Влияние химических веществ на агроэкосистемы

долгосрочные или необратимые изменения состояния экосистемы.

Под действием химических веществ изменяются следующие параметры экосистемы:

плотность популяции;

доминантная структура;

видовое разнообразие;

изобилие биомассы;

пространственное распределение организмов;

репродуктивные функции.

3.1 Ухудшение качества сельскохозяйственной продукции.

Интенсивное сельское хозяйство требует использования большого количества минеральных удобрений и гербицидов. Минеральные удобрения кроме необходимых для растений веществ содержат большое количество побочных веществ: тяжелых металлов, различных органических и неорганических концерогенов, которые накапливаются в культурных растениях. Особенно богаты “ядовитой приправой” фосфорные удобрения, содержание кадмия в двойном суперфосфате доходит до 3,5 мг/кг. Этот аспект обсуждается в работах (Агаев и др, 1989; Жукова, 1989). Проблема накопления нитратов в овощных культурах рассмативается в работе чешских ученых Пругар и Пругарова (1990), в которой приводятся данные о способности к накоплению нитратов у разных культур при разных дозах применения азотных удобрений.

В условиях непрекращающегося аэротехногенного загрязнения выявлено повышение затрат вещества и энергии на адаптивные перестройки в отдельных компонентах и в целом в агроэкосистеме, что сопровождается изменениями в структуре и функциях. Формирование обменных процессов изменяется таким образом, что поддержание экологического равновесия происходит за счет более интенсивного расходования как внутренних, так и внешних ресурсов.

Рассматривается влияние характера и уровня (ПДК) загрязнения разных типов почв на режим функционирования и состояние агроэкосистемы, которая исследуется как иерархически организованная система почва-микроорганизмы - растения - атмосфера. Отклик на загрязнение формируется благодаря взаимосвязанным реакциям в агроэкосистеме, способствующим изменениям в биогеохимических циклах. Режим функционирования агроэкосистем оценивали путем выявления зависимостей, интегрированных потоками в азотных циклах, количественные параметры которых определяли в полевых опытах с применением изотопа 15N.

Для оценки уровней воздействия аэротехногенного загрязнения в агроэкосистемах с посевом яровой пшеницы на разных типах почв использовали ранее разработанную шкалу экологического нормирования ( Помазкина и др., 1999). Выявлено, что на аллювиальной почве уровень воздействия на агроэкосистемы "критический". В агроэкосистемах на серых лесных почвах оно соответствует уровню "предельно допустимый", причем как на почвах загрязняемых тяжелыми металлами (допустимый уровень суммарного загрязнения ), так и на почвах загрязняемых водорастворимыми фторидами (3 и 6 ПДК). На дерново-луговой почве уровень воздействия на агроэкосистемы оценивается как "допустимый", что обусловлено их устойчивостью.

Таким образом, несмотря на отличия почв по характеру и уровню загрязнения, экологическая нагрузка на агроэкосистемы зависит от свойств почв и их буферной способности по отношению к загрязнению. Формирование устойчивости в агроэкосистеме прежде всего связано с типом почвы.

3.2. Воздействия на отдельные особи и популяции

Любое воздействие начинается с токсического порога, ниже которого не обнаруживается влияние вещества (NOEC - концентрация, ниже, которой не наблюдается воздействие). Ему отвечает понятие экспериментально определяемого порога концентрации (LOEC - минимальная концентрация, при которой наблюдается влияние вещества). Применяется также третий параметр: MATC - максимально допустимая концентрация вредного вещества (в России принят термин ПДК - “предельно допустимая концентрация”). ПДК находят расчетом, и ее значение должно находиться между NOEC и LOEC. Определение этой величины облегчает оценку риска воздействия соответствующих веществ на чувствительные к ним организмы (1 стр. 188).

Химические вещества в зависимости от свойств и строения воздействуют на организмы по-разному.

Молекулярно-биологические воздействия.

