнения почв (чрезвычайно опасное загрязне­ние, при котором исключается воз­можность использования почв в сельс­кохозяйственном производстве). Для III категории загрязнения почв (высо­ко опасное загрязнение) размеры ущерба рекомендуется определять в объеме около 50 % нормативов сто­имости, поскольку содержание токсичных веществ в почвах по большин­ству показателей превышает ПДК, а следовательно, использование таких почв ограничено (только под техничес­кие культуры без получения на них продуктов питания и кормов для жи­вотноводства); кроме того, требуется выполнение некоторых других мероп­риятий, что связано с затратами. Для II категории загрязнения почв (умеренно опасное) размеры ущерба составляют 25 % нормативов стоимости с учетом высокого содержания токсичных веществ в почвах.