Экологические проблемы агрохимии

 

МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ  СООБЩЕНИЯ

(МИИТ)

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

по дисциплине

“Экология”

 

“ Экологические проблемы агрохимии ”

 

 

 

 

 

  

 

 

Выполнил:

студентка группы АУИ-311

Бабченко Ирина

 

Проверил:

к.т.н., доц. Иванов Олег Иванович

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2012г.

 

Содержание

Экологические проблемы агрохимии………………………………………………..3

Экологические аспекты применения агрохимических средств……………………3

Азот……………………………………………………………………………...5

Фосфор…………………………………………………………………………..7

Калий…………………………………………………………………………….7

Эрозия почвы……………………………………………………………………8

Токсичные примеси……………………………………………………………11

Негативное воздействие  агрохимических средств на природную среду……..…13

Влияние агрохимических средств  на свойства и плодородие почвы…………….14

Техногенное загрязнение……………………………………………………………..16

Пути техногенного загрязнения  и его предотвращение…………………….......…17

Отрицательное влияние удобрений………………………………………………....18

Список использованной литературы………………………………………………..20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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, их неудовлетворительное качество, а также возможное нарушение технологии их использования могут привести к серьезным негативным последствиям. В настоящее время в индустриально развитых странах, а также в ряде регионов нашей страны применяются высокие дозы минеральных удобрений, и их негативное влияние на природную среду приобретает опасный характер.

Это на 1990 г, теперь 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 импортной 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.

Экологические аспекты  применения агрохимических средств

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

• несовершенство технологии транспортировки, хранения, смешения и внесения удобрений.
• Нарушение агрономической технологии их применения в севообороте и под отдельные культуры.
• Водная и ветровая (дефляция) эрозия почвы.
• Несоответствие  качества и свойств минеральных удобрений.
• Интенсивное использование различных промышленных, городских и бытовых отходов на удобрения без систематического и тщательного контроля их химического состава.

В несовершенстве 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.

Тукосмеси представляют собой смесь одинаковых по размеру гранул азотных, фосфорных и калийных удобрений, при этом компоненты для их изготовления подбираются таким образом, чтобы гранулы были одного размера, с тем, чтобы не было сепарации в процессе транспортировки. Между собой тукосмеси  отличаются соотношением основных питательных элементов - азота, фосфора, калия, серы (N-P-K-S).

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 неравномерностью 60% 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.

Азот

При рассмотрении влияния  агрохимических средств на природную  среду первостепенное значение имеет азот. Азотные удобрения решают проблему белка, 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 среде 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).

Фосфор

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.

Калий

Потери калия более  значительны, чем фосфора. В Нечерноземной  зоне РСФСР 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 приведены обобщенные данные по количеству вымываемых питательных элементов в Нечерноземной зоне России в зависимости от гранулометрического состава почвы.

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 почвы

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. Растения на удобренной почве развивают более мощную корневую систему, улучшают физические свойства почв, что способствует защите почв от эрозии (табл. 2). Правильный выбор форм, доз, сроков и способов внесения и заделки удобрений является важным средством предотвращения потерь питательных веществ при смыве и выщелачивании из почвы.

 

Таблица 2

Изменение эрозионных потерь почвенной массы и питательных  веществ под влиянием минеральных удобрений  (кг/га)(Минеев, 1990)

Компоненты почвы	Неудобренный вариант	N60P60K60
Почвенная масса	4700	3500
Гумус	260	198
Азот	17,1	12,0
Фосфор	14,5	10,8
Калий	93	69

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, плосного 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. Например, потери азота мочевины, аммиачных форм удобрений в виде газообразного аммиака (NH3) происходит под влиянием химических и микробиологических процессов, особенно при поверхностном их внесении. Эти потери возрастают на легких по гранулометрическому составу и высококарбонатных почвах. Заделка мочевины в почву значительно снижает потери азота. При благоприятных условиях на богатых гумусом почвах процесс превращения мочевины в углекислый аммоний происходит в течение 2-3 дней. На нейтральных и щелочных почвах, без осадков, потери азота в виде аммиака возрастают. Внесение же мочевины с заделкой ее в почву (под вспашку, предпосевную культивацию, в рядки при севе и т.д.) весьма эффективно.

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. 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).

Существенным недостатком  многих минеральных удобрений, особенно азотных, является их физиологическая кислотность, а также наличие остаточной кислоты вследствие технологии их производства. Интенсивное применение таких удобрений в севообороте приводит к заметному подкислению почв, созданию неблагоприятных условий для роста растений. В этом случае возрастает потребность в известковании почв и нейтрализации кислотности самих удобрений. Требуют улучшения и физические свойства минеральных удобрений, а также необходима разработка новых форм химических соединений в качестве удобрений. Эти исследования должны быть направлены на оптимизацию питания растений макро- и микроэлементами, сочетания питательных элементов со стимуляторами роста, ретардантами, ингбиторами нитрификации и т.д.

Сейчас уделяется внимание капсулированию удобрений, покрытию гранул различными пленками, элементарной серой. Важно получать удобрения с контролируемым освобождением питательных элементов, особенно азота, в процессе вегетации культур.

Токсичные примеси

Существенным недостатком  многих минеральных удобрений является наличие в них сопутствующих балластных элементов (фтора, хлора, натрия), а также токсичных тяжелых металлов (кадмия, свинца, мышьяка). Содержание небольших доз микроэлементов (Cu,Mo,Mn,B,Zn) полезно, если не превышает токсической нормы. Систематическое внесение с минеральными удобрениями незначительных примесей тяжелых металлов и других токсичных веществ, ведущее к накоплению их в почве, представляет очень серьезную экологическую опасность.