Многие химические вещества взаимодействуют с ферментами организма, изменяя их структуру. Так как ферменты катализируют тысячи химических реакций, становится понятным, почему любое изменение их структуры глубоко влияет на их специфичность и регуляторные свойства.

Пример: цианиды блокируют фермент дыхания - цитохром-с-оксидазу; катионы Са2+ тормозят активность рибофлавинкитазы, которая является переносчиком фосфата на рибофлавин в клетках животных.

Нарушения обмена веществ и регуляторных процессов в клетке.

Метаболизм клеток может быть нарушен под действием химических веществ. Реагируя с гормонами и другими регуляторными системами, химические вещества вызывают неконтролируемые превращения, изменяют генетический код.

Пример: нарушение реакций окислительного расщепления углеводов, вызываемое токсичными металлами, особенно соединениями меди и мышьяка; пентахлорфенол (ПХФ), триэтилсвинец, триэтилцинк и 2,4-динитрофенол разрывают цепь химических процессов дыхания на стадии реакции окислительного фосфорилирования; лидан, соединения кобальта и селена нарушают процесс расщепления жирных кислот; Хлорорганические пестициды и полихлорированные бифенилы (ПХБФ) вызывают нарушения работы щитовидной железы.

3.Мутагенное и канцерогенное воздействие.

Такие вещества как ДДТ, ПХБФ и полиароматические углеводороды (ПАУ) потенциально обладают мутагенным и канцерогенным воздействием. Их опасное воздействие на человека и животных проявляется в результате длительного контакта с этими веществами, содержащимися в воздухе и пищевых продуктах. По данным, полученным на основе экспериментов с животными, канцерогенное действие осуществляется в результате двухступенчатого механизма.

4. Воздействие на поведение организмов

Табл. 3. Примеры инициаторов и промоторов канцерогенеза

Табл. 4. Воздействия на биологические системы по мере их усложнения Инициаторы в процессе взаимодействия с ДНК вызывают необратимые соматические мутации, причем достаточно очень малой дозы инициатора, предполагают, что для этого воздействия не существует пороговых значений концентрации, ниже которых оно не проявляется.

Промоторы усиливают действие инициатора, а их собственное воздействие на организм в течение некоторого времени является обратимым.

Аддитивное воздействие - суммирование (сложение) отдельных воздействий.

Нарушение поведения организмов является следствием суммарного воздействия на биологические и физиологические процессы.

Пример: Было установлено, что для явного изменения поведения, обусловленного воздействием химических препаратов, достаточно значительно меньших концентраций, чем ЛД50 (летальная доза при смертности 50 %).

Разные организмы обладают различной чувствительностью к химическим веществам, поэтому время проявления тех или иных действий химических веществ для различных биосистем различно.

IV. Экологический дисбаланс функциональных связей в агроэкосистемах.

Увеличивается доля человека и домашних животных в биосфере. Если в 1886 году она составила 5% всей биомассы животных, то сейчас уже 20%, согласно прогнозам, к 2000 году этот показатель может возрасти до 40% (Олдак,1990).

А.В. Яблоков (1990) проанализировал практику использования пестицидов в сельском хозяйстве. По его мнению, человек уже проиграл битву с насекомыми-вредителями, которые приспосабливаются к инсектицидам быстрее, чем изобретаются и выпускаются препараты. Под воздействием пестицидов погибают и “враги наших врагов”. Это приводит к экологическому дисбалансу в звене насекомое - энтомофаг, что служит причиной возникновения вторичных вспышек уцелевших, устойчивых к пестицидам популяций вредителей. Дальнейшее наращивание доз ведет к бесконечной гонке по замкнутому кругу (Небел, 1993).

Немногим лучше обстоит дело и с сорными растениями, в популяциях которых сравнительно недавно обнаружились экотипы, устойчивые к гербицидам. В итоге, видов-засорителей стало меньше, но экземпляров засорителей больше. Примерно также обстоит дело с использованием фунгицидов. На рис. 3 можно видеть количественную динамику применения химикатов за последние годы. Примечательно, что применение гербицидов растет быстрее по сравнению с инсектицидами, что отражает большую эффективность их использования и появление целого ряда малотоксичных и быстроразлагающихся в почве гербицидов, заменяющих агротехнические приемы при минимальной обработке почвы. После осознания бессмысленности дальнейшего наращивания применения химических средств борьбы с насекомыми резко упала роль инсектицидов.

