Экологические проблемы применения органических удобрений

Санкт-Петербургский  Государственный Аграрный Университет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

Экологические проблемы применения органических удобрений

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила:

Студентка 1311группы

Елисеева А.А.

 

Руководитель:

Царенко В.П.

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург-Пушкин

2011г.

 

 

Оглавление

Стр.

Введение:

- определение органических удобрений.

- состав органических удобрений.

3

Экологические проблемы агрохимии

4

Ограничения по азоту

5

Ограничения по фосфору

8

Ограничения по калию

8

Эрозия почв

10

Ограничения по токсичным примесям

12

Экологические аспекты  применения агрохимических средств

15

Вывод

17

Литература

19

Задачи

20


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     

ВВЕДЕНИЕ

 

Органические  удобрения - удобрения, содержащие элементы питания растений преимущественно в форме органических соединений.

 

Состав органических удобрений

 

Органические удобрения содержат азот, фосфор, калий, кальций и другие элементы питания растений, а также  органическое вещество, которое положительно влияет на свойства почвы.

Органические удобрения состоят из веществ животного и растительного происхождения, которые, разлагаясь, образуют минеральные вещества, при этом в приземный слой выделяется диоксид углерода, необходимый для фотосинтеза растений. Кроме того, органические удобрения благотворно влияют на водное и воздушное питание растений, способствуют развитию почвенных бактерий и микроорганизмов, которые живут в симбиозе с корнями овощных культур и помогают им получить доступные питательные элементы.

К органическим удобрениям относят: навоз, торф, компост (перегной), птичий помёт, солому, зелёное удобрение, ил (сапропель), промышленные и хозяйственные отходы и другое. Стимулирующий эффект органических удобрений значительно повышается при изготовлении из него мелкодисперсного порошка (до размеров наночастиц).

 

 

 

 

 

 

 

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ АГРОХИМИИ

 

Мировая и отечественная  практика интенсивного земледелия убедительно показывает, что удобрения - это материальная основа количества и качества получаемой растениеводческой продукции, источник биогенных элементов для растений.

Биогенные элементы – это химические элементы, входящие в состав организмов и выполняющие определенные биологические функции.

Научно обоснованная система применения агрохимических средств позволяет решать задачи:

   - расширенного воспроизводства  плодородия почв;

   - бездефицитного или положительного баланса биогенных элементов и гумуса в системе «почва – растение – удобрение»;

   - получения растениеводческой продукции, сбалансированной по химическому составу и питательной ценности;

  - повышения рентабельности аграрного производства;

  - улучшения экологической ситуации в аграрной сфере.

В то же время, применение удобрений и других средств химизации – это весьма активное влияние на природную среду. Наличие различных токсических примесей в минеральных удобрениях, неудовлетворительное их качество, а также возможное нарушение технологии их использования могут привести к серьезным негативным последствиям. Раньше в индустриально развитых странах, а также в ряде регионов нашей страны применялись высокие дозы минеральных удобрений, и их негативное влияние на природную среду приобретало опасный характер.

В настоящее время использование удобрений в России резко уменьшилось и об опасности судить трудно – все вывозится за границу. В России остается только экологический вред, связанный с добычей и транспортировкой нефти.

По самому роду своей  деятельности каждый аграрий является самым первым блюстителем порядка  в природе, ее хранителем, а рациональное хозяйствование на земле – важнейшее  условие ее процветания.

 

 

Ограничения по азоту

 

В условиях высокой азотной  нагрузки на агроэкосистему возможно избыточное нитратонакопление в  растительной продукции и загрязнение  нитратами природных вод, поэтому  одним из основных лимитирующих факторов применения органических удобрений является концентрация в них азотсодержащих соединений.

В соответствии с существующими  рекомендациями, разовая доза азота  при внесении его с органическими  удобрениями не должна превышать 200 кг/га . Таким образом, максимальные нормы внесения будут ограничиваться содержанием азота в удобрении и площадью сельскохозяйственных угодий, предназначенных для утилизации органических отходов.