Таблица 3

Содержание  примесей в минеральных удобрениях, извести, гипсе

Наименование примеси	Содержание, %	Наименование примеси	Содержание, %
Бор	0,1-0,2	Стронций	0,5-2,.1
Молибден	0,05-0,13	Фтор	0,3-3,8
Марганец	1,0-1,5	Мышьяк	10-3-10-4
Медь	0,01-0,5	Кадмий	10-4
Цинк	0,05-1,5	Свинец	10-4
Основные примеси в  суперфосфате, мг/кг
Мышьяк	1,2-2,2	Свинец	7-92
Кадмий	50-170	Никель	7-32
Хром	66-243	Селен	0-4,5
Кобальт	0-9	Ванадий	20-180
Медь	4-79	Цинк	50-1430

Токсические элементы попадают в минеральные удобрения главным  образом с сырьем для их производства, частично загрязняют их в технологическом  процессе. Например, 50-80% фтора, поступающего с фосфатным сырьем, остается в  удобрениях, поэтому с 1 т  необходимого растениям фосфора на поля поступает около 160 кг фтора – это приводит  к ухудшению свойств и плодородия почвы, к ингибированию в ней биологических процессов, нарушению биохимических процессов в растениях. Фтор отрицательно влияет на фотосинтез и биосинтез белка, нарушает деятельность таких ферментов как энолаза, фосфоглукомутаза, фосфатаза. Он может накапливаться в продуктах питания, в пшенице, картофеле, рисе, отрицательно влияя на здоровье животных и человека.

Большую опасность представляет кадмий фосфатов. Он близок по свойствам  кальцию и трудно (и дорого) выделяется из фосфатных руд.

Потенциальным источником загрязнения почв культурных угодий являются представляющие особую опасность применяемые на удобрение отходы промышленности, осадки сточных вод (ОСВ), фосфогипс, 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. Так, пиритные огарки (применяются как медное и комплексное микроудобрение) содержат 40-63% железа, 1-2 серы, 0,33-0,47 меди, 0,42-1,35 цинка,0,32-0,58 свинца и другие металлы. В свежих отвалах пиритных огарков содержится до 0,15% мышьяка. Под воздействием атмосферных осадков из них выщелачиваются многие токсические вещества, которые загрязняют почву и водоемы. Использование высоких доз (5-6 ц/га) пиритных огарков в качестве, например, медного удобрения приводит к загрязнению почвы свинцом, мышьяком, и другими тяжелыми металлами, а следовательно, и к повышению их содержания в продукции земледелия.

Средний химический состав фосфогипса из апатитового концентрата следующий (%): Са-28,3; SO₃-55,5; P₂O₅-1,5;F- 0,30; Sr-1,8-2,0. Фосфогипс вносится для улучшения солонцовых почв в дозах 5-20 т/га, с этим в почву попадает от 100 до 400 кг/га стронция. Критическое содержание стронция в почве может достигаться при внесении 40 т/га фосфогипса, что за два цикла вполне реально.

Значительное загрязнение  почв токсическими элементами возможно при использовании на удобрение осадков сточных вод (ОСВ). Для сравнения в таблице приведены и данные по почвам.

Таблица 4

Содержание элементов  в ОСВ и в незагрязненной почве  в Шотландии (по Минееву,1990)

Объект	B	Cu	Ni	Pb	Zn	Cd
Осадки сточных вод	13,3	146	7,.2	37,.1	489	1,9
Почва	0,6	4,.0	1,1	1,.2	3,4	0,13

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.

Многочисленные пути  возможного загрязнения природной среды агрохимическими средствами не остаются без последствий, а оказывают многостороннее негативное влияние практически на все звенья биосферы.

 

 

 

Негативное воздействие  агрохимических средств  
на природную среду

Неблагоприятное воздействие  удобрений, различных отходов, применяемых  в качестве удобрений и химических мелиорантов, можно свести в основном к следующему.

• Неправильное применение удобрений может ухудшить круговорот и баланс питательных веществ, агрохимические свойства и плодородие почвы.
• Нарушение агрономической технологии применения удобрений, несовершенство качества и свойств минеральных удобрений могут снизить урожай и его качество.
• Попадание питательных элементов удобрений и почвы в поверхностные и грунтовые воды приводит к усиленному росту водорослей, образованию планктонов, т.е. к эвтрофированию природных вод с вытекающими отсюда негативными последствиями.
• Попадание удобрений и их соединений в атмосферу отрицательно сказывается на деятельности аграрных и других предприятий, здоровье животных и человека. Высказываются также опасения о возможном разрушении озонового экрана стратосферы вследствие проникновения в нее закиси азота (N₂O), образующейся при денитрификации азотных соединений почвы и удобрений.
• Нарушение оптимизации питания растений макро- и микроэлементами приводит к различным заболеваниям растений, а часто и способствует развитию фитопатогенных грибных болезней, ухудшает фитосанитарное состояние почв и посевов.

 

Влияние агрохимических средств на свойства и плодородие почвы

Почва – важное звено  биосферы, и она прежде всего подвергается сложному комплексному воздействию удобрений и других агрохимических средств, которые могут оказывать на нее следующее влияние:

- подкислять или подщелачивать  среду;

- улучшать или ухудшать  свойства почвы, ее биологическую  и ферментативную активность;

- способствовать вытеснению  ионов в почвенный раствор  вследствие физико-химического их  поглощения;

- способствовать или препятствовать  химическому поглощению биогенных  и токсичных элементов;

- усиливать минерализацию  гумуса или способствовать его  синтезу;

- ослаблять или активизировать  биологическую фиксацию N2 из атмосферы;

- усиливать или ослаблять  действие других питательных  элементов почвы или удобрений;