Несколько иначе обстоят дела с объемами применения пестицидов в нашей республике. Как видно из рис. 4, за последние годы прослеживается резкое падение объемов применения ядохимикатов. Однако это не результат целенаправленной экологизации сельского хозяйства в РБ. Причина падения в настоящее время - отсутствие денег у сельхозпроизводителей на покупку нужного количества химикатов.

Усиливает разбалансированность экосистем превышение экологических нормативов распаханности территории и пастбищных нагрузок (Миркин и др, 1995).

Дисбаланс минеральных элементов в результате разрыва круговорота органики - общий недостаток всех узкоспециализированных (растениеводческих или животноводческих) агроэкосистем. Причина тому - чрезмерное наращивание одного трофического компонента и снижение участия других или даже их полное отсутствие (как в примере с чисто растениеводческими хозяйствами, где отсутствуют сельскохозяйственные животные). Г. Кант (1988) приводит данные о балансе минеральных элементов в почве в зависимости от комплексности (наличия животноводства и растениеводства) агроэкосистемы. В этой же работе приводятся рекомендации по замене навоза сидератами, что позволяет создать “эффект присутствия сельскохозяйственных животных” в чисто растениеводческой агроэкосистеме. На основании полученных данных Кант пишет, что самый благоприятный баланс гумуса в почве получается в комплексных агроэкосистемах, где мелкие животноводческие фермы равномерно распределены по всей площади экосистемы. В хозяйствах с преобладанием растениеводства необходимо использовать завозные корма, что позволит компенсировать потерю минеральных элементов, выносимых зерновыми культурами.

Энергетический кризис. Несмотря на усугубление экологических проблем в биосфере, продолжается рост энергопотребления в сельском хозяйстве, что не сопровождается повышением производства зерна (Braun, 1994). Это говорит о том, что естественные производственные емкости агроэкосистем исчерпаны. Впрочем, как показывает мировой опыт интенсификации сельского хозяйства, и до начала стагнации урожайности, огромные затраты энергии на агроэкосистемы сопровождались только небольшим увеличением выхода продукции. С 1910 года в США затраты на сельскохозяйственное производство возросли в 10 раз, что дало эффект только 2-хкратного увеличения урожая. В Англии за последние 10 лет количество вносимых удобрений увеличилось в 8 раз, тогда как урожай возрос только на 50% (Ecological..., 1974).

В целом на сегодняшний день не более 40% пашни мира используется по интенсивному типу с большими вложениями энергии (Одум, 1986). Средние мировые урожаи основных культур далеко не рекордные и весьма велика разница в урожае, получаемом в экономически развитых странах с высокой энерговооруженностью сельского хозяйства и при экстенсивном типе хозяйствования. Причем, как подчеркивает А. А. Жученко (1988), если бы все пахотные земли мира были переведены в режим интенсивного использования с высокими антропогенными субсидиями, то мы бы "проели" 95% добываемой энергии.

Как видно из таблицы 3, продолжается рост потребления минеральных удобрений, производство которых требует огромных затрат энергии. Обнадеживает лишь то, что за последние годы наблюдается стабилизация роста использования удобрений.

Таблица 5. Среднее потребление минеральных удобрений на 1 га пашни в разных странах (в пересчете на 100% питательных веществ, кг) (По данным Госкомстата СССР, 1989)

Г. Кант (1988) приводит данные о энергетических затратах на фермах ФРГ (рис. 5). Основным потребителем энергии являются производство азотных удобрений (43% от общих энергозатрат на сельскохозяйственное производство) и горючее (29 % от общих энергозатрат). Максимальную экономию энергии могли бы обеспечить: 1) биологическое связывание азота вместо химико-технического;

2) минимизация технико-механической обработки почвы; 3) активное биологическое рыхление; 4) сокращение расходов на пестициды и транспорт (Кант, 1988).