Азотные удобрения решают проблему белка, а следовательно, и уровень продуктивности земледелия и животноводства. При нарушении же технологии их применения они могут оказать существенное негативное воздействие на биосферу – почву, воду, атмосферу, растения, а через них – на животных и человека.

Потери азота из удобрений  бывают довольно значительными. Он усваивается в полевых условиях примерно на 40%, в отдельных случаях – на 50-70, иммобилизуется в почве на 20-30%. Большая его доля включается в состав гумусовых веществ, устойчивых к гидролизу. Потери азота за счет улетучивания различных газообразных соединений составляют в среднем 15-25% от  внесенного, а потери от вымывания зависят от свойств почвы, климата, водного режима, формы и дозы удобрения, вида культуры и т.д. Например, в Земледелии Европы 2/3 потерь азота приходится на зимний период и 1/3 – на летний.

В Нечерноземной зоне в среднем вымывается 10-15 кг/га нитратного азота, на супесчаных почвах – 20-25 кг/га,. а на суглинистых – до 10 кг/га.    В годы с нормальным увлажнением эти показатели снижаются примерно вдвое. В целом же, способность почвы удерживать питательные элементы определяется ее разновидностью (песок<суглинок<глина), но всегда она ограничена. Поэтому избыток элементов питания, внесенных в почву с удобрениями, является потенциальным источником их вымывания.

На дерново-подзолистых  легких почвах при внесении за 6 лет 345 кг азота потери его на рыхлопесчаной почве составил 161, а на связнопесчаной –      83 кг/га. Аналогичные примеры имеются во многих странах мира.

Важнейшим агрономическим мероприятием, предотвращающим потери удобрений и биогенных элементов почвы в природную среду, является освоение научно обоснованных севооборотов.

Зависимость между вымыванием питательных элементов и видом культурных посевов представляет следующий порядок: овощные>корнеплоды>зерновые>кормовые травы.

Значительный ущерб окружающей среды наносит бессистемное использование бесподстилочного навоза, навозных стоков и других отходов животноводства в нарушение научно обоснованных рекомендаций.

Наиболее существенными  нарушениями технологии использования  органических удобрений являются:

1) недостаточное использование подстилочных материалов и несовершенство систем навозоудаления, что в 1,5-2 раза уменьшает выход высококачественных органических удобрений, приводит к ежегодным потерям миллионов тонн жидких органических фракций;

2) неравномерное внесение навоза и компостов из-за недостаточного количества навозоразбрасывателей и применения бульдозеров и других примитивных средств, значительно снижающих эффективность органических удобрений;

3) нарушение соотношения  численности животных и удобряемой площади, что ведет к избыточному удобрению полей, загрязнению окружающей среды;

4) недостаток при животноводческих  комплексах ирригационно подготовленных  площадей для использования животноводческих  стоков (при гидросмыве) и жидкой фракции бесподстилочного навоза на орошение, а также слабое развитие трубопроводного транспорта и полевых навозохранилищ, что значительно повышает эксплуатационные затраты по сравнению с использованием мобильных средств, возрастают и потери навоза;

5) недооценка использования бесподстилочного навоза в сочетании с измельченной и рассеянной по полю во время уборки зерновых соломой и сидерацией полей.

Обобщение отечественного и зарубежного опыта использования  органических удобрений позволяет  заключить, что для преодотвращения потерь биогенных элементов, особенно азота, необходимо руководствоваться следующими общими положениями:

1) на 1 га севооборотной  (полевой) должно вноситься ежегодно  не более    200 кг азота;

2) в хозяйствах, имеющих  животноводческие комплексы, в севооборотах необходимо вводить промежуточные культуры на корм скоту или в качестве зеленого удобрения (уплотненный посев сельскохозяйственных культур в севообороте практически предотвращает потери нитратов за счет вымывания, вследствие интенсивного их использования растениями);

3) осенью бесподстилочный  навоз можно комбинировать с  запахиваемой соломой или зеленым  удобрением (в этом случае азот биологически иммобилизуется (синтезируется в органические формы) осенью и в весенне-летний период, что значительно сокращает потери).

 

 

Ограничения по фосфору

    

Фосфор как биогенный  элемент меньше теряется в окружающую среду вследствие малой его подвижности  в почве и не представляет такой  экологической опасности, как азот. Потери фосфатов чаще всего происходят в результате эрозии почвы. В результате поверхностного смыва почвы с каждого гектара уносится до 10 кг фосфора. Потери же водорастворимых фосфатов с поверхностным стоком небольшие. При вымывании из почвы потери фосфора составляют не более 1 кг/га. Высокая способность глинистых и суглинистых почв связывать фосфаты в водонерастворимые комплексы удерживает его от миграции по профилю почвы, тем более до грунтовых вод. Ограничения, распространяющиеся на внесение органических отходов по фосфору, определяются исходя из содержания данного элемента в удобрениях, в почве и кроме этого учитывается баланс фосфора при выращивании на рассматриваемой площади конкретной культуры с определенной запланированной урожайностью.  

 

 

Ограничения по калию

   

Потери калия более значительны, чем фосфора. В Нечерноземной зоне вымывание калия составляет 5-10 кг/га пашни и более в зависимости от вида культуры, гранулометрического состава почвы, количества атмосферных осадков и т.д.

Повышение коэффициента использования калия и уменьшение потерь достигается за счет комплекса современных мер (оптимальное сочетание со всеми питательными элементами, уплотненные посевы промежуточных культур, дифференцированные почвозащитные системы обработки почвы, химическая мелиорация почв, орошение и осушение и др.)

Интенсивное применение минеральных удобрений усиливает  миграцию и потери кальция, магния, серы и других биогенных элементов.     В таблице №1 приведены обобщенные данные по количеству вымываемых питательных элементов в Нечерноземной зоне России в зависимости от гранулометрического состава почвы.

 

Таблица №1

 

Среднее вымывание элементов  удобрений в Нечерноземной зоне России атмосферными осадками при внесении в почву N60P60K60, кг/га пашни 

(по Минееву)

Элемент

Суглинистые почвы

Супесчаные почвы

Азот

1-6

14-18

Калий

7

10-12

Кальций

50

70-120

Магний

3-7

10-15

Сера

14

25


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЭРОЗИЯ ПОЧВ

   

Большой ущерб в условиях интенсивного земледелия наносит эрозия почвы. Она приобретает глобальный характер и требует коллективных усилий всех стран, как и при решении других проблем охраны окружающей среды. Только овраги ежегодно «съедают» 100-200 га земли, а площадь, выводимая из аграрного использования, в 3-4 раза превышает площадь оврага. В результате эрозии почвы теряется 20% продукции растениеводства, а общая сумма ущерба составляет примерно 10-11 млрд. рублей в год (в ценах 1980-х гг.). Степень развития эрозии почвы и размера ущерба от нее зависят от многих факторов: рельефа местности, вида культуры, гранулометрического состава почвы, интенсивности орошения или выпадающих атмосферных осадков, уровня удобренности полей, системы обработки почвы и др. Потери массы почвы и органического вещества за счет водной эрозии в зависимости от степени эродированности почв могут достигать десятков тонн массы плодородного горизонта почвы и тонн гумуса с гектара в год.

За счет водной эрозии пахотных почв потери органического  вещества могут значительно превышать  то количество, которое минерализуется при распашке и которое может  быть восстановлено запашкой растительных остатков и органических удобрений. Потери отдельных питательных элементов от эрозии почвы бывают разными в зависимости от характера использования аграрных угодий, крутизны склона, интенсивности орошения и т.д. По обобщенным данным научных учреждений России, недобор урожая на слабосмытых почвах составляет 10-12%, на среднесмытых – 30-50, а на сильносмытых- 60-80%.