V. Оценка состояния агроэкосистем России в отношении загрязняющих веществ

От состояния агроэкосистем зависит количество и качество продуктов питания. Возможность их загрязнения связана с применением в земледелии средств химизации и техногенным воздействием. Локальное техногенное загрязнение - наиболее мощный фактор деградации почв, но почвы пахотных угодий чаще всего не подпадают под его воздействие. Техногенное загрязнение на региональном уровне охватывает больше площадей пахотных почв. но уровень их загрязнения, как правило, не высок. В минеральных удобрениях загрязняющие вещества присутствуют в качестве примесей. Наиболее загрязнены фосфорные удобрения. Апатитовые месторождения, составляющие в России основную часть фосфатного сырья, часто имеют повышенное содержание фтора и стронция, иногда кадмия. Содержание их, как правило, ниже, чем в зарубежных фосфоритах и апатитах (Северная Африка, Сирия, США и др.). Сопоставление содержания фтора и стронция в фосфорных удобрениях с природным содержанием их в верхних горизонтах почв показывает, что загрязнение почв за счет этого фактора может иметь место. Широким варьированием отличается содержание металлов в составе традиционных органических удобрений (навоз, торф). Применение нетрадиционных удобрений (ОСВ, сапропель, отходы) так же может представлять серьезную опасность для агроэкосистемы. Но для подавляющего большинства неорганических поллютантов удобрения не являются существенным источником их поступления в агроэкосистему. Однако при применении фосфорных удобрений, особенно простого суперфосфата из апатитового концентрата, необходимо контролировать содержание стронция и фтора в почвах и растениеводческой продукции.

Успешное решение задач, стоящих перед сельским хозяйством страны, полное обеспечение населения экологически чистыми продук тами питания, возможно лишь на основе дифференцированного подхода к дальнейшей интенсификации сельскохозяйственного производства. Необходимым условием при этом является разработка и внедрение гибких систем управления плодородием почвы и агроценозом в целом, обеспечивающих минимальный риск изменения экосистемы. Достоверная и надежная оценка антропогенного воздействия на агроэкосистемы возможна на основе результатов длительного агроэкологического мониторинга, который в соответствии с международной программой ЮНЕСКО "Человек и биосфера" определяется как система длительных наблюдений в пространстве и во времени, дающих информацию о сос- тоянии окружающей среды в прошлом, настоящем и прогнозе измене- ния параметров окружающей среды в будущем, имеющих значение для человека. В этих целях необходимо использовать следующие методологические подходы, фундаментальные разработки и классические методы: Системный подход - наблюдения за изменениями природной среды с учетом всех внутренних и внешних вещественных и энергетичес- ких связей.
Функциональный подход - изучение функциональных (связей) зависимостей между компонентами биогеоценноза, экосистемы. Представляется возможность определенного ответа на вопрос "почему ?" происходят те или иные изменения, определить их скорость, а так- же приемы и способы регулирования обнаруженных изменений.

Балансовый подход - учет всех статей прихода и расхода ве щества и энергии в наблюдаемой системе. БАЛАНС = ПРИХОД - РАСХОД
Учет всех миграционных и трансформационных процессов на различных уровнях, начиная с микроперемещений и заканчивая наблюде- ниями за перемещением вещества и энергии на планетарном уровне. Сравнительно-географический метод исследования выбранного объекта и его природного аналога с контролем на эталонном объекте в биосферном заповеднике. Статистические методы исследований - формирование, логический анализ и обобщение базы фактических экспериментальных данных, экспертная оценка и разработка систем управления и прогноза изменения отдельных блоков и агроэкосистемы в целом. Вся совокупность исследований должна быть реализована по единой методике на одинаковых объектах и в одно и тоже время т.е. исследования не должны быть разобщены во времени и в пространстве.

Заключение

Список используемой литературы