Среди комплекса важнейших противоэрозионных  мероприятий мощным агротехническим  средством повышения противоэрозионной  устойчивости почв является применение органических и минеральных удобрений. Правильный выбор форм, доз, сроков и способов внесения и заделки удобрений является важным средством предотвращения потерь питательных веществ при смыве и выщелачивании из почвы.

Анализ причин появления эрозии почвы показывает, что это не неизбежное явление, а вызывается оно в значительной мере нарушением научных принципов и законов земледелия, научно обоснованного комплекса приемов агрономической технологии.

Анализ отечественных  и зарубежных исследований и практической деятельности передовых хозяйств позволяет рекомендовать следующий комплекс основных агрономических мероприятий по предотвращению эрозии почвы и потерь питательных веществ:

1. Разработка и освоение  научно обоснованных специализированных с учетом степени эрозионной опасности почвозащитных севооборотов;

2. Система противоэрозионной  обработки почвы: безотвальная, плоскорезная, минимальная, полосная, контурная,  гребнистая, ячеистая, чизелевание,  щелевание почвы и т.д.;

3. Внедрение контурного, террасного, полосного земледелия и комплекса противоэрозионных, мелиоративных мероприятий;

4. Использование пожнивных  посевов, а также уплотненный  посев почвозащитной культуры  в междурядье основной (пропашной). Этот прием особенно эффективен на легких почвах;

5. Залужение посевами  многолетних трав участков, сильно подверженных эрозии;

6. Правильный выбор  форм, доз, сроков и способов  внесения минеральных и органических  удобрений – важное средство  предотвращения потерь питательных  веществ при смыве и выщелачивании из почвы;

7. Применение полимеров  – структурообразователей.

Значительное количество биогенных элементов теряется в  окружающую среду вследствие несовершенства свойств и химического состава  удобрений и различных удобрительных  средств. Второй биологический путь потери азота из удобрений – процесс денитрификации в почве. Газообразные потери азота вследствие этого процесса достигают       15-25% и более от внесенной дозы этого элемента. Выделенные из почвы газообразные продукты азота представлены большей частью N2 и N2O. Наиболее активный химический путь потерь азота удобрений из почвы – выделение свободного аммиака (NH3) вследствие взаимодействия аммиачных форм удобрений со щелочными, высококарбонатными и переизвесткованными почвами. Часто биологические и химические процессы в почве взаимосвязаны.

Для торможения процесса нитрификации и уменьшения, таким  образом потерь азота в ряде стран  выпускаются специальные ингибирующие препараты (Extend в США, AM  в Японии).

 

 

Ограничения по токсичным примесям

    

Потенциальным источником загрязнения почв культурных угодий являются представляющие особую опасность  применяемые на удобрение отходы промышленности, осадки сточных вод (ОСВ), а также сапропель и др. Обычно их применяют в больших дозах, так как полезного компонента в них мало. Систематическое их использование чревато насыщением почвы тяжелыми металлами и другими вредными веществами до токсического уровня.

Значительное загрязнение  почв токсическими элементами возможно при использовании на удобрение осадков сточных вод (ОСВ). Например, по данным ученых Шотландии, удобрение осадком, содежащим 5 мг/кг подвижного кадмия, даже в дозе 25 т/га может повысить уровень доступного кадмия в почве на 50%, а превышение 5 мг/кг доступного растениям кадмия в почве опасно с точки зрения экологии. В США при условии непрерывного использования сточных вод для орошения на почвах всех типов концентрация кадмия не должна превышать 0,01 мг/л, Cr – 0,10; Cu – 0,20; Pb – 5,0; Ni – 0,2; Zn – 2 мг/л.

За последние годы довольно активно ставится вопрос о широком использовании сапропеля в качестве органического удобрения. С ним также возможно попадание в почву тяжелых металлов и токсических соединений. По Минееву В.Г. (1990) содержание кадмия в сапропеле составляет              50-180 мг/кг сухой массы. При внесении его в почву содержание кадмия в растительной массе повышалось на 0,02-1,1 мг/кг сухой массы, а в почве на 6-73 мг/кг.

Расчет общего количества отходов, которое можно утилизировать  на определенной площади и максимально разовой дозы можно осуществить по ГОСТ Р 17.4.3.07- 2001 «Охрана природы. Почвы. Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрений», согласно которому при внесении ОСВ в почву содержание в ней загрязняющих веществ не должно превысить 0,8 ПДК.

 

Расчет общей дозы внесения отхода (в т/га) производится по формуле:

 

             Добщ. = (0,8 ПДК – Ф), ´ m / с                                                 

 

  где ПДК – предельно  допустимая концентрация нормируемого  загрязнения

                     в почве, мг/кг; при отсутствии  ПДК в расчете используется  ОДК; 

Ф – фактическое содержание загрязнителя в почве, мг/кг;

с – концентрация загрязнителя в отходе, мг/кг;

m – масса пахотного  слоя почвы, т/га.

 

Максимально допустимую разовую норму внесения отхода (в т/га) вычисляют по формуле:

 

                 Дуд. = 0,1 ПДК, ´ m / с                                                        

Расчет проводится по каждому нормируемому веществу отдельно. Из полученных данных выбирают минимальное значение, которое и определяет дозу удобрения с учетом свойств почвы и ее фактического загрязнения.

Существуют более сложные  модели определения общей дозы внесения органического материала, содержащего  тяжелые металлы, которые учитывают  не только поступление элемента в почву, но и вынос его растениями, фильтрующимися и поверхностными водами. Так,                    С.Е. Витковской и В.Ф. Дричко была предложена экспоненциальная модель накопления тяжелых металлов в почве, согласно которой общая допустимая доза внесения органических отходов  определяется по формуле:

 

            Добщ = 0,8(ПДК – Сфон.) mk / (Скомп. - Сфон.) ´ (1 – ехр (-kТ))             

   

    где Добщ. – общая допустимая доза органических отходов, т/га;

Сфон – концентрация тяжелых металлов в почве до внесения отхода, мг/кг;

Скомп. – концентрация тяжелых металлов в отходе, мг/кг;

m  -  масса пахотного  слоя, т; 

k – общая константа  выноса элемента из почвы, год-1;

Т – количество лет, в  течение которых планируется  вносить компост в почву,   годы.

 

После определения ограничений  по всем вышеназванным параметрам, лимит на внесение устанавливают  с учетом самого жесткого из ограничений.

Предлагаемый подход представляет из себя лишь общую схему, которая может корректироваться с учетом местных условий. Так, например, на почвах легкого гранулометрического состава (песчаных и супесчаных) и с близким залеганием грунтовых вод предельная разовая доза внесения азота может быть снижена с 200 кг/га до более низких значений. При этом максимальная разовая доза внесения азота устанавливается экспериментальным путем или с использованием уже имеющихся в литературе сведений по объектам-аналогам.

Кроме этого, допустимое содержание подвижного фосфора в  почве может корректироваться с  учетом состояния водных источников. Большое значение здесь будет иметь характеристика водоема (объем воды, режим питания, качество воды и т.д.), интенсивность развития эрозионных процессов и другие параметры.

При введении ограничений  на утилизацию органических отходов  необходимо также учитывать реакцию конкретных сельскохозяйственных культур на повышенные дозы внесения удобрений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ

АГРОХИМИЧЕСКИХ  СРЕДСТВ 

    

Основные причины загрязнения  природной среды удобрениями, пути их потерь и непроизводительного использования следующие.

1. несовершенство технологии  транспортировки, хранения, тукосмешения и внесения удобрений.

2. Нарушение агрономической  технологии их применения в  севообороте и под отдельные  культуры.

3. Водная и ветровая (дефляция) эрозия почвы.

4. Несоответствие  качества  и свойств минеральных удобрений.

5. Интенсивное использование  различных промышленных, городских и бытовых отходов на удобрения без систематического и тщательного контроля их химического состава.

Технологии транспортировки  и внесения удобрений необходимо выделить ряд моментов. Так, недостаток в транспортировке удобрений  заключается в перевалочной системе от завода до поля и в дефиците специализированных автотранспортных средств. Значительная часть агрохимических средств перевозится автосамосвалами общего назначения, что приводит к существенным их потерям. Увеличение объема складских емкостей, а также совершенствование механизированной технологии работы на складах, т.е. погрузочно-разгрузочных работ и тукосмешения с заданным соотношением питательных элементов в тукосмеси, существенно снижают потери минеральных удобрений, повышают их эффективность, сохраняют природную среду от загрязнения.

Существенным источником непроизводительного расходования минеральных удобрений, снижения их положительного действия являются неравномерное  распределение по поверхности поля и их сегрегация (расслоение) при транспортировке и внесении. Например, потери урожая картофеля при внесении нитрофоски (полного минерального удобрения с заданным соотношением питательных веществ, специализированным по культурам) в дозах 60-90 кг/га  с неравномерностью60% достигают 20 ц/га (это 3 ведра с сотки). Недобор урожая от неравномерности внесения удобрений возрастает при использовании высококонцентрированных удобрений, при повышении доз, при высокой отзывчивости культуры на удобрения.

Для применения твердых  минеральных удобрений разработаны специальные комплексы машин (погрузчики, измельчители, разбрасыватели и др.), а для применения жидких удобрений комплексы насосных установок, цистерн и разбрызгивателей. Особый комплекс машин применяется для внесения органических удобрений.

Нарушение научно обоснованной агротехнологии применения удобрений  является одним из основных источников потерь удобрений и загрязнения  окружающей среды.

 

 

ВЫВОД

     

Предприятия индустриального  животноводства и птицеводства обеспечивают стабильный выход экономически рентабельной продукции, в связи с чем развитие данной отрасли является перспективным. Однако, функционирование крупных животноводческих комплексов обычно сопровождается ярко выраженным негативным воздействием на компоненты окружающей среды, причем одним из основных источников воздействия являются  высокие дозы органических отходов. При этом происходят значительные изменения в состоянии почвенно-биотического комплекса, которые проявляются в  увеличении содержания биогенных элементов, тяжелых металлов и других, что приводит к загрязнению природной среды.   Поскольку почва является важнейшим компонентом экосистемы, выполняющим регуляторные функции, изменения, происходящие в ней, быстро передаются другим компонентам, в частности, воде, атмосферному воздуху, растительности. В связи с этим  нормирование воздействий, связанных  с применением высоких доз органических удобрений, имеет чрезвычайно высокие значения и  предупреждение возможных негативных последствий должно иметь приоритет перед их ликвидацией. То есть, определение максимально возможных доз удобрения (лимитов), внесение которых не приведет к загрязнению окружающей среды, должно стать неотъемлемой  частью раздела «Экологическое обоснование проекта» на стадии разработки проектной документации для вновь строящихся предприятий индустриального животноводства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

 

1. Агрохимия под редакцией  Б.А. Ягодина -М.: Колос, 1989-655с.

 

2. Ефимов В.Н., Донских  И.Н., Царенко В.П. Система удобрения  -М.: Колос 2003-320с.

 

3. Минеев В.Г. Агрохимия  -М.: МГУ, 1990-486с 

 

4. Титова В.И. Промышленное свиноводство и экология: проблемы сосуществования / В.И.Титова, В.Б. Караксин, Е.Ю. Гейгер – Н. Новгород: Изд-во ВВАГС, 2003. – 201 с.

 

5. Справочная книга по производству и применению органических удобрений. – ВНИПТИОУ: Владимир, 2001. – 496 с.

 

6. Витковская С.Е. влияние органических отходов на агрохимические свойства дерново-подзолистой почвы и поступление тяжелых металлов в растения / С.Е. Витковская, В.Ф. Дричко // Агрохимия. – 2002. № 7. – С. 5-10.